CN101762409A - 一种城市降雨径流自动采样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市降雨径流自动采样器，其特征在于：是由箱体、集水结构、采样室和仪器控制室组成；所述的箱体呈长方体，箱体上部为可开启的上盖，通过卡扣与箱体下部固定，箱体上盖的四角带有挂钩；所述的集水结构包括可拆卸的设置于箱体外部的集水漏斗及其自动开启/关闭装置；所述的采样室由引水管、进水管、转轴、采样座、采样杯和排水管组成；所述的仪器控制室位于箱体右侧且与采样室隔开，放置有雨水感应器、步进电机及蓄电池，且有可开启的门以便于设备维护及修理。本发明具有自动化程度高、结构紧凑、体积小巧、便于携带、管理方便的特点，适用于城市路边下水井中降雨径流的采集，也可用于其他收集降雨径流或水流的场合。

Description

一种城市降雨径流自动采样器

【技术领域】

本发明涉及一种城市降雨径流自动采样器，尤其是一种分时段采集城市路面降雨径流以用于城市非点源污染分析的自动采样器。该采样器可以应用于环境监测、水文气象部门采集降雨径流。

【背景技术】

根据污染源特性的不同，水污染可以分为点源污染和非点源污染。城市非点源污染是指城市降雨径流淋洗与冲刷大气和汇水面各种污染物引起的受纳水体的污染。其中，降雨是城市非点源污染形成的动力因素，而降雨形成的径流是非点源污染物迁移的载体，因此狭义的城市非点源污染就是指降雨径流污染，它是城市非点源污染的主要形式。与点源污染相比，非点源污染发生具有随机性、排放途径及污染物排放的不确定性、污染负荷的时空差异性以及监测、控制和管理的难度大等特征。污染物种类有悬浮物(交通、大气干湿沉降物、烟囱烟尘)、营养物质(氮磷)、耗氧物质(生活垃圾、树叶、草及杂乱废弃物堆放)和有毒物质(重金属、杀虫剂、多氯联苯、多环芳烃等)。

鉴于此背景，城市降雨径流的水质监测工作成为了研究非点源污染形成规律的重要基础，同时也为大尺度上估算城市非点源污染负荷提供小区监测数据。由于城市自身的特点以及城市化的发展，使城区不透水面不断增加，径流量增加，洪峰流量提前，污染负荷在降雨初期量值较大，在时间上存在一个明显的初期效应。有研究表明，在一场降雨过程中，占总径流20％或25％的初期径流，冲刷排放了径流排污量的50％。因此，分时段的采集降雨径流对于研究城市非点源污染的负荷及变化是极其重要的。环境监测中需要采集降雨径流，过去多采用人工，即在降雨时监测人员多次持采样容器承接水样。但在雷雨天气中，人工采集暴雨径流样品不仅费时、费力，也比较危险。因此，自动、高效地采集降雨样品是环境及水文气象领域一直关注的问题。

应用于环境及水文气象领域的降雨及径流采样装置在不断发展，例如申请号为89207888.X，名称为降水自动采样器，公开号为CN2059252U的实用新型专利，利用集成高压、大电流选通开关电路***和继电器，通过电机的正逆向转动控制箱体罩盖的开启和关闭，以实现降雨的自动采样，不仅结构简单紧凑，且价格较为便宜。又如申请号为20070084376.0，名称为降水自动采样器，公开号为CN201034863Y的实用新型专利，通过自然降雨和重力的作用实现采样器筒体的盖板自动开启采样，结构简单、成本低、维护方便，且无需电力便于推广，方便野外使用。还有申请号为200710056668.8，名称为收集罐为自动升降的大气干湿沉降多功能采样器，公开号为CN101013071A的发明专利，使用升降机构分别上下移动收集罐，配合雨水感应装置和时间控制器控制电路，实现雨水或干沉降样品的采集，设计简单且零件加工容易。

