专利名称：水体浮标剖面采样装置及方法
技术领域：
本发明涉及水环境监测技术领域，具体来说，本发明涉及一种水体浮标剖面采样装置及方法。
背景技术：
海洋、湖泊、水库、河流等水体不同水层的物理、化学、生物因子差异很大，传统的监测浮标一般只针对表层水体进行监测，不能真实反映整个水体剖面的水质情况。例如，在海洋中，浮游植物可以在深度0-200m的整个真光层生存，那么只测量表层水体的 浮游植物生物量是无法代表整个200m水柱中的浮游植物生物量的。为了能够对不同深度的水体进行长期监测，研究人员设计了多种方法和装置来做剖面测量，基本可以分成四类(I)浮标剖面运动法。搭载着测量仪器的浮标整体在水体内部进行剖面运动，同时对不同深度的水体进行监测。最典型的代表是Argos漂流浮标，通过调节浮力在深度2000m内的海域中上下剖面运动，测量水温、压力、盐度等指标，并在浮标露出水面时进行卫星通讯。我国科研人员也自主设计了一些可以做剖面运动的浮标，如中国发明专利CN100445164C,CN 101738179B 和 CN 102129089A 等。尽管这些浮标可以进行很好的剖面测量，但都存在电源补给困难、电量耗尽必须结束工作的问题，同时只能测量水温、压力、盐度等基本指标，复杂的营养盐和生物学指标由于耗时长而无法测量。(2)传感器剖面运动法。在浮标或平台上安装绞车系统，通过绞车控制传感器在水面下做剖面运动进行测量。早在1979年美国发明专利4157657就提出了这种观点，美国YSI公司的水质垂直剖面自动监测系统也采用了类似方法。这种方法的主要缺点也在于无法测量复杂的营养盐和生物学指标。美国专利申请US2003/0092393 Al提出了一种在浮标下拖一个可以调节浮力的平台，平台上搭载仪器，通过控制平台的升降来进行剖面测量的方法。这种方法中平台的升降控制类似于Argos漂流浮标，但其供电采用水面浮标的太阳能，是可以持续的。对于平台上搭载的仪器类型，该专利没有详细指出。(3)传感器剖面布放法。在浮标或平台下拖放一根钢缆，在钢缆上每隔一段距离安装水质传感器，长期放置在水体中进行监测。典型代表是美国PME公司的温度链T-Chain系统，中国实用新型专利CN 201497507 UXN 201215902 U和CN2400792Y等也都提出了类似的温度链系统。这种系统也以简单的测量压力、温度等指标为主，对于营养盐和生物学指标无法测量。(4)采样管剖面运动法。中国发明专利申请CN 102381441 A提出了一种通过马达控制浮标下面的采样管垂直升降来剖面采样，并将样品输送入浮标内部的仪器舱进行分析测量的方法。这种方法的优点在于将水样输送入浮标内部的仪器舱中可以进行较复杂的测量，如该专利提出的利用流式细胞术对浮游植物进行计数，缺点在于采样管易随水流漂移，造成无法精确确定来源水样的深度。
综上，目前尚没有一种较好的方法对水体剖面进行完善的物理、化学和生物学测量。浮标和传感器剖面运动法不适合进行过程复杂、耗时较长的营养盐、生物学指标的测量；传感器剖面布放法只能测量简单的物理指标，若将营养盐分析、生物分析仪器也剖面布放，成本太高；采样管剖面运动法易受漂移的影响。目前比较可行的方式是期望设计一种可以在浮标下进行精确的剖面采样的装置，将水样输送入浮标内部的仪器舱室中，利用各种先进的物理、化学和生物学分析仪器进行完善的测量，并通过浮标太阳能供电系统提供电力，达到无人值守、长期、连续监测的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水体浮标剖面采样装置及方法，能够自动采集不同水层的水样进行水质分析。为解决上述技术问题，本发明提供一种水体浮标剖面采样装置，包括安装在浮标 内部的电子舱单元和垂直悬挂在所述浮标下方的剖面采样单元；其中所述剖面采样单元包括剖面进水管；多个三通阀，每隔一段距离安装在所述剖面进水管上，用于采集并输送不同深度的水样；钢缆，与所述浮标相连接；多个压力传感器，每隔一段距离安装在所述钢缆上，与各个所述三通阀分别对应地安装在同一水平面上，用于测量各个所述三通阀处的水压；以及重锤，与所述钢缆的最下端相连接，使所述钢缆尽量保持垂直；所述电子舱单元包括流量计，与所述剖面进水管相连接，用于测量抽取的水样流速；水质测量室，通过管路与所述流量计相连接，用于对抽取自不同深度的水样进行测量分析；抽水装置，通过管路连接于所述流量计与所述水质测量室之间的管路上，用于控制所述剖面采样单元采集不同深度的水样；数据采集模块，分别与多个所述压力传感器、所述抽水装置和所述水质测量室相连接，用于控制水样采集、深度测量和水质分析，并记录测量的数据；以及太阳能供电系统，分别与所述数据采集模块和所述水质测量室相连接，用于采集太阳能为所述水体浮标剖面采样装置的工作供电。