本发明涉及样品采集技术领域，尤其涉及一种洞穴滴水水量监测及水样连续采集装置。
背景技术：
近年来，对在水、CO2、生物-微生物共同参与下的岩溶系统物质循环和时空演化方面的研究倍受关注。在岩溶系统中，水、CO2、矿物、营养组分、生物和微生物不仅是其内在的重要组成部分，更是积极地参与和决定了岩溶关键带中包括各种物理、化学与生命过程等在内的相互交织的动力学过程。然而，目前对岩溶关键带这一涉及从树冠到地下深部的多层次、多空间、多介质、多组分和多过程参与的复杂体，以及影响并控制其结构组成演变的这些动力学过程的协作作用却知之甚少，这已成为当前国际岩溶研究的前沿领域。因此，通过对从表层岩溶带流出的洞穴滴水的高精度长时间序列监测，对表层带内岩溶系统物资循环与时空演化有着重要的意义。
以往的采样方法往往需要人工现场采集，然而溶洞等地下空间不易频繁进入，安全问题不容忽视，且采样时间间隔不能精准控制，不便于长时间高精度连续采样监测。因此，确有必要设计一款采集装置，以克服现有技术的问题。
技术实现要素：
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种洞穴滴水水量监测及水样连续采集装置，可以满足对洞穴水滴的水量监测和水样自动连续采集。
为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种洞穴滴水水量监测及水样连续采集装置，包括：水量监测设备、取样设备和储样设备；
所述取样设备包括：用于收集水样的雨蓬和机械旋臂，所述机械旋臂包括连接杆、转换漏斗和导水管，所述转换漏斗连接在所述连接杆上，所述导水管连接在所述转换漏斗的底部；
所述储样设备包括：样品托盘、至少一个采样瓶、防护罩和底座；所述样品托盘用于固定所述采样瓶，且其轴心处固定所述连接杆；所述样品托盘上方设有所述防护罩、下方设有所述底座；
所述导水管的出水口位于所述采样瓶的瓶口上方，所述水量监测设备位于所述转换漏斗的上方；由所述雨蓬收集的水样通过其沟槽先引导至所述水量监测设备中，再转入转换漏斗中后通过所述导水管引入所述采样瓶中；
所述底座内设有步进电机、电源；所述步进电机用于带动所述连接杆旋转，以将水样分装于不同采样瓶中；所述电源用于为所述洞穴滴水水量监测及水样连续采集装置供电。
进一步地，所述连接杆通过轴承固定于所述样品托盘的轴心处。
进一步地，所述连接杆通过伞齿连接所述步进电机，并通过所述伞齿驱动所述连接杆旋转。
进一步地，所述雨蓬包括雨布和用于支撑所述雨布的支架。
进一步地，所述导水管的出水口装有弯头，所述弯头指向所述采样瓶的瓶口以保证水样导入所述采样瓶中。
进一步地，所述样品托盘的圆心处开有供所述连接杆穿过的第一圆孔；所述防护罩的顶部设有供水样通过、且进入所述转换漏斗的第二圆孔。
进一步地，所述样品托盘的边缘开有凹槽，所述防护罩扣置于所述凹槽中。
进一步地，所述底座包括用于容纳所述步进电机和电源的圆管、与所述圆管连接的圆盘和支撑柱；所述圆管的上部与所述样品托盘连接、底部与所述支撑柱连接。
进一步地，所述样品托盘的边上等角度设置有若干个用于悬挂采样瓶的“U”形槽。
进一步地，所述水量监测设备为雨量记录仪。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)根据研究需要，可任意设置以步进电机的工作时间间隔，同时由步进电机控制机械悬臂转动，将样品分装入多个采样瓶中，可以实现高精度的自动采样；(2)该装置经济实用、结构简单、稳定性好、安全，可以满足科学研究的高精度要求。
附图说明
图1为本发明的洞穴滴水水量监测及水样连续采集装置的结构示意图；
图2为本发明机的械悬臂示意图；
图3为本发明的样品托盘示意图；
图4为本发明的“U”形槽示意图；
图5为本发明的防护罩示意图；
图6为本发明的底座示意图。
图中：1、水量监测设备，2、取样设备，3、储样设备，4、雨蓬，5、机械悬臂，6、雨布，7、支架，8轴承，9、连接杆，10、转换漏斗，11、导水管，12、伞齿，13、步进电机，14、电源，15、样品托盘，16、采样瓶，17、防护罩，18、底座，19、弯头，20、“U”型槽，21、凹槽，22、第一圆孔，23、第二圆孔，24、第三圆孔，25、半圆形槽口，26、长方形槽口，27、圆管，28、圆盘，29、支撑柱，30、门。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
