一种用于水质自动采样的无人船装置及采样方法与流程

本发明涉及环境监测领域，特别是涉及一种用于水质自动采样的无人船装置及采样方法。

背景技术：

在水环境监测领域，要取得真实、准确且完整的水质监测数据，首先需要获得有代表性的水质样品。针对河流、湖泊、水库、近岸海域等地表水体进行水样采集时，不仅需要采集岸边采样点的水质样本，还需要采集远离岸边采样点的水质样品。通常水质样品人工采集过程中需要采样人员乘坐船只去采样点完成采集。人工操作离水面较近且受气候、水流等条件影响，危险系数大；需要消耗人员工时，存在船舶使用和燃料动力等费用，人力物力消耗大；操作复杂，单次采样时间长，不同采样点之间耗时长，影响水样分析时效性；人员操作中因习惯差异会导致样品采集质量的差异，不利于水质分析和对比；当采样点处于狭小或水深不够等特殊地形时，普通船只和人员难以到达并完成采样。

将无人船应用于水质自动采样能够大大降低工作人员危险系数、减少成本、提升水质采样效率和检测时效性、避免人工操作对采样质量的影响，而且其具有机动性强、续航能力强、结构紧凑的优点，能够到达特殊地形处的采样点。水质采样取水方式一般有采样桶直接取水和泵管抽吸取水两类，采样桶直接取水时水样容易溅出，不适合搭载在无人船上，只能采集表层水样，且无法实现多个采样点取水，工作效率较低。

泵管抽吸取水时需要考虑多个采样瓶取水的需求，便于搭载于无人船上，而且需要根据应用要求灵活定义采样瓶数量和采样深度，便于应用扩展。而现有无人船采用泵管抽吸取水方式时，现有设计的采样瓶数量无法灵活扩展，也无法控制每次水样采集的深度，难以满足不同应用场合的要求。而且大面积水域的水质样品采集应用中，如果采样点数量多、距离远，需要较长时间续航进行采样。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提出一种能够快速自动依次抵达各个指定取水点、采样瓶数量可灵活配置、系统简洁并能实现自动高质量水质采样的无人船装置及采样方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于水质自动采样的无人船装置，包括无人船主体、设置在所述无人船主体舱体内的能源与控制单元以及自动水质采样单元，所述自动水质采样单元包括采样瓶、安装采样瓶的支撑本体机构、设置在所述无人船主体外侧的采样泵、与所述采样泵相连的采样软管以及控制采样软管旋转的摆臂取水机构，所述摆臂取水机构包括嵌套在所述采样软管末段外侧的空心管以及与所述空心管的近采样泵一端相连接的第一步进电机。

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，所述支架上设置有第二步进电机，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，在所述第二步进电机带动下，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，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。

优选地，所述空心轴状轴承安装座的安装圆孔与第一轴承的外圈基轴制配合。

优选地，所述旋转导向轴采用可旋转式回转体定位分流结构，所述旋转导向轴中间为空心轴，下端与第一轴承内圈基孔制配合，上端与第二轴承内圈基孔制配合。

本发明的另一目的在于提供一种无人船装置的水质自动采样方法，所述水质自动采样方法包括如下步骤：

a、通过程序或远程指令控制无人船装置航行到达采样点，航行状态下摆臂取水机构处于水平状态；

b、无人船装置到达采样点后，第一步进电机带动空心管旋转，使采样软管下端及过滤头浸没于水中，并根据样品采集深度的要求调节空心管的角度；

c、控制第二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，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，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；

e、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；

f、第一步进电机带动空心管旋转摆至水平位置，过滤头处于水面之上，进而控制无人船装置开往下一个采样点进行再次采样，直到所有采样点完成采样。

优选地，在所述步骤b中，所述无人船装置到达采样点后，如果是静水区域，停止航行，准备采样；如果是非静水区域，必须调整航向，无人船主体的螺旋桨继续工作，平衡水流，保持在水面上相对静止。

