CN115266233A - 一种轻便智能化低扰动采样设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻便智能化低扰动采样设备，包括供电装置、低扰动抽水装置、封隔装置、井下监测装置、真值判定及采样装置和自动控制器，低扰动抽水装置包括采样泵、采样管、电缆和变频控制器，用于完成地下水低扰动采样任务；真值判定及采样装置用于水样流通和判断采集水样是否为地层真实水样；井下监测装置用于测量井下水位、水温数据；低扰动抽水装置、井下监测装置、真值判定及采样装置均需经电缆或数据线通过自动控制器连接至供电装置；本发明对地下含水层扰动较小，能够满足无机组分、有机组分、微生物、溶解氧等检测样品采集要求，而且具有真值判定功能，能够对水样进行TDS、PH、溶解氧等参数进行分析。

Description

一种轻便智能化低扰动采样设备

技术领域

本发明涉及水体采样检测技术领域，特别是涉及一种轻便智能化低扰动采样设备。

背景技术

采样和监测设备是地下水污染监测网中的基础环节，是决定地下水污染监测准确性的关键环节之一。传统的单一混合层采样方式受地下水流向的季节性变动或降水波动影响较大，且京津冀地区地下水中存在大面积的降落漏斗，受到降水影响波动显著，不能满足地下水污染羽和污染程度描述需求。

在地下水采样过程中，如何完整高效的从监测井中获取具有代表性的地下水样品是采样工作的重点和难点，国内外学者分别投入大量精力致力于该项技术的研究。传统的地下水采样器具(贝勒管、抓取式采样器、气体置换式采样器、气囊泵、蠕动泵电动潜水泵、惯性提升泵等)在地下水采样过程中取样部件反复穿越或强烈搅动含水层，扰动较大，使得水中含有的有机污染物挥发，并导致不同地层或含水层之间地下水水样的交叉污染，从而使得取得的水样不足以代表某一深度的实际污染情况。

因此，亟需开展轻便智能化低扰动采样设备研发，提升我国地下水污染采样和监测技术水平，为正确评价地下水污染状况提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻便智能化低扰动采样设备，以解决上述现有技术存在的问题，对地下含水层扰动较小，能够满足无机组分、有机组分、微生物、溶解氧等检测样品采集要求，而且具有真值判定功能，能够对水样进行TDS、PH、溶解氧等参数进行分析。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种轻便智能化低扰动采样设备，包括供电装置、低扰动抽水装置、封隔装置、井下监测装置、真值判定及采样装置和自动控制器，所述低扰动抽水装置包括采样泵、采样管、电缆和变频控制器，用于完成地下水低扰动采样任务，所述采样泵通过采样管连接真值判定及采样装置；所述封隔装置设置于井内用于封隔目标采水层与其他非目标含水层；所述真值判定及采样装置包括水样流通池、低扰动采样区和水质检测探头，用于水样流通和判断采集水样是否为地层真实水样；所述井下监测装置包括水位水温监测探头和数据线，用于测量井下水位、水温数据；所述低扰动抽水装置、井下监测装置、真值判定及采样装置均需经电缆或数据线通过自动控制器连接至供电装置。

优选地，所述采样泵的排水口连接所述采样管的进水口，所述采样管的出水口经所述封隔装置与所述真值判定及采样装置连通，所述采样泵通过电缆连接所述变频控制器。

优选地，所述采样泵为螺杆潜水泵，外径≤50mm。

优选地，所述采样管包括聚四氟乙烯水管和由四氟乙烯胶带包裹于聚四氟乙烯水管上的钢丝绳和电缆，所述采样管由绞车控制收放。

优选地，所述变频控制器用于调节水泵流量，实现大流量洗井和低流量采样，降低采样辅助时间，减小对水样扰动。

优选地，所述封隔装置包括充气式封隔器、高压管线和供气气源，所述充气式封隔器包括上接头、下接头、胶筒和中心管，所述胶筒套设于所述中心管的外部，所述胶筒通过所述高压管线连接所述供气气源，所述上接头螺纹连接于所述中心管的顶部，所述下接头螺纹连接于所述中心管的下端，所述下接头与中心管下端通过O型圈进行密封，所述采样管的管体穿过所述上接头、下接头和中心管。

