CN111366576B - 一种高效的海洋剖面测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效的海洋剖面测量仪器，包括由管件连接的恒温模块、气液分离模块、动力模块、液路模块、检测模块，所述动力模块、检测模块与控制模块连接，所述总进液口与恒温模块的输入端相连，所述恒温模块的输出端与气液分离模块的输入端相连，所述气液分离模块的出水口与检测模块空白值通道的输入端相连，所述气液分离模块的出气口与总出气口相连，所述检测模块空白值通道的输出端与液路模块输入端相连，所述液路模块输出端与检测模块显色值通道输入端相连，所述检测模块显色值通道输出端与动力系统输入端相连，所述动力系统输出端与总出液口相连。本发明消除海洋仪器在测量剖面时的气泡影响，提高海洋剖面测量效率。

Description

一种高效的海洋剖面测量仪器

技术领域

本发明涉及海洋测量仪器技术领域，尤其涉及一种高效的海洋剖面测量仪器。

背景技术

在目前市场上，面向海洋的检测仪器多以国外产品居多，近年才开始有国产厂商进行此类仪器的开发。这些仪器的共同点，就是只能满足原位测量，没有办法进行剖面测量，也没有办法进行巡航式测量。究其原因是此类仪器无法满足剖面测量对速度和压力的要求。

为了能够进行剖面测量和巡航式测量，现有海洋营养盐仪器需要针对以下几个方面进行综合考虑。

1、测量速度。现有原位测量仪器，如海水营养盐仪器基本采用消解法，需要将海水和试剂的混合物加热到较高的温度，如125℃、175℃等，并在高温下持续一段时间，然后自然冷却。如此一来，单点测量时长在十几分钟到几十分钟。这样的测量速度，已经难以满足现场剖面测量和巡航式测量的需求。在剖面测量中，仪器会在配套设备的支持下，以一定速度在海水中下沉或上升，而配套设备的正常工作也需要满足一定的速度条件，才能达到所需的测量点密度，以分钟为单位的测量时间对配套设备提出了较大的要求。因此要满足现场应用需要，就要提高数据测量速度，一种可行的方法即流动注射法。

2、水压。在剖面测量中，需要将仪器放在海面下较深的地方，目前已知可能的使用深度200米以下，甚至有的应用需要能够到500米。此时，仪器内部液路部分在使用时与外部液体环境联通，使仪器内部液路中的压强也相应变大，这样就对管路、接头、泵阀等能够正常工作提出了更高的要求。

3、气泡。在剖面测量中，要将仪器投放到海平面以下，将整个仪器浸入海水，因此仪器需要保证一定的密封性能，确保应用过程中没有进水。如果气液混合物中的气体排在仪器内部，会增大仪器内部气压，降低仪器密封性能。在仪器内部使用独立空间存储气体时，其对仪器空间要求很大，会严重妨碍应用。所以，对海洋仪器来说，被测水体中的气体必须由排出到仪器外部。应用流动注射法后，信号检测会检测气液混合物的信号值。由于气体会在液路中的某些点进行累积，累积到一定程度时，形成相对较大的气泡，会使光信号不是完全在水中，并且气体与液体的交界面产生的薄膜会对光信号产生折射、反射、散射等光学影响，对信号测量产生非常大的影响。由于管路的不一致性、温度不确定性、压力的变化等因素影响，气泡产生的时间和大小没有办法进行预期，在信号检测部分滞留的时间也没有办法预估，在后期数据处理时没有办法对数据进行有效处理。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种海洋剖面测量仪器，消除海洋仪器在测量剖面时的气泡影响，提高海洋剖面测量效率。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高效的海洋剖面测量仪器，包括总进液口、总出液口、总出气口，还包括由管件连接的恒温模块、气液分离模块、动力模块、液路模块、检测模块，所述动力模块、检测模块与控制模块连接；所述恒温模块用于加热气液混合物到指定的温度，所述气液分离模块用于将溶解在水中的气体分离出来，所述动力模块为气液混合物的流动提供动力，使气液混合物在液路中有序流动，所述液路模块是进行化学反应的主要部件，所述检测模块用于检测样本的空白值和经过化学反应后的显色值，所述控制模块控制恒温模块的温度调节、动力模块的启停、检测模块的信号切换以及对外通信；所述总进液口与恒温模块的输入端相连，所述恒温模块的输出端与气液分离模块的输入端相连，所述气液分离模块的出水口与检测模块空白值通道的输入端相连，所述气液分离模块的出气口与总出气口相连，所述检测模块空白值通道的输出端与液路模块输入端相连，所述液路模块输出端与检测模块显色值通道输入端相连，所述检测模块显色值通道输出端与动力系统输入端相连，所述动力系统输出端与总出液口相连。

