CN111122236A - 一种小型便携式近海沉积物采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型便携式近海沉积物采样装置，包括上部连接装置、内部采样筒、外部密封套筒及弹簧密封板。优点：该装置利用纯机械原理，相对于现有大体积沉积物采样装置而言，体积小、灵活性高、对人员及大型起重设备的依赖性低、操作简单。相对于现有的小型沉积物采样器而言，如最常见的抓斗式采样器，此装置形状规则，便于携带与存放，且该装置能够将所获取的样品进行密封保存，更好保持样品的完整性与原位性。该装置体积小、重量轻、操作简单、便携等特点不仅为载人船只的近岸沉积物多点采样作业任务提供了巨大的便利，同时也解决了无人船进行沉积物采样作业缺乏合适装置的难题。

Description

一种小型便携式近海沉积物采样装置

技术领域

本发明涉及一种小型便携式近海沉积物采样装置，属于海洋环境监测技术领域。

背景技术

海洋底质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。传统上，按深度将沉积物划分为：近岸沉积（0～20米）、浅海沉积（20～200米）、半深海沉积（200～2000米）与深海沉积（大于2000米）。其中近岸浅海沉积主要是分布在海滩、潮滩地带的机械碎屑，即不同粒度的沙、砾石和生物骨骼、壳体的碎屑等。整个浅海带仅占海洋面积的25%，但这一海域的沉积物却占海洋全部沉积物的90%。因此海洋沉积物的研究，对于海洋环境的监测，以及海洋地质学、海洋生物学、古气候学等海洋学科的研究都有极其重要的意义。

现有的沉积物采样作业方式主要是通过海洋科考船搭载大体积多管沉积物采样装置进行采样作业，其优点是能够同时采取同一采样点的多个样本，但其缺点是采样作业不够灵活，所搭载的沉积物采样器重量大，所需的人员及配套设施极其复杂，采样作业的成本高，安全及可靠性较差。而且大型科考船只进行近浅海的沉积物采样作业不仅不方便，其高额的作业成本也是对资源配置的一种浪费。进行近浅海的采样作业时，所使用的船只往往排水量较小，对于起重设备及人员的运载能力有限。同时近岸的沉积物采样作业还需要灵活的选择采样点，因此大型的多管沉积物采样装置并不适用于近岸多点沉积物采样作业。

常用的小型沉积物采样器如抓斗式采样器，其形状不规则，在进行近岸沉积物的多点采样作业时，不便于携带，在不同采样点之间切换采样装置时，也不便于更换。同时，抓斗式等小型采样装置在进行采样时，其对于样品完整性的破坏较大，且完成采样后的整个装置密封性差，在提升转运过程中由于震荡等外力作用使得样品的原位性大大降低，这些因素对于后续的样品分析过程会产生较大的干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种小型便携式近海沉积物采样装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种小型便携式近海沉积物采样装置，包括上部连接装置、内部采样筒、外部密封套筒及弹簧密封板；

所述上部连接装置包括金属基座、上部吊放连接块、若干压力密封盖；其中上部吊放连接块与吊放装置连接，在金属基座的一周等间隔设有若干能够上下活动的金属活动块，所述金属活动块下端设有所述压力密封盖，所述金属活动块自然状态下向上倾斜；

所述内部采样筒为下部为圆台形的中空筒；其中中空筒的顶面的中部与所述金属基座的下端连接，所述顶面设有若干与所述压力密封盖的位置相对应的开口，所述开口与所述压力密封盖形状相匹配，在压力密封盖的平面与水平面平行时，压力密封盖恰好密封所述开口；所述中空筒的外圆周等间距设有若干由上至下的导槽；

所述外部密封套筒包括金属套筒和若干密封金属杆；若干所述密封金属杆沿所述金属套筒的内圆周等间距设置，且每个所述密封金属杆的位置于所述导槽的位置相对应，金属套筒能够通过所述密封金属杆沿着所述导槽上下自由滑动；所述密封金属杆的顶端设有用于压住所述压力密封盖的平面压块；