另外，还有一些专利不仅可以实现自动采集雨水样品，还具有打印记录和信号远程传输功能，成本相对较高。例如申请号为88214654.8，名称为雨水降尘自动采样装置，公开号为CN2035884U的实用新型专利，通过旋转迷宫式传感器控制电路，使采样筒的筒盖开启闭合采集雨水，并具有自动打印记录的功能，具有结构简单、工作可靠、灵敏度高、成本低、便于推广等优点。又如申请号为200320119859.1，名称为雨水自动采样器，公开号为CN2665697Y的实用新型专利，主要以监测酸雨为主，它将测量池中复合pH电极产生的信号经电路控制板放大、处理、发射、无线传输到远程，进行记录或警报，实现下雨全过程的自动监测，具有自动化程度高、测量数据正确及时、使用方便等优点。

上述专利大都是对雨水进行一次或两次采集，未针对多时段的雨水采样。近几年来，一些专利开始对多时段的降雨及径流进行了自动采样设计。例如申请号为200710056667.3，名称为降雨降尘分时段多功能全自动采样器，公开号为CN101013070A的发明专利，在由传动机构带动的旋转托盘上均匀设置多个收集杯，在下雨时能自动连续采集雨水，还可在关闭雨水控制器时自动采集不同时段的大气样品。又例如申请号为200520135526.7，名称为一种坡面径流采集装置，公开号为CN2854555Y的实用新型专利，提供了一种以直接的方式收集和计量任意时段的水流样品并自动记录的坡面径流采集装置，自动化程度高，管理方便，不使用电力，适于野外采样且价格便宜。类似的还有申请号为200520135552.X，名称为小流域暴雨径流自动采样装置，公开号为CN2856968Y的实用新型专利，也提供了一种以直接的方式收集和计量任意时段的水流样品并自动记录的小流域暴雨径流采样装置，通过设置抽水泵及分水盘实现分时段采集流域暴雨径流。然而，以上专利虽然实现了降雨或径流的分时段采样，但均未涉及城市路面降雨径流的自动采集，且由于结构复杂、体积较大或功能限制等原因，均不能满足城市路面雨水径流的自动采样需要。开发一种新型的分时段自动采样装置，使之能应用于大部分城市路面上径流的采样，对城市水污染研究具有非常重要的意义。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种城市降雨径流自动采样器，针对上述问题，结合城市非点源污染的研究监测需求，提供一种结构紧凑、分时段连续进行水样采集的城市降雨径流自动采样装置，以实现水样及时、准确、连续的采集。

本发明一种城市降雨径流自动采样器，是由箱体、集水结构、采样室和仪器控制室组成。

所述的箱体呈长方体，其大小可置于大部分城市马路边的长方形下水井中。箱体上部为可开启的上盖，通过卡扣与箱体下部固定，用以放置和取出采样杯。箱体上盖的四角带有挂钩，可将采样器悬挂在下水井的栅格井盖上。

所述的集水结构包括可拆卸的设置于箱体外部的集水漏斗及其自动开启/关闭装置；集水漏斗可紧贴下水井的一边进行降雨径流的收集，集水漏斗下方设有进水口，与一引水管相连进入采样室；集水漏斗上方于集水漏斗靠近箱体的一侧设置有一可自动关闭的顶盖，顶盖的上方还固定有一挡板，顶盖的开关由一凸轮控制。分别固定在转轴中下部和凸轮轴右端的一对锥齿轮带动位于凸轮轴左端的凸轮转动。转轴每转动一周，凸轮转动半周，使得通过推杆卡固定在凸轮上方并滚动接触的推杆完成回程。

采集开始时使推杆的行程最大，此时推杆的顶端与顶盖的挡板相抵触，这样顶盖保持打开状态；随着采集的进行，凸轮产生转动，当采样结束时，推杆的行程最小，此时推杆的顶端与顶盖的挡板相分离，依靠自重顶盖自动关闭，采集过程结束，雨水无法进入集水漏斗。

所述的采样室由引水管、进水管、转轴、采样座、采样杯和排水管组成。转轴位于采样室的中心，由一对固定在采样室底部及采样面板中心的滚动轴承支撑。进水管固定在转轴上以转轴为圆心转动，并与集水漏斗连接；引水管固定在箱体上，其出水端位于进水管正上方但不与转轴和进水管口直接相连，引水管的出水端连接一段直径小于引水管和进水管的细水管，细水管***进水管一段距离但不与进水管接触。这样，即保证了水流的通畅和稳定，又不影响进水管的转动。转轴的下部与仪器控制室内的步进电机通过同步带轮相连，由步进电机带动实现转轴的转动。若干个采样杯座呈圆形排列于采样面板上，杯座中放置有采样杯，且使进水管的出水口正对在采样杯的中心上方。排水管设置于采样室底部并伸出箱体外，将多余的雨水排出。

