CN113447313B - 一种自动的广水域水样采集回收一体化装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动的广水域水样采集回收一体化装置及使用方法。一种自动的广水域水样采集回收一体化装置，包括水样采集装置、水样传送装置、水样封存装置、水样回收装置；水样采集装置包括一飞行器，飞行器两侧向水平两侧和斜下方分别对称延伸至少一对导向装置，导向装置上具有可沿其滑移的滑动装置，滑动装置上沿滑动方向的不同部位分别设置用于取水的取水装置，各取水装置的取水口远近各不相同；水样传送装置包括采水动力装置、采水通路；水样封存装置包括采水囊，采水囊与采水通路末端连通，采水囊四周设有上下两层封口器，两层封口器之间设有夹断器，使得采水囊夹断处则作为下一个采水囊的底部；水样回收装置用于对采水囊进行回收。

Description

一种自动的广水域水样采集回收一体化装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种水样采集装置，尤其涉及一种自动的广水域水样采集回收一体化装置及使用方法。

背景技术

目前对海洋水体水质的监测主要使用以下几种方法：实验室取样检测、监测站监测、浮标单点监测以及小型无人船在线监测等。但是，这些方法都存在一定的问题与缺点：实验室取样检测的方法时效性差、测定周期长；监测站监测的方法建设与维护成本过于高昂；浮标单点监测的方法虽然能够实现长期监测，但由于终端位置固定，因此监测范围受限。若通过大幅扩充浮标数目扩大监测范围，则会增加成本，且提高浮标网络复杂度，不易管理，影响航道安全；使用小型无人船进行在线监测能够显著提高水质监测的灵活度，但无人船对流场干扰较大。对比专利文献列表：

公开号CN111766119A，公开日2020年10月13日，水样采集装置、系统和方法。

公开号CN212254755U，公开日2020年12月29日，一种环境检测用水样采集装置。

公开号CN112179724A，公开日2021年1月5日，一种水产养殖分层水样快速采集装置和采集方法。

现有技术的不足及原因：现有技术通常采用缆绳、手持杆等工具手动控制采水位置，自动化程度低且精度、稳定性较差；采水器包括收集装置整个探入水下，对附近流场扰动较大；采水筒形式单一且方向固定，或采样器体积小且位置集中，采水范围小，采水效率低。

发明内容

为解决现有装置的采集范围小、自动化程度低、对环境扰动大等问题，本发明提出一种自动化分层水样多点位快速采集方法及装置，能够同时在较大范围、不同深度、多点位自动采集水样，具有效率高、精度高、稳定性强、对流场干扰小、全自动化等优点。

本发明采取以下技术方案：

一种自动的广水域水样采集回收一体化装置，包括水样采集装置1、水样传送装置3、水样封存装置4、水样回收装置2；所述水样采集装置1包括一飞行器，飞行器两侧向水平两侧和斜下方分别对称延伸至少一对导向装置，所述导向装置上具有可沿其滑移的滑动装置，所述滑动装置上沿滑动方向的不同部位分别设置用于取水的取水装置，各取水装置的取水口远近各不相同；所述水样传送装置3包括采水动力装置、采水通路；所述水样封存装置4包括采水囊4-7，所述采水囊4-7与所述采水通路末端连通，采水囊4-7四周设有上下两层封口器4-2，两层封口器4-2之间设有夹断器4-3，使得采水囊4-7夹断处则作为下一个采水囊4-7的底部；所述水样回收装置2用于对采水囊4-7进行回收。

优选的，所述采水囊4-7上设有微型定位器4-4和条形码4-6，与条形码正对的部位设有扫描仪4-5；水样回收装置2接收采水囊4-7上微型定位器4-4的信号，自动搜寻采水囊4-7。

进一步的，所述水样回收装置2包括上方敞口的收集室2-2，所述收集室2-2前部设置一用于将采水囊4-7拨入其内的可翻转的收集栅栏2-4。

进一步的，所述水样传送装置3的下部还具有一用于对采水囊4-7导向的释放导轨3-8。

优选的，所述导向装置分为第一导向装置和第二导向装置两种；所述第一导向装置为横向与垂向两段式结构，其所述滑动装置的包括鱼线1-8以及设于鱼线末端的重锤1-9，通过收放所述鱼线1-8可调节取水口的深度；所述第一导向装置用于采集较深处的水体；所述第二导向装置为包括倾斜向下的滑轨1-3、与之匹配的滑块1-7以及固定在滑块1-7上用于对各导管1-4进行夹持的夹持器1-5。

