CN214373555U - 基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，包括采样器，采样器包括圆筒状本体，圆筒状本体的顶部设置有流速传感器1，圆筒状本体的中部设置有安装板11，安装板11的上方设置有采水装置，安装板11的下方设置有采土装置；安装板11的内部设置有控制器3和无线通信装置10，无线通信装置10外接有终端。本发明创新性地将流速传感器与采样器相结合，实现了水动力变化小少采样，水动力变化大多采样的功能，克服了由于无法实时跟踪水动力变化而造成的样本采集重复或样本采集缺失，有助于采样系统的自动化、智能化。

Description

基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置

技术领域

本发明涉及基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，属于环境监测领域。

背景技术

我国河湖众多，随着社会和经济的快速发展，城市化进程加快，水体污染的问题日益严峻。我国高度重视水污染防控工作，准确的水质及沉积物指标作为其中重要的环节能够为水环境评价及水污染预警提供可靠的依据。

研究表明，河流水动力条件的改变能够影响污染物在河道沉积物－上覆水系统中的分布特征、水土界面迁移及其归趋行为。对于天然河流水体，其水动力条件的变化是非恒定的，且往往具有一定程度的不确定性和时效性，传统的人工采样方法难以准确地采集到与上覆水动力变化过程相匹配的代表性水样及沉积物样本，无法有效捕捉河流水动力变化下所对应的水质及沉积物过程。而机器采样，在现有的技术中，有的采样器实现了自动定时采样，但是其无法准确的把握河流水动力变化，往往需设定大量且密集的采样区间进行采样，操作繁琐，且会大大增加水样采集与分析的工作量，增加工作成本；而有的采样器仅基于降雨径流大小来控制，当流量或水位超过设定阈值时不断进行采样，而低于阈值时采样过程终止，无法真正实现样本采集与水动力变化过程的准确匹配。现有机器采样操作模式单一，往往只能设置固定化的时间或次数执行指令，这种由于无法准确把握河流水动力变化、忽视河流变化的不确定性与时效性的无选择性采样不仅操作繁琐，而且会导致结果重复性高。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以连接于物联网大数据平台的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，不仅可以同时对水样和沉积物样本进行采集，且可以自动化作业，效率高，成本低。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，包括采样器，采样器包括圆筒状本体，圆筒状本体的顶部设置有流速传感器1，圆筒状本体的中部设置有安装板11，安装板11的上方设置有采水装置，安装板11的下方设置有采土装置；

安装板11的内部设置有控制器3和无线通信装置10，无线通信装置10外接有终端；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、设备的水动力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。为实现对水体水动力变化实时监测，采用IOT物联网技术，将装置采集的水动力信息通过GPRS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2，集水瓶2内部设置有导管5，导管5通过电磁阀6与集水瓶2连接；集水瓶2的内部还设置有水位传感器7，水位传感器用于检测水深；

采土装置包括空槽，空槽内可拆卸的安装有采样管4，采样管4顶部通过弹簧9与安装板11连接，弹簧9上设置有电磁铁8。

进一步地，集水瓶2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3。为防止采样过程中采样管中的水样溢出，需采用水位传感器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。

进一步地，采样管4包括筒体4-1，筒体4-1的上表面设置有铁板，筒体4-1的顶部设置有通孔4-5，通孔4-5中贯穿一根连接绳4-4，连接绳4-4的一端与与电磁铁8连接，连接绳4-4的另一端与活塞4-3连接，筒体4-1的底部设置有盖板4-2，盖板4-2朝向筒体4-1内部打开。

当电磁铁通电时，铁板将筒体吸附在安装板11上，采样管不工作；当电磁铁断电时，筒体脱离安装板11，弹簧9的弹性作用会将筒体伸出空槽外，伸入沉淀物中，采集沉积样；控制器控制电磁铁断电，采样管被弹出，采样系统与底泥接触，控制器控制采样管对应的电磁铁，拉动活塞向上移动，盖板向采样管内打开，采样管进行沉积物采样，活塞到达采样管顶部时，采样结束，并记录采样时间，此时，控制器控制电磁铁再次通电，通过铁板将采样管吸附在安装板上。

进一步地，流速传感器1为霍尔流量计，为实现把水动力变化转化为设备可进行处理的电信号，采用霍尔流量计测量水体流水的变化，将得到电信号进行预处理，通过一定的算法又转换回流速值，并且作为采样装置采样的控制信号。

进一步地，电磁阀6控制电磁铁8。由于CPU输出为弱电流，无法提供电磁阀所需的驱动电流，需通过驱动电路控制电磁阀工作。可以采用ULN2803A芯片提供驱动能力，并在电磁阀两端并上肖特基二极管进行续流，对电磁阀进行保护。

进一步地，采样管4的材质为聚乙烯。

进一步地，安装板11内部还安装有锂电池，为水位传感器7、控制器3、无线通信装置10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为霍尔流量计和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。

采水装置采用至少8个电磁阀作为导管5的开关。在水环境中，本发明会根据水体的流速变化情况决定采水与否。在采水过程中，本发明会按照采样管的顺序一个一个进行采样。当第一个采样管采样完毕之后对应的电磁阀会进入常闭状态。当进入下一次采样，将从第二个采样管开始，以此类推。

有益效果：本发明创新性地将流速传感器与采样器相结合，实现了水动力变化小少采样，水动力变化大多采样的功能，克服了由于水动力变化而造成的样本采集重复或样本采集缺失，有助于采样系统的自动化、智能化，为今后研究污染物迁移行为与底泥内源释放等工作提高了效率；且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，采样完毕后，通过物联网大数据平台向用户发送采样结束指令。

