CN114062037B - 自动采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动采样装置及方法，自动采样装置包括采样容器，采样容器设有压强小于大气压强的真空腔、与真空腔连通的进样通道以及用于控制进样通道通断的控制机构，采样容器投放至液体采集地点后，进样通道位于液面以下，进而通过控制机构将进样通道开启，利用真空腔与大气压强之间的压力差将液体样品自动定量压送至采样容器的真空腔内。本发明的自动采样装置，无需人工进行采样操作，且结构简单，制造成本低，此外，在进样前，根据所需的进样量调节真空腔内的压强，采样容器自动采样完成后，采样量等于所需的进样量，从而实现液体样品的自动定量采集。

Description

自动采样装置及方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，特别地，涉及一种自动采样装置及方法。

背景技术

近年来，随着我国社会经济的不断发展，城市规模的扩大，更多的有毒有害物质被肆无忌惮的排放到河流、湖泊、海洋中，严重危害到了人民生活、饮水安全与自身健康。目前环境监督部门，采样方式基本为人工取样，存在采样频次有限，人力物力投入大，较大的安全隐患，采样周期长等问题，水质样品采集方式已经成为了制约环境监测发展与评价短板。

目前，水质采样监测主要采用人工采样方式，以及少部分安装在现场的水质自动采样器进行自动留样的方式。人工采样方式适用于频次较低的采样需求(如每月/每周一次)，或者频次高但采样行程距离短的需求(如厂区内的采样)，但人工采样方式则存在难以捕捉到采样时机、较难控制采样质量、人员投入多、存在安全隐患等诸多弊端。水质自动采样器可适用于频次较高的采样需求，可实现等时、等量、时间等比例、流量等比例和外部条件变化至临界点触发采样，相比于人工采样具有诸多优势，但也存在对现场安装和使用条件要求比较高的弊端，需外接电源，成本高、投入大，体积大、建设周期长，不方便布置等缺陷。

因此，亟需一种采样装置，无需外接动力即可实现自动采样，摆脱采样动力来源的束缚，极大的提升了采样方式的灵活性、多样性，可以减少采样的投入，有效减少其体积，提高采样装置的灵活性，能满足野外或者危险区域的流域采样，杜绝采样过程中的安全隐患，适用于各种复杂的环境下的水样采样。

发明内容

本发明提供了一种自动采样装置及方法，以解决现有的环境监测的需要人工进行采样操作且操作难度大的技术问题，无需提供动力，通过采样装置自身的结构设计，巧妙的利用重力在液面形成的压差，实现样液的自动进样。适用于各种复杂的水域环境的水样采样，具有极高的灵活性和适应性。

根据本发明的一个方面，提供一种自动采样装置，包括采样容器，采样容器设有压强小于大气压强的真空腔、与真空腔连通的进样通道以及用于控制进样通道通断的控制机构，采样容器投放至液体采集地点后，进样通道位于液面以下，进而通过控制机构将进样通道开启，利用真空腔与大气压强之间的压力差将液体样品自动定量压送至采样容器的真空腔内。

进一步地，采样容器具有至少两个平均密度不同的区域，进样通道位于平均密度最大的区域。

进一步地，通过采样容器自身的制造材料和/或形状加工形成平均密度不同的多个区域；或通过在采样容器内和/或采样容器外设置配重结构形成平均密度不同的多个区域；或通过在采样容器内和/或采样容器外设置气浮结构形成平均密度不同的多个区域。

进一步地，采样容器整体的平均密度不大于待采集样液的密度。

进一步地，采样容器包括多个单元，进样通道设于其中一个单元上，真空腔设于其中另一个单元上。

进一步地，多个单元为分体结构，彼此密封连接；或者多个单元为一体式的整体结构。

进一步地，控制机构包括安装于采样容器内的用于控制采样的控制模块、用于给控制模块供电的电源模块以及设于进样通道上并与控制模块连接的进样阀门。

进一步地，采样容器内还安装有与控制模块连接的压力传感器、定位器、温度传感器、电导率传感器、陀螺仪传感器、pH传感器、ORP传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、拾音器、视频采集装置中的至少一个。

