一種自動(dòng)上浮式定深采水裝置的設(shè)計(jì)

金志遠(yuǎn)，曹露，李強(qiáng)，趙西增，段瑋瑋

（浙江海洋大學(xué)a.船舶與海運(yùn)學(xué)院；b.海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316022）

0 引言

隨著工業(yè)化的不斷推進(jìn)，環(huán)境污染對人類生活的影響日益嚴(yán)重，其中水污染、海洋環(huán)境污染等問題尤為凸出，對湖泊、河流、海洋等水域的水質(zhì)檢測、生物采集、微塑料采樣等就顯得尤其重要。獲取具有代表性的樣本是進(jìn)行研究的首要步驟，同時(shí)也是樣本檢測與管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。在此過程中大部分情況都需要人們?nèi)ガF(xiàn)場使用采水裝置來收集所需樣本，然后在現(xiàn)場進(jìn)行簡單過濾或者直接帶回實(shí)驗(yàn)室并用特定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行研究分析。根據(jù)水樣的采集要求，有時(shí)候需要在不同深度依次進(jìn)行采樣，以此來獲取梯度剖面的現(xiàn)場水體信息，以保證分析結(jié)果的統(tǒng)一性、規(guī)范性和類比性[2]。

國內(nèi)目前大部分使用的采水裝置是通過所釋放的纜繩來確定裝置在水里的下放深度，由于所綁的纜繩可能會(huì)受到水流和人為因素的影響，因此會(huì)導(dǎo)致裝置并沒有到達(dá)我們所需的深度或者超出了深度范圍。大型CTD和玫瑰采水器的組合可以很好地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定壓采水，但是設(shè)備體積龐大，不適合在水庫、湖泊等復(fù)雜地形進(jìn)行采水，因此并不適合大范圍的推廣[3]；目前大部分采水裝置采集完畢時(shí)，人們會(huì)通過所系的纜繩來把整個(gè)裝置慢慢地從水下提出水面，這樣會(huì)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。當(dāng)然也有一些采水裝置可以通過船上的絞車來進(jìn)行回收，但是這樣的采水裝置大部分都比較龐大且厚重，不適用于小型船只。

因此設(shè)計(jì)一款能夠在不同水深進(jìn)行精確采水且能自動(dòng)上浮的采水裝置就顯得十分重要。本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)上浮式定深采水裝置通過壓力傳感器來確定采水深度，裝置外殼上附有負(fù)壓采水袋，當(dāng)在預(yù)設(shè)深度采集完水樣后，通過單片機(jī)將氣體存儲(chǔ)罐里的氣體釋放出來并進(jìn)入氣囊，從而帶動(dòng)整個(gè)采水裝置上浮，具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、便利等優(yōu)點(diǎn)。

1 定深采水裝置的設(shè)計(jì)

自動(dòng)上浮式定深采水裝置包括主殼體、負(fù)壓采水袋、氣體存儲(chǔ)罐及氣囊等部分。主殼體內(nèi)設(shè)置有以STM32單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括LCD顯示模塊、電源模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、按鍵模塊、北斗定位模塊及壓力傳感器模塊。LCD顯示模塊采用了LCD1602液晶顯示器，在準(zhǔn)備階段設(shè)置采水的深度時(shí)，能通過該顯示器直觀地顯示工作數(shù)據(jù)；電磁閥驅(qū)動(dòng)電路分別控制2個(gè)電磁閥，電磁閥一控制氣體存儲(chǔ)罐的氣體釋放，電磁閥二控制負(fù)壓采水袋入水口的開閉；按鍵模塊選擇了能節(jié)省I/O口資源且用途更廣的矩陣鍵盤；北斗定位模塊可用于標(biāo)記采水裝置的位置,方便進(jìn)行裝置回收；殼體外的壓力傳感器用來測定不同水深中的壓力，將實(shí)時(shí)的水壓數(shù)據(jù)通過電信號傳送給單片機(jī)，然后通過壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換來換算水深。該控制系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)整體框圖

