一種水生生物樣品在線自動采集及保存裝置結構設計

摘 要：針對傳統水生生物樣品采集存在的問題，設計了一種新型水生生物樣品在線自動采集及保存裝置，可實現對不同水層的定時、定深、定量采樣及保存，對于今后浮游生物多樣性調查樣品取樣工作的采樣和保存具有良好的借鑒意義。

關鍵詞：自動采集;生物樣品;進樣單元;收集單元;保存裝置

1 傳統水生生物樣品采集存在的問題

在對水體進行生態健康診斷時，需對浮游生物樣品取樣調查，了解浮游生物的多樣性。目前多通過人工拖網進行樣品采集，此方式具有如下缺陷：人工操作效率低下，樣品代表性差，費時費力;易受水流、拖網角度影響，難以準確控制采樣深度;濾水量誤差大，浮游植物、生物密度與實際情況不符;采樣器只有樣品采集功能，無保存功能。

鑒于此，本文設計開發了一種新型水生生物樣品在線自動采集及保存裝置，可實現對不同水層的定時、定深、定量采樣及保存。

2 水生生物樣品在線自動采集及保存裝置結構說明

新型水生生物樣品在線自動采集及保存裝置結構設計如圖1、圖2所示。

該裝置由控制單元、支架、進樣單元、分配單元和收集單元組成。通過PLC編程，根據預設參數自動運行，實現定時、定深、定量的精確采樣及保存。

該裝置工作原理：單個樣品采集過程主要包括深度調節、分配單元進樣管旋轉至指定收集管、連續進樣和排樣、添加固定劑、分配單元進樣管回轉至排空管排空5個動作，每次采集新樣品均需重復以上動作。

首先，在人機界面上對取樣深度、采集時間等參數進行設置并傳輸到主控模塊，主控模塊發送指令到步進電機Ⅰ上，線盤上的取樣管隨其轉動開始下潛，直至管口處的深度傳感器反饋的實際深度與設定深度一致;主控模塊據設定方案發送指令給步進電機Ⅱ帶動小帶輪旋轉，帶動同步帶連接的與大帶輪一體的分配單元同步轉動，實現進樣管由初始位置（即排空管處）轉動到相應收集管位置;主控模塊按照所設參數發送指令給蠕動泵Ⅰ和電磁閥、蠕動泵Ⅲ動作，水樣通過進樣管被定量、定時注入收集管，只有與之對應的收集管下部電磁閥處于開啟狀態，水樣經濾網過濾后的部分經分配閥由蠕動泵Ⅲ抽走，此時所需采集的浮游生物被留在網上;待取樣結束后，關閉電磁閥，控制蠕動泵Ⅱ轉動將定量固定劑添加到收集管中;最后將進樣管旋轉回初始位置。通過蠕動泵的轉動將管中上次液體排空，進行下一次采樣前的乳膠管清洗。

2.1? ? 支架結構說明

支架由密度小、強度高的耐腐蝕材料制成，包括框架、支撐板、底板、上板和立柱;框架為腔體結構，包括控制單元安裝孔及人機界面安裝孔;支撐板安裝于框架內;底板固定于框架上且中心設有轉軸通過孔;上板有圓周均布的收集管和排孔管定位孔，通過立柱與底板連為一體。

2.2? ? 收集單元結構說明

收集單元結構剖視圖如圖3所示。

收集單元設排空管、收集管、濾網、O型圈、堵頭、接頭、乳膠管、電磁閥、分配閥和蠕動泵Ⅲ;排空管為乳膠管殘液清洗管，下設接頭;收集管下各設一接頭，且通過乳膠管分別與電磁閥連接;濾網固定于收集管內腔與堵頭間;堵頭外設O型圈，且通過過盈配合與收集管下端內腔密封固定;接頭的下接乳膠管與電磁閥入口相連;電磁閥出口連接分配閥一入口，分配閥出口通過乳膠管與蠕動泵Ⅲ連接。管狀腔體結構收集管據每小時取樣一次圓周均布設置12個;根據需要可更換20～200目濾網;電磁閥選用常閉型兩位兩通電磁閥;分配閥為12個入口連通腔體結構，共用出口，工作中通過開啟或關閉電磁閥實現排樣蠕動泵Ⅲ與相應收集管連通，實現收集管內液體的排空。

2.3? ? 分配單元結構說明

分配單元包括步進電機Ⅱ、法蘭支架Ⅱ、小帶輪、同步帶、大帶輪、轉軸、卡環、下軸承、下軸承座、上軸承、上軸承座、定位銷、光電開關、軸套、進樣管和噴嘴。其中步進電機Ⅱ通過法蘭支架Ⅱ固定于框架上，與小帶輪直連，通過同步帶帶動大帶輪的轉動;大帶輪與轉軸直連，且轉軸隨之旋轉;轉軸有上軸承、下軸承安裝面及卡環槽，其通過上下軸承座及卡環固定于支撐板間，且設有定位銷隨之同步旋轉;上、下軸承分別由上、下軸承套定位;上、下軸承套分別固定于支撐板上下端面;支撐板上端面設光電開關;定位銷觸發光電開關位置與排空管位置對應;軸套固定于轉軸上且與之同步旋轉，軸套設有進樣管固定孔;進樣管內腔分兩個互不相通的腔體，且兩腔體通過乳膠管分別與蠕動泵Ⅰ、蠕動泵Ⅱ連通，且兩腔體出口端各設有一噴嘴。

2.4? ? 進樣單元結構說明

進樣單元的深度傳感器采用投入式液位變送器，由電源供電，進樣孔可與水體充分接觸并將測量出的數據通過傳感器傳送到主控模塊，根據設定深度參數由步進電機帶動線盤轉動收放線，至設定深度與實際水深一致為止;進水樣泵蠕動泵Ⅰ和蠕動泵Ⅱ均與主控模塊相連，通過輸入脈沖或者時間控制蠕動泵的轉動和停止間隔，確定水樣和固定劑的進樣體積;通過定量蠕動泵的運轉時間，實現對濾水量的精確控制。

2.5? ? 控制單元結構說明

控制單元包括主控模塊、電源和人機界面。其中主控模塊通過電纜與人機界面連接，由電源供電;主控模塊為自主編程的PLC，通過電纜線與步進電機、深度傳感器、光電開關、電磁閥連接;電源為半橋式變壓電源，輸入電壓為AC110 ～220 V，輸出電壓為DC5 V、12 V和24 V;人機界面選用工業觸摸屏，可進行自動采樣、手動采樣及參數設置操作;通過PLC編程，能夠根據預設參數自動運行所有動作，實現精確定時、定量、定點采樣，自動化程度高，采樣效率快。

3 結語

本文介紹的新型水生生物樣品在線自動采集及保存裝置通過PLC編程，能夠根據預設參數自動運行所有動作，實現精確定時、定量、定點采樣;采用深度傳感器實現了對采樣深度的精確控制，能夠對不同深度的水體進行分層采樣，使得檢測水樣的環境更接近自然環境;通過程序控制系統的啟動時間及蠕動泵的運轉時間，實現定時間斷取樣及每次對濾水量的精確控制，克服了現有大多數技術濾水量誤差較大的問題;尤其該裝置具備現場定量添加固定劑功能，提高了所采樣品的穩定性。該裝置結構簡單易用，自動化程度高，采樣效率高，且節省人力、物力成本，可靠性高。

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收稿日期：2019-12-16

作者簡介：付召軍（1980—），男，山東沂水人，工程師，研究方向：智能、自動化設備設計。