专利名称：一种实时水样采集系统及其采集方法
技术领域：
本发明属于痕量分析化学与环境科学领域，尤其涉及一种实时水样采集系统及其采集方法。
背景技术：
采集天然水样样本(包括河流、湖泊、海洋等)，并对其各项物理和化学指标进行分析，是针对天然水样的物理、化学、生物，以及环境科学研究的重要内容。天然水样中介质的复杂性对样品采集和分析的精确性和准确性有很高的要求。采集到无沾污的水样样品是真实反映样品特征的必须前提条件，也就对采水系统提出了更高要求。目前市售的采水系统绝大多数属于定点采水类型，即在岸边或船舶停止状态下，通过固定绳索和采水器的连接、下放、回收，通过机械或电信号触发而实现预定深度的水样采集。过去几十年中这一技术已经有了明显改进，如Go-Flo或Niskin可将温盐深测量仪与采水器捆绑，实现精确的 采样深度控制，并借助铠装电缆实现自动取样。但是针对表层水样本的采集，由于存在着诸如船体沾污、表层水污染等问题，已有的采水系统不能满足无沾污、连续采集样品的需求。近年来，国内有发明报道一些拖曳式走航采水器，包括利用拖体中的传感器及潜水泵实现采水深度可控的连续水样采集装置，但均无法克服水样品采集过程中的潜在沾污问题，且无法实时获得样品采集过程中船舶走航轨迹，以及温度、盐度等重要的水文参数。
发明内容
本发明提出了一种实时水样采集系统，包括拖体，其置于采样水域中；采水管，其进水端设置在所述拖体的前端，其用于从采样水域中传输水样；采水装置，其与所述采水管的出水端连通；所述采水装置通过所述采水管从采样水域中采集水样；水文参数探测器，其设置在所述拖体内部，用于探测所述采样水域的水文参数；定位装置，其用于获取所述采样水域的地理位置信息；所述系统在采集水样的同时实时采集了所述采样水域的水文参数和地理位置信
肩、O其中，所述采水管的进水端从所述拖体的前端伸出。其中，所述采水管中内衬特氟龙材料涂层。其中，进一步包括支撑结构；所述支撑结构一端设置在船体上，另一端固定连接并牵引所述拖体，所述支撑结构使所述采水管的进水端与所述船体保持距离。其中，所述采水管的进水端距离船体至少5米。其中，进一步包括数据处理器；所述数据处理器与所述水文参数探测器及所述定位装置实现信号连接，所述数据处理器用于实时记录所述水文参数探测器测得的水文参数和所述定位装置获得的地理位置信息。
其中，所述采水装置包括储水罐，其与所述采水管连通，存储从所述采水管采集的水样；气密两通阀，其与所述储水罐连接，控制所述储水罐的气密性；排水两通阀，其与所述储水罐连接，控制所述储水罐输送其中的水样；样品瓶，相对所述排水两通阀设置，存储从所述储水罐中输出的水样；真空泵，其利用抽水管经过三通阀与所述储水罐连通，用于将水样通过所述采水管抽提入所述储水罐中；蠕动泵，其利用所述抽水管通过所述三通阀与所述储水罐连通，虹吸抽提水样。
其中，所述采水装置中，所述抽水管中内衬特氟龙材料涂层；所述气密两通阀、排水两通阀和三通阀均由特氟龙材料制成。其中，所述采水装置进一步包括水样检测器，其设置在所述真空泵与所述三通阀之间，用于检测水样是否已流过所述三通阀。进一步地，所述采水装置放置在船舶的洁净环境中，避免采水过程中因采水装置的不洁环境对水样造成污染。本发明还提出了一种实时水样采集方法，包括步骤一将所述采水管的进水端与所述水文参数探测器置于被采样水域中，利用所述水文参数探测器实时探测所述被采样水域的水文参数，利用所述定位装置实时获取所述被采样水域的地理位置信息，直至所获得的水文参数及地理位置信息符合采样要求；步骤二 启动所述采水装置通过所述采水管的进水端从所述被采样水域中采集水样，并同时记录采样时的被采样水域的水文参数与地理位置信息。