CN116558891A - 一种水质剖面无扰动自动采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水质剖面无扰动自动采样装置，包括电气柜、支架、升降机构、水深测量机构以及采样机构，所述电气柜控制升降机构和采样机构的工作状态，所述升降机构和电气柜安装在所述支架上，所述采样机构安装在所述升降机构上，所述水深测量机构安装在所述采样机构上且与所述电气柜通信，所述采样机构包括采样管线和气囊泵，所述电气柜通过采样管线控制气囊泵的充气、放气以及水样抽取，向气囊泵充气时，将气囊泵内的水样压入采样管线并对外输送，当气囊泵放气时，外部水样进入气囊泵中。本发明的优点：满足在无人值守条件下的不同深度的水质无扰动自动连续采集。

Description

一种水质剖面无扰动自动采样装置

技术领域

本发明涉及领域，尤其涉及一种水质剖面无扰动自动采样装置。

背景技术

随着社会的不断发展，城市规模不断扩大，各地基础设施改造、工厂建设的用水量持续增长，对环境和生态造成了不同程度的破坏，水的质量严重变差。相应地，人民生活水平的提高，人们对水质要求也在不断提高，水质标准也相应地不断发展和完善。因此，对于河流湖泊、地下水等水源的水质定期检测是保证水质安全的重要手段。为了更加科学地判断水质情况，经常采用按深度进行多层水质采样的方式进行检测。

现有的水样采集装置结构死板，功能单一，通常采用水泵或者取水容器进行采集。水泵的抽取方式会产生涡流，影响不同深度水样的代表性，同时也对溶解氧等某些水质参数产生影响。取水容器由于其结构特点，存在机械结构复杂，取水效率低、维护不方便等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种水质剖面无扰动自动采样装置，满足在无人值守条件下的不同深度的水质无扰动自动连续采集。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水质剖面无扰动自动采样装置，包括电气柜、支架、升降机构、水深测量机构、采样机构，所述电气柜控制升降机构和采样机构的工作状态，所述升降机构和电气柜安装在所述支架上，所述采样机构安装在所述升降机构上，所述水深测量机构安装在所述采样机构上且与所述电气柜通信，所述采样机构包括采样管线和气囊泵，所述电气柜通过采样管线控制气囊泵的充气、放气以及水样抽取，向气囊泵充气时，将气囊泵内的水样压入采样管线并通过采样管线对外输送，当气囊泵放气时，气囊泵内部处于负压状态，外部水样进入气囊泵中。

更优地，所述气囊泵包括泵壳、气囊、上止水球和下止水球，所述采样管线包括气管和水样管，所述气囊设于所述泵壳内，所述泵壳上端部设有出水口，所述泵壳下端部设有进水口，所述气囊连通出水口和进水口，所述上止水球设置于所述出水口且位于泵壳上端部内，所述下止水球设置于所述进水口且位于气囊内，所述水样管连接所述出水口，所述气囊与泵壳内壁之间形成充气空间，所述气管连接所述充气空间。

更优地，所述水深测量机构为液位传感器，其固定于所述气囊泵的下方，所述液位传感器通过数据线连接至所述电气柜。

更优地，所述升降机构包括电机、联轴器以及转盘，所述电机连接所述电气柜，所述电机通过联轴器连接所述转盘，所述采样管线缠绕在所述转盘上。

更优地，所述支架底部还安装一限位机构，所述限位机构包括固定杆、导向轮以及限位开关，固定杆水平设置且两端固定在支架上，所述限位开关通过固定座固定于所述固定杆上，所述限位开关与所述电气柜通信连接，所述导向轮固定在所述固定杆上且与所述固定杆滑动连接，所述采样管线抵靠在所述导向轮上。

更优地，所述电气柜包括触摸屏、PLC控制器、气泵以及电磁阀，所述触摸屏、气泵以及电磁阀均与所述PLC控制器连接，所述气泵还连接所述采样管线中的气管，所述电磁阀设置在所述气管上，所述PLC控制器控制气泵的启停，所述PLC控制器控制所述电磁阀的开闭，电磁阀打开，气囊泵通过收缩气管放气。

本发明具有如下有益效果：

本发明一种水质剖面无扰动自动采样装置，通过PLC控制器控制气囊泵内的气压状态，使得气囊泵内增压时，向外部输出水样，气囊泵内负压时，外部水域中水样流入气囊泵，利用气囊泵内的压力变化实现水质剖面无扰动地自动采样。

