CN103969087B - 深海海水原位检测节能型海水取样器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海海水原位检测节能型海水取样器及工作方法。深海海水原位检测节能型海水取样器，包括耐压外壳，耐压外壳内设有检测仪器、废水池，耐压外壳上设有进水口和排水口，进水口、排水口分别通过进水管路、排水管路与废水池连通，还包括比例节流阀、伺服电机、降压马达、变量泵和单向阀，比例节流阀、降压马达和检测仪器依次串接在进水管路上，检测仪器处于进水管路靠近废水池的一端，所述变量泵和单向阀串接在排水管路上，所述降压马达的输出轴和变量泵的输入轴传动连接，所述伺服电机的输出轴与变量泵的输入轴传动连接。本发明可以大大降低深海海水取样器的功率消耗，使得取样器能够满足深海海水物理和化学参数的长期监测的要求。

Description

深海海水原位检测节能型海水取样器及工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于深海海水物理化学参数原位检测的取样器及其工作方法。

背景技术

目前，基于海洋科学研究对海底观测的迫切需求，近年来世界各国纷纷提出本国的海底观测网络计划，投巨资建设本国的海底长期观测网络。海底观测网络由许许多多的观测基站组成，每个基站主要由一个耐压壳及壳内的相关检测仪器组成。海水相关物理化学参数（如阴离子、盐度、甲烷和溶解氧浓度等）的原位检测是每个基站必须具有的功能之一。

观测基站的耐压壳外的海水压强大，如4000米处海水的压强为40MPa。而常用的海水物理化学参数检测仪器只能在常压（1个标准大气压）下进行检测。因此，必须利用位于耐压壳内的海水取样器将壳外的高压海水降到常压后再提供给物理化学参数检测仪器进行检测。由于耐压壳的体积有限，为了长期监测的需要，检测仪器检测过的废水必须排放到耐压壳外。而耐压壳外为高压海水，因此，必须将常压废水加压后才能排放到耐压壳外。由于耐压壳内外压差大，故废水的加压排出过程需要耗费大量的能量。

因此，海底长期观测网络建立需要一种要求能够根据控制指令进行海水取样或废水排放，海水的取样和废水排放的流量可控，适用于0-4000米的工作水深的海水取样器。观测基站位于深海海底，能量供给比较困难；又需要能够长期（约1年左右）工作；故取样器的功率消耗不能太大。

目前采用的海水取样器只具有海水取样功能，海水在降压取样的过程同样会释放大量的能量，该能量被取样器进水口的节流损失耗掉了，变成了热量。而废水的加压排放需要由另外的装置来完成，功率消耗大。

上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种深海海水原位检测节能型海水取样器，其能将海水降压过程中释放的能量利用起来，直接用于废水的加压排放。本发明还提供了一种上述取样器的工作方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种深海海水原位检测节能型海水取样器，包括耐压外壳，耐压外壳内设有检测仪器、废水池，耐压外壳上设有进水口和排水口，进水口、排水口分别通过进水管路、排水管路与废水池连通，还包括比例节流阀、伺服电机、降压马达、变量泵和单向阀，所述比例节流阀、降压马达和检测仪器依次串接在进水管路上，检测仪器处于进水管路靠近废水池的一端，所述变量泵和单向阀串接在排水管路上，所述降压马达的输出轴和变量泵的输入轴传动连接，所述伺服电机的输出轴与变量泵的输入轴传动连接。

其中，所述降压马达的输出轴和变量泵的输入轴通过联轴器连接。

其中，所述伺服电机的输出轴通过皮带与联轴器相连。

其中，还包括串接在进水管路上的流量计。

其中，还包括用于检测废水池液位的液位计。

其中，还包括用于检测伺服电机或降压马达或变量泵转速的转速计。

其中，还包括控制器，所述流量计、液位计、转速计的输出端与控制器连接，所述比例节流阀、伺服电机、降压马达、变量泵的控制端与控制器连接。

提供一种如上所述的深海海水原位检测节能型海水取样器的工作方法，所述控制器接收流量计、液位计、转速计的信号，并根据接收的信号和预定控制策略对比例节流阀、伺服电机、降压马达、变量泵进行控制。

