专利名称：一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水样采集装置，尤其是涉及一种用于海洋环境监测的无人值守船载多通 道膜过滤水样采样系统。
背景技术：
膜过滤技术是现代分离技术领域的重要分支，其主要作用是从流体中去除截留胶体、细 菌和固体颗粒物质等，以达到净化、分离和浓縮等目的。与常规过滤相比，膜过滤具有过滤 精度高、吸附滤液少、过滤速度快、能耗低等诸多优点，现已广泛应用于环保、化工、食品、 医药等领域。
进行海洋或湖泊等水体调査作业的调査船，需要现场采集水样，进行检测和分析以监测 海洋环境要素的分布和变化。水样的正确采集是环境保护、卫生、海洋、水文等部门水质监 测质量保证的首要前提，它对于水质分析结果的代表性、准确性有直接影响。用于水质分析 的水样采集时，通常采用特定孔径的滤膜进行过滤以完成颗粒态与溶解态样品的分离。但目 前使用的各种水样采样装置均未配备有滤膜过滤设备，即水样采样过程与水样过滤过程需要 单独进行。这不仅加大操作者的劳动强度，增加水样采样的周期，而且从采集至过滤的时间 间隔内，水样会发生一系列物理化学变化，从而降低了分析过程的真实性和有效性。
现有过滤水体所采用的膜过滤装置一般为漏斗式负压过滤装置或管线换膜过滤装置。
漏斗式负压过滤装置由滤前样品瓶、特制玻砂漏斗和滤后样品接收瓶构成，俗称溶剂过 滤器。在特制玻砂漏斗上设有抽气口，真空泵不断从接收瓶中抽出空气，利用负压的原理提 高液体的过滤速度，从而实现液体的过滤。该过滤装置从取水、淋洗、过滤到滤后溶液的转 移全过程手动操作，自动化程度低。而且，该过滤装置只能实现单个样品通过单个滤膜进行 过滤，过滤的样品数量有限，样品采集效率低。此外，该装置的滤后溶液需转移到样品采集 瓶，转移后需要洗刷整套过滤装置，加大了操作者的劳动强度和水样沾污的风险，因此很难 满足当前水质分析样品采集的需求。
管线换膜过滤器通过压力过滤对管线内液体或空气进行纯化。目前，此类过滤器多用于 单一通道的预过滤或终端过滤，正压系统可以是恒流泵或注射器。对于恒流泵正压系统，其 工作过程中膜前压力难以控制，膜前压力过大会破坏样品中颗粒物的组织结构，甚至造成滤
3膜破裂，使过滤工作无法正常进行。注射器正压系统适合小体积样品的过滤，且自动化实现 复杂。另外，采用负压管线换膜过滤方式进行水样过滤选用的滤膜一般为疏水性材质，该类 滤膜在过滤过程中遇水后气体便无法通过，此问题造成应用该类滤器的系统自动化实现困难。
公开号为CN1800810的发明专利申请公开一种遥控多层采水装置，用于从船只上深入水 下采水，其包括一通过钢缆挂在船上绞车上的机架以及设于机架内的多个采水器，采水器采 用电磁阀控制闭合，还包括设于船上的水上控制器，根据操作发出控制指令编码；水上信号 调制解调单元，与水上控制器连接，将指令编码调制为超声载波信号输出，获取来自水下的 超声载波信号并解调输出；以及设于机架内的水下信号调制解调单元，获取来自水上的超声 载波信号并解调输出，将来自水下的信息编码调制为超声载波信号输出；深度传感器，测量 水深；水下控制器，与采水器的电磁阀、水下信号调制解调单元、深度传感器以及可通过备 用接口与流速流向仪连接，获取水下信息并传输给水上控制器，控制电磁阀关闭采水器。
公开号为CN1789955的发明专利申请公开一种可控深海采水装置，包括框架、采水器组、 驱动传动单元及控制单元，釆水器组由若干独立的采水器单元组成，采水器单元包括活塞式 采水器及连杆机构式限位开关，驱动传动单元包括设在框架上的电机及连接电机及采水器单 元的传动装置，传动装置为链条传动，链条上设有控制限位开关动作的碰块，控制单元包括 甲板上的控制中心及设在框架上的水下控制中心和霍尔开关元件。本发明不仅满足深海高温、 高压强、高腐蚀的工作环境，可以有效保证采集水体样本的真实性，使样本水体不受沾污， 而且可根据需要在不同深度位置实时的控制采样动作，以准确获取不同深度位置的水体样本。
公告号为CN2249896的实用新型专利提供一种负压式水样采样器，主要特征是，由软管 将负压发生器、储罐和分层取水控制器联通组成一个工作系统。负压发生器是由一个波形柔 性外壳内装回位弹簧和两个单向阀构成。储罐是透明的，分层取水控制器的吸水管有长度刻 度，其上的浮子是用来调整取水样深度的。工作时用脚踏动负压发生器，使整个系统内产生 负压，水样通过分层取水控制器进入储罐。水样提取深度层次可调，最大取水高度为7米。
