无动力自动水质取样器的研制

吴德波，陈涛

(黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450004)

0 引言

水质监测可以及时、全面地掌握水环境的质量状况和水系中污染物的动态变化，为水环境管理提供科学依据。取得具有代表性的水样是水质监测的重要环节，是获取准确水质监测数据的基础。文章仅针对开阔河流和湖泊、水库的水质监测，不涉及管道、地下水、降水等。由于水质是动态的，且人工取样受人为因素影响大，如取样不规范或操作不正确都会影响水样的代表性，从而导致水质监测数据的准确性。

1 水质取样器的现状及存在问题

当前，水质取样主要采用聚乙烯塑料桶、单层采水瓶、直立式采水器和自动采样器。采集的水样通常分为瞬时水样、周期水样、混合水样、综合水样等。其中，瞬时水样指随机采集某一特定位置的水样，取样方式简单简便多样、快速，但样品只代表采集时取样点的水质，不能说明整个水体的水质。实际工作中，要连续采取多个位置的瞬时水样。周期水样是指在固定时期内采取一定体积的水样，受偶然因素影响小，因此代表性稍好于瞬时水样。混合取样在同一采样点上以流量、时间、体积或是以流量为基础，按照已知比例(间歇的或连续的)混合在一起的样品，具有更好的代表性，还可以减少工作量和试剂损耗，节约时间，但是采集操作更为复杂。综合水样是指把从不同采样点同时采集的瞬时水样混合为一个样品，便于快速监测分析，对水体水质做出定性判断，其本质还是瞬时水样。

目前市面上的水质采样器种类繁多，主要可分为非自动采样器和自动采样器。非自动采样器主要包括广口瓶、吊桶、排空式取样器等。采集水体表层样品时，一般直接将广口瓶或吊桶沉入水中，待注满水后提出。采集特定深度样品时，可用配有重物的采样瓶，或者排空式取样器。非自动采样器可用于采集瞬时水样、周期水样、综合水样，但不适合采集混合水样。自动水质取样器产品众多，功能丰富，主流技术已经实现了定时或按预设时间比例、预设流量比例自动采样，也可以根据流速自动调整采样速度，取样代表性非常好。不过，自动水质取样器基本都需要依靠电源和电子元器件才能完成取样工作，对于野外工作特别是水样应急取样来说，有着一定的局限性。

2 无动力自动水质取样器的研制

2.1 设计目标

根据黄委水文局水质监测取样的实际需求和存在问题，以弥补现有自动水质取样器的不足为出发点，研制一种无动力自动水质取样器。主要实现几个目标：能够进行流量或流速比例样品的混合水样采集；没有电子元器件，不需要电源；设计相对简单，样品容器很容易进行拆卸、清洗和安装，易于操作和维护；仪器为封闭式，且重量较轻，便于携带和野外作业；不容易被水草、漂浮物或水中的其他固体物质堵塞；具有抗腐蚀性。

2.2 设计结构

无动力自动水质取样器主要由主体结构、引水单元、控制单元、联结单元、储水囊等部分组成。主体结构包括壳体和滑槽，引水单元包括扇叶、引流槽和迎水板，控制单元包括限制槽、扭转弹簧、活塞、导向杆、蓄力箱，联结单元包括齿轮、棘轮、螺杆、啮合轮、伸缩杆。壳体采用亚克力材质，引水单元、控制单元、联结单元采用PP塑料、金属和硅胶材质，坚固耐用，且较为轻便。储水囊采用聚氨酯材料和PVC涂层，密封性好，可折叠，安全可靠，易于运输和保存。其结构如图1、图2所示。

图1 主视剖视图

图2 左视图

壳体内部开设有滑槽，滑槽的表面滑动连接有齿轮，齿轮的表面活动连接有棘轮，齿轮的内部活动连接有螺杆，螺杆的表面活动连接有啮合轮，啮合轮的表面活动连接有扇叶，螺杆远离齿轮的一端活动连接有引流槽，引流槽的表面固定连接有迎水板，引流槽的内部开设有限制槽，限制槽的内部活动连接有扭转弹簧。活塞的表面活动连接有伸缩杆，伸缩杆的下端活动连接有蓄力箱，蓄力箱的内部填充有弹性物质，且具有一定的伸缩能力。壳体内部位于齿轮的两侧均固定连接有储水囊，进入储水囊中的水只会在储水囊受到外力作用下才会释放出来，不会在壳体下移时因活塞移动而流出。

