一种用于水质自动留样的浮标装置及留样方法与流程

本发明涉及环境监测领域，特别是涉及一种用于水质自动留样的浮标装置及留样方法。

背景技术：

目前，国家对环境污染问题越来越重视，同时对环境污染信息的掌握也越来越重要。当前我国地表水的水质监测多采用建设水质监测站的方式进行，这种方式存在很多的缺点，例如站房建设成本高、建设周期长、运营维护成本高，更重要的是，难以实现对河流、湖泊、水库、近岸海域等大面积水域中心的水质监测。

因此，考虑采用浮标搭载水质多参数在线监测探头在水域中心进行水质监测。同时，当在线监测探头测量水质状况时，根据监测应用所关注的水质风险状态，一旦发现当前水质状态需要深入分析，则要求及时进行水质留样，常规浮标监测系统不同时具备监测和留样能力，如果不留存相应的水质样品，则无法进行后续深入分析，数据应用和决策也会缺少说服力。

同时，如果在线监测系统之外独立采用人工或其他系统进行辅助留样，会存在时间延迟和取样位置差异的问题，导致所留水样与在线数据不一致，降低后续应用分析价值。

因此，开发一种系统同时包含在线监测和取样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，实现水质自动留样的装置就显得尤为必要了。

技术实现要素：

本发明的目的是鉴于以上叙述，有必要提供一种能够布置在大面积水域中心的浮标系统，实现水质多参数自动监测功能并由在线监测数据和预设条件触发水质自动留样。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于水质自动留样的浮标装置，包括浮标主体、设置在所述浮标主体舱体内的能源与控制单元和自动水质留样单元、设置在所述浮标主体底外侧的水质多参数监测探头，所述水质多参数监测探头通过传输线缆将水质参数数据传输到能源与控制单元，所述自动水质留样单元包括采样瓶、安装采样瓶的支撑本体机构、设置在所述无人船主体内底部的采样泵、与所述采样泵相连的采样软管，所述浮标主体底部设置有锚接点位，所述锚接点位通过锚链进行固定。

优选地，所述支撑本体机构包括设置在底部的底盘、设置在上部的旋转导向盖、贯穿连接所述底盘与旋转导向盖的空心轴状轴承安装座，所述采样瓶设置在所述底盘与旋转导向盖中间，所述底盘、旋转导向盖、空心轴状轴承安装座之间通过设置在上部的支架连接，所述空心轴状轴承安装座中部安装有第一轴承、上部安装有旋转导向轴、顶部安装有第二轴承，所述支架上设置有步进电机，所述旋转导向盖上设有与所述采样瓶连通的凹槽导流机构。

优选地，所述采样瓶采用具有松紧性的织带固定、塑料卡扣固定或者不锈钢抱箍固定，所述采样瓶的瓶口形状为漏斗状，且在采样瓶瓶口的细口端设置遮挡板；所述采样瓶呈中心对称排布或者阵列型布置。

优选地，所述凹槽导流机构包括设置在所述旋转导向盖上的导流槽、贯穿旋转导向盖设置在导流槽末端下侧的漏斗形导流孔；在水质采样时，水质样本沿导流槽经导流孔进入采样瓶。

优选地，在步进电机带动下，所述旋转导向轴旋转到采样瓶的位置，并且水质样本依次经过采样泵、采样软管、凹槽导流机构导入到采样瓶。

优选地，所述采样软管依次穿过空心轴状轴承安装座、第一轴承到达旋转导向轴上部，并且所述采样软管延伸至所述导流槽内；旋转导向轴带动所述底盘或旋转导向盖旋转，并改变采样瓶与导流孔的相对位置。