公开号为CN1595096的发明专利申请公开 一种拖曳式走航采水器，有一拖体，其特征是 该拖体中下部装有潜水泵，后者的尾部连接一电缆；该拖体内中上部装有传感器，后者的一 端连接一导线；水管的进水口与潜水泵的出水口连通，并用管箍将该进水口和出水口固定在 一起，水管向上伸出拖体，吊钩的上端通过钢缆由钩环和尼龙扎带固定在一起，置于水管的 上部，吊环挂在吊钩的钩体上，吊环的下端通过两根钢丝绳与拖体上部的两个吊耳连接；导 线和电缆通过防水胶带、置于水管的一侧。
公告号为CN1303007的发明专利公开一种水样采集系统，用于水质自动监察领域中的水样采集。系统包含以输水管相连的水泵和水箱，输水管与水箱相连接的一端是一段竖直管段， 从该竖直管段中引出一根采样支管，采样支管通过抽吸机构抽取水样；水箱的排水管与水泵 总管相连，设单向排水阀；系统从竖直管段内向下流动的水流中采集水样，水中的固体颗粒 受自重力和冲力作用而下落入水箱，达到水样中除去颗粒物，保留较小悬浮物的目的。输水 管不设滤网，水流畅通。
发明内容
本发明的目的在于针对现有水样采样装置存在的水样采集与膜过滤过程分离，以及手工 操作繁琐、自动化程度低、过滤周期长、滤后水样难转移易沾污等缺点，提供一种可自动进 行取水、清洗、过滤、水样采集等工作的无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统。
本发明设有恒流泵、多通道切换阀、分流阀、过滤装置、三通阀、真空瓶、清洗瓶、采 样瓶、多通道负压控制阀、真空系统、控制系统、RS-232串行接口和计算机。
多通道切换阀设有一个注入口和多个排出口，注入口与恒流泵相连，分流阀与多通道切 换阀的其中一个排出口相连，多个通道的过滤装置接多通道切换阀的多个排出口，三通阀分
别与过滤装置、清洗瓶和采样瓶连接；真空瓶为一个可打开的腔体，用于容纳采样瓶和清洗 瓶，真空瓶与后端的真空系统相连；清洗瓶用于收集清洗过程产生的废液；采样瓶用于收集 经过过滤装置过滤后的水体样品；多通道负压控制阀设有多个进气口和一个出气口，多个进 气口与多个通道的真空瓶相连，其中一个进气口与大气相连，出气口与真空系统相连；控制 系统设有PLC主机、扩展模块和命令输入显示面板，可根据用户指令设置采样时间间隔等参 数，通过控制程序对多通道切换阀和三通阀的控制，自动完成原始水样采集、系统的清洗、 水样的过滤及收集等操作，并可以实时显示系统状态及相应操作的运行时伺；PLC主机通过 RS-232串行接口与计算机相连。
所述恒流泵可以是蠕动泵、注射泵、往复式柱塞泵或其他可以恒流输送液体的装置。
所述多通道切换阀可以是商品化多位阔。
所述分流阀可以是商品化可调节液体流量的阀门。
所述过滤装置可以是商品化可换膜或不可换膜的过滤装置。
所述三通阀可以是三通电磁阀或其他可进行阀位切换的多通阀。
所述真空瓶可以是商品化可拆卸的不同材质的密封腔体。
所述真空系统可设有真空泵和安全瓶，为系统提供负压。
所述多通道负压控制阀可以是商品化多位阀。
所述控制系统可以为以单片机或PLC为中央处理器的控制模块。所述控制程序可以为采用DL编程语言或其他编程语言编写的PLC控制程序。 所述RS-232串行接口为标准接口 。
本发明的恒流泵可以为系统输送原始水体样品；多通道切换阀包括一个注入口和多个排 出口，注入口与恒流泵相连，其他多个排出口与多个通道的过滤装置相连，根据控制系统的 命令，将原始水体样品输送到特定过滤通道。分流阀与多通道切换阀的其中一个排出口相连， 用以调节输送至各过滤装置中水体样品的流速。过滤装置可采用商品化可换膜或不可换膜的 过滤装置，可对水体样品进行定容、过滤等操作。三通阀可以对一进二出的三通流路进行切 换，选择输出通道，用以实现管路以及过滤装置的清洗步骤。真空瓶为一个可打开的腔体， 用以容纳采样瓶和清洗瓶，它与后端的真空系统相连，可以为过滤装置提供负压以提高过滤 速度；清洗瓶为一定体积的玻璃瓶，可收集清洗过程产生的废液；采样瓶为一定体积的水样 瓶，用以收集经过过滤装置过滤后的水体样品。多通道负压控制阀包括多个进气口和一个出 气口，多个进气口与多个通道的真空瓶相连，其中一个进气口与大气相连，出气口与真空系 统相连，通过调节此阀可为系统相应通道提供负压，也可通过开启与大气相连的进气口使各 真空瓶内气压与大气压平衡，便于打开真空瓶。真空系统包括真空泵和安全瓶，为系统提供 负压；控制系统包括PLC主机、扩展模块和命令输入显示面板，可根据用户指令设置采样时 间间隔等参数，通过控制程序对多通道切换阀和三通阀的控制，自动完成原始水样采集、系 统的清洗、水样的过滤及收集等操作，并可以实时显示系统状态及相应操作的运行时间。控 制程序，可对多通道切换阀和三通阀进行控制，通过实时调整控制程序可对系统的清洗、过 滤等步骤加以优化。通过RS-232串行接口将PLC主机与计算机相连可对控制程序进行上载和 下载；利用计算机通过程序编辑软件对控制程序进行调整、更改，根据实际需要，设定系统 工作流程，实现对不同水体样品的采样要求。
