CN111766119B - 水样采集装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种水样采集装置、系统和方法。该水样采集装置包括：采水筒，用于收集指定深度的水样；电磁释放装置，用于快速释放连接在采水筒的筒盖上的挂钩件；张力连接件，用于在电磁释放装置释放挂钩件之际快速闭合筒盖；以及沉降平准机构，用于使所述水样采集装置获得稳定性并且获得水动力下沉力。该沉降平准机构包括：水动力稳定环，用于促成水样采集装置进入稳定状态；下沉水翼，用于产生水动力下沉力；以及稳定翼，用于使水样采集装置偏转至该稳定状态，其中该稳定状态指的是水样采集装置的取向是顺着水流方向的。

Description

水样采集装置、系统和方法

技术领域

本申请涉及水样采集领域，更具体而言，涉及一种水样采集装置、系统和方法。

背景技术

提供本章节以便描述本申请所属技术领域的现有技术。需要注意的是，本申请所描述的各具体实施方式并不局限于解决在本章节中指出的现有技术中的缺陷和不足的实现，并且本申请所要求保护的技术方案以所附权利要求书为准。

水资源开发需要获取大量准确的水样数据，涉及到勘探、采集等环节。水样采集对于研究水资源环境尤其重要。

目前广泛使用的采水器由采水筒、筒盖等部分组成，采用垂直或水平取向的布置。在水样采集期间，采水器通常利用绳缆来吊放入水。初始地，采水器的筒盖敞开，在到达预定水深之后，筒盖闭合，随后贮存有水样的采水器被拉回上岸。

在该采样过程中，利用绳缆来吊放和收回采水器的做法存在两个缺点：一方面，当水下存在暗流时，尤其在筒盖闭合之后，采水筒容易发生倾斜（例如，垂直取向的布置）和/或摇晃（例如，水平取向的布置），影响其稳定性；另一方面，水流会对采水筒施以与竖直方向成角度的作用力（通常是水平力），从而导致所需绳缆的长度变长。针对后一个缺点，假设采水器匀速缓慢下放，则绳缆与竖直方向构成角度θ，其与采水筒水平方向的受力有关。具体而言，θ＝arctan(F _水平/G)，其中F _水平表示水流所施加的水平力，而G则表示采水器在水中的自重（即，计及了浮力）。由此可知，水流所施加的水平力越大，角度θ就越大。尤其，在急流环境中，所需绳缆很长。

现有技术中的部分采水器通过在采水筒上加以重物来增大采水器的水中自重G，以此来减小所需绳缆的长度并增强采水器的稳定性，然而这在一定程度上影响了采水器吊放的灵活性。

例如，授权公告号为CN207379770U的中国实用新型专利，其公开了一种应用于水文泥沙现场测验中对垂线多层水文泥沙的悬沙水样进行采集的装置。为了稳定地采集水样，若同一水平面只挂载一个采样筒，则不挂载的一侧需要加挂配重保持整个采集装置的姿态平衡。另外，采样器底板在其两侧还设置有铅质配重。由此可见，该实用新型借助于在采样筒空缺的位置处增加冗余配重并在底板处另配有铅质配重，来增加采集装置的水下稳定性并减少所需绳缆的长度。然而，显见的是，由于整个采集装置的水下自重很大，此类采集装置需要比普通绳缆强度更大且造价更高的绳缆来吊放，增加了采集成本。此外，其吊放灵活性也降低，例如，当需要将采集装置顺流放置（例如，以便将滞留在采样筒中的其他水层的水样排空，并使目标水深处的水样快速贯通采水筒）时，将会因为整个装置自重过大而只能无奈地等候采集装置缓慢地调整其水下取向，这进而增加了作业时间。

