CN104458344A - 多功能浅海时间系列沉积物捕获和观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能浅海时间系列沉积物捕获和观测装置，涉及海洋采样和观测技术。本发明的结构是：在上部圆环和下部圆盘之间设置有沉积物捕获单元，在下部圆盘的下部设置有沉积物存储单元，沉积物捕获单元的底部和沉积物存储单元的上部对接，收集和存储沉积物；在中部圆环的两侧分别设置有环境观测单元和自动控制单元，沉积物存储单元和环境观测单元分别与自动控制单元电气连接，实现自动控制。本发明采用时间系列控制，便于对海洋沉积作用进行阶段性和连续变化的研究；采样的同时跟踪记录海水环境参数，为沉积环境的微变化对沉积作用影响的研究提供基础数据；适用于浅海沉降颗粒物质的采样及其相关海水环境的观测。

Description

多功能浅海时间系列沉积物捕获和观测装置

技术领域

本发明涉及海洋采样和观测技术，尤其涉及一种多功能浅海时间系列沉积物捕获和观测装置，可用于浅海沉降颗粒物质的采样及其相关海水环境的观测。

背景技术

海洋沉积环境是指海洋沉积物的堆积环境，其特征主要取决于堆积环境中的水动力条件及物理、化学与生物过程。受波浪、海流和引力等多种因素的影响，在现代海洋范围内，无论从横向或纵向（深度）来看，海水的动力条件都不是均一的。根据温度、盐度、压力及水动力条件等自然特征的不同，可以把海域划分成不同的沉积环境，每一个海洋环境又可以反映其沉积物的特征。盐度是海水浓度的标志，海洋中的许多现象和过程都与其分布和变化息息相关。而海水温度及压力的变化影响海洋生物族群的生长与消亡。而海流流速的变化通常会对沉积速率产生影响。因此，通过海水温盐深及流速等海洋环境参数微变化的测量研究沉积物成分及速率的变化，对于海水环境对海洋沉积作用影响的研究具有重要的现实意义。

海洋颗粒物质记录了海洋物理、化学和生物过程的有关信息。沉积物捕获器是布放于海水中用于收集海洋沉降颗粒物质的一种采样设备，该设备能够实现在一定时间内获取正在沉降的颗粒物质。时间系列沉积物捕获器可以通过设定一定的时间系列对水域中不同深度的沉降颗粒物质进行时空尺度上的高分辨率通量测量，是目前进行海洋颗粒物质通量研究不可或缺的重要方法，沉积物捕获器是目前海洋沉积学、海洋化学、海洋生物学、海洋工程地质学及海洋环境监测领域中非常实用的先进采样设备之一。

目前，国内仅有少数几家单位拥有该类取样设备，国外虽有不少国家使用了该类取样设备，但仅实现了一定时间段内的自动采样，没有实现对采样时间内海水环境的变化进行定时跟踪观测。无法实现通过较长一段时间内海水环境参数微变化的记录，分析沉积环境变化对沉积作用过程的影响。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种多功能浅海时间系列沉积物捕获和观测装置。