进一步地，控制机构还包括与控制模块电连接的用于接收和发射信号的通讯模块，通讯模块位于采样容器上采样后位于液面附近及以上的区域。

根据本发明的另一方面，还提供了一种自动采样方法，采用上述自动采样装置，具体包括以下步骤：根据所需的进样量调节真空腔内的压强；将采样容器投放至水中，进样通道位于水面以下；通过控制机构将进样通道开启，利用真空腔与大气压强之间的压力差将水样自动压送至采样容器的真空腔内，直至真空腔内的水样达到所需的进样量时自动停止进样。

本发明具有以下有益效果：

本发明的自动采样装置，进样通道与压强小于大气压强的真空腔连通，并设有用于控制进样通道通断的控制机构，采样容器投放至液体采样点后，进样通道位于液面以下，从而利用真空腔与大气压强之间的压力差将液体样品自动定量压送至采样容器的真空腔内，当真空腔的压强与大气压强之间压差为零时，则自动停止采样，因此能自动进样和自动停止采样，而无需人工进行采样操作，且结构简单，制造成本低，此外，在进样前，根据所需的进样量调节真空腔内的压强，采样容器自动采样完成后，采样量等于所需的进样量，从而实现液体样品的自动定量采集。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的自动采样装置的结构示意图；

图2是本发明另一实施例的自动采样装置的结构示意图；

图3是本发明另一实施例的自动采样装置的结构示意图；

图4是本发明另一实施例的自动采样装置的结构示意图。

图例说明：

1、瓶体；2、瓶盖；3、进样通道；4、真空腔；5、配重块；6、控制模块；7、电源模块；8、进样阀门；9、电导率传感器；10、压力传感器；11、温度传感器；12、漂浮体；13、气浮舱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的自动采样装置的结构示意图；图2是本发明另一实施例的自动采样装置的结构示意图；图3是本发明另一实施例的自动采样装置的结构示意图；图4是本发明另一实施例的自动采样装置的结构示意图。

本发明的自动采样装置，进样通道3与压强小于大气压强的真空腔4连通，并设有用于控制进样通道3通断的控制机构，采样容器投放至液体采样点后，进样通道3位于液面以下，从而利用真空腔4与大气压强之间的压力差将液体样品自动定量压送至采样容器的真空腔4内，当真空腔4的压强与大气压强之间压差为零时，则自动停止采样，因此能自动进样和自动停止采样，而无需人工进行采样操作，且结构简单，制造成本低，此外，在进样前，根据所需的进样量调节真空腔4内的压强，采样容器自动采样完成后，采样量等于所需的进样量，从而实现液体样品的自动定量采集。

采样容器具有至少两个平均密度不同的区域，进样通道3位于平均密度最大的区域。以地表水的采样为例，本发明提供的采样装置投放到水面后，进样通道3位于平均密度最大的区域，在重力作用下，进样通道3的区域必然先接触水面，进而通过控制机构控制进样通道3开启，水在真空腔4与大气之间的压差作用下能够顺利的进入采样容器的真空腔4内，当真空腔4内的压强与大气压强相等时则自动停止进样，从而完成地表水的自动采样。

可选地，通过采样容器自身的制造材料和/或形状加工形成平均密度不同的多个区域。可选地，通过在采样容器内和/或采样容器外设置配重结构形成平均密度不同的多个区域。可选地，通过在采样容器内和/或采样容器外设置气浮结构形成平均密度不同的多个区域。在本实施例中，通过在采样容器内增设配重块5，进样通道3设于配重块5附近，从而使进样通道3位于采样容器的平均密度最大的区域。如：通过进样通道3附近区域的平均密度设计成不小于待测样液的密度，真空腔4附近的平均密度不大于待测样液的密度。又或者，进样通道3附近区域的平均密度小于待测样液的密度，但搭配与之连接的结构设计，可使得采样容器投放至采样液面后，进样通道3与液面接触或位于液面以下，通过控制机构控制进样通道3开启在真空腔4与大气之间的压差作用下能够快速的进入采样容器的真空腔4内，当真空腔4内的压强与大气压强相等时则自动停止进样，从而完成样液的自动采样。例如，进样通道3区域的平均密度小于待测样液的密度，在该区域外接有提供压力的结构或部件，迫使投放至采样点后，进样通道3与液面接触或位于液面以下，通过控制机构控制进样通道3开启在真空腔4与大气之间的压差作用下能够快速的进入采样容器的真空腔4内，当真空腔4内的压强与大气压强相等时则自动停止进样，从而完成样液的自动采样。

