一种空气水分采集装置及方法与流程

本发明属于空气冷凝制水技术领域，涉及一种空气水分采集装置及方法。

背景技术：

土壤是发育在岩石风化物以及第四纪沉积物基础上的多孔多相(固、液、气三相)疏松表层，具有一定的肥力(水、肥、气、热)，可以生长植物。水在土壤中的运移过程其实就是水、气两种流态相互转换的过程，土壤中水的含量是决定植被生长的重要因素，对近地面空气和土壤内部孔隙空气水分的收集与测定是测量土壤中含水量的一个重要方式。

现有技术中对空气水分采集时，一般是通过以电或燃油为能源的压缩机和蒸发器从土壤中直接抽取空气，通过冷凝的方式从空气中分离出水分来实现空气中水分的采集，但是这种技术需要消耗大量的能源。在能源方面，已有研究可以以太阳能发电的方式驱动电动机，从而带动压缩机工作，但该种方式需要比较高端的技术进行操作，野外作业成本及维护成本都很高，不适于广泛的普及推广；同时，采用泵抽取空气不能保证其空气来源的具体层位，很难进行精准层位的水汽研究。如果采用能够在指定深度采取空气水的装置虽然能够解决这一问题，但是需要将装置埋入土中静置一段时间，不仅耗时费力，不方便，而且对土壤扰动较大，不能排除挖土扰动对实验结果的影响，并且不利于对水汽进行高频检测。

随着对水汽研究的深入，科研工作者迫切需要一种精准、无污染、方便的空气水分采集装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中空气水分采集能源损耗大、使用复杂且不能保证其空气来源的具体层位的缺点，提供一种空气水分采集装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种空气水分采集装置，包括外壳、冷凝装置、出水管和底座；

外壳底部连接底座顶部，外壳内部设置内胆，底座内部设置集水瓶，内胆底部通过出水管连通集水瓶，出水管上设置出水管密闭阀门；外壳与内胆之间设置冷凝装置，冷凝装置一端紧贴外壳内壁，另一端紧贴内胆外壁，冷凝装置用于冷凝内胆内部空气中的水分；

外壳侧壁上设置进气管、抽气管、控制装置和能源装置，进气管和抽气管均与内胆内部连通，进气管上设置进气管密闭阀门，抽气管上设置抽气管密闭阀门；控制装置和能源装置均与冷凝装置连接，控制装置用于开启或关闭冷凝装置，能源装置用于给冷凝装置提供工作能量。

本发明空气水分采集装置进一步的改进在于：

还包括与能源装置和控制装置均连接的制热装置，制热装置一端紧贴外壳内壁，另一端紧贴内胆外壁，控制装置还用于开启或关闭制热装置，能源装置还用于给制热装置提供工作能量。

所述冷凝装置包括若干第一半导体制冷片，所述制热装置包括若干第二半导体制冷片，第一半导体制冷片的制冷面紧贴内胆的外壁，第一半导体制冷片的制热面紧贴外壳的内壁；第二半导体制冷片的制热面紧贴内胆的外壁，第二半导体制冷片的制冷面紧贴外壳的内壁；所有的第一半导体制冷片和所有的第二半导体制冷片均与能源装置连接。

所述第一半导体制冷片和第二半导体制冷片交错分布在外壳与内胆之间。

所述能源装置包括电池放置盒、蓄电池和电量指示灯，电池放置盒与外壳外壁连接，蓄电池位于电池放置盒内部，蓄电池与冷凝装置和电量指示灯均连接，电量指示灯设置在控制装置、外壳或电池放置盒外壁，当5％≤蓄电池电量<20％时，电量指示灯17为黄色；当蓄电池电量<5％时，电量指示灯为红色；当20％≤蓄电池电量时，电量指示灯为绿色。

所述进气管密闭阀门、抽气管密闭阀门和出水管密闭阀门的阀门控制端均位于外壳外部。

所述内胆的内壁上设置疏水层，所述外壳为镂空式网状壳体。

还包括散热装置，散热装置包括风扇和硅脂层；风扇一端固定连接外壳，另一端通过硅脂层连接冷凝装置；风扇与控制装置和能源装置均连接，控制装置用于开启或关闭风扇，能源装置还用于给风扇提供工作能量。

