【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地表水采样，特别是涉及一种自适应变比例地表水采样器及其控制方法。
技术介绍
1、随着社会的进步和经济的发展，水体污染的问题日益严峻，准确地获取河湖等地表水各项物理、化学、生物指标能够为地表水环境评价及预警提供可靠的依据。作为其中重要的一环，如何精确高效地采集具有代表性水样是水样智能采集研究领域的重要课题之一。
2、当前地表水采样领域中，采样装置类型主要分为两种，手动式和智能式。手动式采样器是通过各种机械零件的组合而形成整体结构，其形状、大小和采样原理各不相同，但都需要人工实时操作取样；智能式采样器是通过单片机等电子元件实现智能控制，利用物联网通信技术实现用户端与客户端之间的指令发送与数据传输。二者相比，手动式采样器具有便携、成本低廉、制作工艺简单等优点，但同时也存在工作效率低、劳动强度高、时间成本大等问题；智能式采样器具有易控制、高效率、适应性强等优点，用户通过远程客户端发送指令，采样器就可以根据用户设定的采样量、采样频率等各种参数而进行自动采样，适应于用户在不同场景下的不同需求，是未来采样器发展的主要方向。如中国专利公开号为cn108709771a的专利技术专利公开了一种用于农业面源污染监测的连续性水样采集器及其监测方法，实现了根据径流流量进行等比例采样。
3、然而对于大多数水文、农业、环境领域的地表水采样应用场景，降雨是影响地表水径流流量和污染物浓度时间分布的重要因素，虽然如中国专利公开号为cn113702115a的专利技术专利公开的一种定时定量地表雨水径流自动取样装置，通过控制器连接的
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种能够根据降雨预报预测径流量，及时变更采样比例的自适应变比例地表水采样器及其控制方法。
2、技术方案：本专利技术的一种自适应变比例地表水采样器，包括水样采集装置、采样预测装置和云端服务器，所述水样采集装置包括测流装置、水样抽取机构和若干采样瓶，所述抽取机构包括悬臂、水样抽取泵和步进电机，所述悬臂与水样抽取泵出水口连通，另一端出口位于所述采样瓶瓶口正上方，所述步进电机驱动悬臂将水样输送至各采样瓶；所述采样预测装置包括主控板、通信模块和控制器，所述主控板数据输入端与测流装置数据输出端及云端服务器通讯连接，所述主控板数据输出端与控制器通讯连接，所述控制器分别与步进电机和水样抽取泵电连接。
3、进一步的，所述水样采集装置还包括采样箱，所述采样瓶设置于采样箱内，所述采样箱顶部设有密封盖，所述密封盖顶部设有控制箱并开有用于伸入悬臂的通孔，所述采样预测装置、水样抽取泵和步进电机设置于控制箱内，所述悬臂内置中空管道，所述水样抽取泵进水口端设有抽水管，出水口端与悬臂内部中空管道的一端连通，所述悬臂中空管道另一端出水口位于采样瓶瓶口正上方，所述悬臂固定端通过密封盖通孔与步进电机电连接。
4、进一步的，所述采样箱为敞口圆柱壳体，所述密封盖与采样箱直径相等，所述通孔设置于密封盖圆心处，所述采样瓶围绕采样箱轴线环形放置于采样箱中。
5、进一步的，所述测流装置包括测流堰和固定置于待测水体中的水位传感器，所述水位传感器设置于测流堰前。
6、进一步的，所述云端服务器包括降雨预报数据服务模块，数据存储模块、数据处理模块和通信接口，所述通信接口与通信模块连接用于将云端指令发送给采样器进行执行，并将采样器反馈的工况数据返回云端服务器进行解析、储存与预警。
7、进一步的，所述通信模块采用4g dtu连接云端服务器，以mqtt通讯协议进行通信。
8、进一步的，所述主控板包括用于断电走时的计时模块和用于记录日志信息与保存设置的参数的sd卡。
9、进一步的，所述水样抽取泵为蠕动泵，所述主控板数据输出端与控制器连接，所述控制器与步进电机及蠕动泵连接。
10、一种自适应变比例地表水采样器控制方法，其特征在于，使用如上所述的自适应变比例地表水采样器，具体包括以下步骤：
11、s1：现场安装调试本装置，检查电量、电压、采样瓶容量及采样状态，主控板的计算程序中提前载入安装地点水体的降雨径流模型；
12、s2：装置开机后，在系统内设置测流装置的量程，根据实际选择的测流装置的测流堰类型录入测流参数；
13、s3：设定采样模式与参数：用户选择变比例采样模式，并输入单个采样瓶承接混合水样的时长；
14、s4：主控板通过通信模块连接云端，同步时间并获取采样点一周内高时间分辨率的降雨预报，根据降雨预报与内置的当地降雨径流模型预估未来各时段的径流量(q)，进一步根据采样瓶的固有有效容量(v)、用户设定的单瓶采样时长(t)，计算单个采样瓶的采样比例(r)，计算方式为：r＝v/qt；
15、s5：主控板开始根据实测径流量和采样比例计算抽取泵的取样流量，并调整控制器参数，使抽取泵按照计算的流量进行取样，在每个时长t内，维持该采样比例和取样流量，后续采样瓶的采样比例根据最新的降雨预报结合降雨径流模型更新，直到最后一个采样瓶装满，完成本次采样任务。
16、进一步的，所述用户设定的单瓶采样时长支持每个采样瓶在使用前单独设置和修改。
17、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术能实现地表径流流量的高频监测与变比例采样，利于准确监控径流中泥沙、氮磷等元素、微生物种群等流失情况并计算流失总量；(2)本专利技术将未来短中期降雨预报结合降雨径流模型，预估未来径流量，并根据预估的径流量科学调整采样比例，合理安排采样瓶的使用，最大限度发挥有限个采样瓶的价值，同时可以使各个采样瓶采样时长基本一致，利于后期数据分析，使采样分析工作更具有实际参考意义；(3)本专利技术能够自主设定采样周期以及采样数量并实现自动采样，无需用户亲自前往待研究水体地区进行采样操作，采样瓶即将用完时发出指令通知用户更换采样瓶，有效解决了野外工作劳动强度大，时间成本高等问题，具有自动化作业、低成本、高效率的特点。
