CN105092302B - 一种自控振动式沉积物采样器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自控振动式沉积物采样器，属于测量与控制技术及水下沉积物采集领域。该采样器主要由振动器、连接杆、采样管、支撑架和控制单元组成。振动器为采样器提供动力源，支撑架用来确保采样器垂直下降，通过压力传感器检测仪器入水深度，单片机控制模块将信号发送至上位机显示，同时控制振动器的启动与关闭，根据需要，通过调速器可以在线调节振动器频率。本发明的有益效果是采样效率高、工作稳定、扰动小。具有采样器水下操作可控、结构简单、安装便利、采集原状层理性沉积物样品的特点。适用于水库、河流、湖泊等内陆水域中的沉积物采集。
Description
技术领域
本发明属于测量与控制技术及水下沉积物采集领域，涉及到一种用于水底沉积物采集，特别涉及到水深较大时的内陆水域水底沉积物采集的采样器。
背景技术
水底沉积物是水库等水源地水体的重要组成部分，由于多年的污染物累积效应，来自流域的污染物长期蓄积到沉积物中，对水体及其水环境构成威胁。受到沉积特性和污染来源的影响，沉积物在不同深度上的组分和浓度都不同，随着时间的增长，水底沉积物呈现出层理结构。因此，需要深入研究沉积物的特性，其中的关键就是获取原状的层理性沉积物样品。
目前，广泛用于水底沉积物取样的设备主要有抓斗式采泥器，重力式沉积物采样器和振动式沉积物采样器等。其中，抓斗式采泥器只能采集表层沉积物，使用时会对样品产生较大的扰动，使得样品混在一起，破坏了沉积物原始的状态，适合于沉积物样品的综合采样调研；重力式沉积物采样器依靠仪器本身的重力砸入沉积物中，采样管的贯入深度取决于仪器重力，较为笨重，使用不方便，对样品产生的扰动较大，而且采样时重力式采样器容易产生倾斜，导致采集不到沉积物样品，采样成功率低；振动式沉积物采样器采用振动方式，利用各种形式的振动器带动采样管振动进入沉积物中获取相应沉积物样品，采样效率相比前两种仪器显著提高。例如丹麦KC-Denmark公司生产的HAPS振动器，可以搭配在相应的沉积物柱状取样器上使用，以振动的方式采集沉积物样品；中国发明专利授权公告号101713709公开了一种液体振动取样器，利用海水作为振动器的能量源，从而以振动方式进行沉积物取样。但是这种取样器需要配备较大的气仓，以储备流进来的水，而且该采样器的振动频率不可以进行调节。这些振动采样器大多体积大，使用钻探的方式进行沉积物取样，适用于采集海洋等大环境中固结程度较高的沉积物，而水源水库等地的沉积物一般是由近过去的淤积形成的，主要为较为稀软的沉积物，这与海洋等环境中的沉积物不同，所以这些采样器不适合水源水库等内陆水域中的层理性沉积物采集。
由于多年累积的沉积物具有分层的特性，每个层次下的沉积物样品都有其自身特性。根据共振原理，振动器带动采样器振动使得与采样管接触的沉积物产生“液化”现象，破坏采样器与沉积物之间的粘结力，减小沉积物对采样管的侧面阻力，从而使得采样器顺利进入沉积物。当振动器振动频率接近沉积物层的固有频率时，将产生共振，此时最利于振能的利用，液化效果最好。当振动作用最明显时，采样器下降进入沉积物的速度也是最快的，即采样的效率最高。所以为不同层的沉积物选择相应合适的振动频率尤为重要。因此，对振动器进行频率调节能够提高采样的效率。
综上所述，前述设备不具备高效采集沉积物样品的采集功能，尤其是针对水源水库等地多年累积的具有分层特点的比较稀软的沉积物样品。需要研发具有采样高效性、稳定性，智能化地采集具有层理结构沉积物等功能的采样器。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种自控振动式沉积物采样器，适用于水库、河流、湖泊等内陆水域的沉积物采集。解决当前沉积物采样器存在的效率低、不稳定、扰动大等问题。同时具有在线调节振动频率、实时测量采样深度等功能。
