一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置

摘要

一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，它是由保温箱体、降雪接收结构、融雪储存结构、加热装置和太阳能供电设备组成；降雪接收结构、融雪储存结构以及加热装置均位于保温箱体内部；其中降雪接收结构固定在保温箱体右侧箱体的顶部，融雪储存结构位于左侧箱体的下部，加热装置则位于右侧边角，太阳能供电设备位于保温箱体外部的右侧，通过线缆连接。本发明具有自动化程度高、结构紧凑、体积小巧、管理方便的特点，并且无需外接电源，同时普遍适用于冬季降雪采集，为冬季非点源污染研究提供了科学的降雪自动采样设备。

权利要求

1.一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，其特征在于：它是由保温箱体、降雪接收结构、融雪储存结构、加热装置和太阳能供电设备组成；降雪接收结构、融雪储存结构以及加热装置均位于保温箱体内部；其中降雪接收结构固定在保保温箱体右侧箱体的顶部，融雪储存结构位于左侧箱体的下部，加热装置则位于右侧边角，太阳能供电设备位于保温箱体外部的右侧，通过线缆连接；

所述的保温箱体呈台阶式大小两个长方体的拼接体状，箱体各面组成均采用不锈钢材料与XPS挤塑板结合的方式，以达到箱体内部保温且装置稳固的效果；箱体上部有可开启的上盖即防尘盖，通过卡扣与箱体下部固定，左边用以放置和取出融雪储存容器，右边用以非降雪时段周围对降雪接收结构污染的阻挡；

所述的降雪接收结构包括三棱柱状玻璃槽以及其方形支撑柱；方形支撑柱的顶端与三棱柱状玻璃槽接触，方形支撑柱的底端与保温箱体底面接触；该三棱柱状玻璃槽是由两块夹角为140度的玻璃板拼接而成的，并且在箱体中通过高度不同的方形支撑柱，以与水平面夹角20度，中心轴平行于垂直面的方式固定；当降雪过程中上方的防尘盖打开时，雪样可以降落到三棱柱状玻璃槽的玻璃板上，并且在融化后沿着三棱柱状玻璃槽的倾斜的角度下流至进水管和融雪储存容器中；

所述的融雪储存结构由进水管、定时转盘、融雪储存容器和排水管组成；定时转盘位于左侧小箱体的中心，设置有定时旋转预定角度的操作，转盘上方的面板分布着12个可放置融雪储存容器的圆形凹槽；进水管一端固定在三棱柱状玻璃槽的底端出水口，另一端位于最右侧融雪储存容器位置的中心上方，融雪通过进水管从三棱柱状玻璃槽进入融雪储存容器中；融雪储存容器为聚乙烯瓶，随着定时转盘的转动收集储存同时段的融雪；排水管设置于定时转盘下方面板并伸出保温箱体外，在超过储存预警值的情况下，将多余融雪排出；

所述的加热装置位于保温箱体右侧边角且与降雪接收结构隔开，用于加热整个保温箱体中的空气，使保温箱体中保持在一个稳定的室温状态，模拟降雪的正常融化过程，使降雪能及时融化并收集起来；该加热装置呈长方体状，内部以金属管状电热元件为主体，有不锈钢外罩；

所述的太阳能供电设备包括太阳能板、太阳能控制器和蓄电池；在太阳能控制器的系统控制下，将由太阳能板转化太阳的辐射能量得到的电能，送往蓄电池中存储，并在需要的时候释放出来；通过白天对太阳能收集转化为电能进行储备，来用于之后降雪采集过程中设备电量使用；该太阳能板呈长方体状，外形尺寸为980*795*35mm，功率为100wp；该太阳能控制器是12V10A光伏控制器，呈长方体；该蓄电池的规格是12V/60AH。

2.根据权利要求1所述的一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，其特征在于：该方形支撑柱的数量是6根。

3.根据权利要求1所述的一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，其特征在于：该玻璃板的外形尺寸为40*60cm*4mm。

说明书

一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置

【技术领域】

[0001] 本发明涉及一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，尤其是涉及一种分时段采集降雪历时中的雪样以用于研究降雪过程对大气污染物冲刷情况的自动采样装置。该采样装置可以应用于环境监测、水文气象部门采集降雪，属于环境监测、水文气象装备技术领域。【背景技术】