进一步的，所述检测模块的光源侧和接收侧的水路拐角均为直角。

进一步的，所述恒温模块采用水管式恒温结构，所述水管式恒温结构的中心为一段水管，所述水管外部缠绕一层加热丝，所述加热丝和水管由热缩管包裹密封。

进一步的，所述恒温模块采用模块式恒温结构，所述模块式恒温结构为金属制成的水路通道模块，所述水路通道模块外部设有热源。

进一步的，所述气液分离模块为非负压型模块，所述非负压型模块的气液分离的动力来自于液体的动力源。

进一步的，所述动力模块采用柱塞泵和三通阀或两通阀配合驱动液体流动。

更进一步的，所述控制模块控制动力模块的时序，包括以下步骤：

1)打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；

2)控制柱塞泵抽入适量液体，抽入量应稍多于所需用量；

3)保持柱塞泵推杆位置不变，并延时不小于0.5秒的时间；

4)控制柱塞泵推出少量液体，推出量应是步骤2)中多抽取的部分；

5)关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；

6)控制柱塞泵推出液体，此时推出量应该是所需用量。

更进一步的，所述控制模块控制动力模块的抽取速度，包括以下步骤：

1)打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；

2)控制柱塞泵以低速匀速抽入指定量液体，控制频率不超过1千赫兹；

3)控制柱塞泵保持不变，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；

4)关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；

5)控制柱塞泵以低速匀速推出指定量液体，控制频率不超过1千赫兹。

进一步的，所述管件与恒温模块、气液分离模块、动力模块、液路模块、检测模块的连接处采用刃环、密封圈连接。

有益效果

本发明提供了一种高效的海洋剖面测量仪器，具备以下有益效果：

1)恒温模块设在气液分离模块之前，液体经过恒温模块后温度升高，会降低液体内的气体溶解度，析出一部分气体，当气液混合物经过气液分离模块时，较活跃的气体有更大的比例分离，可以有效的提高分离效果，降低海洋仪器在测量剖面时的气泡影响；

2)通过对柱塞泵和阀门的工作时序或者柱塞泵的工作速度进行软件控制，避免柱塞泵和阀门之间的工作时序过于严格，或者柱塞泵在抽入和推出两种状态间快速切换，而导致液体体检剧烈变化或者产生液体动荡，溶解在水中的气体会不断汇聚，形成气泡；

3)液体从检测通道检测完毕后，流入柱塞泵的输入端，让气泡随废液一起从柱塞泵的输出端排出仪器外部，避免了气泡影响检测值；

4)检测模块的光源侧和接收侧的水路拐角均为直角，增加水路的光滑度，减少气泡在通过检测通道时产生的影响；

5)采用恒温模块，避免了需要将海水和试剂的混合物加热到较高的温度并在高温下持续一段时间后自然冷却的过程，缩短了检测的时长。

附图说明

图1为本发明结构原理图；

图2为本发明检测模块结构示意图；

图3为本发明气液分离模块结构示意图；

图4为现有的检测模块结构示意图；

图5为控制模块的主控芯片的引脚设计图；

图6为控制模块的主控芯片的GPIO的设计图；

图7、8为控制模块连接柱塞泵的两个接口的设计图；

图9为控制模块连接电磁阀的接口；

图10为控制模块连接恒温模块的接口。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

如图1所示，一种高效的海洋剖面测量仪器，包括总进液口、总出液口、总出气口，还包括由管件连接的恒温模块、气液分离模块、动力模块、液路模块、检测模块，动力模块、检测模块与控制模块连接，恒温模块用于加热气液混合物到指定的温度，气液分离模块用于将溶解在水中的气体分离出来，动力模块为气液混合物的流动提供动力，使气液混合物在液路中有序流动，液路模块是进行化学反应的主要部件，检测模块用于检测样本的空白值和经过化学反应后的显色值，所述控制模块控制恒温模块的温度调节、动力模块的启停、检测模块的信号切换以及对外通信，总进液口与恒温模块的输入端相连，恒温模块的输出端与气液分离模块的输入端相连，气液分离模块的出水口与检测模块空白值通道的输入端相连，气液分离模块的出气口与总出气口相连，检测模块空白值通道的输出端与液路模块输入端相连，液路模块输出端与检测模块显色值通道输入端相连，检测模块显色值通道输出端与动力系统输入端相连，动力系统输出端与总出液口相连。