本发明的技术方案如下：
一种自控振动式沉积物采样器，主要由振动器、连接杆、采样管、支撑架以及控制单元组成。
使用缆绳通过吊环固定在振动器的密封外壳上，用来提升装置。电缆与缆绳搭配使用，用来对振动电机、控制单元供电，同时也作为信号收发线使用。
振动器由密封外壳和振动电机构成。密封外壳起到保护振动电机并安放传感器和控制单元的作用，其主体由不锈钢管构成，钢管两端使用法兰结构进行密封，密封外壳上部安装有水密接头，用于电缆的接入，同时安装有吊环，用于缆绳的固定；振动电机作为采样器的动力源，是由交流异步电机两端出轴各带动一组完全相同的偏心块旋转产生振动作用构成的振动设备，用来产生振动作用，振动电机的底座固定在密封外壳下部。密封外壳底部焊接有螺纹接口，用于同连接杆连接。
连接杆上下两端均有螺纹连接结构，连接杆的上端与振动器密封外壳下端的螺纹连接结构连接，连接杆的下端与采样管上端的螺纹连接结构连接。
采样管由内、外两层管组成，外层为不锈钢管，内层为有机玻璃管，其上印有刻度，方便样品采集量的直观读取，内层有机玻璃管安装在外层不锈钢管中。其中，外层采样管上端使用螺纹结构安装可拆卸的端盖，端盖上部有与连接杆连接的螺纹连接结构，端盖下部沿外层采样管一周均有开有三个相同的排水口，用于排出沉积物采样过程中进入采样管的水体。外层采样管下端通过螺纹结构安装楔形采样刀头，使采样管更好地贯入沉积物中。
支撑架是为了保证采样管在工作时以垂直的姿态进入沉积物中，主要由连接杆圆环、浮力牵引板、采样管圆环、支架钢管、圆环连接管以及支架脚组成。其中，连接圆环的孔直径与连接杆相匹配，浮力牵引板由两块半圆形浮力牵引板组成，两块半圆形浮力牵引板上端使用固定轴连接，下端使用活页相扣，通过插入螺栓固定连接，三根支架钢管上端压扁后钻有钻孔，通过螺栓和螺母固定在连接杆圆环上，采样圆环的孔直径与采样管相匹配，各通过三根圆环连接管，一端连接在采样管圆环上，一端连接在支架钢管上，从而控制采样管的运动行程。三根支架钢管的底端固定连接三个支架脚，支架脚使用浮力材料构成，和浮力牵引板一起为支撑架提供一定的浮力，使得支撑架呈现半漂浮状态，保证支撑架稳定支撑采样器且支撑架不陷入沉积物中。
控制单元主要包括压力传感器、单片机控制模块、继电器、调频器、上位机和电源模块。其中，压力传感器固定密封外壳上部，用来检测仪器入水深度；单片机控制模块用于读取压力传感器检测的压力信号并转化为深度值，利用RS-485串口通信实时将深度值发送至上位机，通过深度信号指导采样工作，同时单片机控制模块控制继电器的开闭状态，从而控制振动电机的开启与关闭；调频器通过旋钮调节振动器的振动频率，实现以不同振动频率进行沉积物采集。上位机一方面实时处理测得的仪器入水深度信号，显示深度曲线，从而指导沉积物采样中振动器的工作状态，另一方面控制振动电机的启动与停止。仪器使用发电机提供电源，通过电源管理模块将交流电转化为需要使用的不同直流电，为振动器、压力传感器、单片机控制模块、继电器等供电。
本发明相比于现有的抓斗采泥器、重力式沉积物采样器等各类沉积物采样器，弥补了采样效率低、不稳定、扰动大等不足，发明了具有水上在线调节振动频率、实时测量采样深度功能的振动式沉积物采样器，具有采样器水下操作可控、结构简单、安装便利、采集原状层理性沉积物样品。
附图说明
图1是振动式沉积物采样器整体结构示意图。
图2是振动器及其控制装置构成示意图。
图3是支撑架构成示意图。
图4是支撑架俯视图。
图5是浮力牵引板示意图。
图6是采样管的构成示意图。
图7是振动式沉积物采样器的控制流程图。
图中：1振动器；2连接杆；3支撑架；4采样管；5上位机；
1-1电缆线；1-2水密接头；1-3吊环；1-4密封外壳；1-5调速器；
1-6压力传感器；1-7继电器；1-8单片机控制模块；1-9电源模块；
