CN114486354A - 无人值守的动频沉积物采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人值守的动频沉积物采样装置，包括采样器，采样器包括圆筒状本体，圆筒状本体的外部设置有电导率传感器，圆筒状本体的中部设置有主控板，主控板外围设置有沉积物采集装置；所述主控板内嵌主控芯片、传感器通信采集电路和WIFI模块，所述沉积物采集装置包括一组采样瓶，采样瓶底部设有三爪瓣，通过电机牵引实现张开与闭合达到沉积物采集目的。本发明能够根据所监控河湖沉积物上覆水体的电导率实时过程，测算电导率在一定时间段内的时均值，并以该时均值及其时变行为作为判据，对河湖沉积物采样频次的疏密程度进行自动优化调整，实现河湖上覆水污染物浓度变化小少采样，而污染物浓度变化大多采样，实现河湖底泥样本采集与其上覆水水质变化过程精准匹配的功能，具有自动化作业、效率高、低成本的特点。

Description

无人值守的动频沉积物采样装置及方法

技术领域

本发明涉及无人值守的动频沉积物采样装置及方法。

背景技术

沉积物是河湖环境的重要组成部分，其环境质量状况与上覆水污染情势密切相关。精准把握与河湖上覆水污染行为相匹配的沉积物污染物浓度过程，是科学解读河湖底泥环境质量状况的时空分异规律，深入揭示污染物在沉积物-上覆水体系中的多相迁移行为的重要技术保障，同时也是实施河湖水土一体化全方位污染防治的关键环节。如何在兼顾不同河湖污染状况差异的基础上，对代表性沉积物样本进行高分辨率的精准采集，是当前河湖环境研究的重要课题之一。

天然河湖沉积物上覆水污染物浓度随时间的变化过程往往是不可预知的，无法通过预设可能的上覆水浓度变化曲线来事先确定沉积物采样时间点，因此传统的人工采样方法难以准确采集到与上覆水污染浓度变化过程相匹配的代表性沉积样。而现有的技术中，如申请号200910243744.5的发明专利和申请号201320495969.1的实用新型专利，分别提出一种受沉积物深度限制的沉积物自动采样模式，和随水深变化采集沉积物样品的采样装置，但它们都无法完成上覆水污染物浓度变化下的自适应动频采样，难以实现沉积物样本采集与其上覆水污染物浓度变化过程的准确匹配。申请号202010353011.3的发明专利，依据流速变化强度来自动调整沉积物样本采集次数，虽然能够实现沉积物样本与河湖水动力变化过程相匹配，但在实际应用中，对于流速变化较小的河、湖水体，当上覆水污染物浓度发生改变时，流速变化强度却达不到控制阈值水平，无法启动采样程序，致使所采集的沉积物样本不能有效捕捉上覆水污染的变化行为，无法实现沉积物样本采集与上覆水污染物浓度变化过程精准匹配的要求；另一方面，当监测河、湖上覆水目标污染物浓度保持相对稳定，河、湖水体因其自身紊动，或船舶运行等人类活动干扰造成的流速变化超过控制阈值时，沉积物采样程序依然会被激发，但此时其中的上覆水污染物浓度基本不变，从而导致过度采样，造成大量资源浪费。

