水面油膜远程采样装置

技术领域

本发明涉及水样采集设备技术领域，具体地说是一种水面油膜远程采样装置。

背景技术

水样监测是指对环境水体和水污染源进行物理性质的监测、金属化合物的监测、非金属无机物的监测、有机化合物的监测、生物监测和水文、气象参数的测定，以及底质监测，水样监测的首要步骤就是对所需监测的水样进行取样，现有的取样方式大都是在随机地点伸入水面之下进行水体取样，对于密度较小、漂浮在水面之上的油膜或其他污物则不能起到有效收集，采集的水样样本没有代表性和说服力，且密度较小、漂浮在水面之上的油膜及其他污物在风力或其他因素的影响下，通常处于水域的下风口或流道弯折部位，也在一定程度上增加了水样采取的难度，采用诸如漂流取样船进行水样采集时，也无法对船体的位置进行准确控制，容易出现偏离设定水域的情况，最终会导致所取水样不符合要求，监测数据不准确等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水面油膜远程采样装置，通过弧形漂浮件外周设置的环形集水槽来实现对水面上油膜或其他密度较小污物的一同收集，且采样装置能通过无人机带至设定的水域进行取样，采样装置底部设有能在设定水域位置定位的船锚，还能通过驱动螺旋桨和舵叶准确控制采样装置在水域上的位置，确保能在设定水域内取样，不仅增加了水样的代表性和说服力，同时也在一定程度上降低了水样采集的操作的难度，解救了现有技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种水面油膜远程采样装置，包括圆周布置的四个弧形漂浮件，相邻的弧形漂浮件之间均留有空隙，在弧形漂浮件的外周设有环形集水槽，所述环形集水槽的内周壁与弧形漂浮件固定连接，环形集水槽的外周壁上均匀开设有若干个进水孔，对应于相邻弧形漂浮件之间的空隙位置，在环形集水槽的下端均联通有集水管，所述弧形漂浮件上安装有水样采集盒，每根集水管均穿过相邻弧形漂浮件之间的空隙并伸入水样采集盒内，在水样采集盒内设有与集水管相联通的集水总管，集水总管上安装有水泵，所述集水总管的端部设有第一插头，在水样采集盒的一端安装有可启闭的扣盖，水样采集盒内设有水样袋，所述水样袋上通过单向阀连接有第二插头，第二插头能与第一插头密封配合，所述水样采集盒的底部还安装有第一驱动电机，第一驱动电机的输出轴上安装有驱动螺旋桨，靠近驱动螺旋桨一侧的水样采集盒底部安装有竖直转轴，竖直转轴的顶部设有第二驱动电机，第二驱动电机的输出轴与竖直转轴相连接，竖直转轴的底部穿过相邻弧形漂浮件之间的空隙并安装有舵叶，在水样采集盒的底部安装有滚筒，滚筒转轴的一端安装有第三驱动电机，滚筒上配合缠绕有定位绳，定位绳的一端设置在滚筒上，定位绳的另一端安装有船锚，所述水样采集盒的上部安装有并排设置的两根抓杆，水面油膜远程采样装置还包括有无人机，无人机的底部设有可开合的挂钩，挂钩能与抓杆相配合锁定，所述滚筒上还设有特殊情况船锚遗弃结构，所述特殊情况船锚遗弃结构包括开设在滚筒端面的轴向孔，轴向孔内安装有磁铁套圈，定位绳的端部固定连接有铁圈，所述滚筒上开设有与铁圈相配合的竖向槽，竖向槽与轴向孔相联通，铁圈能经由竖向槽进入到轴向孔内与磁铁套圈吸合固定，在远离第三驱动电机一侧的滚筒转轴上通过定位键安装有定位盘，定位盘能沿滚筒转轴的轴向移动，所述定位盘靠近滚筒的端面上安装有定位销，定位销与磁铁套圈相对应设置，定位盘与滚筒之间还安装有拉簧，所述拉簧始终有使定位销进入到铁圈和磁铁套圈内的趋势，对应于定位盘的位置，在水样采集盒内安装有解锁杆，解锁杆的上端穿出水样采集盒并位于两根抓杆之间，在水样采集盒上端的解锁杆外周设有第一限位块，第一限位块与水样采集盒之间安装有弹簧，解锁杆的下端穿出水样采集盒并设有第二限位块，在解锁杆的底部设有第一斜面，定位盘的外周设有与第一斜面相配合的第二斜面，所述弹簧始终有使第一斜面远离第二斜面的趋势，在无人机的挂钩与抓杆相配合锁定时，无人机能推动解锁杆克服弹簧的弹力下移，第一斜面在下移过程中推动第一斜面使定位销与磁铁套圈和铁圈相分离。所述竖直转轴上开设有避让孔，靠近竖直转轴位置的一根集水管穿过避让孔伸入水样采集盒内。所述弧形漂浮件的两端封闭，内部中空，弧形漂浮件采用塑料泡沫制成。所述扣盖的底端通过铰接轴与水样采集盒相铰接，铰接轴与第四驱动电机的输出轴相连，在水样采集盒开口的上方安装有电控销，扣盖上开设有与电控销相配合的定位孔，其中第四驱动电机与电控销通过控制线路相连接，第四驱动电机启动带动扣盖关闭时，电控销伸入定位孔内将扣盖锁定。所述环形集水槽的内周壁与外周壁之间的距离为2-4cm，每个进水孔的宽度均为1-2mm。所述挂钩上安装有倾斜设置的限位柱，每个挂钩上的限位柱均向无人机的外侧倾斜。所述解锁杆的顶端安装有半圆柱形磁块，无人机的底部开设有与半圆柱形磁块相配合的半圆柱形铁皮凹槽，无人机降落至半圆柱形磁块与半圆柱形铁皮凹槽相配合时，挂钩闭合能与抓杆相配合锁定。