其中，所述步骤一中，将所述采水管的进水端与所述水文参数探测器设置在所述拖体中；所述拖体通过所述支撑结构与船体保持距离并置于所述被采样水域中。其中，所述步骤二中，采集水样的过程包括步骤Al :关闭所述气密二通阀与排水二通阀，开启所述真空泵通过所述采水管抽提水样输送至所述储水罐中；步骤A2 :当所述水样检测器检测到水样通过所述抽水管流经所述三通阀时，切换所述三通阀连通所述蠕动泵与储水罐，并开启所述蠕动泵，所述蠕动泵通过虹吸作用继续抽提水样；步骤A3 :关闭所述三通阀与蠕动泵，开启所述气密二通阀与排水二通阀，所需要采集的水样通过所述排水二通阀流入所述样品瓶中。其中，在所述步骤一之前，对所述采水管、储水罐和样品瓶进行酸洗与清洗。本发明提出的实时水样采集系统，是一种动态连续采水的拖曳走航泵抽提式适用于痕量分析的采水系统，能够在船舶走航状态下进行水样采集，实时记录在走航采样过程中的船舶走航轨迹，同时实时监测温度、盐度、深度等水文参数，适用于天然水体中痕量元素的采集和分析。本发明的有益效果包括，采水管与抽水管的管内壁均采用特氟龙涂层，气密二通阀以及排水二通阀也均采用特氟龙材料制成。特氟龙材料为表面吸附很小的适用于痕量分析的材料，经过严格清洗后保证其表面尽可能不附着污染物。其次，采水管、储水罐以及样品瓶在抽水前经过严格的痕量分析化学标准进行严格清洗，保证不会对水样造成沾污。另，本发明利用从船体向外延伸的支撑结构，使拖体远离船体，保证采集水样的过程中不会受到船体航行中溅起的波浪、船舶发动机冷却水和生活污水给水样造成污染。再者，本发明将水文参数探测器安装设置在拖体的内部，优选地，水文参数探测器为温盐深探测器，例如，温盐深(CTD)传感器，可以连续探测并采集拖体所在水域中水样的温度、盐度与深度等水文参数，从而使本发明在采集水样过程中对水样的参数进行实时监测，克服了现有技术对测定水域水文参数和采集水样分离的技术问题。此外，本发明中将采水管的进水端(采水口)设置延伸出拖体之外，从而保证了采集的水样不会受到拖体的污染。在拖体被船体牵引与拖曳的过程中，即在船体行进过程中，定位系统可连续地实时采集船体所处位置的定位信息，并将该定位信息记录在数据处理器中，同时，设置在拖体中的水文参数探测器所测得的水文参数也同时被记录在数据处理器中，即在采集水样过程中，在采集水样的同时完成了对水样采集地点的水文参数以及地理位置信息的采集和记录。本发明在采集水样同步进行实时温度、盐度、深度等水文数据监测，并通过全球定位系统以及数据采集获得实时、同步的采水走航轨迹。本发明既满足尽可能地无污染采样和动态连续采样的要求，又在此 基础上提供了详细的实时水文信息与走航轨迹。
图I表示本发明实时水样采集系统的结构示意图。图2表示本发明实时水样采集系统中的拖体的示意图。图3表示本发明实时水样采集系统中的支撑结构的示意图。图4表示本发明实时水样采集系统中的采水装置的示意图。图5表示本发明实时水样采集系统中的数据处理器、水文参数探测器和定位装置的连接示意图。图6表示本发明实时水样采集方法的流程图。图7表示本发明中的采水装置、支撑结构和拖体的示意图。
