一種自動上浮式定深采水裝置的設計

金志遠，曹露，李強，趙西增，段瑋瑋

（浙江海洋大學a.船舶與海運學院；b.海洋工程裝備學院，浙江 舟山 316022）

0 引言

隨著工業化的不斷推進，環境污染對人類生活的影響日益嚴重，其中水污染、海洋環境污染等問題尤為凸出，對湖泊、河流、海洋等水域的水質檢測、生物采集、微塑料采樣等就顯得尤其重要。獲取具有代表性的樣本是進行研究的首要步驟，同時也是樣本檢測與管理的一個重要環節[1]。在此過程中大部分情況都需要人們去現場使用采水裝置來收集所需樣本，然后在現場進行簡單過濾或者直接帶回實驗室并用特定的實驗設備進行研究分析。根據水樣的采集要求，有時候需要在不同深度依次進行采樣，以此來獲取梯度剖面的現場水體信息，以保證分析結果的統一性、規范性和類比性[2]。

國內目前大部分使用的采水裝置是通過所釋放的纜繩來確定裝置在水里的下放深度，由于所綁的纜繩可能會受到水流和人為因素的影響，因此會導致裝置并沒有到達我們所需的深度或者超出了深度范圍。大型CTD和玫瑰采水器的組合可以很好地實現準確的定壓采水，但是設備體積龐大，不適合在水庫、湖泊等復雜地形進行采水，因此并不適合大范圍的推廣[3]；目前大部分采水裝置采集完畢時，人們會通過所系的纜繩來把整個裝置慢慢地從水下提出水面，這樣會比較費時費力。當然也有一些采水裝置可以通過船上的絞車來進行回收，但是這樣的采水裝置大部分都比較龐大且厚重，不適用于小型船只。

因此設計一款能夠在不同水深進行精確采水且能自動上浮的采水裝置就顯得十分重要。本文所設計的自動上浮式定深采水裝置通過壓力傳感器來確定采水深度，裝置外殼上附有負壓采水袋，當在預設深度采集完水樣后，通過單片機將氣體存儲罐里的氣體釋放出來并進入氣囊，從而帶動整個采水裝置上浮，具有經濟、實用、便利等優點。

1 定深采水裝置的設計

自動上浮式定深采水裝置包括主殼體、負壓采水袋、氣體存儲罐及氣囊等部分。主殼體內設置有以STM32單片機為核心的控制系統，該系統包括LCD顯示模塊、電源模塊、電磁閥驅動電路、按鍵模塊、北斗定位模塊及壓力傳感器模塊。LCD顯示模塊采用了LCD1602液晶顯示器，在準備階段設置采水的深度時，能通過該顯示器直觀地顯示工作數據；電磁閥驅動電路分別控制2個電磁閥，電磁閥一控制氣體存儲罐的氣體釋放，電磁閥二控制負壓采水袋入水口的開閉；按鍵模塊選擇了能節省I/O口資源且用途更廣的矩陣鍵盤；北斗定位模塊可用于標記采水裝置的位置,方便進行裝置回收；殼體外的壓力傳感器用來測定不同水深中的壓力，將實時的水壓數據通過電信號傳送給單片機，然后通過壓強轉換來換算水深。該控制系統整體框圖如圖1所示。

圖1 控制系統整體框圖

負壓產生裝置選擇負壓引流球、負壓波紋管或真空負壓瓶，這種負壓環境可以在船上或者岸上時通過手動來產生，方便快捷，負壓采水袋可以多次利用，以避免浪費。如圖2所示，該負壓采水袋分別設置了入水管4、出水管1及連通管6。入水管4位于采水袋的上部，電磁閥二設置于入水管4處；出水管1位于采水袋的下部；連通管6與負壓產生裝置連接，在連通管6上設置了一個閥門7，當想要產生負壓環境時就打開閥門，形成負壓后再關閉閥門。該裝置主殼體的截面設置為圓形，負壓采水袋環繞殼體的外壁緊緊貼合。如圖3所示，沿著主殼體的豎直方向分別在外壁的上下兩端設置了2個卡接管，負壓采水袋的入水管4與外壁上端的卡接管一12相連通，出水管1與外壁下端的卡接管二14連通。主殼體的外壁上還設置了一條夾縫8，該夾縫的間隙不能小于負壓采水袋的入水管與出水管的管徑且不能大于連通管的管徑。在安裝時，將采水袋的2個進出水管穿過夾縫與2個卡接管連接好，而連通管并不穿過夾縫，放置于夾縫的另一邊。這樣在采集水樣時，就不會因為采水袋裝滿水而導致脫落。如此設計簡單方便，利于采水袋的多次利用，提高了裝置的穩定性。