1-10振动电机；1-11螺纹接口
3-1连接杆圆环；3-2浮力牵引板；3-3采样管圆环；3-4采样管圆环；3-5支架钢管；3-6圆环连接管；3-7圆环连接管；3-8支架脚；
3-2-1半圆形浮力牵引板；3-2-2固定轴；3-2-3连接活页；
4-1螺纹接口；4-2上端盖；4-3排水口；4-4外层采样管；4-5内层采样管；
4-6采样刀头。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
步骤1：在采样船上将缆绳系在吊环1-3上，电缆线一端通过水密接头1-2接入振动器1，另一端信号线通过USB接口连接上位机5，供电线连接发电机。在船上为仪器供电并打开上位机5检查振动器1、调速器1-5、压力传感器1-6、单片机控制模块1-8的工作状况，待一切检查无误后，将振动器1、连接杆2、支撑架3、采样管4进行组装固定，将仪器缓慢放入水中。
步骤2：仪器入水过程中，通过压力传感器1-6持续检测入水压力信号，通过单片机控制模块1-8读取信号并转化为相应深度值实时传到上位机5中显示深度曲线。观察上位机5显示的深度曲线的变化状况，随着缆绳的下放，当仪器入水深度基本不再变化时，表明仪器此时已经触底。
步骤3：上位机5发送启动信号给单片机控制模块1-8控制继电器1-7的闭合，从而开启振动电机1-10，旋动调速器1-5到低档位，以较低振动频率使振动器1开始工作。接着继续检测仪器入水深度并通过单片机控制模块1-8传至上位机5中，可以实时查看仪器入水深度的变化情况，从而获知采样器采取沉积物样品的深度。
步骤4：当采样深度持续增加时，不对振动器1的振动频率进行调节，而当采样深度增加缓慢或者不再增加并且没有达到采样深度时，此时旋动调速器1-5至较高档位，提高振动器1的振动频率，继续采集沉积物样品。此过程中，根据深度曲线变化情况适时调节振动器1的振动频率。
步骤5：当检测到仪器采样达到目标采样深度时，上位机5发送结束命令给单片机控制模块1-8控制继电器1-7的断开，从而关闭振动电机1-10，接着停止为仪器供电，提升缆绳将仪器拉至采样船上，取下沉积物采样管4，将获取的沉积物样品进行保存。若未达到目标采样深度，仪器转至步骤4中的状态继续工作，直到最终达到目标采样深度。
下面结合附图对本发明的控制方法的具体实施方式进行详细说明。
图7是振动式沉积物采样器的振动器控制流程图。
在步骤500开始对沉积物采样器的振动器进行控制；在步骤701对上位机和单片机控制模块初始化，打开上位机监控界面，设置目标采样深度值L，连通上位机与单片机控制模块的通信，开启单片机信号采集程序；在步骤702将仪器缓慢释放至水中；在步骤703中，压力传感器检测仪器入水深度，通过单片机控制模块将信号传送给上位机进行深度曲线显示；在步骤704中，通过观察上位机显示的仪器入水深度曲线判断仪器是否触底，如果深度值不断增加，说明仪器还未触底，转到步骤702继续释放仪器，如果深度不再增加说明仪器已经触底，接着进入步骤705；在步骤705中，通过上位机发送启动信号给单片机控制模块控制继电器的闭合从而开启振动器工作，在船上使用调速器将振动器的振动频率调节至低档位，以较低振动频率进行样品采集，同时上位机记录当前仪器的入水深度值h1；在步骤706中，振动器开始工作，仪器利用振动作用不断下降采集沉积物；在步骤707中，继续通过压力传感器检测仪器入水深度；在步骤708中，在振动器工作一段时间后，将当前检测到的仪器入水深度h2与振动器开始工作时的入水深度h1进行比较，若深度值增加缓慢或者不再增加，表明此时的振动频率较低，带不动采样器进行沉积物采集，仪器工作转入到步骤709；在步骤709中，通过在船上旋动调速器提高振动器的振动频率，增强仪器的振动作用，使振动频率接近沉积物层的固有频率，提高采样的效率；在步骤708中，若振动器工作一定时间后，深度值持续增加，则进入到步骤710；在步骤710中，通过将当前检测到的仪器入水深度值h3减去振动器初始工作时的入水深度h1得出仪器采集到的沉积物样品深度l，若未达到上位机中设置的目标采样深度L，仪器转到步骤707继续工作，若此时达到了上位机中设置的目标采样深度L，进入到步骤711；在步骤711中，结束沉积物采样，上位机发送停止信号给单片机控制模块控制继电器开关的断开从而关闭振动电机，将船上的发电机关闭，停止为仪器供电，提升缆绳，将仪器提升至船上取出沉积物样品进行保存。