CN108036966B - 一种精确测量贯入深度及倾斜度的重力活塞取样器 - Google Patents

Abstract

一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，包括取样管、配重仓、活塞取样机构，配重仓固定安装在取样管上端，配重仓内用于放置配重块；取样管为下端开口的筒状结构，探杆的开口端安装可以自动开闭的取样花瓣；活塞取样机构包括活塞，活塞设在取样管内，取样管外周安装深度测量部件，深度测量部件与取样管之间设有有单向移动机构，单向移动机构固定安装在深度测量部件上，在取样管贯入沉积物时单向移动机构随深度测量部件向上移动、而在取样管从沉积物中取出时能够将深度测量部件保持在上移的最后位置，用以获得取样管贯入沉积物的深度。本发明解决了现有的重力活塞取样器无法获得准确贯入深度的问题，测量装置简单可靠，重复操作性高。

Description

一种精确测量贯入深度及倾斜度的重力活塞取样器

技术领域

本发明涉及海底沉积物取样检测设备，属于海底地质工程领域，具体涉及一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器。

背景技术

我国有约300万平方公里的海洋国土，但是对于主权范围的海洋底土探测和海底地质现象的研究程度，与发达国家相比仍然有着一定的差距，尤其是对一些海区的海底沉积物特征的了解情况仍属于空白，因此，发展取样设备和手段，提高取样设备的精确度和准确性，有着重要的国家战略意义和科研价值。

海洋沉积物是指各种海洋沉积作用所形成的海底沉积物的总称，以海水为介质沉积在海底的物质。传统上按所处区域的海水深度将沉积物划分为：0～20米为近岸沉积、20～200米为浅海沉积、200～2000米为半深海沉积、大于2000米为深海沉积。重力取样器是一种用于海洋地质取样的常见设备，该取样器利用自重在海水中形成自由落体，并以较大速度贯入海底沉积物内部获取原状沉积物样品。重力取样器与抓斗、箱式取样器等表层取样设备相比，具有能够获得原装样的优势，从而为科学研究提供基础；而相对于深海钻探取样方式，重力取样器具有操作简单、经济性等优点。

虽然现有的重力取样器相对于其他类型的取样设备具有多方面的优点，但在实际使用中也发现存在以下的不足：第一、在重力取样器贯入沉积物时，随着摩擦力的急剧增大，会阻碍土样继续进入取样管，造成样品被压实，导致重力取样器实际贯入沉积物的深度大于取样管内获取的样品长度。第二、当活塞的连接绳长度设置不恰当时，造成活塞被提前上拉或延迟，提前上拉会对取样管内的沉积物产生向上“抽拉”的作用，导致取样管内获取的样品长度大于重力取样器实际贯入沉积物的深度；同理，活塞的延迟无法再取样管内产生负压，导致获取的样品长度不准确。

利用现有重力取样器获取的沉积物样品，在对其分析时往往都默认取样管内样品长度即为贯入深度，但实际上，无论沉积物样品长度被压缩还是拉伸都会对后续的科研工作造成影响，因此，在数据源头上就形成了误差。

除此之外，现有的重力取样器连接的缆绳受到较大海流的作用，或者是在海底地形不平坦的区域取样时，可能在贯入沉积物时发生倾斜，也会带来数据上的误差。因此，如何准确确定重力取样器的贯入深度、倾斜角度，能够从源头上对数据的准确性进行校正。

如中国专利（授权公告号CN202837021U）公开了一种“重力取样器用活塞及重力取样器”，重力取样器包括活塞本体，活塞本体上具有环槽，在环槽上设置有若干层牛皮制成的密封垫。本发明通过在活塞上设置牛皮制成的密封垫，可以充分利于牛皮遇水膨胀的特点来填充活塞与匹配使用的取样管之间的空隙，起到对活塞和取样管进行紧密密封的目的，可以有效解决因取样管长度长、圆度和直度误差等形状不规则而导致的密封不严的问题。该发明主要是提高了活塞与取样管之间的密封性，对于受抽拉或压缩导致获取的沉积物样品长度不准确的问题解决未有涉及。

