CN105842005B - 一种海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置及其控制方法 - Google Patents

一种海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种可以原位、快速、循环采集孔隙水并能在线原位检测沉积物孔隙水中气体成分及含量的海洋沉积物孔隙水采集及气体在线原位检测装置。技术方案是：其特征是由配重（1）、壳体（2）、气瓶（17）和单层采样点装置（13）组成，其中，所述配重（1）和壳体（2）连接，在配重（1）上设置有电源和信号通道装置（18）；所述气瓶（17）和单层采样点装置（13）安装在壳体（2）内部，气瓶（17）和单层采样点装置（13）连接。本发明还公开了其控制方法。

Description

一种海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置及其控 制方法
技术领域
本发明涉及海洋沉积物孔隙水采集和检测领域，尤其是一种可以原位、快速、循环采集孔隙水并能在线原位检测沉积物孔隙水中气体成分及含量的海洋沉积物孔隙水采集及气体在线原位检测装置及其控制方法。
背景技术
海洋沉积物孔隙水的采集有两种途径，一种是先采集沉积物，之后在实验室通过压榨、离心和真空过滤抽提等手段提取孔隙水，该方法将导致孔隙水中的溶解气体逃逸、有机组分分解、变价离子氧化，难以反映孔隙水的原始成分和信息；另一种是原位的孔隙水提取。目前可以原位提取的装置主要应用于潮间带、湖泊、沼泽地的孔隙水采集，包括离心、压滤、透析、泵吸等方法。对于海洋沉积物孔隙水的原位采集，大都靠采集装置内外静水压力差使不同沉积层的孔隙水进入到采样器中完成采集，不能循环采集孔隙水，一旦堵塞，不能正常工作。该装置虽然能够实现孔隙水的原位采集，但设备工作能力的持久性和效率尚待提高。
发明内容
针对海洋沉积物孔隙水原位采集装置存在的上述缺点，本发明旨在提供一种能够原位、快速、循环采集孔隙水并能在线原位检测沉积物孔隙水中气体成分及含量的海洋沉积物孔隙水采集及气体在线原位检测装置及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置，其特征是由配重（1）、壳体（2）、气瓶（17）和单层采样点装置（13）组成，其中，所述配重（1）和壳体（2）连接，在配重（1）上设置有电源和信号通道装置（18）；所述气瓶（17）和单层采样点装置（13）安装在壳体（2）内部，气瓶（17）和单层采样点装置（13）连接。
所述单层采样点装置（13）由气液舱室（5）、固液舱室（8）、二次过滤装置（10）、水样保存舱室（11）和电动推杆压力调节装置（12）组成，所述气液舱室（5）、固液舱室（8）、二次过滤装置（10）、水样保存舱室（11）和电动推杆压力调节装置（12）通过管路（15）连接；在气液舱室（5）上设置有气体传感器（4）；在固液舱室（8）的侧部设置有不锈钢滤网（7），所述固液舱室（8）通过不锈钢滤网（7）安装在壳体（2）上，不锈钢滤网（7） 滤孔的大小根据沉积物颗粒的大小调整。
所述气液舱室（5）的上部设置有第一电磁阀（3），气液舱室（5）和固液舱室（8）之间设置有第二电磁阀（6），固液舱室（8）和二次过滤装置（10）之间设置有第三电磁阀（9），电动推杆压力调节装置（12）上部设置有第四电磁阀（14），所述气瓶（17）通过第五电磁阀（16）与管路（15）连接。
所述电源和信号通道装置（18）为同轴电缆，用于连接水面船舶。
所述壳体（2）内部设置有两个或两个以上的单层采样点装置（13），所述单层采样点装置（13）从上到下分布设置，单层采样点装置（13）通过管路（15）分别与气瓶（17）连接。