本发明能够完成单个或多个通道的水样过滤采集任务，两个样品之间的采样时间间隔短 则几分钟，长则几个小时甚至几天。具有水样采样与过滤同时进行、过滤周期短、自动化程 度高、性能稳定等优点。它可以为多种船载分析仪器提供经过过滤的水样，满足现场分析测 试的需要。
图l为本发明实施例的结构组成示意图。在图1中，l为恒流泵、2为多通道切换阀、3为分 流阀、4为过滤装置、5为三通阀、6为真空瓶、7为清洗瓶、8为采样瓶、9为多通道负压控制 阀、IO为真空泵、ll为控制系统、12为计算机、13为系统各通道、14为安全瓶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
参见图l，本发明设有恒流泵l、多通道切换阔2、分流阀3、过滤装置4、三通阀5、真空 瓶6、清洗瓶7、采样瓶8、多通道负压控制阀9、真空泵IO、控制系统ll、计算机12、系统各 通道13和安全瓶14。
恒流泵l为系统输送原始水体样品，多通道切换阀2包括一个注入口和多个排出口，注入 口与恒流泵l相连，其他多个排出口与多个通道的过滤装置4相连，根据控制系统ll的命令， 将原始水体样品输送到特定过滤通道。分流阀3与多通道切换阀2的其中一个排出口相连，用 于调节输送至各过滤装置中水体样品的流速。过滤装置4可采用商品化可换膜或不可换膜的过 滤装置，可对水体样品进行定容、过滤等操作。三通阀5可以对一进二出的三通流路进行切换， 选择输出通道，用于实现管路以及过滤装置4的清洗步骤。真空瓶6为一个可打开的腔体，用 于容纳采样瓶7和清洗瓶8，它与后端的真空泵10相连，可以为过滤装置4提供负压以提高过滤 速度。清洗瓶7为一定体积的玻璃瓶，可收集清洗过程产生的废液；采样瓶8为一定体积的水 样瓶，用于收集经过过滤装置4过滤后的水体样品。多通道负压控制阀9包括多个进气口和一 个出气口，多个进气口与多个通道的真空瓶6相连，其中一个进气口与大气相连，出气口与真 空泵10相连，通过调节多通道负压控制阀9可为系统相应通道提供负压，也可通过开启与大气 相连的进气口使各真空瓶6内气压与大气压平衡，便于打开真空瓶6。真空泵10为系统提供负 压。控制系统11设PLC主机、扩展模块和命令输入显示面板，可根据用户指令设置采样时间 间隔等参数，通过控制程序对多通道切换阀2和三通阔5的控制，自动完成原始水样采集、系 统的清洗、水样的过滤及收集等操作，并可以实时显示系统状态及相应操作的运行时间。控 制程序，可对多通道切换阀和三通阀进行控制，通过实时调整控制程序可对系统的清洗、过 滤等步骤加以优化。通过RS-232串行接口将PLC主机与计算机12相连可对控制程序进行上载 和下载；利用计算机12通过程序编辑软件对控制程序进行调整、更改，根据需要设定系统工 作流程，实现对不同水体样品的采样要求。安全瓶14设于多通道负压控制阀9与真空泵10之间。
使用时，根据实际水体采样需要调整、更改控制程序，通过RS-232串行接口将控制程序 从计算机12下载至控制系统11的PLC主机中；系统启动后，电源打开，恒流泵l开始泵水，真 空泵10开始抽真空，控制系统11进入待机状态。调整分流阀3为系统提供一个适当的取样水压， 调整多通道负压控制阀9为系统各通道13中的真空瓶6提供负压条件。系统稳定后，通过控制 系统ll的命令输入面板设置、存储采样时间间隔等系统参数，并运行系统。根据控制系统ll 的命令，多通道切换阀2将原始水样切换至相应通道的过滤装置4中采集一定体积的水样，多 余的水样通过过滤装置4的溢流口流出；原始水样采集完成后，系统控制三通阀5的阀位通向清洗瓶7，水样过滤后流入其中，清洗过滤装置4及管路13;清洗完毕后，多通道切换阀2再次
进行原始水样的采集，采集后系统控制三通阀5的阀位通向采样瓶8，水样过滤后流入其中；
根据控制系统ll已设置的采样时间间隔，到达相应时间后，另一通道再次进行取水、清洗、
过滤等操作，直至所有通道动作结束，控制系统ll重新进入待机状态；关闭恒流泵l和真空泵 10并调节多通道负压控制阀9开启与大气相连的进气口使系统各通道13的真空瓶6内气压与大 气压平衡，打开真空瓶6取出采样瓶8，采样完成。
