一种集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置

技术领域

本发明涉及地下水淋溶液分析测量技术领域，具体是涉及一种集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置。

背景技术

地下水淋溶是指地下水通过溶解、水化、水解、碳酸化等作用，使土壤表层中的部分成分进入水中并随水分被带走的过程，随着淋溶作用的进行，土壤逐步酸化。例如，在湿润地区的土壤剖面上部，由于长时间水分自地表向下淋溶，使上部土层中的可溶性物质和细微土粒遭到淋洗，并逐渐形成土色变浅、质地变粗、酸度加大、肥力变低的土层——淋溶层。淋溶层又称A层，可通过耕作、施肥，尤其是增施有机肥料和粘粒性泥肥等措施改善其不良性状。

但是，近年来，随着化肥的生产和使用的普及，土壤中的各类营养成分(如氮、磷、钾等)流失日益严重，土壤中有益元素随水垂直向下迁移至植物根系活动层以下而造成的损失，从而造成了农田养分损失，降低养分利用效率，同时，淋失元素大部分最终进入水体环境，污染江、河、湖泊等地面水体，是最重要的农业面源污染源之一，威胁地下水饮用安全。因此，准确收集监测地下水淋溶液对正确分析土壤养分平衡，探索养分循环过程，及进行环境风险评估具重大意义。

目前，地下水淋溶液收集普遍采用的是在土壤作物根系下埋设土壤淋溶液取样装置，然后再把研究样地淋溶液带回实验室进行检测，而淋溶液在收集、移动以及长时间暴露在空气的过程中，破坏了其原始存在状态，对元素淋失情况的测定有一定影响。专利CN208579959U公开了一种农田土壤淋溶液自动监测装置，包括淋溶盘、实验瓶、样本瓶、水位传感器、进水管、取水管、水泵和电机，其中淋溶盘位于实验瓶上方，通过进水管连接至实验瓶；实验瓶内设置有水位传感器，水位传感器连接至电机；实验瓶还通过取水管连接至样本瓶；水泵用于抽取样本瓶内的空气，由电机驱动。能够便于实验自动测定，采集淋溶液不需要人工值守。但是，对于长时间的取样工作容易造成取样误差且不能实现对淋溶液和土壤的实时监测。

发明内容

本发明针对上述存在的问题提出了一种集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置。

本发明的技术方案是：

一种集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置，包括收集桶、位于所述收集桶上部的防护网、位于所述防护网上部的转动机构以及与所述转动机构下部连接的扰动机构，

所述收集桶内分为上桶体和下桶体，所述上桶体内壁一侧设有一组取样管，所述取样管中部设有固定在上桶体内壁上的蠕动泵，收集桶上部设有过滤组件，上桶体内部中心处固定连接有螺纹桶，所述螺纹桶的上部、下部与上桶体上部、下部对应密封连接，

所述转动机构包括与所述防护网固定连接的外壳，与所述外壳内部转动连接的环形齿轮板以及位于外壳内底部一侧的转动电机，所述环形齿轮板的内壁设有齿条，所述齿条内啮合设置有第一齿轮，所述转动电机上部的输出端与所述第一齿轮中心处连接，环形齿轮板底部中心处固定设有套杆，所述套杆由外杆和延伸至所述螺纹桶内的内杆套接而成，内杆底部设有钻头，所述内杆的上端两侧设有用于与所述外杆内壁设有的滑槽活动卡接的条形凸起，内杆中部外壁设有外螺纹，所述外螺纹与所述螺纹桶内壁设有的内螺纹相啮合，所述外螺纹下部与所述钻头之间、外螺纹上部与所述条形凸起之间的内杆外壁均为光滑面，内杆底部由螺纹桶延伸至下桶体内，

所述转动电机下部的输出端贯穿所述外壳底部后与位于防护网内用于扰动土壤的扰动机构连接，所述下桶体底部设有用于使所述钻头通过的开口，位于所述开口周围的下桶体底部设有收集板，所述收集板外端设有环形的收集槽，所述上桶体内壁一侧设有气管线，

所述上桶体内壁一侧中部设有液位传感器，所述液位传感器与位于上桶体侧壁顶部的控制器连接，所述控制器与所述蠕动泵通过电磁继电器电性连接，上桶体底部设有水质金属检测仪。

进一步地，所述取样管上端与位于收集桶外部的收集瓶连接，取样管下端位于上桶体的底部，取样管与所述蠕动泵接触的一段为软管，取样管其余的部分为PE给水管，通过蠕动泵将淋溶液收集。

更进一步地，所述过滤组件包括位于所述上桶体上表面的钢丝网，所述钢丝网下部设有一层石英砂粒，所述石英砂粒下部设有一层软塑料过滤网，所述软塑料过滤网下部设有硬塑料过滤网，多重过滤以提高过滤效果。