所述的仪器控制室位于箱体右侧且与采样室隔开，放置有雨水感应器、步进电机及蓄电池，且有可开启的门以便于设备维护及修理。步进电机通过步进电机控制器和步进电机驱动器来控制，调整步进电机控制器发出的脉冲信号的数量和频率，控制步进电机转动的角度和转动频率，从而控制转轴每经过固定时间间隔T旋转角度θ，即每次转动后均使得进水管的出水口处于采样杯的中心上方。雨水感应器位于控制室上方暴露在箱体外部，控制总电路的开启和关闭，即采样开始和结束。所述的步进电机控制器为可编程式，可以编写与不同实验方案相应的控制程序来控制采样，这就使得城市降雨径流采样器可以满足不同使用者的实验需求。

本发明为一种城市降雨径流自动采样器，其优点及功效在于：本发明不仅仅局限于放置在路边下水井中，其体积较小，携带灵活方便，实用性强，可在任意适合的地点收集降雨径流或水流样品。与现有技术相比，它具有自动化程度高、结构紧凑、体积小巧、便于携带、管理方便的特点，适用于城市路边下水井中降雨径流的采集，也可用于其他收集降雨径流或水流的场合，价格也比较便宜，为城市非点源污染研究提供了科学的降雨径流自动采样设备。

【附图说明】

图1是装置的正视图

图2是装置的俯视图

图3是装置的左视图

图4是装置的井盖、箱盖和箱体连接示意图

1、采样室        2、集水漏斗    3、顶盖      4、挡板       5、引水管

6、转轴          7、进水管      8、采样杯    9、采样座     10、面板

11、排水管       12、步进电机   13、小齿轮   14、传送皮带  15、大带轮

16、滚动轴承     17、锥齿轮     18、凸轮     19、推杆      20、仪器控制室

21、雨水感应器   22、蓄电池     23、步进电机控制器         24、步进电机驱动器

25、卡扣         26、检修门     27、箱体     28、箱盖      29、挂钩

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1至4所示，一种城市降雨径流自动采样器，是由箱体27、集水结构、采样室1和仪器控制室20组成。

所述的箱体27呈长方体，其大小可置于大部分城市马路边的长方形下水井中。箱体上部为可开启的箱盖28，通过卡扣25与箱体下部固定，用以放置和取出采样杯8。箱盖的四角带有挂钩29，可将采样器悬挂在下水井的栅格井盖上。

所述的集水结构包括可拆卸的设置于箱体外部的集水漏斗2及其自动开启/关闭装置；集水漏斗2可紧贴下水井的一边进行降雨径流的收集，集水漏斗下方设有进水口，与一引水管5相连进入采样室1；集水漏斗2上方于集水漏斗靠近箱体的一侧设置有一可自动关闭的顶盖3，顶盖3的上方还固定有一挡板4，顶盖的开关由一凸轮18控制；分别固定在转轴6中下部和凸轮18轴右端的一对锥齿轮17带动位于凸轮轴左端的凸轮转动。转轴6每转动一周，凸轮18转动半周，使得通过推杆卡固在凸轮18上方并滚动接触的推杆19完成回程。

采集开始时使推杆的行程最大，此时推杆的顶端与顶盖的挡板相抵触，这样顶盖保持打开状态；随着采集的进行，凸轮产生转动，当采样结束时，推杆的行程最小，此时推杆的顶端与顶盖的挡板相分离，依靠自重顶盖自动关闭，采集过程结束，雨水无法进入集水漏斗。

所述的采样室1由引水管5、进水管7、转轴6、采样座9、采样杯8和排水管11组成。转轴6位于采样室的中心，由一对固定在采样室底部及采样面板中心的滚动轴承16支撑。进水管7固定在转轴上以转轴为圆心转动，并与集水漏斗2连接；引水管5固定在箱体27上，其出水端位于进水管7正上方但不与转轴和进水管口直接相连，引水管5的出水端连接一段直径小于引水管5和进水管7的细水管，细水管***进水管一段距离但不与进水管接触。这样，即保证了水流的通畅和稳定，又不影响进水管的转动。转轴6的下部与仪器控制室内的步进电机12通过同步带轮(由一固定于电机输出轴上的小齿轮13、一固定于转轴上的大带轮15及传送皮带14构成)相连，由步进电机带动实现转轴的转动。15个内径为5cm的采样杯座9呈圆形排列于采样面板10上，杯座中放置有容量为250ml采样杯8，采样杯高约12cm，且使进水管的出水口正对在采样杯的中心上方。排水管11设置于采样室底部并伸出箱体外，将多余的雨水排出。

