CN105586253A - 基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器 - Google Patents

基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器，属于海洋技术仪器设备领域，通过在取样筒前端的管路中反向串联了两个可控单向阀(电磁单向阀和手动单向阀)来实现无污染取样、保压取样以及样品等压转移，通过在样品筒后增加压力补偿筒的方式实现对样品腔压力连续、无突变的补偿，通过在取样活塞与补偿活塞之间充满洁净的海水以及在连接体中央加工节流孔的方法实现无压力突变取样，通过在补偿筒端盖上安装单向阀组件和堵头来增加取样器可靠性。取样器中所有静连接都采用O型圈端面密封以增加取样器的密封性能。本发明结构紧凑，附属设备少，取样触发信号简单，特别适合配备AUV进行深海海水样品的采集。

Description

基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器
技术领域
本发明涉及一种取样器，尤其涉及一种适用于自主式水下机器人(AUV)的基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器。
背景技术
深海是一个低温、高压和低溶解氧的极端环境，其中的深海生物与浅海、陆地生物相比，具有特殊适应机制，并对应特殊的基因资源。如何获得高保真的深海微生物样品已经成为各国研究的重点。由于深海中许多有价值的微生物都是嗜压微生物，它们在常压下无法生长甚至死亡。因此，深海海水保压取样是开展深海微生物取样的技术基础。
目前，针对不同的任务要求，一系列的深海取水器已被研制出来。专利申请号为200710069092.9，名称为《一种深海气密采水瓶》的中国专利，研制了基于压力自适应平衡的深海气密采水系统，其主要任务是采集能够真实反映原位气体成分组成信息的海水样品，所以并未考虑保压功能。专利申请号为201010290255.8，名称为《深海微生物自动保压取样器》的中国专利，研制了深海微生物自动保压取样器，其通过设置挡水片的破裂阈值来控制取样深度，然后通过单向阀实现自动保压，但挡水片的破裂深度精度有限。专利申请号为03120942.6，名称为《高纯度保压深海热液取样器》的中国专利，解决了样品中含有非样品海水问题，且能够自动控制取样速度以及进行样品保压，但是需要水下机械手打开取样阀开始取样。
上述深海取水器在配备深海AUV方面存在以下困难：现有海水取样器多为独立装备或者配备于载人潜器和ROV，这些取样器体积较大、结构较为复杂，有的甚至需要机械手来操作取样过程；而AUV体积较小，大型的海水取样器装置难以直接配备；在高压环境下，取样装置结构越复杂，失效概率越大；在深海高压环境且AUV能源有限的情况下，机械手的每一个动作都会增加能源消耗以及AUV自身的危险性。另外，在深海环境尤其是全海深工作环境下，多数阀体以及径向密封在巨大的压力下发生泄漏的概率很大。为实现深海海水无污染保压取样，单向阀是一种优选设备。但在使用单向阀实现无污染保压取样的过程中存在如下问题：为防止上层海水污染样品海水，要求单向阀在取样前阻止外界海水进入取样筒；为防止取样后发生样品海水泄漏，要求单向阀在取样后阻止取样筒内的样品海水流出筒外；在取样的不同阶段，单向阀的工作方向不同，以致单一的单向阀难以实现。
发明内容
本发明的目的是针对深海微生物取样的特殊要求，研制一种能够实现无污染取样、保压取样、无压力突取取样、样品等压转移且适合配备AUV的基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器，为深海微生物资源考察和科学研究提供技术及装备支撑。
本发明的目的是这样实现的：包括可控单向阀组件和取样筒组件，所述可控单向阀组件包括反向串联的电磁单向阀和手动单向阀，取样筒组件包括样品筒、压力补偿筒和设置在样品筒和压力补偿筒之间的连接体，所述样品筒内设置有取样活塞，所述压力补偿筒内设置有补偿活塞，所述连接体的中间位置设置有连通样品筒和压力补偿筒的节流孔，所述取样活塞与补偿活塞之间充满海水，所述样品筒的端部通过连接管与手动单向阀连接，所述压力补偿筒的端部安装有补偿端盖，所述补偿端盖上设置有单向阀组件和可拆卸的堵头。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.取样活塞与样品筒的连接处、样品筒与连接体的连接处、连接体与压力补偿筒的连接处、补偿活塞与压力补偿筒的连接处、补偿端盖与压力补偿筒的连接处、单向阀组件与补偿端盖的连接处以及可拆卸的堵头与补偿端盖的连接处均设置有密封圈。
2.所述取样活塞与取样筒之间形成样品腔，所述补偿活塞与补偿端盖之间形成压力补偿腔。
3.电磁单向阀和手动单向阀的初始状态均工作在单向截止工位上，电磁单向阀的截止方向为自取样筒外部指向取样筒内部的方向，手动单向阀的截止方向为自取样筒内部指向取样筒外部的方向；所述单向阀组件包括单向阀体、阀芯和弹簧，其截止方向是自压力补偿筒内部指向外部的方向。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、无污染、安全取样。在取样器下潜过程中，外界水压逐渐增大，最终超过样品筒和压力补偿筒内的压力。电磁单向阀的截止作用能够在深海海水取样前有效阻止上层海水进入取样筒，避免样品海水受到非样品海水的污染。此外，补偿端盖上的堵头能够有效阻止外界高压海水进入压力补偿筒，起到安全保护的作用。所有静密封都为O型圈端面密封，密封可靠。2、保压取样。在取样器上浮过程中，传统的取样筒将会因为受内压而引起体积膨胀或者阀体发生泄漏，进而导致取样筒内样品压力下降。本发明依靠手动单向阀的截止作用阻止样品海水泄漏，同时压力补偿筒内被压缩的氮气能够连续地、无压力突变地对样品筒进行压力补偿，实现保压取样。3、无压力突取样。若在样品筒内无缓冲机构，则在单向电磁阀打开时，在样品筒内外强大压差的作用下，外界海水将迅速进入样品筒，直至样品筒内外压差为零。在此过程中，样品海水经历了从数十兆帕到0.1兆帕再到数十兆帕的压力突变。