CN107672768B - 一种探测深海热液羽状流的自动升降装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种探测深海热液羽状流的自动升降装置与方法。本发明装置包括仪器仓与升降仓；仪器仓包括搭载仓、热液探测传感器、配平浮块和第一拖缆挂载锁扣；搭载仓内部固定热液探测传感器和配平浮块，外壁固定能够沿拖缆滑动的第一拖缆挂载锁扣；升降仓包括耐压仓、微电机、压力传感器、柱塞泵、电源、皮囊和第二拖缆挂载锁扣；耐压仓内部固定微电机、柱塞泵和电源，底部外侧固定皮囊，外壁固定压力传感器和能够沿拖缆滑动的第二拖缆挂载锁扣。仪器仓与升降仓作为一个整体执行深海热液羽状流探测任务；本发明可用于深海热液羽状流多参数的水平与垂直剖面同步探测，能够搭载多种热液探测传感器，可以在海底热液活动调查与科学研究中广泛使用。
Description
技术领域
本发明属于海底热液活动探测领域，涉及一种探测深海热液羽状流的自动升降装置与方法。
背景技术
海底热液活动是海底的一种自然现象。在全球的大洋中脊、弧后盆地以及海底火山普遍存在海底热液喷发现象，喷出热液温度可以高达365℃以上，热液喷出海底形成类似“黑烟囱”的海底热泉，这种海底热液活动现象是20世纪自然科学界最重大的发现之一。热液活动是地球深部与海洋的导管，其物质和能量交换对地球岩石圈的物质和能量循环发挥重要作用。海底喷发的热液进入水体后，与周围海水混合，同时发生上升与侧向扩散，形成热液羽状流。热液羽状流主要特征是包含了高温流体与大量悬浮颗粒物，是发现与认识热液活动的窗口。高温热液与悬浮颗粒物混杂在热液羽状流中，会引起热液羽状流物理或者化学性质的改变，针对热液羽状流的探测是发现与认识海底热液活动的重要手段，应用较为广泛的探测传感器有温度传感器、浊度传感器、氧化还原电位传感器、甲烷传感器以及铁锰等金属元素传感器。
目前广泛应用的热液羽状流物理化学参数探测方法，其一，称为锯齿式探测，该方法指在拖缆上挂载热液探测传感器，通过控制拖缆的上下运动，热液探测传感器在水体中深浅往复变化，获得水平与垂直方向的热液羽状流剖面数据；另一种方法，称为阵列式探测，在拖缆上挂载多台热液探测传感器，保持离底一定距离不变，获得热液羽状流多个参数的水平剖面。这两种方法存在以下缺点与不足：第一种方法，控制拖缆上下运动，操作难度大，工作效率低；第二种方法，仅水平拖曳走航探测，无法获得热液羽状流的垂直剖面。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种探测深海热液羽状流的自动升降装置与方法，具有操作简便、工作高效以及数据种类丰富等特点。
本发明的目的通过下述技术方案得以实现：一种探测深海热液羽状流的自动升降装置，包括仪器仓与升降仓；
所述仪器仓包括搭载仓、热液探测传感器、配平浮块和第一拖缆挂载锁扣；所述搭载仓顶端设置有若干进水孔，可以使得热液探测传感器充分接触水体，获得可靠的探测结果；搭载仓内部固定热液探测传感器和配平浮块，搭载仓外壁固定第一拖缆挂载锁扣，第一拖缆挂载锁扣能够沿拖缆滑动；
所述升降仓包括耐压仓、微电机、压力传感器、柱塞泵、电源、皮囊和第二拖缆挂载锁扣；所述耐压仓与搭载仓固定连接；所述耐压仓内部固定微电机、柱塞泵和电源，耐压仓底部外侧固定皮囊；微电机与柱塞泵的动力输入轴连接，柱塞泵的进出油口与皮囊连通，皮囊内装有液压油；耐压仓的外壁固定压力传感器和第二拖缆挂载锁扣，第二拖缆挂载锁扣能够沿拖缆滑动。