2.3 工作原理

无动力自动水质取样器通过扇叶旋转产生抽吸风力，可将水引流进储水囊中，与此同时，螺杆旋转会啮合齿轮旋转，壳体移动扇叶旋转会将不同深度的水引流进入储水囊中，达到利用水流力抽吸不同深度水样的效果。通过扭转弹簧失去限制力而释放之前被压缩的力，故扭转弹簧反转带动螺杆反转，壳体失去支撑力，后在水浮力以及导向杆的导向作用下缓慢又落在水池底部，从而达到了定时定量完成水样检测的效果。取样器利用水流力抽吸不同深度水样，自动定量完成水样检测。

2.4 工作过程

在使用时，将无动力自动水质取样器放置在待检测水体底部，水会推动弧形迎水板进而挤压扭转弹簧。扭转弹簧被挤压后边旋转边收缩，带动螺杆同步旋转。螺杆转动又经啮合轮带动扇叶旋转，产生抽吸风力，通过抽吸风力将水从引流槽引流进储水囊中。与此同时，螺杆旋转会啮合齿轮旋转，此时齿轮的旋转方向会啮合棘轮与卡圈接触，进而使壳体被带动向上移动，壳体移动扇叶旋转会将不同深度的水引流进入储水囊中。

因扇叶旋转使螺杆稳定旋转，使齿轮与棘轮啮合带动壳体向上移动，壳体向上移动时与齿轮之间的距离逐渐变大，使蓄力箱被拉动进而使伸缩杆远离活塞表面，活塞被拉动在储水囊中产生抽吸风力，此抽吸风力可将水抽吸至其内部。当取样器接近水面时，扭转弹簧失去限制力而释放之前被压缩的力，使扭转弹簧反转带动螺杆反转。齿轮反转使棘轮不再与卡圈啮合，壳体失去支撑力，后在水浮力以及导向杆的导向作用下缓慢又落在水体底部，取样过程结束。

3 技术特点

3.1 水样取样代表性好

水样采集位置占采样点水深垂线的多少以及水样按流量(流速)进行比例分配的情况，直接影响着水样的代表性。文章所研制的无动力自动水质取样器，是由迎水板所受水的压力挤压扭转弹簧，经螺杆转动，再经啮合轮，进而带动扇叶旋转，产生抽吸风力将水引入储水囊，引水的多少与水的压力呈正相关。不同深度、不同流速的位置水样占比也不相同，水深越深、水流速度越大，迎水板受到的水压越大，最终进入储水囊的水也就越多。虽然水样无法做到与流量等比例，但一份水样包含了连续不同水深的水样，而且不同水深的水样占比与水深、流速(流量)呈正相关，完全能够满足野外水质应急监测的是技术要求，代表性明显好于采样位置采集一系列水深的水样混合形成的水样。

3.2 仪器操作简便，可靠性好

利用常规的非自动采样器，一次只能采集某一采样点水面或某一特定水深的水样，需要通过多次采集才能获取不同位置、不同水深的水样，实际操作中还需要配重、船只等辅助设备，工作量大，野外作业十分不便。文章所研制的无动力自动水质取样器不需要预设配重以控制水深，也不需要对不同水深的水样进行量测和混合。仪器不需要率定和调整参数，操作十分简单，而且储水囊拆装方便。仪器没有电子元器件，不需要额外维护，故障率低。

3.3 适用性好

文章所研制的无动力自动水质取样器不需要配置电源，可单独使用，便于野外作业；材料坚固、轻便，可防碰撞，方便运输；密封严实，不易被水草堵塞进水口。仪器有较好的适用性，可用于开阔河流、封闭管道、水库和湖泊的水质应急取样。

4 结论

水质取样器是水质监测的重要工具。针对日常水质取样工作中发现的问题和不足，按照《自动采样器技术要求及检测方法》的要求，设计了一套无动力自动水质取样器，力求在一定程度上解决人工取样器取样代表性较差、自动取样器依赖电源和电子芯片的问题。经在黄河水质应急监测取样中使用验证，仪器的可靠性和适用性较好，所取水样具有良好代表性。