再例如，授权公告号为CN201917474U的中国实用新型专利，其公开了一种卧式湍流定点采水器。该采水器包括固定杆和延长杆，固定杆一端固定在卧式采水器主体的顶部，另一端则与延长杆的一端螺纹连接，在延长杆的另一端设有螺纹，并螺接有另一根延长杆。固定杆可根据水深要求来增加延长杆的数目，以满足深水样品的采集。然而，为了达成在湍流流态下在指定点位准确取水的目的，需要采样者根据水流的流速来调整用力，以确保固定杆（以及延长杆）始终垂直于水流方向。

又例如，授权公告号为CN206410886U的中国实用新型专利，其公开了一种水样采集器。该水样采集器的瓶体部上套设有连接环，连接环上通过调节组件连接有伸缩杆，伸缩杆能相对瓶体部垂直或水平，伸缩杆能实现伸长或缩短。另外，瓶体部的下端可拆卸设置有配重环，以使采集瓶快速沉入到水中。然而，其同样存在与CN207379770U和CN201917474U相类似的缺陷和不足，即，难以达成采水器作业时的稳定性与采水器吊放的灵活性之间的合宜的折衷。

为了改善采水器工作的稳定性和灵活性，本申请公开了一种深度可调高抗流型水样采集装置、系统及采水方法。

发明内容

提供本章节以便以非限制性的形式介绍以下将在具体实施方式章节中进一步描述的概念的选集。本章节并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本说明书的任一部分中提及的任何或所有缺点的实现。

本发明的第一方面提供了一种水样采集装置，包括：采水筒，用于收集指定深度的水样；电磁释放装置，用于快速释放连接在采水筒的筒盖上的挂钩件；张力连接件，用于在电磁释放装置释放挂钩件之际快速闭合筒盖；以及沉降平准机构，用于使水样采集装置获得稳定性并且获得水动力下沉力。

根据该第一方面的一变型，沉降平准机构包括：水动力稳定环，用于促成水样采集装置进入稳定状态；下沉水翼，用于产生水动力下沉力；以及稳定翼，用于使水样采集装置偏转至该稳定状态，其中该稳定状态指的是水样采集装置的取向是顺着水流方向的。

根据该第一方面的一变型，水动力稳定环被安装至采水筒，使得水动力稳定环外切于采水筒的外壁。

根据该第一方面的一变型，下沉水翼被安装在水动力稳定环内，并且水样采集装置还包括垂直连接件，其中垂直连接件与采水筒的外壁和水动力稳定环的内环壁邻接，并且下沉水翼还被安装至垂直连接件，使得垂直连接件垂直平分下沉水翼。

根据该第一方面的一变型，稳定翼被安装在采水筒的一端的外壁上。

根据该第一方面的一变型，下沉水翼被倾斜，使得下沉水翼具有相对于水流来流的有效面积。

本发明的第二方面提供了一种水样采集系统，包括上述第一方面或其任一变型所述的水样采集装置；绞车设备，其被配置成通过绳缆来将水样采集装置吊放入水；缆长测量和张力测定传感器，用于测量绳缆的已释放缆长和绳缆的张力；环境水压传感器，用于测量水样采集装置所处的环境水压，并由此测量水样采集装置所处的水深。

根据该第二方面的一变型，缆长测量和张力测定传感器被设置在绞车设备上，并且绞车设备还包括：传感器数据显示屏，用于显示传感器的测量值。

根据该第二方面的一变型，环境水压传感器搭载在水样采集装置上。

根据该第二方面的一变型，绳缆是承载电连接和机械连接功能性的水密铠装缆。

本发明的第三方面提供了一种水样采集方法，包括：利用绞车设备将本发明的水样采集装置吊放入水；当绞车设备的绳缆的已释放缆长落在目标水深处所需缆长的设定邻域内，并且水样采集装置已处于目标水深的设定邻域内时，判定水样采集装置到达目标水深；经由水样采集装置的电磁释放装置来触发水样采集装置的筒盖的闭合；当绞车设备的绳缆的张力值落在水样采集装置已处于稳定状态下应达到的张力值的设定邻域内时，判定水样采集装置已进入稳定状态，稳定状态指的是水样采集装置的取向是顺着水流方向的；以及回收水样采集装置。