同时，本发明将原先传统的人力采样和简单机械采样引入网络大数据平台，利用IOT终端发送信号来构建用户和采样器之间的数字化渠道，适应了当下的社会发展新业态，智能化、小型化的自适应水动力变化采样系统将更好地适用于当前及未来市场。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中采样装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例

本发明提供的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，包括采样器，采样器包括圆筒状本体，圆筒状本体的顶部设置有流速传感器1，圆筒状本体的中部设置有安装板11，安装板11的上方设置有采水装置，安装板11的下方设置有采土装置；

安装板11的内部设置有控制器3和无线通信装置10，无线通信装置10外接有终端；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、设备的水动力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。为实现对水体水动力变化实时监测，采用IOT物联网技术，将装置采集的水动力信息通过GPRS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2，集水瓶2内部设置有导管5，导管5通过电磁阀6与集水瓶2连接；集水瓶2的内部还设置有水位传感器7，水位传感器用于检测水深；

采土装置包括空槽，空槽内可拆卸的安装有采样管4，采样管4顶部通过弹簧9与安装板11连接，弹簧9上设置有电磁铁8。

集水瓶2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3。为防止采样过程中采样管中的水样溢出，需采用水位传感器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。采样管4包括筒体4-1，筒体4-1的上表面设置有铁板，筒体4-1的顶部设置有通孔4-5，通孔4-5中贯穿一根连接绳4-4，连接绳4-4的一端与与电磁铁8连接，连接绳4-4的另一端与活塞4-3连接，筒体4-1的底部设置有盖板4-2，盖板4-2朝向筒体4-1外部打开。

当电磁铁通电时，铁板将筒体吸附在安装板11上，采样管不工作；当电磁铁断电时，筒体脱离安装板11，弹簧9的弹性作用会将筒体伸出空槽外，伸入沉淀物中，采集沉积样；控制器控制电磁铁断电，采样管被弹出，采样系统与底泥接触，控制器控制采样管对应的电磁铁，拉动活塞向上移动，盖板向采样管内打开，采样管进行沉积物采样，活塞到达采样管顶部时，采样结束，并记录采样时间，此时，控制器控制电磁铁再次通电，通过铁板将采样管吸附在安装板上。

流速传感器1为霍尔流量计，为实现把水动力变化转化为设备可进行处理的电信号，采用霍尔流量计测量水体流水的变化，将得到电信号进行预处理，通过一定的算法又转换回流速值，并且作为采样装置采样的控制信号。电磁阀6控制电磁铁8。由于CPU输出为弱电流，无法提供电磁阀所需的驱动电流，需通过驱动电路控制电磁阀工作。可以采用ULN2803A芯片提供驱动能力，并在电磁阀两端并上肖特基二极管进行续流，对电磁阀进行保护。采样管4的材质为聚乙烯。安装板11内部还安装有锂电池，为水位传感器7、控制器3、无线通信装置10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为霍尔流量计和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。

采水装置采用至少8个电磁阀作为导管5的开关。在水环境中，本发明会根据水体的流速变化情况决定采水与否。在采水过程中，本发明会按照采样管的顺序一个一个进行采样。当第一个采样管采样完毕之后对应的电磁阀会进入常闭状态。当进入下一次采样，将从第二个采样管开始，以此类推。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，其特征在于：包括采样器，所述采样器包括圆筒状本体，所述圆筒状本体的顶部设置有流速传感器（1），所述圆筒状本体的中部设置有安装板（11），所述安装板（11）的上方设置有采水装置，所述安装板（11）的下方设置有采土装置；

所述安装板（11）的内部设置有控制器（3）和无线通信装置（10），所述无线通信装置（10）外接有终端；

所述采水装置包括一组集水瓶（2），所述集水瓶（2）内部设置有导管（5），所述导管（5）通过电磁阀（6）与集水瓶（2）连接；所述集水瓶（2）的内部还设置有水位传感器（7）；

所述采土装置包括一组空槽，所述空槽内可拆卸的安装有采样管（4），所述采样管（4）顶部通过弹簧（9）与安装板（11）连接，所述弹簧（9）上设置有电磁铁（8）。

2.根据权利要求1所述的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，其特征在于：所述集水瓶（2）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（3）。

3.根据权利要求1所述的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，其特征在于：所述采样管（4）包括筒体（4-1），所述筒体（4-1）的上表面设置有铁板，所述筒体（4-1）的顶部设置有通孔（4-5），所述通孔（4-5）中贯穿一根连接绳（4-4），所述连接绳（4-4）的一端与电磁铁（8）连接，所述连接绳（4-4）的另一端与活塞（4-3）连接，所述筒体（4-1）的底部设置有盖板（4-2），所述盖板（4-2）朝向筒体（4-1）内部打开。

4.根据权利要求1所述的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，其特征在于：所述流速传感器（1）为霍尔流量计。

5.根据权利要求1所述的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，其特征在于：所述电磁阀（6）控制电磁铁（8）。

6.根据权利要求1所述的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，其特征在于：所述采样管（4）的材质为聚乙烯。

7.根据权利要求1所述的基于水流速度变化过程响应的自适应变频水/土采样装置，其特征在于：所述安装板（11）内部还安装有锂电池，为水位传感器（7）、控制器（3）、无线通信装置（10）以及电磁阀（6）供电。

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