优选地，所述采样软管的末端设置有过滤头；所述水质多参数监测探头监测的水质参数包括ph、浊度、溶解氧、电导率以及水温。

优选地，所述浮标主体的外形为罐形、锥形、球形或柱形；所述浮标主体通过锚链固定在水底；或者当所述浮标主体离岸边距离较近时，通过锚链与设置在岸边的钢丝绳进行固定。

本发明的另一目的在于提供一种浮标装置的水质自动留样方法，所述水质自动留样方法包括如下步骤：

a、在水质监测点设置浮标装置，通过程序或远程指令设置水质多参数监测探头的监测时段与频率，执行水质参数在线监测，并将水质参数数据传输至监控中心；

b、当水质参数满足预设的留样条件，控制步进电机驱动通过导向轴带动凹槽导流机构旋转至溢流位置；

c、控制采样泵向上吸取水样润洗管路，润洗结束后采样泵停止转动；

d、控制步进电机通过导向轴带动凹槽导流机构旋转至预设采样瓶位置；

e、采样泵向上吸取水样，水样流入到预设采样瓶中，采集足量水样后采样泵停止转动；

f、采样泵向下排出水样，将采样管路中的残留水样排空后采样泵停止转动，之后继续保持在线监测状态。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

本发明的用于水质自动留样的浮标装置同时包含在线监测和取样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，实现水质在线监测以及自动留样，其至少具有如下优点：

(1)可以布置在监测河流、湖泊、水库、近岸海域等水域的中心位置进行水质在线监测，可以通过改变锚固位置调整监测点位，降低建设和运营成本，缩短建设周期，便于维护。

(2)结构紧凑，对于大部分特殊地形下的监测点位也能方便布置和实施，减少对水面其他设施或水上作业的影响。

(3)浮标装置同时具备监测和留样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，留样及时，所留样品和在线监测对象高度一致，能够提高后续应用分析价值。

(4)能通过程序或远程指令控制完成监测和留样工作，并可将监测数据传输至监控中心，自动化程度高，对使用人员专业性要求低，能够降低管理成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为用于水质自动留样的浮标装置结构示意图；

图2为自动水质留样单元结构示意图；

图3为自动水质留样单元剖面示意图；

图4为实施例2中步骤a的工作示意图；

图5为实施例2中步骤b的工作示意图；

图6为实施例2中步骤c的工作示意图；

图7为实施例2中步骤d的工作示意图；

图8为实施例2中步骤e的工作示意图；

图9为实施例2中步骤f的工作示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本发明提供了一种用于水质自动留样的浮标装置，如图1、图2、图3所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。所述浮标装置包括浮标主体16、设置在所述浮标主体16舱体内的能源与控制单元17和自动水质留样单元、设置在所述浮标主体16底外侧的水质多参数监测探头20，所述水质多参数监测探头20通过传输线缆将水质参数数据传输到能源与控制单元17，所述自动水质留样单元包括采样瓶6、安装采样瓶6的支撑本体机构、设置在所述无人船主体16内底部的采样泵8、与所述采样泵8相连的采样软管7，所述浮标主体16底部设置有锚接点位19，所述锚接点位19通过锚链18进行固定。

如图2、图3所示，所述支撑本体机构包括设置在底部的底盘12、设置在上部的旋转导向盖11、贯穿连接所述底盘12与旋转导向盖11的空心轴状轴承安装座13，所述采样瓶6设置在所述底盘12与旋转导向盖11中间，所述底盘12、旋转导向盖11、空心轴状轴承安装座13之间通过设置在上部的支架4连接，所述空心轴状轴承安装座13中部安装有第一轴承5、上部安装有旋转导向轴3、顶部安装有第二轴承2，所述支架4上设置有步进电机1，所述旋转导向盖11上设有与所述采样瓶6连通的凹槽导流机构10。

如图1所示，浮标主体16舱体内上部为能源与控制单元17，用螺栓连接安装在支架4上部，再下面是步进电机1，用螺栓安装在支架4上面。再下面是自动水质留样单元，支架4最下面安装采样泵8，浮标主体16舱体底面安装水质多参数监测探头20。所述浮标装置可布置在需长期监测的远离岸边的地表水体监测点，通过水质多参数监测探头20监测水质状态，并将水质参数信息传输至监控中心。当发现水质需要进一步分析时，可通过泵、管路、过滤头将水吸到支撑本体机构然后进入采样瓶6之中，具备对水域中心固定的监测点进行在线监测和及时留样功能。