如图1所示，本发明提供了一种洞穴滴水水量监测及水样连续采集装置，用于自动采集洞穴滴水水样并进行短时存储，所述采集装置包括水量监测设备1、取样设备2和储样设备3。所述水量监测设备1用于短时存储采集的水样，并测量其水量，优选的，所述水量监测设备1为雨量记录仪，该雨量记录仪为超长待机雨量记录仪。所述水量监测设备1可以是自带电池的，也可以由电源14供电。
所述取样设备2包括雨蓬4和机械旋臂5，所述雨蓬4包括雨布6和支架7，所述支架7用于支起所述雨布6以收集水样，所述雨布6张开后可以有效地收集洞穴分散的滴水。优选的，所述支架7的数量为四个，位于所述雨布6的四个角。所述雨布6上的滴水在重力作用下自然形成导流的沟槽，将收集的水样引导至所述水量监测设备1中。
所述储样设备3包括样品托盘15、采样瓶16、防护罩17和底座18，所述采样瓶16固定在所述样品托盘15上，所述防护罩17罩在所述样品托盘15的上方，用以罩住所述采样瓶16的瓶口，以保护所述采样瓶16的样品不受外界环境影响；所述样品托盘15与所述底座18连接，并位于所述底座18的上部。考虑室内碱度滴定、水化学全分析及同位素测试需要，优选的，所述采样瓶16为PET塑料瓶。
所述机械悬臂5通过轴承8固定于所述样品托盘15的轴心处，由步进电机13带动所述机械悬臂5旋转，以实现所述采集装置的定角度旋转功能，进而实现了自动采集样品且依次分装于各个采样瓶16中的功能。所述电源14用于为所述采集装置供电，包括为所述步行电机13、水量监测设备1等供电。优选的，所述电源14为12V蓄电池。
如图2所示，所述机械悬臂5包括连接杆9、转换漏斗10和导水管11。所述连接杆9为空心杆，优选的，所述连接杆9由PVC透明塑料制成。所述连接杆9的下段固定有伞齿12，所述伞齿12作为传动零件，以用来传递所述步进电机13的动力，也即所述步进电机13通过所述伞齿12来旋转所述连接杆9。例如，所述伞齿12可通过螺丝固定在所述连接杆9上。又例如，所述步进电机13控制所述机械悬臂5旋转的工作时间间隔可控制在1-99min内。所述机械悬臂5由所述步进电机13通过所述伞齿12控制其转动，例如，所述采样瓶16的数量为24个时，每次旋转角度为15°，工作时间间隔设置为1h。上述两个部分同用一个电源14。所述连接杆9的上段(例如，距离连接杆9的顶点65mm处)固定有(例如，用螺丝固定)所述轴承8，保证了所述机械悬臂5的旋转功能，所述轴承8在连接杆9上的安装位置应保证所述导水管11的出水口高于所述采样瓶16的瓶口。
所述转换漏斗10为空心半球状，优选的，所述转换漏斗10由PVC透明塑料制成。为了保证所述导水管11的出水口高于所述采样瓶16的瓶口，所述转换漏斗10连接在所述连接杆9的上段(例如，距离连接杆10的顶点19mm处)。所述转换漏斗10的功能在于将上层的滴水转入所述转换漏斗10中，进而自动上样。
所述导水管11微向所述采样瓶16倾斜，所述导水管11的一端连接在所述转换漏斗10的底部、另一端(也即所述导水管11的出水口)位于所述采样瓶16的瓶口上方，所述导水管11的出水口装有弯头19，所述弯头19指向所述采样瓶16的瓶口，可以及时将所述转换漏斗10中的水样引导入所述采样瓶16中。优选的，所述导水管11由PVC透明材料制成。所述水量监测设备1位于所述转换漏斗10的上方，由所述雨蓬4收集的水样先引导至所述水量监测设备1中，再转入转换漏斗10中后通过所述导水管11引入所述采样瓶16中。
如图3所示，所述样品托盘15的边缘开有“圆环”形凹槽21，优选的，所述样品托盘15为圆盘状。所述样品托盘15的圆心处开有第一圆孔22，且以所述样品托盘15的圆心为对称点，开有两个第三圆孔24，所述第一圆孔22可供所述连接杆9穿过，两个第三圆孔24可分别供用以固定所述轴承8的两个螺栓穿过。优选的，所述样品托盘15由PVC透明塑料制成。为了实现旋转上样的功能，将所述连接杆9通过所述轴承8固定于样品托盘15的轴心处。此外，所述样品托盘15的边上等角度设置有若干个(例如，24个)“U”形槽20，用来悬挂和固定多个采样瓶16(例如，24个)。