負(fù)壓產(chǎn)生裝置選擇負(fù)壓引流球、負(fù)壓波紋管或真空負(fù)壓瓶，這種負(fù)壓環(huán)境可以在船上或者岸上時(shí)通過手動(dòng)來產(chǎn)生，方便快捷，負(fù)壓采水袋可以多次利用，以避免浪費(fèi)。如圖2所示，該負(fù)壓采水袋分別設(shè)置了入水管4、出水管1及連通管6。入水管4位于采水袋的上部，電磁閥二設(shè)置于入水管4處；出水管1位于采水袋的下部；連通管6與負(fù)壓產(chǎn)生裝置連接，在連通管6上設(shè)置了一個(gè)閥門7，當(dāng)想要產(chǎn)生負(fù)壓環(huán)境時(shí)就打開閥門，形成負(fù)壓后再關(guān)閉閥門。該裝置主殼體的截面設(shè)置為圓形，負(fù)壓采水袋環(huán)繞殼體的外壁緊緊貼合。如圖3所示，沿著主殼體的豎直方向分別在外壁的上下兩端設(shè)置了2個(gè)卡接管，負(fù)壓采水袋的入水管4與外壁上端的卡接管一12相連通，出水管1與外壁下端的卡接管二14連通。主殼體的外壁上還設(shè)置了一條夾縫8，該夾縫的間隙不能小于負(fù)壓采水袋的入水管與出水管的管徑且不能大于連通管的管徑。在安裝時(shí)，將采水袋的2個(gè)進(jìn)出水管穿過夾縫與2個(gè)卡接管連接好，而連通管并不穿過夾縫，放置于夾縫的另一邊。這樣在采集水樣時(shí)，就不會(huì)因?yàn)椴伤b滿水而導(dǎo)致脫落。如此設(shè)計(jì)簡單方便，利于采水袋的多次利用，提高了裝置的穩(wěn)定性。

圖2 負(fù)壓采水袋結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 裝置的仰視圖

圖5 主殼體的剖面圖

該裝置的主殼體內(nèi)設(shè)計(jì)了2個(gè)腔體，以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)放置于下腔體內(nèi)，整個(gè)控制模塊可拆卸，便于在矩陣鍵盤上進(jìn)行設(shè)置；如圖3所示，氣體存儲(chǔ)罐11放置于上腔體中，在存儲(chǔ)罐的出口處外接氣囊10，存儲(chǔ)罐與氣囊之間連接了電磁閥一。主殼體的上腔體內(nèi)設(shè)置有內(nèi)螺紋，氣體存儲(chǔ)罐的外壁開設(shè)有外螺紋，內(nèi)螺紋與外螺紋結(jié)合，使氣體存儲(chǔ)罐在上腔體內(nèi)能夠不受水流影響而晃動(dòng)。

2 定深采水裝置的工作原理

當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)備采集水樣時(shí)，先在岸上或者作業(yè)船上對裝置進(jìn)行例行檢查，觀察各部分是否正確連接及能否正常開機(jī)工作。首先通過矩陣鍵盤向控制系統(tǒng)輸入想要采集水樣的深度數(shù)據(jù)及采樣時(shí)長t，然后將整個(gè)裝置放入水中，通過自身的重力作用，使它慢慢下沉。當(dāng)裝置所處的深度h2與預(yù)設(shè)深度h1相差Δh時(shí)，單片機(jī)控制電磁閥一打開，氣體存儲(chǔ)罐開始將氣體釋放到氣囊中（氣體釋放初期，此時(shí)裝置的重力作用大于所受到的浮力，裝置繼續(xù)緩慢下沉）；當(dāng)裝置所處的深度h2與預(yù)設(shè)深度h1相差為0時(shí)，單片機(jī)控制電磁閥二打開，然后負(fù)壓采水袋開始進(jìn)水，經(jīng)預(yù)設(shè)時(shí)間t后關(guān)閉電磁閥二（采水完畢），此時(shí)充滿氣體的氣囊給整個(gè)裝置帶來的浮力大于裝置整體的重力，采水裝置開始上浮，直到漂浮露出水面，最后通過遠(yuǎn)程定位終端與主殼體內(nèi)的北斗定位系統(tǒng)相連接來確定裝置所處的位置，進(jìn)行打撈回收，則預(yù)定地點(diǎn)的定深采水工作完成。