根据该第三方面的一变型，绳缆的已释放缆长和绳缆的张力借助于缆长测量和张力测定传感器来感测，其中缆长测量和张力测定传感器位于绞车设备处。

根据该第三方面的一变型，水样采集装置所处的水深借助于环境水压传感器来感测，其中环境水压传感器搭载在水样采集装置上，所测得的数据经由绳缆的电通信线路来传达至绞车设备。

本发明的水样采集系统藉由沉降平准机构而具有良好的稳定性，并且在不增加水样采集装置的自重的情况下获得了额外的水动力下沉力，使得水样采集装置的水下灵活性不因稳定性的增加而有所降低。另外，由于本发明的水样采集系统的稳定状态处于横向于水流来流的取向，因而在急流环境下，水大量通过采水筒而不滞留，从而可保证所采集的水样不被其他水层区域的水所污染。

附图说明

当结合附图理解下面的具体实施方式时，本申请的特征、本质和优点将变得容易理解。需要注意，所描述的附图是示意性的并且还是非限制性的。在附图中，一些部件的尺寸被缩放或者出于解说性的目的而不按比例绘制。在附图中：

图1示出了本申请的水样采集装置的结构示意图；

图2示出了本申请的电磁释放装置的结构示意图；

图3示出了本申请的水样采集装置的局部剖视图；

图4-5示出了流体仿真计算的流线图；

图6示出了水阻力R和水动力下沉力L随水流流速增大的趋势图；

图7-9分别示出了本申请的水样采集装置在处于稳定状态下、大致面向水流来流方向、以及背对水流来流方向的情况下的偏转示意图；

图10示出了本申请的水样采集系统的绞车设备；

图11示出了本申请的水样采集系统；

图12示出了本申请的采水方法的流程图。

具体实施方式

1. 引言

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合示例性实施例，并参考附图来对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对所描述的示例性实施例的透彻理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的至少部分细节的情况下实践所描述的实施例。在一些示例性实施例中，简化或省略了对公知的结构、方法步骤和技术手段等的描述，以免混淆本申请构思的新颖性和创造性方面。

需要注意，尽管附图中示出了本申请的示例性实施例，但本领域技术人员应当能够领会，可按照与所描述的示例性实施例等同的各种形式及变体来实现各实施例，而毋需受到所描述的示例性实施例的限制。换言之，提供这些示例性实施例只是为了使本领域技术人员能够更透彻地理解本申请构思，以及相应地将本申请的范围完整地传达给本领域技术人员和公众。

还需要注意，除非另有说明，否则本申请所使用的技术术语或者科学术语应具有本领域技术人员所普遍理解的意义和含义。在本申请的上下文中，当所使用的技术术语或者科学术语与前述普遍理解的意义和含义确有偏差时，以本申请为准。

还应当领会，贯穿本申请文本，当提及“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等方位词时，其旨在描述相关组件在相应附图中相对于彼此的布置和取向，而并不旨在构成对相关组件的布置和取向的限制。

2. 示例性实施例

现在参考图1。图1示出了本申请的水样采集装置1的结构示意图。如图所示，水样采集装置1包括水动力稳定环101、电磁释放装置102、采水筒103，张力连接件104、筒盖105、筒盖挂钩件106、吊环螺母107、金属杆108、下沉水翼109、稳定翼110、以及垂直连接件111。

此处，出于便于描述的目的，将垂直于图1纸面的方向设为x轴（从纸面内指向纸面外为+x方向），将图1中平行于采水筒103的轴线a的方向设为y轴（从纸面左侧指向纸面右侧为+y方向），并将图1纸面内的垂直于轴线a的方向设为z轴（从纸面下部指向纸面上部为+z方向），由此建立空间直角坐标系E。除非另有说明，否则各附图共用该坐标系E。

