CN103770917B - 深海近底层生物幼体高保真直视取样系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海近底层生物取样系统，旨在提供深海近底层生物幼体高保真直视取样系统。该深海近底层生物幼体高保真直视取样系统包括控制系统、样品收集装置、保压抽滤系统、保温抽滤系统。本发明提出了取样筒与拖网本体分开布置的方式，可在不改变拖网本体的情况下随意改动拖网长度；本发明提出了可电控关闭的水浴保温样品筒，在实现保温目的的同时简化了以往使用液压球阀关闭样品筒的机构；本发明提出了系统自带抽滤系统，可以在取样器进行拖曳工作之余，对于需要的地方进行定点抽滤取样，同时抽滤系统获得的样品都进行了保压或者保温处理；本发明提出了使用摄像和照明系统，可以对海底近底层的环境进行检测，有助于寻找生物样本。

Description

深海近底层生物幼体高保真直视取样系统

技术领域

本发明是关于深海近底层生物取样系统，特别涉及深海近底层生物幼体高保真直视取样系统。

背景技术

海洋是生命的发源地，同时也是地球上最大的资源宝库，蕴藏着丰富的自然资源。对海洋生物的研究无论是在科技生态方面或者是在社会经济方面都有着十分重要的意义。

海底生物的研究，最常用的方法就是从海底取回样本到科学考察船上进行研究。而对于海底近底层的生物，由于成熟个体体积较大，活动能力强，容易附着在固定物体上不便于取样，而它们的幼体则多浮游于海水中，可以通过过滤海水的方式采集。并且由于数量稀少，往往需要过滤大量的海水才能获得少量的样本，因此一般使用大口径的过滤网拖曳方式进行取样。目前针对这种海底生物的取样方式主要有以下几种：

1、使用MOCNESS（MultipleOpening/ClosingNetandEnvironmentalSensingSystem多层可控开闭网和环境参数采集系统）采集海底生物样品。该系统可同步检测海水浊度、温度以及热液羽流相关参数等数据。系统采用电机驱动控制网的开闭。不足之处是该系统无可视化装置，无法进行进海底水平拖曳作业，大大增加了该系统的工作局限性。

2、使用RMT（MultipleRectangularMidwaterTrawl矩形中层拖网）网采集海底生物样品。该网采用声波控制原理，网的声控装置可根据甲板上作业员发出的不同频率的声波来控制网的开闭。其不足之处与MOCNESS一样，无可视化装置，无法进行近海底水平拖曳工作。

3、将拖网和浮游生物泵挂在深潜器的侧面采集近海底生物样品。该方法可以采集近底层热液生物幼体。但由于潜器活动范围及下潜的时间有限，同时为保证潜器的安全性，拖挂的拖网网口比较小，滤水量不大，采集的幼体也不多。

4、国家海洋局第二海洋研究所研制的绑钩网可借助于母船的钢缆在一定水深下进行浮游生物的拖曳采样，但由于没有遥控的网口启闭装置，不能实现分层采样。

上述4种方法都有一个共同的缺点，都没有保真装置所采集的幼体出水面时已几乎全部死亡(除了极个别的蟹类大眼幼体能在1个大气压下经历变态发育过程外)，而且上述4种方法都缺少直视设备，不能直观在近底层对海底进行观测。

5、由国家海洋局第二海洋研究所、浙江大学等单位联合研制的生物幼体保压直视取样系统。因其为液压系统控制，其结构和附件如液压缸等比较多，无疑增加了系统的体积和重量，降低了系统的灵活性。另外该系统中整张网都安装在机架内部，严重限制了网的长度，降低了其过滤效果，而且网布在水流的冲击作用下容易破损。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种深海近底层生物幼体样品保温保压采样的多联可视控生物拖网系统。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，包括控制系统、样品收集装置、保压抽滤系统、保温抽滤系统；