再如中国专利（授权公告号CN202693367U）公开了“一种重力取样器”，包括依次连接的提头、提管和取样管，取样管内设置有活塞，活塞上连接有穿过取样管、提管和提头并从提头穿出的缆绳，在所述提管上还设有可拆卸的配重块。本发明通过在提管上设置可拆卸的配重块，可以方便地实现配重块的拆卸和装配，从而使得根据使用需求更改配重块的重量、实现可变配重块成为可能，扩展了重力取样器的适用领域。该发明属于现有的重力取样器结构，因此，对于受抽拉或压缩导致获取的沉积物样品长度不准确的问题解决未有涉及。

发明内容

本发明的目的是提供一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，用于解决现有技术存在的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述重力活塞取样器包括取样管、配重仓、活塞取样机构，所述配重仓固定安装在取样管上端，配重仓内用于放置配重块；所述取样管为下端开口的筒状结构，探杆的开口端安装可以自动开闭的取样花瓣；所述活塞取样机构包括活塞，活塞设在取样管内，所述取样管外周安装深度测量部件，深度测量部件与取样管之间设有有单向移动机构，单向移动机构固定安装在深度测量部件上，在取样管贯入沉积物时所述单向移动机构随深度测量部件向上移动、而在取样管从沉积物中取出时能够将深度测量部件保持在上移的最后位置，用以获得取样管贯入沉积物的深度。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述深度测量部件包括圆环状受力板，受力板套设在取样管上，受力板上对称悬挂有沉块，沉块底面与取样管下端齐平。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述单向移动机构包括滚轮，滚轮通过第一转轴与深度测量部件连接，滚轮上固定安装有同轴的单向齿轮，所述单向齿轮外周设有限位柱和限位杆，限位杆的一端与单向齿轮的齿部活动接触，另一端通过第二转轴与滚轮铰接，限位杆设在第二转轴的下侧。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述单向齿轮设在滚轮的内部，第二转轴端部伸出滚轮并安装复位装置，通过复位装置带动限位杆与单向齿轮分离以实现深度测量部件复位。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述单向移动机构包括弹簧和滚珠，深度测量部件上开有径向孔，径向孔内安装滚珠和弹簧，滚珠卡设在径向孔的内端口并与探杆滑动接触，所述弹簧为滚珠提供向内的挤压力；所述单向移动机构对称设置有多套。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述重力活塞取样器上还安装有倾斜度测量部件，倾斜度测量部件包括多个声学测深元件，每个声学测深元件均设有包括发射器和接收器的声波模块，声波模块与供电模块、开关、数据储存装置电连接。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述声学测深元件设置有四个，四个声学测深元件互成直角安装在配重仓底部或通过支架与取样管上部固定。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述取样管下端安装空心的刀头，刀头为倒锥形结构，刀头上端外径大于取样管的外径。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述取样管外周嵌套有探杆，深度测量部件与单向限位结构设在探杆外侧。

如上所述的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，所述活塞取样机构由活塞、连接绳、释放器以及释放器重锤组成，释放器由杠杆和释放器重锤配合控制其开闭，所述释放器重锤通过第一连接绳悬挂杠杆外端，活塞通过第二连接绳悬挂在释放器上；当取样管在海水中下落时释放器闭合，取样管和释放器重锤同时下落；当释放器重锤接触沉积物触底后，释放器杠杆抬起取样管内部贯进沉积物完成取样，所述活塞在第一连接绳的拉动下上移产生负压以减小阻力。

本发明的优点是：

1、本发明的重力活塞取样器，解决了现有设备无法获得准确贯入深度的问题，通过设置能够精确地对实际贯入深度进行测量，测量装置简单可靠，重复操作性高。

2、本发明在取样管的外侧设置有机械式的深度测量部件，深度测量部件与取样管之间设有单向移动机构，通过深度测量部件和单向移动机构的配合，在取样管贯入沉积物时深度测量部件向上移动、而在取样管从沉积物中取出时能够将深度测量部件保持在上移的最后位置，用以获得取样管贯入沉积物的深度。

