路春暉， 東 林， 付振楷， 尹美琳， 張嘉琪

（天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津300384）

0 引 言

我國對(duì)江河湖泊和海洋的監(jiān)測(cè)大多采用重點(diǎn)污染源在線監(jiān)控設(shè)備和人工采集的方式，定期對(duì)所在水域展開環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。前者弊端是工程造價(jià)高，其所使用的監(jiān)測(cè)設(shè)備大多為國外產(chǎn)品，維修費(fèi)用高，難以大規(guī)模布置；后者弊端是不夠靈活，需要耗費(fèi)大量的人力和物力，同時(shí)不能適用于復(fù)雜多變的水體環(huán)境，造成部分水域數(shù)據(jù)的空白［1］。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，人類收集的關(guān)于水的數(shù)據(jù)量正在加速增長，許多數(shù)據(jù)源已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)［2］。長期以來，我國現(xiàn)場(chǎng)采樣設(shè)備技術(shù)比較落后，一直處于機(jī)械式采水技術(shù)的階段。傳統(tǒng)的南森瓶是一種結(jié)合了預(yù)設(shè)深度采樣與固定顛倒溫度表為一體的顛倒采水設(shè)備。南森采水器［3-5］適用于常規(guī)水文、海水化學(xué)和微生物調(diào)查。由于南森采水器的構(gòu)造簡單，使用方便，是各國常規(guī)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(duì)周圍環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行采集，無法做到連續(xù)多次采樣。在國家863計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下，海洋技術(shù)中心等單位研制了一批電控式采水裝置及系統(tǒng)，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(tái)正在開發(fā)和部署在眾多的實(shí)際應(yīng)用中［12］。利用無人船進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)已較為成熟。為了在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域獲得真實(shí)、準(zhǔn)確、完整的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)有效的水質(zhì)收集。本文開發(fā)了一種新型水樣自動(dòng)采集裝置用于無人船監(jiān)測(cè)水質(zhì)?；谔摂M儀器LabVIEW平臺(tái)開發(fā)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(dòng)采樣、順序自動(dòng)采樣、邏輯關(guān)系自動(dòng)采樣。克服了采樣誤差大，監(jiān)測(cè)頻率低，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散，勞動(dòng)強(qiáng)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(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有更高的可靠性和精度。

1 水質(zhì)采樣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)水質(zhì)采樣系統(tǒng)功能需求的分析，除了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或遠(yuǎn)程手動(dòng)取樣的核心功能外，系統(tǒng)還需要實(shí)現(xiàn)管路與采樣瓶的潤洗、各個(gè)傳感器模塊的讀取與記錄、GPS的讀取與記錄、時(shí)間記錄、日志記錄與存儲(chǔ)等功能。在確定水質(zhì)采樣系統(tǒng)采用真空泵降低采樣瓶內(nèi)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(nèi)部的壓力狀況，在采樣系統(tǒng)的管路中加入壓力傳感器。

根據(jù)水質(zhì)采樣系統(tǒng)的總體功能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了上述所提到的需要實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)功能原理及采樣實(shí)現(xiàn)步驟

2.1 采樣工作原理

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

系統(tǒng)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(duì)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(hào)到控制系統(tǒng)判斷出采樣瓶內(nèi)水位是否達(dá)標(biāo)（見圖2）。若達(dá)標(biāo)則關(guān)閉采樣瓶進(jìn)水管路電磁閥，采樣結(jié)束；若未達(dá)標(biāo)則重復(fù)采樣過程，添加水樣至采樣瓶直至達(dá)標(biāo)后關(guān)閉采樣瓶進(jìn)水管路電磁閥，采樣結(jié)束。此過程通過真空泵將采樣瓶內(nèi)部氣壓降低，在大氣壓作用下，水被壓入采樣瓶，所以不會(huì)產(chǎn)生采樣瓶內(nèi)滿溢情況。

圖2 水質(zhì)采樣系統(tǒng)平面圖

2.2 采樣實(shí)現(xiàn)步驟

（1）按照順序設(shè)置采樣點(diǎn)及每個(gè)采樣點(diǎn)的采集量。

（2）裝置系統(tǒng)向液位傳感器發(fā)出指令，判斷采樣瓶中是否有殘留水樣。

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

（4）排水后，系統(tǒng)控制所需采樣瓶的氣水兩路電磁閥，通過真空泵調(diào)節(jié)瓶內(nèi)氣壓，使少量水樣進(jìn)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(jìn)入正式的采樣工作。

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

（6）抽真空后，關(guān)閉氣路和負(fù)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(jìn)入采樣瓶。

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

采樣系統(tǒng)流程圖見圖3。

圖3 按地點(diǎn)順序采樣系統(tǒng)流程圖

3 水質(zhì)采樣系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

水質(zhì)采樣系統(tǒng)主要由硬件和基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)的控制軟件兩部分組成。該水質(zhì)采樣系統(tǒng)能與無人船設(shè)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(shù)據(jù)。操作人員能夠通過人機(jī)互動(dòng)界面，遠(yuǎn)程進(jìn)行操作取樣或通過設(shè)置條件進(jìn)行自動(dòng)多點(diǎn)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(shí)查閱歷史操作。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

