CN100401051C - 深海化学传感器原位探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明的深海化学传感器原位探测系统包括第一耐压油囊、第二耐压油囊、标准液囊、废液囊、电路腔和电磁感应式通信线圈；该系统有采样、待机、冲洗和标定4个工作状态。根据测量需要可携带多种化学传感器，且具有对化学传感器进行自维护冲洗和自维护标定的功能、功耗低，具有数据采集，数据记录，数据导出等功能，采用原位探测技术，探测数据具有实时性，并且探测得到的大量数据可以存储在自带数据存储器上，能长期定点工作于深海环境。

Description

深海化学传感器原位探测系统

技术领域

本发明涉及深海化学传感器原位探测系统，属于深海探测机电装备领域。

背景技术

传统的海洋探测大都使用采样分析的方法观测海水成分的变化。但在深海中采用采样分析法一方面需耗费大量的人力物力，同时分析数据不具有实时性，通常在获得数据时考察船已离开作业海域，无法对有价值的信息作进一步验证。此外由于样品采集、储存过程所处环境的改变，其成分难免会有不同程度上的变化。如温度压力变化导致溶解气体的逸失，溶解氧含量变化使变价元素价态改变，过渡金属元素的溶解-沉淀平衡随pH变化而移动。在深层海水的采样过程中，这些变化是不能忽略的。因此原位探测技术是现代深海科学研究的发展方向。深海化学传感器原位探测技术需要克服的问题主要有设备的低功耗，化学电极的必要维护等。

发明内容

本发明的目的是提供一种功耗低、可携带多种化学传感器，具有自维护冲洗和标定功能、能长期定点工作于深海环境的深海化学传感器原位探测系统。

深海化学传感器原位探测系统包括第一耐压油囊、第二耐压油囊、标准液囊、废液囊、电路腔和电磁感应式通信线圈：第一耐压油囊内设置有第一电磁阀、第二电磁阀和电极腔，电极腔内安装有电极；第二耐压油囊内设置有第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和泵；电路腔内置有电路板和电池；第一电磁阀的入口与海水进水管连接；电极腔的入口分别与第一电磁阀的出口、第三电磁阀的出口以及第四电磁阀的出口相连；电极腔的出口分别与第二电磁阀的入口以及泵的入口连接；第二电磁阀的出口与海水相通；第三电磁阀的入口与海水相通；第四电磁阀的入口与标准液囊相连；第五电磁阀是一个两位三通阀，它的入口与泵的出口连接，它的一个出口与海水相通，另外一个出口与废液囊相连；电路板上的驱动电路分别与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、电极和泵电气连接，电路板上的单片机控制电路与电磁感应式通信线圈相连。

在系统的第一耐压油囊和第二耐压油囊内分别贮满绝缘油，以维持第一耐压油囊、第二耐压油囊内压力与海水环境压力相同，标准液囊和废液囊分别由弹性橡胶材料制作，以维持标准液囊内压力与海水环境压力相同，废液囊内压力与海水环境压力相同，这样可以实现所有电磁阀、泵和电极腔以及连接管路处在一个内外压大致相等的环境下。

上述系统中，第一耐压油囊中的第一电磁阀和第二电磁阀是常开阀，其中，第一电磁阀是待测海水到电极腔的进口阀，第二电磁阀是电极腔内待测海水的排放阀；电极腔是工作腔体，电极是根据探测需要配备的化学传感器组合与温度传感器的集成探头。例如：可以是由探测硫离子、pH值的两根电化学传感器和热敏电阻组成的集成探头，用于探测硫离子含量、pH值和温度。