3、本发明在配重仓或取样管上部安装有倾斜度测量部件，朝着与取样管垂直的方向发射声波测距，因而，可有效地获得取样管贯入沉积物的倾斜角度，利用声学方法解决了目前无法获得取样器贯入倾斜度的问题。除此外，倾斜度测量部件一方面进行贯入深度测量，同时结合深度测量部件综合分析和判断，利用机械式的深度测量与声学方式的深度测量两种方式的优点，获得更准确的测量结果，提高取样设备的精确度和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中所述深度测量部件和单向移动机构的结构示意图；

图3是图2中所述单向移动机构的放大图；

图4是图1中另一种所述单向移动机构的结构示意图；

图5是图1中所述倾斜度测量部件的结构示意图；

图6是图1的A-A向剖视图；

图7是图1的使用状态图（吊装后）；

图8是图1 的使用状态图（自由落体中）；

图9是图1的使用状态图（贯入海底后）。

附图标记：1-取样管，2-配重仓，3-配重块，5-刀头，6-深度测量部件，61-受力板，62-沉块，7-倾斜度测量部件，71-声波模块，72-数据储存模块，73-供电模块，74-开关，8-单向移动机构，81-滚轮，82-第一转轴，83-单向齿轮，84-限位柱，85-限位杆，86-第二转轴，87-弹簧，88-滚珠，89-径向孔，9-活塞取样机构，91-活塞，92-释放器，921-释放器重锤，922-释放器杠杆，93-第一连接绳，94-第二连接绳，10-管接头，11-辅助船，12-起吊设备，13-支架，14-固定螺栓。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图6所示，本实施例公开的一种精确测量贯入深度的重力活塞取样器，包括取样管1、配重仓2、刀头5、活塞取样机构9、深度测量部件6、倾斜度测量部件7。如图1所示，从上至下依次按照配重仓2、取样管1、刀头5的顺序采用螺纹螺孔或气体方式配合连接；活塞取样机构9设有活塞91，活塞91与第二连接绳94连接后，需要预先安装在取样管内，深度测量部件6置于取样管1下端与刀头5的连接处，倾斜度测量部件7置于配重仓最下端。

如图1所示，为了满足不同海底区域沉积物条件所需要的取样深度，取样管1可由单根钢管或者多根钢管通过管接头10连接构成。当海底沉积物较软时，可以适当增加取样管1的长度；当海底沉积物较硬时，需要适当减小取样管1的长度。配重仓2中具有可以调节数量的配重块3，用以改变本重力活塞取样器的整体重量，从而获得不同的贯入深度。刀头5最下端的切割直径略小于取样管1内径，便于沉积物进入取样管1内获取到样品；刀头5与取样管1连接端直径大于取样管1外径，能够减小摩擦力，便于在刀头5贯入海底后沉积物进入取样管1。

如图7-图9所示，活塞取样机构9包括活塞91、释放器92以及用于相互连接安装的连接绳，释放器92上设有释放器重锤921和释放器杠杆922。使用时，在释放器重锤921未触底时，释放器杠杆922持水平，第二连接绳94不受力；当释放器重锤921触底后，失去了对释放器杠杆922的拉力，此时释放器92将主连接绳与取样器断开，取样管1只在第二连接绳94的连接下受自身重力作用自由下落，直至贯入沉积物，完成取样和测量。

如图2-图4所示，深度测量部件6由受力板61、沉块62以及悬挂绳组成。受力板61可采用轻质圆环型塑钢，由于其面积要远大于取样管1的截面积，在接触到海底沉积物时即受力板61触底后，受沉积物的阻挡产生向上的推力，从而可以带动深度测量部件6向上移动。由于贯入沉积物时，重力活塞取样器的整体阻力增加受水平最大截面的影响，因此，在保证受力板61直径小于配重仓2的情况下，将受力板61设置的尽可能的大，这样可以确保在松软的海底沉积物使用时也能提供足够的阻力。