本发明在连接体中间加工有节流孔，在深海海水取样过程中，节流孔在预充的洁净海水的配合下能够有效降低两个活塞的移动速度，从而极大地降低样品筒内外压差，实现无压力突变取样。4、样品等压转移。取样器回收后，卸掉电磁单向阀，连接样品海水接收装置，并预充到深海取样压力，扳动手动单向阀，使其导通，然后拆掉堵头，将高压泵通过充气管接到补偿端盖上，对压力补偿筒充压，将样品海水充入接收装置内，从而实现样品海水的等压转移。5、控制操作容易。本发明根据可控单向阀的具体作用不同以及换位动作发生的地点不同而采用不同的控制方式。电磁单向阀主要用于无污染取样，换位动作发生在深海，难以手动操作，采用电磁控制方式，便于由AUV触发取样动作。手动单向阀主要用于样品保压以及样品等压转移，换位动作发生在陆上，便于手动操作。若此处采用电磁单向阀，则需要重新连接控制设备，反而增加工作量。因此，这种由不同控制方式的两个可控电磁阀组成的串联结构既能有效阻止上层海水污染样品海水，同时实现样品保压和样品等压转移，又便于控制操作。6、适合配备深海AUV。本发明结构紧凑，附属设备少，取样触发信号简单，且依靠深海海水的静压力实现自动取样，适合配备于深海AUV。
附图说明
图1是本发明的结构原理图；
图2是图1中A部分的局部放大图；
其中，1-电磁单向阀，2-连接管，3-手动单向阀，4-连接管，5-样品筒，6-样品腔，7-取样活塞，8-O型密封圈，9-连接体，10-O型密封圈，11-螺栓，12-压力补偿筒，13-补偿活塞，14-压力补偿腔，15-螺栓，16-O型密封圈，17-补偿端盖，18-洁净的海水，19-单向阀阀芯，20-弹簧，21-O型密封圈，22-单向阀阀体，23-O型密封圈，24-堵头。
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所示，可控单向阀串联结构由电磁单向阀1和手动单向阀3通过连接管2串联而成。其中电磁单向阀1截止方向为自左向右，手动单向阀3的截止方向为自右向左。手动单向阀3通过连接管4与样品筒5连通。
如图1所示，取样筒组件由样品筒5、连接体9、压力补偿筒12、补偿端盖17通过螺栓11和螺栓15组装而成，各组成部分之间通过O型密封圈8、O型密封圈10、O型密封圈16进行端面密封。连接体9中央加工有节流孔。取样活塞7、补偿活塞13分别位于样品筒和压力补偿筒内。两个活塞之间充满洁净的海水18。
如图2所示，在补偿端盖17上，安装有单向阀阀体22、单向阀阀芯19、弹簧20，单向阀阀体22与补偿端盖之间通过螺纹连接、通过O型密封圈21实现端面密封，单向阀组件的截止方向为自左向右。在单向阀组件的外侧安装有堵头24。堵头24与补偿端盖17通过螺纹连接，通过O型密封圈23实现端面密封。
本发明的取样过程如下：
在取样器安装到AUV上之前，扳动手动单向阀3，使其工作于上位，拆掉堵头24，将充气管接到补偿端盖17上，对压力补偿腔14预充深海实际取样压力20％的氮气，补偿活塞13和取样活塞7在预充气体压力的作用下分别移动到压力补偿腔14和样品腔6的最左侧，扳动手动单向阀3，使其工作于下位，卸掉充气管，重新安装堵头24。
将取样器安装到AUV上，并连接好控制电路
在取样器伴随AUV下潜过程中，电磁单向阀1能够有效阻止非样品海水进入样品腔6。
AUV到达指定深度后，开始取样。电磁单向阀1工作在上位，高压海水依次通过电磁单向阀1和手动单向阀3进入样品腔6，推动取样活塞7、补偿活塞13向右运动，压缩氮气。在此过程中，连接体9中间的节流孔能够有效降低两个活塞的移动速度，从而实现无压力突变取样。
取样结束后，电磁单向阀1重新工作在下位。
AUV上浮过程中，手动单向阀能够有效阻止样品海水泄漏，同时被压缩的氮气能够连续地、无压力突变地对样品腔进行压力补偿，实现保压取样。
AUV回收后，拆下取样器，并从取样器上卸下电磁单向阀1和连接管2以及堵头24。在手动单向阀3左端连接样品海水接收装置，并预充到深海取样压力。将充气管接到补偿端盖17上，对压力补偿腔14充压，补偿活塞13和取样活塞7左移，将样品海水充入接收装置内，从而实现样品海水的等压转移。一种基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样装置，主要由可控单向阀组件和取样筒组件两部分构成。可控单向阀组件由电磁单向阀和手动单向阀反向串联而成，其中电磁单向阀的截止方向为自取样筒外向取样筒内，手动单向阀的截止方向为自取样筒内向取样筒外。取样筒组件主要由样品筒、取样活塞、连接体、压力补偿筒、补偿活塞、补偿端盖构成，其中，连接体中间加工有节流孔，取样活塞和补偿活塞中间充满洁净的海水，在压力补偿筒内预充深海取样压力20％的氮气。
本发明还包括这样一些结构特征：
1、两个可控单向阀初始状态均工作在单向截止工位上，且电磁单向阀在最外侧，手动单向阀在电磁单向阀和取样筒之间。
2、样品筒、连接体、压力补偿筒、补偿端盖等零件在端面处加工有法兰，各部分之间通过螺栓连接，采用O型密封圈进行端面密封。
3、补偿端盖上安装有单向阀组件和堵头。单向阀组件、堵头与补偿端盖通过螺纹进行连接，通过O型密封圈进行端面密封。单向阀组件由阀体、阀芯、弹簧三部分构成，截止方向为自压力补偿筒内向压力补偿筒外。
4、上述组成部分为深海取样时的组成结构。取样结束后，拆除电磁单向阀及其与手动单向阀之间的连接管。另外，在取样器下水前以及提取海水样品时，拆掉堵头，将高压气泵通过充气管连接到补偿端盖上。
本发明涉及一种基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器。属于海洋技术仪器设备领域。该取样器通过在取样筒前端的管路中反向串联了两个可控单向阀(电磁单向阀和手动单向阀)来实现无污染取样、保压取样以及样品等压转移，通过在样品筒后增加压力补偿筒的方式实现对样品腔压力连续、无突变的补偿，通过在取样活塞与补偿活塞之间充满洁净的海水以及在连接体中央加工节流孔的方法实现无压力突变取样，通过在补偿筒端盖上安装单向阀组件和堵头来增加取样器可靠性。取样器中所有静连接都采用O型圈端面密封以增加取样器的密封性能。本发明结构紧凑，附属设备少，取样触发信号简单，特别适合配备AUV进行深海海水样品的采集。