[0002] 根据污染源特性的不同，水污染可以分为点源污染和非点源污染。非点源污染是指溶解的和固体的污染物从非特定的地点，在降水（或融雪）冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体（包括河流、湖泊、水库和海湾等）并引起水体的富营养化或其它形式的污染。与点源污染相比，非点源污染发生具有随机性、排放途径及污染物排放的不确定性、污染负荷的时空差异性以及监测、控制和管理的难度大等特征。污染物种类有悬浮物（交通、大气干湿沉降物、烟闺烟尘）、营养物质（氮磷）、耗氧物质（生活垃圾、树叶、草及杂乱废弃物堆放）和有毒物质（重金属、杀虫剂、多氯联苯、多环芳烃等）。其中，降雪是北方冬季非常重要的一种降水形式，且冬季取暖导致空气中污染颗粒物增多，降雪过程产生的非点源污染尤其严重，因而降雪产生的非点源污染不容忽视。且有研究表明，降雪所携带的污染物质比降雨更多，因为雪花下落过程中与污染物质接触的时间较长，使得融雪的潜在污染影响较大。同时，积雪中部分污染物的含量明显高于同一地区雨水中污染物的平均浓度，表明不同时段的降雪产生的潜在非点源污染强度不同。鉴于此背景，分时段的采集降雪对于研究城市冬季非点源污染的负荷及变化是极其重要的。环境监测中需要采集降雪，过去多采用人工，即在降雪时监测人员多次持采样容器承接雪样。但在寒冷降雪天气中，人工采集降雪样品不仅费时、费力，也比较危险。因此，自动、高效地采集降雪样品是环境及水文气象领域关注的问题。应用于环境及水文气象领域的降水收集装置在不断发展，例如申请号为89207888.X，名称为降水自动采样器，公开号为CN2059252U的实用新型专利，利用集成高压、大电流选通开关电路系统和继电器，通过电机的正逆向转动控制箱体罩盖的开启和关闭，以实现降雨的自动采样，不仅结构简单紧凑，且价格较为便宜。又如申请号为20070084376.0，名称为降水自动采样器，公开号为CN201034863Y的实用新型专利，通过自然降雨和重力的作用实现采样器筒体的盖板自动开启采样，结构简单、成本低、维护方便，且无需电力便于推广，方便野外使用。还有申请号为200710056668.8，名称为收集罐为自动升降的大气干湿沉降多功能采样器，公开号为CN101013071A的发明专利，使用升降机构分别上下移动收集罐，配合雨水感应装置和时间控制器控制电路，实现雨水或干沉降样品的采集，设计简单且零件加工容易。

[0003] 上述专利大都是对降雨进行采集，未针对降雪采样，更缺少多时段的降雪采样。近几年来，一些专利开始对降雪自动采样以及多时段降雨采样进行设计。例如申请号为
200710056667.3，名称为降雨降尘分时段多功能全自动采样器，公开号为CN101013070A的发明专利，在由传动机构带动的旋转托盘上均匀设置多个收集杯，在下雨时能自动连续采集雨水，还可在关闭雨水控制器时自动采集不同时段的大气样品。又如申请号为
200520088519.6，名称为一种降雨降雪采样器，公开号为CN2862009的发明专利，利用防雨装置和加热管，解决了采样器盖子因冰冻打不开的问题并且避免了从盖子的缝隙里进入沙尘等污染物影响检测质量的现象，设计了能进行简单雪样采集的装置。然而，以上专利虽然实现了降雪简单采样，但均未涉及分时段降雪历时中的雪样自动采集，且由于结构复杂、体积较大或功能限制等原因，均不能满足多时段降雪自动采样需要。开发一种新型的分时段自动采样装置，使之能应用于大部分冬季降雪采样，对城市冬季水污染研究具有非常重要的意义。
【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，针对上述问题，结合环境监测需求，提供一种结构紧凑、分时段连续进行雪样采集的降雪自动采样装置，以实现雪样及时、准确、连续的采集。

[0005] 本发明是一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，是由保温箱体、降雪接收结构、融雪储存结构、加热装置和太阳能供电设备组成。它们之间的位置连接关系是：降雪接收结构、融雪储存结构以及加热装置均位于保温箱体内部；其中降雪接收结构固定在保保温箱体右侧箱体的顶部，融雪储存结构位于左侧箱体的下部，加热装置则位于右侧边角；太阳能供电设备位于保温箱体外部的右侧，通过线缆连接。

[0006] 所述的保温箱体呈台阶式大小两个长方体的拼接体状。箱体各面组成均采用不锈钢材料与XPS挤塑板结合的方式，以达到箱体内部保温且装置稳固的效果。箱体上部有可开启的上盖即防尘盖，通过卡扣与箱体下部固定，左边用以放置和取出融雪储存容器，右边用以非降雪时段周围对降雪接收结构污染的阻挡（即防尘盖的作用）。

