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一种基于无人机的空间气体采样装置及方法

申请号 CN202311758522.3 申请日 2023-12-20 公开(公告)号 CN117890167A 公开(公告)日 2024-04-16
申请人 浙江大学高端装备研究院; 发明人 刘仕尧; 谢海波; 杨华勇; 陈小昌; 张威; 张旭; 陶佳跃;
摘要 本 发明 公开了一种基于无人机的空间气体 采样 装置及方法,搭载托架安装在无人机的 起落架 上,模 块 化采样平台固定在搭载托架上;模块化采样平台包括:多路控制 阀 、 控制器 、 真空 泵 、采样袋;多路 控制阀 包括: 阀体 、阀芯、控制 电机 、采样进气口、采样出气口、自冲 洗出 气口;控制器安装在阀体上,用于控制多路控制阀和 真空泵 ;真空泵与阀体固连,其进气口与空气连通,出气口与采样进气口连通;阀芯能在阀体中绕轴360°旋转,其轴心与采样进气口连通,旋转到特定 角 度时阀芯轴心与采样出气口、空气依次连通,采样出气口与采样袋连通。本发明可实现空间多点位采样,提高了采样效率;具有自冲洗功能,可避免不同点位气体样本相互污染。
权利要求

1.一种基于无人机的空间气体采样装置,其特征在于,包括:无人机、搭载托架、模化采样平台;所述搭载托架安装在无人机的起落架上,模块化采样平台固定在搭载托架上;
所述模块化采样平台包括:多路控制控制器真空、采样袋;所述多路控制阀包括:阀体、阀芯、控制电机、采样进气口、采样出气口、自冲洗出气口;所述控制器安装在阀体上,用于控制多路控制阀和真空泵;所述真空泵与阀体固连,真空泵进气口与空气连通,真空泵出气口与采样进气口通过管道连通;
所述阀体的内部同轴布置阀芯,阀芯呈圆柱状,能绕轴360°旋转;所述阀体的下表面安装控制电机,控制电机的输出轴与阀芯轴心相连;在阀芯的侧面上开设第一盲孔,第一盲孔的另一端位于阀芯的轴心;在阀体的上表面轴心处开设采样进气口,采样进气口与第一盲孔连通;在阀体下表面开设多个采样出气口,在阀体内部开设对应个数的采样通道,所述采样通道的一端连通一个采样出气口,另一端连接阀芯的侧面,当阀芯转到特定度时该采样出气口与第一盲孔连通;在阀体内部开设自冲洗通道,所述自冲洗通道的一端与空气连通,作为自冲洗出气口,另一端连接阀芯的侧面,当阀芯转到特定角度时与第一盲孔连通;
所述采样出气口与采样袋连通。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的空间气体采样装置,其特征在于,所述多路控制阀还包括泄压阀,所述泄压阀布置在真空泵出气口与采样进气口连接的管道上,且位于采样进气口一端,当阀体内部压过高时,气体由泄压阀流出。
3.根据权利要求1所述的基于无人机的空间气体采样装置,其特征在于,所述采样袋入口处设置单向阀结构,避免采样气体泄露。
4.根据权利要求1所述的基于无人机的空间气体采样装置,其特征在于,所述搭载托架包括托架主体和四个连接支架;所述托架主体为矩形框体;连接支架的一端与托架主体的四角铰连接,另一端与无人机的起落架铰连接。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的空间气体采样装置,其特征在于,所述采样出气口设置为四个,分别位于阀体下表面的四角,对应设置四个采样袋。
6.一种基于无人机的空间气体采样方法,基于根据权利要求1‑5任意一项所述的基于无人机的空间气体采样装置实现,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:由操作人员设置所期望的空间采样点位,并对每个空间采样点位的采样顺序进行排列;
步骤二:无人机负载搭载托架及模块化采样平台起飞,按照步骤一中所设置的空间采样点位顺序,依次飞至各采样点位;
步骤三:无人机飞至采样点位后悬停等待一分钟,避免由于无人机运动而导致的空间气体流动特征变化及污染物浓度变化;
步骤四:结束悬停等待后,模块化采样平台开始工作,控制器发出指令使控制电机驱动阀芯转至自冲洗通道,接通自冲洗出气口;真空泵在控制器的指令下开始工作,抽取采样点位环境气体冲洗管路30秒;
步骤五:真空泵停止工作,控制器发出指令使控制电机驱动阀芯转至任一采样通道,接通采样出气口,真空泵开始工作,抽取采样点位环境气体,采样袋充满后,真空泵停止工作,完成该采样点位的采样;当进行后续采样点位的采样时,阀芯不与已完成采样的采样袋连通;
步骤六:无人机飞至下一采样点位,重复步骤三~步骤五;当采样次数超过采样袋数目后无人机返回地面,由地面操作人员收集采样袋,并安装新的采样带,继续完成剩余采样点位的采样工作。

说明书全文

一种基于无人机的空间气体采样装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及气体采样领域,尤其涉及一种基于无人机的空间气体采样装置及方法。

