一种基于雨量控制的径流样品定时采样器的制作方法

本实用新型属于环境监测技术领域，具体涉及一种基于雨量控制的径流样品定时采样器。

背景技术：

降雨过后，在蔬菜地形成的径流会带走土壤中的部分氮磷等元素，汇集到河流后造成水污染。因而，我们必须要弄清楚菜地的施肥情况以及暴雨过程对径流水质的影响。当前市场上，涉及到这种菜地径流样采集的装置也在不断发展，如申请号为201110254031.6，名称为用于径流水的顺序采样器，公开号为102419270A的专利，可根据用户预定的时间间隔借助控制器控制电致动器单元的操作时间自动且简单地收集相对于时间分割的径流水样品，降雨后，雨水感应器感应到雨水便开始样品的采集，其实对于采集径流水样的话，并不是一下雨就开始采集水样，而是要等土壤湿润并饱和后形成径流才能开始采集；申请号为201010101367.4，名称为一种城市降雨径流自动采样器，公开号为101762409A的专利中，雨水收集到集水漏斗作为之后要采集的径流水样对于菜地径流来说显然不适合，其并未与地表接触形成径流；申请号为201510007735.1，名称为一种轮式地表径流采样装置，公开号为104596800A的专利，提出一种轮式地表径流采样装置，采用轮胎毛细现象以及转动离心力，结合导流器及数控收集器，有效地对极浅地表径流进行收集。这种轮式地表径流采样在菜地中不利于固定采样，并且采样时间段得不到很好地控制；申请号为201510502913.8，名称为一种自动雨水径流收集器，公开号为105136519A的专利，降雨时雨滴降落在雨水传感器的接受面板上时，电路控制模块的单片机判断为有足够雨强的雨水滴落，来控制之后径流水样的采集，并且可以多点同时采样，但是没有分阶段的连续采样，不方便研究该菜地点位径流水样的时间变化情况；申请号为201310630924.5，名称为一种降雨触发式径流自动采样器及其方法，公开号为103698159A的专利，通过降雨触发装置来控制整个采样器启动，在降雨量达到设定值时，PLC控制器可按事先设定步骤和时间间隔依次启动步进电机、水泵和蠕动泵等采集不同时段、不同点位的径流水样品并分配至相应的采样瓶中保存，放在需要采样的河道附近，暴雨期间能自动完成在无人值守的情况下的径流水样采集工作，但是对于菜地等旱地上的径流，暴雨期间雨时下时停，径流的有无也会随之改变，这种采样方式过于依赖雨水感应器，不能很好的处理这种情况，而且对于分时段来说前一段采样管中的径流样会影响下一时间段的径流水样。

研究旱地径流流失规律，需要分阶段、间歇性定时采集初期雨水在菜地形成的径流样品及后期雨水在菜地形成的径流样品。人为采集的话工作量太大，过于繁琐，上述的自动径流采样器，均达不到本研究要求。故此开发一种分阶段，间隙性，并且各时间段径流样互不影响的径流自动采样装置势在必行。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于雨量控制的径流样品定时采样器。本实用新型所采用的具体技术方案如下:

包括第一雨水感应器、集水槽、集水槽盖、雨水挡片、液位控制孔、第二雨水感应器、直流电机、蠕动泵、液位感应器、转盘、步进电机、电路控制单元、硅胶管和采样器外壳，采样器外壳顶部设有集水槽，集水槽顶部设有上表面呈排水坡度的集水槽盖，集水槽侧壁上开设有液位控制孔，集水槽盖由直流电机驱动旋转，且集水槽盖的旋转路径上设有与电路控制单元相连的第一光电开关和第二光电开关，分别用于控制集水槽盖的转动角度；所述的第一雨水感应器设置于采样器外壳顶部无遮挡区域；所述的液位控制孔的出水口下方的集水槽侧壁上斜靠有第二雨水感应器；第二雨水感应器顶部设置阻挡雨水直接落入第二雨水感应器的雨水挡片；采样器外壳内设有转盘，转盘上周向放置若干水样收集容器，硅胶管一端的出液口置于采样器外侧作为径流样品入口，另一端穿过蠕动泵后置于水样收集容器转动路径的正上方，硅胶管的出液口附近还固定有探测下方水样收集容器中液位的液位感应器；转盘附近安装用于检测取样管是否准确位于硅胶管出液口下方的第三光电开关；高于取样管底部一定高度处安装第四光电开关，用于检测取样管中收集液高度是否接近该高度；转盘旋转过程中，所述的水样收集容器逐个切换至硅胶管的出液口下方；所述的第一雨水感应器、集水槽、第二雨水感应器、直流电机、蠕动泵、液位感应器、光电开关和步进电机均与电路控制单元相连，进行联动控制。