第二耐压油囊中的第三电磁阀和第四电磁阀是常闭阀，其中，第三电磁阀是清洗电极腔所用海水的进口阀；第四电磁阀是标准液的进口阀，第二耐压油囊中的第五电磁阀是废液排放阀，它是一个两位三通阀，其两个出口分别通向海水和废液囊，第五电磁阀断电时原始状态为通向海水侧；泵是将待测海水、清洗海水或标准液囊中的标准液抽到电极腔的增压泵。标准液囊存储维护电极所需的标准液，废液囊存储维护电极时排放的废液。置于电路腔里的电路板包括电极上所携带的传感器的数据采集电路、单片机控制电路和驱动所有电磁阀和泵的驱动电路三部分。电磁感应式通信线圈是系统与外界进行非接触式通讯的电磁感应式通讯装置。系统探测的数据存储在单片机控制电路的存储卡中，存储卡中的数据可在将系统取上岸后用专用读卡器读出，也可在海底工作的同时通过与潜器上的电磁感应式通讯装置进行低速的命令接受或数据读取。

本发明的深海化学传感器原位探测系统有4个工作状态：采样、待机、冲洗和标定。

采样时各阀处于初始状态。开启泵将待测海水从进水管经第一电磁阀抽入电极腔中，再经第二电磁阀和第五电磁阀排至海水中。

待机时泵停机，各阀处于初始状态。此时系统功耗极低，利用海水的自流，电极检测电极腔内的待测海水的化学量与温度，并将探测所得数据保存。

冲洗时开启泵，关闭第一电磁阀、第二电磁阀，开启第三电磁阀，第四电磁阀处于关闭状态，第五电磁阀处于断电状态，海水侧导通。远处较洁净海水通过第三电磁阀，经泵抽入电极腔中，对电极进行自维护冲洗，冲洗液经第五电磁阀排放至海水中。

标定时开启泵，关闭第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，开启第四电磁阀，第五电磁阀处于通电状态，废液囊侧导通。标准液通过第四电磁阀，经泵抽入电极腔中，对电极进行自维护标定，废液经第五电磁阀排放至废液囊中。

系统放入待测海水环境后，首先进入采样状态，更新电极腔中的待测海水。采样完毕，系统进入待机状态，以降低系统的功耗，此时电极腔内的海水依靠海水的自流来更新，因管路阻力的影响流动较缓慢，间隔一段时间后需重复采样状态，再次更新电极腔内的待测海水。经“采样→待机→采样→待机......”多次循环后，电极中的化学传感器因时间关系开始逐渐失效，此时系统进入冲洗状态，用较洁净的海水冲洗化学传感器，冲洗一段时间后进入标定状态，用储藏在标准液囊中的标准液冲洗化学传感器，达到标定电极的效果。标定完成后再重复“采样→待机→采样→待机......”的循环，直到下一次的标定。

本发明的有益效果在于：

深海化学传感器原位探测系统的功耗低、根据测量需要可携带多种化学传感器，除了具有数据采集，数据记录，数据导出等功能外，且具有自维护冲洗和自维护标定功能、采用原位探测技术，探测数据具有实时性，并且探测得到的大量数据可以存储在自带数据存储器上，能长期定点工作于深海环境。

附图说明

图1是本发明的深海化学传感器原位探测系统构成示意图；

图2是本发明的工作状态流程图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，深海化学传感器原位探测系统包括第一耐压油囊1、第二耐压油囊2、标准液囊3、废液囊4、电路腔5和电磁感应式通信线圈6；第一耐压油囊1内设置有第一电磁阀8、第二电磁阀11和电极腔9，电极腔9内安装有电极10；第二耐压油囊2内设置有第三电磁阀12、第四电磁阀13、第五电磁阀15和泵14；电路腔5内置有电路板16和电池17；第一电磁阀8的入口与海水进水管7连接；电极腔9的入口分别与第一电磁阀8的出口、第三电磁阀12的出口以及第四电磁阀13的出口相连；电极腔9的出口分别与第二电磁阀11的入口以及泵14的入口连接；第二电磁阀11的出口与海水相通；第三电磁阀12的入口与海水相通；第四电磁阀13的入口与标准液囊3相连；第五电磁阀15是一个两位三通阀，它的入口与泵14的出口连接，它的一个出口与海水相通，另外一个出口与废液囊4相连；电路板16分别与第一电磁阀8、第二电磁阀11、第三电磁阀12、第四电磁阀13、第五电磁阀15、电极10和泵14电气连接，电磁感应式通信线圈是由两个耦合线圈a、b构成，线圈a与电路板16相连，线圈b接潜器。