可选地，所述太阳能供电系统包括太阳能板，用于采集太阳能并将其转化为电能；蓄电池组，用于存储所述电能；太阳能电池控制器，分别与所述太阳能板与所述蓄电池组相连接，用于将所述太阳能板转化的电能存储到所述蓄电池组上，并将所述蓄电池组输出的电力稳压后输送供电。可选地，所述三通阀和所述压力传感器的数目均为2 200个。可选地，所述三通阀的进水口处装有过滤筛，用于滤除水体里的杂质。
可选地，所述水质测量室对所述水样进行物理、化学和/或生物指标的测量分析。可选地，所述水质测量室带有排水管，通向所述浮标的外部，用于将测量完的所述水样排出到所述浮标外。为解决上述技术问题，本发明还提供一种采用前述的水体浮标剖面采样装置进行水体剖面采样的方法，包括步骤a.数据采集模块控制某一深度的三通阀打开其第一通口和进水口进水；b.启动抽水装置，按设定的抽取时间抽取水样，流量计同时测量抽取的水样流 速；c.水质测量室对抽取进入其内的水样进行测量分析；d.在上述步骤c的测量结束后，所述数据采集模块将当前深度的所述三通阀的进水口关闭，打开第二通口，并且控制另一深度的三通阀打开其第一通口和进水口进水；e.重复上述步骤b d，直到所有深度的三通阀全部采样结束，关闭全部所述三通阀及抽水装置。可选地，所述抽取时间=所述水样由当前深度到所述流量计的时间+所述水样由所述流量计至所述水质测量室的时间+延长时间。可选地，所述延长时间是指为了确保抽取的所述水样是特定深度处的水，排除干扰所需要的保险时间。可选地，所述数据采集模块在控制某一深度的三通阀进水时，同步获取当前深度处的压力传感器测量到的水压数据。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明可以对浮标下的水体进行精确的剖面采样，钢缆连接重锤有效地避免了剖面进水管的漂移。即使在水流较大的地方，剖面进水管发生了小幅度漂移，每个三通阀附近的压力传感器也可以对采样深度做校准，并不影响对整个水柱的剖面分析。本发明将水样输送入浮标内部的水质测量室进行测量分析，既可以做简单的物理测量，也可以做复杂的营养盐、流式细胞计数、调制叶绿素荧光等测量，比现有的监测浮标测量指标更精确、更完善。本发明采用太阳能供电系统提供电力，可以真正做到无人值守、长期、连续采样的目的，结合浮标监测装置，可以对水体进行长期监测。
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中图I为本发明一个实施例的水体浮标剖面采样装置的模块结构图；图2为本发明一个实施例的水体浮标剖面采样装置的实体结构示意图；图3为本发明一个实施例的水体浮标剖面采样方法的流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。图I为本发明一个实施例的水体浮标剖面采样装置的模块结构图；图2为本发明一个实施例的水体浮标剖面采样装置的实体结构示意图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。请结合图I与图2所示，该水体浮标剖面采样装置包括整体安装在浮标8内部的电子舱单元100和垂直悬挂在浮标8下方的剖面采样单元200。其中，剖面采样单元200包括剖面进水管9、多个三通阀101 Inn、钢缆10、多个压力传感器201 2nn以及重锤11等。每个三通阀101 Inn均包括第一通口 A、第二通口 B和进水口 C，各口之间的通断可切换。多个三通阀101 Inn每隔一段距离安装在剖面进水管9上，用于采集并输送不同深度的水样。每个三通阀101 Inn的进水口 C处均可装有过滤筛12，用于滤除水体里的泥沙、悬浮物等杂质。钢缆10的最上端与浮标8相连接，最下端连接有重锤11，使钢缆10尽量保持垂直，以避免钢缆9随水流漂移。多个压力·传感器201 2nn每隔一段距离安装在钢缆10上，与各个三通阀101 Inn分别对应地安装在同一水平面上(即三通阀101与压力传感器201安装在同一水平面上，三通阀102与压力传感器202安装在同一水平面上，三通阀Inn与压力传感器2nn安装在同一水平面上等)，用于测量各个三通阀101 Inn处的水压。