优选的，所述飞行器为飞艇1-1。

进一步的，所述水样传送装置3包括支撑横板3-3，微型水泵3-6固定在所述支撑横板3-3上，每个微型水泵3-6的泵出水口3-7安装洁净的水样采集箱3-4，所述采水囊4-7放入水样采集箱3-4的夹层内，水样采集箱3-4内部预留一采水囊4-7的位置，所述水样采集箱3-4上设有可受控预固定所述采水囊4-7的防滑塞4-1；所述水样采集箱3-4下部设有支撑底板3-5，所述支撑底板3-5下方设有所述释放导轨3-8。

一种自动的广水域水样采集回收一体化装置的使用方法，采用上述的广水域水样采集回收一体化装置，包括以下步骤：

S1、组装：将微型水泵3-6固定在支撑横板3-3上，在每个微型水泵3-6的泵出水口3-7安装洁净的水样采集箱3-4，将采水囊4-7放入水样采集箱3-4的夹层内，留一个采水囊4-7的位置，按下防滑塞4-1，最后安装支撑底板3-5；

S2、定位：开启飞艇1-1上的推进器1-2，根据接收到的位置信息，使飞艇1-1到达采水位置上方合适高度；取水口1-6旁附带的传感器记录采水位置信息，同步传输到飞艇1-1中的控制端，操作人员根据信息，通过程序调整滑轨1-3的长度、与飞艇1-1中轴线的角度，滑块1-7在滑轨1-3上的位置，如果需要在深水域采样，则使用水平滑轨，调整滑轨和鱼线1-8的长度，使取水口1-6到达需要采集水样的位置；

S3、水样采集：打开阀门3-1，启动微型水泵3-6，产生负压。同一时刻不同位置的水样在压力作用下依次通过导管1-4、入口水管3-9、出口水管3-2，进入水样采集箱3-4内的采水囊4-7，实现于高水位采集低水位水样；

S4、采水囊处理与释放：采水囊4-7收集水后自然撑开，此时扫描仪4-5自动扫描到采水囊4-7上的条形码4-6，将收到的信息录入控制端。当检测到水样已采集到一定量后，关闭阀门3-1与微型水泵3-6，封口器4-2自动密封，夹断器4-3从中夹断采水囊口，采水囊4-7落入释放导轨3-8，滑到水面上漂浮，等待回收；采水囊4-7夹断处则作为下一个采水囊的底部；

S5、回收：水样回收装置2接收采水囊4-7上微型定位器4-4的信号，自动规划路线，回收板转动将采水囊4-7拨入回收箱中；

S6、信息读取：技术人员扫描回收到的采水囊4-7上的条形码4-6，读取该水样的位置及水文信息。

本发明的有益效果在于：

1)飞艇与水面零接触，解决了一些需要整体在水面上或水下移动进行采样的工具对流场扰动大的问题。

2)滑轨、滑块和鱼线结合位置传感器，相较缆绳更易于监测、控制和调整采水位置，解决了缆绳控制法的精确性与稳定性不足的问题；相较固定采水筒或小的采水器，满足了同一时刻、不同位置、较大范围采样的需求；经测试，在采水需要的最大功率下抽水时，重锤可有效抵抗水流的作用力，让鱼线保持竖直，且采水口位置几乎不发生偏移。相比手持采水器或缆绳控制，提高了采样广度、精度和效率。