通过恒温模块设在气液分离模块之前，液体经过恒温模块后温度升高，会降低液体内的气体溶解度，析出一部分气体，当气液混合物经过气液分离模块时，较活跃的气体有更大的比例分离，可以有效的提高分离效果，降低海洋仪器在测量剖面时的气泡影响。

采用恒温模块，避免了需要将海水和试剂的混合物加热到较高的温度并在高温下持续一段时间后自然冷却的过程，缩短了检测的时长。

如图2所示，检测模块的左右两侧为玻璃片，用于将水与光源和接收端隔离。在图2中，光源侧和接收侧的水路拐角全部改成直角，而且由于此项改动，可以在拐角处进行倒角处理，增加光滑性。另外，由于所有的加工孔全部是直角的关系，加工难度更低，费用更少。现有的检测模块如图4所示，左右两侧为两块玻璃片，用于将水与光源和接收端隔离。显而易见，检测模块中的液路类似于Z字形，在光源侧和接收侧都会存在锐角，很容易累积气泡，影响测量结果。

恒温模块的作用是加热气液混合物到特定温度，按照实现方式来说，也可以分为水管式和模块式两种。水管式恒温结构的中心为一段水管，水管外部缠绕一层加热丝，加热丝和水管由热缩管包裹密封。模块式恒温结构为金属制成的水路通道模块，水路通道模块外部设有热源。

气液分离模块为非负压型模块，非负压型模块的气液分离的动力来自于液体的动力源。如图3所示，一种气液分离模块，包括模块主体1，模块主体1左侧上方设有输入口，左侧下方设有第二分离口，右侧下方设有输出口，右侧上方设有第一分离口，输入口外接有输入管2，输出口外接有输出管4，第一分离口和第二分离口外接有排气管3，模块主体内输入口和第一分离口之间设有第一连通管6，模块主体内第一分离口和第二分离口之间设有第二连通管7，模块主体内第二分离口与输出口之间设有第三连通管8，第一连通管6、第二连通管7、第三连通管8呈Z字形，第一分离口和第二分离口的排气管靠模块主体内侧设有排气滤膜10，输入管、输出管、排气管与模块主体密封连接。气液混合物在输入口进入模块，经过一段时间后到达第一个拐点，在拐点处，气体会透过滤膜从第一分离口排出，而混合物中的液体会保留在液路中，在输入口压力的作用下，液体会在第一分离口处向第二分离口流动。这样，就形成了气液的第一次分离。同理，在第二分离口处形成第二次分离。两个分离口的分别连接仪器外部端口处，将气体直接排出。

动力模块采用柱塞泵和三通阀或柱塞泵和两个两通阀配合驱动液体流动。

动力部件采用柱塞泵，为了完成水样的采集，一个柱塞泵需要与一个三通阀配合使用，当然，一个柱塞泵配合两个两通阀也可以。在实际应用中，阀门通常使用电磁阀，由于其本身工作特性，其通断状态的切换有一个延时，一般在参数中会给出最大延时时间，通常在100毫秒，较低的延时一般在50毫秒。因此，对工作时序要求较严格的应用中，必须将延时作为定值考虑。

当柱塞泵配合三通阀使用时，选择柱塞泵两个接口中的一个作为柱塞泵的输入输出公共端口，公共端口与三通阀的公共端口相连，三通阀的另外两个端口一个连接入水管，一个连接出水管。通过对三通阀的控制，可以关闭和导通入水管和出水管。由于三通阀的工作特性，在某一个时刻，三通阀的入水管和出水管的通断情况只能是一个才能导通、一个关闭，不存在同时关闭和同时导通的情况。

当柱塞泵配合两通阀使用时，同时使用柱塞泵的两个接口，一个作为输入端，一个作为输出端，两个端口各配合一个两通阀，两通阀的两端分别连接入水管和出水管。通过控制两通阀，可以关闭和导通出水管和入水管。由于两个两通阀单独使用，互不影响，入水管和出水管可以同时关闭或导通，也可以一个关闭、一个导通。