Claims (5)

1.基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器，其特征在于：包括可控单向阀组件和取样筒组件，所述可控单向阀组件包括反向串联的电磁单向阀和手动单向阀，取样筒组件包括样品筒、压力补偿筒和设置在样品筒和压力补偿筒之间的连接体，所述样品筒内设置有取样活塞，所述压力补偿筒内设置有补偿活塞，所述连接体的中间位置设置有连通样品筒和压力补偿筒的节流孔，所述取样活塞与补偿活塞之间充满海水，所述样品筒的端部通过连接管与手动单向阀连接，所述压力补偿筒的端部安装有补偿端盖，所述补偿端盖上设置有单向阀组件和可拆卸的堵头。
2.根据权利要求1所述的基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器，其特征在于：取样活塞与样品筒的连接处、样品筒与连接体的连接处、连接体与压力补偿筒的连接处、补偿活塞与压力补偿筒的连接处、补偿端盖与压力补偿筒的连接处、单向阀组件与补偿端盖的连接处以及可拆卸的堵头与补偿端盖的连接处均设置有密封圈。
3.根据权利要求1或2所述的基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器，其特征在于：所述取样活塞与取样筒之间形成样品腔，所述补偿活塞与补偿端盖之间形成压力补偿腔。
4.根据权利要求1或2所述的基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器，其特征在于：电磁单向阀和手动单向阀的初始状态均工作在单向截止工位上，电磁单向阀的截止方向为自取样筒外部指向取样筒内部的方向，手动单向阀的截止方向为自取样筒内部指向取样筒外部的方向；所述单向阀组件包括单向阀体、阀芯和弹簧，其截止方向是自压力补偿筒内部指向外部的方向。
5.根据权利要求1或2所述的基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器，其特征在于：电磁单向阀和手动单向阀的初始状态均工作在单向截止工位上，电磁单向阀的截止方向为自取样筒外部指向取样筒内部的方向，手动单向阀的截止方向为自取样筒内部指向取样筒外部的方向；所述单向阀组件包括单向阀体、阀芯和弹簧，其截止方向是自压力补偿筒内部指向外部的方向。
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