在本申请的实施例中，采水筒103采用中空的圆柱形的形式，并且具有均匀的壁厚。另外，圆柱形的采水筒103的两个底面（在图中被示为左右底面）均敞开，以便允许水流贯通采水筒103的内部容积。如图1所示，水样采集装置1被布置成使得采水筒103的底面处于x-z平面，或即水流是在y方向上灌入采水筒103的。在采水筒103的两个敞开的底面处分别设置有两个可开合的筒盖105。在本申请的实施例中，采水筒103的材质可以是各种金属、合金、甚至其他有机物或无机物，取决于水下作业环境、待采集样本的属性等因素。

在本申请的实施例中，电磁释放装置102是通过与其连接的供电线路来被控制的，该供电线路被定位在水密铠装缆的内部。在本申请的实施例中，水密铠装缆的一端与绞车设备连接，另一端经由吊环螺母107来与电磁释放装置102连接。通常，绞车设备被定位在岸上、在母船上、或在便于操作员作业的任何其他合适的位置等。在一实施例中，水密铠装缆的毗邻水样采集装置1的主体（例如，采水筒103）的区段是经由吊环螺母107并沿着金属杆108的轮廓来与电磁释放装置102连接的。在另一实施例中，水密铠装缆的毗邻水样采集装置1的主体的区段是经由吊环螺母107并沿着金属杆108的内部延伸（或即，被嵌入到金属杆108内）来与电磁释放装置102连接的。在本申请的实施例中，金属杆108被用来促成用于吊放的绳缆（例如，包含供电线路的水密铠装缆）与电磁释放装置形成电连接。在本申请的实施例中，金属杆108与两个电磁释放装置102相连，并且吊环螺母107与金属杆108相连且被定位在金属杆108的中部。

在本申请的实施例中，电磁释放装置102可具有与采水筒103的大小成比例的大小。在一实施例中，电磁释放装置102可采用焊接的方式来被固定至采水筒103的外壁。在另一实施例中，电磁释放装置102还可采用铆钉连接、螺栓连接、或其他可达成较好固定效果的连接方式来被固定至采水筒103的外壁。在本申请的实施例中，两个电磁释放装置102可被采用，这两个电磁释放装置102可被对称地布置在采水筒103的毗邻敞开的左右底面的外壁上。进一步，这两个电磁释放装置102与各自近邻的采水筒103的左右底面的间距相等。换言之，采水筒103连同两个电磁释放装置102（并因而连同金属杆108和吊环螺母107）一起构成轴对称布置，其中相关联的对称轴贯穿吊环螺母107且与采水筒103的外壁成法向（或即，与采水筒103的敞开的左右底面平行）。

当水样采集装置1被吊放入水时，电磁释放装置102的每一者钩挂着相应筒盖105的外侧表面上的筒盖挂钩件106，此时，两个筒盖105的内侧表面之间附连张力连接件104。需要注意，张力连接件在筒盖保持打开时始终处于拉伸状态，并且在电磁释放装置掉电且释放筒盖挂钩件106之际，归因于其拉伸回复趋势而快速拉动两个筒盖105朝相向方向闭合。而且，筒盖105在经受到电磁释放装置102的钩挂和张力连接件104的拉伸的情况下受力平衡，并且保持打开状态。在本申请的实施例中，张力连接件104的两端装配套环，借助于该套环来与相应筒盖105的内侧表面上的圆孔固定。对本领域技术人员显而易见的是，也可采用具有较好固定功能的其他连接方式。

在参考图1的基础上再来参考图2。图2示出了本申请的电磁释放装置102的结构示意图。电磁释放装置102包括电磁线圈1021、铁块1022、电池释放器外壳1023、杠杆支架1024、杠杆1025、以及弹簧1026。在本申请的实施例中，铁块1022被定位在杠杆1025的靠近电磁线圈1021的一端，并且具有小于电磁线圈1021的直径的尺寸。另外，杠杆1025的远离电磁线圈1021的一端被配置成采用呈三角形斜坡的形状因子，使得水样采集装置1被下放时，杠杆1025的呈三角形斜坡的该端部始终钩挂筒盖105的筒盖挂钩件106，并因而阻止筒盖挂钩件106滑落。