所述控制系统用于通过光纤，完成深海近底层生物幼体高保真直视取样系统和外部（甲板）传输控制信号和反馈信号，控制系统包括水下电池和深水电子舱；水下电池采用铅酸电池，用于深海近底层生物幼体高保真直视取样系统中的电机供电；深水电子舱是密封的（耐高水压的）不锈钢筒体，内部装有控制模块（控制模块包括电路板和电子元器件），深水电子舱设有三个，分别是电子舱A、电子舱B和电子舱C；电子舱A中的控制模块用于将外部（甲板）传来的光信号转换为电信号，对深海近底层生物幼体高保真直视取样系统中进行控制，同时将深海近底层生物幼体高保真直视取样系统中的图像或者电信号转换为光信号，并通过光纤传输到外部（甲板）；电子舱B中的控制模块用于控制样品收集装置的电机A、保温样品筒A的关闭，以及接收和处理视频信号；电子舱C中的控制模块用于控制保压抽滤系统和保温抽滤系统中的电机；

所述样品收集装置包括开关网机构、至少一个网布和至少一个保温样品筒A，网布一端分别与对应的保温样品筒A连接，网布另一端与机架连接，开关网机构通过控制系统传输的控制信号和反馈信号实现控制，并采用电机A驱动，用于实现网布的网口开闭，完成取样；所述保温样品筒A用于对网布取得的样品进行过滤和密封保温保存，保温样品筒A是双层筒，内部设有用于过滤样品的滤网，保温样品筒A的进口和出口外部分别设置有密封盖，密封盖分别通过扭簧与钢丝一端连接，两根钢丝的另一端通过熔断丝连接，实现电控熔断熔断丝，进而控制保温样品筒A的两个密封盖关闭，实现保温样品筒A的电控关闭，电控信号通过控制系统实现传输；

所述保压抽滤系统包括依次连接的电机B、柱塞泵、电磁单向阀、保压样品筒、高压球阀和电机C，电机B用于控制柱塞泵完成取样工作，保压样品筒是一个密封的金属罐体，内部设置有滤网，用于对柱塞泵取得的样品实现过滤并密封保存；电机C用于控制高压球阀工作，电磁单向阀通过控制系统传输的控制信号和反馈信号实现开关控制，高压球阀和电磁单向阀用于实现保压功能；

所述保温抽滤系统包括电机D、离心泵、三通球阀、电机E和两个保温样品筒B，三通球阀的三条管道分别与离心泵、两个保温样品筒B连接；电机E用于控制离心泵完成采样工作，电机D用于控制三通球阀，实现离心泵分别与两个保温样品筒的连通切换；所述保温样品筒B是双层筒，且在双层筒的中间夹层之间灌有水实现水浴保温功能，保温样品筒B的进口和出口上都设置有翻板阀，内部设置有滤网，保温样品筒B用于保存离心泵采取的样品，并对样品实现过滤。

作为进一步的改进，所述保压抽滤系统中的高压球阀口径大小为10mm。

作为进一步的改进，所述保温样品筒A、保压样品筒和保温样品筒B的内部分别设置有至少一只呈U型的滤网，且滤网的U型开口朝向保温样品筒A、保压样品筒或者保温样品筒B的进口处。

作为进一步的改进，所述样品收集装置中的网布和保温样品筒A分别设有三个。

作为进一步的改进，所述开关网机构包括轴、凸轮、电机A、网杆、弹簧，轴上安装有6个不同角度的凸轮，电机A用于驱动轴转动，轴带动凸轮释放对应的网杆，网杆在弹簧力的作用下带动网布运动，实现打开或者关闭动作，每两根网杆用于控制一张网布。

作为进一步的改进，所述电机B采用750W直流无刷电机，电机E采用750W直流无刷电机，电机A采用60W直流无刷电机，电机C采用60W直流无刷电机，电机D采用60W直流无刷电机。

作为进一步的改进，所述深海近底层生物幼体高保真直视取样系统还包括海底观测系统，海底观测系统包括水下摄像头和灯，并通过控制系统中的电子舱B中的控制模块，传输和处理获得的视频信号。