进一步地，所述热液探测传感器通过热液探测传感器紧固支架固定在搭载仓的内壁上。
进一步地，所述第一拖缆挂载锁扣内壁配置滑动滚珠，减小自动升降装置与拖缆的摩擦力，提升自动升降装置的上浮与下潜动作能力，并保护拖缆。
进一步地，所述第二拖缆挂载锁扣内壁配置滑动滚珠，减小自动升降装置与拖缆的摩擦力，提升自动升降装置的上浮与下潜动作能力，并保护拖缆。
进一步地，所述耐压仓通过第一紧固螺栓和第二紧固螺栓固定在搭载仓底部外侧。
进一步地，所述搭载仓能够搭载不同类型的热液探测传感器，包括温度传感器、浊度传感器、氧化还原电位传感器、甲烷传感器以及铁锰等金属元素传感器。
进一步地，所述仪器仓通过调节配平浮块改变仪器仓在水体中受到的浮力，使得仪器仓在水体中能够保持零浮力状态，方便与升降仓的升降能力配合。
进一步地，所述压力传感器与微电机保持信号连通，通过压力传感器的压力数值指示升降仓所在水深，进而传递信号至微电机，通过微电机控制柱塞泵的动作，使得皮囊中充油或者亏油，皮囊体积发生相应的变化，由此改变升降仓的体积，使得升降仓在水体中受到的浮力改变，完成升降仓的上浮与下潜动作。
一种利用自动升降装置探测深海热液羽状流的方法，包括以下步骤：
步骤一：装置安装与调试
1.1 在搭载仓中装载热液探测传感器；
1.2 根据装载的热液探测传感器的重量以及作业海区的水体密度，调整配平浮块，使得仪器仓在水体中呈零浮力状态；
1.3 利用第一拖缆挂载锁扣与第二拖缆挂载锁扣将若干自动升降装置安装在拖缆上；
步骤二：布放装置并拖曳采集数据
2.1 设置热液探测传感器工作于自容探测模式，探测数据存储在热液探测传感器内部存储器中，设置微电机工作的水深压力阈值参数，使得升降仓在探测预定水深范围执行上浮或下潜动作；
2.2 自动升降装置随着拖缆布放入水，抵达预定水深后沿着测线开始探测作业；
步骤三：回收与下载数据
3.1 探测作业完成后，回收拖缆，待第一个自动升降装置出水后，即从拖缆上拆卸该装置，然后继续回收拖缆，直至最后一个自动升降装置拆卸完成后，回收全部拖缆；
3.2 连接热液探测传感器数据接口，下载存储探测数据；
步骤四：提取热液羽状流剖面
4.1 整编数据，以时间为基准整理水体探测数据，与压力传感器获得的水深数据进行匹配，获得各个热液探测传感器探测数据对应的水深；
4.2 分析数据，绘制各个热液探测传感器探测数据的水深剖面图，获得海底热液羽状流的探测剖面。
本发明的有益效果：
(1)便捷性。本发明自动升降装置可以搭载不同类型的热液探测传感器，通过调整配平浮块，可保持仪器仓在水体中呈零浮力，方便与升降仓配合工作；
(2)高效性。本发明自动升降装置可以在水体中自行执行上浮与下潜动作，获得热液羽状流的垂直探测剖面，消除了人工操作拖缆上下动作，提高了探测效率；
(3)可拆卸性。本发明自动升降装置的仪器仓与升降仓通过螺栓连接，可以装配调整为适合不同水深作业的探测装置；
(4)安全性。本发明自动升降装置自行在水体中执行上浮与下潜动作，减少了拖缆的动作，增强了作业安全性。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明的使用方法示意图；
图3是本发明的使用流程图；