沉块62为悬挂在受力板下方的铅质配重块，以防止取样管1在海水中下落时，受力板61受到海水拖拽力向上移动，克服由于提前上移，导致实际的沉积物贯入深度测量错误；沉块62触底后失去对受力板61的拉力，此后受力板可自由向上移动。设置沉块62在其触底后，还可以对受力板61形成更大的支撑，从而增强向上的推力。沉块62底部应和取样管1下端保持水平，在设置有刀头5的情况下，要延长至刀头5下端保持水平。

与受力板61配合的单向移动机构8，用于在自然状态限制深度测量部件6只可以上移，而不能够向下移动，从而，可以保证受力板61在取样管1上相对上移，获取贯入沉积物的速度。

如图3所示，第一种单向移动机构，采用滚轮81、单向齿轮83、限位柱84、限位杆85构成，滚轮81、单向齿轮83相对固定，并通过第一转轴82与受力板61连接。单向齿轮83与滚轮81一起转动，向上为顺时针转动时，单向齿轮83将限位杆85推开，滚轮81正常动作；向下为逆时针转动时，受限位柱84和限位杆85的共同作用，单向齿轮83无法旋转，因此，可以实现在自然状态下滚轮81无法向下滑动。

为了方便使用和维护，避免沉积物进入单向移动机构8内部，可以将单向齿轮83、限位柱84、限位杆85设置在滚轮81内部，或者固定在滚轮81的侧面，并通过密封罩体进行密封。

如图4所示，第二种单向移动机构8，可以采用滚珠88和弹簧87结构，在受力板61内圈上开设径向孔89，滚珠88卡设在径向孔89的内端口并与取样管1外周滑动接触，弹簧87为滚珠88提供向内的挤压力。即受力板61在自然状态下、进入海水中以及贯入后的静止状态下，利用弹簧通过滚珠对取样管1施加的挤压力，受力板61和取样管1不会产生相对移动；而在贯入沉积物时，由于受沉积物向上的阻力和摩擦力作用，使受力板61具有足够的向上滑动的推力，并能够停留在贯入静止时的取样管1与沉积物平面位置。因此，受力板61的面积大小是深度测量部件准确移动的重要因素，优选采用2-4倍的取样管1截面。

上述两种单向移动机构在受力板61与取样管1之间设置4套或以上，以保证贯入时深度测量部件6与取样管1配合的稳定性。同时为了方便受力板61在测量后的复位，在第二转轴或弹簧上应安装复位部件。

如图5-图6所示，倾斜度测量部件7由声波模块71、数据储存模块72、供电模块73、开关74构成，声波模块71中设有声学发生器和接收器。供电模块73给声波模块71供电，通过发射并接收声波信号来测量每一个倾斜度测量部件7到受力板61的距离，通过4个或多个获得的不同距离来判断取样器最终的倾斜度。倾斜度测量部件7可以直接安装在配重仓2底部，或者如图6所示，通过支架13固定在取样管上部，四个倾斜度测量部件7互呈直角，通过多个固定螺栓14与支架连接。

如图7-图9所示，使用本取样器进行沉积物取样和测量时，首先通过辅助床11运载至研究点，打开倾斜度测量部件的开关74，保持深度测量部件6位于取样管下端侧位置；辅助船11上设有起吊设备12及连接缆绳，通过吊钩将其吊至研究点位上方并使其保持竖直，此时，释放器92受到释放器重锤921的拉力作用下第二连接绳94与取样管1的连接不受力。随着主连接绳的释放，取样管1在海水中缓缓下降，直至释放器重锤921接触到海底失去向下的拉力，此时释放器92打开，取样管1只在与第二连接绳94连接且不受力的情况下自由落体。