在工作过程中，如果柱塞泵和阀门之间的工作时序过于严格，或者柱塞泵在抽入和推出两种状态间快速切换，会导致液体体检剧烈变化或者产生液体动荡，溶解在水中的气体会不断汇聚，形成气泡。因此，要对柱塞泵和阀门的工作时序、柱塞泵的工作速度进行软件控制。

柱塞泵工作时，需要外接步进电机带动柱塞泵的推杆运动，步进电机在数字脉冲信号的控制下动作，脉冲信号频率越高，步进电机运动越快，柱塞泵的吞吐越快。一般的，步进电机可以在十几千赫兹的脉冲信号频率下正常工作，在应用过程中，可以根据需要对脉冲信号进行调节。

因此，为了减少气泡影响，必须对动力模块根据系统需要做出相应的优化，具体方法如下：

1、柱塞泵配合三通阀时。

a软件控制法——时序控制方式，包括以下步骤：

切换三通阀状态，打开入水管，关闭出水管，并适当延时，如0.1秒；

控制柱塞泵抽入适量液体，抽入量应稍多于所需用量；

保持柱塞泵推杆位置不变，并适当延时，如0.5秒；

控制柱塞泵推出少量液体，推出量应是之前多抽取的部分；

切换三通阀状态，关闭入水管，打开出水管，并适当延时，如0.1秒；

控制柱塞泵推出液体，此时推出量应该是所需用量；

b软件控制法——低速控制法，包括以下步骤：

切换三通阀状态，打开入水管，关闭出水管，并适当延时，如0.1秒；

控制柱塞泵以低速匀速抽入指定量液体，建议此处使用的控制频率不超过1千赫兹，500赫兹以下更好；

控制柱塞泵保持不变，并适当延时，如0.1秒；

切换三通阀状态，关闭入水管，打开出水管，并适当延时，如0.1秒；

控制柱塞泵以低速匀速推出指定量液体，建议此处使用的控制频率不超过1千赫兹，500赫兹以下更好。

2、柱塞泵配合两通阀时。

a软件控制法——时序控制方式，包括以下步骤：

保持出水管关闭，打开入水管，并适当延时，如0.1秒；

控制柱塞泵抽入适量液体，抽入量应稍多于所需用量；

保持柱塞泵推杆位置不变，并适当延时，如0.5秒；

控制柱塞泵推出少量液体，推出量应是之前多抽取的部分；

关闭入水管，打开出水管，并适当延时，如0.1秒；

控制柱塞泵推出液体，此时推出量应该是所需用量。

b软件控制法——低速控制法，包括以下步骤：

保持出水管关闭，打开入水管，并适当延时，如0.1秒；

控制柱塞泵以低速匀速抽入指定量液体，建议此处使用的控制频率不超过1千赫兹，500赫兹以下更好；

控制柱塞泵保持不变，并适当延时，如0.1秒；

关闭入水管，打开出水管，并适当延时，如0.1秒；

控制柱塞泵以低速匀速推出指定量液体，建议此处使用的控制频率不超过1千赫兹，500赫兹以下更好。

在某些应用情况中，无法通过软件进行优化处理，也可以采用布局优化进行改善。由于振动产生的气泡在柱塞泵的推出过程中表现比较明显，那么可以调整柱塞泵的位置，不要让液体从柱塞泵的输出端流入检测通道，破坏测量，而应该让液体从检测通道检测完毕后，流入柱塞泵的输入端，让气泡随废液一起从柱塞泵的输出端排除仪器外部。

3、全局优化

当条件满足时，可以同时使用软件优化和布局优化，同时兼顾采样速度和气泡影响，例如，当把泵阀接到显色通道后面时，气泡无法影响检测值，可以适当加快脉冲信号的频率。

管件与恒温模块、气液分离模块、动力模块、液路模块、检测模块的连接处采用刃环、密封圈连接。具体结构同图3中的刃环连接。

控制模块主控芯片采用STM32F 103ZET6 LQFP144，其中U24A为芯片最小外围电路设计中的各引脚信号设计，U24B为芯片的GPIO的设计，如图5、6所示。引脚V12_EN是三通阀的控制引脚，用于切换三通阀的两个阀门的状态，直接与三通阀相连。引脚OPT_OUT接收柱塞泵的光耦信号，用来反馈液体在柱塞泵中的位置，直接与柱塞泵中的光耦信号相连。引脚MOTOR_DIR用于控制步进电机的运动方向，直接与步进电机相连。引脚MOTOR_CP用于为步进电机提供时钟信号，直接与步进电机相连。引脚MOTOR_EN用于控制步进电机的使能，可以与步进电机的供电部分相连。引脚5V_CTL为步进电机的逻辑部分提供电源，直接与步进电机相连。引脚24V为步进电机的动力部分提供电源，直接与步进电机相连。