当水流过大引起钢缆9漂移时，压力传感器201-2nn测量的数据可用于校正进水口的深度。三通阀101 Inn和压力传感器201 2nn的数目范围为2 200个，具体数目根据采样需求设计。另外，电子舱单元100包括数据采集模块4、抽水装置5、流量计6、水质测量室7以及太阳能供电系统300等。流量计6与剖面进水管9相连接，用于测量抽取的水样流速。水质测量室7通过管路与流量计6相连接，用于对抽取自不同深度的水样进行例如物理、化学和/或生物指标的测量分析，例如做复杂的营养盐、流式细胞计数、调制叶绿素荧光等测量。抽水装置5通过管路连接于流量计6与水质测量室7之间的管路上，用于控制剖面采样单元200采集不同深度的水样。数据采集模块4分别与多个压力传感器201 2nn、抽水装置5和水质测量室7相连接，用于控制水样采集、深度测量和水质分析，并记录测量的数据。太阳能供电系统300分别与数据采集模块4和水质测量室7相连接，用于采集太阳能为水体浮标剖面采样装置的工作供电。此外，水质测量室7可带有排水管13，通向浮标8的外部，用于将测量完的水样排出到浮标8外。在本实施例中，该太阳能供电系统300可以具体包括太阳能板I、太阳能电池控制器2和蓄电池组3。太阳能板I用于采集太阳能并将其转化为电能。蓄电池组3用于存储电能。太阳能电池控制器2分别与太阳能板I与蓄电池组3相连接，用于将太阳能板I转化的电能存储到蓄电池组3上，并将蓄电池组3输出的电力稳压后输送供电。图3为本发明一个实施例的水体浮标剖面采样方法的流程图。本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。该水体浮标剖面采样方法可以包括步骤执行步骤S301，由数据采集模块4根据程序控制某一深度N的三通阀n打开其第一通口 A和进水口 C (即打开C-A路)进水。执行步骤S302，启动抽水装置5，按程序设定的抽取时间抽取水样，流量计6同时测量抽取的进入水管中的水样流速。执行步骤S303，水质测量室7对从深度N处抽取进入其内的水样进行各种测量分析。其中，该水质测量室7内的水样可以是连续流动的，也可以根据分析需要驻留。执行步骤S304，在上述步骤S303的测量结束后，数据采集模块4根据程序将当前深度N的三通阀n的进水口 C关闭，打开第二通口 B (即切换到B-A路)。另外，控制另一深度N+1的三通阀n+1打开其第一通口 A和进水口 C(即打开C-A路)进水。执行步骤S305，重复上述步骤S302 S304，直到所有深度的三通阀101 Inn全部采样结束，关闭全部三通阀101 Inn及抽水装置5，结束测量。在本实施例中，抽取时间=水样由当前深度到流量计6的时间+水样由流量计6至水质测量室7的时间+延长时间。为了确保抽取的水样是特定深度处的水，延长时间是用于排除干扰所需要的保险时间。在本实施例中，数据采集模块4还可以在控制不同深度处的三通阀101 Inn进水时，同步获取当前深度处的压力传感器201 2nn测量到的水压数据，用以准确测量三通阀101 Inn处的水深深度，避免由于水流过大引起钢缆10漂移造成的深度误差。本发明可以对浮标下的水体进行精确的剖面采样，钢缆连接重锤有效地避免了剖面进水管的漂移。即使在水流较大的地方，剖面进水管发生了小幅度漂移，每个三通阀附近的压力传感器也可以对采样深度做校准，并不影响对整个水柱的剖面分析。本发明将水样输送入浮标内部的水质测量室进行测量分析，既可以做简单的物理测量，也可以做复杂的营养盐、流式细胞计数、调制叶绿素荧光等测量，比现有的监测浮标测量指标更精确、更完善。本发明采用太阳能供电系统提供电力，可以真正做到无人值守、长期、连续采样的目的，结合浮标监测装置，可以对水体进行长期监测。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。权利要求