3 定深采水裝置的可行性分析

3.1 技術(shù)可行性分析

該定深采水裝置是通過壓力傳感器受到的實(shí)時(shí)壓力計(jì)算得出水深，同時(shí)利用單片機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)水樣采集及裝置的自動(dòng)上浮。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，通過壓力傳感器將信號傳送到系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路相連接，可通過單片機(jī)輸出信號控制2個(gè)電磁閥的開閉（電磁閥作為氣體釋放與水樣流入的閥門），解決了人工手動(dòng)啟閉的問題，實(shí)現(xiàn)了裝置的自動(dòng)化。電磁閥動(dòng)作時(shí)間短，提高了采水動(dòng)作的可靠性和準(zhǔn)確性[4]。

該裝置的定深采水與自動(dòng)上浮技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)，整個(gè)過程中自動(dòng)化程度高，人工參與度低，所以該裝置具備技術(shù)可行性。

3.2 結(jié)構(gòu)可行性分析

該裝置主要由帶有控制系統(tǒng)的主殼體、負(fù)壓采水袋、氣體存儲(chǔ)罐和氣囊等主要部件組成。氣體存儲(chǔ)罐與氣囊常見于水下救生設(shè)備，其他零部件皆可在市場上選到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件。

該裝置的組成部件少，結(jié)構(gòu)簡單。與傳統(tǒng)的采樣設(shè)備相比，該裝置體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶與回收，所以該裝置具備結(jié)構(gòu)可行性。

3.3 操作可行性分析

該裝置的工作步驟：1）工作前準(zhǔn)備，在岸邊或者船上檢查設(shè)備能否正常啟動(dòng)，各零部件是否已安裝牢固；2）通過矩陣鍵盤向系統(tǒng)輸入預(yù)設(shè)的采水深度以及采樣時(shí)長；3）下放裝置，當(dāng)裝置到達(dá)預(yù)設(shè)深度范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)控制氣體存儲(chǔ)罐的電磁閥一打開；4）單片機(jī)控制負(fù)壓采水袋的電磁閥二打開，開始采集水樣；5）達(dá)到采樣時(shí)長后，關(guān)閉電磁閥二，裝置受到的浮力大于重力，裝置上??；6）裝置漂浮到水面，根據(jù)北斗定位找到裝置，進(jìn)行打撈回收。

根據(jù)裝置的工作步驟分析，該裝置的人工操作步驟少，工作過程中自動(dòng)化程度高，與傳統(tǒng)的采樣設(shè)備相比，操作簡單、便于回收，所以該裝置具備操作可行性。

3.4 經(jīng)濟(jì)可行性分析

該裝置用到的單片機(jī)與傳感器等電子元器件價(jià)格便宜、穩(wěn)定性高、使用壽命長，負(fù)壓采水袋可重復(fù)利用，減少了損耗，避免了不必要的浪費(fèi)。該裝置不僅可以應(yīng)用于小型船只在湖泊、河流等水域的采樣工作，也可用于大型的科考船。以STM32單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)在保證裝置穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了定深自動(dòng)采水與自動(dòng)上浮功能，節(jié)省了人力物力，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益[5]，所以該裝置具備經(jīng)濟(jì)可行性。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有傳統(tǒng)采樣裝置的缺陷，設(shè)計(jì)出一種帶自動(dòng)上浮功能的定深采水裝置，介紹了該裝置的設(shè)計(jì)要求與工作原理，并從技術(shù)、結(jié)構(gòu)、操作、經(jīng)濟(jì)方面論述了裝置的可行性。

當(dāng)該裝置到達(dá)預(yù)設(shè)深度時(shí)，能夠自動(dòng)打開采水袋閥門進(jìn)行水樣采集，采集完畢后，能夠自動(dòng)上浮至水面并等待打撈回收。與傳統(tǒng)采樣裝置相比，該裝置操作簡單、體積小、容易攜帶、造價(jià)較低、自動(dòng)化程度較高、方便回收，在整個(gè)使用過程中省時(shí)省力。