所述金属套筒内开设有用于弹簧密封板插入的滑槽；所述弹簧密封板用于密封所述中空筒的底面。

进一步的，所述金属基座包括一体成型的上部金属圆柱和下部金属圆柱，所述下部金属圆柱设有外螺纹，所述中空筒的顶面的中部设有与所述外螺纹相匹配的内螺纹。

进一步的于，所述压力密封盖为橡胶材质，通过螺栓固定于金属活动块下端。

进一步的，所述上部金属圆柱一周等间隔设有若干连接槽，所述连接槽内设有扭簧（105）和金属轴（106），所述金属轴（106）两端固定于连接槽的外侧壁上，金属活动块（104）的一端可转动的套接在金属轴（106）上，扭簧（105）一端与金属活动块侧面连接，另一端与连接槽的侧壁连接，所述扭簧（105）为旋转弹簧，旋转弹簧的初始位置依据金属活动块（104）与水平面所要求的的倾斜角度设置。

进一步的，所述压力密封盖为圆台形橡胶密封盖。

进一步的，所述中空筒包括通过螺栓连接为一体的上部POM材料中空圆筒与下部不锈钢圆台形筒。

进一步的，所述弹簧密封板的两侧设有安装弹簧的安装导槽，弹簧（406）一端固定在弹簧密封板上，另一端固定在弹簧固定块上，所述弹簧固定块固定在所述金属套筒内开设的安装槽中，所述安装槽设在弹簧密封板插入侧的相对侧的金属套筒（302）内；所述滑槽有上下两个滑槽，对应两个所述弹簧密封板，两个所述弹簧密封板的插入方向相对，所述弹簧一直处于拉伸状态。

进一步的，所述弹簧密封板的上表面外侧设有若干供水流通过的通孔，且所述通孔在弹簧密封板插入金属套筒内后被金属套筒的底面或顶面的金属部分遮挡。

进一步的，所述金属套筒的上表面焊接有若干供塑性橡胶绳穿过的圆环，沿所述金属基座侧面一周等间距设置有若干用于悬挂所述塑性橡胶绳的金属挂钩。

进一步的，若干所述密封金属杆的中上部连接有用于保证密封金属杆（301）在导槽中移动的限位圈。

本发明所达到的有益效果：

1）由于海水具有导电性及对金属的腐蚀性，该沉积物采样作业时使用的采样装置为纯机械原理装置，减少电器元件的使用，提高了整体的可靠性；

2）使用该装置可以减少对机械设备及人员的依赖性，使采样作业的效率大大提高，降低采样作业的成本，能够轻易实现更换采样装置进行不同地点的采样作业任务，弥补了行业的空缺；