恒流泵l可采用蠕动泵、注射泵、往复式柱塞泵或其他可以恒流输送液体的装置，多通道 切换阀2采用商品化多位阀，分流阀3采用商品化可调节液体流量的阀门，过滤装置4釆用商品 化可换膜或不可换膜的过滤装置，三通阀5采用三通电磁阀或其他可进行阀位切换的多通阀， 真空瓶6采用商品化可拆卸的不同材质的密封腔体，多通道负压控制阀9采用商品化多位阀， 控制系统11采用以单片机或PLC为中央处理器的控制模块，控制程序可以为采用DL编程语言 或其他编程语言编写的PLC控制程序，RS-232串行接口为标准接口 。
8
权利要求
1. 一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于设有恒流泵、多通道切换阀、分流阀、过滤装置、三通阀、真空瓶、清洗瓶、采样瓶、多通道负压控制阀、真空系统、控制系统、RS-232串行接口和计算机；多通道切换阀设有一个注入口和多个排出口，注入口与恒流泵相连，分流阀与多通道切换阀的其中一个排出口相连，多个通道的过滤装置接多通道切换阀的多个排出口，三通阀分别与过滤装置、清洗瓶和采样瓶连接；真空瓶为一个可打开的腔体，用于容纳采样瓶和清洗瓶，真空瓶与后端的真空系统相连；清洗瓶用于收集清洗过程产生的废液；采样瓶用于收集经过过滤装置过滤后的水体样品；多通道负压控制阀设有多个进气口和一个出气口，多个进气口与多个通道的真空瓶相连，其中一个进气口与大气相连，出气口与真空系统相连；真空系统设有真空泵；控制系统设有PLC主机、扩展模块和命令输入显示面板，PLC主机通过RS-232串行接口与计算机相连。
2. 如权利要求l所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于所述 恒流泵为蠕动泵、注射泵、往复式柱塞泵或恒流输送液体装置。
3. 如权利要求1所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于所述 多通道切换阀为多位阀。
4. 如权利要求l所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于所述 分流阀为可调节液体流量的阀门。
5. 如权利要求l所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于所述 过滤装置为可换膜或不可换膜的过滤装置。
6. 如权利要求l所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于所述 三通阀为三通电磁阀或可进行阀位切换的多通阀。
7. 如权利要求l所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于所述 真空瓶为可拆卸的密封腔体。
8. 如权利要求l所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于所述 多通道负压控制阀为多位阀。
9. 如权利要求l所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于所述 控制系统为以单片机或PLC为中央处理器的控制模块。
10. 如权利要求l所述的一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，其特征在于真空 系统设有真空泵和安全瓶。
全文摘要
一种无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统，涉及一种水样采集装置。提供一种可自动取水、清洗、过滤、水样采集的无人值守船载多通道膜过滤水样采样系统。设有恒流泵、多通道切换阀、分流阀、过滤装置、三通阀、真空瓶、清洗瓶、采样瓶、多通道负压控制阀、真空系统、控制系统和计算机。多通道切换阀的注入口接恒流泵，分流阀接多通道切换阀的一个排出口，过滤装置接多通道切换阀的排出口，三通阀接过滤装置、清洗瓶和采样瓶；真空瓶接真空系统；多通道负压控制阀的进气口与真空瓶相连，其中一个进气口与大气相连，出气口与真空系统相连；控制系统与计算机相连。具有水样采样与过滤同时进行、过滤周期短、自动化程度高、性能稳定等优点。
文档编号G01N1/14GK101509843SQ200910111319
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月19日 优先权日2009年3月19日
发明者刘晓伟, 卢光远, 吴璟瑜, 商少凌, 弓振斌, 张金城 申请人:厦门大学