基于LabVIEW的無人監測船水質采樣系統設計

路春暉， 東 林， 付振楷， 尹美琳， 張嘉琪

（天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津300384）

0 引 言

我國對江河湖泊和海洋的監測大多采用重點污染源在線監控設備和人工采集的方式，定期對所在水域展開環境監測工作。前者弊端是工程造價高，其所使用的監測設備大多為國外產品，維修費用高，難以大規模布置；后者弊端是不夠靈活，需要耗費大量的人力和物力，同時不能適用于復雜多變的水體環境，造成部分水域數據的空白［1］。隨著互聯網的普及，人類收集的關于水的數據量正在加速增長，許多數據源已經積累了大量的數據［2］。長期以來，我國現場采樣設備技術比較落后，一直處于機械式采水技術的階段。傳統的南森瓶是一種結合了預設深度采樣與固定顛倒溫度表為一體的顛倒采水設備。南森采水器［3-5］適用于常規水文、海水化學和微生物調查。由于南森采水器的構造簡單，使用方便，是各國常規使用的一種采水器。但這種采水器的采樣精度無法保證，并且只是單純的采集水樣，無法對周圍環境的參數進行采集，無法做到連續多次采樣。在國家863計劃等項目的支持下，海洋技術中心等單位研制了一批電控式采水裝置及系統，推出了包括卡蓋式采水器，高精度CTD采水器，大容量采水器等［6-11］。

目前，大量的海上無人平臺正在開發和部署在眾多的實際應用中［12］。利用無人船進行環境監測的技術已較為成熟。為了在環境監測領域獲得真實、準確、完整的水質監測數據，實現有效的水質收集。本文開發了一種新型水樣自動采集裝置用于無人船監測水質。基于虛擬儀器LabVIEW平臺開發控制軟件，NI模塊用于編程，利用電磁閥和真空泵采集水樣。通過軟件程序控制繼電器、電磁閥和真空泵，可以獲得3種采樣模式：人工手動采樣、順序自動采樣、邏輯關系自動采樣?？朔瞬蓸诱`差大，監測頻率低，監測數據分散，勞動強度大等問題。此外，為了避免真空泵的損壞和提高采樣瓶的氣密性，該裝置采用氣路和水路的雙向設計。結果表明，該系統具有更高的可靠性和精度。

1 水質采樣系統總體設計

根據水質采樣系統功能需求的分析，除了實現自動或遠程手動取樣的核心功能外，系統還需要實現管路與采樣瓶的潤洗、各個傳感器模塊的讀取與記錄、GPS的讀取與記錄、時間記錄、日志記錄與存儲等功能。在確定水質采樣系統采用真空泵降低采樣瓶內氣壓的取樣方式和氣路、水路分離的管路連接方式之后。為了了解采樣瓶內部的壓力狀況，在采樣系統的管路中加入壓力傳感器。

根據水質采樣系統的總體功能，設計實現該系統的總體結構設計，除了上述所提到的需要實現的功能外，還包括以下電源模塊、氣水管路與真空抽氣泵的控制模塊、通信模塊等（見圖1）。

圖1 總體設計框圖

2 系統功能原理及采樣實現步驟

2.1 采樣工作原理

系統進行采樣前需進行潤洗工作，首先打開負壓真空泵和采樣瓶氣水兩路電磁閥。在采樣瓶內保持一定真空度后，關閉負壓真空泵和氣路電磁閥，打開采樣瓶進水管路電磁閥，水在大氣壓作用下進入采樣瓶。一定量的水進入采集瓶后，同時打開正壓真空泵和氣路電磁閥。此時由于瓶內氣壓作用，瓶內的水通過進水管被壓出采樣瓶［13］。重復上述過程2或3次，完成采樣前的潤洗。