具体实施例方式结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。如图I至图6中，I-拖体，11-舌形接口，12-吊环柄，13-通孔，14-十字形尾翼，15-可拆卸结构，16-提手，2-支撑结构，21-支撑吊臂，22-钢缆，3-采水装置，31-储水罐，32-气密两通阀，33-排水两通阀，34-样品瓶，35-真空泵，36-三通阀，37-蠕动泵，38-抽水管，39-水样检测器，4-水文参数探测器，41-电缆，42-电源，5-定位系统，6-数据处理器，7_米水管。图I显示的是本发明实时水样采集系统的结构图。本发明实时水样采集系统包括拖体I、采水装置3、水文参数探测器4、定位装置5与采水管7。采水管7的进水端置于被采样水域中，采水装置3通过采水管7可以采集水域中的水样。水文参数探测器4置于被采样水域中，实现在采样水样的同时探测水域中的水文参数。定位装置5 (例如GPS系统)安装在船体上，获取船体即被采样水域的地理位置信息。采集水样、采集水文参数、获取定位信息可同时进行。本发明实时水样采集系统还进一步包括支撑结构2、数据处理器6。图2是拖体I结构示意图。拖体I采用不锈钢等耐腐蚀的鱼雷形结构，内部为中空，拖体I放置入被采样水域中。拖体I中设置有采水管7，用于采集水样。设置在采水管7末端的进水端(采水口)延伸出拖体I前端之外，伸出一定距离，例如5厘米，以保证可以无沾污地从拖体I所在水域中采集水样。优选地，拖体I的前端设有舌行接口 11，舌行接口 11向外延伸。吊环柄12安装在拖体I的上表面，通过吊环柄12与支撑结构2固定连接牵引拖体I。拖体I的上表面设置通孔13，拖体I通过在通孔13中设置采水管7与电缆41分别与采水装置3及船体连接。拖体I的尾部安装有可拆卸的十字形尾翼14，十字形尾翼14调整及调整拖体I在水中的拖曳姿态。可拆卸结构15设置在拖体I的底部，用于固定水文参数探测器4。拖体I的上表面还设有两个不锈钢的提手16，便于收放与搬运拖体
I。拖体I中设置有水文参数探测器4。 图3显示的是支撑结构2的示意图。支撑结构2 —端固定在船体侧边，另一端与拖体I连接，在船体行进过程中拖体I受船体的牵引拖曳。并且，支撑结构2自船体向外延伸，使拖体I与船体保持一定距离，避免拖体I贴近船体。支撑结构2包括支撑吊臂21和钢缆22。支撑吊臂21采用不锈钢等耐腐蚀、高强度结构。优选地，采用“T”型框架结构的支撑吊臂21，框架中部设有旋转固定结构，框架底部设有固定板。“T”型支撑吊臂21由垂直支柱和水平支柱构成。垂直吊臂焊固定接于船体，水平支柱通过焊接和钢缆22固定在垂直吊臂并水平伸出船体一段距离，例如约5m。支撑结构2的伸出船舷的水平支柱确保了固定安装有采水管7的拖体I可运行在船体引发的波浪之外，从而保证了采集的水样样品的能够适用于痕量分析。图4显示的是采水装置3的示意图。采水装置3包括由聚甲基丙乙烯甲酯(有机玻璃)注塑而成的储水罐31，气密两通阀32、排水两通阀33、真空泵35、蠕动泵37、样品瓶34、三通阀36、以及抽水管38。采水管7进水端自拖体I的舌形接口 11中，从拖体I内部延伸出拖体I前部大于5cm。采水管7出水端连接置于船舶的洁净环境中(例如百级洁净工作台)储水罐31的进水口。真空泵35的吸气口与储水罐31的出水口通过三通阀36连接。在本发明实施过程前，采水管7，样品瓶34，储水罐31，气密两通阀32、排水两通阀33、样品瓶34、三通阀36、以及抽水管38的材料均为低表面吸附以及低痕量元素含量的材料，并经过酸洗、清洗等痕量分析标准进行清洗，确保了整个系统的无沾污的特性。在实施过程中采水装置3置于船舶的洁净环境中(如百级洁净工作台)。泵体(如真空泵、潜水泵等)通�：薪鹗�、金属镀膜的部件，无法按照痕量分析的标准进行清洗，如果样品采集过程中，水样品接触泵体则势必会造成样品的沾污，影响分析结果以及对研究水域化学背景的判断。本发明的水样品的储水罐31置于真空泵35和蠕动泵37前端，所获取的水样品均不会与泵体有任何的接触，保证了样品采集尽可能地避免沾污来源。当采用后置设计的真空泵35运作时，应用泵体改变储水罐的真空度，将水样直接抽提至储水罐31，避免样品与真空泵35接触而产生沾污。蠕动泵37的吸水动力相对于真空泵35较差，吸水速率较低。当系统达到了真空，并有水持续通过蠕动泵37时则由于水的虹吸作用，蠕动泵37能将水持续的泵入储水罐31中，保证样品的连续采集。