浮标主体16舱体内上部为能源与控制单元17，为步进电机、采样泵和信号传输等部分提供能源，并根据程序或远程指令控制步进电机状态和采样泵泵状态以完成水质监测、监测数据传输与处理以及水质留样。

浮标主体16最下部设置有锚接点位19，可均匀设置多个，达到最佳平衡性，锚接点位19通过锚链18进行固定，从而保证浮标监测站在预设位置不会随意移动或偏离预设位置。浮标主体16下方布置水质多参数监测探头20，水质多参数监测探头20位于水下，可随时对水质进行在线监测。水质多参数监测探头20可根据具体应用要求选择常规在线监测项目其中几种进行自由组合，监测数据通过线缆传递至能源与控制单元17。

如图2所示，所述支撑本体机构采用中心对称排布，外圈有多个采样瓶6安装瓶架，可根据需求安装多个采样瓶6，采样瓶呈中心对称排布。所述采样瓶6呈中心对称排布或者阵列型布置，并在旋转导向盖11上选用圆形旋转水样分配结构，优先选用旋转导向盖11可旋转，但亦可以选用底盘12旋转。所述旋转导向轴3带动所述底盘12或旋转导向盖11旋转，并改变采样瓶6与导流孔14的相对位置。另外，自动水质采样单元也可采样直线导轨与水样分配槽相结合的方式，同时采样瓶6可按阵列型布置。

所述采样瓶6的尺寸和数量可根据应用要求灵活配置。采样瓶6采用具有松紧性的织带固定、塑料卡扣固定或者不锈钢抱箍固定，结构简单，便于拆装。所述采样瓶6的瓶口形状为为漏斗状，且在采样瓶6瓶口的细口端设置遮挡板。具体地，采样瓶6采用防颠簸结构，瓶口设计为漏斗状，且在漏斗状瓶口的细口端设置顶部遮挡。当有轻微晃动，水样从漏斗状瓶口少量溅出时，会被顶部遮挡挡回，溅出的水样也会在重力作用下沿着漏斗状瓶口重新流回采样瓶6中。

如图3所示，支撑本体机构中间为空心轴状轴承安装座13，其中部安装第一轴承5，优选地，所述空心轴状轴承安装座13的安装圆孔与第一轴承5的外圈基轴制配合。支撑本体机构顶部安装第二轴承2，最上部为安装步进电机1。

所述旋转导向轴3采用可旋转式回转体定位分流结构，所述旋转导向轴3中间为空心轴，末端与第一轴承5内圈基孔制配合，上端与第二轴承2内圈基孔制配合。所述底盘12、旋转导向盖11、空心轴状轴承安装座13之间通过设置在上部的支架4连接，所述支架4用于整体结构的支撑，保证结构稳定性。

所述凹槽导流机构10包括设置在所述旋转导向盖11上的导流槽15、贯穿旋转导向盖11设置在导流槽15末端下侧的漏斗形导流孔14。优选地，采样泵8布置在整个装置的底部，更加贴近水面，充分利用采样泵8的扬程。当整个系统向下靠近水面时，采样软管7的末端、水质多参数监测探头19及过滤头9浸没于水中吸取水样，便于对水质进行多参数监测和及时留样，并保证所留样水样与在线监测对象一致。采样泵8下方采样软管7可根据所需最大采样深度进行选配。所述过滤头9材质为不锈钢或铸铁材质，形状为圆柱形、锥形、球形或六面体形。所述采样泵8为蠕动泵或柱塞泵。本发明中采样泵8优选为蠕动泵，其功能是提供水样吸取动力，也可用柱塞泵等其他形式的水泵代替。

所述水质多参数监测探头20可根据具体应用要求选择常规在线监测项目其中几种进行自由组合，监测数据通过线缆传递至控制部分。所述水质多参数监测探头可以是水质常规五参数在线监测探头，包括ph、浊度、溶解氧、电导率、水温，也可以是水质常规五参数之外的其他探头，同时也可以是所有这些探头的自由组合。所述水质多参数监测探头20与过滤头9可固定在同一位置，也可将两者独立安装，只需保证监测位置和取样位置基本一致即可，便于在线监测与留样的数值保持一致性。

