無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器的研制

吳德波，陳濤

(黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450004)

0 引言

水質(zhì)監(jiān)測(cè)可以及時(shí)、全面地掌握水環(huán)境的質(zhì)量狀況和水系中污染物的動(dòng)態(tài)變化，為水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。取得具有代表性的水樣是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)，是獲取準(zhǔn)確水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。文章僅針對(duì)開闊河流和湖泊、水庫的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，不涉及管道、地下水、降水等。由于水質(zhì)是動(dòng)態(tài)的，且人工取樣受人為因素影響大，如取樣不規(guī)范或操作不正確都會(huì)影響水樣的代表性，從而導(dǎo)致水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 水質(zhì)取樣器的現(xiàn)狀及存在問題

當(dāng)前，水質(zhì)取樣主要采用聚乙烯塑料桶、單層采水瓶、直立式采水器和自動(dòng)采樣器。采集的水樣通常分為瞬時(shí)水樣、周期水樣、混合水樣、綜合水樣等。其中，瞬時(shí)水樣指隨機(jī)采集某一特定位置的水樣，取樣方式簡(jiǎn)單簡(jiǎn)便多樣、快速，但樣品只代表采集時(shí)取樣點(diǎn)的水質(zhì)，不能說明整個(gè)水體的水質(zhì)。實(shí)際工作中，要連續(xù)采取多個(gè)位置的瞬時(shí)水樣。周期水樣是指在固定時(shí)期內(nèi)采取一定體積的水樣，受偶然因素影響小，因此代表性稍好于瞬時(shí)水樣?；旌先釉谕徊蓸狱c(diǎn)上以流量、時(shí)間、體積或是以流量為基礎(chǔ)，按照已知比例(間歇的或連續(xù)的)混合在一起的樣品，具有更好的代表性，還可以減少工作量和試劑損耗，節(jié)約時(shí)間，但是采集操作更為復(fù)雜。綜合水樣是指把從不同采樣點(diǎn)同時(shí)采集的瞬時(shí)水樣混合為一個(gè)樣品，便于快速監(jiān)測(cè)分析，對(duì)水體水質(zhì)做出定性判斷，其本質(zhì)還是瞬時(shí)水樣。

目前市面上的水質(zhì)采樣器種類繁多，主要可分為非自動(dòng)采樣器和自動(dòng)采樣器。非自動(dòng)采樣器主要包括廣口瓶、吊桶、排空式取樣器等。采集水體表層樣品時(shí)，一般直接將廣口瓶或吊桶沉入水中，待注滿水后提出。采集特定深度樣品時(shí)，可用配有重物的采樣瓶，或者排空式取樣器。非自動(dòng)采樣器可用于采集瞬時(shí)水樣、周期水樣、綜合水樣，但不適合采集混合水樣。自動(dòng)水質(zhì)取樣器產(chǎn)品眾多，功能豐富，主流技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了定時(shí)或按預(yù)設(shè)時(shí)間比例、預(yù)設(shè)流量比例自動(dòng)采樣，也可以根據(jù)流速自動(dòng)調(diào)整采樣速度，取樣代表性非常好。不過，自動(dòng)水質(zhì)取樣器基本都需要依靠電源和電子元器件才能完成取樣工作，對(duì)于野外工作特別是水樣應(yīng)急取樣來說，有著一定的局限性。

2 無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器的研制

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)黃委水文局水質(zhì)監(jiān)測(cè)取樣的實(shí)際需求和存在問題，以彌補(bǔ)現(xiàn)有自動(dòng)水質(zhì)取樣器的不足為出發(fā)點(diǎn)，研制一種無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器。主要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)目標(biāo)：能夠進(jìn)行流量或流速比例樣品的混合水樣采集；沒有電子元器件，不需要電源；設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，樣品容器很容易進(jìn)行拆卸、清洗和安裝，易于操作和維護(hù)；儀器為封閉式，且重量較輕，便于攜帶和野外作業(yè)；不容易被水草、漂浮物或水中的其他固體物質(zhì)堵塞；具有抗腐蝕性。