图中：搭载仓1.1，热液探测传感器1.2，热液探测传感器紧固支架1.3，配平浮块1.4，第一拖缆搭载锁扣1.5，耐压仓2.1，微电机2.2，压力传感器2.3，柱塞泵2.4，电源2.5，皮囊2.6，液压油2.7，第二拖缆搭载锁扣2.8，第一紧固螺栓2.9，第二紧固螺栓2.10，作业船3.1，拖缆3.2，第一自动升降装置3.3，第二自动升降装置3.4，第三自动升降装置3.5，海底摄像拖体3.6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种探测深海热液羽状流的自动升降装置，包括仪器仓与升降仓；
所述仪器仓包括搭载仓1.1、热液探测传感器1.2、配平浮块1.4和第一拖缆挂载锁扣1.5；所述搭载仓1.1顶端设置有若干进水孔，可以使得热液探测传感器1.2充分接触水体，获得可靠的探测结果；搭载仓1.1内部固定热液探测传感器1.2和配平浮块1.4，搭载仓1.1外壁固定第一拖缆挂载锁扣1.5，第一拖缆挂载锁扣1.5能够沿拖缆3.2滑动；
所述升降仓包括耐压仓2.1、微电机2.2、压力传感器2.3、柱塞泵2.4、电源2.5、皮囊2.6和第二拖缆挂载锁扣2.8；所述耐压仓2.1与搭载仓1.1固定连接；所述耐压仓2.1内部固定微电机2.2、柱塞泵2.4和电源2.5，耐压仓2.1底部外侧固定皮囊2.6；微电机2.2与柱塞泵2.4的动力输入轴连接，柱塞泵2.4的进出油口与皮囊2.6连通，皮囊2.6内装有液压油2.7；耐压仓2.1的外壁固定压力传感器2.3和第二拖缆挂载锁扣2.8，第二拖缆挂载锁扣2.8能够沿拖缆3.2滑动。
进一步地，所述热液探测传感器1.2通过热液探测传感器紧固支架1.3固定在搭载仓1.1的内壁上。
进一步地，所述第一拖缆挂载锁扣1.5内壁配置滑动滚珠，减小自动升降装置与拖缆3.2的摩擦力，提升自动升降装置的上浮与下潜动作能力，并保护拖缆3.2。
进一步地，所述第二拖缆挂载锁扣2.8内壁配置滑动滚珠，减小自动升降装置与拖缆3.2的摩擦力，提升自动升降装置的上浮与下潜动作能力，并保护拖缆3.2。
进一步地，所述耐压仓2.1通过第一紧固螺栓2.9和第二紧固螺栓2.10固定在搭载仓1.1的底部外侧。
进一步地，所述搭载仓1.1能够搭载不同类型的热液探测传感器1.2，包括温度传感器、浊度传感器、氧化还原电位传感器、甲烷传感器以及铁锰等金属元素传感器。
进一步地，所述仪器仓通过调节配平浮块1.4改变仪器仓在水体中受到的浮力，使得仪器仓在水体中能够保持零浮力状态，方便与升降仓的升降能力配合。
进一步地，所述压力传感器2.3与微电机2.2保持信号连通，通过压力传感器2.3的压力数值指示升降仓所在水深，进而传递信号至微电机2.2，通过微电机2.2控制柱塞泵2.4的动作，使得皮囊2.6中充油或者亏油，皮囊2.6体积发生相应的变化，由此改变升降仓的体积，使得升降仓在水体中受到的浮力改变，完成升降仓的上浮与下潜动作。
一种利用自动升降装置探测深海热液羽状流的方法，包括以下步骤：
步骤一：装置安装与调试
1.1 在搭载仓1.1中装载热液探测传感器1.2；
1.2 根据装载的热液探测传感器1.2的重量以及作业海区的水体密度，调整配平浮块1.4，使得仪器仓在水体中呈零浮力状态；
1.3 利用第一拖缆挂载锁扣1.5与第二拖缆挂载锁扣2.8将若干自动升降装置安装在拖缆3.2上；
步骤二：布放装置并拖曳采集数据
2.1 设置热液探测传感器1.2工作于自容探测模式，探测数据存储在热液探测传感器1.2内部存储器中，设置微电机2.2工作的水深压力阈值参数，使得升降仓在探测预定水深范围执行上浮或下潜动作；
2.2 自动升降装置随着拖缆3.2布放入水，抵达预定水深后沿着测线开始探测作业；
步骤三：回收与下载数据