本实用新型基于雨量控制的径流样品定时采样器主要通过两个雨水感应器、一个集水槽启动初期径流收集装置。产生径流的时间与降雨发生时间并不一致。降雨发生时，雨水首先润湿地表，土壤达到饱和含水率后，开始下渗和形成径流，因此形成径流所需时间与下雨时间是不一致的，其主要与降雨量以及土壤的干裂程度有关。比如一般流域中降雨量达3mm时菜地一般出现径流。采样器顶部雨水感应器接受信号，打开雨水集水槽盖，当降雨量达3mm时(也可根据区域情况可以适当调整)，集水槽中的雨水从旁侧小孔流入第二个雨水感应器，接收信号，蠕动泵、液位感应器、步进电机、转盘开始工作。

电路控制单元是整个自动连续分阶段采样的控制中心，由PLC及其它线路元件组成。仪器主要控制过程如下：

开始下雨时，第一雨水感应器感应到雨水，并向电路控制单元发出信号，电路控制单元处理后并向直流电机发出命令，使其控制集水槽盖打开；集水槽收集雨水，等到雨水漫过液位控制孔后，雨水流向第二雨水感应器，液位控制孔上面有一雨水挡片，避免雨水直接打进孔中，第二雨水感应器同样给电路控制单元发出信号，电路控制单元处理后给蠕动泵、液位感应器和步进电机各自一个启动命令并控制集水槽盖复位；蠕动泵、液位感应器和步进电机开始工作，集水槽盖复位；取样硅胶管便开始吸取菜地径流中的水样。

作为优选，所述的水样收集容器结构为：在转盘上方放置若干个呈环状设置且交错排列的取样槽和硅胶管滞留液槽，转盘由步进电机驱动旋转；每个取样槽和硅胶管滞留液槽中均插有一条敞口的取样管。

进一步的，第一光电开关作为集水槽盖的完全打开集水槽开口时的限位，第二光电开关作为集水槽盖的完全关闭集水槽开口时的限位。

作为优选，所述的电路控制单元中采用FX1N-24MT-001型PLC。

更进一步的，所述的电路控制单元包括PLC、隔离开关(QS)、熔断器(FU)、启动按钮(SB1)、复位按钮(SB2)、继电器KA1、继电器KA2、运行指示灯、报警指示灯M、继电器KA3、交流转换器电源12V和交流转换器电源24V；外部220V交流电源火线L端通过隔离开关(QS)和熔断器(FU)后，分别与PLC的正极L端、交流转换器电源12V的正极、交流转换器电源24V的正极相连；外部220V交流电源零线N端通过隔离开关(QS)后分别与PLC的零线N端、交流转换器电源12V的零线端、交流转换器电源24V的零线端相连；交流转换器电源12V的正极与第一雨水感应器正极、第二雨水感应器正极、直流电机M一端相连，交流转换器电源12V的零线端与第一雨水感应器负极、第二雨水感应器负极、直流电机M另一端相连，直流电机电极两端分别通过继电器KA1、继电器KA2连接于交流转换器电源12V两剂上构成正反转控制电路；交流转换器电源24V的正极与第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关、第四光电开关的正极相连，交流转换器电源24V的零线端与第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关、第四光电开关的负极相连；第一雨水感应器、第二雨水感应器、第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关、第四光电开关、启动按钮(SB1)、复位按钮(SB2)信号输出端分别与PLC输入端口的X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7相连，另一端与PLC的COM端相连；PLC输出端的电源24V分别与步进电机驱动器DC+、PUL+、dir+端相连，PLC输出端的COM端、Y0、Y3分别与步进电机驱动器的DC-、PUL-、dir-相连，继电器KA1、继电器KA2、运行指示灯、报警指示灯、蠕动泵M、继电器KA3一端分别与PLC的输出端口Y1、Y2、Y4、Y5、Y7、Y8相连，另一端与PLC电源24V相连；步进电机驱动器与步进电机相连。