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器主要由主體結(jié)構(gòu)、引水單元、控制單元、聯(lián)結(jié)單元、儲(chǔ)水囊等部分組成。主體結(jié)構(gòu)包括殼體和滑槽，引水單元包括扇葉、引流槽和迎水板，控制單元包括限制槽、扭轉(zhuǎn)彈簧、活塞、導(dǎo)向桿、蓄力箱，聯(lián)結(jié)單元包括齒輪、棘輪、螺桿、嚙合輪、伸縮桿。殼體采用亞克力材質(zhì)，引水單元、控制單元、聯(lián)結(jié)單元采用PP塑料、金屬和硅膠材質(zhì)，堅(jiān)固耐用，且較為輕便。儲(chǔ)水囊采用聚氨酯材料和PVC涂層，密封性好，可折疊，安全可靠，易于運(yùn)輸和保存。其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 主視剖視圖

圖2 左視圖

殼體內(nèi)部開設(shè)有滑槽，滑槽的表面滑動(dòng)連接有齒輪，齒輪的表面活動(dòng)連接有棘輪，齒輪的內(nèi)部活動(dòng)連接有螺桿，螺桿的表面活動(dòng)連接有嚙合輪，嚙合輪的表面活動(dòng)連接有扇葉，螺桿遠(yuǎn)離齒輪的一端活動(dòng)連接有引流槽，引流槽的表面固定連接有迎水板，引流槽的內(nèi)部開設(shè)有限制槽，限制槽的內(nèi)部活動(dòng)連接有扭轉(zhuǎn)彈簧?；钊谋砻婊顒?dòng)連接有伸縮桿，伸縮桿的下端活動(dòng)連接有蓄力箱，蓄力箱的內(nèi)部填充有彈性物質(zhì)，且具有一定的伸縮能力。殼體內(nèi)部位于齒輪的兩側(cè)均固定連接有儲(chǔ)水囊，進(jìn)入儲(chǔ)水囊中的水只會(huì)在儲(chǔ)水囊受到外力作用下才會(huì)釋放出來，不會(huì)在殼體下移時(shí)因活塞移動(dòng)而流出。

2.3 工作原理

無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器通過扇葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生抽吸風(fēng)力，可將水引流進(jìn)儲(chǔ)水囊中，與此同時(shí)，螺桿旋轉(zhuǎn)會(huì)嚙合齒輪旋轉(zhuǎn)，殼體移動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)會(huì)將不同深度的水引流進(jìn)入儲(chǔ)水囊中，達(dá)到利用水流力抽吸不同深度水樣的效果。通過扭轉(zhuǎn)彈簧失去限制力而釋放之前被壓縮的力，故扭轉(zhuǎn)彈簧反轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿反轉(zhuǎn)，殼體失去支撐力，后在水浮力以及導(dǎo)向桿的導(dǎo)向作用下緩慢又落在水池底部，從而達(dá)到了定時(shí)定量完成水樣檢測(cè)的效果。取樣器利用水流力抽吸不同深度水樣，自動(dòng)定量完成水樣檢測(cè)。

2.4 工作過程

在使用時(shí)，將無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器放置在待檢測(cè)水體底部，水會(huì)推動(dòng)弧形迎水板進(jìn)而擠壓扭轉(zhuǎn)彈簧。扭轉(zhuǎn)彈簧被擠壓后邊旋轉(zhuǎn)邊收縮，帶動(dòng)螺桿同步旋轉(zhuǎn)。螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)又經(jīng)嚙合輪帶動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生抽吸風(fēng)力，通過抽吸風(fēng)力將水從引流槽引流進(jìn)儲(chǔ)水囊中。與此同時(shí)，螺桿旋轉(zhuǎn)會(huì)嚙合齒輪旋轉(zhuǎn)，此時(shí)齒輪的旋轉(zhuǎn)方向會(huì)嚙合棘輪與卡圈接觸，進(jìn)而使殼體被帶動(dòng)向上移動(dòng)，殼體移動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)會(huì)將不同深度的水引流進(jìn)入儲(chǔ)水囊中。