系統完成潤洗工作后開始采樣，采樣過程與潤洗過程基本相似，不同之處在于潤洗需水量小而采樣對水量有一定要求，所以本裝置添加了液位傳感器，通過液位傳感器傳輸信號到控制系統判斷出采樣瓶內水位是否達標（見圖2）。若達標則關閉采樣瓶進水管路電磁閥，采樣結束；若未達標則重復采樣過程，添加水樣至采樣瓶直至達標后關閉采樣瓶進水管路電磁閥，采樣結束。此過程通過真空泵將采樣瓶內部氣壓降低，在大氣壓作用下，水被壓入采樣瓶，所以不會產生采樣瓶內滿溢情況。

圖2 水質采樣系統平面圖

2.2 采樣實現步驟

（1）按照順序設置采樣點及每個采樣點的采集量。

（2）裝置系統向液位傳感器發出指令，判斷采樣瓶中是否有殘留水樣。

（3）若有水，則系統自動打開正壓真空泵和采樣瓶氣水兩路電磁閥，提升瓶內氣壓。由于瓶內氣壓作用，瓶內的水通過進水管被壓出采樣瓶。若無水，則進行步驟（4）。

（4）排水后，系統控制所需采樣瓶的氣水兩路電磁閥，通過真空泵調節瓶內氣壓，使少量水樣進入管路和采樣瓶，之后再將少量水樣排出，完成采樣瓶的潤洗與排空，潤洗2或3遍后，進入正式的采樣工作。

（5）潤洗后，系統控制打開所需采樣瓶的氣路和負壓真空泵的電磁閥，將采樣瓶抽成真空狀態。

（6）抽真空后，關閉氣路和負壓真空泵的電磁閥，打開采樣瓶水路電磁閥，水樣在壓力差作用下被壓入采樣管水路，進入采樣瓶。

（7）在壓力上升到達所設定的壓力后，再判斷采樣瓶的液位是否達到水位線，若未達到，重復取樣過程。若達到水位線，則完成采樣。

采樣系統流程圖見圖3。

圖3 按地點順序采樣系統流程圖

3 水質采樣系統硬件及軟件設計

水質采樣系統主要由硬件和基于LabVIEW平臺設計開發的控制軟件兩部分組成。該水質采樣系統能與無人船設備的控制電腦和所搭載的各種傳感器相互通信、讀取傳輸數據。操作人員能夠通過人機互動界面，遠程進行操作取樣或通過設置條件進行自動多點采樣，并且能將所有的操作信息都生成文件保存起來，以便隨時查閱歷史操作。

3.1 系統硬件設計

全自動水質采樣裝置硬件部分包括采樣瓶安置箱和水質采樣控制箱。采樣瓶安置箱包括瓶口開兩孔的采樣瓶、采樣瓶固定槽、液位傳感器、頂部開孔的采樣瓶安置箱保護罩、安裝采樣瓶的支撐機構。采樣瓶的支撐機構包括設置在底部用于固定采樣瓶的安裝座、底盤以及在中上部的起到固定采樣瓶蓋和液位傳感器的金屬槽。采樣瓶放置在金屬固定槽內，采用具有松緊性的織帶固定，結構簡單，便于拆裝。液位傳感器固定在采樣瓶的側面。采樣瓶瓶口兩孔安裝有連接塑膠管的密封管路接頭，進水孔接頭連接長度為至瓶底的塑膠管，每組采樣瓶側面固定一組液位傳感器，瓶口外部兩孔管路接頭通過塑膠管與控制箱正面相應的進水孔和氣孔相連接（見圖4）。

圖4 采樣瓶安置箱三維圖

水質采樣控制箱包括電磁閥、真空泵、側面設有進水孔的金屬擋板、正面有與采樣瓶連接開孔的擋板、塑膠管、壓力傳感器、轉換器、繼電器、電源、安裝控制系統的支撐結構。電磁閥通過塑膠管分別連接采樣瓶和真空泵，并置于控制箱內與控制系統連接。兩臺真空泵分別與氣路總管路連接。壓力傳感器連在真空抽氣泵之后，利用一個三通快擰接入氣路之中。進水孔和氣孔都裝有連接塑膠管的密封管路接頭并固定在正面擋板開孔槽內。每個電磁閥通過塑膠管連接相應的氣孔、進水孔和真空泵。電磁閥、真空泵、壓力傳感器、轉換器、繼電器、電源均固定在控制箱底部（見圖5）。