3.1 探测作业完成后，回收拖缆3.2，待第一个自动升降装置出水后，即从拖缆3.2上拆卸该装置，然后继续回收拖缆3.2，直至最后一个自动升降装置拆卸完成后，回收全部拖缆3.2；
3.2 连接热液探测传感器1.2数据接口，下载存储探测数据；
步骤四：提取热液羽状流剖面
4.1 整编数据，以时间为基准整理水体探测数据，与压力传感器2.3获得的水深数据进行匹配，获得各个热液探测传感器1.2探测数据对应的水深；
4.2 分析数据，绘制各个热液探测传感器1.2探测数据的水深剖面图，获得海底热液羽状流的探测剖面。
实施例1
本实施例提供的一种探测深海热液羽状流的自动升降装置，参照附图1，由仪器仓与升降仓两部分组成，仪器仓包括搭载仓1.1、热液探测传感器1.2、热液探测传感器紧固支架1.3、配平浮块1.4、第一拖缆搭载锁扣1.5；升降仓包括耐压仓2.1、微电机2.2、压力传感器2.3、柱塞泵2.4、电源2.5、皮囊2.6、第二拖缆搭载锁扣2.8、第一紧固螺栓2.9和第二紧固螺栓2.10。耐压仓2.1通过第一紧固螺栓2.9和第二紧固螺栓2.10固定在搭载仓1.1的底部外侧。
所述热液探测传感器1.2通过热液探测传感器紧固支架1.3固定在搭载仓1.1的内壁上。所述搭载仓1.1外壁固定第一拖缆挂载锁扣1.5，能够沿拖缆3.2滑动；所述第一拖缆挂载锁扣1.5内壁配置滑动滚珠，减小自动升降装置与拖缆3.2的摩擦力，提升自动升降装置的上浮与下潜动作能力，并保护拖缆3.2。搭载仓1.1能够搭载不同类型的热液探测传感器1.2，包括温度传感器、浊度传感器、氧化还原电位传感器、甲烷传感器以及铁锰等金属元素传感器。仪器仓通过调节配平浮块1.4改变仪器仓在水体中受到的浮力，使得仪器仓在水体中能够保持零浮力状态，方便与升降仓的升降能力配合。
所述耐压仓2.1的外壁固定压力传感器2.3和第二拖缆挂载锁扣2.8，第二拖缆挂载锁扣2.8能够沿拖缆3.2滑动；第二拖缆挂载锁扣2.8内壁配置滑动滚珠，减小自动升降装置与拖缆3.2的摩擦力，提升自动升降装置的上浮与下潜动作能力，并保护拖缆3.2。压力传感器2.3与微电机2.2保持信号连通，通过压力传感器2.3的压力数值指示升降仓所在水深，进而传递信号至微电机2.2，通过微电机2.2控制柱塞泵2.4的动作，使得皮囊2.6中充油或者亏油，皮囊2.6体积发生相应的变化，由此改变升降仓的体积，使得升降仓在水体中受到的浮力改变，完成升降仓的上浮与下潜动作。
实施例2
本实施例提供的一种利用自动升降装置探测深海热液羽状流的方法，参照附图3，包括以下步骤：
步骤一：装置安装与调试
1.1 检查仪器仓与升降仓的外观与结构是否正常；
1.2 在搭载仓1.1中装载热液探测传感器1.2，可包括温度传感器、浊度传感器、氧化还原电位传感器、甲烷传感器以及铁锰金属元素传感器等水体探测传感器中的一种；
1.3 根据装载的热液探测传感器1.2的重量以及作业海区的水体密度，调整配平浮块1.4，使得仪器仓在水体中呈零浮力状态；
1.4 调试热液探测传感器1.2，确认热液探测传感器1.2的数据输出正常；调试升降仓，通过微电机2.2控制柱塞泵2.4，测试皮囊2.6的收缩与膨胀工作状态；
1.5 利用第一拖缆挂载锁扣1.5与第二拖缆挂载锁扣2.8将若干自动升降装置安装在拖缆3.2上，并确认自动升降装置能够沿着拖缆3.2自由上行或者下行滑动；
步骤二：布放装置并拖曳采集数据