作为进一步的改进，所述深海近底层生物幼体高保真直视取样系统还包括机架，机架用于导流和固定控制系统、样品收集装置、保压抽滤系统、保温抽滤系统、海底观测系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提出了使用直流无刷电机驱动的开关网机构，可用一台电机控制多个网口的开闭，同时电机可以通过甲板单元控制启停；

2、本发明提出了取样筒与拖网本体分开布置的方式，可在不改变拖网本体的情况下随意改动拖网长度，大大减小了系统本体的体积，提高了拖曳灵活性；

3、本发明提出了可电控关闭的水浴保温样品筒，在实现保温目的的同时简化了以往使用液压球阀关闭样品筒的机构；

4、本发明提出了系统自带抽滤系统，可以在取样器进行拖曳工作之余，对于需要的地方进行定点抽滤取样，扩展了该类型取样器的工作范围，同时抽滤系统获得的样品都进行了保压或者保温处理，最大可能的保持了生物样品的原位环境，提高了存活率；

5、本发明提出了适用于万米光电复合缆的控制系统，使系统可以应用于更多的科考船，以及获取更好的信号传输功率；

6、本发明提出了使用摄像和照明系统，可以对海底近底层的环境进行检测，有助于寻找生物样本。

附图说明

图1为本发明的总装示意图。

图2为本发明中开关网机构的结构示意图。

图3为本发明中的抽滤系统的结构示意图。

图4为本发明中的保温样品筒A示意图。

图5为本发明中的保温样品筒B示意图。

图6为本发明中的保压样品筒示意图。

图中的附图标记为：1机架；2电子舱B；3电子舱A；4网布；5保温样品筒A；6开关网机构；7海底观测系统；8电机A；9电机B；10柱塞泵；11电磁单向阀；12保压样品筒；13高压球阀；14电机C；15保温样品筒B；16电机D；17三通球阀；18电机E；19电子舱C；20离心泵；21水下电池；22密封盖；23扭簧；24钢丝；25熔断丝；26滤网；27翻板阀。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1、图3所示，深海近底层生物幼体高保真直视取样系统包括控制系统、样品收集装置、保压抽滤系统、保温抽滤系统、海底观测系统7和机架1。海底观测系统7包括水下摄像头和灯，并通过通过控制系统传输获得的视频信号。机架1用于导流和固定控制系统、样品收集装置、保压抽滤系统、保温抽滤系统、海底观测系统7。

控制系统用于通过光纤，完成深海近底层生物幼体高保真直视取样系统和外部甲板传输控制信号和反馈信号，可以使用科考船上的万米光电复合缆进行工作，控制系统包括水下电池21和深水电子舱。水下电池21采用铅酸电池，用于深海近底层生物幼体高保真直视取样系统中的电机供电，这里采用一只Deepsea公司的DC24V，40AH铅酸电池。深水电子舱是密封的耐高水压的不锈钢筒体，内部装有包括电路板和电子元器件的控制模块，深水电子舱设有三个，分别是电子舱A3、电子舱B2和电子舱C19。电子舱A3中的控制模块用于将外部甲板传来的光信号转换为电信号，对深海近底层生物幼体高保真直视取样系统中的各个部件进行控制，同时将深海近底层生物幼体高保真直视取样系统中的图像或者电信号转换为光信号，通过光纤传输到外部甲板；电子舱B2中的控制模块用于控制样品收集装置的电机A8、保温样品筒A5的关闭，以及接收和处理海底观测系统7获得的视频信号；电子舱C19中的控制模块用于控制保压抽滤系统和保温抽滤系统中的电机。

样品收集装置包括开关网机构6、三个网布4和三个保温样品筒A5。网布4一端分别与对应的保温样品筒A5连接，网布4另一端与机架1连接，开关网机构6通过控制系统传输的控制信号和反馈信号实现控制，并用于实现网布4的网口开闭，完成取样。如图4所示，所述保温样品筒A5用于对网布4取得的样品进行过滤和密封保温保存；保温样品筒A5是双层筒，内部设有用于过滤样品的滤网26，保温样品筒A5的进口和出口外部分别设置有密封盖22，密封盖22分别通过扭簧23与钢丝24一端连接，两根钢丝24的另一端通过熔断丝25连接，实现电控熔断熔断丝25，进而控制保温样品筒A5的两个密封盖22关闭，实现保温样品筒A5的电控关闭，电控信号通过控制系统实现传输。