作为优选，所述的集水槽设有可控制开闭的集水槽排水孔。

本实用新型的雨水径流自动分阶段连续定时采样器，能实现降雨期间的自动连续分阶段采样。电路控制单元设置阶段性采样时间，将样品按时间序列自动采集，便于研究径流水质的变化。另外，其能实现暴雨期间短时间内多次降雨的径流样采集，通过设置仪器的自启动与关闭时间，联合液位感应器，自动化程度高，程序自动控制开启与关闭，操作便捷，无需采样人员冒雨采样，只需将仪器放置好适宜地点，接好电源，放置好径流水样吸取管便可。本实用新型可以用于夜间暴雨时径流的自动采集，无需人员守候。

附图说明

图1为本实用新型的雨水径流自动分阶段连续定时采样器正视图；

图2为本实用新型的雨水径流自动分阶段连续定时采样器的俯视图；

图3为本实用新型的一种自动程序控制流程图；

图4为集水槽盖开、停控制过程示意图；

图5为集水槽盖关、停控制过程示意图；

图6为PLC控制采样过程示意图。

图中：第一雨水感应器1(图中示为雨感1)、、集水槽2、集水槽盖3、集水槽排水孔4、雨水挡片5、液位控制孔6、第二雨水感应器7(图中示为雨感2)、感应器活动室8、支撑架9、蠕动泵固定架10、直流电机11、蠕动泵12、进样支架13、液位感应器14、取样槽15、转盘16、转盘支架17、步进电机18、电路控制单元19、硅胶管20、硅胶管孔21、采样器外壳22、硅胶管滞留液槽23、第一光电开关(图中示为光电开关1)、第二光电开关(图中示为光电开关2)、第三光电开关(图中示为光电开关3)、第四光电开关(图中示为光电开关4)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述，以便更好的理解本实用新型。本实用新型的技术特征在没有冲突的情况下，均可进行相互组合。

如图1和2所示，为一种基于雨量控制的径流样品定时采样器，包括第一雨水感应器1、集水槽2、集水槽盖3、雨水挡片5、液位控制孔6、第二雨水感应器7、直流电机11、蠕动泵12、液位感应器14、转盘16、步进电机18(包括步进电机驱动器)、电路控制单元19(包含PLC)、硅胶管20和采样器外壳22。采样器外壳22顶部设有集水槽2，集水槽2顶部设有上表面呈排水坡度的集水槽盖3，集水槽2侧壁上开设有液位控制孔6，集水槽盖3由直流电机11驱动旋转，能够完全覆盖集水槽2开口，使雨水无法进入集水槽2。采样器外壳22内通过支撑架9固定直流电机11，当集水槽盖3旋转时，能够完全打开集水槽2开口，接纳雨水。且集水槽盖3的旋转路径上设有与电路控制单元19相连的光电开关此处设置的光电开关，具体包括第一光电开关、第二光电开关，第一光电开关安装与集水槽一侧，作为集水槽盖3的完全打开集水槽2开口时的限位，当集水槽盖3完全打开时，第一光电开关感应到其接近，向PLC发送信号；第二光电开关安装于另一侧，作为集水槽盖3的完全关闭集水槽2开口时的限位，当集水槽盖3完全关闭时，第二光电开关感应到其接近，向PLC发送信号。由此控制集水槽盖3的转动情况。

第一雨水感应器1设置于采样器外壳22顶部无遮挡区域，以直接感应是否发生降雨。液位控制孔6的出水口下方的集水槽2侧壁上斜靠有第二雨水感应器7；第二雨水感应器7顶部设置弯折状的雨水挡片5，形成一个感应器活动室8，避免雨水直接打到第二雨水感应器7中。液位控制孔6高度与启动采样器开始采集径流样品的降雨高度一致。集水槽2设有可控制开闭的集水槽排水孔4，当一次采样完毕后，可以打开集水槽排水孔4，排出集水槽2中的雨水。