背景技术

[0002] 随着国内环境保护工作不断开展,针对工业生产的环保要求也日益严格。工业生产中,污染物无组织排放问题尤为值得关注,无组织排放具有隐蔽性强及空间分布广泛的特点,无组织污染物排放进入空气后,受空气流动稀释,难以管理,不易被监测。
[0003] 现有污染物监测设备多为固定式或手持移动式,监测点位设置受限,无法对无组织污染物排放源周围空间实施立体的、多方位的监测,难以对无组织污染物排放源附近空间内污染物分布情况进行全面描述。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足,本发明提出一种基于无人机的空间气体采样装置及方法。
[0005] 具体技术方案如下:
[0006] 一种基于无人机的空间气体采样装置,包括:无人机、搭载托架、模化采样平台;所述搭载托架安装在无人机的起落架上,模块化采样平台固定在搭载托架上;
[0007] 所述模块化采样平台包括:多路控制控制器真空、采样袋;所述多路控制阀包括:阀体、阀芯、控制电机、采样进气口、采样出气口、自冲洗出气口;所述控制器安装在阀体上,用于控制多路控制阀和真空泵;所述真空泵与阀体固连,真空泵进气口与空气连通,真空泵出气口与采样进气口通过管道连通;
[0008] 所述阀体的内部同轴布置阀芯,阀芯呈圆柱状,能绕轴360°旋转;所述阀体的下表面安装控制电机,控制电机的输出轴与阀芯轴心相连;在阀芯的侧面上开设第一盲孔,第一盲孔的另一端位于阀芯的轴心;在阀体的上表面轴心处开设采样进气口,采样进气口与第一盲孔连通;在阀体下表面开设多个采样出气口,在阀体内部开设对应个数的采样通道,所述采样通道的一端连通一个采样出气口,另一端连接阀芯的侧面,当阀芯转到特定度时该采样出气口与第一盲孔连通;在阀体内部开设自冲洗通道,所述自冲洗通道的一端与空气连通,作为自冲洗出气口,另一端连接阀芯的侧面,当阀芯转到特定角度时与第一盲孔连通;所述采样出气口与采样袋连通。
[0009] 进一步地,所述多路控制阀还包括泄压阀,所述泄压阀布置在真空泵出气口与采样进气口连接的管道上,且位于采样进气口一端,当阀体内部压过高时,气体由泄压阀流出。
[0010] 进一步地,所述采样袋入口处设置单向阀结构,避免采样气体泄露。
[0011] 进一步地,所述搭载托架包括托架主体和四个连接支架;所述托架主体为矩形框体;连接支架的一端与托架主体的四角铰连接,另一端与无人机的起落架铰连接。
[0012] 进一步地,所述采样出气口设置为四个,分别位于阀体下表面的四角,对应设置四个采样袋。
[0013] 一种基于无人机的空间气体采样方法,基于根据所述的基于无人机的空间气体采样装置实现,包括以下步骤:
[0014] 步骤一:由操作人员设置所期望的空间采样点位,并对每个空间采样点位的采样顺序进行排列;
[0015] 步骤二:无人机负载搭载托架及模块化采样平台起飞,按照步骤一中所设置的空间采样点位顺序,依次飞至各采样点位;
[0016] 步骤三:无人机飞至采样点位后悬停等待一分钟,避免由于无人机运动而导致的空间气体流动特征变化及污染物浓度变化;
[0017] 步骤四:结束悬停等待后,模块化采样平台开始工作,控制器发出指令使控制电机驱动阀芯转至自冲洗通道,接通自冲洗出气口;真空泵在控制器的指令下开始工作,抽取采样点位环境气体冲洗管路30秒;
[0018] 步骤五:真空泵停止工作,控制器发出指令使控制电机驱动阀芯转至任一采样通道,接通采样出气口,真空泵开始工作,抽取采样点位环境气体,采样袋充满后,真空泵停止工作,完成该采样点位的采样;当进行后续采样点位的采样时,阀芯不与已完成采样的采样袋连通;
[0019] 步骤六:无人机飞至下一采样点位,重复步骤三~步骤五;当采样次数超过采样袋数目后无人机返回地面,由地面操作人员收集采样袋,并安装新的采样带,继续完成剩余采样点位的采样工作。
[0020] 本发明的有益效果是:
[0021] (1)本发明可实现空间多点位采样,一次起飞后可连续采样多次,提高了采样效率。
[0022] (2)本发明具有自冲洗功能,可有效避免不同点位气体样本相互污染。
[0023] (3)本发明装置结构简单,制造成本低,可靠性高,且具有模块化安装使用的特点,便于生产和使用。附图说明
[0024] 图1是本发明实施例中基于无人机的空间气体采样装置的立体示意图。
[0025] 图2是本发明实施例中搭载托架的结构示意图。
[0026] 图3是本发明实施例中模块化采样平台的立体示意图。
[0027] 图4是本发明实施例中多路控制阀的剖面图。
[0028] 图5是本发明实施例中基于无人机的空间气体采样方法的流程图
[0029] 图中,无人机1、搭载托架2、模块化采样平台3;托架主体21、连接支架22;多路控制阀31、控制器32、真空泵33、快速接头34、采样袋35;阀体311、阀芯312、控制电机313、泄压阀314、采样进气口315、采样出气口316、自冲洗出气口317;真空泵进气口331、真空泵出气口
332。