图5显示的是本发明的数据处理器与水文参数探测器和定位装置的连接示意图。包括水文参数探测器4、电缆41、数据处理器6、定位装置5 (DGPS)、电源42。定位装置5 (DGPS)的天线及接收机安装在船舶顶部，实时获取船舶航行轨迹数据并通过电缆41传至数据处理器6。优选地，定位装置5可以通过无线通信将船舶航行轨迹数据传输至数据处理器6。水文参数探测器4为CTD传感器，固定设置在拖体I腔内的可拆卸结构15中，用于获取水文参数数据，置于采水管7进水端后方。水文参数探测器4与电缆41连接，电缆41向水文参数探测器4供电并将水文参数的数据返回传输至数据处理器6。优选地，水文参数探测器4可以通过无线通信将水文参数传输至数据处理器6。电缆41包括分差电缆。分叉电缆也将CTD传感器获数据传至数据数据处理器6。电源42由12V直流电瓶或船载电源提供，可以支持系统24小时不间断工作。数据处理器6保存水文参数探测器4与定位装置5在采集过程中的水文参数的数据与地理位置信息。本实施例中，数据处理器6通过数据采集软件(例如，HYPACK导航采集软件)，通过安装设置设备驱动将CTD传感器及全球定位系统(DGPS)的信号接入HYPACK软件，设置实现同步数据采集。HYPACK软件能够在采水装置3采集水样品的同时，实时获取船舶走航过程中的实时航行轨迹及航行中的同步水样 的温度、盐度、深度等数据。本发明适用于天然水体中痕量元素的分析，通过船体甲板的真空泵35和三通阀36控制采水过程，在船舶走航状态下可进行高密度、连续水体样品采集，采集水样品的航行轨迹数据及实时CTD数据由数据处理器6中的数据采集软件获取。本发明可通过所得到的实时CTD信息、同步航行轨迹数据，以及采水装置3的操作选择采集与研究所需的水体样本，这样可以提高样品采集效率，缩短船时。本发明中，实时CTD信息可以精确反映采水装置3的采水管7入水口的入水深度，可以通过调整船舶走航速度，调节牵引用钢缆22的长度等手段达到控制样品采集深度的目的。本发明中，拖体采用不锈钢等耐腐蚀材料，鱼雷形的结构可以减少在水中的拖曳阻力。本发明中，应用真空泵35抽吸采集水样，采水完成后水样与外界密封，水样品的收集在置于船舶的百级洁净环境中进行，采水过程能够满足痕量分析的要求。本发明中，储水罐31采用有机玻璃材料，采水管7采用内衬特氟龙的聚乙烯材料，使得采水装置3适合在海水的腐蚀环境运行，也更加适合无沾污地样品采集。图6显示的是本发明实时水样采集方法。采集水样前对采水装置3中的各部件以痕量分析化学标准进行清洗，保证采水装置3不沾污地采集水样。将采水管7的进水端与水文参数探测器4置于被采样水域中，水文参数探测器4位于采水管7的进水端的后方。水文参数探测器4实时采集被采样水域的水文参数，定位装置5获取被采样水域的地理位置信息，直至水文参数与地理位置信息符合采样要求时，启动采水装置3从采水管7的进水端从被采样水域中采集水样，水文参数探测器4与定位装置5实时获取采样过程中的水文参数与地理位置信息，直到采水装置3完成采集并获取水样时，记录采样过程的水文参数与地理位置信息。例如，河口地区是盐度、温度等水文参数，化学性质变化剧烈的水域。依靠传统的船舶�？浚鞑樗牟问缶龆ㄊ欠窠兴裳姆椒ǎ浅Ｏ拇币约叭肆ψ试�。应用本发明的实时水样采集方法，在船舶走航(即船舶不�？�)的状态下，将采水管7的进水端与水文参数探测器4置于调查水域。