如图4所示的所述“U”形槽20的三视图，图中401、402、403分别表示俯视图、前视图和右视图。所述“U”形槽20包括半圆形槽口25和长方形槽口26，所述半圆形槽口25和长方形槽口26均分别包括上部分和下部分，且为上部分“U”形槽宽下部分“U”形槽窄的结构，以卡住所述采样瓶16的瓶口。
如图5所示的所述防护罩17的二视图，图中501和502分别为前视图和俯视图。所述防护罩17为下端开口的圆柱体，并在其顶部设有第二圆孔23，以使得流经所述水量监测设备1中的水样通过所述第二圆孔23进入所述转换漏斗10中，可在所述第二圆孔23上可黏贴一张纱网，以除去水样中的杂质。所述采样瓶16直接暴露于空气中，可能会受到降雨、昆虫、洞穴滴水等外界的环境影响，而降低了采集样品的质量，因此考虑设计一个防护罩17。优选的，所述防护罩17由PVC透明塑料制成。所述防护罩17扣置于所述样品托盘15的边缘的凹槽21中，以减少水样受到外界环境的直接污染。
如图6所示的所述底座18的二视图，图中601和602分别为前视图和仰视图。所述底座18包括圆管27、与所述圆管27的底部连接的圆盘28与支撑柱29。优选的，所述底座18由PVC透明塑料制成。优选的，所述圆管27为空心圆柱体，所述圆盘28是圆柱体，所述支撑柱29是圆柱体。优选的，所述支撑柱29的数量为四个，在所述圆盘28的底部均匀分布。所述圆管27的上部与所述样品托盘15连接，例如，可用胶连接。所述圆管27的侧壁上开一个门30，可通过所述门30将所述步进电机13和电源14等设备存放入所述圆管27中。为了防所述采集装置被水流冲翻或淹没，故增加所述支撑柱29用来稳定所述采集装置，同时也一定程度上可以防止所述采集装置被水淹没。
所述采集装置组装设置好后，选择较平缓稳定的位置放置于洞穴内部滴水处，将所述雨蓬4置于洞穴中滴水位置之下用于收集滴水，然后将滴水导入到所述水量监测设备1中用于水量测量和水样采集。在设计的时间内(例如，24小时)返回，将水样密封处理以备后期分析测试，即完成了取样过程。
为方便理解本发明，使所述采集装置的可操作性更强，给出了所述采集装置的各个部件涉及的主要参数建议值，需要指出的是，在进行实际操作时，上述参数可进行更改，且均应包含在本发明的保护范围内。
所述连接杆9的规格为长150mm、直径11mm；
所述转换漏斗10的规格为直径50mm、壁厚3mm；
所述导水管11出水口距机械悬臂3轴心为230mm；
所述样品托盘15的直径506mm，厚10mm，凹槽22的宽3mm、深7mm；
所述采样瓶16为150mlPET塑料瓶，瓶口直径36mm、瓶身直径55mm；
所述防护罩17的直径506mm、壁厚3mm；
上部分的半圆形槽口25的直径为40mm、高7mm，下部分的半圆形槽口25直径为35mm、高3mm，上部分和下部分的两半圆形槽口25的圆心均与所述样品托盘15的圆心距230mm；上部分的长方形槽口26的长40mm、宽23mm、高7mm，下部分的长方形槽口26的长35mm、宽23mm、高3mm；
所述第一圆孔22、第三圆孔23的直径均为12mm，所述第三圆孔24距离所述样品托盘15的圆心为45mm，所述第二圆孔23的直径为200mm；
所述圆管27的直径为360mm、壁厚10mm、高180mm，所述圆盘28的直径为360mm、壁厚10mm，所述支撑柱29的直径20mm、高70mm、距离所述底座18的圆心151mm，所述门30为所述圆管27的四分之一弧长、高180mm。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)根据研究需要，可任意设置以步进电机的工作时间间隔，同时由步进电机控制机械悬臂转动，将样品分装入多个采样瓶中，可以实现高精度的自动采样；(2)该装置经济实用、结构简单、稳定性好、安全，可以满足科学研究的高精度要求。
值得说明的是：在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。