所述底座的底部表面上设置若干支撑柱。

本发明另一方面，一种空气水分采集方法，包括以下步骤：

s1：关闭出水管密闭阀门和进气管密闭阀门，打开抽气管密闭阀门并通过抽气管将内胆内部的空气抽出；

s2：内胆内部的空气全部抽出后关闭抽气管密闭阀门，将空气水分采集装置安装在预设位置；

s3：打开出水管密闭阀门、进气管密闭阀门和冷凝装置，当收集瓶中的水量达到预设值时，关闭出水管密闭阀门取出收集瓶编号保存。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明空气水分采集装置，通过设置在外壳内部设置内胆，外壳与内胆之间设置冷凝装置，冷凝装置一端紧贴外壳内壁，另一端紧贴内胆外壁，通过冷凝装置将内胆内空气中的水汽冷凝，并通过底座内部设置的集水瓶进行收集，实现空气水分采集。其中，在外壳侧壁上设置进气管和抽气管，在进气管和抽气管分别设置进气管密闭阀门和抽气管密闭阀门，通过进气管密闭阀门和抽气管密闭阀门能够在需要时实现进气管和抽气管的密闭，将进气管密闭，再通过抽气管将内胆内的气体抽空，保证不受其他气体的影响，确保结果的准确性，通过将进气管直接连接到目标层位，通过进气管直接采集目标层位的空气，避免其他层位空气干扰，确保进入内胆的空气为目标层位空气，保证最终收集到的为所要研究的层位的气态水，避免大面积开挖，能够实现精确层位空气水的收集，提高了取样精度，减少了土壤扰动，便于高频检测，有效地减少人工工作量，在野外操作方便，成本低，实用性强。

进一步的，设置能源装置和控制装置均连接的制热装置，制热装置一端紧贴外壳内壁，另一端紧贴内胆外壁，制热装置应用于内胆的清洁工作，在使用前和采集完一次水之后用纯净水冲洗内壁，释放掉冲洗用水之后内胆内壁会有部分水分停留，制热装置为内胆加热使内胆内壁停留的水分完全蒸发，避免内胆内物质对实验的影响。

进一步的，所述冷凝装置包括若干第一半导体制冷片，所述制热装置包括若干第二半导体制冷片，半导体制冷片具有快速反应、一面制热一面制冷的特点，同时其产生的温差也较大。应用半导体制冷片为装置内胆快速制冷制热，以减少采集时间，提高工作效率。

进一步的，第一半导体制冷片和第二半导体制冷片交错分布在外壳与内胆之间，交错布置的方式使得内胆的制冷和制热更为均匀。

进一步的，设置电量指示灯，根据电量指示灯的颜色判断蓄电池的电量，提醒使用者及时更换蓄电池。

进一步的，进气管密闭阀门、抽气管密闭阀门和出水管密闭阀门的阀门控制端均位于外壳外部，便于操作。

进一步的，内胆的内壁上设置疏水层，便于内胆内部冷凝水的收集，外壳采用镂空式网状设计，达到通风散热的目的。

进一步的，还包括散热装置，散热装置包括风扇和硅脂层；风扇与控制装置和能源装置均连接；风扇一端通过硅脂层紧贴冷凝装置，另一端固定在外壳上，加快散热，提升冷凝效果。

进一步的，底座的底部表面上设置若干支撑柱，支撑柱可以轻松的伸入土壤内部，这样有利于在野外不同条件安装放置。

本发明空气水分采集方法，通过清洁内胆、半导体制冷片制热制冷达到在野外短时间内快速、多次、精准的从不同层位采集气态水，内胆在使用之前进行清理，避免其内部物质对采集结果的影响，通过半导体制冷片在短时间内营造大的温差，使得空气中的水分能够快速凝结，并且有足够的量达到采集目的。同时，通过导管精确控制采样层位，使实验结果更加精确。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的控制装置和能源装置结构示意图；

图3为本发明的使用状态示意图。

其中：1-进气管；2-抽气管；3-控制装置；4-能源装置；5-外壳；6-冷凝装置；7-内胆；8-出水管；9-底座；10-集水瓶；11-支撑柱；12-进气管密闭阀门；13-抽气管密闭阀门；14-出水管密闭阀门；15-制热按钮；16-制冷按钮；17-电量指示灯；18-抽气泵。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和2，本发明空气水分采集装置，涉及对近地面空气和土壤内部孔隙空气水分的收集与测定，包括外壳5、内胆7、控制装置3、能源装置4、冷凝装置6、制热装置、散热装置、集水瓶10、出水管8、底座9和支撑柱11。

外壳5为一圆柱体，外壳5的内部安装内胆7，外壳5底部与底座9顶部螺纹连接，底座9为无顶面设计，底座9内部安装集水瓶10，外壳5顶部设有抽气管2，侧壁设有进气管1，抽气管2和进气管1均与内胆7内部连通。

内胆7一体成型，上部为圆柱型，下部为倒圆锥形。内胆7内部为空腔且内壁上设置疏水层，疏水层由超疏水材料制作，便于快速收集凝结水；内胆7与外壳5之间空隙为真空且内胆7与外壳5之间设置冷凝装置6和制热装置，内胆7下部倒圆锥顶部设置开设有外螺纹的出水管8，出水管8与集水瓶10螺纹连接，且8的开口端位于集水瓶10内部，便于收集凝结水。

