CN106989956B - 一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置，包括三角支架、角度控制器、进水控制盘、固定杆、控制系统，固定杆下端通过旋转式固定座连接管状的采水器，采水器设有四个姿态控制翼，内部设有电机和挡流板；采水器通过设置在固定杆内部的连通管与所述进水控制盘内的抽气孔相连，进水控制盘中部设有通孔，通孔下半部为不可旋转固定孔，上半部为可旋转固定孔，真空瓶固定盘通过可旋转固定孔内的转轴安装在进水控制盘上部。本发明结构简单，操作方便，可以控制采水方向，实现顺海流方向采样，适用于浅水海域含沙水体的原位自动采集，较以往水样采集装置和方法具有采样深度准确、方便安全、自动化程度高等优点。

Description

一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置及方法

技术领域

本发明涉及一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置及方法，用于浅水海域正常海况或风暴作用下与海洋悬浮泥沙、海洋沉积动力相关的含沙水体原位、连续、自动取样。

背景技术

海洋环境污染监测、海洋水文观测、海洋化学、地质调查和沉积物再悬浮过程研究等，均需要现场采取一定条件下、一定体积的水样，进而在船上或实验室内通过相应设备进行实验分析。

根据研究目的的不同，采集海水水样时所用的采水器、采水方法、采水要求差别较大。目前，采水器的类型主要有南森采水器、多瓶采水器和球盖式采水器等，此外还有专门的海洋微生物采水器，如佐贝尔采水器、复背式采水器和无菌采水袋等。以上这些采水器主要是针对海洋化学、海洋生物研究而设计的，考虑了采水器的材质化学稳定性、生物无菌性等特殊要求，满足化学、生物研究所需海水样品的采集，而未考虑采水器与海水流向、流速等力学性质的关系，及其对海水流向、流速的影响。

海洋悬浮泥沙研究是海洋沉积环境及海洋动力环境研究中的一个重要方面，关系到泥沙的起动与沉降、沉积物输运、海底冲淤等诸多方面，海水悬浮泥沙浓度是表征海洋环境的一个重要参数。但海水中悬浮泥沙浓度这一指标有着不同于其它海水物理、化学、生物指标的特点，就是其与海洋水动力条件密切相关，海水的流向、流速条件显著地制约着悬沙浓度。所以对海洋含沙水体取样所需的采水器需要考虑海水流速、流向的影响，顺着海水流向方向采样，采水器对海水流速的影响最小，不会造成水中悬浮泥沙的沉降，才能更准确的采集到真正代表海水挟沙量的代表性样品。而目前存在的各式采水器均无法识别海水流向并在海流方向上采样，所以无法满足海洋学研究中对于海水悬浮泥沙含量的更精确要求。因此，发明一个适用于海水悬浮泥沙取样要求的、可以控制采水方向实现顺海水流向方向采样的采水装置是非常有必要的。

同时，在对海水中悬浮泥沙的含量、沉积与再悬浮等沉积动力学问题进行研究时，往往需要多个站位同步采集一个潮周期内各时刻(通常为25h)的海水水样，目前海水取样方法主要是通过将多条船舶准确定位在不同的取样点处，船舶上的人员同步利用采水器以一定时间间隔对特定站位、特定离底高度的含沙水体进行取样。这种传统的取样方式工作量大，花费高、时间长，消耗大量的人力、物力。在出现水体流速较大、尤其是研究暴风沉积作用时，采水器往往偏离预定采样点，采样深度也会出现偏差，取样结果受人为因素影响较大。另外，利用船只和人力在暴风天气下对研究区海域进行一个潮周期的海水取样具有较高的危险性。

因此，提出一种能够准确控制采样方向、采样深度、采样时间，操作方便、实用性强、人为因素影响小的一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置及方法，以填补目前没有适用于海洋悬浮泥沙取样的含沙水体原位自动采集装置的空白，满足海洋学研究中对于海洋含沙水体的取样要求。

