本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測技術領域，具體涉及一種菜地雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器及其方法。

背景技術：

降雨過后，在蔬菜地形成的徑流會帶走土壤中的部分氮磷等元素，匯集到河流后造成水污染。因而，我們必須要弄清楚菜地的施肥情況以及暴雨過程對徑流水質(zhì)的影響。當前市場上，涉及到這種菜地徑流樣采集的裝置也在不斷發(fā)展，如申請?zhí)枮?01110254031.6，名稱為用于徑流水的順序采樣器，公開號為102419270A的專利，可根據(jù)用戶預定的時間間隔借助控制器控制電致動器單元的操作時間自動且簡單地收集相對于時間分割的徑流水樣品，降雨后，雨水感應器感應到雨水便開始樣品的采集，其實對于采集徑流水樣的話，并不是一下雨就開始采集水樣，而是要等土壤濕潤并飽和后形成徑流才能開始采集；申請?zhí)枮?01010101367.4，名稱為一種城市降雨徑流自動采樣器，公開號為101762409A的專利中，雨水收集到集水漏斗作為之后要采集的徑流水樣對于菜地徑流來說顯然不適合，其并未與地表接觸形成徑流；申請?zhí)枮?01510007735.1，名稱為一種輪式地表徑流采樣裝置，公開號為104596800A的專利，提出一種輪式地表徑流采樣裝置，采用輪胎毛細現(xiàn)象以及轉動離心力，結合導流器及數(shù)控收集器，有效地對極淺地表徑流進行收集。這種輪式地表徑流采樣在菜地中不利于固定采樣，并且采樣時間段得不到很好地控制；申請?zhí)枮?01510502913.8，名稱為一種自動雨水徑流收集器，公開號為105136519A的專利，降雨時雨滴降落在雨水傳感器的接受面板上時，電路控制模塊的單片機判斷為有足夠雨強的雨水滴落，來控制之后徑流水樣的采集，并且可以多點同時采樣，但是沒有分階段的連續(xù)采樣，不方便研究該菜地點位徑流水樣的時間變化情況；申請?zhí)枮?01310630924.5，名稱為一種降雨觸發(fā)式徑流自動采樣器及其方法，公開號為103698159A的專利，通過降雨觸發(fā)裝置來控制整個采樣器啟動，在降雨量達到設定值時，PLC控制器可按事先設定步驟和時間間隔依次啟動步進電機、水泵和蠕動泵等采集不同時段、不同點位的徑流水樣品并分配至相應的采樣瓶中保存，放在需要采樣的河道附近，暴雨期間能自動完成在無人值守的情況下的徑流水樣采集工作，但是對于菜地等旱地上的徑流，暴雨期間雨時下時停，徑流的有無也會隨之改變，這種采樣方式過于依懶雨水感應器，不能很好的處理這種情況，而且對于分時段來說前一段采樣管中的徑流樣會影響下一時間段的徑流水樣。

研究蔬菜地等旱地徑流流失規(guī)律，需要分階段、間歇性定時采集初期雨水在菜地形成的徑流樣品及后期雨水在菜地形成的徑流樣品。人為采集的話工作量太大，過于繁瑣，上述的自動徑流采樣器，均達不到本研究要求。故此開發(fā)一種分階段，間隙性，并且各時間段徑流樣互不影響的菜地徑流自動采樣裝置勢在必行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術中存在的問題，并提供一種菜地雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器。本發(fā)明所采用的具體技術方案如下:

菜地雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器，包括第一雨水感應器、液位控制臺、液位控制臺蓋、雨水攔截臺、液位控制孔、第二雨水感應器、直流電機、蠕動泵、液位感應器、取樣槽、轉盤、步進電機、核心電路控制單元、硅膠管、采樣器外殼和硅膠管滯留液槽，采樣器外殼頂部設有第一雨水感應器和液位控制臺，液位控制臺頂部設置呈凹字型的敞口集水槽，集水槽上方設有液位控制臺蓋，集水槽側壁上開設有液位控制孔，液位控制臺蓋由直流電機驅(qū)動旋轉；所述的液位控制孔下方設有第二雨水感應器，用于感應液位控制孔溢流出的水；第二雨水感應器頂部設置雨水攔截臺；采樣器外殼內(nèi)設有轉盤，轉盤上方放置若干個呈環(huán)狀設置且交錯排列的取樣槽和硅膠管滯留液槽，轉盤由步進電機驅(qū)動旋轉；取樣槽和硅膠管滯留液槽中均插有取樣管，取樣管上方固定有硅膠管以及用于探測取樣管中液位的液位感應器，硅膠管由蠕動泵提供抽水動力；轉盤旋轉過程中，所述的取樣管逐個切換至硅膠管的出液口下方；所述的第一雨水感應器、液位控制臺、第二雨水感應器、直流電機、蠕動泵、液位感應器和步進電機均與核心電路控制單元相連，進行聯(lián)動控制。

本發(fā)明菜地雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器主要通過兩個雨水感應器、一個液位控制臺啟動初期徑流收集裝置。產(chǎn)生徑流的時間與降雨發(fā)生時間并不一致。降雨發(fā)生時，雨水首先潤濕地表，土壤達到飽和含水率后，開始下滲和形成徑流，因此形成徑流所需時間與下雨時間是不一致的，其主要與降雨量以及土壤的干裂程度有關。比如一般流域中降雨量達3mm時菜地一般出現(xiàn)徑流。采樣器頂部雨水感應器接受信號，打開雨水液位控制臺蓋，當降雨量達3mm時(也可根據(jù)區(qū)域情況可以適當調(diào)整)，液位控制臺中的雨水從旁側小孔流入第二個雨水感應器，接收信號，蠕動泵、液位感應器、步進電機、轉盤開始工作。

核心電路控制單元是整個自動連續(xù)分階段采樣的控制中心，由PLC及其它線路元件組成。儀器主要控制過程如下：

開始下雨時，第一雨水感應器感應到雨水，并向核心電路控制單元發(fā)出信號，核心電路控制單元處理后并向直流電機發(fā)出命令，使其控制液位控制臺蓋打開；液位控制臺收集雨水，等到雨水漫過液位控制孔后，雨水流向第二雨水感應器，液位控制孔上面有一雨水攔截臺，避免雨水直接打進孔中，第二雨水感應器同樣給核心電路控制單元發(fā)出信號，核心電路控制單元處理后給蠕動泵、液位感應器、和步進電機各自一個啟動命令并控制液位控制臺蓋復位；蠕動泵、、液位感應器和步進電機開始工作，液位控制臺蓋復位；取樣硅膠管便開始吸取菜地徑流中的水樣。