当刀头5接触到海底沉积物时，沉块62同时触底，之后随着取样管1的贯入，由于受海底沉积物阻力作用，深度测量部件6相对取样管1本身向上移动，即在海床表面位置保持不变，同时活塞91也在第二连接绳94的拉力作用下保持位置不变，起到了抽拉真空的作用以减小沉积物在取样管1内部的阻力。另外，倾斜度测量部件7也一直测量其到受力板61的距离，通过分析4个声波模块71最终到受力板61的距离，可以获得取样管1贯入时的倾斜度。

取样结束，从沉积物中提出取样管1时，受单向移动机构8的限制，深度测量部件6无法下降，停留了取样管1最终贯入沉积物的平面位置，该位置到刀头5的距离即为实际贯入深度，另外通过开关及数据模块存储模块可导出声波测距的数据。若需进行下次取样，将深度测量部件6复位即可循环使用。

每一次取样除了可以获得沉积物原状样品外，还可以得到以下的测量数据，由深度测量部件6测量的实际贯入深度H、由倾斜度测量部件7得到的四个距离L1、L2、L3、L4，通过分析5个数值可以获得取样器实际贯入深度、取样管1的倾斜度。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (5)

1.一种精确测量贯入深度及倾斜度的重力活塞取样器，所述重力活塞取样器包括取样管、配重仓、活塞取样机构，所述配重仓固定安装在探杆上端，配重仓内用于放置配重块；所述取样管为下端开口的筒状结构，取样管的开口端安装可以自动开闭的取样花瓣；所述活塞取样机构包括活塞，活塞设在取样管内，其特征在于，所述取样管外周安装深度测量部件，深度测量部件与取样管之间设有有单向移动机构，单向移动机构固定安装在深度测量部件上，在取样管贯入沉积物时所述单向移动机构随深度测量部件向上移动、而在取样管从沉积物中取出时能够将深度测量部件保持在上移的最后位置，用以获得取样管贯入沉积物的深度；所述深度测量装置包括圆环状受力板，受力板套设在取样管上，受力板上对称悬挂有沉块，沉块底面与取样管下端齐平；所述重力活塞取样器上还安装有倾斜度测量部件，倾斜度测量部件包括多个声学测深元件，每个声学测深元件均设有包括发射器和接收器的声波模块，声波模块与供电模块、开关、数据储存装置电连接；所述单向移动机构包括弹簧和滚珠，深度测量部件上开有径向孔，径向孔内安装滚珠和弹簧，滚珠卡设在径向孔的内端口并与探杆滑动接触，所述弹簧为滚珠提供向内的挤压力；所述单向移动机构对称设置有多套。

2.根据权利要求1所述的一种精确测量贯入深度及倾斜度的重力活塞取样器，其特征在于，所述声学测深元件设置有四个，四个声学测深元件互成直角安装在配重仓底部或通过支架与取样管上部固定。

3.根据权利要求1所述的一种精确测量贯入深度及倾斜度的重力活塞取样器，其特征在于，所述取样管下端安装空心的刀头，刀头为倒锥形结构，刀头上端外径大于取样管的外径。

4.根据权利要求1所述的一种精确测量贯入深度及倾斜度的重力活塞取样器，其特征在于，所述取样管外周嵌套有探杆，深度测量部件与单向限位结构设在探杆外侧。

5.根据权利要求1所述的一种精确测量贯入深度及倾斜度的重力活塞取样器，其特征在于，所述活塞取样机构由活塞、释放器以及释放器重锤组成，释放器由杠杆和释放器重锤配合控制其开闭，所述释放器重锤通过第一连接绳悬挂杠杆外端，活塞通过第二连接绳悬挂在释放器上；当取样管在海水中下落时释放器闭合，取样管和释放器重锤同时下落；当释放器重锤接触沉积物触底后，释放器杠杆抬起取样管内部贯进沉积物完成取样，所述活塞在第一连接绳的拉动下上移产生负压以减小阻力。