圖5 水質采樣控制箱三維圖

硬件設計選取非接觸式液位傳感器，能夠對密閉容器內的液位的高度進行非接觸檢測［14］?？梢杂行z測正常情況下瓶內是否有水，采集時通過水位判斷是否滿足采集水量。當水位過高可以發出信號關閉進水管路電磁閥，控制水量。利用壓力傳感器，能夠通過控制采樣瓶所對應電磁閥的啟動與關閉，來檢測出各個采樣瓶內部的壓力變化，并且能夠減少管路的復雜程度。采用真空泵、電磁閥、壓力傳感器、液位傳感器，通過互相協調達到采樣前期潤洗管路和采樣瓶，采樣時有效控制采水量。采用真空泵還避免了之前采用蠕動泵時塑膠管需要定期更換的缺陷。

整體管路設計將氣路與水路分成兩路，互不干擾。采用氣路、水路分離的管路設計方案可以避免真空抽氣泵工作時容易將管路中的殘余水樣吸入泵中，造成氣泵的損壞（見圖6、7）。同時增加了采樣瓶氣密性，并且實現容器的潤洗。通過實驗驗證，這種設計方案可以保證水不會倒流進真空氣泵中。設計方案能夠通過真空泵改變瓶中壓力將水壓出，以實現采樣瓶的潤洗，來達到減少誤差的目的。

圖6 無人監測船中的水質采樣系統

圖7 水質采樣系統實物圖

3.2 系統軟件設計

本系統的控制軟件是利用美國NI公司LabVIEW開發平臺［15］，開發了水質采樣系統的控制軟件?？刂栖浖崿F水質采樣系統的智能化與自動化水樣采集功能，同時完成對各種傳感器的讀取與判斷。在控制軟件中設計編寫了3種取樣方式，操作人員可通過人機交互界面進行設置取樣方式，在選擇“順序自動采樣”后，系統可以按順序完成水樣的采集；在選擇“人工手動采樣”后，可通過在界面上指定采樣瓶進行取樣；在選擇“邏輯自動采樣”后，可以設置環境參數的條件，只要滿足采樣瓶所預設的條件就可以進行取樣；其他還具有可以觀察各個采樣瓶的實時壓力變化和采樣瓶的液位是否處于水位線下的功能?？刂栖浖藱C交互界面如圖8所示。

圖8 控制軟件人機交互界面

4 仿真實驗

為了驗證自動水質采樣系統的實用性，通過無人監測船進行實地模擬操控。將采樣系統安裝到無人監測船，并將采樣系統控制軟件安裝到無人船監測平臺岸基站控制系統。在學校理工湖中進行功能試驗（見圖9），對自動水質采樣系統的人工手動采樣、順序自動采樣、邏輯關系自動采樣功能進行實地驗證。

圖9 理工湖測試

在整個實驗過程中，采樣系統對岸基站管理軟件發出的各種控制指令做出相應的響應動作。順利完成人工遠程操控采樣，按事先設置好的地點、時間順序采樣，并且可完全按照各個采樣點、不同采樣水量要求進行采樣。在系統工作后，系統中各個傳感器的工作狀態以及傳感器采集的數據、當前時鐘信息、各個采樣單元的開閉狀態、真空抽氣泵的工作狀態等都會被存儲在文件中，隨時調用歷史文件功能也順利完成。

5 結 語

針對自動水質采樣系統的功能需求及存在的問題，基于LabVIEW編程技術，通過與無人監測船結合，進行實地采樣模擬操控實驗。實驗結果表明，本系統克服了傳統水樣采集勞動強度大的缺點，實現了無人船遠程自動采集水樣。