优选地，所述真值判定及采样装置的本体为一长方体形状的箱体，所述箱体设有均为圆形的进水口、排水口、溢水口和监测窗口；所述进水口设置于箱体一侧的中间位置，所述排水口和溢水口设置于所述箱体的另一侧，且所述溢水口位于所述排水口的顶部；所述进水口与所述采样管的出水口连接，所述排水口设有电磁阀，用于控制排水；所述排水口和所述溢水口连接有聚四氟乙烯排水管，所述监测窗口内放置水质检测探头，并使用O型圈对监测窗口进行密封。

优选地，所述箱体内部设有挡板，所述挡板横向设置，将所述箱体分为水样流通池和低扰动采样区，所述水样流通池设置于所述低扰动采样区的底部，所述水质检测探头位于所述水样流通池中，所述水质检测探头用于对水样进行真值判定，所述低扰动采样区中放置若干个采样瓶，用于低扰动采集水样。

优选地，所述水质检测探头能够检测的指标为PH值、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度。

优选地，所述自动控制器包括水泵控制开关、变频器调频单元、监测探头供电单元、液晶屏、电磁阀控制单元、存储系统、报警单元和蓝牙模块，其中所述水泵控制开关用于控制所述采样泵的启动和关闭；所述变频器调频单元采用RS485串口，用于调节所述变频控制器频率来控制所述采样泵流量的大小；所述监测探头供电单元包括给所述水位水温监测探头供电和给所述水质检测探头供电的两种供电单元；所述水位水温监测探头采用4线，电压为9V，所述水质检测探头采用4线，电压为12V，均采用RS485串口；所述电磁阀控制单元的供电电压为12V，用于控制所述电磁阀的启动和关闭；所述存储系统用于将采样过程中水质检测数据进行存储；所述报警单元用于提示操作人员采样进程，所述蓝牙模块可采用RS485/232串口通讯，用于将采样和水质检测数据传输至手机APP进行远程查看；所述液晶屏用于显示PH值、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度参数。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的轻便智能化低扰动采样设备，对地下水含水层扰动较小，能够满足无机组分、有机组分、微生物、溶解氧等检测样品采集要求，能完整高效的从监测井中获取具有各层代表性的地下水样品。

2、本发明提供的轻便智能化低扰动采样设备，在采样过程中不接触空气，能够有效降低外部环境对水样干扰。

3、本发明提供的轻便智能化低扰动采样设备，具有携带方便、安装简捷，易于运输等优势，适用深度为120m以内。

4、本发明提供的轻便智能化低扰动采样设备，具有自动控制、智能监测的功能，能够根据采样数据进行智能分析自动控制采样流程，减少人为因素干扰，省时省力；同时，还具有数据传输功能，能够通过手机APP接受水样分析数据。

5、本发明提供的轻便智能化低扰动采样设备，可与封隔器进行连接，进行地下水分层采样。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中轻便智能化低扰动采样设备的结构示意图；

图2为本发明中真值判定及采样装置的结构示意图；

图中：1-供电装置、2-真值判定及采样装置、3-自动控制器、4-绞车、5-采样泵、6-采样管、7-电缆、8-变频控制器、9-水位水温监测探头、10-数据线、11-充气式封隔器、12-高压管线、13-供气气源、14-上接头、15-下接头、16-胶筒、17-中心管、18-箱体、19-进水口、20-排水口、21-溢水口、22-监测窗口、23-挡板、24-水样流通池、25-低扰动采样区、26-盖板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种轻便智能化低扰动采样设备，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的轻便智能化低扰动采样设备，如图1所示，包括供电装置1、低扰动抽水装置、封隔装置、井下监测装置、真值判定及采样装置2和自动控制器3，低扰动抽水装置包括采样泵5、采样管6、电缆7和变频控制器8，用于完成地下水低扰动采样任务，采样泵5通过采样管6连接真值判定及采样装置2；封隔装置设置于井内用于封隔目标采水层与其他非目标含水层；真值判定及采样装置2包括水样流通池24、低扰动采样区25和水质检测探头，用于水样流通和判断采集水样是否为地层真实水样；井下监测装置包括水位水温监测探头9和数据线10，用于测量井下水位、水温数据；低扰动抽水装置、井下监测装置、真值判定及采样装置2均需经电缆或数据线通过自动控制器3连接至供电装置1。