2.1 对自动升降装置进行参数配置，设置热液探测传感器1.2工作于自容探测模式，探测数据存储在热液探测传感器1.2内部的存储器中，设置微电机2.2工作的水深压力阈值参数，使得升降仓在探测预定水深范围执行上浮或下潜动作；
以在水深2500米热液活动区域作业为例，对2200m～2300m、2300m～2400m、2400m～2500m三个水深剖面进行热液羽状流探测，如图2所示，在拖缆3.2上挂载3只本发明装置，分别为第一自动升降装置3.3、第二自动升降装置3.4和第三自动升降装置3.5，设置第一自动升降装置3.3在水深2200m时通过压力传感器2.3反馈水深，由微电机2.2控制柱塞泵2.4执行回收抽取液压油2.7动作，皮囊2.6为最小体积，第一自动升降装置3.3执行下潜动作，当第一自动升降装置3.3下潜至水深2300米时，通过压力传感器2.3反馈水深，由微电机2.2控制柱塞泵2.4执行推放液压油2.7动作，皮囊2.6扩张为最大体积，第一自动升降装置3.3执行上浮动作，依次上浮下潜循环动作，完成热液羽状流垂直剖面探测，第二自动升降装置3.4与第三自动升降装置3.5在相应水深执行相似动作；
2.2 检查热液探测传感器1.2、配平浮块1.4并紧固，确认耐压仓2.1密封防水，确认第一拖缆挂载锁扣1.5、第二拖缆挂载锁扣2.8与拖缆3.2连接可靠，自动升降装置随着拖缆3.2布放入水，抵达预定水深后沿着测线开始探测作业；
步骤三：回收与下载数据
3.1 探测作业完成后，回收拖缆3.2，待第一个自动升降装置出水后，即从拖缆3.2上拆卸该装置，然后继续回收拖缆3.2，直至最后一个自动升降装置拆卸完成后，回收全部拖缆3.2；
3.2 待回收全部自动升降装置后，拆卸热液探测传感器1.2妥善存放，其余部件干燥通风处存放；
3.3 连接热液探测传感器1.2数据接口，下载存储探测数据；
步骤四：提取热液羽状流剖面
4.1 整编数据，以时间为基准，整理温度、浊度、氧化还原电位、甲烷以及铁锰金属元素等水体探测数据，与压力传感器2.3获得的水深数据进行匹配，获得各个热液探测传感器1.2探测数据对应的水深；
4.2 分析数据，绘制各个热液探测传感器1.2探测数据的水深剖面图，获得海底热液羽状流的探测剖面。
应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术流程而不是对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应该涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种探测深海热液羽状流的自动升降装置，其特征在于，包括仪器仓与升降仓；
所述仪器仓包括搭载仓（1.1）、热液探测传感器（1.2）、配平浮块（1.4）和第一拖缆挂载锁扣（1.5）；所述搭载仓（1.1）顶端设置有若干进水孔；搭载仓（1.1）内部固定热液探测传感器（1.2）和配平浮块（1.4），热液探测传感器（1.2）通过热液探测传感器紧固支架（1.3）固定在搭载仓（1.1）的内壁上；搭载仓（1.1）能够搭载不同类型的热液探测传感器（1.2），包括温度传感器、浊度传感器、氧化还原电位传感器、甲烷传感器以及铁锰金属元素传感器；搭载仓（1.1）外壁固定第一拖缆挂载锁扣（1.5），第一拖缆挂载锁扣（1.5）能够沿拖缆（3.2）滑动；仪器仓通过调节配平浮块（1.4）改变仪器仓在水体中受到的浮力，使得仪器仓在水体中能够保持零浮力状态，方便与升降仓的升降能力配合；
