专利名称：水样自动原位采集分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种地表水地下水自动原位采样分析仪，特别是用于水环境研究 领域中水样的采集及现场原位测试地表水地下水物理化学参数的装置。
背景技术：
可靠的分析数据是准确评价水质状况和污染程度的基本保障，而样品采集过程是 影响数据分析可靠性的重要环节，不同的水样采集方法会对水样中的各种组分造成不同程 度的干扰，尤其是挥发和半挥发有机组分，在环境中广泛存在且含量很低，实验室检测上属 于痕量分析范畴，极容易产生变化，为地下水样品的采集技术提出更高的技术要求。目前我国对地下水取样方法的研究尚属于起步阶段，基本上靠抽水取样或用简易 重力入水的取样设备灌水，很难满足定深取样及保持原水样各组分在取样过程中相对稳定 的要求。中国专利200720100866. 5公开了一种地表水定深取样器，它包括采集筒和采集 杆，采集筒内设有采样瓶；在水样采集过程中可准确采集预定深度的水样，水样可原位直接 进入到采样瓶，水样与外界大气接触的时间短，有效减少了样品中与挥发组分的损失，降低 了交叉感染；由于采样器上设计了电磁阀和传感器，使得采样过程实现自动控制。但是，该 取样装置只实现了半自动取样，整个取样过程仍需要人工手动完成；预定深度的改变实现 起来比较繁琐，需要将水位传感器移位至固定位置方可实现；对接杆式增长采样杆入水距 离，对于水位埋深大于10米的地下水或水位与取样点处高度差大于10米的地表水水样采 集难度很大，取样杆的对接与拆装也相当繁琐；并且同其它取样技术一样，需要现场测试的 物理化学指标只能将水样取到地表后倒入容器中进行测试，这就使水样中对测试条件反应 敏感的组分得不到可靠的保证。为获取水样在原系统真实水质情况，国外在现场测试时采用水流室，通过水体流 过水流室来模拟水样原系统状态进行测试，提高了现场测试的准确度，减小了水温、PH值、 电导率等物理化学参数测试值与真实值之间的误差，但这些参数对周围环境反应敏感，脱 离原系统便会发生变化，若原位测试采样点预定采样深度水体物理化学参数，则最能代表 水样原系统的真实值。
实用新型内容本实用新型提供一种地表水地下水自动定深原位采样分析装置，能够实现全自动 定深原位取样及现场原位测试物理化学指标，从而获取最接近水样原位真实值以供研究。为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是这种地下水自动定深原 位采样装置，它包括取样器，还包括采样机、控制面板、跨绕采样机电缆的采样支架以及连 接在电缆自由端包含取样器的采样器；所述采样机包括固定连接在机械底座上的电机、绞线盘、滑轮和编码器，与减速电 机和编码器电连接的采样机控制装置，编码器与滑轮轴向连接，减速电机与绞线盘轴向连 接。[0008]所述取样器作为采样器的一部分位于采样器内。取样器设计有内控卡，取样瓶可 以内置其中，底部设有电磁阀作为入水开关，顶部设有排气孔，排气孔中设有止回阀；采样 器还包括设置在取样器的取样桶外壁上的固定夹，以及通过固定夹连接的传感器及与传感 器电连接的采样器控制装置。其进一步改进在于所述采样机控制装置与采样器控制装置间通过电缆通信，采 用RS485通信方式。其进一步改进在于所述采样器控制装置位于采样器底层，底层与取样器之间设 置有隔板。本实用新型的进一步改进在于所述传感器为水位传感器、温度传感器、PH值电 极或电导率电极，或者其中的任意两种以上的组合。