于本具体实施例中，采样泵5的排水口20连接采样管6的进水口，采样管6的出水口经封隔装置与真值判定及采样装置2连通，采样泵5通过电缆7连接变频控制器8。变频控制器8用于调节水泵流量，实现大流量洗井和低流量采样，降低采样辅助时间，减小对水样扰动。采样泵5为螺杆潜水泵，外径≤50mm，，属于容积式转子泵，依靠螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体的，流量平稳均匀连续、出口压力稳定、输送介质时不会形成涡流。

于本具体实施例中，采样管6包括聚四氟乙烯水管和由四氟乙烯胶带包裹于聚四氟乙烯水管上的钢丝绳和电缆，这样减小对水样的水质影响，采样管6由绞车4控制收放。钢丝绳的固定端连接在绞车4上，电缆和聚四氟乙烯水管未绑缚在一起的部分由绞车4伸出分别连向变频控制器8和真值判定及采样装置2。

于本具体实施例中，封隔装置包括充气式封隔器11、高压管线12和供气气源13，充气式封隔器11包括上接头14、下接头15、胶筒6和中心管17，胶筒6套设于中心管17的外部，胶筒6通过高压管线12连接供气气源13，上接头14螺纹连接于中心管17的顶部，下接头15螺纹连接于中心管17的下端，下接头15与中心管17下端通过O型圈进行密封，采样管6的管体穿过上接头14、下接头15和中心管17。需要充气式封隔器11封隔时，通过气泵将供气气源13中的气体冲入胶筒6内，使胶筒6胀起，起到封隔作用。

如图2所示，真值判定及采样装置2的本体为一长方体形状的箱体18，箱体18设有均为圆形的进水口19、排水口20、溢水口21和监测窗口22；进水口19设置于箱体18一侧的中间位置，排水口20和溢水口21设置于箱体18的另一侧，且溢水口21位于排水口20的顶部；进水口19与采样管6的出水口连接，排水口20设有电磁阀，用于控制排水；排水口20和溢水口21连接有聚四氟乙烯排水管，监测窗口22内放置水质检测探头(图中未示出)，并使用O型圈对监测窗口22进行密封。箱体18内部设有挡板23，挡板23横向设置，将箱体18分为水样流通池24和低扰动采样区25，水样流通池24设置于低扰动采样区25的底部，水质检测探头位于水样流通池24中，水质检测探头用于对水样进行真值判定，挡板23上可以设置多个放置槽，使低扰动采样区25中能够放置若干个采样瓶，用于低扰动采集水样。通过设置水质检测探头检测水样的PH值、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度。

于本具体实施例中，自动控制器3包括水泵控制开关、变频器调频单元、监测探头供电单元、液晶屏、电磁阀控制单元、存储系统、报警单元和蓝牙模块，其中水泵控制开关用于控制采样泵5的启动和关闭；变频器调频单元采用RS485串口，用于调节变频控制器8频率来控制采样泵5流量的大小；监测探头供电单元包括给水位水温监测探头9供电和给水质检测探头供电的两种供电单元；水位水温监测探头9采用4线，电压为9V，水质检测探头采用4线，电压为12V，均采用RS485串口；电磁阀控制单元的供电电压为12V，用于控制电磁阀的启动和关闭；存储系统用于将采样过程中水质检测数据进行存储；报警单元用于提示操作人员采样进程，蓝牙模块可采用RS485/232串口通讯，用于将采样和水质检测数据传输至手机APP进行远程查看；液晶屏用于显示PH值、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度参数。