3）该装置的形状规则，在进行多点采样作业时，便于携带与存储多个采样器；

4）该装置在进行作业时，其重力插入的作业方式及其圆柱形采样容器良好的密封性能够最大程度的保持样品的完整性和原位性；

5）该装置通过巧妙的设计时对外部密封套筒的重力进行利用，通过纯机械原理使外部密封套筒的重力在采样过程中帮助插入土层中，在回收采样装置过程中帮助密封采样筒。

6）该装置体积小、重量轻、操作简单、便于携带与存放的特点与无人船载重小、空间利用率高、且无人操作的工况相契合，适宜应用于无人船等无人平台的沉积物采样作业任务。

附图说明

图1为上部金属连接装置的主视图；

图2为上部金属连接装置的俯视图；

图3为内部采样筒的主视图；

图4为内部采样筒的俯视图；

图5为上部金属连接装置与内部采样筒配合后的结构轴测图；

图6为外部密封套筒的主视图；

图7为外部密封套筒的俯视图；

图8为外部密封套筒的轴测图；

图9为弹簧密封板的俯视图；

图10为底部密封时弹簧密封板与弹簧固定块在下部金属套筒内的配合示意图；

图11为底部密封时弹簧密封板与采样筒在下部金属套筒内的配合示意图；

图12为采样装置采样作业前的轴测图；

图13为采样装置采样作业后的轴测图；

图14-17为整个装置进行采样作业时不同过程的装置剖视图；

图14为采样装置采样作业时未触底时的状态示意图；

图15为采样装置采样作业时触底后外部金属套筒坐底时的状态示意图；

图16为采样装置采样作业时外部金属套筒坐底后塑性橡胶绳脱钩过程示意图；

图17为采样装置采样作业完成后的回收过程示意图。

图中101为金属基座，102为上部吊放连接块，103为压力密封盖，104为金属活动块，105为扭簧，106为金属轴，107为金属挂钩，108为螺栓，109为外螺纹，201为上部POM材料中空圆筒，202为开口，203为下部不锈钢圆台形筒，204为内螺纹，205为螺栓安装孔，206为导槽，301为密封金属杆，302为金属套筒，303为平面压块，304为滑槽，305为安装槽，306为圆环，307为塑性橡胶绳，401为上方弹簧密封板，402为下方弹簧密封板，403为安装导槽，404为弹簧固定块，405为通孔，406为弹簧，407为弹簧固定点，408为弧形前端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-12所示，本发明提出的一种小型便携沉积物采样装置包括上部连接装置、内部采样筒、外部密封套筒及弹簧密封板。

所述上部连接装置包括金属基座101、上部吊放连接块102、三个压力密封盖103。该金属基座101为一上下不等径且上大下小的圆柱连接成的块体，上部吊放连接块102为一金属圆柱块体，用于采样装置与吊放绞车的连接。金属基座101下部通过外螺纹109与采样筒连接，连接后二者成为一个整体。三个压力密封盖103为橡胶材质，通过螺栓108固定于金属活动块104上，金属活动块104再通过扭簧105及金属轴106等间距安装于金属基座101的一周。金属活动块104受到扭簧105的作用，自然状态下与水平面呈30°角向上抬起，受到外力作用可绕金属轴106旋转。当密封盖平面与水平面平行时，圆形橡胶密封盖的与采样筒上部圆台形开口同圆心，并恰好使上部开口完成圆台形密封。此外，沿该金属基座101侧面一周等间距设置有三个金属挂钩107，用于悬挂外部密封套筒上的塑性橡胶绳。

本实施例中，上部金属圆柱一周等间隔设有若干连接槽，所述连接槽内设有扭簧105和金属轴106，所述金属轴106两端固定于连接槽的外侧壁上，金属活动块的一端可转动的套接在金属轴106上，块扭簧105一端与金属活动块侧面连接，另一端与连接槽的侧壁连接，所述扭簧105为旋转弹簧，连接槽的侧壁和金属活动块104上均设有扭簧固定槽，用于分别连接扭簧的一个端，通过调整弹簧固定槽的初始位置来控制旋转弹簧的初始位置，实现自然状态下金属活动块与水平面呈30°角向上抬起。

所述水下采样装置的内部采样筒包括通过螺栓在螺栓安装孔205处连接而成的上部POM材料中空圆筒201与下部不锈钢圆台形筒203。上部POM材料中空圆筒201的圆心设有与金属基座101连接的内螺纹204。同时，上部POM材料中空圆筒201的顶面设有三个圆台形开口202，能够在筒体下沉时使水流顺利通过，减少水流阻力。在完成采样后该开口将通过与外部机械密封套筒配合将密封，达到保压效果。其下部不锈钢筒口为圆台形设计，如图3，以减少整个筒体插入海底沉积物时的阻力。整个内部采样筒的外圆周等距设有三个供金属杆滑移的圆柱形导槽206，用于配合外部金属密封套筒上的密封金属杆301，使内外两部分之间能够自由滑动。

所述外部密封套筒包括三根密封金属杆301与底部的金属套筒302，三根金属杆的上端设有突出的平面压块303。金属套筒302为一内部开槽的圆环柱形块体，其圆环内径可供采样筒穿过，使用时将其嵌套于内部采样筒上，二者之间可以相对滑动。同时，金属套筒302内部开有可供两块弹簧密封板相对插入的滑槽304，在相对的方向设有供弹簧固定块插入的安装槽305。如图6- 8，两弹簧密封板相对插入后与整个金属套筒形成一个完整的圆柱体，且两密封板为上下交错插入，用于完成采样后的采样筒下端密封。金属套筒302的上表面焊接有三个供塑性橡胶绳307穿过的圆环306，塑性橡胶绳穿过圆环306，下放时采样器时塑性橡胶绳307悬挂于上部金属基座的的金属挂钩107上，外部密封套筒受到橡胶绳的约束不能相对于内部采样筒向下运动。3根所述密封金属杆的中上部连接有用于保证密封金属杆（301）在导槽中移动的限位圈。