其中，所述控制器接收转速计的转速信号，并根据转速信号和设定的速度差调节伺服电机的输出扭矩。

其中，所述控制器接收液位计的液位信号，并根据液位信号调节变量泵的排量。

其中，所述控制器接收流量计的流量信号，并根据流量信号调节比例节流阀的开度。

其中，所述进水管路的进水流量通过调节伺服电机的转速和降压马达的排量来设定。

本发明提供的提供深海海水原位检测节能型海水取样器，包括耐压外壳，耐压外壳内设有检测仪器、废水池，耐压外壳上设有进水口和排水口，进水口、排水口分别通过进水管路、排水管路与废水池连通，还包括比例节流阀、伺服电机、降压马达、变量泵和单向阀，所述比例节流阀、降压马达和检测仪器串接在进水管路上，所述变量泵和单向阀串接在排水管路上，所述降压马达的输出轴和变量泵的输入轴传动连接，所述伺服电机的输出轴与变量泵的输入轴传动连接。降压马达能将海水降压过程中释放的能量利用起来，驱动变量泵，从而直接用于废水的加压排放。本发明可以大大降低深海海水取样器的功率消耗，使得取样器能够满足深海海水物理和化学参数的长期监测的要求。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是深海海水原位检测节能型海水取样器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的核心在于提供一种深海海水原位检测节能型海水取样器，其能将海水降压过程中释放的能量利用起来，直接用于废水的加压排放，大大降低深海海水取样器的功率消耗，使得取样器能够满足深海海水物理和化学参数的长期监测的要求。

如图1所示，本发明所述的深海海水原位检测节能型海水取样器，包括耐压外壳11，耐压外壳11内设有检测仪器6、废水池5，耐压外壳11上设有进水口和排水口，进水口、排水口分别通过进水管路13、排水管路14与废水池5连通。还包括比例节流阀1、伺服电机3、降压马达4、变量泵9和单向阀10。所述比例节流阀1、降压马达4和检测仪器6依次串接在进水管路13上，检测仪器6处于进水管路13靠近废水池5的一端。耐压外壳11外面的高压海水经进水管路13流入，流入时经过降压马达4后压强降低至低压海水，然后流经检测仪器6进行海水各项指标的检测，检测完的废水流入废水池5。所述变量泵9和单向阀10串接在排水管路14上，单向阀10接在排水变量泵9的排水路上。所述降压马达4的输出轴和变量泵9的输入轴传动连接，当高压海水流经降压马达4进行降压时，降压马达输出的转矩通过联轴器8驱动变量泵9，将废水池5内的废水加压后排出到外壳11的外面。所述伺服电机3的输出轴与变量泵9的输入轴传动连接，伺服电机3采用速度控制模式，根据转速计12的输出与设定的速度差来调节其输出扭矩，输出的扭矩通过皮带与马达的输出扭矩叠加，用于驱动变量泵9。

优选的，所述降压马达4的输出轴和变量泵9的输入轴通过联轴器8连接。伺服电机3的输出轴可通过皮带和联轴器8相连，具体的，联轴器8中间有一个皮带轮，通过皮带与伺服电机3的输出皮带轮相连。检测仪器6接在降压马达4的回水路上，检测仪器6的排水进入废水池5。比例节流阀1和流量计2接在降压马达的进水路上。

优选的，所述进水管路13上设置有流量计2，比例节流阀1的开度可根据流量计2的输出来调节，用于限制马达的最高转速和取样器的最大流量。

优选的，所述废水池5上安装有液位计7，具体的，液位计7安装在废水池5盖板上，用于检测废水池5液位，变量泵9的排量可根据液位计7的输出来调节。

优选的，还包括用于检测伺服电机3或降压马达4或变量泵9转速的转速计12，取样器的取水流量通过调节伺服电机3的转速和降压马达4的排量来设定。

优选的，还包括控制器，所述流量计2、液位计7、转速计12的输出端与控制器连接，所述比例节流阀1、伺服电机3、降压马达4、变量泵9的控制端与控制器连接，通过控制器可使各部件的协同工作，实现取样器的自动控制。所述控制器接收流量计2、液位计7、转速计12的信号，并根据接收的信号和预定控制策略对比例节流阀1、伺服电机3、降压马达4、变量泵9进行控制。

