CN114486355A - 自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置及方法，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，主控板外围设置有采水装置；所述主控板内嵌主控芯片、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，所述采水装置包括一组集水瓶，集水瓶内部设置有导管，导管通过电磁阀与集水瓶连接。本发明根据所监控河湖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，并以该时均值的时变行为作为判据，同时采样频次可依据污染物浓度变化率的发展情势来自动调节，实现高效、精准地捕捉河湖水体污染物浓度时变过程的功能。

Description

自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置及方法

技术领域

本发明涉及自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置及方法。

背景技术

我国高度重视河湖水污染防治工作，全面推进碧水保卫战。其中，准确把握水体中污染物浓度变化的过程行为，是科学解读河湖水质状况的时空分异规律，客观评估河湖污染防治攻坚工作成效的关键环节，如何在兼顾不同河湖污染状况差异的基础上，对代表性水质样本进行高分辨率的精准采集，是当前水环境污染研究的重要课题之一。

对于天然河湖水体，污染物浓度随时间的变化过程往往是未知的，无法通过预设可能的浓度变化曲线来事先确定采样时间点，因此传统的人工采样方法难以准确采集到与污染物浓度变化过程相匹配的代表性水样，无法有效捕捉河湖水质变化过程。而现有的技术中，如申请号：201811228221.9的发明专利实现了自动定时采样，但是为把握河流水质变化过程，往往需设定大量且密集的采样频次，操作繁琐，且会大大增加水样采集与分析的工作量，提升资源消耗与工作成本；申请号：201810736383.7的发明专利，实现了不同频率自动采集的功能，但其仅适用于降雨过程产生的径流变化的水样采集，无法实现样本采集与污染物浓度变化过程的准确匹配。申请号：202010289303.5的发明专利，依据流速变化强度来自动调整水样采集次数，虽然能够实现水样样本与河湖水动力变化过程相匹配，但在实际应用中，当监测河、湖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，采样程序依然会被激发，但此时其中的污染物浓度基本不变，所采样本不具有代表性，从而导致过度采样，造成资源的浪费；另一方面，对于流速变化较小的河、湖水体，当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，致使所采样本不能有效捕捉水域污染的变化行为，无法实现样本采集与污染物浓度变化过程精准匹配的要求。

事实上，河、湖水体中电导率与重金属、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，本发明开发了一种自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置及方法，可以根据监测水域污染变化特征，自动匹配相适应的采样频次，以高效、精准地捕捉河湖水体污染物浓度时变过程，为河湖水质评价与污染防控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，本发明提供一种自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置及方法，能够根据所监控河湖水体的电导率实时过程，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，对采样频次的疏密程度进行自动调整优化，实现水质样本采集与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，本发明的自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置，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，主控板外围设置有采水装置；所述主控板内嵌主控芯片、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，系统根据电导率时均值的时变行为自适应调整水质采样频次：在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，降低采样频率，以实现用最少的采样次数来有效捕捉污染物浓度过程，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，维持较高采样频率，以实现对污染物浓度复杂变化过程的精准捕捉，确保样本采集精度。

所述采水装置包括一组集水瓶，集水瓶内部设置有导管，导管通过电磁阀与集水瓶连接；集水瓶的内部还设置水位传感器，集水瓶上设置有水位控制线，当水位到达水位控制线时，水位传感器输送信号至控制器，当水位达到采样管控制线时，发送指令结束当前采样管的采样。

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，所述配重块内部还安装有锂电池，为一体式电导率传感器、控制器、无线通信装置、液位传感器以及电磁阀供电，锂电池电压为12V，作为电源，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为电磁阀提供电压，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和水位传感器提供电压。

作为优选，所述采水装置采用至少10个电磁阀作为导管的开关。

一种基于水体电导率变化的自匹配动频采水装置的使用方法，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号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间。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号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间，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值随时间呈类线性或类线性变化，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时变行为不满足线性或类线性变化，控制器立即驱动M_p号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后，主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间，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管，冷藏运至实验室，分析水质参数。

有益效果：

本发明基于水体电导率与重金属、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，研发了自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置。该发明以该时均值及其时变行为做为依据，来自动调整水样采集频次，在电导率时均值随时间变化较小的稳定情况下，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，从而实现在电导率变化较大的情况下多采水样，在电导率变化较小的情况下少采水样，使得水质样本采集与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，会导致测点电导率瞬时变化也具有一定的脉动特征，如果直接以电导率瞬时变化的大小作为判断采样模式的依据(即当某一瞬时的电导率随时间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，从而造成过度采样。鉴于此，本发明提出以电导率在一定时段内均值的变化程度作为判断采样模式的依据，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过度采样问题。