因扇葉旋轉(zhuǎn)使螺桿穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，使齒輪與棘輪嚙合帶動(dòng)殼體向上移動(dòng)，殼體向上移動(dòng)時(shí)與齒輪之間的距離逐漸變大，使蓄力箱被拉動(dòng)進(jìn)而使伸縮桿遠(yuǎn)離活塞表面，活塞被拉動(dòng)在儲(chǔ)水囊中產(chǎn)生抽吸風(fēng)力，此抽吸風(fēng)力可將水抽吸至其內(nèi)部。當(dāng)取樣器接近水面時(shí)，扭轉(zhuǎn)彈簧失去限制力而釋放之前被壓縮的力，使扭轉(zhuǎn)彈簧反轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿反轉(zhuǎn)。齒輪反轉(zhuǎn)使棘輪不再與卡圈嚙合，殼體失去支撐力，后在水浮力以及導(dǎo)向桿的導(dǎo)向作用下緩慢又落在水體底部，取樣過程結(jié)束。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 水樣取樣代表性好

水樣采集位置占采樣點(diǎn)水深垂線的多少以及水樣按流量(流速)進(jìn)行比例分配的情況，直接影響著水樣的代表性。文章所研制的無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器，是由迎水板所受水的壓力擠壓扭轉(zhuǎn)彈簧，經(jīng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)嚙合輪，進(jìn)而帶動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生抽吸風(fēng)力將水引入儲(chǔ)水囊，引水的多少與水的壓力呈正相關(guān)。不同深度、不同流速的位置水樣占比也不相同，水深越深、水流速度越大，迎水板受到的水壓越大，最終進(jìn)入儲(chǔ)水囊的水也就越多。雖然水樣無法做到與流量等比例，但一份水樣包含了連續(xù)不同水深的水樣，而且不同水深的水樣占比與水深、流速(流量)呈正相關(guān)，完全能夠滿足野外水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)的是技術(shù)要求，代表性明顯好于采樣位置采集一系列水深的水樣混合形成的水樣。

3.2 儀器操作簡(jiǎn)便，可靠性好

利用常規(guī)的非自動(dòng)采樣器，一次只能采集某一采樣點(diǎn)水面或某一特定水深的水樣，需要通過多次采集才能獲取不同位置、不同水深的水樣，實(shí)際操作中還需要配重、船只等輔助設(shè)備，工作量大，野外作業(yè)十分不便。文章所研制的無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器不需要預(yù)設(shè)配重以控制水深，也不需要對(duì)不同水深的水樣進(jìn)行量測(cè)和混合。儀器不需要率定和調(diào)整參數(shù)，操作十分簡(jiǎn)單，而且儲(chǔ)水囊拆裝方便。儀器沒有電子元器件，不需要額外維護(hù)，故障率低。

3.3 適用性好

文章所研制的無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器不需要配置電源，可單獨(dú)使用，便于野外作業(yè)；材料堅(jiān)固、輕便，可防碰撞，方便運(yùn)輸；密封嚴(yán)實(shí)，不易被水草堵塞進(jìn)水口。儀器有較好的適用性，可用于開闊河流、封閉管道、水庫和湖泊的水質(zhì)應(yīng)急取樣。

4 結(jié)論

水質(zhì)取樣器是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要工具。針對(duì)日常水質(zhì)取樣工作中發(fā)現(xiàn)的問題和不足，按照《自動(dòng)采樣器技術(shù)要求及檢測(cè)方法》的要求，設(shè)計(jì)了一套無動(dòng)力自動(dòng)水質(zhì)取樣器，力求在一定程度上解決人工取樣器取樣代表性較差、自動(dòng)取樣器依賴電源和電子芯片的問題。經(jīng)在黃河水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)取樣中使用驗(yàn)證，儀器的可靠性和適用性較好，所取水樣具有良好代表性。