一种水利水资源联动采样设备的制作方法

本发明涉及水利工程、水文监测及水资源管理领域的水样采集设备，具体涉及一种水利水资源联动采样设备及水样采集方法，尤其涉及通过电磁控制实现水下定深取样、并通过螺纹对接实现取样后全封闭转移的一体化水样采集系统。

背景技术：

1、在水利工程、水文监测及水资源管理领域，水样采集是水质检测、污染溯源和环境评估的基础性工作。随着水环境监测精细化要求的提升，定深取样已成为行业基本需求。现有定深取样设备主要分为以下几种技术路线。一是重力/水压触发式取样器。该类设备依靠取样桶入水后的自身重力或水压克服弹簧力自动打开进水口，提升时依靠重力或弹簧复位封闭。该类方案结构简单、成本低廉，但存在取样深度精度不足的客观缺陷，取样桶在下沉过程中持续进水，无法精确控制取样起始时刻，导致混入非目标水层的水样。二是电磁阀/电磁铁控制式取样器。该类设备在取样桶底部或侧壁设置电磁阀或电磁铁控制的密封板，通过水面线缆发送电信号控制执行元件动作，实现指定深度处的精确定时取样。该类方案解决了重力触发式取样精度不足的问题，是目前的主流技术路线。

2、然而，该类方案存在两个未被充分认知的客观缺陷。缺陷一：未考虑取样过程中的气液置换问题，更未实现水路控制与气路控制的联动。当电磁阀开启、水样进入取样桶时，桶内原有的空气需要同步排出。然而，现有方案中水路控制（电磁阀）和气路控制（若有独立排气孔）由两个独立元件分别控制，两者之间存在固有的响应延迟差异（通常在0.1s~0.5s量级）。这导致在电磁阀开启的初始阶段，水路已通而气路尚未导通，桶内气压瞬时升高（经理论估算，500ml取样桶内气压可升至约1.5kpa~2.0kpa），阻碍进水速率；随着排气孔在压差驱动下被动开启或常开，又可能导致提升过程中上层水从排气孔倒灌。缺陷二：取样完成后样品转移环节存在污染和精度损失风险。现有电磁控制式取样器在取样桶提升至水面后，均采用人工打开桶盖或底部阀门、将水样倾倒至采样瓶中的方式完成样品转移。此过程存在两方面的客观问题：1.样品在转移过程中暴露于空气，可能引入灰尘、微生物等污染；2.从大口径桶口倒样时流速不可控，容易飞溅损失。

3、另外，现有机械操作杆触发式取样器通过中空竖杆内的推拉杆机械控制取样口密封板的开闭，操作杆与取样桶之间的密封性随使用次数增加而下降，在深水作业时操作杆的摩擦力增大，已逐步被电磁控制方案取代。现有泵吸/负压抽取式取样器通过水泵或真空泵将水样从目标深度抽吸至水面容器，设备复杂、能耗较高，且泵送过程中水样与泵体接触可能引入金属离子污染。现有螺纹对接转移类取样器通过螺纹连接实现取样管与存储容器的对接，并通过顶杆顶起封堵板完成转移；然而，该方案中的封堵板为翻板式转动开启，通流面积与翻板开启角度呈非线性三角函数关系，操作者难以通过手动旋转精确控制转移流量；且封堵板复位需手动操作，无法自动封闭。

4、基于上述分析，本领域亟需一种能够同时解决“取样过程中气液置换顺畅性”和“取样后封闭式精确转移”两个问题的水样采集设备。本发明正是基于这一技术空白而提出。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、本发明针对现有定深取样设备存在的客观技术问题，本发明提供了一种水利水资源联动采样设备，其目的在于克服现有电磁控制式取样器在取样时水路与气路独立控制导致响应不同步、以及取样后样品转移过程中暴露污染的技术缺陷。

3、（二）技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供一种水利水资源联动采样设备，包括取样桶和桶内控制机构，所述取样桶包括桶体、底板和顶板，所述底板的中心设有底板穿孔，所述顶板的中心设有顶板穿孔。

5、所述桶内控制机构包括：底板套，固定安装于所述底板穿孔内，其侧壁设有底套侧孔；外芯管，滑动套装于所述底板套内部，其中心沿轴向设有动轴腔，其侧壁设有动侧孔，所述动侧孔与所述动轴腔连通；顶簧，套装于所述底板套内部，位于所述底板套与所述外芯管的顶面之间，其弹性力方向为向下；顶板套，固定安装于所述顶板的上侧，其侧壁设有顶套侧孔；内芯管，滑动套装于所述顶板套内部，并从所述顶板穿孔向下引出，其侧壁沿轴向设有侧槽；连杆，其下端固定连接于所述外芯管的顶部，上端从所述底板套顶部的杆穿孔中引出，且与所述内芯管的底部固定连接；电磁体，固定安装于所述内芯管的内腔顶部。