海洋沉积物孔隙水采集及气体在线原位检测装置的控制方法，其特征是包括下列步骤：
进入海水及沉积物过程：从水面船舶释放采样装置，根据取样的深度和沉积物种类的不同，调整配重（1），依靠重力，使钉子型壳体（2）插入海底沉积物中，在进入海水和沉积物的过程中，第二电磁阀（6）和第三电磁阀（9）关闭，除了固液舱室（8）因压力增大进入海水，其它舱室和管路中均为1个标准大气压的空气；
取样过程：关闭第三电磁阀（9）和第四电磁阀（14），打开第一电磁阀（3）、第二电磁阀（6）和第五电磁阀（16），利用气瓶（17）内的高压气体将固液舱室（8）内海水吹出，然后关闭第五电磁阀（16）、第一电磁阀（3）和第四电磁阀（14），打开第二电磁阀（6）和第三电磁阀（9），运行电动推杆压力调节装置（12），抽取固液舱室（8）、二次过滤装置（10）和水样保存舱室（11）中的气体，使其压力减小，不锈钢滤网（7）两侧形成压力差，加速中沉积物中小颗粒固体和孔隙水不断进入固液舱室（8），再经过二次过滤装置（10）过滤小颗粒固体，孔隙水循环不断的进入水样保存舱室（11），直至取样结束；电动推杆压力调节装置（12）抽出的废气排放进钉子型壳体（2）内，由于其容积远大于水样保存舱室（11）的容积，所以废气能不断抽出；
检测过程：沉积物孔隙水进入固液舱室（8）后，由于压力减小，孔隙水中的气体溢出，气液舱室（5）和固液舱室（8）之间只能双向透气，不能透水，溢出气体进入气液舱室（5），通过气体传感器（4）检测孔隙水中气体成分和含量，数据通过同轴电缆（18）传送到水面船舶，供研究人员分析使用。
还包括下列步骤：
反冲洗过程：如果在取样过程中，发生堵塞，不锈钢滤网（7）被固体堵住，取样不能正常进行，需要进行反冲洗；此时关闭第三电磁阀（9）和第四电磁阀（14），打开第一电磁阀（3）、第二电磁阀（6）和第五电磁阀（16），利用气瓶（17）内的高压气体将堵塞在不锈钢滤网（7）上的固体吹落，保障不锈钢滤网（7）的网孔通透。
本发明的效果是：一种海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置，由配重、壳体、气瓶和单层采样点装置组成，其中，所述配重和壳体连接，在配重上设置有电源和信号通道装置；所述气瓶和单层采样点装置安装在壳体内部，气瓶和单层采样点装置连接。
单层采样点装置由气液舱室、固液舱室、二次过滤装置、水样保存舱室和电动推杆压力调节装置组成，所述气液舱室、固液舱室、二次过滤装置、水样保存舱室和电动推杆压力调节装置通过管路连接；在气液舱室上设置有气体传感器；在固液舱室的侧部设置有不锈钢滤网，所述固液舱室通过不锈钢滤网安装在壳体上，不锈钢滤网滤孔的大小根据沉积物颗粒的大小调整。
本发明利用各个舱室间压力的转换，通过增大沉积物和采水器之间的压差，可以加快孔隙水采集速度，增大孔隙水采集的量。同时，通过对滤网的反冲洗，使装置具备自清洁能力，实现孔隙水采集器的循环工作，提高沉积物孔隙水的采集效率。此外，通过安装在孔隙水采集器气体舱室内的痕量气体检测传感器，可以实现对沉积物孔隙水中气体成分及含量的在线、快速检测，从而对采集的沉积物样本在第一时间进行初步判断，一定程度上避免无效样本的采集，提高沉积物样本采集的有效性。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
附图说明
附图是本发明的结构示意图。
具体实施方式
附图中，一种海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置，由配重1、壳体2、气瓶17和单层采样点装置13组成，其中，所述配重1和壳体2连接，在配重1上设置有电源和信号通道装置18；所述气瓶17和单层采样点装置13安装在壳体2内部，气瓶17和单层采样点装置13连接。