冷凝装置6包括若干第一半导体制冷片，制热装置包括若干第二半导体制冷片，第一半导体制冷片的制冷面紧贴内胆7的外壁，第一半导体制冷片的制热面紧贴外壳5的内壁；第二半导体制冷片的制热面紧贴内胆7的外壁，第二半导体制冷片的制冷面紧贴外壳5的内壁。所有的第一半导体制冷片和第二半导体制冷片均与能源装置4连接。利用半导体制冷片的工作原理，分别设计冷凝装置6和制热装置，冷凝装置6和制热装置均布外壳5内壁和内胆7上部圆柱形外壁之间，第二半导体制冷片与第一半导体制冷片交错布置。

散热装置由风扇和硅脂层组成，风扇一端通过硅脂层紧贴冷凝装置6的半导体制冷片，另一端固定在所述外壳5上，达到快速散热的目的。

控制装置3与外壳5外壁连接，控制装置3包括制热按动开关17和制冷按动开关16，分别用于控制冷凝装置6和制热装置，制冷按动开关16与所有一半导体制冷片连接，制热按动开关17与所有二半导体制冷片连接。制热按动开关17为红色按钮，制冷按动开关16为蓝色按钮，且在制热按动开关17和制冷按动开关16上分别标有“制热”和“制冷”字样，制冷按动开关16同时连接散热装置，用于开启或关闭散热装置。

能源装置4包括电池放置盒、蓄电池和电量指示灯17，电量指示灯17安装在控制装置3外壁且与蓄电池电连接，蓄电池可拆卸放置于电池放置盒内部，便于长时间为冷凝装置6、制热装置及散热装置提供电力支持，电池放置盒与外壳5的外壁连接。当蓄电池电量充足时，电量指示灯17为绿色；当蓄电池电量降至20％以下时，电量指示灯17为黄色；当蓄电池电量降至5％时，电量指示灯17变为红色，提醒使用者及时更换蓄电池。

同时，本实施例中外壳5和内胆7均采用高强度的不锈钢材质，防止材质对水汽的影响。抽气管2、进气管1、出水管8上分别设置抽气管密闭阀门13、进气管密闭阀门12和出水管密闭阀门14，便于实现最终目的，利于操作。底座设置三个支撑柱11，本实施例中，支撑柱11采用钢钉实现，钢钉可以轻松的伸入土壤内部，这样有利于在野外不同条件安装放置。同时，在底座9和外壳5连接处的螺纹拧到最紧时，底座9内底面和集水瓶10底部也有一定距离，防止挤压到集水瓶。

本发明空气水分采集装置的具体使用方法如下：

步骤1：清洁内胆7。

本实施例中，需要准备足量纯净水或矿泉水，整个装置拆下底座9和集水瓶10，关闭进气管密闭阀门12和抽气管密闭阀门13，打开出水管密闭阀门14，将准备好的水从出水管8倒满整个内胆并充分摇晃，然后将水从出水管8倒出后关闭出水管密闭阀门14。

步骤2：安装及固定装置。

本实施例中，将底座9安置在较平坦的地段，使得支撑柱11插入底面以下，为整个装置提供稳定支撑；将集水瓶10拧紧在出水管8处，关闭进气管密闭阀门12、抽气管密闭阀门13和出水管密闭阀门14；将安装好集水瓶10的装置通过底部螺纹拧紧固定安装在底座9上。

步骤3：提取真空。

本实施例中，参见图3，将抽气泵18的抽气管路和抽气管2连接，打开抽气管密闭阀门13，打开抽气泵18使之工作。本实施例中，在抽取空气时，打开制热按动开关17将清洁时留在内胆7上的水分全部蒸发并抽取出去，待内胆7置于真空状态时关闭抽气管密闭阀门13、抽气泵18以及制热按动开关17。

步骤4：采集空气水分。

本实施例中，将取样器插入目标层位，并与进气管1连接(取地面空气水时不用使用取样器)，打开控制装置3的制冷按动开关16和进气管密闭阀门12，等待制冷一段时间后(温差特大时会在内胆7的内壁形成冰霜)，打开出水管密闭阀门14，内胆7中冷凝的水会通过出水管8进入集水瓶10，在收集瓶10中收集到所需水量时即可关闭制冷按动开关16，将收集瓶10的水编号保存。若一次所收集的水量不够实验所需时，可只关闭出水管密闭阀门14而不关闭制冷按动开关16，用新的收集瓶10换到出水管8处安装好并打开出水管密闭阀门14再次收集水，直至收集到所需水量。

综上所述，本发明空气水分采集装置及方法能够实现精确层位空气水的收集，通过导管直接插到目标层位，提高了取样精度，避免大面积开挖，减少了土壤扰动，便于高频检测。采用半导体制冷片进行制冷和制热，在野外短时间内快速、多次、精准的从不同层位采集气态水，有效地减少人工工作量，在野外操作方便，成本低，实用性强。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。