本实用新型所取得技术进步在于由于采用了以上技术方案，可以预先设定水深、 取样时间等所需参数，无需人工干预，全自动完成取样过程，可准确采集预定深度和特定时 间的水样；实现预定深度原位采集水样，避免了水样与外界大气系统或不同层位水体接触， 减少了挥发性组分损失，大大降低了取样过程交叉污染的可能性；最重要的是可以进行原 位直接测试并读取显示存储水体的温度、PH值和电导率等物理化学参数，同时还可进行时 间、水位埋深等详细的数据测量存储与显示，实现入水自动测量并存储不同预定深度的水 体物理化学参数；测量特定深度不同时间的水质参数，并可绘制各参数随时间变化曲线； 自动控制系统还可以与PC机串口连接，为研究工作提供可靠的实时原位数据的支持。本地下水地表水自动定深原位采样装置的硬件结构采取各部分功能相对独立的 设计，可为取样目的进行自由组合并扩展，能够根据需要选择相应的测量参数或改变合适 的采样方式。采样机与采样器之间通过电缆连接，解决了水上与水下控制装置之间通信和 采样器升降的问题；采样器控制装置位于采样器的底部隔层内，避免与水的接触，增强了装 置的绝缘性能；控制系统还设置有自动和手动工作模式，当条件不满足自动工作模式的要 求时，可采用手动工作模式，满足不同的需求。本实用新型的采样支架采用的是简单合理的 硬件组装结构，方便携带，易于拆装，为施工的运输及安装提供了极大的便捷。取样器盖上透气孔设有止回阀，防止取样器上部进水，同时排除取样器内气体，该 结构取样器通过与业内两种先进的取样装置(水斗取样器和蠕动泵)进行取样对比试验， 充分证明了其在挥发性有机污染水样采集上的优越性，同时证明在无机样品采集上三种取 样装置有良好的可比性。用三种取样装置同一时间段平行采集三组地下水样品，_4°C避光保存，当天送检， 进行取样方法对比试验。有机分析样品送检香港ALS实验室，分析有机污染组分160项。无 机分析样品送检广东省物料实验检测中心，分析无机组分38项。相同时间段，同样取样点，同一操作人员，在操作过程无可析出目标污染物质的潜 在污染源存在的情况下，不同取样装置采集水样中挥发性有机组分检出值越小，表征该方 法在样品采集过程中对挥发性组分造成的损失越大。把各检出某挥发性有机组分最大值的 样品视为该样品在采集过程中对该组分损失为零，计算在样品采集过程中三种取样装置对 不同挥发性有机污染物的相对损失程度(公式1、表1)，并求出每种取样方法样品采集过程 中对挥发性有机污染物的平均损失程度(公式2)，结果如图1所示以各项检出有机污染 组分最大值为基准，本实用新型、水斗取样器和蠕动泵对挥发性有机污染物的平均损失程度分别为0%、5. 76%和43. 19%，显而易见本实用新型在获取挥发性有机污染组分含量的 水样采集工作中优于水斗取样器和蠕动泵取样。
Lij 在样品采集过程中取样装置i对挥发性有机污染物j的相对损失程度。 Zfflax 采用三种取样装置检出的挥发性有机污染物j的最大浓度。 Zij 采用取样装置i采集的样品检出的挥发性有机污染物j的浓度。 Li 在样品采集过程中取样装置i对挥发性有机污染物的平均损失程度。 Mi 取样装置i检出有机污染组分数量。 表1不同取样装置对检出挥发性有机组分损失程度表(％ ) 无机分析数据显示，三种取样装置采集的水样分析结果有较好的对应性，由于分 析结果无真实值参考，对不同取样装置获取的样品分析数据按相对偏差进行计算(公式 3)，统计每种取样装置获取的测试结果相对于其他两种取样装置获取的测试结果相对偏差 的分布区间。依据《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T0130-2006)和《多目标区域 地球化学调查规范》(DD2005-01)相关规定，检出浓度小于0. 025mg/L分析组分实验室分析 相对偏差小于30%即为合格，因而统计时摒弃浓度小于0. 025mg/L相对偏差小于30%的分 析结果，对于浓度大于0. 025mg/L的分析结果，由于无实验室允许相对偏差值，无法进行剔 除，分为超过10%、超过20%和超过30%的分析组分个数三个区间进行统计(表2)，结果 表明三种取样装置对水样无机组分的影响程度差别不大，从相对偏差超过10%和20%分 析组分个数来看，三种取样装置优劣顺序依次为蠕动泵、本实用新型和水斗取样器，从相 对偏差超过30%分析组分个数来看，本实用新型优于另外两种取样装置。 Δ 相对偏差a、b 同一测试组分采用不同取样装置获得的测试值表2不同取样装置样品分析结果相对偏差分布区间统计(个)