单层采样点装置13由气液舱室5、固液舱室8、二次过滤装置10、水样保存舱室11和电动推杆压力调节装置12组成，所述气液舱室5、固液舱室8、二次过滤装置10、水样保存舱室11和电动推杆压力调节装置12通过管路15连接；在气液舱室5上设置有气体传感器4；在固液舱室8的侧部设置有不锈钢滤网7，所述固液舱室8通过不锈钢滤网7安装在壳体2上，不锈钢滤网7滤孔的大小根据沉积物颗粒的大小调整。
所述气液舱室5的上部设置有第一电磁阀3，气液舱室5和固液舱室8之间设置有第二电磁阀6，固液舱室8和二次过滤装置10之间设置有第三电磁阀9，电动推杆压力调节装置12上部设置有第四电磁阀14，所述气瓶17通过第五电磁阀16与管路15连接。
所述电源和信号通道装置18为同轴电缆，用于连接水面船舶。
所述壳体2内部设置有两个或两个以上的单层采样点装置13，所述单层采样点装置13从上到下分布设置，单层采样点装置13通过管路15分别与气瓶17连接。
实际使用时，配重1根据钉子型壳体2的长度、外径的大小、取样点海水的深度、取样点沉积物的种类调整，并留有一定余量。钉子型壳体2为封闭中空结构，里面放置管路、电路、舱室和阀等，其外径根据取样容量和取样速度设计，取样容量越大、速度越快，外径越粗，反之则细。其长度根据需要取样的层数设计，取样层数越多、长度越长。不锈钢滤网7滤孔的大小根据沉积物颗粒的大小可更换。砂质沉积物选用虑孔较大的滤网，粘土质沉积物选用虑孔较小的滤网。气瓶17选用高压氮气，压力大于取样处海底压力。
海洋沉积物孔隙水采集及气体在线原位检测装置的控制方法，包括下列步骤：
海洋沉积物孔隙水提取及原位检测装置从船舶上通过绞车或A架释放，依靠装置自身的重量，快速入水，最终垂直插入海底沉积物层。
进入海水和沉积物过程中，第二电磁阀6和第三电磁阀9始终关闭，整个取样装置只有固液舱室8和海水通过不锈钢滤网7联通，钉子型壳体2内其它空间仍然保持原来的压力。由于下潜过程中，海水压力不断增大，海水逐渐进入固液舱室8。固液舱室8设计成扁平结构，固液舱室8和不锈钢滤网7连接面面积大，便于孔隙水快速流入，舱室浅、体积小，在反冲洗时，较少使用高压气体，从而减少气瓶17的体积。
取样过程中，首先将进入海水过程中流进来的海水吹出，保障采集的沉积物孔隙水的纯度。这个过程通过先关闭第三电磁阀9和第四电磁阀14，然后依次打开第五电磁阀16、第一电磁阀3和第二电磁阀6，气瓶17内高压氮气通过管路、气液舱室5进入固液舱室8，并利用压力将进入海水过程中流进来的海水吹出。其次开始采集孔隙水，这个过程关闭第五电磁阀16、第一电磁阀3和第四电磁阀14，打开第二电磁阀6和第三电磁阀9，因此前二次过滤装置10和水样保存舱室11内压力为一个标准大气压，远小于不锈钢滤网7外侧的压力，在压力的作用下，孔隙水依次快速进入固液舱室8、二次过滤装置10，然后保存在水样保存舱室11内，由于原来舱室内的空气，孔隙水不能充满水样保存舱室11。最后运行电动推杆压力调节装置12，抽取固液舱室8、二次过滤装置10和水样保存舱室11中的气体，使其压力减小，和不锈钢滤网7外侧存在压差，保障孔隙水循环不断的进入水样保存舱室11。电动推杆压力调节装置12把舱室内的气体抽进钉子型壳体2内。
检测过程中，沉积物孔隙水进入固液舱室8后，由于压力减小，孔隙水中的气体溢出，气液舱室4和固液舱8之间只能双向透气，不能从固液舱室8向气液舱室4透水，溢出气体进入气液舱室4，通过气体传感器3检测孔隙水中气体成分和含量，数据通过同轴电缆18传送到水面船舶，供研究人员分析使用。
如果在取样过程中，发生堵塞，不锈钢滤网7发生堵塞，取样不能正常进行，需要进行反冲洗。此时关闭第三电磁阀9和第四电磁阀14，打开第一电磁阀3、第二电磁阀6和第五电磁阀16，利用气瓶17内的高压气体将堵塞在不锈钢滤网7上的固体吹落，保障不锈钢滤网7的网孔通透。