本发明的目的是这样实现的：

采用步进电机和棘齿传动实现采样瓶的自动转换，并通过自动控制单元按照预先设置的时间系列和工作流程收集沉降颗粒，定时跟踪观测并记录海水环境参数。

具体地说，多功能浅海时间系列沉积物捕获和观测装置（简称装置）的结构是：

包括框架单元、沉积物捕获单元、沉积物存储单元、环境观测单元和自动控制单元；

框架单元是由6根等距离包罗水平放置的上部圆环、中部圆环和下部圆盘的垂直放置的圆管连接而成的圆筒形框架，是本装置的支撑体；

在上部圆环和下部圆盘之间设置有沉积物捕获单元，在下部圆盘的下部设置有沉积物存储单元，沉积物捕获单元的底部和沉积物存储单元的上部对接，捕获和存储沉积物；

在中部圆环的两侧分别设置有环境观测单元和自动控制单元，沉积物存储单元和环境观测单元分别与自动控制单元电气连接，实现对沉积物存储单元和环境观测单元的控制。

本装置的使用方法及工作机理是：

在装置投入使用前采用外接计算机连接本装置的自动控制单元，对自动控制单元进行激活及初始化设定，包括采样时间间隔的设定和传感器观测时间间隔的设定。确定需要研究沉积速率的海域后，将该装置与可回收锚系连接，并投入海中。装置在到达指定时间后启动工作，在自身自动控制单元的控制下，进行采样并定时切换采样瓶，定时启动各传感器观测温度、盐度、压力和海水流速等海洋环境参数并存储至存储器。完成全部时间系列的采样及观测工作后停止工作，等待回收。回收后，即可获取所需海洋沉积样品，连接外接计算机后即可获取跟踪海水环境参数数据的记录。

本发明具有下列优点和积极效果：

①采用时间系列控制，可实现根据设定定时切换采样瓶，便于对海洋沉积作用进行阶段性和连续变化的研究；

②采样的同时跟踪记录海水环境参数，为沉积环境的微变化对沉积作用影响的研究提供基础数据；

③低功耗设计，可满足长时间采样及观测的需要；

④操作简便，对装置进行初始化设定后，即可投入海中，采样及观测过程无需人工干预；

⑤适用于浅海沉降颗粒物质的采样及其相关海水环境的观测。

附图说明

图1为本装置的结构示意图，

图2为固定盘21的结构示意图；

图3为转动盘22的结构示意图；

图4.1为光电定位器25无狭缝251时的工作说明示意图；

图4.2为光电定位器25有狭缝251时的工作说明示意图；

图5为自动控制单元40的结构方框图；

图6为单片机41的工作流程图。

图中：

00—框架单元，

01—上部圆环，02—中部圆环，03—下部圆盘，04—圆管。

10—沉积物捕获单元，

11—锥形漏斗，12—蜂窝巢。

    20—沉积物存储单元，

21—固定盘，

    211—固定盘中央圆孔，212—传动轴，213—固定盘颗粒接收孔；

22—转动盘，

        221—转动盘中央圆孔，222—棘齿，223—转动盘颗粒接收孔；

23—采样瓶；

241—步进电机， 242—齿轮，   243—传动链；

25—光电定位器，

251—狭缝；

252—线性LED光源，253—感光元件CCD，254—信号转换模块；

A—光发射线，B—光反射线。

    30—环境观测单元，

31—温度传感器，32—压力传感器，33—盐度计，34—流速计。

40—自动控制单元，

41—单片机，

        411—主程序模块， 412—驱动模块，

413—存储模块，   414—和通讯模块；

42—存储器，     43—日历时钟，    44—驱动电路，

45—高能电池及稳压电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1，本装置包括框架单元00、沉积物捕获单元10、沉积物存储单元20、环境观测单元30和自动控制单元40；

框架单元00是由6根等距离（60°×6）包罗水平放置的上部圆环01、中部圆环02和下部圆盘03的垂直放置的圆管04连接而成的圆筒形框架，是本装置的支撑体；

在上部圆环01和下部圆盘03之间设置有沉积物捕获单元10，在下部圆盘03的下部设置有沉积物存储单元20，沉积物捕获单元10的底部和沉积物存储单元20的上部对接，捕获和存储沉积物；

在中部圆环02的两侧分别设置有环境观测单元30和自动控制单元40，沉积物存储单元20和环境观测单元30分别与自动控制单元40电气连接，实现对沉积物存储单元20和环境观测单元30的控制。

2、功能单元

1）框架单元00

（1）上部圆环01位于距圆管04顶端5cm处；

内径60cm，外径64cm，壁厚2mm，钛合金材料；

圆环实体横轴线上等距离设置6处2cm直径的圆孔，以用于焊接圆管04。

（2）中部圆环02位于框架单元00中部，直径75cm，其左侧在垂直方向上与上部圆环01平齐，并在与上部圆环01的对应位置处设置6处同样2cm直径的圆孔，以用于焊接圆管04；