全自動(dòng)水質(zhì)采樣裝置硬件部分包括采樣瓶安置箱和水質(zhì)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(hù)罩、安裝采樣瓶的支撐機(jī)構(gòu)。采樣瓶的支撐機(jī)構(gòu)包括設(shè)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(nèi)，采用具有松緊性的織帶固定，結(jié)構(gòu)簡單，便于拆裝。液位傳感器固定在采樣瓶的側(cè)面。采樣瓶瓶口兩孔安裝有連接塑膠管的密封管路接頭，進(jìn)水孔接頭連接長度為至瓶底的塑膠管，每組采樣瓶側(cè)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(yīng)的進(jìn)水孔和氣孔相連接（見圖4）。

圖4 采樣瓶安置箱三維圖

水質(zhì)采樣控制箱包括電磁閥、真空泵、側(cè)面設(shè)有進(jìn)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(zhuǎn)換器、繼電器、電源、安裝控制系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)。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(nèi)與控制系統(tǒng)連接。兩臺(tái)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(gè)三通快擰接入氣路之中。進(jìn)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(nèi)。每個(gè)電磁閥通過塑膠管連接相應(yīng)的氣孔、進(jìn)水孔和真空泵。電磁閥、真空泵、壓力傳感器、轉(zhuǎn)換器、繼電器、電源均固定在控制箱底部（見圖5）。

圖5 水質(zhì)采樣控制箱三維圖

硬件設(shè)計(jì)選取非接觸式液位傳感器，能夠?qū)γ荛]容器內(nèi)的液位的高度進(jìn)行非接觸檢測(cè)［14］。可以有效檢測(cè)正常情況下瓶內(nèi)是否有水，采集時(shí)通過水位判斷是否滿足采集水量。當(dāng)水位過高可以發(fā)出信號(hào)關(guān)閉進(jìn)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(duì)應(yīng)電磁閥的啟動(dòng)與關(guān)閉，來檢測(cè)出各個(gè)采樣瓶內(nèi)部的壓力變化，并且能夠減少管路的復(fù)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(xié)調(diào)達(dá)到采樣前期潤洗管路和采樣瓶，采樣時(shí)有效控制采水量。采用真空泵還避免了之前采用蠕動(dòng)泵時(shí)塑膠管需要定期更換的缺陷。

整體管路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案可以避免真空抽氣泵工作時(shí)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(shí)增加了采樣瓶氣密性，并且實(shí)現(xiàn)容器的潤洗。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種設(shè)計(jì)方案可以保證水不會(huì)倒流進(jìn)真空氣泵中。設(shè)計(jì)方案能夠通過真空泵改變瓶中壓力將水壓出，以實(shí)現(xiàn)采樣瓶的潤洗，來達(dá)到減少誤差的目的。

圖6 無人監(jiān)測(cè)船中的水質(zhì)采樣系統(tǒng)

圖7 水質(zhì)采樣系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制軟件是利用美國NI公司LabVIEW開發(fā)平臺(tái)［15］，開發(fā)了水質(zhì)采樣系統(tǒng)的控制軟件?？刂栖浖?shí)現(xiàn)水質(zhì)采樣系統(tǒng)的智能化與自動(dòng)化水樣采集功能，同時(shí)完成對(duì)各種傳感器的讀取與判斷。在控制軟件中設(shè)計(jì)編寫了3種取樣方式，操作人員可通過人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)置取樣方式，在選擇“順序自動(dòng)采樣”后，系統(tǒng)可以按順序完成水樣的采集；在選擇“人工手動(dòng)采樣”后，可通過在界面上指定采樣瓶進(jìn)行取樣；在選擇“邏輯自動(dòng)采樣”后，可以設(shè)置環(huán)境參數(shù)的條件，只要滿足采樣瓶所預(yù)設(shè)的條件就可以進(jìn)行取樣；其他還具有可以觀察各個(gè)采樣瓶的實(shí)時(shí)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(jī)交互界面如圖8所示。

圖8 控制軟件人機(jī)交互界面

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證自動(dòng)水質(zhì)采樣系統(tǒng)的實(shí)用性，通過無人監(jiān)測(cè)船進(jìn)行實(shí)地模擬操控。將采樣系統(tǒng)安裝到無人監(jiān)測(cè)船，并將采樣系統(tǒng)控制軟件安裝到無人船監(jiān)測(cè)平臺(tái)岸基站控制系統(tǒng)。在學(xué)校理工湖中進(jìn)行功能試驗(yàn)（見圖9），對(duì)自動(dòng)水質(zhì)采樣系統(tǒng)的人工手動(dòng)采樣、順序自動(dòng)采樣、邏輯關(guān)系自動(dòng)采樣功能進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。

圖9 理工湖測(cè)試

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，采樣系統(tǒng)對(duì)岸基站管理軟件發(fā)出的各種控制指令做出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。順利完成人工遠(yuǎn)程操控采樣，按事先設(shè)置好的地點(diǎn)、時(shí)間順序采樣，并且可完全按照各個(gè)采樣點(diǎn)、不同采樣水量要求進(jìn)行采樣。在系統(tǒng)工作后，系統(tǒng)中各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)以及傳感器采集的數(shù)據(jù)、當(dāng)前時(shí)鐘信息、各個(gè)采樣單元的開閉狀態(tài)、真空抽氣泵的工作狀態(tài)等都會(huì)被存儲(chǔ)在文件中，隨時(shí)調(diào)用歷史文件功能也順利完成。

5 結(jié) 語

針對(duì)自動(dòng)水質(zhì)采樣系統(tǒng)的功能需求及存在的問題，基于LabVIEW編程技術(shù)，通過與無人監(jiān)測(cè)船結(jié)合，進(jìn)行實(shí)地采樣模擬操控實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)水樣采集勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無人船遠(yuǎn)程自動(dòng)采集水樣。