Claims (3)

1.一种海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置，其特征是由配重(1)、壳体(2)、气瓶(17)和单层采样点装置(13)组成，其中，所述配重(1)和壳体(2)连接，在配重(1)上设置有电源和信号通道装置(18)；所述气瓶(17)和单层采样点装置(13)安装在壳体(2)内部，气瓶(17)和单层采样点装置(13)连接；
所述单层采样点装置(13)由气液舱室(5)、固液舱室(8)、二次过滤装置(10)、水样保存舱室(11)和电动推杆压力调节装置(12)组成，所述气液舱室(5)、固液舱室(8)、二次过滤装置(10)、水样保存舱室(11)和电动推杆压力调节装置(12)通过管路(15)连接；在气液舱室(5)上设置有气体传感器(4)；在固液舱室(8)的侧部设置有不锈钢滤网(7)，所述固液舱室(8)通过不锈钢滤网(7)安装在壳体(2)上，不锈钢滤网(7)滤孔的大小根据沉积物颗粒的大小调整；
所述气液舱室(5)的上部设置有第一电磁阀(3)，气液舱室(5)和固液舱室(8)之间设置有第二电磁阀(6)，固液舱室(8)和二次过滤装置(10)之间设置有第三电磁阀(9)，电动推杆压力调节装置(12)上部设置有第四电磁阀(14)，所述气瓶(17)通过第五电磁阀(16)与管路(15)连接。
2.一种如权利要求1所述的海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置的控制方法，其特征是包括下列步骤：
进入海水及沉积物过程：从水面船舶释放采样装置，根据取样的深度和沉积物种类的不同，调整配重(1)，依靠重力，使钉子型壳体(2)插入海底沉积物中，在进入海水和沉积物的过程中，第二电磁阀(6)和第三电磁阀(9)关闭，除了固液舱室(8)因压力增大进入海水，其它舱室和管路中均为1个标准大气压的空气；
取样过程：关闭第三电磁阀(9)和第四电磁阀(14)，打开第一电磁阀(3)、第二电磁阀(6)和第五电磁阀(16)，利用气瓶(17)内的高压气体将固液舱室(8)内海水吹出，然后关闭第五电磁阀(16)、第一电磁阀(3)和第四电磁阀(14)，打开第二电磁阀(6)和第三电磁阀(9)，运行电动推杆压力调节装置(12)，抽取固液舱室(8)、二次过滤装置(10)和水样保存舱室(11)中的气体，使其压力减小，不锈钢滤网(7)两侧形成压力差，加速沉积物中小颗粒固体和孔隙水不断进入固液舱室(8)，再经过二次过滤装置(10)过滤小颗粒固体，孔隙水循环不断的进入水样保存舱室(11)，直至取样结束；电动推杆压力调节装置(12)抽出的废气排放进钉子型壳体(2)内，由于其容积远大于水样保存舱室(11)的容积，所以废气能不断抽出；
检测过程：沉积物孔隙水进入固液舱室(8)后，由于压力减小，孔隙水中的气体溢出，气液舱室(5)和固液舱室(8)之间只能双向透气，不能透水，溢出气体进入气液舱室(5)，通过气体传感器(4)检测孔隙水中气体成分和含量，数据通过同轴电缆传送到水面船舶，供研究人员分析使用。
3.根据权利要求2所述的海洋沉积物孔隙水采集和气体在线原位检测装置的控制方法，其特征是还包括下列步骤：
反冲洗过程：如果在取样过程中，发生堵塞，不锈钢滤网(7)被固体堵住，取样不能正常进行，需要进行反冲洗；此时关闭第三电磁阀(9)和第四电磁阀(14)，打开第一电磁阀(3)、第二电磁阀(6)和第五电磁阀(16)，利用气瓶(17)内的高压气体将堵塞在不锈钢滤网(7)上的固体吹落，保障不锈钢滤网(7)的网孔通透。
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Legal Events

Date Code Title Description
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Application publication date: 20160810

Assignee: SHANDONG PROVINCE OCEANOGRAPHIC INSTRUMENTATION TECHNOLOGY CENTER

Assignor: OCEANOGRAPHIC INSTRUMENTATION RESEARCH INSTITUTE, SHANDONG ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2020370010003

Denomination of invention: Apparatus for acquisition of marine sediment porewater and on-line in-situ detection of gas in porewater, and control method thereof

Granted publication date: 20180703

License type: Common License

Record date: 20200414

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