中部圆环02右侧按照“四筒”形设置4处5cm直径的圆孔，以用于安装和固定温度传感器31、压力传感器32、盐度传感器33和流速计34。

（3）下部圆盘03位于框架单元00中下部，距圆管04底端22cm；

直径64cm，厚1cm，主要用于安装沉积物捕获单元10和沉积物存储单元20；

其位置在垂直方向上与上部圆环01平行，并于对应位置处设置6处2cm直径的圆孔，与圆管04焊接；下部圆盘03中央设置直径6cm的中央圆孔，以便锥形漏斗11尾部通过；中央圆孔右侧12cm处设置直径3cm的右侧圆孔，用于安装转动盘22转动轴；其次，下部圆盘03上还设置有相应孔位供光电定位器25和步进电机241的供电线路通过。

（4）圆管04为钛合金圆管，每根长80cm，外径2cm，内径1.5cm，壁厚0.5cm；

顶端至2cm处设置有螺纹，下端2cm处设置预留孔，预留孔直径0.5cm，可通过连接结构与锚系系统相连。

1）沉积物捕获单元10

如图1，沉积物捕获单元10由上下连接的蜂窝巢12和锥形漏斗11组成。

锥形漏斗11的顶部内径60cm，集样面积为0.28m²，采用天然聚乙烯材料制作，以防止水样遭受污染；

蜂窝巢12是防止大型的游泳生物侵入锥形漏斗11，并减少锥形漏斗11内部涡漩的产生，避免已经捕获的沉积物（颗粒）因再悬浮而漏损。

2）沉积物存储单元20

如图1，沉积物存储单元20由固定盘21、转动盘22、采样瓶23、步进电机241、齿轮242、传动链243、光电定位器25组成；

其位置和连接关系是：

固定于下部圆盘03下面的固定盘21和转动盘22通过传动轴212上下设置；

如图2，在固定盘21的左侧与锥形漏斗11尾孔对应位置处设置有直径5cm的固定盘颗粒接收孔213，以固定盘颗粒接收孔213与固定盘中央圆孔211的中心连线为轴，从底部向内安装有光电定位器25；

如图3，在转动盘22的外缘处均于设置有13个直径5cm的转动盘颗粒接收孔223，其中0处为0号孔，不安装采样瓶23，其余1～12孔安装采样瓶23；在转动盘22内，在转动盘颗粒接收孔223与转动盘中央圆孔221的中心连线处分别设置有13条2mm宽、5cm长、5mm深的狭缝251，用于光电定位器25的定位；

步进电机241、齿轮242、传动链243和转动盘22依次连接，带动采样瓶23转动。

工作原理是：

由步进电机241、齿轮242和传动链243组成驱动传动机构，通过带动转动盘22转动而实现采样瓶23的自动转换；当转动盘22的转动盘颗粒接收孔223和固定盘21的固定盘颗粒接收孔213上下位置重合时，即光电定位器25检测到狭缝251位置时，实现无缝、零偏移对接，便将信号传送到自动控制单元40，步进电机241接收到自动控制单元40的指令停止工作进入休眠状态，使按1～12孔安装的12个采样瓶23按时间序列分别收集沉淀物。

（1）固定盘21

如图2，固定盘21是一种由钛合金制成的直径32cm的圆盘，中央设置2cm的固定盘中央圆孔211供传动轴212通过，并通过传动轴212固定于下部圆盘03的下面；固定盘21的左侧与锥形漏斗11尾孔对应位置处设置有直径5cm的固定盘颗粒接收孔213，以固定盘颗粒接收孔213与固定盘中央圆孔211的中心连线为轴，从底部向内安装有光电定位器25。