图1为本实用新型整体结构示意图。图2为图1中采样机部分结构示意图。图3为图1中采样器部分结构示意图。图4为本实用新型挥发性有机组分检出情况和平均损失程度对照参考图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型进行进一步详细说明。如图1 图4所示，本实用新型包括采样机1、控制面板、跨绕采样机电缆的采样 支架3以及连接在电缆自由端的采样器2。采样机1包括采样机控制装置12、减速电机13、绞线盘14、编码器16、滑轮17和 机械底座11 ；其中减速电机13、绞线盘14、滑轮17和编码器16均固定连接在机械底座11 上；采样机控制装置12电连接减速电机13和编码器16，编码器16与滑轮17轴向连接，减 速电机13与绞线盘14轴向连接，绞线盘14上的电缆15绕过滑轮17，再跨绕过采样支架3 后，电缆15的自由端连接采样器2。采样机控制装置12的数据输入输出端连接控制面板，控制面板包括有机玻璃外 壳、IXD显示器、键盘、工作模式指示灯、电源电量指示灯和报警蜂鸣器。用键盘输入采样深 度及选择工作模式；IXD显示采样与水质参数信息，具体包括水位埋深、采样深度、时间、水 质参数(PH值、电导率和温度及这些水质参数随时间变化曲线)；工作模式指示灯用于指示 所选模式；电源电量指示灯用于工作模式选择与电池充电参考；采样器到达水面和采样完 成时报警蜂鸣器发出报警。采样器2包括采样器控制装置21、水位传感器24、温度传感器25、pH值电极26、 电导率电极27、电磁阀22以及取样器；采样器控制装置21分别与电磁阀22、各传感器之间 电连接；采样器控制装置21和电磁阀22安装在取样器底部封闭的隔层内，隔层的上部为取 样桶，取样桶外壁上设置有固定夹28，用于固定各传感器24 27 ；取样桶的底部为过水隔 板，上部为通过内控卡固定的IL半挥发性有机采样瓶和40ml挥发性有机采样瓶，取样桶盖 与取样桶主体螺纹连接，桶盖上设有止回阀排气孔。采样机1通过采样机控制装置12的控制可以实现采样器2的定位与提升功能；控 制面板完成工作模式设置，水质参数信息显示与电池电量指示；采样器控制装置21可以完 成自动取样，同时还具备在线实时测量水质参数的功能；采样机控制装置12与采样器控制 装置21均可以实现系统监测、数据存储以及相互通信等功能。本实用新型工作过程如下在地下水采集与测量中，采用本实用新型正确连接后，给各控制装置通电，可通过 控制面板键盘选择自动取样模式和手动取样模式，在自动取样模式下还设置有自动定深取 样、单次测量、多次测量、连续测量四种模式。下面分别就各种模式进行详细描述。(1)手动工作模式[0046]采用手动工作模式时，采样机控制装置12将设置信息通过电缆15传输到采样器 控制装置21，取样以手动方式进行。采样器控制装置21收到手动模式信息后启动自动定时 延时，该定时延时为采样器2手动下放到水中所需时间；延时到后，采样器控制装置21发出 信号使电磁阀22打开，进行取样；再经过2min延时后，取样瓶已装满水样，采样器控制装置 21再控制电磁阀22关闭。经过大于采样器控制装置21设定的自动取样总延时后，手动提 出采样器2，返回地表完成取样过程。