事实上，河、湖沉积物上覆水中电导率与重金属、氯化物、COD、高锰酸盐指数等重要水质指标密切相关，其变化情况能够准确表征这些污染物的时变过程。因此，本发明开发了一种无人值守的动频沉积物采样装置及方法，可以根据监测河湖上覆水污染变化特征，自动匹配与之相适应的沉积物采样频次，以高效、精准地捕捉与上覆水污染时变行为相匹配的沉积物污染过程，为河湖污染物的环境归趋、风险评价与全方位防控等方面的研究工作提供了有力的技术支撑。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无人值守的动频沉积物采样装置及方法，能够根据所监控河湖沉积物上覆水的电导率实时过程，测算电导率值在一定时间段内的时均值，以该时均值及其时变行为作为判据，对沉积物采样频次的疏密程度进行自动调整优化，实现沉积物样本采集与上覆水污染物浓度时变过程精准匹配的功能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的无人值守的动频沉积物采样装置，包括漂浮本体，在漂浮本体上设有升降电机，漂浮本体上设有太阳能板，太阳能板为升降电机供电，所述升降电机设有电机轴，电机轴上缠绕有连接绳，所述连接绳与采样器连接，采样器包括圆筒状本体，圆筒状本体的外部嵌有电导率传感器，圆筒状本体的中部设置有主控板，主控板外围设置有沉积物采集装置。所述主控板内嵌主控芯片、18650电池组、DCDC降压电路、各种传感器通信采集电路和WIFI模块，其中WIFI模块可连接网络与终端通信，实现电导率数据传输以及用户控制命令传递。控制器获取电导率数据，并计算电导率在一段时间内的时均值。在电导率时均值的相对变化率较小的稳定情况下，系统采用低频、定频的常规采样模式；当电导率时均值的相对变化率超过一定量值(初始控制阈值)时触发应激动频采样模式，这种情况下，系统根据上覆水电导率时均值的时变行为自适应调整沉积物采样频次：在上覆水电导率时均值随时间的变化率相对稳定，即电导率上升或者下降行为呈线性或类线性过程的情形下，降低沉积物采样频率，以实现用最少的采样次数来有效匹配上覆水污染物浓度过程，提高采样效率；反之，在电导率时均值的时变率发生起伏，即上覆水电导率上升或者下降行为的变化较为剧烈、复杂，不满足线性或类线性过程的情形下，维持较高沉积物采样频率，以实现对上覆水污染物浓度复杂变化过程的精准匹配，确保沉积物样本采集精度。

所述沉积物采集装置包括一组采样瓶，采样瓶顶部有电机与活塞，底部为三爪瓣，由主控芯片控制电机启停。开始采样时，电机驱动活塞与三爪瓣，将底泥收集入瓶中。

作为优选，所述电导率传感器为一体式电导率探针。

作为优选，所述主控板内部还安装有18650锂电池组，为一体式电导率传感器、控制器、无线通信装置以及驱动电机供电，锂电池电压为12V，通过两个DC-DC模块分别将12V电压转换成3.3V和5V为各类设备供电，其中12V为驱动电机提供电压，5V为一体式水导电率仪和RS485总线提供电压，3.3V为主控芯片STM32F103提供电压。

作为优选，所述沉积物采样装置采用至少10个电机作为三爪瓣开合执行器。

作为优选，所述漂浮本体上设有定位装置，漂浮本体上还设有动力装置，通过动力装置带动漂浮本体移动。当远程控制者设动目标位置后，动力装置带动漂浮本体移动到指定位置，实现该位置的沉积物采集。

一种利用无人值守的动频沉积物采样装置的采样方法，包括以下步骤：

(1)将本装置通过绳索连接，下降至水中，悬挂布设于研究区域水体中。

(2)调试采样系统，将采样瓶依次编号，为M_p，其中p为1、2、3…10。初始化分析计次变量i＝0，计次清零变量t＝60，采样管计数变量p＝0，采样控制阈值K＝0.15，设定电导率传感器监测频率为1秒2次，每次监测所得的电导率值为c_w，由控制器每5分钟进行一次分析，并设第i次分析时的电导率时均值

(3)在第0次分析时，控制器分析该时间段内电导率时均值C⁰；在第i次分析时(i>＝1)，控制器分析该时间段内电导率的时均值Cⁱ，计算其相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1，并与K进行比较，判断进入步骤(4)或步骤(5)。

(4)若第i次分析时的时均值相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1≤K，则进入固定低频采样的常规模式，控制器判断采样计次变量i是否为t；若i<t，令i＝i+1，并重复步骤(3)；若i＝60，控制器驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，i＝0，并判断p是否为n：若p≤n，则令i＝0，并重复步骤(3)；若p＞n，则采样结束；

(5)若第i次分析时的时均值相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1＞K，则进入变频率高频采样的应激模式，控制器立即驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，并判断p是否为n：若p≤n，则令i＝i+1，并进入步骤(6)；若p＞n，则采样结束；

(6)控制器分别计算Cⁱ-C^i-1与C^i-1-C^i-2的差值的绝对值，若绝对值≤0.05Cⁱ，则认为此次分析的电导率随时间呈线性或类线性变化，进入步骤(7)；若绝对值＞0.05Cⁱ，进入步骤(8)；