因此，关于进样通道3附近区域的平均密度与待采集样液密度之间没有明确的大小界定，在具体的实施过程中，能够搭配灵活的结构皆能实现，例如，将进样通道3的平均密度小于待采集样液密度的区域，加工成楔形、锥形，采样容器投放之采样点，维持平衡后，使得部分或全部进样通道3位于液面以下。

以上的描述是以仅列举了本发明较优选的几个实施例为例进行描述的，但是对于本领域技术人员而言，在以上揭示的基础上，可以基于进样通道3区域密度与待采集样液之间的关系，也可以设计出不同于此的其他类似结构。例如，通过采样容器处于平衡的位置，这根据具体情况可以适当的调整，关于具体固定的位置关系或者其它实现同等功能的结构形状，这对于本领域技术人员应当是易于构想到的，故在此不再一一赘述。

关于采样容器的平均密度进行必要的说明：空腔状态下，整个采样容器的平均密度为采样容器的质量与采样容器自身体积的比值；采样状态下，平均密度为采样容器和采集至内部的样液的质量之和与采样容器的自身体积的比值。优选地，采样容器整体的平均密度不大于待采集样液的密度。由此，能确保整个采样容器在采样过程及完成后，采样容器能够漂浮在待采样液的表面。

可选地，进样通道3为伸出采样容器外的进样管。以地表水的采样为例，采样装置投放到水面后，进样管的进样口与水面接触或伸至水面以下，进而通过控制机构控制进样通道3开启，水在真空腔4与大气之间的压差作用下能够顺利的进入采样容器的真空腔4内，当真空腔4内的压强与大气压强相等时则自动停止进样，从而完成地表水的自动采样。可选地，通过在进样通道3上设置配重块5或气浮结构以使进样通道3伸至液面以下的固定深度进行采样。

可选地，采样容器可以为多个连通的容腔，和/或多个彼此独立的容腔。由此，通过控制阀来可实现一个采样装置可以采取多个采样点的采样；或者一个控制器实现同个采样点，和/或多个采样点的不同时段的采样。

采样容器包括多个单元，采样容器包括多个单元，进样通道3设于其中一个单元上，真空腔4设于其中另一个单元上。可选地，多个单元为分体结构，彼此密封连接。可选地，多个单元为一体式的整体结构。可选地，进样通道3的进气口安装有过滤装置，以将液体样品中的大颗粒杂质滤除。

如图1和图2所示，在本实施例中，采样容器包括瓶体1和瓶盖2两个单元，真空腔4设于瓶体1内。进样通道3设于瓶盖2上。进样通道3所在区域为采样容器上平均密度最大的区域，进样通道3所在的区域通过将采样容器投放至水中，进样通道3位于水面以下，通过控制机构控制进样通道3开启，从而利用真空腔4与大气压强之间的压差将液体样品自动采集至瓶体1内，直至真空腔4与大气压强之间的压差为零，采样容器自动停止进样，从而完成水样的自动定量采样。可选地，瓶体1上设有瓶口，瓶盖2密封盖合于瓶口上。

可选地，瓶盖2与瓶口之间安装有用于检测瓶盖2与瓶口是否开启过的防伪检测装置。可选地，防伪检测装置包括压电传感器、电磁传感器、接触开关和探针中的至少一种。当采用压电传感器时，压电传感器设置在瓶盖2和瓶体1之间，当拧动瓶盖2时，压电传感器可以检测到压力发生变化并反馈至控制模块6，控制模块6即可记录下拧动事件或者生成报警信息传输至远程管理平台，以提醒工作人员此次水样可能被篡改。而当采用电磁传感器时，电磁传感器设置在瓶盖2和瓶体1之间，当拧动瓶盖2时会引起磁场变化，电磁传感器则会生成反馈电信号传输至控制模块6，控制模块6即可记录下拧动事件或者生成报警信息传输至远程管理平台。当采用接触开关时，一个触点设置在瓶盖2上，另一个触点设置在瓶体1上，当瓶盖2拧紧时，两个触点刚好接触，电路导通，而当瓶盖2被拧动时，两个触点错开，电路断开，控制模块6即可监测到电路处于断开状态，即可判定瓶盖2被拧动，控制模块6即记录下拧动事件或者生成报警信息传输至远程管理平台。当采用探针时，其中一根探针设置在瓶盖2上，另一根探针设置在瓶体1上，当瓶盖2拧紧时，两个探针刚好接触，电路导通，而当瓶盖2被拧动时，两个探针错开，电路断开，控制模块6即可监测到电路处于断开状态，即可判定瓶盖2被拧动，控制模块6即记录下拧动事件或者生成报警信息传输至远程管理平台。另外，作为一种选择，采样容器上还设置有防伪标签，每个采样容器对应唯一的防伪标签，当将水样取回试验室后，通过扫描防伪标签获取标签信息，并与预存的标签信息进行比对以验证采样容器的真实性，以防止在运输过程中对整个采样容器进行调换，进一步提高了水样的防伪性能。其中，防伪标签可以是二维码、条形码、RFID中的至少一种。