一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置，其特征在于包括三角支架，该三脚支架顶端设有用于调节三角支架夹角的角度控制器，角度控制器上方设有进水控制盘、正下方设有竖直的固定杆，由电池仓、单片机、密封盖和压力传感器组成的采水装置控制系统安装在所述的固定杆上，固定杆下端通过旋转式固定座连接管状的采水器，使采水器在水平方向上旋转，采水器后侧设有四个控制采水器随海流方向变化旋转的姿态控制翼，内部设有电机和挡流板；采水器通过设置在固定杆内部的连通管与所述进水控制盘内的抽气孔相连，抽气孔下部由密封螺栓进行密封，进水控制盘中部设有通孔，通孔下半部为不可旋转固定孔，上半部为可旋转固定孔，进水控制盘通过不可旋转固定孔固定在固定杆上，真空瓶固定盘通过可旋转固定孔内的转轴安装在进水控制盘上方，进水控制盘和真空瓶固定盘之间通过固定杆上的紧固螺丝和多个均匀分布在外侧的密封卡扣实现二者的紧密贴合与密封，进水控制盘侧面安装有步进电机以控制真空瓶固定盘的步进式旋转，所述真空瓶固定盘边缘位置设有一圈采水瓶进水孔和排水孔，且采水瓶进水孔和排水孔相互间隔且均匀排列，采水瓶进水孔上安装有真空采水瓶。

所述该三脚支架底部设有可加荷载的底座。

所述角度控制器可以控制三角支架的打开程度，进而可以调节采水器的离底高度，满足不同离底高度水体的采样要求。

所述装置的采水控制系统由电池仓、单片机、密封盖和压力传感器组成，可以实现对设备采水开始时间、采样间隔和采样数量的设定，其中采水开始时间的设定方式有两种：一种是设定固定的开始时间，另一种是设定当压力传感器测取的波浪压力大于某一数值时自动启动。

所述固定杆下端通过旋转式固定座连接采水器，采水器外部后侧设有四个姿态控制翼，可以实现采水器在水平方向上随海流方向的变化而旋转，并与海流流向保持一致。

所述进水控制盘和真空瓶固定盘均是由具有密封性的光滑陶瓷阀芯材料制成的陶瓷片，两者之间的密封通过固定杆上的紧固螺丝和多个均匀分布在外侧的密封卡扣实现。

所述真空瓶固定盘上分别设有24个采水瓶进水孔和排水孔，两者均匀分布、相间排列。

所述步进电机每次启动时，可使真空瓶固定盘转动7.5°，控制设备水样采集的开始和结束。

利用上述装置进行浅水海域含沙水体原位自动采集的方法，其特征在于包括以下步骤：

①、将真空采水瓶固定于真空瓶固定盘的采水瓶进水孔上，转动真空瓶固定盘以通过抽气孔依次将采水瓶抽成真空状态后，利用密封螺栓进行密封；

②、根据设备电池电量决定是否进行更换；对采水开始时间、采样间隔和采样数量进行设定；

③、根据海域水动力环境强弱，在装置的可加荷载底座上进行配重，以防止设备倾倒或被水流带走的情况发生；

④、通过三角支架的角度控制器对采水器的离底高度进行调节设定，完成后利用船舶将装置下放到预定海域海底进行水样采集；

⑤、水样采集完成后，将装置提至船舶甲板，并将真空采水瓶内的水样进行收集转移；

⑥、利用淡水对装置进行彻底清洗，防止设备腐蚀。

显然，本发明结构合理，操作方便，可以控制采水方向，实现顺海流方向采样，适用于浅水海域含沙水体的原位自动采集，较以往水样采集装置和方法具有采样深度准确、方便安全、自动化程度高等优点。本发明使用时，通过设定采样开始时间、采样间隔、采样数量，可以实现在特定海域、特定时间间隔、特定离底高度、沿海流流向上的含沙水体原位自动取样工作。可有效解决目前已有技术方法进行浅水海域潮周期内含沙水体连续取样存在的取样位置、离底高度、取样间隔误差大等问题；另外，设备自动化程度高，在大风天气、恶劣海况条件下可以实现原位自动过程水体取样工作，有效避免人和船舶在恶劣条件下海上连续取样存在的危险性，大大减少了多站位同步含沙水体取样过程中的人力、物力消耗。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的进水控制盘的仰视图。