3)实现了水样采集、信息收集和样品回收的自动化和一体化，相比传统的采样和收集方式，大大节省了人力和时间。

附图说明

图1是本发明自动的广水域水样采集回收一体化装置的整体外部示意图。

图2是水样采集装置的左视图。

图3是水样采集装置的侧视图。

图4是水样采集装置的轴测图。

图5是取水装置的俯视图。

图6是取水装置的侧视图。

图7是水样回收装置的轴测图。

图8是水样回收装置的侧视图。

图9是水样采集装置内部结构主视图。

图10是水样采集装置内部结构右视图。

图11是水样采集装置内部结构俯视图。

图12是水样采集装置内部结构轴测图。

图13是水样采集箱内部剖面图。

图14是采水囊的部分示意图。

图15是本发明自动的广水域水样采集回收一体化装置工作流程示意图。

图中，1—水样采集装置；2—水样回收装置；3—水样传送装置；4-水样封存装置；

1-1—飞艇；1-2—推进器；1-3—滑轨；1-4—导管；1-5—夹持器；1-6—取水口；1-7—滑块；1-8—鱼线；1-9—重锤；

2-1—主框架；2-2收集室；2-3气囊；2-4收集栅栏；

3-1—阀门；3-2—出口水管；3-3—支撑横板；3-4—水样采集箱；3-5—支撑底板；3-6—微型水泵；3-7—泵出水口；3-8—释放导轨；3-9—入口水管；

4-1—防滑塞；4-2—夹断器；4-3—封口器；4-4—微型定位器；4-5—扫描仪；4-6—条形码；4-7—采水囊。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1-图14，一种自动的广水域水样采集回收一体化装置，包括水样采集装置1、水样传送装置3、水样封存装置4、水样回收装置2；所述水样采集装置1包括一飞行器，飞行器两侧向下对称延伸至少一对导向装置，所述导向装置上具有可沿其滑移的滑动装置，所述滑动装置上沿滑动方向的不同部位分别设置用于取水的取水装置，各取水装置的取水口远近各不相同；所述水样传送装置3包括采水动力装置、采水通路；所述水样封存装置4包括采水囊4-7，所述采水囊4-7与所述采水通路末端连通，采水囊4-7四周设有上下两层封口器4-2，两层封口器4-2之间设有夹断器4-3，使得采水囊4-7夹断处则作为下一个采水囊4-7的底部；所述水样回收装置2用于对采水囊4-7进行回收。

参见图13-14，所述采水囊4-7上设有微型定位器4-4和条形码4-6，与条形码正对的部位设有扫描仪4-5；样回收装置2接收采水囊4-7上微型定位器4-4的信号，自动搜寻采水囊4-7。

参见图7-8，所述水样回收装置2包括上方敞口的收集室2-2，所述收集室2-2前部设置一用于将采水囊4-7拨入其内的可翻转的收集栅栏2-4。

参见图10-12，所述水样传送装置3的下部还具有一用于对采水囊4-7导向的释放导轨3-8。

参见图2-6，所述导向装置分为第一导向装置和第二导向装置两种；所述第一导向装置为横向与垂向两段式结构，其所述滑动装置的包括鱼线1-8以及设于鱼线末端的重锤1-9，通过收放所述鱼线1-8可调节取水口的深度；所述第一导向装置用于采集较深处的水体；所述第二导向装置为包括倾斜向下的滑轨1-3、与之匹配的滑块1-7以及固定在滑块1-7上用于对各导管1-4进行夹持的夹持器1-5。

参见图3，所述飞行器为飞艇1-1。

参见图9-12，所述水样传送装置3包括支撑横板3-3，微型水泵3-6固定在所述支撑横板3-3上，每个微型水泵3-6的泵出水口3-7安装洁净的水样采集箱3-4，所述采水囊4-7放入水样采集箱3-4的夹层内，水样采集箱3-4内部预留一采水囊4-7的位置，所述水样采集箱3-4上设有可受控预固定所述采水囊4-7的防滑塞4-1；所述水样采集箱3-4下部设有支撑底板3-5，所述支撑底板3-5下方设有所述释放导轨3-8。

本实施例包含多条滑轨装置及可实现近水面定高飞行的飞艇设备，并采用泵吸式吸水采样，通过太阳能无人艇进行回收。

1.结合飞艇实现大范围、小扰动采样：飞艇借助空气浮力和推进器获得动力，根据程序设定的高度在水面上方定高飞行，可在能耗较低的情况下快速在大范围移动，能够在几乎不干扰水表面流场的情况下实现大范围水域采样。