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采样的无人船装置及采样方法能够在一个工作周期中依次采集多个采样点水质样品，便于返回后进行同步分析，进一步提高采样效率，而且能够根据要求灵活设置样品采集数量并能够灵活控制每次水样采集的深度，便于不同区域或流域的水质样品快速自动采集，其至少具有如下优点：

(1)避免工作人员直接到达采样点进行操作，能够大大降低采样工作人员危险系数；

(2)避免使用载人船舶进行大范围航行，大幅降低采样成本；

(3)缩短单个采样点的时间和采样点间移动的时间，提高水质采样效率和检测时效性；

(4)通过程序和标准指令控制采样过程，避免人工操作对采样质量的影响，保证每个采样过程的一致性；

(5)机动性强且结构紧凑，能够到达特殊地形处的采样点完成样品采集工作。

(6)结构小巧并能通过螺旋桨平衡水流速度在水面静止采样，尽可能降低了对水面其他对象或水上作业的干扰；

(7)能通过程序或远程指令控制依次在多个采样点采集水样，自动化程度高，对使用人员专业性要求低，节省管理开销；

(8)可根据实际需要灵活设置样品采集数量并能够灵活控制每次水样采集的深度，使水样来源更加丰富全面，提高后续水质分析数据应用价值，能更广泛的适用于不同区域或流域的自动采样；

(9)无人船装置能在采样点多、距离远的条件下提供足够续航能力。

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为用于水质自动采样的无人船装置结构示意图；

图2为自动水质采样单元结构示意图；

图3为自动水质采样单元剖面示意图；

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；

图10为无人船装置水质自动采样流程示意图。

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采样的无人船装置，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。具体地，如图1所示，所述无人船装置包括无人船主体16、设置在所述无人船主体16舱体内的能源与控制单元17以及自动水质采样单元，所述自动水质采样单元包括采样瓶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外侧的采样泵8、与所述采样泵8相连的采样软管7以及控制采样软管7旋转的摆臂取水机构，所述摆臂取水机构包括嵌套在所述采样软管7末段外侧的空心管18以及与所述空心管18的近采样泵8一端相连接的第一步进电机19。

如图1所示，无人船主体16舱体中部后端为能源与控制单元17，无人船主体16舱体中部前端为自动水质采样单元。摆臂取水机构安装在无人船主体16的侧面，控制采样软管7旋转，末端安装过滤头9，由第一步进电机19带动旋转，紧挨着摆臂取水机构旋转为采样泵8，用螺栓连接到无人船主体16内部侧面。采样软管7从摆臂取水机构的末端过滤头9到采样泵8，然后从自动水质采样单元下部穿人抵达其上部。船舱内部靠近船尾为能源与控制机构17，为第一步进电机19、第二步进电机1、采样泵8和无人船主体16航行提供能源，并根据程序或远程指令控制航行状态、步进电机状态和采样泵状态等。

如图2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上设置有第二步进电机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。

优选地，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。

优选地，在所述第二步进电机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。所述无人船装置通过泵、管路、过滤头将水吸到自动水质采样单元然后进入采样瓶6之中，可一次性实现多采样点、多次采集水样。

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，下端与第一轴承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。

如图3所示，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。

采样软管7末端设置过滤头9，装在摆臂取水机构末端。所述摆臂取水机构布置在无人船船体侧面，所述摆臂取水机构包括嵌套在所述采样软管7末段外侧的空心管18以及与所述空心管18的近采样泵8一端相连接的第一步进电机19。采样软管7从空心管18中间穿过，连接到末端过滤头9。在第一步进电机19的控制带动下，采集水样时向下方旋转，根据水样采集深度要求调整旋转角度，无人船装置在航行状态时，旋转至水平位置。采样泵8布置在船舱内部，靠近摇臂取水管机构的位置充分利用采样泵8的扬程。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。