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1.一种自适应变比例地表水采样器，其特征在于，包括水样采集装置、采样预测装置(10)和云端服务器(11)，所述水样采集装置包括测流装置(1)、水样抽取机构和若干采样瓶(8)，所述抽取机构包括悬臂(5)、水样抽取泵(6)和步进电机(7)，所述悬臂(5)与水样抽取泵(6)出水口连通，另一端出口位于所述采样瓶(8)瓶口正上方，所述步进电机(7)驱动悬臂(5)将水样输送至各采样瓶(8)；所述采样预测装置(10)包括主控板(13)、通信模块(12)和控制器，所述主控板(13)数据输入端与测流装置(1)数据输出端及云端服务器(11)通讯连接，所述主控板(13)数据输出端与控制器通讯连接，所述控制器分别与步进电机(7)和水样抽取泵(6)电连接。
2.根据权利要求1所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述水样采集装置还包括采样箱(2)，所述采样瓶(8)设置于采样箱(2)内，所述采样箱(2)顶部设有密封盖(3)，所述密封盖(3)顶部设有控制箱(4)并开有用于伸入悬臂(5)的通孔，所述采样预测装置(10)、水样抽取泵(6)和步进电机(7)设置于控制箱(4)内，所述悬臂(5)内置中
3.根据权利要求2所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述采样箱(2)为敞口圆柱壳体，所述密封盖(3)与采样箱(2)直径相等，所述通孔设置于密封盖(3)圆心处，所述采样瓶(8)围绕采样箱(2)轴线环形放置于采样箱(2)中。
4.根据权利要求1所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述测流装置(1)包括测流堰和固定置于待测水体中的水位传感器，所述水位传感器设置于测流堰前。
5.根据权利要求1所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述云端服务器(11)包括降雨预报数据服务模块，数据存储模块、数据处理模块和通信接口，所述通信接口与通信模块(12)连接用于将云端指令发送给采样器进行执行，并将采样器反馈的工况数据返回云端服务器(11)进行解析、储存与预警。
6.根据权利要求5所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述通信模块(12)采用4G DTU连接云端服务器(11)，以MQTT通讯协议(14)进行通信。
7.根据权利要求1所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述主控板(13)包括用于断电走时的计时模块和用于记录日志信息与保存设置的参数的SD卡。
8.根据权利要求1所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述水样抽取泵(6)为蠕动泵，所述主控板(13)数据输出端与控制器连接，所述控制器与步进电机(7)及蠕动泵(6)连接。
9.一种自适应变比例地表水采样器控制方法，其特征在于，使用如权利要求1-9所述的自适应变比例地表水采样器，具体包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种自适应变比例地表水采样器控制方法，其特征在于，所述用户设定的单瓶采样时长(T)支持每个采样瓶在使用前单独设置和修改。
...【技术特征摘要】
1.一种自适应变比例地表水采样器，其特征在于，包括水样采集装置、采样预测装置(10)和云端服务器(11)，所述水样采集装置包括测流装置(1)、水样抽取机构和若干采样瓶(8)，所述抽取机构包括悬臂(5)、水样抽取泵(6)和步进电机(7)，所述悬臂(5)与水样抽取泵(6)出水口连通，另一端出口位于所述采样瓶(8)瓶口正上方，所述步进电机(7)驱动悬臂(5)将水样输送至各采样瓶(8)；所述采样预测装置(10)包括主控板(13)、通信模块(12)和控制器，所述主控板(13)数据输入端与测流装置(1)数据输出端及云端服务器(11)通讯连接，所述主控板(13)数据输出端与控制器通讯连接，所述控制器分别与步进电机(7)和水样抽取泵(6)电连接。
2.根据权利要求1所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述水样采集装置还包括采样箱(2)，所述采样瓶(8)设置于采样箱(2)内，所述采样箱(2)顶部设有密封盖(3)，所述密封盖(3)顶部设有控制箱(4)并开有用于伸入悬臂(5)的通孔，所述采样预测装置(10)、水样抽取泵(6)和步进电机(7)设置于控制箱(4)内，所述悬臂(5)内置中空管道，所述水样抽取泵(6)进水口端设有抽水管(9)，出水口端与悬臂(5)内部中空管道的一端连通，所述悬臂(5)中空管道另一端出水口位于采样瓶(8)瓶口正上方，所述悬臂(5)固定端通过密封盖(3)通孔与步进电机(7)电连接。
3.根据权利要求2所述的自适应变比例地表水采样器，其特征在于，所述采样箱(2)为敞口圆柱壳体，所述密封盖(3)与采样箱(2)直径相等，所述通孔设置于...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐俊增，王海渝，陈跃，高云，李帆，陈冰，高漭，李林艳，叶子健，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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