2.基于滑轨、鱼线及传感器，实现同时多位精准采样：飞艇两侧连接多条滑轨，未工作时折叠于飞艇内部，采水时从两侧伸出。滑轨细长坚韧，对局部流场扰动很小；滑轨分为可倾斜和水平两类。可倾斜滑轨用于浅水区采水，采水管沿着滑轨，管口用滑块上的固定环固定，采水时，通过程序控制调整滑轨与水平线的夹角及滑轨长度，将滑轨探入水下，再程序设定滑块在滑轨上的位置，使采水口到达预定的采水点。水平滑轨用于深水区采水，滑轨与水平面平行，仅可调整滑轨伸出长度。滑轨上通过滑块固定有五根直角型取水管，五根取水管粘连在一起，末端取水口至滑轨的垂直距离各不相同，中间的取水管与鱼线粘连，鱼线末端有重锤连接一重锤，以实现同一时刻在不同位置采样；采水时，用程序控制滑轨伸出的长度，滑块在滑块上的位置来调整采水位置。各取水口附着有位置传感器，可将位置信息传递给控制端，以便将其录入到贴在采水囊上的条形码。这样的设计提高了采水的效率、精准度和自动化程度。

3.采用泵吸式采样效率更高：采水管末端连接微型水泵，在采水位置确定后，水泵开关打开，产生负压，以便更快速地吸入水样，提高采样效率。

4.自动标记打包、释放收集装置：采集到的水样通过泵出水口进入水样采集箱中的采水囊中，每个采水囊上附有对应的防水条形码和一个微型定位器。水样采集箱内壁附着有连接飞艇控制层的扫描仪，当水进入箱内的采水囊将其撑开时，可自动扫描采水囊上的条形码，记录本次采水位置信息，并储存到飞艇控制层，再次扫码即可读取信息。采集箱顶部设有塑料薄膜封口机，当检测到水样已采集到一定量后，塑料薄膜封口机便进行自动封口，夹断器从中切断，等待下一次采水。采集箱底部连接有释放导轨，将已封口的采水囊平稳传递到飞艇后方的水面上，采水囊留有足够空气，使其能漂浮在水面上。完成水样采集之后，太阳能板无人艇接收采水囊上微型定位器的信号，自动规划路线，精准回收采水囊。

研究方法：

1)在sol idworks中建立装置模型，并导入到ANSYS Fluent软件中进行数值模拟，得到了采样装置工作时周围的流场，仿真研究表明，采水口附近水流速度快，局部压力小，可顺利吸水入采水管；滑轨、鱼线及重锤附近流场受干扰小，在需要的最大功率采样时重锤不会发生摆动，保证了采样效率和质量。

2)GPS系统能精准定位，帮助获取采样位置信息及水样采水囊位置信息，实现样品的标记和回收。

3)条形码小巧轻便，易附着于采水囊，用扫描条形码的方式能够快速方便地记录、获取信息。

创新点：

1)利用飞艇动力原理，实现长续航、高效精准采样：为了克服现有水质采样设备普遍存在的续航短、可测范围有限的不足，本发明利用飞艇靠空气浮力升空的动力原理，实现同负载情况下更低能耗、更长续航，更大采样范围、更强单次采样能力。飞艇在水面上方定高飞行，不接触水面，仅将滑轨或鱼线探入水下进行采样，这样几乎不会扰动水体表面流场，因而采集到的水样信息更加精准。

2)采水器基于滑轨、鱼线和传感器的组合设计，高效完成多位精准采样：为了克服现有采样设备不能同时在较大范围内多位采样的问题，本发明设计多条滑轨和鱼线，在较浅水域采样时，通过程序控制调整可倾斜滑轨的长度和角度、滑块的位置来控制采水口位置；在较深水域采样时，从水平滑轨的滑块上释放带有重锤的鱼线，将采水管探入更深水域。滑轨、采水管和鱼线体积小，减少了采样时对局部流场的扰动。采水管口附着有传感器，可实时监控采水处位置及附近水文信息，并将其传送到控制端，以便根据需要调整位置。这样的结合，保证了采样的效率、广度、精度和稳定性，实现了自动化高效采样。