具体实施方式

[0030] 下面根据附图和优选实施例详细描述本发明,本发明的目的和效果将变得更加明白,以下结合附图和实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0031] 如图1所示,一种基于无人机的空间气体采样装置,包括:无人机1、搭载托架2、模块化采样平台3。无人机1为通用型式无人机,搭载托架2安装在无人机1的起落架上,模块化采样平台3固定在搭载托架2上。
[0032] 如图2所示,搭载托架2包括托架主体21和四个连接支架22。托架主体21为矩形框体;连接支架22的一端与托架主体21的四角铰连接,另一端与无人机1的起落架铰连接。铰连接的设计使搭载托架2具有较高调节灵活度,能适配于不同尺寸的无人机设备。
[0033] 如图3和图4所示,模块化采样平台3包括:多路控制阀31、控制器32、真空泵33、快速接头34、采样袋35。其中,多路控制阀31包括:阀体311、阀芯312、控制电机313、泄压阀314、采样进气口315、采样出气口316、自冲洗出气口317。
[0034] 多路控制阀31的阀体311为长方体结构,控制器32安装在阀体311的上表面,用于进行基于无人机的空间气体采样装置的定位,以及对多路控制阀31和真空泵33进行控制。真空泵33固连在阀体311的上表面,用于抽取环境气体,真空泵33包括真空泵进气口331和真空泵出气口332,环境气体从真空泵进气口331进入,再从真空泵出气口332泵出。
[0035] 阀体311内部中心处同轴设置阀芯312,阀芯312呈圆柱状,能沿其轴向做360°的周向运动;阀体311的下表面固定安装控制电机313,控制电机313的输出轴与阀芯312轴心相连,用于驱动阀芯312转动。在阀芯312的侧面上开设第一盲孔,第一盲孔的另一端位于阀芯312的轴心;在阀体311的上表面轴心处开设第二盲孔,第二盲孔与第一盲孔连通。第二盲孔作为采样进气口315,通过管道与真空泵出气口332连通,该段管道靠近采样进气口315处设置泄压阀314,当阀体311内部压力过高时,气体由泄压阀314流出,保证装置安全;连接管道优选软管。
[0036] 在阀体311下表面开设多个第三盲孔作为采样出气口316,本实施例中开设四个第三盲孔,分别位于阀体311的四角。在阀体311内部开设多个通道,其中一个通道作为自冲洗通道,该通道的一端与空气连通,作为自冲洗出气口317,另一端当阀芯312转到特定角度时与第一盲孔连通。其余通道作为采样通道,这些通道的一端分别与采样出气口316连通,另一端当阀芯312转到特定角度时与第一盲孔连通。采样出气口316处安装快速接头34,采样袋35通过快速接头34与采样出气口316连通,采样袋35入口处具有单向阀结构,可避免采样气体泄露。
[0037] 如图5所示,基于上述基于无人机的空间气体采样装置,提供一种基于无人机的空间气体采样方法,具体包括以下步骤:
[0038] 步骤一:由操作人员设置所期望的空间采样点位,并对每个空间采样点位的采样顺序进行排列。
[0039] 步骤二:无人机1负载搭载托架2及模块化采样平台3起飞,按照步骤一中所设置的空间采样点位顺序,依次飞至各采样点位。
[0040] 步骤三:无人机1飞至采样点位后悬停等待一分钟,以避免由于无人机1运动而导致的空间气体流动特征变化及污染物浓度变化。
[0041] 步骤四:结束悬停等待后,模块化采样平台3开始工作,控制器32发出指令使控制电机313开始工作,阀芯312在控制电机313驱动下,转至自冲洗通道,接通自冲洗出气口317;真空泵33在控制器32的指令下开始工作,抽取采样点位环境气体冲洗管路30秒,这一操作能避免装置内留有其余点位的气体,避免不同点位气体样本相互污染。
[0042] 步骤五:真空泵33停止工作,控制器32发出指令使控制电机313驱动阀芯312转至任一采样通道,接通采样出气口316,真空泵33开始工作,抽取采样点位环境气体,采样袋35充满后,真空泵33停止工作,完成该采样点位的采样。当进行后续采样点位的采样时,阀芯312不与已完成采样的采样袋35连通。
[0043] 步骤六:无人机1飞至下一采样点位,重复步骤三~步骤五。当采样次数超过采样袋35数目后无人机1返回地面,由地面操作人员收集采样袋35,并安装新的采样带35,继续完成剩余采样点位的采样工作;本实施例中,完成四次采样后,无人机1返回地面。
[0044] 本领域普通技术人员可以理解,以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制发明,尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
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