如图2所示，通过控制模块6判断自动采样装置是否开始采样，从而控制进样阀门8开启，进而开始自动采样。可选地，进样阀门8为电磁阀。可选地，进样通道3的进气口安装有过滤装置，以将液体样品中的大颗粒杂质滤除。

如图2所示，控制机构还包括与控制模块6电连接的用于接收和发射信号的通讯模块，所述通讯模块位于所述采样容器上采样后位于液面附近及以上的区域。采样完成后，通讯模块处于液面以上或不低于液面以下25厘米，以将采样信号传输至远程管理平台。可选地，通讯模块包括3G/4G/5G模块、NB-IOT模块、eMTC模块、LoRa模块或者Sigfox模块，从而可以将检测参数实时远程传输至远程管理平台；或者，通讯模块为NFC模块、蓝牙模块、Wi-fi模块或Zigbee模块，可以由工作人员将管理终端带至现场后与通讯模块建立无线连接，从而无线读取控制模块6中存储的监测数据。另外，在本发明的其它实施例中，通讯模块可以省略，将采样容器从水环境中捞起后，利用管理终端通过接口直接读取控制模块6内的监测数据即可。

可选地，采样容器上还安装有识别模块。可选地，识别模块通过特殊文字图案、和/或符号进行标识。可选地，识别模块通过光照进行标识。可选地，识别模块通过铃声或语音播报进行辨识。

如图2所示，采样容器内还安装有与控制模块6连接的压力传感器10、定位模块、温度传感器11、电导率传感器9、陀螺仪传感器、pH传感器、浊度传感器、拾音器、视频采集装置中的至少一个。控制模块6还用于根据压力传感器10或者液位传感器的检测结果控制取样状态以实现自动定量取样。压力传感器10的压力检测结果和液位传感器的液位检测结果均可以对应地转换成取样体积，利用压力传感器10或者液位传感器实时监测采样容器内的取样体积并将检测结果传输至控制模块6，控制模块6则根据检测结果控制取样状态，从而实现自动定量取样。

作为优选的，采样容器上还安装有与控制模块6电性连接的定位模块，控制模块6还用于通过定位模块获取采样容器的位置信息。其中，定位模块可以是GPS定位模块、北斗定位模块、伽利略定位模块中的任一种。通过定位模块实时获取采样容器的位置，可以将实时位置同监测数据关联存储或者一同传输至远程管理平台，提高了采样的真实性，还可以便于对采样容器进行回收，在后续的水样运输过程中也可以全程对水样进行定位监管，防止运输途中篡改水样，进一步提升了水样防伪性能。

作为优选的，采样容器上还安装有与控制模块6电性连接并用于检测采样容器姿态的陀螺仪传感器，控制模块6还用于在陀螺仪传感器检测到采样容器的当前姿态不符合预设姿态范围时记录下姿态异常事件或者生成报警信息传输至远程管理平台。控制模块6中预设有采样容器投入水环境中的预设姿态范围，采样容器的姿态只有在预设姿态范围内时才能确保可以顺利取样，通过陀螺仪传感器检测采样容器的当前姿态并将检测结果传输至控制模块6，一旦控制模块6比对出采样容器的当前姿态不符合预设姿态范围时，意味着采样容器的当前姿态不符合要求，可能无法正常进样，比如进样通道3位于液面上方，控制模块6即生成报警信息通过通讯模块传输至远程管理平台，以及时提醒工作人员对该采样容器的姿态进行人为调整，或者控制模块6记录下姿态异常事件，提醒工作人员对该采样容器的结构进行检修。