更进一步地，所述环形齿轮板包括环形板以及位于所述环形板内部并与之固定连接的固定板，位于所述固定板上方的环形板与所述外壳内顶面设有的环形槽转动连接，位于固定板下方的环形板内壁设有齿条，通过一组转动电机即可实现环形齿轮板的转动从而带动套杆和扰动机构的运行。

更进一步地，所述外杆底部设有用于阻挡所述条形凸起的限位部，防止内杆在与螺纹桶相对运动时运动距离过长与外杆脱离。

更进一步地，所述扰动机构内设有的第二齿轮上表面中心处与所述转动电机下部的输出端连接，所述第二齿轮两侧各设有一组与其啮合连接的从动齿轮，与第二齿轮相对于所述套杆对称且与第二齿轮位于同一水平面处也设有从动齿轮，三组所述从动齿轮上表面中心处均通过一组连杆与所述外壳底部转动连接，三组从动齿轮的外侧设有齿轮履带，三组从动齿轮与所述齿轮履带的内侧设有的齿条啮合并同步转动连接，所述齿轮履带的外侧等间距设有若干推土板，通过齿轮履带带动推土板运动移走保护网内的一部分土壤，进而更替土壤防止土壤淋溶能力下降影响淋溶液收集效率。

更进一步地，所述钻头上半部分为螺旋钢板，钻头下半部分为金刚石尖头，通过螺旋钢板将土壤运送至下桶体内。

更进一步地，所述气管线上部与位于所述收集桶外部的两用风机连接，气管线底部与密封固定于所述上桶体和下桶体之间的气体四通阀连接，所述气体四通阀分出三组导气管，其中，第一导气管出气端指向上桶体底部，第二导气管出气端指向所述钻头，第三导气管出气端指向所述收集槽，第一导气管可通过连接热蒸汽对上桶体内部进行清洁，第二导气管可通过两用风机吹气使螺旋钢板上的土壤落入收集槽内，第三导气管可通过两用风机吸气将土壤吸取收集。

更进一步地，所述收集板由中间向四周下倾，收集板底部设有环形槽，所述环形槽与下桶体底面设有的环形凸起配合用于使收集板转动，所述第三导气管靠近收集板一侧设有滚轮电机，所述滚轮电机下方输出端与用于使收集板转动的滚轮连接，通过滚轮与收集板的摩擦使收集板沿环形槽转动，便于第三导气管收集土壤。

更进一步地，所述水质金属检测仪与收集桶外部的数据收集系统连接，能够实时对淋溶液内的重金属含量等数据进行监测。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置结构合理，操作方便，能够自动采集地下水淋溶液，并且能够通过特为传感器自动触发采集并记录采集量及采集速度，不需要人为开启，大大提高了装置便捷程度。

(2)本发明的集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置通过设有的水质金属检测仪能够做到采样、检测一体化，通过蠕动泵的触发和停止作为一个周期，自动记录淋溶液体积和淋溶液中重金属等元素含量。

(3)本发明的集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置通过设置转动机构能够使内置钻头通过套杆下深取土，并通过导气管进行土壤取样，实现土壤样品的收集及送检，对装置上方和下方的地下水重金属含量以及土壤湿度同时检测有利于分析淋溶规律。

(4)本发明的集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置通过设置的扰动机构对上部淋溶土壤进行扰动，通过移走保护网内的一部分土壤，进而更替土壤防止土壤淋溶能力下降影响淋溶液收集效率，在长时间没有收集到淋溶液或者间隔时间过长时，开启搅动，避免土壤结块干裂。

附图说明

图1是本发明装置的外部结构示意图；

图2是本发明装置的收集管一侧收集桶的内部结构示意图；

图3是本发明装置的气管线一侧收集桶的内部结构示意图；

图4是本发明装置的转动机构、扰动机构及套杆结构示意图；

图5是本发明装置的转动机构及扰动机构的内部结构示意图；

图6是本发明装置的外壳内部结构示意图；

图7是本发明装置的环形齿轮板结构示意图；

图8是本发明装置的钢丝网结构示意图；

图9是本发明装置的软塑料过滤网结构示意图；

图10是本发明装置的硬塑料过滤网结构示意图；

图11是本发明装置的内杆结构示意图；

图12是本发明装置图3中A处的滚轮电机及滚轮结构示意图。

其中，1-收集桶，11-上桶体，12-下桶体，121-开口，122-收集板，123-收集槽，124-环形凸起，125-滚轮电机，126-滚轮，13-取样管，14-蠕动泵，15-钢丝网，16-石英砂粒，17-软塑料过滤网，18-硬塑料过滤网，19-螺纹桶，2-防护网，3-转动机构，31-外壳，311-环形槽，32-环形齿轮板，321-环形板，322-固定板，33-转动电机，34-第一齿轮，4-扰动机构，41-第二齿轮，42-从动齿轮，43-齿轮履带，44-推土板，5-套杆，51-内杆，511-条形凸起，512-外螺纹，52-外杆，521-滑槽，522-限位部，53-钻头，531-螺旋钢板，532-金刚石尖头，6-气管线，61-两用风机，62-气体四通阀，621-第一导气管，622-第二导气管，623-第三导气管，7-液位传感器，8-控制器，9-水质金属检测仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明实施例中所用术语“前后”、“左右”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的位置。