本发明中的轻便智能化低扰动采样设备的使用方法，包括下列步骤：

A.根据采样要求，依次将采样泵5的出水口连接采样管6的进水口，采样管6的出水口与真值判定及采样装置2进水口19连通，采样泵5的电缆7连接至变频控制器8；将水位水温监测探头9固定于采样管6与采样泵5的连接接头上方20cm左右，水位水温监测探头9的数据线10固定于采样管6线上；将真值判定及采样装置2的出水口安装电磁阀并连接排水管线，溢水口21直接连接聚四氟乙烯排水管线；将水质检测探头放置于监测窗口22内，使用O型圈对监测窗口22进行密封；将低扰动抽水装置、井下监测装置、真值判定及采样装置2均需经电缆7或数据线10通过自动控制装置连接至供电装置1。

B.设备连接完成后，将采样泵5、水位水温监测探头9下入井中采样位置，到达预订位置后，通过夹持器具将管线固定于井口。

C.打开供电装置1，通过自动控制装置启动采样泵5，并控制变频控制器8调节流量至最大，完成采样前的洗井工作，同时，通过水位水温监测探头9监测水位变化，不仅可防止水位低于采样泵5进水口19，而且可引导操作人员根据水位降深调整采样泵5流量，保证采样泵5正常出水。

D.采样泵5正常上水后，关闭排水口20电磁阀，在水样流通池24中进行蓄水，直至箱体18内水位淹没水质检测探头探头，水质检测探头开始工作，并根据检测时间(可选择30min、15min、10min、5min、3min和1min中不同时间间隔)设置开始对水样进行真值判定，真值判定结束后将采样数据反馈至自动控制系统存储单元并通过蓝牙模块发送至手机APP，等待自动控制系统存储和发送采样数据完毕后，控制打开排水口20处的电磁阀进行排水。至此，完成第一回次采样工作。

E.第一回次采样工作结束后，到达设定采样时间间隔，自动控制系统开始第二次采样工作，首先关闭排水口20电磁阀在水样流通池24中再次蓄水，重复第一回次采样工作。依次完成3个回次采样工作后，自动控制系统对三次采样结果进行数据比对，直至检测指标(PH值、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度)中三个条件满足采样标准，其中PH稳定标准为±0.1以内，温度稳定指标为±0.5℃以内，电导率稳定指标为±10％以内，氧化还原电位稳定指标为±10mV以内或在±10％以内，溶解氧稳定指标为±0.3mg/L以内或在±10％以内，浊度稳定指标为≤10NTU或在±10％以内。如若未满足采样标准，则自动控制系统会继续开展下一回次采样。

F.满足采样标准后，自动控制系统会打开排水口20电磁阀进行排水，在排水口20对采样瓶进行清洗，清洗结束后，打开低扰动采样区25上方的盖板26，将采样瓶放置于低扰动采样区25的挡板23上，关闭盖板26。

G.自动控制系统控制关闭排水口20电磁阀，并通过变频控制器8降低流量至0.1-0.5L/min，随着液面逐渐升高并超过采样瓶瓶口，水样缓慢没入采样瓶中直至溢出采样瓶瓶口(也可通过溢水口21出水判断)，完成采样。接着，自动控制装置打开排水口20电磁阀进行排水，并控制关闭采样泵5和其他监测装置，采样结束，提出井内设备即可。

