摘 要：針對傳統(tǒng)水生生物樣品采集存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新型水生生物樣品在線自動采集及保存裝置，可實(shí)現(xiàn)對不同水層的定時(shí)、定深、定量采樣及保存，對于今后浮游生物多樣性調(diào)查樣品取樣工作的采樣和保存具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自動采集;生物樣品;進(jìn)樣單元;收集單元;保存裝置

1 傳統(tǒng)水生生物樣品采集存在的問題

在對水體進(jìn)行生態(tài)健康診斷時(shí)，需對浮游生物樣品取樣調(diào)查，了解浮游生物的多樣性。目前多通過人工拖網(wǎng)進(jìn)行樣品采集，此方式具有如下缺陷：人工操作效率低下，樣品代表性差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力;易受水流、拖網(wǎng)角度影響，難以準(zhǔn)確控制采樣深度;濾水量誤差大，浮游植物、生物密度與實(shí)際情況不符;采樣器只有樣品采集功能，無保存功能。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型水生生物樣品在線自動采集及保存裝置，可實(shí)現(xiàn)對不同水層的定時(shí)、定深、定量采樣及保存。

2 水生生物樣品在線自動采集及保存裝置結(jié)構(gòu)說明

新型水生生物樣品在線自動采集及保存裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

該裝置由控制單元、支架、進(jìn)樣單元、分配單元和收集單元組成。通過PLC編程，根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定深、定量的精確采樣及保存。

該裝置工作原理：單個(gè)樣品采集過程主要包括深度調(diào)節(jié)、分配單元進(jìn)樣管旋轉(zhuǎn)至指定收集管、連續(xù)進(jìn)樣和排樣、添加固定劑、分配單元進(jìn)樣管回轉(zhuǎn)至排空管排空5個(gè)動作，每次采集新樣品均需重復(fù)以上動作。

首先，在人機(jī)界面上對取樣深度、采集時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并傳輸?shù)街骺啬K，主控模塊發(fā)送指令到步進(jìn)電機(jī)Ⅰ上，線盤上的取樣管隨其轉(zhuǎn)動開始下潛，直至管口處的深度傳感器反饋的實(shí)際深度與設(shè)定深度一致;主控模塊據(jù)設(shè)定方案發(fā)送指令給步進(jìn)電機(jī)Ⅱ帶動小帶輪旋轉(zhuǎn)，帶動同步帶連接的與大帶輪一體的分配單元同步轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣管由初始位置（即排空管處）轉(zhuǎn)動到相應(yīng)收集管位置;主控模塊按照所設(shè)參數(shù)發(fā)送指令給蠕動泵Ⅰ和電磁閥、蠕動泵Ⅲ動作，水樣通過進(jìn)樣管被定量、定時(shí)注入收集管，只有與之對應(yīng)的收集管下部電磁閥處于開啟狀態(tài)，水樣經(jīng)濾網(wǎng)過濾后的部分經(jīng)分配閥由蠕動泵Ⅲ抽走，此時(shí)所需采集的浮游生物被留在網(wǎng)上;待取樣結(jié)束后，關(guān)閉電磁閥，控制蠕動泵Ⅱ轉(zhuǎn)動將定量固定劑添加到收集管中;最后將進(jìn)樣管旋轉(zhuǎn)回初始位置。通過蠕動泵的轉(zhuǎn)動將管中上次液體排空，進(jìn)行下一次采樣前的乳膠管清洗。

2.1? ? 支架結(jié)構(gòu)說明

支架由密度小、強(qiáng)度高的耐腐蝕材料制成，包括框架、支撐板、底板、上板和立柱;框架為腔體結(jié)構(gòu)，包括控制單元安裝孔及人機(jī)界面安裝孔;支撐板安裝于框架內(nèi);底板固定于框架上且中心設(shè)有轉(zhuǎn)軸通過孔;上板有圓周均布的收集管和排孔管定位孔，通過立柱與底板連為一體。

2.2? ? 收集單元結(jié)構(gòu)說明

收集單元結(jié)構(gòu)剖視圖如圖3所示。

收集單元設(shè)排空管、收集管、濾網(wǎng)、O型圈、堵頭、接頭、乳膠管、電磁閥、分配閥和蠕動泵Ⅲ;排空管為乳膠管殘液清洗管，下設(shè)接頭;收集管下各設(shè)一接頭，且通過乳膠管分別與電磁閥連接;濾網(wǎng)固定于收集管內(nèi)腔與堵頭間;堵頭外設(shè)O型圈，且通過過盈配合與收集管下端內(nèi)腔密封固定;接頭的下接乳膠管與電磁閥入口相連;電磁閥出口連接分配閥一入口，分配閥出口通過乳膠管與蠕動泵Ⅲ連接。管狀腔體結(jié)構(gòu)收集管據(jù)每小時(shí)取樣一次圓周均布設(shè)置12個(gè);根據(jù)需要可更換20～200目濾網(wǎng);電磁閥選用常閉型兩位兩通電磁閥;分配閥為12個(gè)入口連通腔體結(jié)構(gòu)，共用出口，工作中通過開啟或關(guān)閉電磁閥實(shí)現(xiàn)排樣蠕動泵Ⅲ與相應(yīng)收集管連通，實(shí)現(xiàn)收集管內(nèi)液體的排空。