在固定盘21下面，对应转动盘22的转动盘颗粒接收孔223处布设有聚四氟乙烯制的“O”型弹性密封环，以实现每个采样周期结束时对采样瓶23的瓶口的完全密封。

（2）转动盘22

如图3，转动盘22是一种由钛合金制成的直径32cm的圆盘，中央设置2cm的转动盘中央圆孔221连接传动轴212，并可绕传动轴212转动；转动盘22的外缘设置棘齿222，以便与传动链243啮合驱动其绕传动轴212转动；在转动盘22上，距外缘0.5cm处等距离设置13个直径5cm的转动盘颗粒接收孔223，其中1处为0号孔，不安装采样瓶23，其余12孔安装采样瓶23；在转动盘22内，转动盘颗粒接收孔223与转动盘中央圆孔221的中心连线处设置2mm宽、5cm长、5mm深的狭缝251，用于光电定位器25的定位。

（3）采样瓶23

采样瓶23为一种采用天然聚乙烯材料制作的柱状瓶，直径5cm，高15cm，容积约300ml。

（4）光电定位器25

如图4.1、4.2，光电定位器25是一种光电二维空间定位结构，由线性LED光源252、感光元件CCD253和信号转换模块254组成；

线性LED光源252的光发射线A垂直于转动盘22的盘面，感光元件CCD253接收线性LED光源252的光反射线B；

信号转换模块254和感光元件CCD253连接，将光反射线B转换为电信号后传送到自动控制单元40。

其工作机理是：当设置于固定盘21上的光电定位器25中的线性LED光源252扫过光滑的转动盘22的盘面时，感光元件CCD253可接收到正常的反射光，当遇到转动盘22的定位狭缝251时，感光元件CCD253无法接收到反射光，即定位到狭缝251位置，此时采样瓶23到位，信号转换模块254将到位信号传回自动控制单元40。

3）环境观测单元30

环境观测单元30包括温度传感器31、压力传感器32、盐度传感器33和流速计34，分别与自动控制单元40连接。

环境观测单元30的作用在于按照预定程序定时、连续测量采样区域内海水环境参数，研究海水环境参数随时间的变化及对沉积作用的影响。

环境观测单元30根据预先设定的时间系列，在自动控制单元40的指令的控制下，定时测定采样区域的海水温度、压力、盐度和海水流速等海水环境参数，并将数据传入自动控制单元40的存储器42内，为后期海水环境参数随时间变化及对沉积影响的研究提供有效的分析数据。非工作时间段内，全部传感器皆处于休眠状态，以减小功耗。

（1）温度传感器31

采用北京中仪友信科技有限公司提供的TSD-1ATY精密低温型温度传感器，测量温度范围-40～100℃，精度0.01℃，具有不锈钢外壳、全密封、防水和防腐蚀的优点。

（2）压力传感器32

采用广东广仪电子仪器有限公司生产的PTG501型液体压力传感器，该传感器采用电阻应变计为感压芯片，不锈钢防水材料外壳，最大可承受压力150MPa。

（3）盐度传感器33

采用上海陆基机电科技有限公司自主研发的ZA-CL61-A0001型智能盐度传感器，采用高精度盐度电极，支持标准MODBUS RTU/ACSII工业数据总线协议，采用RS-232/RS-485接口输出，能够实现水体盐度数据采集、外部命令校准、自动温度补偿等功能；量程范围0～50ppm，分辨率0.01ppm。

（4）流速计34

采用日本川铁JFE公司生产的INFINITY-EM小型流速计，可实现微流速测量，流速测量范围0～500cm/s，分辨率0.02cm/s。

4、自动控制单元40

如图5，自动控制单元40由单片机41、存储器42、日历时钟43、驱动电路44和高能电池及稳压电路45组成，位于密封舱内，密封舱安装在下部圆环03的上面。

高能电池及稳压电路45提供电源；

存储器42、日历时钟43和驱动电路44分别与单片机41连接。

其主要作用是按预先设定的工作程序和时间系列自动控制沉积物存储单元20和环境观测单元30的运行情况，记录并存储所获取的相关数据，完成与外接计算机的联机通讯等。步进电机241的开机与停机、传感器的启动与休眠都由自动控制单元40的程序控制，而控制程序的设定是在装置初始化时通过外接计算机的操作而实现。