圖2 負壓采水袋結構示意圖

圖3 裝置的立體結構示意圖

圖4 裝置的仰視圖

圖5 主殼體的剖面圖

該裝置的主殼體內設計了2個腔體，以單片機為核心的控制系統放置于下腔體內，整個控制模塊可拆卸，便于在矩陣鍵盤上進行設置；如圖3所示，氣體存儲罐11放置于上腔體中，在存儲罐的出口處外接氣囊10，存儲罐與氣囊之間連接了電磁閥一。主殼體的上腔體內設置有內螺紋，氣體存儲罐的外壁開設有外螺紋，內螺紋與外螺紋結合，使氣體存儲罐在上腔體內能夠不受水流影響而晃動。

2 定深采水裝置的工作原理

當到達預定地點準備采集水樣時，先在岸上或者作業船上對裝置進行例行檢查，觀察各部分是否正確連接及能否正常開機工作。首先通過矩陣鍵盤向控制系統輸入想要采集水樣的深度數據及采樣時長t，然后將整個裝置放入水中，通過自身的重力作用，使它慢慢下沉。當裝置所處的深度h2與預設深度h1相差Δh時，單片機控制電磁閥一打開，氣體存儲罐開始將氣體釋放到氣囊中（氣體釋放初期，此時裝置的重力作用大于所受到的浮力，裝置繼續緩慢下沉）；當裝置所處的深度h2與預設深度h1相差為0時，單片機控制電磁閥二打開，然后負壓采水袋開始進水，經預設時間t后關閉電磁閥二（采水完畢），此時充滿氣體的氣囊給整個裝置帶來的浮力大于裝置整體的重力，采水裝置開始上浮，直到漂浮露出水面，最后通過遠程定位終端與主殼體內的北斗定位系統相連接來確定裝置所處的位置，進行打撈回收，則預定地點的定深采水工作完成。

3 定深采水裝置的可行性分析

3.1 技術可行性分析

該定深采水裝置是通過壓力傳感器受到的實時壓力計算得出水深，同時利用單片機控制系統來實現水樣采集及裝置的自動上浮。單片機作為控制系統的核心，通過壓力傳感器將信號傳送到系統中，控制系統與電磁閥驅動電路相連接，可通過單片機輸出信號控制2個電磁閥的開閉（電磁閥作為氣體釋放與水樣流入的閥門），解決了人工手動啟閉的問題，實現了裝置的自動化。電磁閥動作時間短，提高了采水動作的可靠性和準確性[4]。

該裝置的定深采水與自動上浮技術實用性強，整個過程中自動化程度高，人工參與度低，所以該裝置具備技術可行性。

3.2 結構可行性分析

該裝置主要由帶有控制系統的主殼體、負壓采水袋、氣體存儲罐和氣囊等主要部件組成。氣體存儲罐與氣囊常見于水下救生設備，其他零部件皆可在市場上選到相應的標準件。

該裝置的組成部件少，結構簡單。與傳統的采樣設備相比，該裝置體積小、質量輕、便于攜帶與回收，所以該裝置具備結構可行性。

3.3 操作可行性分析

該裝置的工作步驟：1）工作前準備，在岸邊或者船上檢查設備能否正常啟動，各零部件是否已安裝牢固；2）通過矩陣鍵盤向系統輸入預設的采水深度以及采樣時長；3）下放裝置，當裝置到達預設深度范圍內時，單片機控制氣體存儲罐的電磁閥一打開；4）單片機控制負壓采水袋的電磁閥二打開，開始采集水樣；5）達到采樣時長后，關閉電磁閥二，裝置受到的浮力大于重力，裝置上??；6）裝置漂浮到水面，根據北斗定位找到裝置，進行打撈回收。

根據裝置的工作步驟分析，該裝置的人工操作步驟少，工作過程中自動化程度高，與傳統的采樣設備相比，操作簡單、便于回收，所以該裝置具備操作可行性。

3.4 經濟可行性分析

該裝置用到的單片機與傳感器等電子元器件價格便宜、穩定性高、使用壽命長，負壓采水袋可重復利用，減少了損耗，避免了不必要的浪費。該裝置不僅可以應用于小型船只在湖泊、河流等水域的采樣工作，也可用于大型的科考船。以STM32單片機為核心的控制系統在保證裝置穩定性的同時，實現了定深自動采水與自動上浮功能，節省了人力物力，具有很好的經濟效益[5]，所以該裝置具備經濟可行性。

4 結語

本文針對現有傳統采樣裝置的缺陷，設計出一種帶自動上浮功能的定深采水裝置，介紹了該裝置的設計要求與工作原理，并從技術、結構、操作、經濟方面論述了裝置的可行性。

當該裝置到達預設深度時，能夠自動打開采水袋閥門進行水樣采集，采集完畢后，能夠自動上浮至水面并等待打撈回收。與傳統采樣裝置相比，該裝置操作簡單、體積小、容易攜帶、造價較低、自動化程度較高、方便回收，在整個使用過程中省時省力。