[0007] 所述的降雪接收结构包括三棱柱状玻璃槽以及其方形支撑柱。方形支撑柱的顶端与三棱柱状玻璃槽接触，方形支撑柱的底端与保温箱体底面接触；该三棱柱状玻璃槽是由两块夹角为140度的玻璃板拼接而成的，并且在箱体中通过高度不同的方形支撑柱，以与水平面夹角20度，中心轴平行于垂直面的方式固定。当降雪过程中上方的防尘盖打开时，雪样可以降落到三棱柱状玻璃槽的玻璃板上，并且在融化后沿着三棱柱状玻璃槽的倾斜的角度下流至进水管和融雪储存容器中。

[0008] 所述的融雪储存结构由进水管、定时转盘、融雪储存容器和排水管组成。定时转盘位于左侧小箱体的中心，设置有定时旋转预定角度的操作，转盘上方的面板分布着12个可放置融雪储存容器即采样瓶的圆形凹槽。进水管进水段固定在三棱柱状玻璃槽的底端出水口，另一端位于最右侧融雪储存容器位置的中心上方，融雪通过进水管从三棱柱状玻璃槽进入融雪储存容器中。融雪储存容器为聚乙烯瓶，随着定时转盘的转动收集储存同时段的融雪。排水管设置于定时转盘下方面板并伸出保温箱体外，在超过储存预警值的情况下，将多余融雪排出。

[0009] 所述的加热装置位于保温箱体右侧边角且与降雪接收结构隔开，用于加热整个保温箱体中的空气，使保温箱体中保持在一个稳定的室温状态（25度左右），模拟降雪的正常融化过程，使降雪能及时融化并收集起来。该加热装置呈长方体状，内部以金属管状电热元件为主体，有不锈钢外罩。

[0010] 所述的太阳能供电设备包括太阳能板、太阳能控制器和蓄电池。三者之间的关系是：在太阳能控制器的系统控制下，将由太阳能板转化太阳的辐射能量得到的电能，送往蓄电池中存储，并在需要的时候释放出来。通过白天对太阳能收集转化为电能进行储备，来用于之后降雪采集过程中设备电量使用，体现了绿色环保的科学理念，也很方便快捷。该太阳能板呈长方体状，外形尺寸为980*795*35mm，功率为100wp；该太阳能控制器是12V10A光伏控制器，呈长方体；该蓄电池的规格是12V/60AH。

[0011] 其中，该方形支撑柱的数量是6根；

[0012] 其中，该玻璃板的外形尺寸为40*60cm*4mm；

[0013] 本发明为一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，其优点及功效在于：本发明实现了在降雪历时中对雪样分时段采集的技术，和现有技术相比，它具有自动化程度高、结构紧凑、体积小巧、便于携带、管理方便的特点，并且无需外接电源，同时普遍适用于冬季降雪采集，价格也比较便宜，为城市冬季非点源污染研究提供了科学的降雪自动采样设备。【附图说明】

[0014] 图1为装置的立体图

[0015] 图2为装置的正视图

[0016] 图3为装置的俯视图

[0017] 图4为装置的左视图

[0018] 图1中：

[0019] 1-降雪接收结构：三棱柱状玻璃槽 2-融雪储存容器：聚乙烯瓶 3-定时转盘4-加热装置：加热器和蓄电池 5-防尘盖 6-太阳能板 7-太阳能控制器8-支撑柱
9-保温箱体 10-进水管 11-排水管 12-卡扣
【具体实施方式】

[0020] 下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

[0021] 如图1至4所示，一种无需外接电源的轮式定时定量降雪样品采集装置，是由保温箱体9、降雪接收结构1、融雪储存结构2、3、10、11、加热装置4和太阳能供电设备6、7组成。

[0022] 所述的保温箱体9呈台阶式大小两个长方体的拼接体状。保温箱体各面组成均采用不锈钢材料与XPS挤塑板结合的方式，以达到箱体内部保温且装置稳固的效果。保温箱体9上部有可开启的上盖即防尘盖5，通过卡扣12与箱体下部固定，左边用以放置和取出融雪储存容器2，右边用以非降雪时段周围对接收结构污染的阻挡（即防尘盖5的作用）。