所述的仪器控制室20位于箱体右侧且与采样室隔开，放置有雨水感应器21、步进电机12及蓄电池22，且有可开启的门以便于设备维护及修理。步进电机通过步进电机控制器23和步进电机驱动器24控制，调整步进电机控制器发出的脉冲信号的数量和频率，控制步进电机转动的角度和转动频率，从而控制转轴每经过固定时间间隔T时旋转角度θ，即每经一次转动后，使得进水管的出水口处于采样杯的中心正上方。雨水感应器21位于控制室上方暴露在箱体外部，控制总电路的开启和关闭，即采样开始和结束。所述的步进电机控制器23为可编程式，可以编写与不同实验方案相应的控制程序来控制采样，这就使得城市降雨径流采样器可以满足不同使用者的实验需求。

本装置的具体实施步骤如下：

当开始下雨时，雨水感应器21电路接通，集水漏斗顶盖3为打开状态，雨水进入集水漏斗2通过引水管5收纳至进水管7进入采样室1，自动采样开始。可编程的步进电机12通过同步带轮带动采样室的中心转轴6开始以固定的旋转角度θ和时间间隔T(实验人员可根据需要编程设定)进行旋转，并带动固定在转轴6上的进水管7也以相同的速度及频率转动。采样开始时，进水管7出水口位置位于采样杯8圆心正上方，水样进入采样杯内。经过时间T后，进水管自动旋转24°至下一采样杯正上方继续采集水样，再经过时间T后又旋转至下一位置，直至旋转360°回到原位置时，15个采样杯都装满径流样品，集水漏斗顶盖3自动关闭，采样停止。

Claims (2)

1.一种城市降雨径流自动采样器，其特征在于：是由箱体、集水结构、采样室和仪器控制室组成；

所述的箱体呈长方体，箱体上部为可开启的上盖，通过卡扣与箱体下部固定，箱体上盖的四角带有挂钩；

所述的集水结构包括可拆卸的设置于箱体外部的集水漏斗及其自动开启/关闭装置；集水漏斗下方设有进水口，与一引水管相连进入采样室；集水漏斗上方于集水漏斗靠近箱体的一侧设置有一可自动关闭的顶盖，顶盖的上方还固定有一挡板，顶盖的开关由一凸轮控制；分别固定在转轴中下部和凸轮轴右端的一对锥齿轮带动位于凸轮轴左端的凸轮转动；转轴每转动一周，凸轮转动半周，使得通过推杆卡固定在凸轮上方并滚动接触的推杆完成回程；

所述的采样室由引水管、进水管、转轴、采样座、采样杯和排水管组成；转轴位于采样室的中心，由一对固定在采样室底部及采样面板中心的滚动轴承支撑；进水管固定在转轴上以转轴为圆心转动，并与集水漏斗连接；引水管固定在箱体上，其出水端位于进水管正上方但不与转轴和进水管口直接相连，引水管的出水端连接一段直径小于引水管和进水管的细水管，细水管***进水管一段距离但不与进水管接触；转轴的下部与仪器控制室内的步进电机通过同步带轮相连，由步进电机带动实现转轴的转动；若干个采样杯座呈圆形排列于采样面板上，杯座中放置有采样杯，且使进水管的出水口正对在采样杯的中心上方；排水管设置于采样室底部并伸出箱体外，将多余的雨水排出；

所述的仪器控制室位于箱体右侧且与采样室隔开，放置有雨水感应器、步进电机及蓄电池，且有可开启的门以便于设备维护及修理；雨水感应器位于控制室上方暴露在箱体外部，控制总电路的开启和关闭，即采样开始和结束。

2.根据权利要求1所述的一种城市降雨径流自动采样器，其特征在于：所述的步进电机控制器为可编程式。

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