（1）单片机41

是自动控制单元40的核心，要求其性能必须稳定可靠而且尽可能降低功耗。采用TI公司生产的MSP430F2122A型单片机，该单片机为Flash型，可反复编程，且内部集成了A/D转换器，能够实现沉积物捕获器的控制功能，而且具有超低功耗、处理能力强、外围模块丰富、适应工业级运行环境等优点。

内嵌的控制软件主要包括主程序模块411、驱动模块412、存储模块413和通讯模块414。

主程序模块411分别与驱动模块412、存储模块413和通讯模块414交互。

* 主程序模块411负责系统初始化、休眠管理以及控制其他模块的工作；

* 驱动模块412负责根据时间设定判断是否切换采样瓶、是否启动各项传感器的工作；

* 存储模块413负责将采样数据及各传感器传回的观测数据按照一定规则进行存储；

* 通讯模块414则负责与外接计算机进行通讯，以完成系统初始化的设定，以及将所获取的存储数据传回外接计算机。

如图6，工作流程是：

①系统初始化A；

②判断是否到达装置设定的开始观测时间B，是则进入下一步骤，否则执行硬件系统休眠N，再继续步骤②；

③传感器启动C；

④判断是否到达装置设定的结束观测时间D，是则进行下一步骤，否则跳转到步骤③；

⑤传感器关闭E，观测数据存储F；

⑥判断是否到达装置设定的采样间隔时间G，是则进行下一步骤，否则执行硬件系统休眠N，再继续步骤②；

⑦电机驱动H；

⑧判断是否采样瓶到位I，是则执行下一步骤，否则跳转至步骤⑦；

⑨电机关闭J，采样数据存储K；

⑩判断是否到达装置设定的结束时间L，是则工作结束M，否则执行硬件系统休眠N，再继续步骤②。

（2）存储器单元42

采用低功耗的“Flash”存储器M25P40；该存储器抗干扰能力强、稳定性好，可以满足沉积物捕获器设置参数存储、海水环境观测数据记录的工作要求。

（3）日历时钟单元43

采用具有内置晶振、支持ⅡC串行接口的高精度实时时钟芯片SD2400E，该芯片内置年、月、日、星期、时、分、秒共7字节的报警数据寄存器及1字节的报警允许寄存器，时钟精度年误差小于2.5min。

（4）驱动电路44

实现开关控制功能，要求根据控制端的电平决定导通与关断。根据装置需要，采用固态继电器作为步进电机241及环境观测单元30的驱动开关，固态继电器具有光电隔离、电子开关无触点、驱动电压范围宽的优点。

（5）高能电池及稳压电路45

采用特别订制的锂电池（电压为9V，可充电）及MAX667稳压电路，可以检测电池工作状态，实现可控开关功能。

Claims (6)

1.一种多功能浅海时间系列沉积物捕获和观测装置，其特征在于：

包括框架单元（00）、沉积物捕获单元（10）、沉积物存储单元（20）、环境观测单元（30）和自动控制单元（40）；

框架单元（00）是由6根等距离包罗水平放置的上部圆环（01）、中部圆环（02）和下部圆盘（03）的垂直放置的圆管（04）连接而成的圆筒形框架，是本装置的支撑体；

在上部圆环（01）和下部圆盘（03）之间设置有沉积物捕获单元（10），在下部圆盘（03）的下部设置有沉积物存储单元（20），沉积物捕获单元（10）的底部和沉积物存储单元（20）的上部对接，收集和存储沉积物；