本发明一种水质剖面无扰动自动采样装置，通过水深测量机构能够快速确定采样位置的深度。

本发明一种水质剖面无扰动自动采样装置，其升降机构结合限位机构中的导向轮，实现气囊泵的稳定升降，避免左右摇晃扰动水质而影响了测量值的稳定性和准确性。

本发明一种水质剖面无扰动自动采样装置，通过水深测量机构和测距机构相结合，可以确定水面与栈房（浮船）底面或地表之间距离，尤其适用于打井采样地下水的应用场景。

本发明一种水质剖面无扰动自动采样装置，还可结合水质监测仪表及数据传输模块，可将水质数据定时上传至水质监测平台，供相关部门做出相应决策。

本发明一种水质剖面无扰动自动采样装置，通过电气柜可以控制升降机构、采样机构、水深测量机构、距离测量机构以及限位机构，从而能够在无人值守情况下进行自动采集。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图（未图示采样机构和液位传感器）；

图3为本发明的气囊泵充气状态示意图；

图4为本发明的气囊泵放气状态示意图；

图5为本发明的各机构的结构示意图；

图6为本发明的电气连接示意图。

附图标记说明：

电气柜；11、触摸屏；12、PLC控制器；13、气泵；14、电磁阀；

支架；

升降机构；31、电机；32、联轴器；33、转盘；

液位传感器；

采样机构；51、采样管线；52、气囊泵；521、泵壳；522、气囊；523、上止水球；524、下止水球；525、充气空间；526、气管接头；527、水样接头；

限位机构；61、固定杆；62、导向轮；63、限位开关；64、固定座；

70、测距机构；71、编码器；72、滚珠丝杆；73、线盘轮；74、同步带。

实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明技术方案应用环境为各大河流、湖泊、水库、地下水等需要进行水样采集的环境。河流、湖泊、水库通常采用设置浮动栈房、浮船等方式；地下水通常采用设置固定栈房等方式。将本发明自动采样装置布置其中并结合相应仪表、数据传输设备即可进行相应的水质监测并上传。

参见图1至图5，一种水质剖面无扰动自动采样装置，包括电气柜10、支架20、升降机构30、水深测量机构以及采样机构50。所述电气柜10控制升降机构30和采样机构50的工作状态，所述升降机构30和电气柜10安装在所述支架20上，所述采样机构50安装在所述升降机构30上，所述水深测量机构安装在所述采样机构50上且与所述电气柜10通信。

重点请参阅图3、图4以及图5，所述采样机构50包括采样管线51和气囊泵52，所述电气柜10通过采样管线51控制气囊泵52的充气、放气以及水样抽取，向气囊泵52充气时，将气囊泵52内的水样压入采样管线51并通过采样管线51对外输送，当气囊泵52放气时，气囊泵52内部处于负压状态，外部水样进入气囊泵52中。作为一种优选的实施方式，所述气囊泵52包括泵壳521、气囊522、上止水球523和下止水球524，所述采样管线51包括气管和水样管，所述气囊522设于所述泵壳521内，所述泵壳521上端部设有出水口A，所述泵壳521下端部设有进水口B，所述气囊522连通出水口A和进水口B，所述上止水球523设置于所述出水口A且位于泵壳521上端部内，所述下止水球524设置于所述进水口B且位于气囊522内，所述水样管连接所述出水口A，所述气囊522与泵壳521内壁之间形成充气空间525，所述气管连接所述充气空间525。一般在气囊泵52的上端面设有气管接头526和水样接头527，将所述气管连接所述气管接头526，将水样管连接所述水样接头527。所述水深测量机构可优选液位传感器40，其固定于所述气囊泵52的下方，所述液位传感器40通过数据线连接至所述电气柜10。较优地，所述水深测量机构采用吊装方式与所述气囊泵52连接，柔性连接方式可以避免液位传感器40到达水域底部时受到撞击。所述气囊泵52的上方一般还设置有吊环，通过吊环连接钢丝绳。将钢丝绳、数据线、气管以及水样管结合在一起，形成采样管线51，通过采样管线吊装在升降机构30上。