上述的降压马达4和变量泵9的额定工作压力为30MPa，最大排量为10mL/r，伺服电机3最大转速为1000r/min，这样，该取样器适用于工作水深3000米、最大取水流量和排水流量为10L/min。在实际工作过程中，为保证废水的充分排放，排水变量泵的实际工作排量应该比取水降压马达的实际工作排量大，其差值取决于两者的容积效率。伺服电机3最大输出转矩要按由伺服电机3单独驱动排水变量泵9实现10L/min的排水流量来选取。

在深海海水原位检测节能型海水取样器的一些实施方式中，其中的外壳11外面的高压海水经过降压马达4后压强降低至低压海水，然后流经检测仪器6进行海水各项指标的检测，检测完的废水流入废水池5，检测仪器6可以采用常规的物理化学参数检测仪器在常压下进行检测。

在深海海水原位检测节能型海水取样器的一些实施方式中，其中的高压海水流经降压马达4进行降压时，降压马达输出的转矩通过联轴器8驱动变量泵9，将废水池5内的废水加压后排出到外壳11的外面，利用了海水降压时产生的能量，实现了取样器的节能。

在深海海水原位检测节能型海水取样器的一些实施方式中，其中的伺服电机3采用速度控制模式，根据转速计12的输出与设定的速度差来调节其输出扭矩，输出的扭矩通过皮带与马达的输出扭矩叠加，用于驱动变量泵9，实现废水的加压排出，实现了排水变量泵所需扭矩的补充，简化了伺服电机的控制，便于取样器取样流量和排放流量的调节。

在深海海水原位检测节能型海水取样器的一些实施方式中，其中的取样器取水流量通过调节伺服电机3的转速和降压马达4的排量来设定，简化了取样器取样流量的调节。

在深海海水原位检测节能型海水取样器的一些实施方式中，其中的变量泵9的排量根据液位计7的输出来调节，简化了变量泵排水流量的调节。

在深海海水原位检测节能型海水取样器的一些实施方式中，其中的比例节流阀1的开口根据流量计2的输出来调节，用于限制马达的最高转速和取样器的最大流量，可以防止取样器超速。

本发明提供的取样器通过控制器进行控制，所述控制器接收流量计2、液位计7、转速计12的信号，并根据接收的信号和预定控制策略对比例节流阀1、伺服电机3、降压马达4、变量泵9进行控制。所述控制器的控制策略如下：控制器接收转速计12的转速信号，并根据转速信号和设定的速度差调节伺服电机3的输出扭矩。所述控制器接收液位计7的液位信号，并根据液位信号调节变量泵9的排量。所述控制器接收流量计2的流量信号，并根据流量信号调节比例节流阀1的开度。用于限制马达的最高转速和取样器的最大流量。所述进水管路13的进水流量（取样器的取水流量）通过调节伺服电机3的转速和降压马达4的排量来设定。

本发明通过控制器进行控制，具有单独取水、同时取水和排水、单独排水三种工作模式，下面分别介绍处于三种不同工作模式下的取样器的工作原理。

当取样器刚开始工作时，取样器处于单独取水的工作模式。此时，先根据所需流量设定好降压马达4的排量，然后逐渐增大比例节流阀1的控制电压。高压海水经过比例节流阀1降压后再驱动降压马达4进行旋转，实现海水的降压。当液位计7的输出没有达到设定值时，因此变量泵9的排量调为零，伺服电机输出扭矩为零，处于空转状态。当流量计2的输出达到所需的流量时，维持比例节流阀1的控制电压不变。