继续参考图2。在本申请的实施例中，杠杆1025可转动地固定至杠杆支架1024，两者可采用铰接、枢接、或使得杠杆1025可因电磁线圈1021的致动而转动的任何其他合适的连接方式。在本申请的实施例中，弹簧1026被定位在电磁线圈1021的内部且与铁块1022接触。当电磁线圈1021上电时，归因于铁块自身的重力及其受到的向下的磁吸力，杠杆1025的钩挂着筒盖挂钩件106的一端（或即，远离电磁线圈1021的端部）上翘，使得筒盖挂钩件106被该端部牢固地钩挂；而当电磁线圈1021掉电时，归因于铁块不再受到向下的磁吸力、以及弹簧1026从电磁线圈1021上电期间的压缩状态恢复原状并进而迅速朝上推动铁块，杠杆1025不再倾斜且远离电磁线圈1021的端部下垂，使得筒盖挂钩件106从杠杆1025的该端部滑落。

由此可见，借助于电磁线圈1021的掉电，电磁释放装置102被配置成：快速释放杠杆1025的远离电磁线圈1021的端部所钩挂的筒盖挂钩件106、并因而准确地触发采水筒103的筒盖105闭合。换言之，电磁释放装置102起到了快速释放挂钩件106的作用。此处需要注意的是，筒盖挂钩件106仅作为示例给出，本领域技术人员可采用用于连接电磁释放装置102与采水筒的筒盖105的任何其他合适的元件或材料，诸如绳索（例如，筒盖上吊环、纤维绳、或钢丝绳）等等。

在参考图1的基础上再来参考图3。图3示出了水样采集装置1的局部剖视图。在图3中，水动力稳定环101被剖开以便于解说其内部的构造。在本申请的实施例中，水样采集装置1包括沉降平准机构。进一步，该沉降平准机构包括水动力稳定环101和下沉水翼109这两个构件。水动力稳定环101被安装至采水筒103。在本申请的实施例中，水动力稳定环101也采用中空的圆柱形的形式，并且具有均匀的壁厚。在本申请的实施例中，水动力稳定环101具有与采水筒103的直径相配合的直径，其可略大于采水筒103的直径，也可以是采水筒103的直径的1.5倍或甚至更大。在本申请的实施例中，水动力稳定环101被定位在采水筒103外壁上的两个电磁释放装置102之间。水动力稳定环101的左右两个敞开的端部与各自近邻的电磁释放装置102的间距相等。在本申请的实施例中，水动力稳定环101沿采水筒103的外壁的长度可以是采水筒103的外壁长度的五分之四、30%、或甚至更小。需要指出的是，图示的水动力稳定环101与采水筒103的相对尺寸仅作为示例给出，本领域技术人员可根据需要来改变水动力稳定环101、采水筒103和/或这两者的尺寸。

在图3中，出于简洁目的而没有示出水样采集装置1的部分组件，例如张力连接件104、筒盖挂钩件106、吊环螺母107和金属杆108等。理想地，水动力稳定环101外切于采水筒103的外壁且切线为直线T。该切直线T与金属杆108、采水筒103的轴线a（其穿过两个筒盖105的圆心）三线共面，该共面平面称为平面P。优选地，水样采集装置1整体的重心位于该平面P内。在实际工艺中，可将切直线T邻域内的某一小段弧（例如，从图3的纸面右侧朝左侧查看）作为焊接位点，以将水动力稳定环101焊接至采水筒103。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可达成较好固定效果的任何其他合适的连接方式也可以被采用，诸如插接、铆接、或一体成型等等。另外，在本申请的实施例中，水动力稳定环101可具有与采水筒103相同或不同的材质，诸如各种金属、合金、甚至其他有机物或无机物，取决于水下作业环境、待采集样本的属性等因素。