重点请参阅图2和图5，所述升降机构30包括电机31、联轴器32以及转盘33，所述电机31连接所述电气柜10，所述电机31通过联轴器32连接所述转盘33，所述采样管线51缠绕在所述转盘33上。所述电气柜10控制电机31的正反转，从而带动采样机构50上升和下降。

请参阅图6，所述电气柜10包括触摸屏11、PLC控制器12、气泵13以及电磁阀14，所述触摸屏11、气泵13以及电磁阀14均与所述PLC控制器12连接，所述气泵13还连接所述采样管线51中的气管，所述电磁阀14设置在所述气管51上，所述PLC控制器12控制气泵13的启停，所述PLC控制器12控制所述电磁阀14的开闭，电磁阀14打开，气囊泵52通过所述气管放气。

所述支架20底部还安装一限位机构60，所述限位机构60包括固定杆61、导向轮62以及限位开关63，固定杆61水平设置且两端固定在支架20上，所述限位开关63通过固定座64固定于所述固定杆61上，所述限位开关63与所述电气柜10通信连接，所述导向轮62通过轴承固定在所述固定杆61上且可绕固定杆61转动。所述采样管线51抵靠在所述导向轮62上。所述限位机构60的作用时，当采样机构50上升并顶到限位开关63时，发出信号至PLC控制器12，PLC控制器12发出信号控制电机31停止工作。同时，在采样机构50上升和下降的过程中，伴随着采样管线51在转盘33上的缠绕和释放，采样管线51会在水平方向上左右移动，将采样管线51嵌在导向轮62上，导向轮62可以起到稳定采样管线51的作用，避免采样机构50晃动。

请参阅图2和图5，所述自动采样装置还包括测距机构70，通过所述测距机构70可以监测水面与栈房（浮船）底面或地表之间距离，即监测到水位高低变化，将水位变化结合采集到的水样，可用于进一步深入分析水质特征。如图3所述，所述测距机构70可以其安装在所述支架20上且位于升降机构30下方。所述测距机构70包括编码器71、滚珠丝杆72、线盘轮73以及同步带74，所述滚珠丝杆72水平设置且两端部通过轴承与支架20转动连接。所述编码器71设于所述滚珠丝杆72的一端部，所述同步带74设于所述滚珠丝杆72的另一端部且连接所述电机31，所述线盘轮73固定在所述滚珠丝杆72的螺母上，所述编码器71与所述电气柜10通信连接；位于转盘33与气囊泵52之间的采样管线51嵌于所述线盘轮73内。所述电机31通过同步带74带动滚珠丝杆72同步转动，滚珠丝杆72带动线盘轮73同步运动，再通过编码器71计算出转动的步长，从而获知采样机构50下降的距离，结合液位传感器40，即可计算出水面与栈房（浮船）底面或地表之间距离。

以下对本发明一种水质剖面无扰动自动采样装置的工作原理进行详细阐述。

首先，将采样管线51与气囊泵52、液位传感器40连接。

接着，若需要测量栈房（浮船）底面或者地表高度至水面之间的高度，执行如下步骤：点击触摸屏11上升，PLC控制器12控制电机31通电，转盘33转动，带动气囊泵52、液位传感器40上升。气囊泵52顶到限位开关63后，发出信号至PLC控制器12，PLC控制器12控制电机31下电，停止转动。此时，量测液位传感器40底部距离栈房（浮船）底面或者地表高度，将其输入触摸屏11，记录系统的初始高度。点击触摸屏11下降，PLC控制器12控制电机31转动，通过转盘33旋转带动气囊泵52、液位传感器40下降，编码器71反馈相应高度到触摸屏11，当液位传感器40接触到水面后，液位传感器40从0开始记录水深，随着深度的增加，液位传感器40相应的数据在触摸屏11上变化。编码器71读取的数据减去液位传感器40读取的数据即为栈房（浮船）底面或者地表高度至水面之间的高度。在上升、下降过程中，点击触摸屏11停止即可通过PLC控制器12停止电机31。

若需要测量水域深度时，继续执行如下步骤：点击触摸屏11测量深度，当下降过程中连续5秒液位传感器40读取的数据没发生变化，则判断液位传感器40可能触底，系统将再次反复进行上升下降操作，通过液位传感器40变化规律确认水深并将其反馈到触摸屏11。