3)水样采水囊的制作、标记、释放、回收的自动化与一体化设计：为了填补现有采水方式人力成本高、自动化程度低的不足，我们采用程序自动化控制，设计了自动打包标记及回收一体化装置。水样采集箱内壁附着的扫描仪记录由传感器采集到的水样的位置信息，可自动扫描采水囊上的条形码，将信息录入。塑料薄膜封口机可在检测到水样已采集到一定量后进行自动封口，夹断器从中切断，因多个采水囊首尾相连，断面两侧恰好作为上一个采水囊的顶部和下一个采水囊的底部，这样下一次采水可按同样的程序自动进行。释放导轨两侧足够高，能防止采水囊从侧面落下，且足够长，保证采水囊入水后不干扰采水区域的流场。完成水样采集之后，太阳能板无人艇接收定位信号进行精准回收。由此实现采水囊的制作、标记、释放、回收自动化和一体化。

本水样采集装置的作业流程如下：

1、组装：将微型水泵3-6固定在支撑横板3-3上，在每个微型水泵3-6的泵出水口3-7安装洁净的水样采集箱3-4，将采水囊4-7放入水样采集箱3-4的夹层内，留一个采水囊4-7的位置，如图13放置，轻按下防滑塞4-1，最后安装支撑底板3-5。

2、定位：开启飞艇1-1上的推进器1-2，根据接收到的位置信息，使飞艇1-1到达采水位置上方合适高度。取水口1-6旁附带的传感器记录采水位置信息，同步传输到飞艇1-1中的控制端，操作人员根据信息，通过程序调整滑轨1-3的长度、与飞艇1-1中轴线的角度，滑块1-7在滑轨1-3上的位置，如果需要在深水域采样，则使用水平滑轨，调整滑轨和鱼线1-8的长度，使取水口1-6到达需要采集水样的位置，完成定位。

3、水样采集：打开阀门3-1，启动微型水泵3-6，产生负压。同一时刻不同位置的水样在压力作用下依次通过导管1-4、入口水管3-9、出口水管3-2，进入水样采集箱3-4内的采水囊4-7，实现于高水位采集低水位水样。

4、采水囊处理与释放：采水囊4-7收集水后自然撑开，此时扫描仪4-5自动扫描到采水囊4-7上的条形码4-6，将收到的信息录入控制端。当检测到水样已采集到一定量后，关闭阀门3-1与微型水泵3-6，封口器4-2自动密封，夹断器4-3从中夹断采水囊口，采水囊3落入释放导轨3-8，滑到水面上漂浮，等待回收；采水囊4-7夹断处则作为下一个采水囊的底部，用同样的方式进行下一次采水。

5、回收：水样回收装置2接收采水囊3上微型定位器4-4的信号，自动规划路线，回收板转动将采水囊3拨入回收箱中，完成回收操作。

6、信息读取：技术人员扫描回收到的采水囊3上的条形码4-6，读取该水样的位置及水文信息，用于后续研究。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种自动的广水域水样采集回收一体化装置，其特征在于：

包括水样采集装置(1)、水样传送装置(3)、水样封存装置(4)、水样回收装置(2)；

所述水样采集装置(1)包括一飞行器，飞行器两侧向水平两侧和斜下方分别对称延伸至少一对导向装置，所述导向装置上具有可沿其滑移的滑动装置，所述滑动装置上沿滑动方向的不同部位分别设置用于取水的取水装置，各取水装置的取水口远近各不相同；

所述水样传送装置(3)包括采水动力装置、采水通路；

所述水样封存装置(4)包括采水囊(4-7)，所述采水囊(4-7)与所述采水通路末端连通，采水囊(4-7)四周设有上下两层封口器(4-2)，两层封口器(4-2)之间设有夹断器(4-3)，使得采水囊(4-7)夹断处则作为下一个采水囊(4-7)的底部；

所述水样回收装置(2)用于对采水囊(4-7)进行回收；

所述导向装置分为第一导向装置和第二导向装置两种；

所述第一导向装置为横向与垂向两段式结构，其所述滑动装置包括鱼线(1-8)以及设于鱼线末端的重锤(1-9)，通过收放所述鱼线(1-8)可调节取水口的深度；所述第一导向装置用于采集较深处的水体；