6、所述外芯管、所述连杆和所述内芯管固定连接为一体构成联动芯管组件；当所述电磁体通电时，驱动所述联动芯管组件克服所述顶簧的弹力向上滑动，使所述动侧孔与所述底套侧孔重合形成进水通路，同时使所述侧槽与所述顶套侧孔对接形成排气通路；当所述电磁体断电时，所述顶簧驱动所述联动芯管组件向下滑动复位，使所述动侧孔与所述底套侧孔错位封闭所述进水通路，同时使所述侧槽与所述顶套侧孔错位封闭所述排气通路。

7、进一步地，还包括采样瓶和瓶口控制机构，所述采样瓶包括瓶体和瓶封板，所述瓶封板固定安装于所述瓶体的顶部，所述瓶体的顶部固定设有瓶接口，所述瓶接口用于与所述取样桶底部的桶接口螺纹连接。

8、进一步地，所述瓶口控制机构包括：转管，可旋转地套装于所述瓶封板的中心通孔内，其中心沿轴向设有定管腔，其侧壁设有管侧孔，所述管侧孔与所述定管腔连通；转盘，固定套装于所述转管的上部，平行设置于所述瓶封板的上方；扭簧，安装于所述转盘与所述瓶封板之间的间隙内；定位套，固定安装于所述瓶封板的下方，其内腔套装所述转管，其侧壁设有套侧孔；当所述瓶接口旋入所述桶接口时，所述转管的定管腔上端面顶推所述外芯管的底部，使所述外芯管向上滑动开启所述进水通路；继续旋拧使所述管侧孔与所述套侧孔对接，水样经所述动轴腔、定管腔、管侧孔和套侧孔流入所述瓶体。

9、进一步地，所述桶接口与所述瓶接口的螺纹副末端设有止转台阶，当旋拧角度达到180°时所述止转台阶相互抵接。

10、进一步地，所述桶接口的侧壁上开设有侧壁排气孔，用于在所述采样瓶与所述取样桶进行螺纹对接并转移水样的过程中，排出所述桶接口与所述瓶接口对接形成的密闭空腔内的气体，避免空腔内形成气阻。

11、进一步地，所述顶簧与所述扭簧构成双驱序贯复位密封组件：当所述瓶接口从所述桶接口旋出时，所述顶簧首先驱动所述外芯管向下滑动封闭所述进水通路，随后所述扭簧驱动所述转盘复位封闭所述瓶口。

12、进一步地，所述底板套的内壁设置有o型密封圈沟槽，沟槽内安装有密封圈，用于在所述外芯管与所述底板套之间形成滑动密封。

13、进一步地，所述外芯管、所述连杆和所述内芯管之间通过螺纹连接并辅以锁紧螺母固定，构成可拆卸的一体化联动芯管组件。

14、另一方面，本发明还提供一种使用上述水利水资源联动采样设备进行水样采集的方法，包括以下步骤：步骤一，通过收放绳机构将所述取样桶吊装下放至目标水层深度；步骤二，到达目标水层后，向所述电磁体通电，驱动所述联动芯管组件向上滑动，水路和气路同时开启，水样进入所述桶体，空气经所述排气口排出；步骤三，采样完成后断电，所述顶簧复位驱动所述联动芯管组件向下滑动，水路和气路同时封闭；步骤四，将所述取样桶提升至水面，将所述采样瓶的瓶接口与所述桶接口螺纹对接并旋拧，使水样从所述取样桶转移至所述采样瓶；步骤五，反向旋拧分离，所述顶簧首先复位封闭所述取样桶底部，随后所述扭簧复位封闭所述采样瓶瓶口。

15、（三）有益效果

16、1.本发明的外芯管、连杆和内芯管固定连接为联动整体，电磁体通电时水路与气路同时开启、断电时同时封闭，消除了现有技术中独立控制元件之间0.1s~0.5s的响应延迟差，桶内气压始终与环境水压保持动态平衡，取样量偏差可控制在±2%以内，同时杜绝了提升过程中上层水从排气口倒灌的风险。桶接口与瓶接口的螺纹副末端设有止转台阶，当旋拧角度达到180°时止转台阶相互抵接，有效防止过度旋拧导致外芯管超出最大行程。

17、2.本发明通过螺纹对接过程中的机械顶推开启方式，实现了水样从取样桶到采样瓶的全封闭转移，样品全程不暴露于外界空气，杜绝了污染和飞溅损失。同时，桶接口侧壁设置侧壁排气孔，消除对接空腔气阻，确保水样顺畅转移。外芯管、连杆和内芯管之间通过螺纹连接辅以锁紧螺母固定，构成可拆卸的一体化联动芯管组件，任一部件损坏时可单独更换，大幅降低了维护成本。底板套内壁设有o型密封圈沟槽，安装氟橡胶o型密封圈，在保证滑动密封的同时确保外芯管运动顺畅，兼顾了密封性和运动性两方面的要求。

18、3.本发明的顶簧与扭簧构成双驱序贯复位密封组件，旋松采样瓶时顶簧首先复位封闭取样桶底部以切断水源，随后扭簧复位封闭采样瓶瓶口以密封保存样品，形成先切源后封口的序贯密封逻辑，杜绝了残留水样滴落污染。该方案使整个取样和转移流程仅需两个操作动作，即通电采样和旋拧转移，相比传统五步操作步骤减少约60%，在大规模多点位取样场景中显著提升了工作效率。