可以通过水文参数探测器4获取实时的水文参数，在船舶走航状态下完成对是否采集水样的判断，并通过启动采水装置3完成采集并获取水样，同时定位装置5可获取采样点的地理位置。又例如，在进行开阔大洋的调查中。依靠传统技术，到达预设地理位置的船舶�？浚醒凡杉姆椒ǎ苫袢〉难凡杉阌邢蓿薹ń写白吆阶刺碌昧杉�。应用本发明的实时水样采集方法，在船舶走航状态下，将采水管7的进水端与水文参数探测器4置于调查水域。可以随时启动采水装置3从采水管7的进水端从被采样水域中采集水样，并通过水文参数探测器4与定位装置5实时获取采样过程中的水文参数与地理位置信息。本实施例中具体说明采水装置3的工作流程。采水装置3中的采水管7的进水端设置于拖体I前部大于5cm处，使用扎条以及防水胶带固定。采水管7的出水端连接于有机玻璃材质的储水罐31的入水口连接。储水罐31共有四个开口，分别为入水口、出水口、进气口及排水口。其中，进气口连接气密两通阀32，排水口连接排水两通阀33。采集过程中，将气密两通阀32和排水两通阀33关闭，根据CTD传感器提供的实时水样信息，确定采水点后随即打开真空泵35，切换三通阀36连通抽水管38和真空泵35。在真空泵35的动力下，水体样品通过采水管7逐步注满储水罐31 ;当水样检测器39中开始出现水滴时，表明储水罐31中已充满水样，并且水样已经流经三通阀36。切换三通阀36连通抽水管38和蠕动泵37，并关闭真空泵35。利用蠕动泵37的虹吸作用持续抽提水样。待水样采集完成，关闭三通阀36和蠕动泵37，打开气密两通阀32和排水两通阀33将采水罐31中的水样转 移至样品瓶34中。至此，完成了水样的采集。本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
权利要求
1.一种实时水样采集系统，其特征在于，包括 拖体(I)，其置于采样水域中； 采水管(7)，其进水端设置在所述拖体(I)的前端，其用于从采样水域中传输水样； 采水装置(3)，其与所述采水管(7)的出水端连通；所述采水装置(3)通过所述采水管(7)从采样水域中采集水样； 水文参数探测器(4)，其设置在所述拖体(I)内部，用于探测所述采样水域的水文参数；定位装置(5)，其用于获取所述采样水域的地理位置信息； 所述系统在采集水样的同时实时采集了所述采样水域的水文参数和地理位置信息。
2.如权利要求I所述的实时水样采集系统，其特征在于，所述采水管(7)的进水端从所述拖体(I)的前端伸出。
3.如权利要求I所述的实时水样采集系统，其特征在于，所述采水管(7)中内衬特氟龙材料涂层。
4.如权利要求I所述的实时水样采集系统，其特征在于，进一步包括支撑结构(2);所述支撑结构(2) —端设置在船体上，另一端固定连接并牵引所述拖体(I)，所述支撑结构(2)使所述采水管(7)的进水端与所述船体保持距离。
5.如权利要求4所述的实时水样采集系统，其特征在于，所述采水管(7)的进水端距离船体至少5米。
6.如权利要求I所述的实时水样采集系统，其特征在于，进一步包括数据处理器(6)；所述数据处理器(6)与所述水文参数探测器(4)及所述定位装置(5)实现信号连接，所述数据处理器(6)用于实时记录所述水文参数探测器(4)测得的水文参数和所述定位装置(5)获得的地理位置信息。
7.如权利要求I所述的实时水样采集系统，其特征在于，所述采水装置(3)包括 储水罐(31)，其与所述采水管(7)连通，存储从所述采水管(7)采集的水样； 气密两通阀(32)，其与所述储水罐(31)连接，控制所述储水罐(31)的气密性； 排水两通阀(33)，其与所述储水罐(31)连接，控制所述储水罐(31)输送其中的水样；样品瓶(34)，相对所述排水两通阀(33)设置，存储从所述储水罐(31)中输出的水样；真空泵(35)，其利用抽水管(38)经过三通阀(36)与所述储水罐(31)连通，用于将水样通过所述采水管(7)抽提入所述储水罐(31)中； 蠕动泵(37)，其利用所述抽水管(38)通过所述三通阀(36)与所述储水罐(31)连通，虹吸抽提水样。