本发明的积极效果在于：本发明所述的一种水面油膜远程采样装置，通过弧形漂浮件外周设置的环形集水槽来实现对水面上油膜或其他密度较小污物的一同收集，能有效增加所取水样的代表性和说服力，上述采样装置能通过无人机带至设定的水域进行远程采样，采样装置底部设有能在设定水域位置定位的船锚，还能通过驱动螺旋桨和舵叶准确控制采样装置在水域上的位置，确保能在设定水域内取样，在一定程度上降低了水样采集的操作的难度，在保证采样质量的前提下，还能有效提高整个采样操作的效率。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明去掉无人机后的主视图；(图中虚线表示液面)

图3是图2的俯视图；

图4是图2中A-A向剖视图的放大视图；

图5是3中B-B向剖视图；

图6是图5中I的局部放大视图；

图7是图6中II的局部放大视图；

图8是图5中III的局部放大视图；

图9是弧形漂浮件的结构示意图；

图10是扣盖与水样采集盒之间的安装结构示意图；

图11是挂钩上设置限位柱时与抓杆相配合锁定时的结构示意图；

图12是无人机的仰视图。

具体实施方式

本发明所述的一种水面油膜远程采样装置，如图1、图2和图3所示，包括圆周布置的四个弧形漂浮件1，相邻的弧形漂浮件1之间均留有空隙，在弧形漂浮件1的浮力作用下，使整个远程采样装置漂浮在取样水域上。在弧形漂浮件1的外周设有环形集水槽2，所述环形集水槽2的内周壁与弧形漂浮件1固定连接，环形集水槽2的外周壁上均匀开设有若干个进水孔3，进水孔3圆周布置在环形集水槽2的外周壁上，如图2所示，水面液位处于进水孔3位置处，水面上漂浮的油膜能经由进水孔3进入到环形集水槽2内。

对应于相邻弧形漂浮件1之间的空隙位置，在环形集水槽2的下端均联通有集水管4，所述弧形漂浮件1上安装有水样采集盒5，每根集水管4均穿过相邻弧形漂浮件1之间的空隙并伸入水样采集盒5内。如图4所示，在水样采集盒5内设有与集水管4相联通的集水总管6，集水总管6上安装有水泵7，所述集水总管6的端部设有第一插头8，在水样采集盒5的一端安装有可启闭的扣盖9，水样采集盒5内设有水样袋10，所述水样袋10上通过单向阀11连接有第二插头12，其中第二插头12能与第一插头8密封配合。