作為優(yōu)選，所述的液位控制臺蓋頂部傾斜設置，呈排水坡度。

作為優(yōu)選，所述的液位控制孔高度設置為開始采樣的降雨高度。

作為優(yōu)選，所述的硅膠管的另一端穿過設置于采樣器外殼底部的硅膠管孔后，置于待采集水樣處。

作為優(yōu)選，所述的液位控制集水槽底部臺設有可控制開閉的液位控制臺排水孔。

作為優(yōu)選，所述的液位控制臺蓋在旋轉過程中，可完全打開和關閉集水槽開口。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述采樣器進行采樣的方法，該方法的實現(xiàn)步驟如下：首先將該采樣器置于菜地，硅膠管的進水口置于待采集水樣處；利用第一雨水感應器感應降雨，當感應到降雨發(fā)生時，向核心電路控制單元發(fā)出信號，由核心電路控制單元向直流電機發(fā)出指令以控制液位控制臺臺蓋旋轉，并完全打開集水槽開口；利用集水槽收集雨水，雨水漫過液位控制孔后，流向第二雨水感應器；雨水感應器感應到溢流出的雨水后，向核心電路控制單元發(fā)出信號，由核心電路控制單元控制液位控制臺蓋復位至完全關閉集水槽開口；同時，核心電路控制單元啟動蠕動泵、液位感應器和步進電機開始工作，轉盤轉動至初始位置使硅膠管滯留液槽位于硅膠管出液口下方，啟動蠕動泵，硅膠管開始吸取菜地徑流中的水樣并將其注入出液口下方的取樣管中，排出硅膠管中殘留的水樣；然后再次啟動步進電機，使轉盤轉動，切換下一順位的取樣槽至硅膠管出液口下方，啟動蠕動泵進行注液，注液過程中當取樣管中的液位高度達到預設高度時，停止注液；并在預設間隔時間后，再次轉動轉盤，切換下一順位的硅膠管滯留液槽位于硅膠管出液口下方，再次啟動蠕動泵，排出硅膠管中殘留的水樣；然后再次切換下一順位的取樣槽至硅膠管出液口下方，采集水樣；不斷重復上述步驟，直至轉盤轉動完一圈或采樣器收到關閉命令，則停止各部件的工作，采樣器關閉。

作為優(yōu)選，在向取樣管中注液的過程中，若液位感應器感應到取樣管中液位尚未達到所述的預設高度，且液位不再上升，則向核心電路控制單元發(fā)送命令，終止采樣；并每隔一定時間，再次啟動采樣，然后檢測取樣管中液位是否升高，當檢測到液位升高時，才繼續(xù)執(zhí)行終止采樣前的下一步驟。

作為優(yōu)選，所述的硅膠管中的流速由蠕動泵控制，所述的預設高度通過核心電路控制單元預設置。

本發(fā)明的雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器，能實現(xiàn)降雨期間的自動連續(xù)分階段采樣。核心電路控制單元設置階段性采樣時間，將樣品按時間序列自動采集，便于研究徑流水質(zhì)的變化。另外，其能實現(xiàn)暴雨期間短時間內(nèi)多次降雨的徑流樣采集，通過設置儀器的自啟動與關閉時間，聯(lián)合液位感應器，自動化程度高，程序自動控制開啟與關閉，操作便捷，無需采樣人員冒雨采樣，只需將儀器放置好適宜地點，接好電源，放置好徑流水樣吸取管便可。本發(fā)明可以用于夜間暴雨時徑流的自動采集，無需人員守候。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器正視圖；

圖2為本發(fā)明的雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器的俯視圖；

圖3為本發(fā)明的一種自動程序控制流程圖。

圖中：第一雨水感應器1、液位控制臺2、液位控制臺蓋3、液位控制臺排水孔4、雨水攔截臺5、液位控制孔6、第二雨水感應器7、感應器活動室8、支撐架9、蠕動泵固定架10、直流電機11、蠕動泵12、進樣支架13、液位感應器14、取樣槽15、轉盤16、轉盤支架17、步進電機18、核心電路控制單元19、硅膠管20、硅膠管孔21、采樣器外殼22和硅膠管滯留液槽23。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步闡述，以便更好的理解本發(fā)明。本發(fā)明的技術特征在沒有沖突的情況下，均可進行相互組合。