2.3? ? 分配單元結(jié)構(gòu)說明

分配單元包括步進(jìn)電機(jī)Ⅱ、法蘭支架Ⅱ、小帶輪、同步帶、大帶輪、轉(zhuǎn)軸、卡環(huán)、下軸承、下軸承座、上軸承、上軸承座、定位銷、光電開關(guān)、軸套、進(jìn)樣管和噴嘴。其中步進(jìn)電機(jī)Ⅱ通過法蘭支架Ⅱ固定于框架上，與小帶輪直連，通過同步帶帶動大帶輪的轉(zhuǎn)動;大帶輪與轉(zhuǎn)軸直連，且轉(zhuǎn)軸隨之旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)軸有上軸承、下軸承安裝面及卡環(huán)槽，其通過上下軸承座及卡環(huán)固定于支撐板間，且設(shè)有定位銷隨之同步旋轉(zhuǎn);上、下軸承分別由上、下軸承套定位;上、下軸承套分別固定于支撐板上下端面;支撐板上端面設(shè)光電開關(guān);定位銷觸發(fā)光電開關(guān)位置與排空管位置對應(yīng);軸套固定于轉(zhuǎn)軸上且與之同步旋轉(zhuǎn)，軸套設(shè)有進(jìn)樣管固定孔;進(jìn)樣管內(nèi)腔分兩個(gè)互不相通的腔體，且兩腔體通過乳膠管分別與蠕動泵Ⅰ、蠕動泵Ⅱ連通，且兩腔體出口端各設(shè)有一噴嘴。

2.4? ? 進(jìn)樣單元結(jié)構(gòu)說明

進(jìn)樣單元的深度傳感器采用投入式液位變送器，由電源供電，進(jìn)樣孔可與水體充分接觸并將測量出的數(shù)據(jù)通過傳感器傳送到主控模塊，根據(jù)設(shè)定深度參數(shù)由步進(jìn)電機(jī)帶動線盤轉(zhuǎn)動收放線，至設(shè)定深度與實(shí)際水深一致為止;進(jìn)水樣泵蠕動泵Ⅰ和蠕動泵Ⅱ均與主控模塊相連，通過輸入脈沖或者時(shí)間控制蠕動泵的轉(zhuǎn)動和停止間隔，確定水樣和固定劑的進(jìn)樣體積;通過定量蠕動泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對濾水量的精確控制。

2.5? ? 控制單元結(jié)構(gòu)說明

控制單元包括主控模塊、電源和人機(jī)界面。其中主控模塊通過電纜與人機(jī)界面連接，由電源供電;主控模塊為自主編程的PLC，通過電纜線與步進(jìn)電機(jī)、深度傳感器、光電開關(guān)、電磁閥連接;電源為半橋式變壓電源，輸入電壓為AC110 ～220 V，輸出電壓為DC5 V、12 V和24 V;人機(jī)界面選用工業(yè)觸摸屏，可進(jìn)行自動采樣、手動采樣及參數(shù)設(shè)置操作;通過PLC編程，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動運(yùn)行所有動作，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)、定量、定點(diǎn)采樣，自動化程度高，采樣效率快。

3 結(jié)語

本文介紹的新型水生生物樣品在線自動采集及保存裝置通過PLC編程，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動運(yùn)行所有動作，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)、定量、定點(diǎn)采樣;采用深度傳感器實(shí)現(xiàn)了對采樣深度的精確控制，能夠?qū)Σ煌疃鹊乃w進(jìn)行分層采樣，使得檢測水樣的環(huán)境更接近自然環(huán)境;通過程序控制系統(tǒng)的啟動時(shí)間及蠕動泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定時(shí)間斷取樣及每次對濾水量的精確控制，克服了現(xiàn)有大多數(shù)技術(shù)濾水量誤差較大的問題;尤其該裝置具備現(xiàn)場定量添加固定劑功能，提高了所采樣品的穩(wěn)定性。該裝置結(jié)構(gòu)簡單易用，自動化程度高，采樣效率高，且節(jié)省人力、物力成本，可靠性高。

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收稿日期：2019-12-16

作者簡介：付召軍（1980—），男，山東沂水人，工程師，研究方向：智能、自動化設(shè)備設(shè)計(jì)。