在进行水样采取时，首先打开扣盖9，将水样袋10置入水样采集盒5内，并将第二插头12与第一插头8相连接，之后关闭扣盖9。采样装置到达采样位置后，远程启动水泵7进行吸水，在吸力作用下，由于环形集水槽2内的空间较小，其内部的油膜及水样能一同经由集水管4、集水总管6和水泵7抽送到水样袋10内，完成对该水域内水样及其上部油膜的一同采集。采样装置返回后，采样人员再打开扣盖9，解除第二插头12与第一插头8的配合，取出水样袋10即可。其中单向阀11的设置能避免在回收水样袋10的过程中发生水样回流的现象，确保水样采集的质量。

所述水样采集盒5的底部还安装有第一驱动电机13，第一驱动电机13的输出轴上安装有驱动螺旋桨14，靠近驱动螺旋桨14一侧的水样采集盒5底部安装有竖直转轴15，竖直转轴15的顶部设有第二驱动电机16，第二驱动电机16的输出轴与竖直转轴15相连接，竖直转轴15的底部穿过相邻弧形漂浮件1之间的空隙并安装有舵叶17。其中第一驱动电机13和第二驱动电机16均可以由工作人员进行遥控，驱动螺旋桨14能提供动力，舵叶17能控制行进方向，以控制远程采样装置在设定水域内进行移动，灵活调整采样位置。

为了能使上述远程采样装置在设定水域的范围内停留，避免因风力或其他因素导致采样装置偏离设定水域，在水样采集盒5的底部安装有滚筒18，滚筒18转轴的一端安装有第三驱动电机19，滚筒18上配合缠绕有定位绳20，定位绳20的一端设置在滚筒18上，定位绳20的另一端安装有船锚21。当远程采样装置达到设定水域后，启动第三驱动电机19，滚筒18带动定位绳20旋转下放，船锚21降至水域底部完成对远程采样装置的相对定位，船锚21下放后，可以保证远程采样装置处于以船锚21为中心的圆周位置处，当需要在一端时间内多次采集水样时可避免采样装置大幅偏离采样区域。

水面油膜远程采样装置还包括有无人机29，利用无人机29来实现整体采样装置的移动与回收。所述水样采集盒5的上部安装有并排设置的两根抓杆22，无人机29的底部设有可开合的挂钩30，挂钩30能与抓杆22相配合锁定，由无人机29将远程采样装置一同带至设定的水域，由于无人机29飞行过程会对水面上的油膜位置产生影响，所以在将远程采样装置带至设定水域后，控制挂钩30与抓杆22相分离，无人机29飞离，等到等到油膜恢复初始位置后再启动水泵7进行水样采集，收集完毕后，再由无人机29将整体采样装置回收。如图4所示，在水样采集盒5内安装有遥控控制模块28，遥控控制模块28与水泵7、第一驱动电机13、第二驱动电机16和第三驱动电机19通过控制线路相连接，工作人员通过遥控器就能操控远程采样装置进行设定的动作来实现水样的顺利采集。

在完成水样的收集后，第三驱动电机19反向转动收回定位绳20和船锚21，再由无人机29抓取将整体装置带回。若船锚21被水下的杂物卡住无法进行顺利回收时，可以先遥控驱动螺旋桨14和舵叶17控制远程采样装置在液面上进行移动，看能不能使船锚21脱离被卡住的状态，若依然无法对船锚21进行回收，则需要在保证远程采样装置大部分构件完好的前提下，对船锚21及定位绳20进行遗弃，无人机29将剩余的远程采样装置进行回收。

为应对上述状况，所述滚筒18上还设有特殊情况船锚遗弃结构，如图6和图7所示，所述特殊情况船锚遗弃结构包括开设在滚筒18端面的轴向孔31，轴向孔31开设在远离第三驱动电机19一侧的端面上，轴向孔31内安装有磁铁套圈32，定位绳20的端部固定连接有铁圈33，所述滚筒18上开设有与铁圈33相配合的竖向槽34，竖向槽34与轴向孔31相联通，铁圈33能经由竖向槽34进入到轴向孔31内与磁铁套圈32吸合固定，从而将定位绳20的端部固定在滚筒18上。