如图1、2所示，一种集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置，包括收集桶1、位于收集桶1上部的防护网2、位于防护网2上部的转动机构3以及与转动机构3下部连接的扰动机构4。

如图2、8-10所示，收集桶1内分为上桶体11和下桶体12，上桶体11内壁一侧设有一组取样管13，取样管13中部设有固定在上桶体11内壁上的蠕动泵14，蠕动泵14为市售调速型蠕动泵对其进行外形结构调整以适配收集桶1，取样管13上端与位于收集桶1外部的收集瓶连接，取样管13下端位于上桶体11的底部，取样管13与蠕动泵14接触的一段为软管，取样管其余的部分为耐腐蚀PE给水管，收集桶1上部设有过滤组件，过滤组件包括位于上桶体11上表面的钢丝网15，钢丝网15下部设有一层石英砂粒16，石英砂粒16下部设有一层软塑料过滤网17，软塑料过滤网17下部设有硬塑料过滤网18，上桶体11内部中心处固定连接有螺纹桶19，螺纹桶19的上部、下部与上桶体11上部、下部对应密封连接。

如图4-7所示，转动机构3包括与防护网2固定连接的外壳31，与外壳31内部转动连接的环形齿轮板32以及位于外壳31内底部一侧的转动电机33，转动电机33为市售双输出轴三相异步电机对其进行外形结构调整以适配转动机构3，环形齿轮板32的内壁设有齿条，齿条内啮合设置有第一齿轮34，转动电机33上部的输出端与第一齿轮34中心处连接，环形齿轮板32包括环形板321以及位于环形板321内部并与之固定连接的固定板322，位于固定板322上方的环形板321与外壳31内顶面设有的环形槽311转动连接，且环形槽311能够防止环形板321脱落，位于固定板322下方的环形板321内壁设有齿条，环形齿轮板32的固定板322底部中心处固定设有套杆5，套杆5由外杆52和延伸至螺纹桶19内的内杆51套接而成，内杆51底部设有钻头53，内杆51的上端两侧设有用于与外杆52内壁设有的滑槽521活动卡接的条形凸起511，内杆51中部外壁设有外螺纹512，外螺纹512与螺纹桶19内壁设有的内螺纹相啮合，外螺纹512下部与钻头53之间的内杆51外壁、外螺纹512上部与条形凸起511之间为光滑面，内杆51底部由螺纹桶19延伸至下桶体12内，外杆52底部设有用于阻挡条形凸起511的限位部522，限位部522为通过将滑槽521底部填充封堵，防止条形凸起511继续沿滑槽511滑动，避免内杆51和外杆52相互脱离，钻头53上半部分为用于堆积土壤样品的螺旋钢板531，钻头53下半部分为金刚石尖头532。

如图4、5、11所示，转动电机33下部的输出端贯穿外壳31底部后与位于防护网2内用于扰动土壤的扰动机构4连接，扰动机构4内设有的第二齿轮41上表面中心处与转动电机33下部的输出端连接，第二齿轮41两侧各设有一组与其啮合连接的从动齿轮42，与第二齿轮41相对于套杆5对称且与第二齿轮41位于同一水平面处也设有从动齿轮42，三组从动齿轮42上表面中心处均通过一组连杆与外壳31底部转动连接，三组从动齿轮42的外侧设有齿轮履带43，三组从动齿轮42与齿轮履带43的内侧设有的齿条啮合并同步转动连接，齿轮履带43的外侧等间距设有若干推土板44，齿轮履带43和推土板44均为钢材料制成。

如图3、12所示，下桶体12底部设有用于使钻头53通过的开口121，位于开口121周围的下桶体12底部设有收集板122，收集板122外端设有环形的收集槽123，上桶体11内壁一侧设有气管线6，气管线6上部与位于收集桶1外部的两用风机61连接，气管线6底部与密封固定于上桶体11和下桶体12之间的气体四通阀62连接，气体四通阀62为市售金属密封四通球阀对其进行外形结构调整以适配上述装置，气体四通阀62分出三组导气管，其中，第一导气管621出气端指向上桶体11底部，第二导气管622出气端指向钻头53，第三导气管623出气端指向收集槽123。收集板122由中间向四周下倾，收集板122底部设有环形槽，环形槽与下桶体12底面设有的环形凸起124配合用于使收集板122转动，第三导气管623靠近收集板122一侧设有滚轮电机125，滚轮电机125为市售卧式齿轮减速电机对其进行外形结构调整以适配上述装置，滚轮电机125下方输出端与用于使收集板122转动的滚轮126连接。