8.如权利要求7所述的实时水样采集系统，其特征在于，所述采水装置(3)中，所述抽水管(38)中内衬特氟龙材料涂层；所述气密两通阀(32)、排水两通阀(33)和三通阀(36)均由特氟龙材料制成。
9.如权利要求7所述的实时水样采集系统，其特征在于，所述采水装置(3)进一步包括水样检测器(39)，其设置在所述真空泵(35)与所述三通阀(36)之间，用于检测水样是否已流过所述三通阀(36)。
10.一种实时水样米集方法,其特征在于,包括 步骤一将所述采水管(7)的进水端与所述水文参数探测器(4)置于被采样水域中，利用所述水文参数探测器(4)实时探测所述被采样水域的水文参数，利用所述定位装置(5)实时获取所述被采样水域的地理位置信息，直至所获得的水文参数及地理位置信息符合采样要求； 步骤二 启动所述采水装置(3)通过所述采水管(7)的进水端从所述被采样水域中采集水样，并同时记录采样时的被采样水域的水文参数与地理位置信息。
11.如权利要求10所述的实时水样采集方法，其特征在于，所述步骤一中，将所述采水管(7)的进水端与所述水文参数探测器(4)设置在所述拖体(I)中；所述拖体(I)通过所述支撑结构(2)与船体保持距离并置于所述被采样水域中。
12.如权利要求10所述的实时水样采集方法，其特征在于，所述步骤二中，采集水样的过程包括 步骤Al :关闭所述气密二通阀(32)与排水二通阀(33)，开启所述真空泵(35)通过所述采水管(7)抽提水样输送至所述储水罐(31)中； 步骤A2 :当所述水样检测器(39)检测到水样通过所述抽水管(38)流经所述三通阀(36)时，切换所述三通阀(36)连通所述蠕动泵(37)与储水罐(31)，并开启所述蠕动泵(37)，所述蠕动泵(37)通过虹吸作用继续抽提水样； 步骤A3 :关闭所述三通阀(36)与蠕动泵(37)，开启所述气密二通阀(32)与排水二通阀(33)，所需要采集的水样通过所述排水二通阀流入所述样品瓶(34)中。
13.如权利要求10所述的实时水样采集方法，其特征在于，在所述步骤一之前，对所述采水管(7)、储水罐(31)和样品瓶(34)进行酸洗与清洗。
全文摘要
本发明公开了一种实时水样采集系统，包括拖体，其置于采样水域中；采水管，其进水端设置在拖体的前端；采水装置，其与采水管的出水端连通，通过采水管采集水样；水文参数探测器，其探测采样水域的水文参数；定位装置，其用于获取采样水域的地理位置信息。本发明能够采集适用于痕量分析的水样，能够在船舶走航状态下连续工作并实时记录水样的水文数据与定位信息。本发明还提出了一种实时水样采集方法。本发明在采集水样同步进行实时温度、盐度、深度等水文数据监测，并通过全球定位系统以及数据采集获得实时、同步的采水走航轨迹。本发明既满足适用于痕量分析的采样和动态连续采样的要求，又在此基础上提供了详细的实时走航轨迹与水文信息。
文档编号G01D21/02GK102967490SQ20121048060
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者张瑞峰, 顾靖华, 张经, 薛云 申请人:华东师范大学
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