采样器外壳22内设有由步进电机18驱动旋转的转盘16，转盘16由转盘支架17进行支撑。转盘16上方放置个呈环状设置的槽孔，槽孔分为两类，分别为取样槽15和硅胶管滞留液槽23，两者交错排列布置。取样槽15下一顺位为硅胶管滞留液槽23，硅胶管滞留液槽23的下一顺位又为取样槽15。取样槽15和硅胶管滞留液槽23中均插有取样管。采样器外壳22顶部通过进样支架13固定有硅胶管20，硅胶管20的出液口位于取样管围绕形成的环形线上方，硅胶管20的另一端穿过设置于采样器外壳22底部的硅胶管孔21后，置于待采集水样处，比如菜地的出水口。转盘16附近还设有第三光电开关和第四光电开关(包括光钎放大器)。第三光电开关安装于硅胶管出液口下方靠近转盘处，用于检测取样管是否准确位于硅胶管20出液口下方。第四光电开关安装高度位于取样管一定高度处，用于检测当前正在采集样品的取样管中收集液是否达到预设高度。硅胶管20附近还固定有用于探测硅胶管20出液口下方取样管中液位的液位感应器14。硅胶管20由蠕动泵12提供抽水动力，而蠕动泵12通过蠕动泵12固定架10固定于外壳顶部。转盘16旋转过程中，所述的取样管逐个切换至硅胶管20的出液口下方。为了进行联动控制，第一雨水感应器1、集水槽2、第二雨水感应器7、直流电机11、蠕动泵12、液位感应器14和步进电机18均与电路控制单元19中的PLC相连。

上述电路控制单元19可根据实现的功能进行设计。本实施例中所采用的电路控制单元19包括PLC、隔离开关(QS)、熔断器(FU)、启动按钮(SB1)、复位按钮(SB2)、继电器KA1、继电器KA2、运行指示灯、报警指示灯M、继电器KA3、交流转换器电源12V和交流转换器电源24V；外部220V交流电源火线L端通过隔离开关(QS)和熔断器(FU)后，分别与PLC的正极L端、交流转换器电源12V的正极、交流转换器电源24V的正极相连；外部220V交流电源零线N端通过隔离开关(QS)后分别与PLC的零线N端、交流转换器电源12V的零线端、交流转换器电源24V的零线端相连；交流转换器电源12V的正极与第一雨水感应器1正极、第二雨水感应器7正极、直流电机11M一端相连，交流转换器电源12V的零线端与第一雨水感应器1负极、第二雨水感应器7负极、直流电机11另一端相连，直流电机11电极两端分别通过继电器KA1、继电器KA2连接于交流转换器电源12V两剂上构成正反转控制电路；交流转换器电源24V的正极与第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关、第四光电开关的正极相连，交流转换器电源24V的零线端与第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关、第四光电开关的负极相连；第一雨水感应器1、第二雨水感应器7、第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关、第四光电开关、启动按钮(SB1)、复位按钮(SB2)信号输出端分别与PLC输入端口的X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7相连，另一端与PLC的COM端相连；PLC输出端的电源24V分别与步进电机驱动器DC+、PUL+、dir+端相连，PLC输出端的COM端、Y0、Y3分别与步进电机驱动器的DC-、PUL-、dir-相连，继电器KA1、继电器KA2、运行指示灯、报警指示灯、蠕动泵12M、继电器KA3一端分别与PLC的输出端口Y1、Y2、Y4、Y5、Y7、Y8相连，另一端与PLC电源24V相连；步进电机驱动器与步进电机18相连。该电路中，集水槽盖开、停控制过程如图4所示，集水槽盖关、停控制过程如图5所示，PLC控制采样过程如图6所示。

上述电路中，各元件具体型号为：PLC采用FX1N-24MT-001型PLC、步进电机采用24V57步进电机和4A/32细分驱动器，光电开关采用6-36VDC漫反射型红外光电接近传感器(光电开关1、2、3)和光纤传感器光电开关4，雨水感应器采用12V雨水传感器模块，每个模块中各包含一只常开继电器的雨感，直流电机采用12V直流减速电机M，交流转换器电源24V采用220V转24V交流转换器电源，交流转换器电源12V采用220V转12V交流转换器电源，蠕动泵采用24V蠕动泵。

基于上述采样器设计了一种菜地雨水径流自动分阶段连续定时采样方法，具体步骤为：采样前，确认液位控制孔距离集水槽2底部的垂直高度与采样区域产生径流的降雨高度一致，例如本实施例中其高度为3mm。先用电脑连接电路控制单元中的PLC，设置蠕动泵流速，转盘转速及液位感应器高度，本例中设置蠕动泵流速为110ml/h，第四光电开关感应的采样管中最高液位高度为11cm，设置好后将菜地雨水径流自动连续定时采样器放置于需要采集径流样的地点，接通好电源(交流220V)，将取样硅胶管20的进水口放置于菜地低洼处，便于采集径流水样。