所述弹簧密封板为一不规则扁平板，该平板两侧设有安装长弹簧的导槽403，长弹簧一端固定于密封板的弹簧固定点407处（导槽403前端），另一端连接于弹簧固定块404上，该弹簧固定块404与弹簧密封板从相反的方向插入金属套筒302，二者之间受弹簧作用而具有向内收紧的趋势。同时由于金属套筒302内设有供两弹簧密封板滑动的滑槽304，当将两密封板拉出时，受到两侧弹簧的拉力作用两弹簧密封板有向内回收的趋势。两密封板上表面设置有供水流通过的通孔405，以减少采样装置下放时的水流阻力。采样作业前通过人力将其拉出，并使其弧形前端408与采样筒壁面吻合。采样完成后依靠弹簧作用将两密封盖收入机械密封套筒下端，使整个密封套筒下端形成一个完整的圆柱体。

该系统的具体工作方式为：

1.进行采样作业前：上部连接装置上与采样筒连接好后，三个橡胶密封盖位于采样筒上部圆台形孔的正上方呈30°角度抬起，并恰好位于外部密封套中上的平面压块下方。由于橡胶密封盖外部密封套筒与内部采样筒之间可自由相对滑动，因此当采样装置被起吊时，外部密封套筒本应相对内部采样筒向下滑动，但受到外部密封套筒一周的塑性橡胶绳的连接约束作用，二者保持相对静止。此时外部密封套筒的重力完全施加在金属基座上，外部密封套筒的重力将有助于整个采样装置插入沉积物中。两个安装于密封套筒两侧的弹簧密封板被人为拉出，受到弹簧的拉力作用，弹簧密封板的弧形前端垂直剪切于采样筒的圆柱壁面，两弹簧密封板突出于整个圆柱体采样装置，呈两臂张开状。由于两弹簧密封板表面及采样筒上端都设有通孔，整个采样装置在下放的过程中不会受到太大的水流阻力。采样装置保持此状态直至整个采样装置触底。此状态如图12

2.采样作业过程中：当采样装置缓慢下放至距离海底一定高度后，使吊放绞车脱速加速整个采样装置的下沉，采样装置以近似自由落体状态下落，利用惯性与重力向底层沉积物冲击。直至采样筒的圆台形尖端首先触底，过程中水流穿过采样筒的上表面开口不会造成太大的阻力。在发生触底时，除了惯性的作用外，外部密封套筒的重量仍通过塑性橡胶绳传递至金属基座上帮助整个采样筒入土。然而，随着采样筒不断切入到海底沉积物中，外部密封套筒的下表面将会接触到地面，此时外部采样筒的重力由地面承担，塑性橡胶绳失去牵引力作用。此后，采样筒仍能够依靠自身及上部金属基座的重力相对于外部密封套筒继续向下深入，一定距离后塑性橡胶绳由于弹性形变较小将从金属挂钩上脱出，此时内外两部分之间失去相对约束，二者可完全相对运动。待圆柱形采样筒无法继续下沉，且内部采集到足够的沉积物样品后，采样作业完成。该过程如图14 – 17。

3.采样装置回收过程：完成采样作业后进行收缆作业，此时由于塑性橡胶绳不再悬挂于金属吊钩上，内外两部分之间失去连接约束，可自由相对运动。内部采样筒携带着样品逐渐从海底底质中被拉出。此时外部密封套筒不受到弹性绳的束缚，依靠自身重力在地面上保持静止。而内部采样筒克服两弹簧密封板的剪切摩擦力相对于外部密封套筒不断上移。当采样筒上的橡胶密封盖到达平面压块下方后，若继续提升，外部密封套筒上的平面压块将对密封盖产生阻挡，外部套筒的重力此时通过三个平面压块传递至橡胶密封盖上，使其克服扭簧的作用力绕其安装轴旋转30度，直至圆台型橡胶密封盖旋转至与水平面平行并完成采样筒上表面开口的圆台形密封。在恰好完成采样筒上表面密封的同时，采样筒底部圆台形尖端也恰好上升到弹簧密封板的平面以上，两弹簧密封板失去了采样筒壁面的阻挡并受到弹簧拉力作用交错插入金属套筒中，插入后的金属套筒外观为一完整的圆柱体，弹簧密封板上的开孔也受到金属套筒的金属部分阻挡而不使样品下泄，至此采样筒的下表面被交错插入的两密封板完全密封，整个采样筒内的样品将保持此状态上岸，采样作业过程结束。过程如图16 – 17。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，包括上部连接装置、内部采样筒、外部密封套筒及弹簧密封板；