(7)令i＝i+1，并设第i次分析时的电导率时均值

重复步骤(6)；

(8)认为此次分析的电导率随时间变化不满足线性或类线性过程，控制器立即驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，并判断p是否为n：若p≤n，则初始化i＝0，并重复步骤(3)；若p＞n，则采样结束；

(9)采样结束后，通过内置的WIFI模块发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；

(10)回收采样器后，分别取出采样器各个采样瓶，冷藏运至实验室，分析沉积物参数。

有益效果：本发明基于河湖上覆水电导率与重金属、氯化物、COD、高锰酸盐指数等污染指标变化过程密切关联机制，研发了无人值守的动频沉积物采样装置。该发明以河湖上覆水电导率时均值及其时变行为做为依据，来自动调整沉积物采集频次，在上覆水电导率时均值变化相对较小的稳定情况下，系统采用低频、定频的常规沉积物采样模式；当上覆水电导率时均值变化率超过一定量值(初始控制阈值)时触发应激动频采样模式，从而实现在上覆水电导率变化较大的情况下多采沉积物样，在上覆水电导率变化较小的情况下少采沉积物样，使得沉积物样本采集与其上覆水污染物浓度变化过程精准匹配，具有自动化作业、高分辨率、高效率、低成本的特点。同时减少了野外工作安全隐患，有效的解决了野外采样人工成本，减少了劳动强度，无须人员值守。

同时，本发明考虑到天然河湖水体多为紊流，其不规则的水流脉动，会导致测点上覆水电导率的瞬时变化也具有一定的脉动特征，如果直接以上覆水电导率瞬时变化的大小作为判断沉积物采样模式的依据(即当某一瞬时上覆水电导率变化率高于某一数值时激发应激采样模式)，很可能发生误触发现象，从而造成沉积物的过度采样。鉴于此，本发明提出以上覆水电导率在一定时段内均值的变化情况作为判断沉积物采样模式的依据，能够有效地消弭，因天然河湖水流脉动所导致的测点电导率瞬时变化的不确定性而造成的沉积物过度采样问题。

此外，本发明能够由控制器动态地获取上覆水电导率数据，并计算电导率在一段时间内的时均值。这种情况下，系统根据上覆水电导率时均值的时变情况，对沉积物采样频次进行自适应优化调整：在上覆水电导率时均值随时间的变化率相对稳定，即水体电导率上升或者下降行为呈线性或类线性过程的情形下，降低沉积物采样频率，以实现用最少的采样次数来有效匹配上覆水污染物浓度过程，提高沉积物采样效率；反之，在上覆水电导率时均值的时变率发生起伏，即水体电导率上升或者下降行为的变化较为剧烈、复杂，不满足线性或类线性过程的情形下，维持较高的沉积物采样频率，以实现对上覆水污染物浓度复杂变化过程的精准匹配，确保沉积物样本采集精度。由此，通过对沉积物采样频次疏密程度的优化，实现以最小的成本，精确匹配上覆水污染物浓度的变化过程。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中漂浮本体的系统示意图。

图1中：1-电导率传感器；2-控制器；3-采泥瓶；4-活塞；5-电机；6-三爪瓣；7-连接绳；8-升降电机；9-太阳能板；10-漂浮本体。

实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的无人值守的动频沉积物采样装置，包括漂浮本体，在漂浮本体上设有升降电机，漂浮本体上设有太阳能板，太阳能板为升降电机供电，所述升降电机设有电机轴，电机轴上缠绕有连接绳，所述连接绳与采样器连接，采样器包括圆筒状本体，圆筒状本体的外部嵌有电导率传感器，圆筒状本体的中部设置有主控板，主控板外围设置有沉积物采集装置；所述控制器内包括主控芯片、18650锂电池组降压模块、RS485路等通信电路WIFI模块；所述圆筒状本体内部由采泥瓶3及置于采泥瓶3上部的电机、置于其内部的活塞与置于其底部的三爪瓣6组成；所述采泥瓶3上部安装有电机，依靠控制器2控制，从而进行采泥操作并根据程序自动设定采样间隔；所述圆筒状本体外嵌电导率传感器11可实时监测电导率变化，并结合算法自动计算是否采样；电机5、控制器2和电导率传感器1均由置于控制器2内部的18650锂电池组供电；所述控制器2通过内置WIFI模块联网上传数据并接收终端指令。