至此整个振动式沉积物采样控制过程结束。
Claims (2)
1.一种自控振动式沉积物采样器，主要由振动器(1)、连接杆(2)、支撑架(3)、采样管(4)以及控制单元组成，其特征在于：
缆绳固定在振动器(1)的吊环(1-3)上，电缆接入振动器(1)的密封外壳(1-4)上端的水密接头(1-2)；所述的振动器(1)由密封外壳(1-4)和振动电机(1-10)组成，振动电机(1-10)的底座安装在密封外壳(1-4)中，密封外壳(1-4)的两端通过法兰结构密封，振动电机(1-10)作为采样器的动力源，是由交流异步电机两端出轴各带动一组完全相同的偏心块旋转产生振动作用构成的振动设备，用来产生振动作用；控制装置的单片机控制模块(1-8)和压力传感器(1-6)放置在振动器(1)里；两端带有螺纹的连接杆(2)连接振动器(1)下端和采样管(4)上端；采样管(4)包括外层采样管(4-4)和内层采样管(4-5)，其中外层采样管(4-4)上部使用端盖(4-2)封住采样管(4)，端盖(4-2)下部开设有排水口(4-3)，采样管(4)下部安装有采样刀头(4-6)；采样管(4)穿过支撑架(3)内部控制采样管(4)运动行程的圆环，利用支撑架(3)提供支撑作用；
所述的采样器支撑架(3)主要由连接杆圆环(3-1)、浮力牵引板(3-2)、采样管圆环(3-3)和(3-4)、支架钢管(3-5)、圆环连接管(3-6)和(3-7)以及支架脚(3-8)组成；其中，连接杆圆环(3-1)的孔直径与连接杆(2)相匹配，浮力牵引板(3-2)由两块半圆形浮力牵引板(3-2-1)组成，两块半圆形浮力牵引板(3-2-1)上端使用连接轴(3-2-2)固定，下端使用连接活页(3-2-3)相扣，通过插入螺栓固定，使得浮力牵引板(3-2)固定在连接杆圆环(3-1)上部，三根支架钢管(3-5)通过螺丝和螺母固定在连接杆圆环(3-1)上，采样圆环(3-3)和(3-4)孔直径与采样管(4)相匹配，各通过三根圆环连接管(3-6)或(3-7)一端固定在采样管圆环(3-3)或(3-4)上，一端固定在支架钢管(3-5)上；三根支架钢管(3-5)的底端连接三个支架脚(3-8)，支架脚(3-8)使用浮力材料，和浮力牵引板(3-2)一起为支撑架(3)提供浮力，使得支撑架(3)稳定，呈现半漂浮状态，保证采样器下降的垂直姿态，控制采样管(4)的运动，提高稳定性。
2.根据权利要求1所述的振动式沉积物采样器，其特征在于，所述的控制装置主要包括上位机(5)、调速器(1-5)、压力传感器(1-6)、继电器(1-7)、单片机控制模块(1-8)和电源管理模块(1-9)，其中，上位机(5)和调速器(1-5)位于采样船上，其余部件安装在振动器(1)中；调速器(1-5)通过旋钮调节振动器(1)的振动频率，压力传感器(1-6)的探头穿出振动器(1)暴露在水中，测量仪器入水深度，单片机控制模块(1-8)用于读取压力传感器信号并通过串口通信将信号发送到上位机(5)中进行深度曲线显示，同时用于控制继电器(1-7)的断开与闭合，从而控制振动电机(1-10)的启动与停止，电源管理模块(1-9)为振动电机(1-10)、压力传感器(1-6)、单片机控制模块(1-8)提供各自所需电源。
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