如图2所示，在本实施例中，进样通道3设于瓶盖2上，控制模块6、电源模块7以及其他功能模块均安装于瓶盖2内，使进样通道3的所在区域为采样容器上平均密度最大的区域。采样容器置于液体采样地点后，瓶盖2位于液面以下，通过控制机构控制进样通道3开启，利用真空腔4与大气压强之间的压力差将液体样品自动定量压送至采样容器的真空腔4内，直至真空腔4与大气压强之间的压力差为零，采样容器自动停止进样，进而通过控制机构控制进样通道3关闭。可选地，通过控制模块6控制进样阀门8关闭，使采样容器停止采样。

如图3和图4所示，可选地，瓶盖2盖合于瓶体1的顶部，控制模块6、电源模块7以及其他功能模块均安装于瓶盖2内，进样通道3设于瓶体1的底部。通过在瓶体1的顶部和/或瓶盖2内增设漂浮体12和/或气浮舱13和/或在瓶体1的底部增设配重块5，使进样通道3所在区域为采样容器上平均密度最大的区域。采样容器置于液体采样地点后，进样通道3位于液面以下，通过控制机构控制进样通道3开启，利用真空腔4与大气压强之间的压力差将液体样品自动定量压送至采样容器的真空腔4内，直至真空腔4与大气压强之间的压力差为零，采样容器自动停止进样，进而通过控制机构控制进样通道3关闭。可选地，通过控制模块6控制进样阀门8关闭，使采样容器停止采样。

本实施例的自动采样方法，其特征在于，采用上述自动采样装置，具体包括以下步骤：根据所需的进样量调节真空腔4内的压强；将采样容器投放至水中，进样通道3位于水面以下；通过控制机构将进样通道3开启，利用真空腔4与大气压强之间的压力差将水样自动压送至采样容器的真空腔4内，直至真空腔4内的液体样品达到所需的进样量时自动停止进样。可选地，采样前，通过抽气装置连接进样通道3将真空腔4内的气体抽出以增大真空腔4与大气之间的压差，从而增大采样容器的采样量。可选地，采样前，通过控制机构将进样通道3打开将气体充入真空腔4内，以减小真空腔4与大气之间的压差，从而减少采样容器的采样量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动采样装置，其特征在于，

包括采样容器，采样容器设有压强小于大气压强的真空腔（4）、与真空腔（4）连通的进样通道（3）以及用于控制进样通道（3）通断的控制机构，通过调节真空腔（4）内的压强控制进样量，真空腔（4）的压强与大气压强之间压差为零时，自动停止采样，

采样容器投放至液体采集地点后，进样通道（3）位于液面以下，进而通过控制机构将进样通道（3）开启，利用真空腔（4）与大气压强之间的压力差将液体样品自动定量压送至采样容器的真空腔（4）内。

2.根据权利要求1所述的自动采样装置，其特征在于，

采样容器具有至少两个平均密度不同的区域，进样通道（3）位于平均密度最大的区域。

3.根据权利要求2所述的自动采样装置，其特征在于，

通过采样容器自身的制造材料和/或形状加工形成平均密度不同的多个区域；或

通过在采样容器内和/或采样容器外设置配重结构形成平均密度不同的多个区域；或

通过在采样容器内和/或采样容器外设置气浮结构形成平均密度不同的多个区域。

4.根据权利要求2所述的自动采样装置，其特征在于，

采样容器整体的平均密度不大于待采集样液的密度。

5.根据权利要求1所述的自动采样装置，其特征在于，

采样容器包括多个单元，进样通道（3）设于其中一个单元上，真空腔（4）设于其中另一个单元上。

6.根据权利要求5所述的自动采样装置，其特征在于，

多个单元为分体结构，彼此密封连接；或者多个单元为一体式的整体结构。

7.根据权利要求1所述的自动采样装置，其特征在于，

控制机构包括安装于采样容器内的用于控制采样的控制模块（6）、用于给控制模块（6）供电的电源模块（7）以及设于进样通道（3）上并与控制模块（6）连接的进样阀门（8）。

8.根据权利要求7所述的自动采样装置，其特征在于，

采样容器内还安装有与控制模块（6）连接的压力传感器（10）、定位器、温度传感器（11）、电导率传感器（9）、陀螺仪传感器、pH传感器、ORP传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、拾音器、视频采集装置中的至少一个。

9.根据权利要求7-8任一所述的自动采样装置，其特征在于，

控制机构还包括与控制模块（6）电连接的用于接收和发射信号的通讯模块，所述通讯模块位于采样容器上采样后位于液面附近及以上的区域。