继续参考图3。下沉水翼109被安装在水动力稳定环101内且被倾斜，使得当存在与采水筒103的左右底面垂直的来流I时，下沉水翼109具有相对于来流I的有效面积s（即，s>0）。在本申请的实施例中，下沉水翼109被安装至垂直连接件111。在本申请的实施例中，垂直连接件111在z轴方向上分别与采水筒103的外壁和水动力稳定环101的内环壁邻接，并且垂直连接件111所处平面与平面P共面。在一实施例中，以下三者相等：水动力稳定环101在y轴方向上的长度大小、下沉水翼109在y轴方向上的长度大小、以及垂直连接件111在y轴方向上的长度大小，如图1所描绘。然而，水动力稳定环101、下沉水翼109、以及垂直连接件111这三者在y轴方向上的长度大小可根据设计需要来改变。例如，在另一实施例中，下沉水翼109和垂直连接件111两者在y轴方向上的长度大小可相等，但小于水动力稳定环101在y轴方向上的长度大小。

在本申请的实施例中，下沉水翼109本身是对称的，垂直连接件111构成下沉水翼109在x-z平面内的四边形截面的中垂线。当从图1和/或图3的纸面右侧朝左侧查看时，归因于下沉水翼109的倾斜布置，下沉水翼109在x-z平面内的四边形截面的一组相对的圆弧边与水动力稳定环101的内环壁邻接，而另一组相对且平行的边则平行于x轴。需要指出的是，垂直连接件111在x轴方向上的尺寸可远小于其在y轴和z轴方向上的尺寸，以至于垂直连接件111在存在来流I的情况下不被视为钝体。垂直连接件111与下沉水翼109的垂直布置起到了加强结构强度的作用。在本申请的实施例中，下沉水翼109与水动力稳定环101之间的连接、垂直连接件111与采水筒103和水动力稳定环101之间的连接、以及下沉水翼109与垂直连接件111之间的连接可采用插接、铆接、一体成型、或可达成较好固定效果的任何其他合适的连接方式。

在本申请的实施例中，下沉水翼109是产生水动力下沉力的主要来源。在一实施例中，下沉水翼109在y-z平面内的截面是非均匀的，如图3所描绘。在一极限情形中，下沉水翼109采用平板的形状因子（如在y-z平面内）。在另一极限情形中，下沉水翼109采用半圆的形状因子（如在y-z平面内）。因而，在实践中，下沉水翼109的形状因子可由本领域技术人员根据需要来被选择为介于上述两种极限情形之间。在本申请的实施例中，下沉水翼109在y-z平面内的截面的下边缘相比上边缘更“凹”，如图3所描绘的。然而，图示截面仅作为示例给出。发明人在仿真计算时发现，具有均匀厚度的倾斜下沉水翼也可产生水动力下沉力，尽管此时的水动力下沉力相比图示情形中的稍小。因而，在另一实施例中，下沉水翼109在y-z平面内的截面是均匀的，即采用平板的形状因子。

在航空领域，飞行器机翼产生升力的基本原理在于，通过将机翼上下表面的形状设计成致使上表面气体流速超过下表面流速，因而导致上表面压强小于下表面，该压力差产生垂直向上的力即为机翼升力。

在船舶领域，一般将具有与航空领域中的机翼相类似的功能的装置称为“水翼”。其最常见的应用是“水翼艇”，利用水翼的升力，将船体部分托举出水面，从而大幅度降低高速航向下的水阻力。然而，将水翼反装进而产生向下的水动力“负”升力，即上面所提到的水动力下沉力，并无工程上的应用。