本发明轻便智能化低扰动采样设备及方法的机理为：通过自动控制系统对采样设备、监测设备及数据存储与传输进行智能化管理，不仅能够进行低扰动采样，完整高效的从监测井中获取代表性的地下水样品，满足无机组分、有机组分、微生物、溶解氧等检测样品采集要求，而且能够对采样数据数据进行智能分析，控制采样进程，对于地下水污染监测具有十分重要的意义。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：包括供电装置、低扰动抽水装置、封隔装置、井下监测装置、真值判定及采样装置和自动控制器，所述低扰动抽水装置包括采样泵、采样管、电缆和变频控制器，用于完成地下水低扰动采样任务，所述采样泵通过采样管连接真值判定及采样装置；所述封隔装置设置于井内用于封隔目标采水层与其他非目标含水层；所述真值判定及采样装置包括水样流通池、低扰动采样区和水质检测探头，用于水样流通和判断采集水样是否为地层真实水样；所述井下监测装置包括水位水温监测探头和数据线，用于测量井下水位、水温数据；所述低扰动抽水装置、井下监测装置、真值判定及采样装置均需经电缆或数据线通过自动控制器连接至供电装置。

2.根据权利要求1所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述采样泵的排水口连接所述采样管的进水口，所述采样管的出水口经所述封隔装置与所述真值判定及采样装置连通，所述采样泵通过电缆连接所述变频控制器。

3.根据权利要求1所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述采样泵为螺杆潜水泵，外径≤50mm。

4.根据权利要求1所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述采样管包括聚四氟乙烯水管和由四氟乙烯胶带包裹于聚四氟乙烯水管上的钢丝绳和电缆，所述采样管由绞车控制收放。

5.根据权利要求1所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述变频控制器用于调节水泵流量，实现大流量洗井和低流量采样，降低采样辅助时间，减小对水样扰动。

6.根据权利要求1所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述封隔装置包括充气式封隔器、高压管线和供气气源，所述充气式封隔器包括上接头、下接头、胶筒和中心管，所述胶筒套设于所述中心管的外部，所述胶筒通过所述高压管线连接所述供气气源，所述上接头螺纹连接于所述中心管的顶部，所述下接头螺纹连接于所述中心管的下端，所述下接头与中心管下端通过O型圈进行密封，所述采样管的管体穿过所述上接头、下接头和中心管。

7.根据权利要求1所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述真值判定及采样装置的本体为一长方体形状的箱体，所述箱体设有均为圆形的进水口、排水口、溢水口和监测窗口；所述进水口设置于箱体一侧的中间位置，所述排水口和溢水口设置于所述箱体的另一侧，且所述溢水口位于所述排水口的顶部；所述进水口与所述采样管的出水口连接，所述排水口设有电磁阀，用于控制排水；所述排水口和所述溢水口连接有聚四氟乙烯排水管，所述监测窗口内放置水质检测探头，并使用O型圈对监测窗口进行密封。

8.根据权利要求7所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述箱体内部设有挡板，所述挡板横向设置，将所述箱体分为水样流通池和低扰动采样区，所述水样流通池设置于所述低扰动采样区的底部，所述水质检测探头位于所述水样流通池中，所述水质检测探头用于对水样进行真值判定，所述低扰动采样区中放置若干个采样瓶，用于低扰动采集水样。

9.根据权利要求7所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述水质检测探头能够检测的指标为PH值、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度。

10.根据权利要求7所述的轻便智能化低扰动采样设备，其特征在于：所述自动控制器包括水泵控制开关、变频器调频单元、监测探头供电单元、液晶屏、电磁阀控制单元、存储系统、报警单元和蓝牙模块，其中所述水泵控制开关用于控制所述采样泵的启动和关闭；所述变频器调频单元采用RS485串口，用于调节所述变频控制器频率来控制所述采样泵流量的大小；所述监测探头供电单元包括给所述水位水温监测探头供电和给所述水质检测探头供电的两种供电单元；所述水位水温监测探头采用4线，电压为9V，所述水质检测探头采用4线，电压为12V，均采用RS485串口；所述电磁阀控制单元的供电电压为12V，用于控制所述电磁阀的启动和关闭；所述存储系统用于将采样过程中水质检测数据进行存储；所述报警单元用于提示操作人员采样进程，所述蓝牙模块可采用RS485/232串口通讯，用于将采样和水质检测数据传输至手机APP进行远程查看；所述液晶屏用于显示PH值、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度参数。

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