在远离第三驱动电机19一侧的滚筒18转轴上通过定位键35安装有定位盘36，定位盘36能沿滚筒18转轴的轴向移动，也能跟随滚筒18同步转动，所述定位盘36靠近滚筒18的端面上安装有定位销37，定位销37与磁铁套圈32相对应设置，定位盘36与滚筒18之间还安装有拉簧38，所述拉簧38始终有使定位销37进入到铁圈33和磁铁套圈32内的趋势。也就是在定位销37的作用下，将铁圈33和磁铁套圈32连接为一体，即使不考虑磁力相互吸引的作用力之外，定位绳20端部的铁圈33仍然能固定在滚筒18上，只有当克服拉簧38的拉力使定位销37与铁圈33和磁铁套圈32相分离后，铁圈33在滚筒18上的固定由铁圈33与磁铁套圈32之间的吸引力所决定。

发生船锚21被卡住的情况时，这时才需要遗弃掉船锚21并用无人机29将剩余的远程采样装置进行回收，利用无人机29来实现克服拉簧38的拉力使定位销37与铁圈33和磁铁套圈32相分离。为实现上述功能，对应于定位盘36的位置，在水样采集盒5内安装有解锁杆39，解锁杆39的上端穿出水样采集盒5并位于两根抓杆22之间。在水样采集盒5上端的解锁杆39外周设有第一限位块40，第一限位块40与水样采集盒5之间安装有弹簧41，解锁杆39的下端穿出水样采集盒5并设有第二限位块42，在解锁杆39的底部设有第一斜面43，定位盘36的外周设有与第一斜面43相配合的第二斜面44，所述弹簧41始终有使第一斜面43远离第二斜面44的趋势。在无人机29的挂钩30与抓杆22相配合锁定时，无人机29下移能推动解锁杆39克服弹簧41的弹力下移，第一斜面43在下移过程中推动第二斜面44使定位销37与磁铁套圈32和铁圈33相分离。

远程采样装置在放置到设定水域后，无人机29飞离，解锁杆39上端在没有压力的情况下由弹簧41控制其所处的位置，其中弹簧41可以实现解锁杆39的复位，第二限位块42的设置则能防止解锁杆39过度上移而与水样采集盒5分离。此时在拉簧38的拉力作用下，定位销37位于铁圈33和磁铁套圈32内，无人机29飞离后第三驱动电机19启动将船锚21放下，为如图6所示的状态。当船锚21被卡住，滚筒18无法正常转动时，无人机29飞至远程采样装置的上方逐渐下落，挂钩30与抓杆22相配合锁定，无人机29下移过程中推动解锁杆39克服弹簧41的弹力下移，解锁杆39底部的第一斜面43配合推动第二斜面44，使定位盘36在图6所示的方向上克服拉簧38的拉力右移，之后定位销37与铁圈33和磁铁套圈32相分离，铁圈33和磁铁套圈32之间的定位仅靠相互之间的磁力，无人机29上升，带动整体远程采样装置上移，被卡住的船锚21所受的拉力大于铁圈33和磁铁套圈32之间的吸引力，铁圈33和磁铁套圈32相分离，完成对船锚21和定位绳20的遗弃，最后无人机29完成剩余装置的回收。其中船锚21和定位绳20的材质均采用对水质无害的材料制成，船锚21和定位绳20可以作为易损件进行更换。在无人机29下移压向解锁杆39的过程中，远程采用装置均能保证漂浮在水面之上，即弧形漂浮件1为整体装置提供充足的浮力。

上述采样装置在无人机29进行带动移动时，定位销37与铁圈33和磁铁套圈32相分离，但滚筒18不会发生转动，由无人机29将采样装置带至指定水域的过程中，定位绳20缠绕在滚筒18上，不会拉动端部的铁圈33使其与磁铁套圈32相分离。在船锚21正常收放的过程中，定位销37始终与铁圈33和磁铁套圈32相固定，保证船锚21和定位绳20不会与滚筒18相分离，在定位绳20回收完毕之后再由无人机29进行回收。其中定位盘36始终与滚筒18同步转动，在定位销37与铁圈33和磁铁套圈32相分离配合的过程中，能保证相对位置不发生改变，确保彼此之间的配合。定位销37所处位置的设置并不会影响第一斜面43与第二斜面44之间的配合驱动。

进一步地，为了使共同位于相邻弧形漂浮件1的间隙内的竖直转轴15与集水管4不发生相互干扰，如图8所示，所述竖直转轴15上开设有避让孔27，靠近竖直转轴15位置的一根集水管4穿过避让孔27伸入水样采集盒5内，其中竖直转轴15的旋转角度不会大于四十五度，且集水管4采用软管制成，竖直转轴15的转动不会影响集水管4对水样的正常采集。