在中部圆环（02）的两侧分别设置有环境观测单元（30）和自动控制单元

（40），沉积物存储单元（20）和环境观测单元（30）分别与自动控制单元（40）电气连接，实现对沉积物存储单元（20）和环境观测单元（30）的控制。

2.按权利要求1所述的沉积物捕获和观测装置，其特征在于：

所述的沉积物捕获单元（10）由上下连接的蜂窝巢（12）和锥形漏斗（11）组成。

3.按权利要求1所述的沉积物捕获和观测装置，其特征在于：

所述的沉积物存储单元（20）由固定盘（21）、转动盘（22）、采样瓶（23）、步进电机（241）、齿轮（242）、传动链（243）和光电定位器（25）组成；

其位置和连接关系是：

固定于下部圆盘（03）下面的固定盘（21）和转动盘（22）通过传动轴（212）

上下设置；

在固定盘（21）的左侧与锥形漏斗（11）尾孔对应位置处设置有直径5cm的固定盘颗粒接收孔（213），以固定盘颗粒接收孔（213）与固定盘中央圆孔（211）的中心连线为轴，从底部向内安装有光电定位器（25）；

在转动盘（22）的外缘处均于设置有13个直径5cm的转动盘颗粒接收孔（223），其中0处为0号孔，不安装采样瓶（23），其余1～12孔安装采样瓶（23）；在转动盘（22）内，在转动盘颗粒接收孔（223）与转动盘中央圆孔（221）的中心连线处分别设置有13条2mm宽、5cm长、5mm深的狭缝（251），用于光电定位器（25）的定位；

步进电机（241）、齿轮（242）、传动链（243）和转动盘（22）依次连接，带动采样瓶（23）转动；

所述的光电定位器（25）是一种光电二维空间定位机构，由线性LED光源（252）、感光元件CCD（253）和信号转换模块（254）组成；

线性LED光源（252）的光发射线（A）垂直于转动盘（22）的盘面，感光元件CCD（253）接收线性LED光源（252）的光反射线（B）；

信号转换模块（254）和感光元件CCD（253）连接，将光反射线（B）转换为电信号后传送到自动控制单元（40）。

4.按权利要求1所述的沉积物捕获和观测装置，其特征在于：

所述的环境观测单元（30）包括分别与自动控制单元（40）连接的温度传感

器（31）、压力传感器（32）、盐度传感器（33）和流速计（34）。

5.按权利要求1所述的沉积物捕获和观测装置，其特征在于：

所述的自动控制单元（40）由单片机（41）、存储器（42）、日历时钟（43）、驱动电路（44）和高能电池及稳压电路（45）组成；

高能电池及稳压电路（45）提供电源；

存储器（42）、日历时钟（43）和驱动电路（44）分别与单片机（41）连接。

6.按权利要求1～5所述的沉积物捕获和观测装置，其特征在于：

所述的单片机（41）内嵌的控制软件主要包括主程序模块（411）、驱动模块（412）、存储模块（413）和通讯模块（414）；

主程序模块（411）分别与驱动模块（412）、存储模块（413）和通讯模块（414）交互；

主程序模块（411）负责系统初始化、休眠管理以及控制其他模块的工作；

驱动模块（412）负责根据时间设定判断是否切换采样瓶、是否启动各项传感器的工作；

存储模块（413）负责将采样数据及各传感器传回的观测数据按照一定规则进行存储；

通讯模块（414）则负责与外接计算机进行通讯，以完成系统初始化的设定，以及将所获取的存储数据传回外接计算机；

其工作流程是：

①系统初始化（A）；

②判断是否到达系统设定的开始观测时间（B），是则进入下一步骤，否则执行硬件系统休眠（N），再继续步骤②；

③传感器启动（C）；

④判断是否到达系统设定的结束观测时间（D），是则进行下一步骤，否则跳转到步骤③；

⑤传感器关闭（E），观测数据存储（F）；

⑥判断是否到达系统设定的采样间隔时间（G），是则进行下一步骤，否则执行硬件系统休眠（N），再继续步骤②；

⑦电机驱动（H）；

⑧判断是否采样瓶到位（I），是则执行下一步骤，否则跳转至步骤⑦；

⑨电机关闭（J），采样数据存储（K）；

⑩判断是否到达系统设定的结束时间（L），是则工作结束（M），否则执行硬件系统休眠（N），再继续步骤②。