闭合隔离开关(QS)，启动启动按钮(SB1)，使装置开始运行；首先利用第一雨水感应器1感应降雨，当感应到降雨发生时，向电路控制单元19发出信号，由电路控制单元向直流电机11发出指令以控制集水槽台盖3旋转，并完全打开集水槽开口；利用集水槽2收集雨水，雨水漫过液位控制孔6后，流向第二雨水感应器7；雨水感应器7感应到溢流出的雨水后，向电路控制单元19发出信号，由电路控制单元19控制集水槽盖3复位至完全关闭集水槽开口；同时，电路控制单元19启动蠕动泵12、液位感应器14和步进电机18开始工作，转盘16转动至初始位置使硅胶管滞留液槽23位于硅胶管20出液口下方，启动蠕动泵12，硅胶管20开始吸取菜地径流中的水样并将其注入出液口下方的取样管中，此时，由于原先硅胶管20中还存在上一次采样过程的残留液，因此其目的是排出硅胶管20中残留的水样；一定时间后再次启动步进电机18，使转盘16转动，切换下一顺位的取样槽15至硅胶管20出液口下方，启动蠕动泵12进行注液，注液过程中第四光电开关检测到取样管中收集液位高度，达到预设高度时，停止注液；并在一定时间(本实施例中为30min)后，再次转动转盘16，切换下一顺位的硅胶管滞留液槽23位于硅胶管20出液口下方，再次启动蠕动泵12，排出硅胶管20中残留的水样；然后再次切换下一顺位的取样槽15至硅胶管20出液口下方，采集水样；不断重复上述步骤，直至转盘16转动完一圈或采样器收到关闭命令，则停止各部件的工作，采样器关闭。

如图3所示，以20个50mL取样管为例，蠕动泵12设置好取样硅胶管20流速，步进电机18由电路控制单元19控制，每次驱动时使转盘16定时转动18°角；转盘上单数位，即1,3,5,7,9,11,13,15,17,19号位为取样硅胶管20滞留液槽，双数位2,4,6,8,10,12,14,16,18,20号位为取样槽；取样硅胶管开始吸取径流中水样至1号位，10s后采好第一个水样，转至2号位，30min后先将前一次采样留下的滞留液排到滞留液槽再转至3号位，然后开始下一个样品的采集，以此类推。

另外，采样过程中，如果集水槽盖3的打开过程在规定时间内完成，即可正常开启采样器，运行指示灯亮起，否则本次雨水感应无效并通过报警指示灯报警，如要重启装置需启动复位按钮。

另外，本实用新型的雨水径流自动分阶段连续定时采样器还考虑了短时间多次暴雨的径流采集，通过设置采样间隔时间、自启动与关闭时间、联合液位感应器控制实现了暴雨期间短时间内多次降雨的采样。主要过程如下：

液位感应器14由电路控制单元19设置好感应高度11cm，并且设置好采样间隔时间与自启动与关闭时间30min。如果中途雨停了，径流消失，取样的硅胶管18中将抽取不到水样，既在向取样管中注液的过程中，取样管中液位不再上升。若第四光电开关感应到管内水样尚未达到11cm，且液位感应器14感应到取样管中液位不再上升，则向电路控制单元19发送命令，终止采样，仪器休眠。过30分钟后可再自动启动采样，检测液位有无升高，液位升高即中途再次下雨产生径流，切换至下一顺位的硅胶管滞留液槽23，排出滞留液，再切换至下一顺位的取样槽15进行采样。反之若没有升高，表明中途没有下雨，继续每隔30分钟自启动一次。不断进行上述循环，直到采集好20号位径流样整个仪器关闭或者等到人工关闭。一次采样过后，排掉或收集好集水槽2的雨水，换上新的收集管，擦拭好两个雨水感应器及第二雨水感应器所在的活动室，便可用于下次采样。

上述实施例仅用于解释说明本实用新型要求保护的内容，但并不是用于限制本实用新型的要求保护的范围。本领域技术人员在本实用新型精神内所做的改进和替换，均属于保护范围内。