[0023] 所述的降雪接收结构包括三棱柱状玻璃槽1以及其方形支撑柱8。方形支撑柱8的顶端与三棱柱状玻璃槽1接触，方形支撑柱8的底端与保温箱体底面接触；该三棱柱状玻璃槽1是由两个夹角为140度的玻璃板拼接而成的，每块玻璃板的大小为40*60cm*4mm，并且在箱体中通过6个高度不同的方形支撑柱8，以与水平面夹角20度，中心轴平行于垂直面的方式固定。当降雪过程中上方的防尘盖5打开时，雪样可以降落到玻璃板上，并且在融化后沿着三棱柱状玻璃槽1的倾斜的角度下流至融雪储存容器2中。

[0024] 所述的融雪储存结构由进水管10、定时转盘3、融雪储存容器2和排水管11组成。定时转盘3位于左侧小箱体的中心，设置有定时旋转预定角度的操作，定时转盘3上方的面板分布着12个可以放置融雪储存容器2即采样瓶的圆形凹槽。进水管10进水段固定在三棱柱状玻璃槽1的底端出水口，另一端位于最右侧融雪储存容器2位置的中心上方，融雪通过进水管10从三棱柱状玻璃槽1进入融雪储存容器2中。融雪储存容器2为聚乙烯瓶，随着定时转盘3的转动收集储存同时段的融雪。排水管11设置于定时转盘3下方面板并伸出保温箱体外，在超过储存预警值的情况下，将多余融雪排出。

[0025] 所述的加热装置4位于保温箱体9右侧边角且与三棱柱状玻璃槽1隔开，用于加热整个保温箱体9中的空气，使保温箱体9中保持在一个稳定的室温状态（25度左右），模拟降雪的正常融化过程，使降雪能及时融化并收集起来。该加热装置4呈长方体状，内部以金属管状电热元件为主体，有不锈钢外罩。

[0026] 所述的太阳能供电设备包括太阳能板6、太阳能控制器7和蓄电池。三者之间的关系是：在太阳能控制器7的系统控制下，将由太阳能板转化太阳的辐射能量得到的电能，送往蓄电池中存储，并在需要的时候释放出来。通过白天对太阳能收集转化为电能进行储备，来用于之后降雪采集过程中设备电量使用，体现了绿色环保的科学理念，也很方便快捷。该太阳能板6呈长方体状，外形尺寸为980*795*35mm，功率为100wp；该太阳能控制器7是12V10A光伏控制器，呈长方体；该蓄电池4是12V/60AH规格。

[0027] 本装置的具体工况及实施步骤如下：

[0028] 在预测降雪的日期前约三天，提前打开保温箱体9的加热装置4，使整个装置保持室温。当开始下雪时，将防尘盖5打开。雪降落到三棱柱状玻璃槽1上，由于箱体9整体处于室温状态，降落的雪样开始融化，并沿着倾斜的三棱柱状玻璃槽1下流，通过进水管10进入融雪储存容器2，采样开始。可编程的定时转盘3通过设定开始以固定的旋转角度e和时间间隔T(实验人员可根据需要编程设定）进行旋转。采样开始时，进水管10出水口位置位于融雪储存容器2圆心正上方，融雪进入融雪储存容器2内。经过时间T后，定时转盘3自动旋转，使下一融雪储存容器2位于进水管10正下方继续采集融雪，再经过时间T后又旋转至下一位置，直至降雪结束或12个融雪储存容器2均装有融雪，采样停止。

[0029] 模拟示例：

[0030] 当气象预报12月10日将会有降雪，在12月8日左右启动加热装置4，使整个装置保持室温。当开始降雪时，将防尘盖5打开。雪降落到三棱柱状玻璃槽1上，由于箱体9整体处于室温状态，降落的雪样开始融化，并沿着倾斜的三棱柱状玻璃槽1下流，通过进水管10进入融雪储存容器2，采样开始。

[0031] 当每个时段收集到的融雪量W需大于30ml时，由于接收面积（即玻璃板总投影面积）S为2*（60*cos20°*40*cos20°）=4239cm2，且北京降雪量Q一般为（1.0—6.0）mm/12h，且T=W/(T*Q)，取样品的最大容量Wm=250ml，所以时间T应控制0.8—1.2h，因而选择T=1h，在摆放12个融雪储存容器2于定时转盘3。设定定时时转盘3通过以固定的旋转角度e=30°和时间间隔T=1h进行旋转。采样开始时，进水管10出水口位置位于融雪储存容器2圆心正上方，融雪进入融雪储存容器2内。经过时间T=1h后，定时转盘3自动旋转，使下一融雪储存容器2位于进水管10正下方继续采集融雪，再经过时间T后又旋转至下一位置，直至降雪结束或12个融雪储存容器2均装有融雪，采样停止。采集到的12个样品进行后续的检测。