如圖1和2所示，一種菜地雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器，其部件主要包括第一雨水感應器1、液位控制臺2、液位控制臺蓋3、液位控制臺排水孔4、雨水攔截臺5、液位控制孔6、第二雨水感應器7、感應器活動室8、支撐架9、蠕動泵固定架10、直流電機11、蠕動泵12、進樣支架13、液位感應器14、取樣槽15、轉盤16、轉盤支架17、步進電機18、核心電路控制單元19、硅膠管20、硅膠管孔21、采樣器外殼22和硅膠管滯留液槽23。采樣器的主體框架為采樣器外殼22，采樣器外殼22頂部為降雨感應區(qū)域，設有第一雨水感應器1和液位控制臺2。液位控制臺2呈長方體狀，上方開設集水槽，整體呈呈凹字型，用于感應降雨。其核心是頂部設置的敞口集水槽，集水槽上方設有液位控制臺蓋3，集水槽側壁上開設有液位控制孔6。液位控制臺蓋3即為一個長方形蓋體，采樣器外殼22內(nèi)通過支撐架9固定直流電機11。液位控制臺蓋3一端由直流電機11驅(qū)動旋轉，能夠完全覆蓋集水槽開口，使雨水無法進入集水槽。當其旋轉時，能夠完全打開集水槽開口，接納雨水。液位控制孔6為開設與側壁上的一個通孔，其下方靠近液位控制臺2外壁處設有第二雨水感應器7，第二雨水感應器7一端緊貼液位控制臺2外壁，當水從液位控制孔6溢流出來時，可以被第二雨水感應器7所感應到。第二雨水感應器7頂部設置彎折狀的雨水攔截臺5，形成一個感應器活動室8，避免雨水直接打到第二雨水感應器7中。液位控制臺蓋3頂部傾斜設置，呈排水坡度。液位控制孔6高度與啟動采樣器開始采集徑流樣品的降雨高度一致。液位控制集水槽底部臺2設有可控制開閉的液位控制臺排水孔4，當一次采樣完畢后，可以打開液位控制臺排水孔4，排出集水槽中的雨水。

采樣器外殼22內(nèi)設有由步進電機18驅(qū)動旋轉的轉盤16，轉盤16有轉盤支架17進行支撐。轉盤16上方放置20個呈環(huán)狀設置的槽孔，槽孔分為兩類，分別為取樣槽15和硅膠管滯留液槽23，兩者交錯排列布置。取樣槽15下一順位為硅膠管滯留液槽23，硅膠管滯留液槽23的下一順位又為取樣槽15。取樣槽15和硅膠管滯留液槽23中均插有取樣管。采樣器外殼22頂部通過進樣支架13固定有硅膠管20，硅膠管20的出液口位于取樣管圍繞形成的環(huán)形線上方，硅膠管20的另一端穿過設置于采樣器外殼22底部的硅膠管孔21后，置于待采集水樣處，比如菜地的出水口。硅膠管20附近還固定有用于探測取樣管中液位的液位感應器14。硅膠管20由蠕動泵12提供抽水動力，而蠕動泵12通過蠕動泵固定架10固定于外殼頂部。轉盤16旋轉過程中，所述的取樣管逐個切換至硅膠管20的出液口下方。為了進行聯(lián)動控制，第一雨水感應器1、液位控制臺2、第二雨水感應器7、直流電機11、蠕動泵12、液位感應器14和步進電機18均與核心電路控制單元19相連。上述核心電路控制單元19可根據(jù)實現(xiàn)的功能進行設計。

基于上述采樣器設計了一種菜地雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣方法，具體步驟為：采樣前，確認液位控制孔6距離集水槽底部的垂直高度與采樣區(qū)域產(chǎn)生徑流的降雨高度一致，例如本實施例中裝置用于苕溪流域，因此其高度為3mm。先用電腦連接核心電路控制單元中的PLC，設置蠕動泵流速，轉盤轉速及液位感應器高度，本例中設置蠕動泵流速為110ml/h，轉盤轉速有三個速度，從單號位轉到雙號位為10s，從雙號位轉到單號位為30min(這個時間根據(jù)研究徑流所需的采樣時間序列設置)，液位高度為11cm，儀器休眠后自啟動時間為30min，設置好后將菜地雨水徑流自動連續(xù)定時采樣器放置于需要采集徑流樣的地點，接通好電源(交流220V)，將取樣硅膠管的進水口放置于菜地低洼處，便于采集徑流水樣。