图3是本发明的真空瓶固定盘的俯视图。

其中，1、三角支架，2、可加荷载底座，3、角度控制器，4、固定杆，5、电池仓，6、单片机，7、密封盖，8、压力传感器，9、旋转式固定座，10、采水器，11、姿态控制翼，12、电机，13、挡流板，14、连通管，15、进水控制盘，16、真空瓶固定盘，17、采水瓶进水孔，18、排水孔，19、步进电机，20、真空采水瓶，21、不可旋转固定孔，22、可旋转固定孔，23、密封卡扣，24、抽气孔，25、密封螺栓。

具体实施方式

如图1-3所示，一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置，其特征在于该装置包括三角支架1，该三脚支架下部设有可加荷载底座2，顶端设有可以调节三角支架打开程度的角度控制器3，由电池仓5、单片机6、密封盖7和压力传感器8组成的采水装置控制系统由固定杆4固定于三角支架上，固定杆4下端通过旋转式固定座9连接采水器10，采水器外部后侧设有四个控制采水器随海流方向变化旋转的姿态控制翼11，内部设有电机12和挡流板13，采水器通过设置在固定杆内部的连通管14与进水控制盘15内的抽气孔24相连，抽气孔下部由密封螺栓25进行密封，进水控制盘上部安装有真空瓶固定盘16，进水控制盘侧面安装有步进电机19以控制真空瓶固定盘的旋转，真空瓶固定盘上的采水瓶进水孔17和排水孔18相间排列，采水瓶进水孔上安装有真空采水瓶20。

所述角度控制器3可以控制三角支架1中三根支撑腿的打开程度，进而可以控制采水器10的离底高度，满足不同深度采水要求。

所述单片机6可以对采水开始模式和时间、时间间隔和采样数量等进行设定，压力传感器8可以对波浪产生的压力进行测定。

所述固定杆4下端通过旋转式固定座9连接采水器10，采水器10外部后侧设有四个姿态控制翼11，可以实现采水器10在水平方向上随海流方向的变化而旋转，并使采水器10的进水口与海流流向保持一致。有效避免由于采样设备进水口与海流流向不一致导致的悬浮体沉降等问题，保证采集水样内的悬浮泥沙含量与实际情况相符。

所述进水控制盘15和真空瓶固定盘16之间的密封通过固定杆4上的紧固螺丝和5个均匀分布在外侧的密封卡扣23实现。

所述真空瓶固定盘16上分别设有24个采水瓶进水孔17和排水孔18，两者均匀分布、相间排列。

所述步进电机19每次启动时，可使真空瓶固定盘16转动7.5°。

浅水海域含沙水体原位自动采集装置的工作过程如下：

①、将真空采水瓶20固定于真空瓶固定盘16的采水瓶进水孔17上，通过抽气孔24依次将采水瓶抽成真空状态后，利用密封螺栓25对抽气孔进行密封；

②、根据采水目的及要求，对设备采水开始时间进行设定，设定方式有两种，一种是人为设定固定的开始时间，另一种是设定当压力传感器8测取的波浪压力大于某一数值时自动启动，同时对采水过程的时间间隔和数量进行设定；

③、根据采样海域水动力强弱，在装置的可加荷载底座2上进行合理配重，防止设备倾倒或被水流带走等情况的发生；

④、根据要求对采水器10的离底高度进行调节，完成后利用船舶将装置下放到预定海域海底进行水样采集；

⑤、采水过程中，采水器10的进水口与海流流向保持一致，在采水间隙，连通管14与排水孔18连通，每次采水开始前1分钟，电机12驱动挡流板13封闭采水器10的出水口，使水体沿连通管14、排水孔18对管道内的悬浮体等进行冲洗；到达采水时间时，步进电机19驱动真空瓶固定盘16转动7.5°，使得水体沿连通管14、采水瓶进水孔17进入真空采水瓶20，水样采集完成后，电机12驱动挡流板13打开采水器10的出水口，步进电机19驱动真空瓶固定盘16继续转动7.5°，使得连通管14与排水孔18连通。到达下一采水时刻时，重复上述步骤。