若需要对某一深度的水域进行采样，执行如下步骤：通过PLC控制器12将气囊泵52、液位传感器40降到测量水深后，点击触摸屏11采样，PLC控制器12控制气泵13通过气管对气囊泵52的充气空间充气，压缩气囊522后顶起上止水球523，气囊522内水样被顶升至水样管中，停止气泵13。需要说明的是，若为首次采水，则存在无水样抽取或水样较少或水样不稳定等情况，因此在水样接收端或检测端，对最初1~2次采样，做弃样处理。然后，打开电磁阀14，气囊泵52的充气空间中的压缩空气通过电磁阀14排出，气囊泵52内部产生负压，上止水球523落下，堵住出水口，下止水球524向上顶起，外部水样进入气囊522中。由于水样是在压力差的作用下流入气囊522且在向上抽水的时候，下止水球524堵住进水口，因此，抽水过程不会对外部的水样产生扰动，在循环往复多次后，实现低扰动条件下的水样抽取。通过触摸屏11设置采样周期，每次采样的深度，每个深度采样的次数等参数，PLC控制器12可以自动执行采样命令并完成采集，可实现无人值守条件下的自动采样。

在地下水取样过程中，为防止抽取过快导致地下水回补不及时，液位传感器40在抽取过程中一直记录相应水深数据，当地下水泄降深度达到10cm时，系统可以暂停取样，等待地下水位恢复后继续抽取相应水深的水样，保证水质取样的代表性，这些参数都可以通过触摸屏11进行设置并由PLC控制器12执行相应操作。

本发明一种水质剖面无扰动自动采样装置，满足在无人值守条件下的不同深度的水质无扰动自动连续采集。更优的，在此装置的基础上增加水质监测仪表及数据传输模块，可将水质数据定时上传至水质监测平台，供相关部门做出相应决策。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种水质剖面无扰动自动采样装置，其特征在于：包括电气柜、支架、升降机构、水深测量机构以及采样机构，所述电气柜控制升降机构和采样机构的工作状态，所述升降机构和电气柜安装在所述支架上，所述采样机构安装在所述升降机构上，所述水深测量机构安装在所述采样机构上且与所述电气柜通信，所述采样机构包括采样管线和气囊泵，所述电气柜通过采样管线控制气囊泵的充气、放气以及水样抽取，向气囊泵充气时，将气囊泵内的水样压入采样管线并对外输送，当气囊泵放气时，外部水样进入气囊泵中。

2.根据权利要求1一种水质剖面无扰动自动采样装置，其特征在于：所述气囊泵包括泵壳、气囊、上止水球和下止水球，所述采样管线包括气管和水样管，所述气囊设于所述泵壳内，所述泵壳上端部设有出水口，所述泵壳下端部设有进水口，所述气囊连通出水口和进水口，所述上止水球设置于所述出水口且位于泵壳上端部内，所述下止水球设置于所述进水口且位于气囊内，所述水样管连接所述出水口，所述气囊与泵壳内壁之间形成充气空间，所述气管连接所述充气空间。

3.根据权利要求1一种水质剖面无扰动自动采样装置，其特征在于：所述水深测量机构为液位传感器，其固定于所述气囊泵的下方，所述液位传感器通过数据线连接至所述电气柜。

4.根据权利要求1一种水质剖面无扰动自动采样装置，其特征在于：所述升降机构包括电机、联轴器以及转盘，所述电机连接所述电气柜，所述电机通过联轴器连接所述转盘，所述采样管线缠绕在所述转盘上。

5.根据权利要求4一种水质剖面无扰动自动采样装置，其特征在于：所述支架底部还安装一限位机构，所述限位机构包括固定杆、导向轮以及限位开关，固定杆水平设置且两端固定在支架上，所述限位开关通过固定座固定于所述固定杆上，所述限位开关与所述电气柜通信连接，所述导向轮固定在所述固定杆上且与所述固定杆滑动连接，所述采样管线抵靠在所述导向轮上。

6.根据权利要求2一种水质剖面无扰动自动采样装置，其特征在于：所述电气柜包括触摸屏、PLC控制器、气泵以及电磁阀，所述触摸屏、气泵以及电磁阀均与所述PLC控制器连接，所述气泵还连接所述采样管线中的气管，所述电磁阀设置在所述气管上，所述PLC控制器控制气泵的启停，所述PLC控制器控制所述电磁阀的开闭，电磁阀打开，气囊泵通过收缩气管放气。