如图2所示，所述开关网机构6是一种用来控制不同的网口开关的机构，由电机A8驱动。该开关网机构6是在一根轴上安装有6个不同角度的凸轮，电机带动轴每转动一定的角度，通过凸轮释放一根网杆，网杆在弹簧力的作用下带动网布4运动，实现打开或者关闭动作，每两根网杆可以控制一张网口。

样品收集装置用于完成大口径拖曳，通过控制系统传输的控制信号和反馈信号控制开关网机构6，依次在不同的地点或者不同的深度开启不同的网布4进行取样，取样结束后通过电控关闭对应的保温样品筒A5，将样品密封在保温样品筒A5内，达到过滤保温的效果。

保压抽滤系统包括依次连接的电机B9、柱塞泵10、电磁单向阀11、保压样品筒12、高压球阀13和电机C14，保压抽滤系统使用的高压球阀13口径大小为10mm。电机B9用于控制柱塞泵10完成取样工作，保压样品筒12是一个密封的金属罐体，内部设置有滤网26，用于对柱塞泵10取得的样品实现过滤并密封保存，具体如图6所示。电机C14用于控制高压球阀13工作，电磁单向阀11通过控制系统传输的控制信号和反馈信号实现开关控制，高压球阀13和电磁单向阀11用于实现保压功能。

保温抽滤系统包括电机D16、离心泵20、三通球阀17、电机E18和两个保温样品筒B15。三通球阀17的三条管道分别与离心泵20、两个保温样品筒B15连接，电机D16用于控制离心泵20完成采样工作，电机E18用于控制三通球阀17，实现离心泵20分别与两个保温样品筒的连通切换。如图5所示，所述保温样品筒B15是双层筒，利用双层筒中间那部分水形成水浴，实现保温功能，保温样品筒B15的进口和出口上都设置有翻板阀27，内部设置有滤网26，保温样品筒B15用于保存离心泵20采取的样品，并对样品实现过滤。

保压抽滤系统和保温抽滤系统用于定点的取样作业。

保压抽滤系统工作时，先要通过控制系统传输的控制信号和反馈信号打开电磁单向阀11，然后开启电机B9，带动柱塞泵10，抽滤海水进行取样，取样完成后，先关闭电机B9，然后关闭电磁单向阀11，最后通过控制电机C14关闭高压球阀13，将样品密封在保压样品筒12内，完成取样工作。

保温抽滤系统工作时，直接通过控制系统传输的控制信号和反馈信号控制电机E18，启动带动离心泵20，抽取海水在保温样品筒B15里面进行过滤，完成一个点的采样后，控制电机E18带动三通球阀17换向，进行另一个点的取样工作，一共可以取两个点的样品。

在本发明中，电机B9采用750W直流无刷电机，电机E18采用750W直流无刷电机，电机A8采用60W直流无刷电机，电机C14采用60W直流无刷电机，电机D16采用60W直流无刷电机。保温样品筒A5、保压样品筒12和保温样品筒B15的内部分别设置有至少一只呈U型的滤网26，且滤网26的U型开口朝向保温样品筒A5、保压样品筒12或者保温样品筒B15的进口处。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，包括控制系统、样品收集装置、保压抽滤系统、保温抽滤系统，其中，保压抽滤系统包括电机、柱塞泵、电磁单向阀、保压样品筒；其特征在于，

所述控制系统用于通过光纤，完成深海近底层生物幼体高保真直视取样系统和外部传输控制信号和反馈信号，控制系统包括水下电池和深水电子舱；水下电池采用铅酸电池，用于深海近底层生物幼体高保真直视取样系统中的电机供电；深水电子舱是密封的不锈钢筒体，内部装有控制模块，深水电子舱设有三个，分别是电子舱A、电子舱B和电子舱C；电子舱A中的控制模块用于将外部传来的光信号转换为电信号，对深海近底层生物幼体高保真直视取样系统进行控制，同时将深海近底层生物幼体高保真直视取样系统中的图像或者电信号转换为光信号，并通过光纤传输到外部；电子舱B中的控制模块用于控制样品收集装置的电机A、保温样品筒A的关闭，以及接收和处理视频信号；电子舱C中的控制模块用于控制保压抽滤系统和保温抽滤系统中的电机；