1.一种水体浮标剖面采样装置，包括安装在浮标(8)内部的电子舱単元(100)和垂直悬挂在所述浮标(8)下方的剖面采样单元(200);其中 所述剖面采样单元(200)包括 剖面进水管(9)； 多个三通阀(101 Inn)，每隔一段距离安装在所述剖面进水管(9)上，用于采集并输送不同深度的水样； 钢缆(10)，与所述浮标(8)相连接； 多个压カ传感器(201 2nn)，每隔一段距离安装在所述钢缆(10)上，与各个所述三通阀(101 Inn)分别对应地安装在同一水平面上，用于测量各个所述三通阀(101 Inn)处的水压；以及 重锤(11)，与所述钢缆(10)的最下端相连接，使所述钢缆(10)尽量保持垂直； 所述电子舱单元(100)包括 流量计出)，与所述剖面进水管(9)相连接，用于测量抽取的水样流速； 水质测量室(7)，通过管路与所述流量计(6)相连接，用于对抽取自不同深度的水样进行測量分析； 抽水装置(5)，通过管路连接于所述流量计(6)与所述水质測量室(7)之间的管路上，用于控制所述剖面采样单元(200)采集不同深度的水样； 数据采集模块(4)，分别与多个所述压カ传感器(201 2nn)、所述抽水装置(5)和所述水质測量室(7)相连接，用于控制水样采集、深度測量和水质分析，并记录测量的数据；以及 太阳能供电系统(300)，分别与所述数据采集模块(4)和所述水质測量室(7)相连接，用于采集太阳能为所述水体浮标剖面采样装置的工作供电。
2.根据权利要求I所述的水体浮标剖面采样装置，其特征在于，所述太阳能供电系统(300)包括 太阳能板(I)，用于采集太阳能并将其转化为电能； 蓄电池组(3)，用于存储所述电能； 太阳能电池控制器(2)，分别与所述太阳能板⑴与所述蓄电池组⑶相连接，用于将所述太阳能板(I)转化的电能存储到所述蓄电池组(3)上，并将所述蓄电池组(3)输出的电カ稳压后输送供电。
3.根据权利要求I所述的水体浮标剖面采样装置，其特征在于，所述三通阀(101 Inn)和所述压カ传感器(201 2nn)的数目均为2 200个。
4.根据权利要求I或3所述的水体浮标剖面采样装置，其特征在于，所述三通阀(101 Inn)的进水口(C)处装有过滤筛(12)，用于滤除水体里的杂质。
5.根据权利要求I所述的水体浮标剖面采样装置，其特征在于，所述水质測量室(7)对所述水样进行物理、化学和/或生物指标的测量分析。
6.根据权利要求I或5所述的水体浮标剖面采样装置，其特征在于，所述水质測量室(7)带有排水管(13)，通向所述浮标(8)的外部，用于将测量完的所述水样排出到所述浮标(8)外。
7.ー种采用权利要求I至6中任一项所述的水体浮标剖面采样装置进行水体剖面采样的方法，包括步骤 a.数据采集模块(4)控制某一深度的三通阀打开其第一通ロ(A)和进水口(C)进水； b.启动抽水装置(5)，按设定的抽取时间抽取水样，流量计(6)同时测量抽取的水样流速； c.水质测量室(7)对抽取进入其内的水样进行測量分析； d.在上述步骤c的测量结束后，所述数据采集模块(4)将当前深度的所述三通阀的进水口(C)关闭，打开第二通ロ(B)，并且控制另ー深度的三通阀打开其第一通ロ(A)和进水ロ(C)进水； e.重复上述步骤b d,直到所有深度的三通阀(101 Inn)全部采样结束,关闭全部所述三通阀(101 Inn)及抽水装置(5)。
8.根据权利要求7所述的水体剖面采样的方法，所述抽取时间=所述水样由当前深度到所述流量计出)的时间+所述水样由所述流量计(6)至所述水质測量室(7)的时间+延长时间。
9.根据权利要求8所述的水体剖面采样的方法，其特征在于，所述延长时间是指为了确保抽取的所述水样是特定深度处的水，排除干扰所需要的保险时间。
10.根据权利要求7所述的水体剖面采样的方法，其特征在于，所述数据采集模块(4)在控制某一深度的三通阀进水时，同步获取当前深度处的压力传感器測量到的水压数据。
全文摘要
本发明提供一种水体浮标剖面采样装置及方法，该装置包括安装在浮标内部的电子舱单元和悬挂在浮标下方的剖面采样单元；剖面采样单元包括剖面进水管和每隔一段距离安装在其上的三通阀；钢缆和安装在其上的压力传感器，压力传感器与各个三通阀对应地安装在同一水平面；重锤，与钢缆末端连接；电子舱单元包括流量计，与剖面进水管相连；水质测量室，与流量计相连；抽水装置，连接于流量计与水质测量室之间；数据采集模块，与压力传感器、抽水装置和水质测量室相连接，控制水样采集、深度测量和水质分析，并记录测量数据；太阳能供电系统为整套采样装置供电。本发明能自动采集不同水层的水样进行水质分析，做到无人值守、长期、连续采样的目的。
文档编号G01N1/10GK102680279SQ20121019698
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者姜星, 毕昆, 钱程, 韩志国, 顾群 申请人:上海泽泉科技有限公司