在本发明中，为了使水样采集装置的水下灵活性不因稳定性的增加而有所降低，减轻水样采集装置对配重的要求，采用了能产生水动力下沉力的下沉水翼设计。如在背景部分中提到的，传统水样采集装置通过增加自身配重的方式来改善稳定性，但却以牺牲水样采集装置在吊放过程中以及在水下调整姿态时的灵活性为代价。如本申请所提出的水动力下沉力与增加配重是截然不同的，其是与自重无关的独立的“负”升力，并不增加水样采集装置的质量和惯性，因而并不会因为达成了吊放水样采集装置的绳缆与竖直方向的夹角变小（进而所需绳缆长度的减小）而牺牲装置本身的灵活性。

现在参考图4-5。图4-5示出了流体仿真计算的流线图。需要注意，该图中的流体仿真计算所选取的水流流速为1.5 m/s。然而，不同速度下的流线具有很大的相似性。在图4中，R表示流体的水阻力（或即流体施加的水平力），L表示水动力下沉力，F表示两者的合力。仿真对象是具有内径100 mm、外径110 mm、长度300 mm的采水筒的水样采集装置，其中水动力稳定环的外径为180 mm，下沉水翼弦长80 mm且安装倾斜角为-15°。由下表1可知，水动力下沉力L可达到水阻力R的10倍以上（或即，升阻比约大于10），因而绳缆与竖直方向所构成的角度θ显著降低。根据仿真计算，在不采用水动力稳定环101和下沉水翼109的情况下，角度θ范围为30°至75°之间，且此角度范围上界随水流流速变大而变大；而当采用根据本申请的水动力稳定环101和下沉水翼109的情况下，角度θ范围为5°至8°之间。由此，吊放水样采集装置1的所需绳缆长度显著降低，节约了成本并有效缩减了吊放与回收的作业时间。

V(m/s)	R(N)	L(N)
			0.5	0.106	1.072
1.0	0.425	4.300
			1.5	0.956	9.155
2.0	1.700	17.815
			2.5	2.656	28.796

表1

图6示出了水阻力R和水动力下沉力L随水流流速增大的变化趋势。

回头参考图3。在本申请的实施例中，由于下沉水翼109是在采水筒103的进水口朝向水流来流方向（或即，水流在下沉水翼109的有效面积s上的通量为正“+”的方向）时产生水动力下沉力的，因而此处所描述的水样采集装置1是有向的。由此，为使水样采集装置1的进水口方向朝向水流来流方向，本申请的沉降平准机构被配置成进一步包括稳定翼110。在本申请的实施例中，稳定翼110采用鳍（fin）的形状因子。在优选实施例中，稳定翼110与平面P共面。

现在参考图7-9。图7-9分别示出了本申请的水样采集装置1在处于稳定状态下、大致面向水流来流方向、以及背对水流来流方向的情况下的偏转示意图。

图7示出了水样采集装置1已处于稳定状态，此时采水筒103的进水口方向正对水流来流方向，水流对称且均匀地贯通采水筒103，一旦采水筒103发生偏移，则稳定翼110使其稳定。

图8示出了采水筒103的进水口大致面向水流来流方向，但是采水筒103的轴线a与水流来流方向具有一夹角。参见图8，水流作用在稳定翼上，从而在稳定翼110上施加偏转力，该偏转力相对于水样采集装置的重心产生扭矩，以使得采水筒103逆时针旋转，从而使水样采集装置1偏转回图7所示的稳定状态。图8中的空心直箭头表示水流对稳定翼110的有效偏转力，空心弯箭头则表示由此偏转力产生的扭矩（下同）。

图9示出了采水筒103的进水口背对水流来流方向，换言之采水筒103的出水口大致面向水流来流方向。此时，需要调整的范围更大。由于稳定翼110在水样采集装置1的前方且更靠近水流来流，因而所产生的扭矩将致使采水筒103逆时针旋转，从而同样使得水样采集装置1达到图7所示的稳定状态。