上述的第一耐压油囊1和第二耐压油囊2分别贮满绝缘油，绝缘油通常可以采用绝缘硅油。标准液囊3和废液囊4分别由弹性橡胶制作而成。

系统有4个工作状态：采样、待机、冲洗和标定。其工作状态流程参见图2：

采样时各阀处于初始状态。开启泵14将待测海水从进水管7经第一电磁阀8抽入电极腔9中，再经第二电磁阀11和第五电磁阀15排至海水中。用待测海水更新电极腔内的海水。

待机时泵14停机，各阀处于初始状态。此时系统功耗极低，利用海水的自流，电极10检测电极腔9内的待测海水的化学量与温度，对电极腔内的海水进行数据采集，并将探测所得数据保存。

冲洗时开启泵14，关闭第一电磁阀8、第二电磁阀11和第四电磁阀13，开启第三电磁阀12，第五电磁阀15处于断电状态，海水侧导通。距离待测海水较远处的洁净海水通过第三电磁阀12，经泵14抽入电极腔9中，对电极10进行冲洗，冲洗液经第五电磁阀15排放至海水中。

标定时开启泵14，关闭第一电磁阀8、第二电磁阀11和第三电磁阀12，开启第四电磁阀13，第五电磁阀15处于通电状态，废液囊侧导通。存储在标准液囊中的标准液通过第四电磁阀13，经泵14抽入电极腔9中，对电极10进行标定，废液经第五电磁阀15排放至废液囊4中。

系统放入待测海水环境后，首先进入采样状态，更新电极腔9中的待测海水。大约几分钟的采样状态后，系统进入待机状态，以降低系统的功耗，此时电极腔9内的海水依靠海水的自流来更新，因管路阻力的影响流动较缓慢，间隔一段时间后需重复采样状态，再次更新电极腔内的待测海水。经“采样→待机→采样→待机......”多次循环后，电极中的化学传感器因时间关系开始逐渐失效，此时系统进入冲洗状态，用较洁净的海水冲洗化学传感器，冲洗一段时间后进入标定状态，用储藏在标准液囊中的标准液冲洗化学传感器，达到标定电极的效果。标定完成后再重复“采样→待机→采样→待机......”的循环，直到下一次的标定。

Claims (1)

1.深海化学传感器原位探测系统，其特征是包括第一耐压油囊(1)、第二耐压油囊(2)、标准液囊(3)、废液囊(4)、电路腔(5)和电磁感应式通信线圈(6)；第一耐压油囊(1)内设置有第一电磁阀(8)、第二电磁阀(11)和电极腔(9)，电极腔(9)内安装有电极(10)；第二耐压油囊(2)内设置有第三电磁阀(12)、第四电磁阀(13)、第五电磁阀(15)和泵(14)；电路腔(5)内置有电路板(16)和电池(17)；第一电磁阀(8)的入口与海水进水管(7)连接；电极腔(9)的入口分别与第一电磁阀(8)的出口、第三电磁阀(12)的出口以及第四电磁阀(13)的出口相连；电极腔(9)的出口分别与第二电磁阀(11)的入口以及泵(14)的入口连接；第二电磁阀(11)的出口与海水相通；第三电磁阀(12)的入口与海水相通；第四电磁阀(13)的入口与标准液囊(3)相连；第五电磁阀(15)是一个两位三通阀，它的入口与泵(14)的出口连接，它的一个出口与海水相通，另外一个出口与废液囊(4)相连；电路板(16)上的驱动电路分别与第一电磁阀(8)、第二电磁阀(11)、第三电磁阀(12)、第四电磁阀(13)、第五电磁阀(15)、电极(10)和泵(14)电气连接，电路板(16)上的单片机控制电路与电磁感应式通信线圈(6)相连，上述的第一和第二耐压油囊内贮满绝缘油，标准液囊和废液囊都由弹性橡胶制作而成。

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