(2)自动工作模式采样器控制装置21开启并通过控制面板预设所需参数(如水深等)后，无需人工 干预，自动完成取样过程，实现全自动取样。同时准确采集预定深度和时间的水样，实现精 确定深定时取样。当取样系统以自动方式工作时，采样机控制装置12发出制动信号，电机 工作在制动状态。a.自动定深取样模式选择自动定深取样模式，可完成自动定深取样过程与水位埋深测量。控制面板LCD 可显示所设定的采样深度，采样机控制装置12将键盘输入的工作模式与水深等参数传输 到采样器控制装置21，同时驱动电机开始工作；电机转动带动绞线盘14转动下放电缆15， 电缆15通过滑轮17带动连接编码器16的轮轴转动，编码器16同步转动，通过编码器16 反馈脉冲信号，由采样机控制装置12捕捉到脉冲以计算电缆15下放长度，进而得出采样器 2的垂直位置，实现采样器2的定位。电缆15下行的同时，其自由端的采样器2也随之下行，当采样器2达到水面时，水 位传感器24由于浮力作用导通电路，给出采样器控制装置21—电信号，采样器控制装置21 捕捉到此信号之后将其传输至采样机控制装置12，触发蜂鸣器报警，同时采样机控制装置 12根据已捕捉到的编码器16脉冲数，计算出采样器2的垂直位置，即水位埋深，并由LCD显 示水位埋深。采样器2到达指定深度后，根据捕捉到的编码器16脉冲采样机控制装置12制动 电机并向采样器控制装置21发出采样信号，采样器控制装置21发出信号开启电磁阀22， 水在原位进入采样器2，同时IXD显示该采样时刻；同时采样器控制装置21又启动2min延 时，延时到后，水已装满，再自动控制关闭电磁阀22，采样完成并由采样器控制装置21向采 样机控制装置12发出信号。采样机控制装置12接收到采样器控制装置21取样完成的信号后，发出指令控制 电机反向转动，向上提升采样器2。采样器2上提过程中，编码器16继续工作，采样机控制 装置12通过捕获脉冲计算电缆15的长度，并与设定取样深度进行比较；相等时，说明采样 器2到达地面，电机制动，取样过程结束，采样机控制装置12触发蜂鸣器报警。b.单次测量模式启动单次测量模式时，地下水自动定深原位采样装置将完成自动定深取样和水位 埋深测量，主要测量水样的水温、PH值以及电导率。单次测量模式下水位埋深测量和自动定深取样过程与自动定深取样模式相同。不 同的是当采样器控制装置21开启电磁阀22的同时，将启动更长的延时，期间将依次测试水 体的温度、PH值以及电导率，测试完成后自动存储，并由采样器控制装置21将水质参数发 送到采样器控制装置21，将水质参数进行实时显示并显示时间信息；延时到后，电磁阀22关闭，采样器控制装置21向采样机控制装置12发出采样与测量完成的信号。自动测量水样的温度、PH值以及电导率过程为采样器控制装置21启动延时后， 将使能模拟/数字转换装置，开始读取温度传感器25、pH值电极26和电导率电极27的测 量数值，测量完成后将所测数据传输到采样器控制装置21，进行数据存储和分析，进而传输 给采样机控制装置12。采样机控制装置12接收到采样及测量完成的信号后上提采样器2，过程与自动定 深取样模式过程一致。测量的参数通过RS485通信方式传输给采样机控制装置12并在控 制面板的IXD上进行显示，同时采样机控制装置12还可以通过串口传送到PC机进行水质 参数数据显示。c.多次测量模式启动多次测量模式时，可完成水位埋深测量，实现不同深度水样的水温、pH值以及 电导率的测量。采样机控制装置12可输入所需测量的次数与测量的深度，例如需对4个 不同的深度进行测量时，可设定4个深度，再分别输入深度值。当采样器2到达第一个深度前，工作过程与自动取样模式一致。到达一个深度时， 电机制动，采样器2开始一次水质参数的测量，过程与单次参数测量一样，不同的电磁阀22 不会打开取水样。