随着检测过程的进行，废水池里的废水就会越来越多。当液位计7的输出达到设定值时，取样器进入同时取水和排水的工作模式。此时应逐渐增大变量泵9的排量进行排水，伺服电机3进入恒转速工作模式，其输出扭矩会随着变量泵9排量的增加而增加。与此同时，应逐渐增大比例节流阀1的控制信号直至比例节流阀全开。随着比例节流阀1开口的逐渐增大，比例节流阀1上的压力损失越来越小，降压马达4上压降越来越来大，降压马达输出的转矩也就越来越大，伺服电机3的输出转矩也就越来越小。如果废水池的液位继续升高，应该继续增大排水变量泵9的排量；如果废水池的液位小于设定值，可以适当减小变量泵9的排量；直至废水池的液位回到设定值附件。处于这种工作模式时，驱动变量泵9的大部分扭矩由降压马达4输出，不足的部分由伺服电机3通过皮带轮耦合叠加补充。

当检测仪器要停止检测时，取样器处于单独排水的工作模式。先逐渐减小比例节流阀1的控制信号直至完全关闭。与此同时，伺服电机3的输出扭矩逐渐增大直至最大，由伺服电机3单独驱动变量泵9实现加压排水。当液位计7的输出小于某一个设定值时，逐渐减小伺服电机3的转速和变量泵9的排水量；当液位计输出为零时，伺服电机3的转速和变量泵9的排水量均调为零，取样器停止工作。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种深海海水原位检测节能型海水取样器，包括耐压外壳（11），耐压外壳（11）内设有检测仪器（6）、废水池（5），耐压外壳（11）上设有进水口和排水口，进水口、排水口分别通过进水管路（13）、排水管路（14）与废水池（5）连通，其特征在于：还包括比例节流阀（1）、伺服电机（3）、降压马达（4）、变量泵（9）和单向阀（10），所述比例节流阀（1）、降压马达（4）和检测仪器（6）依次串接在进水管路（13）上，检测仪器（6）处于进水管路（13）靠近废水池（5）的一端，所述变量泵（9）和单向阀（10）串接在排水管路（14）上，所述降压马达（4）的输出轴和变量泵（9）的输入轴传动连接，所述伺服电机（3）的输出轴与变量泵（9）的输入轴传动连接。

2.根据权利要求1所述的深海海水原位检测节能型海水取样器，其特征在于：所述降压马达（4）的输出轴和变量泵（9）的输入轴通过联轴器（8）连接。

3.根据权利要求2所述的深海海水原位检测节能型海水取样器，其特征在于：所述伺服电机（3）的输出轴通过皮带与联轴器（8）相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的深海海水原位检测节能型海水取样器，其特征在于：还包括串接在进水管路（13）上的流量计（2）；

和/或，还包括用于检测废水池（5）液位的液位计（7）；

和/或，还包括用于检测伺服电机（3）或降压马达（4）或变量泵（9）转速的转速计（12）。

5.根据权利要求4所述的深海海水原位检测节能型海水取样器，其特征在于：还包括控制器，所述流量计（2）、液位计（7）、转速计（12）的输出端与控制器连接，所述比例节流阀（1）、伺服电机（3）、降压马达（4）、变量泵（9）的控制端与控制器连接。

6.一种如权利要求5所述的深海海水原位检测节能型海水取样器的工作方法，其特征在于：所述控制器接收流量计（2）、液位计（7）、转速计（12）的信号，并根据接收的信号和预定控制策略对比例节流阀（1）、伺服电机（3）、降压马达（4）、变量泵（9）进行控制。

7.根据权利要求6所述的工作方法，所述控制器接收转速计（12）的转速信号，并根据转速信号和设定的速度差调节伺服电机（3）的输出扭矩。

8.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，所述控制器接收液位计（7）的液位信号，并根据液位信号调节变量泵（9）的排量。

9.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，所述控制器接收流量计（2）的流量信号，并根据流量信号调节比例节流阀（1）的开度。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的工作方法，其特征在于，所述进水管路（13）的进水流量通过调节伺服电机（3）的转速和降压马达（4）的排量来设定。