终端采用手机APP的形式，操作和展示界面简约，APP的前端负责用户登录、设备列表管理、设备的水电导率信息和状态信息展示，APP的后端放在云服务器中，负责从物联网平台中获取前端请求的相应的设备信息，然后发送到手机的APP上。为实现对水电导率变化实时监测，采用IOT物联网技术，将装置采集的电导率变化信息通过WIFI通信无线传送至OneNET的物联网平台，然后在手机APP的后端访问该平台，获取收集到的信息。在采样过程中，可实时监控采样装置的采样进程，当所有采样管采样完毕之后，装置会向物联网平台发送采样终止信号，提醒用户取回采样器。

沉积物采集装置包括一组采泥瓶3，所述采泥瓶3上部安装有电机，依靠控制器2控制，从而进行采泥操作并可根据程序自动设定采样间隔；在本发明中，电导率传感器1为一体式电导率探针，能够将电信号转制为ModbusRTU协议，并通过专利独有的算法自动调整沉积物采集频次，实现了在上覆水电导率变化较大的情况下多采沉积物样本，在数据电导率变化较小的情况下少采沉积物样本，使得沉积物样本采集与上覆水污染物变化过程的精准匹配。

在本发明中，18650锂电池组为三颗18650型锂电池串联，标称电压12V。

在本发明中，主控板内部还安装有18650锂电池组，为一体式电导率传感器、控制器、无线通信装置以及驱动电机供电，锂电池电压为12V，通过两个DCDC模块分别将12V电压转换成3.3V和5V为各类设备供电，其中12V为驱动电机提供电压，5V为一体式水导电率仪和RS485总线提供电压，3.3V为主控芯片STM32F103提供电压。

沉积物采集装置采用至少10个电机5作为三爪瓣6的开合执行器。在水环境中，本发明会根据上覆水电导率的变化情况决定沉积物采集与否。该装置的使用方法包括以下步骤：

(1)将本装置通过绳索连接，下降至水中，悬挂布设于研究区域水体中。

(2)调试采样系统，将采样瓶依次编号，为M_p，其中p为1、2、3…10。初始化分析计次变量i＝0，计次清零变量t＝60，采样管计数变量p＝0，采样控制阈值K＝0.15，设定电导率传感器监测频率为1秒2次，每次监测所得的电导率值为c_w，每次的监测数据c_w存在在控制器中，由控制器每5分钟进行一次分析，5分钟后w从编号0开始存储，并设第i次分析时的电导率时均值

(3)在第0次分析时，控制器分析该时间段内电导率时均值C⁰；在第i次分析时(i>＝1)，控制器分析该时间段内电导率的时均值Cⁱ，计算其相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1，并与K进行比较，判断进入步骤(4)或步骤(5)。

(4)若第i次分析时的时均值相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1≤K，则进入固定低频采样的常规模式，控制器判断采样计次变量i是否为t；若i<t，令i＝i+1，并重复步骤(3)；若i＝60，控制器驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，i＝0，并判断p是否为n：若p≤n，则令i＝0，并重复步骤(3)；若p＞n，则采样结束；

(5)若第i次分析时的时均值相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1＞K，则进入变频率高频采样的应激模式，控制器立即驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，并判断p是否为n：若p≤n，则令i＝i+1，并进入步骤(6)；若p＞n，则采样结束；

(6)控制器分别计算Cⁱ-C^i-1与C^i-1-C^i-2的差值的绝对值，若绝对值≤0.05Cⁱ，则认为此次分析的电导率随时间呈线性或类线性变化，进入步骤(7)；若绝对值＞0.05Cⁱ，进入步骤(8)；

(7)令i＝i+1，并设第i次分析时的电导率时均值

重复步骤(6)；

(8)认为此次分析的电导率随时间变化不满足线性或类线性过程，控制器立即驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，并判断p是否为n：若p≤n，则初始化i＝0，并重复步骤(3)；若p＞n，则采样结束；