当采样机1延时到后，启动电机转动，带动采样器2继续下行，同时采样 器2启动又一次延时，过程与第一次定深相同。如此往复直至全部设定深度水质参数测量完 成；之后，采样机控制装置12控制电机带动采样器2上行，过程与自动定深取样模式一致。多次测量模式过程结束，测量的数据存储后通过RS485方式传输给采样机控制装 置12，同时也可经过采样机1串口上传至PC机进行显示与分析。d.连续测量模式启动时，地下水自动定深原位采样装置将完成水位埋深，特定深度的水温、pH值以 及电导率的长时间连续测量。由键盘选择连续测量工作模式、输入水深和测量时间，测量时 间信息将由采样机控制装置12发送至采样器控制装置21。当采样器2到达指定深度前，工作过程与自动取样模式一致。到达指定深度后，采 样器2开始测量温度、pH值和电导率三种水质参数，并将测得的参数传输至采样机控制装 置12 ；采样机控制装置12将水质参数与测量时刻进行存储，并将参数值实时显示在控制 面板的LCD上；此时还可通过键盘选择将各水质参数随时间变化的实时曲线绘制出来，进 行直观显示。测量时间到，采样器2停止测量，同时向采样机控制系统发出测量完成信号。蜂鸣 器报警，采样机控制装置12将启动电机，提升采样器2，此过程与自动取样模式相同。连续测量模式过程结束，测量的数据通过RS485方式传输给采样机控制装置12并 进行存储，同时也可经过采样机1串口上传至PC机进行显示与分析。
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权利要求水样自动原位采集分析仪，它包括取样器，其特征在于它还包括采样机(1)、跨绕采样机电缆的采样支架(3)以及连接在电缆自由端包含取样器的采样器(2)；所述采样机(1)包括固定连接在机械底座(11)上的减速电机(13)、绞线盘(14)、滑轮(17)和编码器(16)和与减速电机(13)、编码器(16)电连接的采样机控制装置(12)，编码器(16)与滑轮(17)轴向连接，减速电机(13)与绞线盘(14)轴向连接；所述取样器作为采样器(2)的一部分位于采样器(2)内，采样器(2)还包括设置在取样器取样桶外壁上的固定夹(28)以及通过固定夹(28)连接的传感器和与传感器电连接的采样器控制装置(21)。
2.根据权利要求1所述的水样自动原位采集分析仪，其特征在于所述采样器控制装置 (21)位于采样器(2)底层，底层与取样器(2)之间设置有隔板。
3.根据权利要求1所述的水样自动原位采集分析仪，其特征在于所述传感器采用水位 传感器(24)、温度传感器(25)、pH值电极(26)和电导率电极(27)。
专利摘要本实用新型公开了一种地表水地下水自动定深原位采样装置，包括采样机、控制面板、跨绕采样机电缆的采样支架以及连接在电缆自由端的采样器；采样机与采样器均设置有控制装置，控制装置间可实现取样过程的自动控制。控制系统设有自动和手动工作模式，自动模式时无需人工干预，全自动完成取样过程，可准确采集预定深度水样并做时间记录；采样支架采用简单合理的硬件组装结构，方便携带，易于拆装；可实现预定深度原位采集水样，避免了水样与外界大气系统或不同层位水体接触，减少了挥发性组分损失，大大降低了取样过程交叉污染，同时可进行水样物理参数和水质参数的原位测量并自动存储传输读取参数，可分别测量不同深度与同一位置不同时刻的水质参数。
文档编号G01N1/10GK201653744SQ200920254868
公开日2010年11月24日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者刘景涛, 孙继朝, 张玉玺, 陈玺, 韩双平 申请人:中国地质科学院水文地质环境地质研究所