为了保证整体远程采样装置能漂浮在液面上，且液面位置处于进水孔3位置处，确保弧形漂浮件1能为整体装置提供充足的浮力，如图9所示，所述弧形漂浮件1的两端封闭，内部中空，弧形漂浮件1采用塑料泡沫制成。

进一步地，为了便于对扣盖9进行开合控制，如图10所示，所述扣盖9的底端通过铰接轴23与水样采集盒5相铰接，铰接轴23与第四驱动电机24的输出轴相连，在水样采集盒5开口的上方安装有电控销25，扣盖9上开设有与电控销25相配合的定位孔26，其中第四驱动电机24与电控销25通过控制线路相连接，第四驱动电机24启动带动扣盖9关闭时，电控销25伸入定位孔26内将扣盖9锁定，即控制扣盖9将水样采集盒5关闭，若想打开扣盖9，则电控销25与定位孔26解除定位，第四驱动电机24驱动铰接轴23反转，扣盖9则能打开，便于将水样袋10置放入水样采集盒5内。

进一步地，为了在水泵7的吸力作用下，能将环形集水槽2内的水样及油膜一同吸入集水管4内，确保环形集水槽2内的空间符合上述要求，所述环形集水槽2的内周壁与外周壁之间的距离为2-4cm。为了避免水面上的大颗粒杂物、垃圾或水生植物经由进水孔3进入到环形集水槽2，造成集水管4的阻塞，所述每个进水孔3的宽度均为1-2mm，仅允许待采集的水样及水面上油膜经由进水孔3进入到环形集水槽2内。

进一步地，为了使无人机29抓取远程采样装置时，挂钩30和抓杆22能配合的更加稳定，避免在无人机29上升过程中抓杆22降至两个挂钩30的最底部位置处，如图11所示，所述挂钩30上安装有倾斜设置的限位柱45，每个挂钩30上的限位柱45均向无人机29的外侧倾斜。在挂钩30转动进入到抓杆22底部的过程中，限位柱45能将抓杆22提升一小段高度并使抓杆22越过倾斜设置的限位柱45，无人机29上升时，在重力作用下，抓杆22则落至限位柱45与挂钩30之间的夹角中，使挂钩30带动抓杆22及远程采样装置上升移动时更加稳定。

由于远程采样装置漂浮在水面上，无人机29飞行在空中，挂钩30与抓杆22的配合抓取具有一定的操作难度，为了便于上述操作的进行，所述解锁杆39的顶端安装有半圆柱形磁块46，如图12所示，无人机29的底部开设有与半圆柱形磁块46相配合的半圆柱形铁皮凹槽47，无人机29降落至半圆柱形磁块46与半圆柱形铁皮凹槽47相配合时，挂钩30闭合能与抓杆22相配合锁定。其中挂钩30、无人机29底部除半圆柱形铁皮凹槽47以外的材料均采用无铁磁性的高分子材料，不会影响半圆柱形磁块46与半圆柱形铁皮凹槽47的正常吸合，在无人机29飞行至远程采样装置上方进行下落时，半圆柱形磁块46与半圆柱形铁皮凹槽47之间的吸力会给无人机29一个初步定位，之后再按照能使半圆柱形磁块46与半圆柱形铁皮凹槽47完全配合的要求对无人机29进行位置调整，如图3和图12所示，其中半圆柱形磁块46的沿抓杆22的长度方向布置，半圆柱形铁皮凹槽47位于两个挂钩30之间，只有当半圆柱形磁块46与半圆柱形铁皮凹槽47完全配合时，无人机29上的挂钩30才会移动至抓杆22的两侧，挂钩30转动才能与抓杆22相配合。

其中去除无人机29后的远程采样装置在水样采取完毕之后的质量大约在1.5kg-2.5kg，半圆柱形磁块46与半圆柱形铁皮凹槽47之间的吸引力大约在9N-14N之间，在挂钩30没有抓取抓杆22的前提下，其吸引力不足以使无人机29带动远程采样装置一同移动。

本发明的技术方案并不限制于本发明所述的实施例的范围内。本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。