所述第二导向装置为包括倾斜向下的滑轨(1-3)、与之匹配的滑块(1-7)以及固定在滑块(1-7)上用于对各导管(1-4)进行夹持的夹持器(1-5)；

所述采水囊(4-7)上设有微型定位器(4-4)和条形码(4-6)，与条形码正对的部位设有扫描仪(4-5)；水样回收装置(2)接收采水囊(4-7)上微型定位器(4-4)的信号，自动搜寻采水囊(4-7)；

所述水样回收装置(2)包括上方敞口的收集室(2-2)，所述收集室(2-2)前部设置一用于将采水囊(4-7)拨入其内的可翻转的收集栅栏(2-4)。

2.如权利要求1所述的自动的广水域水样采集回收一体化装置，其特征在于：所述水样传送装置(3)的下部还具有一用于对采水囊(4-7)导向的释放导轨(3-8)。

3.如权利要求1所述的自动的广水域水样采集回收一体化装置，其特征在于：所述飞行器为飞艇(1-1)。

4.如权利要求2所述的自动的广水域水样采集回收一体化装置，其特征在于：所述水样传送装置(3)包括支撑横板(3-3)，微型水泵(3-6)固定在所述支撑横板(3-3)上，每个微型水泵(3-6)的泵出水口(3-7)安装洁净的水样采集箱(3-4)，所述采水囊(4-7)放入水样采集箱(3-4)的夹层内，水样采集箱(3-4)内部预留一采水囊(4-7)的位置，所述水样采集箱(3-4)上设有可受控预固定所述采水囊(4-7)的防滑塞(4-1)；所述水样采集箱(3-4)下部设有支撑底板(3-5)，所述支撑底板(3-5)下方设有所述释放导轨(3-8)。

5.一种自动的广水域水样采集回收一体化装置的使用方法，其特征在于：采用权利要求4所述的广水域水样采集回收一体化装置，包括以下步骤：

S1、组装：将微型水泵(3-6)固定在支撑横板(3-3)上，在每个微型水泵(3-6)的泵出水口(3-7)安装洁净的水样采集箱(3-4)，将采水囊(4-7)放入水样采集箱(3-4)的夹层内，留一个采水囊(4-7)的位置，按下防滑塞(4-1)，最后安装支撑底板(3-5)；

S2、定位：开启飞艇(1-1)上的推进器(1-2)，根据接收到的位置信息，使飞艇(1-1)到达采水位置上方合适高度；取水口(1-6)旁附带的传感器记录采水位置信息，同步传输到飞艇(1-1)中的控制端，操作人员根据信息，通过程序调整滑轨(1-3)的长度、与飞艇(1-1)中轴线的角度，滑块(1-7)在滑轨(1-3)上的位置，如果需要在深水域采样，则使用水平滑轨，调整滑轨和鱼线(1-8)的长度，使取水口(1-6)到达需要采集水样的位置；

S3、水样采集：打开阀门(3-1)，启动微型水泵(3-6)，产生负压； 同一时刻不同位置的水样在压力作用下依次通过导管(1-4)、入口水管(3-9)、出口水管(3-2)，进入水样采集箱(3-4)内的采水囊(4-7)，实现于高水位采集低水位水样；

S4、采水囊处理与释放：采水囊(4-7) 收集水后自然撑开，此时扫描仪(4-5)自动扫描到采水囊(4-7)上的条形码(4-6)，将收到的信息录入控制端； 当检测到水样已采集到一定量后，关闭阀门(3-1) 与微型水泵(3-6)，封口器(4-2)自动密封，夹断器(4-3)从中夹断采水囊口，采水囊(4-7)落入释放导轨(3-8)，滑到水面上漂浮，等待回收；采水囊(4-7)夹断处则作为下一个采水囊的底部；

S5、回收：水样回收装置(2)接收采水囊(4-7)上微型定位器( 4-4) 的信号，自动规划路线，回收板转动将采水囊(4-7)拨入回收箱中；

S6、信息读取：技术人员扫描回收到的采水囊(4-7)上的条形码(4-6)，读取该水样的位置及水文信息。

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