当工作时摇臂取水管机构下端及过滤头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。

在水质采样时，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将水从采样点吸上来，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。

本发明的用于水质自动采样的无人船装置至少具有如下优点：

(1)避免工作人员直接到达采样点进行操作，能够大大降低采样工作人员危险系数；

(2)避免使用载人船舶进行大范围航行，大幅降低采样成本；

(3)缩短单个采样点的时间和采样点间移动的时间，提高水质采样效率和检测时效性；

(4)通过程序和标准指令控制采样过程，避免人工操作对采样质量的影响，保证每个采样过程的一致性；

(5)机动性强且结构紧凑，能够到达特殊地形处的采样点完成样品采集工作。

(6)结构小巧并能通过螺旋桨平衡水流速度在水面静止采样，尽可能降低了对水面其他对象或水上作业的干扰；

(7)能通过程序或远程指令控制依次在多个采样点采集水样，自动化程度高，对使用人员专业性要求低，节省管理开销；

(8)可根据实际需要灵活设置样品采集数量并能够灵活控制每次水样采集的深度，使水样来源更加丰富全面，提高后续水质分析数据应用价值，能更广泛的适用于不同区域或流域的自动采样；

(9)无人船装置能在采样点多、距离远的条件下提供足够续航能力。

需要说明的是，本发明中的无人船主体16的外形可不同于附图1所示，只需具备漂浮航行能力，也可选用有动力的浮台结构。另外，本发明中的摆臂取水机构处于船体侧面，也可安装于船体其他表面。本发明优选直接采用步进电机驱动摆臂取水，也可增加齿轮、链条、皮带、凸轮等传动机构，实现类似摆臂运动，同时所述摆臂取水机构中的空心管18也可采用多级空心管串接实现。

实施例2

本发明还提供一种无人船装置的水质自动采样方法，如图4～图10所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。具体地，所述水质自动采样方法包括如下步骤：

a、如图4所示，通过程序或远程指令控制无人船装置航行到达采样点，航行状态下摆臂取水机构处于水平状态。

b、如图5所示，无人船装置到达采样点后，第一步进电机带动空心管旋转，使采样软管下端及过滤头浸没于水中，并根据样品采集深度的要求调节空心管的角度。

c、如图6所示，控制第二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，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，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。

e、如图8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。

f、如图9所示，第一步进电机带动空心管旋转摆至水平位置，过滤头处于水面之上，进而控制无人船装置开往下一个采样点进行再次采样，直到所有采样点完成采样。

优选地，在所述步骤b中，所述无人船装置到达采样点后，如果是静水区域，停止航行，准备采样；如果是非静水区域，必须调整航向，无人船主体的螺旋桨继续工作，平衡水流，保持在水面上相对静止。本发明能通过螺旋桨平衡水流速度在水面静止采样，尽可能降低了对水面其他对象或水上作业的干扰，保证采样的成功率以及准确性。

如图10所示，用于水质自动采样的无人船装置从指定地点出发依次完成各个采样点的样品采集后会携带各采样点的水样返回指定地点，水样取下后即可用于检测分析。水质自动采样无人船装置有固定停泊港口，可预设多个采样点，如采样点1、采样点2、采样点3……采样点n，其中采样点n为最后一个采样点。用于水质自动采样的无人船装置有自动和手动两种模式。在自动航行模式下，可接受控制台的控制按照预定航行路线，依次从各个采样点采集水样，完成任务后，按照预定返航路线航行至停泊港口；在手动模式下，可由人工远程控制到达指定位置采集水样。

本发明适用于地表水水质自动采样，包括河流、湖泊、水库和近岸海域等。本发明的用于水质自动采样的无人船装置及采样方法能够在一个工作周期中依次采集多个采样点水质样品，便于返回后进行同步分析，进一步提高采样效率，而且能够根据要求灵活设置样品采集数量并能够灵活控制每次水样采集的深度，便于不同区域或流域的水质样品快速自动采集。

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。