首先利用第一雨水感應器1感應降雨，當感應到降雨發(fā)生時，向核心電路控制單元19發(fā)出信號，由核心電路控制單元向直流電機11發(fā)出指令以控制液位控制臺臺蓋3旋轉，并完全打開集水槽開口；利用集水槽收集雨水，雨水漫過液位控制孔6后，流向第二雨水感應器7；雨水感應器7感應到溢流出的雨水后，向核心電路控制單元19發(fā)出信號，由核心電路控制單元19控制液位控制臺蓋3復位至完全關閉集水槽開口；同時，核心電路控制單元19啟動蠕動泵12、液位感應器14和步進電機18開始工作，轉盤16轉動至初始位置使硅膠管滯留液槽23位于硅膠管20出液口下方，啟動蠕動泵12，硅膠管20開始吸取菜地徑流中的水樣并將其注入出液口下方的取樣管中，此時，由于原先硅膠管20中還存在上一次采樣過程的殘留液，因此其目的是排出硅膠管20中殘留的水樣；然后再次啟動步進電機18，使轉盤16轉動，切換下一順位的取樣槽15至硅膠管20出液口下方，啟動蠕動泵12進行注液，注液過程中當取樣管中的液位高度達到預設高度時，停止注液；并在預設間隔時間后，再次轉動轉盤16，切換下一順位的硅膠管滯留液槽23位于硅膠管20出液口下方，再次啟動蠕動泵12，排出硅膠管20中殘留的水樣；然后再次切換下一順位的取樣槽15至硅膠管20出液口下方，采集水樣；不斷重復上述步驟，直至轉盤16轉動完一圈或采樣器收到關閉命令，則停止各部件的工作，采樣器關閉。

如圖3所示，以20個50mL取樣管為例，蠕動泵12設置好取樣硅膠管20流速，步進電機18由核心電路控制單元19控制，每次驅(qū)動時使轉盤16定時轉動18°角；轉盤上單數(shù)位，即1,3,5,7,9,11,13,15,17,19號位為取樣硅膠管20滯留液槽，雙數(shù)位2,4,6,8,10,12,14,16,18,20號位為取樣槽；取樣硅膠管開始吸取徑流中水樣至1號位，10s后采好第一個水樣，轉至2號位，30min后先將前一次采樣留下的滯留液排到滯留液槽再轉至3號位，然后開始下一個樣品的采集，以此類推。

另外，本發(fā)明的雨水徑流自動分階段連續(xù)定時采樣器還考慮了短時間多次暴雨的徑流采集，通過設置采樣間隔時間、自啟動與關閉時間、聯(lián)合液位感應器控制實現(xiàn)了暴雨期間短時間內(nèi)多次降雨的采樣。主要過程如下：

液位感應器14由核心電路控制單元19設置好感應高度，并且設置好采樣間隔時間與自啟動與關閉時間。如果中途雨停了，徑流消失，取樣的硅膠管18中將抽取不到水樣，既在向取樣管中注液的過程中，取樣管中液位不再上升。若液位感應器14感應到取樣管中液位尚未達到所述的預設高度，且液位不再上升，則向核心電路控制單元19發(fā)送命令，終止采樣，儀器休眠。過30分鐘后可再自動啟動采樣，檢測液位有無升高，液位升高即中途再次下雨產(chǎn)生徑流，切換至下一順位的硅膠管滯留液槽23，排出滯留液，再切換至下一順位的取樣槽15進行采樣。反之若沒有升高，表明中途沒有下雨，繼續(xù)每隔30分鐘自啟動一次。不斷進行上述循環(huán)，直到采集好20號位徑流樣整個儀器關閉或者等到人工關閉。一次采樣過后，排掉或收集好液位控制臺的雨水，換上新的收集管，擦拭好兩個雨水感應器及2號雨水感應器活動室，便可用于下次采樣。

硅膠管20中的流速由蠕動泵12控制，取樣管中需要裝的水樣高度通過核心電路控制單元19預設置，當液位感應器14感應到的液位達到該值時，做出反饋控制。

上述實施例僅用于解釋說明本發(fā)明要求保護的內(nèi)容，但并不是用于限制本發(fā)明的要求保護的范圍。本領域技術人員在本發(fā)明精神內(nèi)所做的改進和替換，均屬于保護范圍內(nèi)。