当工作时采样软管7末端及过滤头9浸没于水中吸取水样，采样泵8下方软管可根据所需长度进行选配。优选地，所述采样软管7依次穿过空心轴状轴承安装座13、第一轴承5到达旋转导向轴3上部，并且所述采样软管7延伸至所述导流槽15内。在步进电机1带动下，所述旋转导向轴3旋转到采样瓶6的位置，并且水质样本依次经过采样泵8、采样软管7、凹槽导流机构10导入到采样瓶6。

在水质采样留样时，水质样本沿导流槽15经导流孔进入采样瓶6。采样泵8通过采样软管7将水从监测点吸上来，采样软管7过支撑本体机构的空心轴状轴承安装座13和第一轴承5，再抵达旋转导向轴3的上部。水样到达旋转导向轴3上部后，然后旋转导向轴3旋转到指定采样瓶6的位置，水在重力作用下沿着凹槽型导流机构10，进入采样瓶6中。动力部分采用步进电机1，在电机的带动下，旋转导向轴3可旋转到任意预设采样瓶6的位置，并经过凹槽导流机构10将水质样本导入到预设的采样瓶6中。优选地，所述导流槽15上设有溢流口位置，即将水样抽上来润洗管道，水样直接排出而不进入任何一个采样瓶6。

为减少自动水质采样单元的质量，优先选用塑料材质，可选用pp、pe、abs、upvc等，也可使用不锈钢材质拼焊，如201、304、316等。优选地，所述浮标主体16的外形为罐形、锥形、球形或柱形；所述浮标主体16通过锚链18固定在水底；或者当所述浮标主体16离岸边距离较近时，通过锚链18与设置在岸边的钢丝绳进行固定。

本发明的用于水质自动留样的浮标装置同时包含在线监测和取样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，实现水质在线监测以及自动留样，其至少具有如下优点：

(1)可以布置在监测河流、湖泊、水库、近岸海域等水域的中心位置进行水质在线监测，可以通过改变锚固位置调整监测点位，降低建设和运营成本，缩短建设周期，便于维护。

(2)结构紧凑，对于大部分特殊地形下的监测点位也能方便布置和实施，减少对水面其他设施或水上作业的影响。

(3)浮标装置同时具备监测和留样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，留样及时，所留样品和在线监测对象高度一致，能够提高后续应用分析价值。

(4)能通过程序或远程指令控制完成监测和留样工作，并可将监测数据传输至监控中心，自动化程度高，对使用人员专业性要求低，能够降低管理成本。

实施例2

本发明的还提供一种浮标装置的水质自动留样方法，如图4～图9所示，其中示出了本实施例的工作流程。具体地，所述水质自动留样方法包括如下步骤：

a、如图4所示，在水质监测点设置浮标装置，通过程序或远程指令设置水质多参数监测探头的监测时段与频率，执行水质参数在线监测，并将水质参数数据传输至监控中心。

b、如图5所示，当水质参数满足预设的留样条件，控制步进电机驱动通过导向轴带动凹槽导流机构旋转至溢流位置。

c、如图6所示，控制采样泵向上吸取水样润洗管路，润洗结束后采样泵停止转动。

d、如图7所示，控制步进电机通过导向轴带动凹槽导流机构旋转至预设采样瓶位置。

e、如图8所示，采样泵向上吸取水样，水样流入到预设采样瓶中，采集足量水样后采样泵停止转动。

f、如图9所示，采样泵向下排出水样，将采样管路中的残留水样排空后采样泵停止转动，之后继续保持在线监测状态。

优选地，在步骤b中，当水质参数不满足预设的留样条件时，所述浮标装置继续保持在线监测状态，防止不合格的留样。

本发明的浮标装置的水质自动留样方法同时包含在线监测和取样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，实现水质在线监测以及自动留样，适合布置于一些地表水水质需要定点长期在线监测的区域，如河流、湖泊、水库中远离岸边且需要长期监测的监测点位。将其布置在水域中心监测点后，可搭载水质常规五参数在线监测探头(ph、浊度、溶解氧、电导率、水温)，实现对水质的五参数实时在线监测，若水质数据满足预设的留样条件，便执行留样命令。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。