(9)采样结束后，通过内置的WIFI模块发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；

(10)回收采样器后，分别取出采样器各个采样瓶，冷藏运至实验室，分析沉积物参数。

在本发明中，电导率传感器1为一体式电导率探针，；能够将电信号换算为电导率值，并以ModbusRTU协议将实时数据传给主控板，主控板得到的上覆水电导率信息经过本专利独有的变频采样算法控制沉积物采样装置的采样频次，从而实现与上覆水污染过程精准匹配的沉积物自适应动频采样。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无人值守的动频沉积物采样装置，其特征在于：包括漂浮本体，在漂浮本体上设有升降电机，漂浮本体上设有太阳能板，太阳能板为升降电机供电，所述升降电机设有电机轴，电机轴上缠绕有连接绳，所述连接绳与采样器连接，采样器包括圆筒状本体，圆筒状本体的外部嵌有电导率传感器，圆筒状本体的中部设置有主控板，主控板外围设置有沉积物采集装置；

所述沉积物采集装置包括一组采样瓶底部为可开合的三爪瓣，由采样瓶顶部的电机驱动开合以达到采样目的。

2.根据权利要求1所述的无人值守的动频沉积物采样装置，其特征在于：所述电导率传感器为一体式电导率探针。

3.根据权利要求1所述的无人值守的动频沉积物采样装置，主控板搭载18650锂电池，通过两个DC-DC模块分别将12V电压转换成3.3V和5V为各类设备供电，其中12V为驱动电机提供电压，5V为一体式水导电率仪和RS485总线提供电压，3.3V为主控芯片STM32F103提供电压。

4.根据权利要求1所述的无人值守的动频沉积物采样装置，其特征在于：所述采样装置采用至少10个电机作为三爪瓣开合执行器。

5.根据权利要求1所述的无人值守的动频沉积物采样装置，其特征在于：所述漂浮本体上设有定位装置。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的利用无人值守的动频沉积物采样装置的采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过定位装置，将漂浮本体放置在合适位置，通过升降电机将采样器放置合适深度，悬挂布设于研究区域水体中；

(2)调试采样系统，将采样管依次编号，为M_p，其中p为1、2、3…n，n为采样管的个数，初始化分析计次变量i＝0，计次清零变量t＝60，采样管计数变量p＝0，采样控制阈值K＝0.15，设定电导率传感器监测频率为1秒2次，每次监测所得的沉积物上覆水电导率值为c_w，由控制器每5分钟进行一次分析，并设第i次分析时的电导率时均值

(3)在第0次分析时，控制器分析该时间段内电导率时均值C⁰；在第i次分析时(i>＝1)，控制器分析该时间段内电导率的时均值Cⁱ，计算其相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1的值，并与K进行比较，判断进入步骤(4)或步骤(5)；

(4)若第i次分析时的时均值相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1≤K，则进入固定低频采样的常规模式，控制器判断采样计次变量i是否为t；若i<t，令i＝i+1，并重复步骤(3)；若i＝60，控制器驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，i＝0，并判断p是否为n：若p≤n，则令i＝0，并重复步骤(3)；若p＞n，则采样结束；

(5)若第i次分析时的时均值相对变化率|Cⁱ-C^i-1|/C^i-1＞K，则进入变频率高频采样的应激模式，控制器立即驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，并判断p是否为n：若p≤n，则令i＝i+1，并进入步骤(6)；若p＞n，则采样结束；

(6)控制器分别计算Cⁱ-C^i-1与C^i-1-C^i-2的差值的绝对值，若绝对值≤0.05Cⁱ，则认为此次分析的电导率随时间呈线性或类线性变化，进入步骤(7)；若绝对值＞0.05Cⁱ，进入步骤(8)；

(7)令i＝i+1，并设第i次分析时的电导率时均值

重复步骤(6)；

(8)认为此次分析的电导率随时间变化不满足线性或类线性过程，控制器立即驱动M_p号采样瓶上部电机打开三爪瓣以进行采样，采样结束后主控芯片控制电机反转关闭三爪瓣并记录采样时间，令p＝p+1，并判断p是否为n：若p≤n，则初始化i＝0，并重复步骤(3)；若p＞n，则采样结束；

(9)采样结束后，通过内置的WIFI模块发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；

(10)回收采样器后，分别取出采样器各个采样瓶，冷藏运至实验室，分析沉积物参数。

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