所述样品收集装置包括开关网机构、至少一个网布和至少一个保温样品筒A，网布一端分别与对应的保温样品筒A连接，网布另一端与机架连接，开关网机构通过控制系统传输的控制信号和反馈信号实现控制，并采用电机A驱动，用于实现网布的网口开闭，完成取样；所述保温样品筒A用于对网布取得的样品进行过滤和密封保温保存，保温样品筒A是双层筒，内部设有用于过滤样品的滤网，保温样品筒A的进口和出口外部分别设置有密封盖，密封盖分别通过扭簧与钢丝一端连接，两根钢丝的另一端通过熔断丝连接，实现电控熔断熔断丝，进而控制保温样品筒A的两个密封盖关闭，实现保温样品筒A的电控关闭，电控信号通过控制系统实现传输；

所述保压抽滤系统还包括高压球阀，电机设有电机B和电机C，且电机B、柱塞泵、电磁单向阀、保压样品筒、高压球阀和电机C依次连接；电机B用于控制柱塞泵完成取样工作，保压样品筒是一个密封的金属罐体，内部设置有滤网，用于对柱塞泵取得的样品实现过滤并密封保存；电机C用于控制高压球阀工作，电磁单向阀通过控制系统传输的控制信号和反馈信号实现开关控制，高压球阀和电磁单向阀用于实现保压功能；

所述保温抽滤系统包括电机D、离心泵、三通球阀、电机E和两个保温样品筒B，三通球阀的三条管道分别与离心泵、两个保温样品筒B连接；电机E用于控制离心泵完成采样工作，电机D用于控制三通球阀，实现离心泵分别与两个保温样品筒的连通切换；所述保温样品筒B是双层筒，且在双层筒的中间夹层之间灌有水实现水浴保温功能，保温样品筒B的进口和出口上都设置有翻板阀，内部设置有滤网，保温样品筒B用于保存离心泵采取的样品，并对样品实现过滤。

2.根据权利要求1所述的深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，其特征在于，所述保压抽滤系统中的高压球阀口径大小为10mm。

3.根据权利要求1所述的深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，其特征在于，所述保温样品筒A、保压样品筒和保温样品筒B的内部分别设置有至少一只呈U型的滤网，且滤网的U型开口朝向保温样品筒A、保压样品筒或者保温样品筒B的进口处。

4.根据权利要求1所述的深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，其特征在于，所述样品收集装置中的网布和保温样品筒A分别设有三个。

5.根据权利要求4所述的深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，其特征在于，所述开关网机构包括轴、凸轮、电机A、网杆、弹簧，轴上安装有6个不同角度的凸轮，电机A用于驱动轴转动，轴带动凸轮释放对应的网杆，网杆在弹簧力的作用下带动网布运动，实现打开或者关闭动作，每两根网杆用于控制一张网布。

6.根据权利要求5所述的深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，其特征在于，所述电机B采用750W直流无刷电机，电机E采用750W直流无刷电机，电机A采用60W直流无刷电机，电机C采用60W直流无刷电机，电机D采用60W直流无刷电机。

7.根据权利要求1所述的深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，其特征在于，所述深海近底层生物幼体高保真直视取样系统还包括海底观测系统，海底观测系统包括水下摄像头和灯，并通过控制系统中的电子舱B中的控制模块，传输和处理获得的视频信号。

8.根据权利要求7所述的深海近底层生物幼体高保真直视取样系统，其特征在于，所述深海近底层生物幼体高保真直视取样系统还包括机架，机架用于导流和固定控制系统、样品收集装置、保压抽滤系统、保温抽滤系统、海底观测系统。