⑥、水样采集完成后，将装置提至船舶甲板，并将真空采水瓶20内的水样进行收集转移；

⑦、利用淡水对装置进行彻底清洗，防止设备腐蚀。

Claims (5)

1.一种浅水海域含沙水体原位自动采集装置，其特征在于包括三脚支架（1），该三脚支架（1）顶端设有用于调节三脚支架夹角的角度控制器（3），角度控制器（3）上方设有进水控制盘（15）、正下方设有竖直的固定杆（4），由电池仓（5）、单片机（6）、密封盖（7）和压力传感器（8）组成的采水装置控制系统安装在所述的固定杆（4）上，固定杆（4）下端通过旋转式固定座（9）连接管状的采水器（10），使采水器（10）在水平方向上旋转，采水器（10）后侧设有四个控制采水器随海流方向变化旋转的姿态控制翼（11），内部设有电机（12）和挡流板（13）；采水器（10）通过设置在固定杆（4）内部的连通管（14）与所述进水控制盘（15）内的抽气孔（24）相连，抽气孔（24）下部由密封螺栓（25）进行密封，进水控制盘（15）中部设有通孔，通孔下半部为不可旋转固定孔（21），上半部为可旋转固定孔（22），进水控制盘（15）通过不可旋转固定孔（21）固定在固定杆（4）上，真空瓶固定盘（16）通过可旋转固定孔（22）内的转轴安装在进水控制盘（15）上方，进水控制盘（15）和真空瓶固定盘（16）之间通过固定杆（4）上的紧固螺丝和多个均匀分布在外侧的密封卡扣（23）实现二者的紧密贴合与密封，进水控制盘（15）侧面安装有步进电机（19）以控制真空瓶固定盘（16）的步进式旋转，所述真空瓶固定盘（16）边缘位置设有一圈采水瓶进水孔（17）和排水孔（18），且采水瓶进水孔（17）和排水孔（18）相互间隔且均匀排列，采水瓶进水孔（17）上安装有真空采水瓶（20）。

2.如权利要求1所述的浅水海域含沙水体原位自动采集装置，其特征在于所述真空瓶固定盘（16）上的采水瓶进水孔（17）和排水孔（18）的数量均为24个。

3.如权利要求2所述的浅水海域含沙水体原位自动采集装置，其特征在于所述步进电机（19）每次启动使真空瓶固定盘（16）的转动角度为7.5°。

4.如权利要求1所述的浅水海域含沙水体原位自动采集装置，其特征在于所述该三脚支架（1）底部设有可加荷载的底座（2）。

5.利用权利要求1所述装置进行浅水海域含沙水体原位自动采集的方法，其特征在于包括以下步骤：

①、将真空采水瓶（20）固定于真空瓶固定盘（16）的采水瓶进水孔（17）上，转动真空瓶固定盘（16）以通过抽气孔（24）依次将采水瓶（20）抽成真空状态后，利用密封螺栓（25）进行密封；

②、根据设备电池电量决定是否进行更换；对采水开始时间、采样间隔和采样数量进行设定；

③、根据海域水动力环境强弱，在装置的可加荷载底座上进行配重，以防止设备倾倒或被水流带走的情况发生；

④、通过三脚支架（1）的角度控制器（3）对采水器（10）的离底高度进行调节设定，完成后利用船舶将装置下放到预定海域海底进行水样采集；

⑤、水样采集完成后，将装置提至船舶甲板，并将真空采水瓶（20）内的水样进行收集转移；

⑥、利用淡水对装置进行彻底清洗，防止设备腐蚀。