一种水生生物样品在线自动采集及保存装置结构设计

摘 要：针对传统水生生物样品采集存在的问题，设计了一种新型水生生物样品在线自动采集及保存装置，可实现对不同水层的定时、定深、定量采样及保存，对于今后浮游生物多样性调查样品取样工作的采样和保存具有良好的借鉴意义。

关键词：自动采集;生物样品;进样单元;收集单元;保存装置

1 传统水生生物样品采集存在的问题

在对水体进行生态健康诊断时，需对浮游生物样品取样调查，了解浮游生物的多样性。目前多通过人工拖网进行样品采集，此方式具有如下缺陷：人工操作效率低下，样品代表性差，费时费力;易受水流、拖网角度影响，难以准确控制采样深度;滤水量误差大，浮游植物、生物密度与实际情况不符;采样器只有样品采集功能，无保存功能。

鉴于此，本文设计开发了一种新型水生生物样品在线自动采集及保存装置，可实现对不同水层的定时、定深、定量采样及保存。

2 水生生物样品在线自动采集及保存装置结构说明

新型水生生物样品在线自动采集及保存装置结构设计如图1、图2所示。

该装置由控制单元、支架、进样单元、分配单元和收集单元组成。通过PLC编程，根据预设参数自动运行，实现定时、定深、定量的精确采样及保存。

该装置工作原理：单个样品采集过程主要包括深度调节、分配单元进样管旋转至指定收集管、连续进样和排样、添加固定剂、分配单元进样管回转至排空管排空5个动作，每次采集新样品均需重复以上动作。

首先，在人机界面上对取样深度、采集时间等参数进行设置并传输到主控模块，主控模块发送指令到步进电机Ⅰ上，线盘上的取样管随其转动开始下潜，直至管口处的深度传感器反馈的实际深度与设定深度一致;主控模块据设定方案发送指令给步进电机Ⅱ带动小带轮旋转，带动同步带连接的与大带轮一体的分配单元同步转动，实现进样管由初始位置（即排空管处）转动到相应收集管位置;主控模块按照所设参数发送指令给蠕动泵Ⅰ和电磁阀、蠕动泵Ⅲ动作，水样通过进样管被定量、定时注入收集管，只有与之对应的收集管下部电磁阀处于开启状态，水样经滤网过滤后的部分经分配阀由蠕动泵Ⅲ抽走，此时所需采集的浮游生物被留在网上;待取样结束后，关闭电磁阀，控制蠕动泵Ⅱ转动将定量固定剂添加到收集管中;最后将进样管旋转回初始位置。通过蠕动泵的转动将管中上次液体排空，进行下一次采样前的乳胶管清洗。

2.1    支架结构说明

支架由密度小、强度高的耐腐蚀材料制成，包括框架、支撑板、底板、上板和立柱;框架为腔体结构，包括控制单元安装孔及人机界面安装孔;支撑板安装于框架内;底板固定于框架上且中心设有转轴通过孔;上板有圆周均布的收集管和排孔管定位孔，通过立柱与底板连为一体。

2.2    收集单元结构说明

收集单元结构剖视图如图3所示。

收集单元设排空管、收集管、滤网、O型圈、堵头、接头、乳胶管、电磁阀、分配阀和蠕动泵Ⅲ;排空管为乳胶管残液清洗管，下设接头;收集管下各设一接头，且通过乳胶管分别与电磁阀连接;滤网固定于收集管内腔与堵头间;堵头外设O型圈，且通过过盈配合与收集管下端内腔密封固定;接头的下接乳胶管与电磁阀入口相连;电磁阀出口连接分配阀一入口，分配阀出口通过乳胶管与蠕动泵Ⅲ连接。管状腔体结构收集管据每小时取样一次圆周均布设置12个;根据需要可更换20～200目滤网;电磁阀选用常闭型两位两通电磁阀;分配阀为12个入口连通腔体结构，共用出口，工作中通过开启或关闭电磁阀实现排样蠕动泵Ⅲ与相应收集管连通，实现收集管内液体的排空。

2.3    分配單元结构说明

分配单元包括步进电机Ⅱ、法兰支架Ⅱ、小带轮、同步带、大带轮、转轴、卡环、下轴承、下轴承座、上轴承、上轴承座、定位销、光电开关、轴套、进样管和喷嘴。其中步进电机Ⅱ通过法兰支架Ⅱ固定于框架上，与小带轮直连，通过同步带带动大带轮的转动;大带轮与转轴直连，且转轴随之旋转;转轴有上轴承、下轴承安装面及卡环槽，其通过上下轴承座及卡环固定于支撑板间，且设有定位销随之同步旋转;上、下轴承分别由上、下轴承套定位;上、下轴承套分别固定于支撑板上下端面;支撑板上端面设光电开关;定位销触发光电开关位置与排空管位置对应;轴套固定于转轴上且与之同步旋转，轴套设有进样管固定孔;进样管内腔分两个互不相通的腔体，且两腔体通过乳胶管分别与蠕动泵Ⅰ、蠕动泵Ⅱ连通，且两腔体出口端各设有一喷嘴。

2.4    进样单元结构说明

进样单元的深度传感器采用投入式液位变送器，由电源供电，进样孔可与水体充分接触并将测量出的数据通过传感器传送到主控模块，根据设定深度参数由步进电机带动线盘转动收放线，至设定深度与实际水深一致为止;进水样泵蠕动泵Ⅰ和蠕动泵Ⅱ均与主控模块相连，通过输入脉冲或者时间控制蠕动泵的转动和停止间隔，确定水样和固定剂的进样体积;通过定量蠕动泵的运转时间，实现对滤水量的精确控制。

2.5    控制单元结构说明

控制单元包括主控模块、电源和人机界面。其中主控模块通过电缆与人机界面连接，由电源供电;主控模块为自主编程的PLC，通过电缆线与步进电机、深度传感器、光电开关、电磁阀连接;电源为半桥式变压电源，输入电压为AC110 ～220 V，输出电压为DC5 V、12 V和24 V;人机界面选用工业触摸屏，可进行自动采样、手动采样及参数设置操作;通过PLC编程，能够根据预设参数自动运行所有动作，实现精确定时、定量、定点采样，自动化程度高，采样效率快。

3 结语

本文介绍的新型水生生物样品在线自动采集及保存装置通过PLC编程，能够根据预设参数自动运行所有动作，实现精确定时、定量、定点采样;采用深度传感器实现了对采样深度的精确控制，能够对不同深度的水体进行分层采样，使得检测水样的环境更接近自然环境;通过程序控制系统的启动时间及蠕动泵的运转时间，实现定时间断取样及每次对滤水量的精确控制，克服了现有大多数技术滤水量误差较大的问题;尤其该装置具备现场定量添加固定剂功能，提高了所采样品的稳定性。该装置结构简单易用，自动化程度高，采样效率高，且节省人力、物力成本，可靠性高。

[参考文献]

[1] 王玉新.机构创新设计方法学[M].天津：天津大学出版社，1996.

[2] 孙桓，陈作模.机械原理[M].6版.北京：高等教育出版社，2001.

[3] 朱文予.机械设计课程设计[M].合肥：合肥工业大学出版社，2005.

收稿日期：2019-12-16

作者简介：付召军（1980—），男，山东沂水人，工程师，研究方向：智能、自动化设备设计。