所述上部连接装置包括金属基座（101）、上部吊放连接块（102）、若干压力密封盖（103）；其中上部吊放连接块（102）与吊放装置连接，在金属基座的一周等间隔设有若干能够上下活动的金属活动块（104），所述金属活动块（104）下端设有所述压力密封盖（103），所述金属活动块自然状态下向上倾斜；

所述内部采样筒为下部为圆台形的中空筒；其中中空筒的顶面的中部与所述金属基座（101）的下端连接，所述顶面设有若干与所述压力密封盖（103）的位置相对应的开口（202），所述开口（202）与所述压力密封盖（103）形状相匹配，在压力密封盖（103）的平面与水平面平行时，压力密封盖（103）恰好密封所述开口（202）；所述中空筒的外圆周等间距设有若干由上至下的导槽（206）；

所述外部密封套筒包括金属套筒（302）和若干密封金属杆（301）；若干所述密封金属杆沿所述金属套筒（302）的内圆周等间距设置，且每个所述密封金属杆（301）的位置于所述导槽（206）的位置相对应，金属套筒（302）能够通过所述密封金属杆（301）沿着所述导槽（206）上下自由滑动；所述密封金属杆（301）的顶端设有用于压住所述压力密封盖（103）的平面压块（303）；

所述金属套筒（302）内开设有用于弹簧密封板插入的滑槽（304）；所述弹簧密封板用于密封所述中空筒的底面。

2.根据权利要求1所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，所述金属基座包括一体成型的上部金属圆柱和下部金属圆柱，所述下部金属圆柱设有外螺纹，所述中空筒的顶面的中部设有与所述外螺纹相匹配的内螺纹。

3.根据权利要求1所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，所述压力密封盖（103）为橡胶材质，通过螺栓固定于金属活动块（104）下端。

4.根据权利要求2所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，所述上部金属圆柱一周等间隔设有若干连接槽，所述连接槽内设有扭簧（105）和金属轴（106），所述金属轴（106）两端固定于连接槽的外侧壁上，金属活动块（104）的一端可转动的套接在金属轴（106）上，扭簧（105）一端与金属活动块侧面连接，另一端与连接槽的侧壁连接，所述扭簧（105）为旋转弹簧，旋转弹簧的初始位置依据金属活动块（104）与水平面所要求的的倾斜角度设置。

5.根据权利要求1所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，所述压力密封盖（103）为圆台形橡胶密封盖。

6.根据权利要求1所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，所述中空筒包括通过螺栓连接为一体的上部POM材料中空圆筒（201）与下部不锈钢圆台形筒（203）。

7.根据权利要求1所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，所述弹簧密封板的两侧设有安装弹簧（406）的安装导槽（403），弹簧（406）一端固定在弹簧密封板上，另一端固定在弹簧固定块（404）上，所述弹簧固定块（404）固定在所述金属套筒（302）内开设的安装槽（305）中，所述安装槽（305）设在弹簧密封板插入侧的相对侧的金属套筒（302）内；所述滑槽（304）有上下两个滑槽，对应两个所述弹簧密封板，两个所述弹簧密封板的插入方向相对，所述弹簧（406）一直处于拉伸状态。

8.根据权利要求1所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，所述弹簧密封板的上表面外侧设有若干供水流通过的通孔（405），且所述通孔（405）在弹簧密封板插入金属套筒（302）内后被金属套筒（302）的底面或顶面的金属部分遮挡。

9.根据权利要求1所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，所述金属套筒（302）的上表面焊接有若干供塑性橡胶绳（307）穿过的圆环，沿所述金属基座侧面一周等间距设置有若干用于悬挂所述塑性橡胶绳（307）的金属挂钩。

10.根据权利要求1所述的小型便携式近海沉积物采样装置，其特征在于，若干所述密封金属杆（301）的中上部连接有限位圈。

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