如图2所示，上桶体11内壁一侧中部设有液位传感器7，液位传感器7为市售红外液位传感器对其进行外形结构调整以适配上桶体11，液位传感器7与位于上桶体11侧壁顶部的控制器8连接，控制器8为市售S7-400 PLC控制器，控制器8与蠕动泵14通过电磁继电器电性连接，控制蠕动泵14的开启关闭，上桶体11底部设有水质金属检测仪9，水质金属检测仪9为市售HM5000P供应便携式水质重金属检测仪，水质金属检测仪9与收集桶1外部的数据收集系统连接。

应用上述集成式地下水淋溶液采集及分析用智能采集分析装置进行地下水淋溶液采集的工作原理及方法为：

将本装置埋设入农田松软通透性好的土壤里，使防护网2距离地面40cm处，将装置调试好后再将挖出的土壤覆盖回原处，开始进行地下水淋溶液采集及分析；

蠕动泵14的工作原理：

将液位传感器7的位置调整为上桶体11内300mL淋溶液的位置处，当地下水淋溶液由上部土壤淋溶，经石英砂粒16、软塑料过滤网17、硬塑料过滤网18的依次过滤后，进入到上桶体11内，当液位高度达到液位传感器7所在高度时，液位传感器7感应到下渗的淋溶液，随即将信号传递给控制器8，控制器8随即控制电磁继电器控制开启蠕动泵14，并提前设置好蠕动泵14的开启时间，当蠕动泵14在设置时间内将300mL的淋溶液输送至地面上的收集瓶中后，控制器8随即通过电磁继电器控制停止蠕动泵14，完成对淋溶液的输送，同时地面上的数据收集系统记录完成一次淋溶液收集的时间，计算淋溶速度，并通过水质金属检测仪9实时监测淋溶液的金属元素含量，此时上桶体11内便不再存有淋溶液，直至上部土壤中继续下渗淋溶液使液面高度再次达到液位传感器7所在的高度，则重复上述过程，进行下一次输送；

转动机构3的工作原理：

当需要对收集桶1下方的土壤进行采样、以便对装置上方和下方的地下水重金属含量以及土壤湿度进行对比分析时，开启转动电机33使其带动上方的第一齿轮34顺时针转动，第一齿轮34转动时带动与其啮合的环形齿轮板32绕环形槽311顺时针转动，环形齿轮板32中部固定板322中心处设有的套杆5随之同步顺时针转动；每当蠕动泵14开启关闭完成一个周期时，便开启转动机构3进行一次土壤采样，以便对收集桶1上方和下方的水质以及土壤中金属元素含量等进行对比。

套杆5的工作原理：

当套杆5顺时针转动时，内杆51中部设有的外螺纹512与螺纹桶19内设有的内螺纹啮合转动，使内杆51沿螺纹桶19向下移动，同时内杆51上端设有的条形凸起511在外杆52的滑槽521内滑动，使内杆51沿外杆52向下移动，与此同时钻头53通过开口121转动下深至土壤内，直至条形凸起511与限位部522接触，此时转动电机33反转，使其带动上方的第一齿轮34逆时针转动，第一齿轮34转动时带动与其啮合的环形齿轮板32绕环形槽311逆时针转动，套杆5随之同步逆时针转动，内杆51沿螺纹桶19和外杆52向上移动回到原位，此时螺旋钢板531上堆积有收集到的土壤；

气管线6的工作原理：

开启气体四通阀62上第二导气管622的阀门，开启两用风机61对第二导气管622通气，将螺旋钢板531上堆积的土壤吹落至收集板122上，随后落入收集槽123内，开启气体四通阀62上第三导气管623的阀门，开启两用风机61对第三导气管623吸气，将土壤吸取收集，同时开启滚轮电机125使其带动滚轮126转动，滚轮126在转动过程中与收集板122摩擦使收集板122沿环形槽转动，从而在转动一周后将收集槽123内的土壤全部吸取收集；开启气体四通阀62上第一导气管621的阀门，同时对第一导气管621注入热蒸汽，对上桶体11内部进行清洁；

扰动机构4的工作原理：

在上述转动机构3在工作时，转动电机33带动其下方的第二齿轮41转动，第二齿轮41带动位于其两侧的从动齿轮42转动，从而带动齿轮履带43绕三组从动齿轮42转动，同时带动推土板44扰动保护网2内部的土壤，进而更替土壤防止土壤淋溶能力下降影响淋溶液收集效率，或土壤中水分含量或孔隙度过大使淋溶性过强时，可以主动开启一次扰动机构进行土壤扰动更替。