此外，本发明能够由控制器动态地获取电导率数据，并计算电导率在一段时间内的时均值。这种情况下，系统将根据电导率时均值的时变情况自适应优化调整水质采样频次：在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，降低采样频率，以实现用最少的采样次数来有效捕捉污染物浓度过程，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，维持较高采样频率，以实现对污染物浓度复杂变化过程的精准捕捉，确保样本采集精度。由此，通过对采样频次疏密程度的优化，实现以最小的成本，精确地反映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1中：1-电导率传感器；2-控制器；3-把手；4-配重块；5-导管；6-电磁阀；7-水位传感器；8-集水瓶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置，包括采样器，采样器包括圆筒状本体和内置于采样器的控制器2；所述控制器内包括主控芯片、降压模块、RS485通信路等各类通信电路WIFI模块；所述圆筒状本体内部由导管5、电磁阀6、集水瓶8及置于集水瓶8中的水位传感器7和配重块4及置于其内部的动力锂电池组成；所述导管5负责链接电磁阀与集水瓶，导管5具有螺纹且与集水瓶8相连，可与电磁阀自由装卸；所述集水瓶8内置有水位传感器7，可与控制器2通讯获得集水瓶内水位信息并，根据程序自动设定单次采样水位；所述圆筒状本体外嵌电导率传感器1可实时监测电导率变化，并结合算法自动计算是否采样；电磁阀6、水位传感器7、控制器2和电导率传感器1均由置于配重块4内部的动力锂电池供电；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。

采水装置包括一组集水瓶8，集水瓶内部设置有导管5，导管5通过电磁阀与集水瓶8连接；集水瓶8的内部还设置有水位传感器7，水位传感器7用于检测采样水样高度；

在本发明中，集水瓶8上设置有水位控制线，当水位到达水位控制线时，水位传感器7输送信号至控制器。为防止采样过程中导管5中的水样溢出，需采用水位传感器7对水位进行实时监测，当水位达到采样管控制线时，发送指令结束当前采样管的采样，随即开始下一个采样管采样，以此类推。

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水样采集频次，实现了在电导率时均值的时变率较大的情况下多采水样，在电导率时均值的时变率较小的情况下少采水样，在减少采样次数的情况下精确捕获水体污染物变化过程。

在本发明中，导管的5材质为聚乙烯。

在本发明中，配重块4内部还安装有锂电池，为一体式电导率传感器1、控制器2、水位传感器7以及电磁阀6供电。锂电池可以采用12V锂电池作为电源，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为电磁阀6提供电压，5V为一体式水导电率传感器1和RS485总线提供电压，3.3V为内置于主控板2的主控芯片STM32F103和水位传感器7提供电压。

采水装置采用至少10个电磁阀6作为导管的开关。在水环境中，本发明会根据水体的电导率变化情况决定采水与否。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，将采样管依次编号，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，每次监测所的的数据c_w存储在控制器中，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号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间。令p＝p+1，i＝0，并判断p是否为10：若p≤10，则令i＝0，并重复步骤(3)；若p＞10，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号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间。令p＝p+1，并判断p是否为10：若p≤10，则令i＝i+1，并进入步骤(6)；若p＞10，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值随时间呈类线性或类线性变化，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时变行为不满足线性或类线性变化，控制器立即驱动M_p号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后，主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间，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管，冷藏运至实验室，分析水质参数。

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，主控板得到的电导率信息经过本专利独有的变频采样算法控制采样装置的采样频次，从而实现自适应动频水质采样。

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 (5)

1.一种自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置，其特征在于：包括采样器，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，主控板外围设置有采水装置；

所述采水装置包括一组集水瓶，集水瓶内部设置有导管，导管通过电磁阀与集水瓶连接；集水瓶的内部还设置有水位传感器，集水瓶上设置有水位控制线，当水位到达水位控制线时，水位传感器输送信号至控制器，当水位达到采样管控制线时，发送指令结束当前采样管的采样。

2.根据权利要求1所述的自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置，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2所述的自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置，其特征在于：所述圆筒状本体上部还安装有12V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。

4.根据权利要求1所述的自匹配电导率时变过程的动频水质采样装置，其特征在于：所述采水装置采用至少10个电磁阀作为导管的开关。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的自匹配电导率时变过程的自动调整采样频次的采样方法，其特征在于，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号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间，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号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间，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值随时间呈类线性或类线性变化，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时变行为不满足线性或类线性特征，控制器立即驱动M_p号采样管进水口电磁阀打开以进行采样，采样结束后，主控芯片控制mos管关断电磁阀并记录采样时间，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管，冷藏运至实验室，分析水质参数。

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