所述升降仓包括耐压仓（2.1）、微电机（2.2）、压力传感器（2.3）、柱塞泵（2.4）、电源（2.5）、皮囊（2.6）和第二拖缆挂载锁扣（2.8）；所述耐压仓（2.1）通过第一紧固螺栓（2.9）和第二紧固螺栓（2.10）固定在搭载仓（1.1）的底部外侧；所述耐压仓（2.1）内部固定微电机（2.2）、柱塞泵（2.4）和电源（2.5），耐压仓（2.1）底部外侧固定皮囊（2.6）；微电机（2.2）与柱塞泵（2.4）的动力输入轴连接，柱塞泵（2.4）的进出油口与皮囊（2.6）连通，皮囊（2.6）内装有液压油（2.7）；耐压仓（2.1）的外壁固定压力传感器（2.3）和第二拖缆挂载锁扣（2.8），第二拖缆挂载锁扣（2.8）能够沿拖缆（3.2）滑动；压力传感器（2.3）与微电机（2.2）保持信号连通，通过压力传感器（2.3）的压力数值指示升降仓所在水深，进而传递信号至微电机（2.2），通过微电机（2.2）控制柱塞泵（2.4）的动作，使得皮囊（2.6）中充油或者亏油，皮囊（2.6）体积发生相应的变化，由此改变升降仓的体积，使得升降仓在水体中受到的浮力改变，完成升降仓的上浮与下潜动作。
2.如权利要求1所述的一种探测深海热液羽状流的自动升降装置，其特征在于，所述第一拖缆挂载锁扣（1.5）内壁配置滑动滚珠，减小自动升降装置与拖缆（3.2）的摩擦力，提升自动升降装置的上浮与下潜动作能力，并保护拖缆（3.2）。
3.如权利要求1所述的一种探测深海热液羽状流的自动升降装置，其特征在于，所述第二拖缆挂载锁扣（2.8）内壁配置滑动滚珠，减小自动升降装置与拖缆（3.2）的摩擦力，提升自动升降装置的上浮与下潜动作能力，并保护拖缆（3.2）。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述的自动升降装置探测深海热液羽状流的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：装置安装与调试
1.1在搭载仓（1.1）中装载热液探测传感器（1.2）；
1.2根据装载的热液探测传感器（1.2）的重量以及作业海区的水体密度，调整配平浮块（1.4），使得仪器仓在水体中呈零浮力状态；
1.3利用第一拖缆挂载锁扣（1.5）与第二拖缆挂载锁扣（2.8）将若干自动升降装置安装在拖缆（3.2）上；
步骤二：布放装置并拖曳采集数据
2.1设置热液探测传感器（1.2）工作于自容探测模式，探测数据存储在热液探测传感器（1.2）内部存储器中，设置微电机（2.2）工作的水深压力阈值参数，使得升降仓在探测预定水深范围执行上浮或下潜动作；
2.2自动升降装置随着拖缆（3.2）布放入水，抵达预定水深后沿着测线开始探测作业；
步骤三：回收与下载数据
3.1探测作业完成后，回收拖缆（3.2），待第一个自动升降装置出水后，即从拖缆（3.2）上拆卸该装置，然后继续回收拖缆（3.2），直至最后一个自动升降装置拆卸完成后，回收全部拖缆（3.2）；
3.2连接热液探测传感器（1.2）数据接口，下载存储探测数据；
步骤四：提取热液羽状流剖面
4.1整编数据，以时间为基准整理水体探测数据，与压力传感器（2.3）获得的水深数据进行匹配，获得各个热液探测传感器（1.2）探测数据对应的水深；
4.2分析数据，绘制各个热液探测传感器（1.2）探测数据的水深剖面图，获得海底热液羽状流的探测剖面。
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