一種深層水質(zhì)采樣裝置的設(shè)計(jì)

楊逸飛　徐永同　李旭晟

【摘? 要】目前市面上主要存在的水質(zhì)采樣裝置容易受水流的影響，無(wú)法獲得特定深度的水樣，并且必須由人工攜帶并操作。這些缺點(diǎn)為深層水質(zhì)采樣帶來(lái)了困難。為了克服這些不足，本文設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定且實(shí)用性高的深層水質(zhì)采樣裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的立體采樣。該裝置能夠通過(guò)壓力傳感器獲得特定深度的水樣，同時(shí)，為了降低水流對(duì)線纜的影響，裝置采用對(duì)稱(chēng)分布的螺旋槳推進(jìn)器產(chǎn)生推力使水下運(yùn)載裝置到達(dá)采樣位置。整個(gè)裝置由上位機(jī)、母船以及水下部分組成，形如水面無(wú)人艇與水下有纜機(jī)器人結(jié)合，通訊可靠，精度高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)采樣;上位機(jī);壓力傳感器;采樣瓶

1引言

眾所周知，我國(guó)人均淡水資源缺乏。隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，本就稀缺的淡水資源更加緊張。為了更加有效得利用水資源，人們對(duì)水體進(jìn)行采樣，分析不同深度水體的溫度、水質(zhì)等信息。目前，水質(zhì)采樣裝置主要有兩種：傳統(tǒng)機(jī)械采樣和電子自控采。然而，對(duì)深層水體進(jìn)行采樣的設(shè)備仍然十分缺乏。因此，為了適應(yīng)深水復(fù)雜多變的環(huán)境完成采樣任務(wù)，設(shè)計(jì)一種深層水質(zhì)采樣裝置，開(kāi)展其受力分析，并且展望了其應(yīng)用前景。

2深層水質(zhì)采樣裝置方案設(shè)計(jì)

2.1母船

圖1為母船的示意圖。母船以雙體船為基礎(chǔ)，進(jìn)行改進(jìn)，適合本裝置，母船具有很好的穩(wěn)定性以及較大的儲(chǔ)存浮力，以應(yīng)對(duì)水下裝置帶來(lái)的影響，一方面水下裝置受到水流作用，會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)，若母船穩(wěn)定性不夠，容易產(chǎn)生側(cè)翻，故穩(wěn)定性要求較高;另一方面，為了實(shí)現(xiàn)采樣設(shè)備正常工作，推進(jìn)器會(huì)推動(dòng)整個(gè)水下裝置具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)還需要不斷調(diào)整采水設(shè)備的姿態(tài)，母船若儲(chǔ)備浮力不足，則會(huì)沉入水底。

2.2水下運(yùn)載裝置

考慮到水質(zhì)采樣的可比性與完整性，裝備四個(gè)水質(zhì)采樣瓶，由電磁鐵控制，這樣一來(lái)，無(wú)論是大水量水質(zhì)采樣，還是梯度深度水質(zhì)采樣，均可滿(mǎn)足要求，并且四個(gè)采樣瓶對(duì)稱(chēng)分布，增加了水下裝置的穩(wěn)定性。

壓力傳感器是工程實(shí)踐中最常用的傳感器，可以通過(guò)測(cè)得水下壓強(qiáng)進(jìn)而得到水下深。將數(shù)據(jù)反饋到上位機(jī)，方便觀察者進(jìn)行觀察。

動(dòng)力裝置為四個(gè)螺旋槳推進(jìn)器，對(duì)稱(chēng)分布在水下運(yùn)載裝置的四周，推進(jìn)器使其能夠向下運(yùn)動(dòng)，保持姿態(tài)，降低水流對(duì)線纜的作用。

此外，根據(jù)要求，可在水下運(yùn)載裝置上加裝攝像頭，這樣，觀察者可以觀察到水下情況。

2.4相關(guān)技術(shù)參數(shù)

3應(yīng)用前景

3.1定深

本裝置裝備有壓力傳感器，可以進(jìn)行梯度深度采樣，獲得特定深度的水樣。

3.2水底勘察

本裝置的水下運(yùn)載裝置可以裝備攝像頭，從而觀察到水底的地勢(shì)、水中生物等。

3.3水樣采集

本裝置最主要的應(yīng)用便是采集水樣，進(jìn)行水樣成分分析，以達(dá)到對(duì)水體相關(guān)參數(shù)的立體采樣。通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析，達(dá)到對(duì)淡水資源的合理利用以及對(duì)污水的有效治理的目的。

并且本裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：

a.壓力傳感器與采樣裝置頂推進(jìn)行結(jié)合。既解決了水下準(zhǔn)確獲得深度的問(wèn)題，又能夠避免采樣裝置被水流沖走造成難以深層下潛的問(wèn)題，還可以提高線纜的使用率。

b.水面無(wú)人艇與水下有纜機(jī)器人的結(jié)合。兩者完美結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)距離水下作業(yè)，并且可以解決水下運(yùn)載裝置與上位機(jī)的通信的問(wèn)題。

c.拓展性強(qiáng)。使用開(kāi)源硬件，可實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)，豐富功能，如在水下運(yùn)載裝置中添加攝像頭，如此操作者可通過(guò)上位機(jī)觀察到水下場(chǎng)景。

4結(jié)束語(yǔ)

水庫(kù)的水質(zhì)問(wèn)題關(guān)乎人們的健康，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的第一步就是獲得水。因此，水質(zhì)采樣很重要?，F(xiàn)有的采樣裝置存在許多缺點(diǎn)，為了完善這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種深層水質(zhì)采樣裝置，可以感測(cè)水深進(jìn)行梯度深度水質(zhì)采樣、水底勘察等。由于其結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)上的優(yōu)越性，可以廣泛用于水質(zhì)采樣，對(duì)水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管理。

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基金項(xiàng)目：

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201910217021）

作者簡(jiǎn)介：

楊逸飛（1999-），女，漢，2017級(jí)本科生，船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)。

（作者單位：哈爾濱工程大學(xué)）