通讯芯片可以采用RS232芯片，也可以采用RS485芯片，分别与外部实现RS232形式通信以及RS485形式通信。

J41、J43连接柱塞泵的两个接口，如图7、8所示，用于实现微控制器对柱塞泵的控制。

J42为连接电磁阀的接口，如图9所示，用于实现微控制器对电磁阀的控制。

J38为连接恒温模块的接口，如图10所示，用于实现微控制器对恒温模块的控制。

其他的电源模块、存储模块以及数模转换模块电路采用常规模块即可，此处不再赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种高效的海洋剖面测量仪器，包括总进液口、总出液口、总出气口，其特征在于：还包括由管件连接的恒温模块、气液分离模块、动力模块、液路模块、检测模块，所述动力模块、检测模块与控制模块连接；所述恒温模块用于加热气液混合物到指定的温度，所述气液分离模块用于将溶解在水中的气体分离出来，所述动力模块为气液混合物的流动提供动力，使气液混合物在液路中有序流动，所述液路模块是进行化学反应的主要部件，所述检测模块用于检测样本的空白值和经过化学反应后的显色值，所述控制模块控制恒温模块的温度调节、动力模块的启停、检测模块的信号切换以及对外通信；所述总进液口与恒温模块的输入端相连，所述恒温模块的输出端与气液分离模块的输入端相连，所述气液分离模块的出水口与检测模块空白值通道的输入端相连，所述气液分离模块的出气口与总出气口相连，所述检测模块空白值通道的输出端与液路模块输入端相连，所述液路模块输出端与检测模块显色值通道输入端相连，所述检测模块显色值通道输出端与动力系统输入端相连，所述动力系统输出端与总出液口相连；所述气液分离模块为非负压型模块，所述非负压型模块的气液分离的动力来自于液体的动力源；所述动力模块采用柱塞泵和三通阀或两通阀配合驱动液体流动；所述控制模块控制动力模块的时序，包括以下步骤：

1)打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；

2)控制柱塞泵抽入适量液体，抽入量应稍多于所需用量；

3)保持柱塞泵推杆位置不变，并延时不小于0.5秒的时间；

4)控制柱塞泵推出少量液体，推出量应是步骤2)中多抽取的部分；

5)关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁泵本身的响应延迟时间；

6)控制柱塞泵推出液体，此时推出量应该是所需用量。

2.根据权利要求1所述的一种高效的海洋剖面测量仪器，其特征在于：所述检测模块的光源侧和接收侧的水路拐角均为直角。

3.根据权利要求1所述的一种高效的海洋剖面测量仪器，其特征在于：所述恒温模块采用水管式恒温结构，所述水管式恒温结构的中心为一段水管，所述水管外部缠绕一层加热丝，所述加热丝和水管由热缩管包裹密封。

4.根据权利要求1所述的一种高效的海洋剖面测量仪器，其特征在于：所述恒温模块采用模块式恒温结构，所述模块式恒温结构为金属制成的水路通道模块，所述水路通道模块外部设有热源。

5.根据权利要求1所述的一种高效的海洋剖面测量仪器，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种高效的海洋剖面测量仪器，其特征在于：所述控制模块控制动力模块的抽取速度，包括以下步骤：

1)打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁泵本身的响应延迟时间；

2)控制柱塞泵以低速匀速抽入指定量液体，控制频率不超过1千赫兹；

3)控制柱塞泵保持不变，并延时不小于电磁泵本身的响应延迟时间；

4)关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁泵本身的响应延迟时间；

5)控制柱塞泵以低速匀速推出指定量液体，控制频率不超过1千赫兹。

7.根据权利要求1所述的任意一种高效的海洋剖面测量仪器，其特征在于：所述管件与恒温模块、气液分离模块、动力模块、液路模块、检测模块的连接处采用刃环、密封圈连接。