需要指出的是，在上述描述（例如，参考图1、3-5和7-9）中，将稳定翼110示为被定位成：在水样采集装置1处于稳定状态时，处于采水筒的远离水流来流的一端的外壁上且与平面P共面。然而，上述布置仅作为非限制性示例给出，本领域技术人员可根据需要来对稳定翼110做出不同布置，而不改变其偏转及稳定功能性。例如，将稳定翼110定位成在水样采集装置1处于稳定状态时，处于采水筒的毗邻水流来流的一端的外壁上且与平面P共面，等等。

需要指出的是，发明人经仿真计算发现，在水样采集装置1仅安装有下沉水翼109（包括垂直连接件111）和稳定翼110而没有安装水动力稳定环101的情况下，采水筒103从非稳定状态（即，采水筒103的进水口处于不正对水流来流的取向）偏转至稳定状态（即，采水筒103的进水口处于正对水流来流的取向）所耗费的历时相比同时安装沉降平准机构的上述三个构件更长。经仿真发现，前者情形比后者情形所耗费的历时长大约三倍。换言之，水动力稳定环101具有促成水样采集装置1进入稳定状态的功能性。还需要指出的是，当在本文中提到“稳定”一词时，指的是：一方面，水样采集装置整体上呈横向于水流来流方向的布置，水样采集装置与水流来流所成的夹角最小；另一方面，下沉水翼已因变于水流流速而产生了基本上恒定的水动力下沉力，在水样采集装置本身的自重外增加了额外的竖直向下的力，确保了水样采集装置不发生摇晃。

图10示出了本申请的水样采集系统的绞车设备3。如图所示，绞车设备3包括绞车支架301、传感器数据显示屏302、缆长测量和张力测定传感器303、电磁释放装置按钮304、绳缆305、以及用于切换绳缆305吊/放的转向杠杆306。在本申请的实施例中，缆长测量和张力测定传感器303被固定在绞车支架301上。缆长测量和张力测定传感器303的上表面设置有传感器数据显示屏302和电磁释放装置按钮304。在一实施例中，传感器数据显示屏302上显示绳缆305的缆长和绳缆305的张力大小。

图11示出了本申请的水样采集系统。如图所示，水样采集系统包括如参考图1和3描述的水样采集装置1以及如参考图10描述的绞车设备3，两者通过承载电连接和机械连接功能性的绳缆（例如，如图10所描述的绳缆305）连接。在一实施例中，绳缆305是水密铠装缆，该水密铠装缆被配置成：将电磁释放装置102和绞车设备3（尤其是电磁释放装置按钮304和缆长测量和张力测定传感器303）电连接，并且将绞车设备3与水样采集装置1的吊环螺母107机械连接以拉动水样采集装置1的升降。进一步，该电连接被配置成：为水下电组件（例如，电磁释放装置等）和陆上电组件（例如，电磁释放装置按钮304和缆长测量和张力测定传感器303等）提供电通信线路，以便传送数据和/或控制信号。然而，本领域技术人员可构想采用无线通信方式以供水下电组件和陆上电组件之间的数据和/或控制信号的传输。在上文中已详细描述了水样采集装置1和绞车设备3各自的结构特征、功能特征、以及彼此间的连接方式，因而在此不再赘述。

图12示出了本申请的采水方法的流程图。

步骤m1：水样采集装置入水。在本发明的一实施例中，操作员可利用绞车设备3将水样采集装置1吊放入水。

步骤m2：随着水样采集装置被下放，当绞车设备的绳缆的已释放缆长落在目标水深处所需缆长的设定邻域内，并且水样采集装置所处的环境水压落在目标水深所对应的水压的设定邻域内（或即，水样采集装置已处于目标水深的设定邻域内）时，判定水样采集装置到达目标水深。在一实施例中，水样采集装置所处的环境水压是由搭载在水样采集装置上的环境水压传感器来感测并且所测得的数据是经由绳缆（例如，水密铠装缆）的电通信线路传达至传感器数据显示屏302的。

步骤m3：在等待预设时间后，采水筒103的筒盖105闭合。在一实施例中，操作员按下电磁释放装置按钮304，使得电磁线圈1021掉电并进而致使采水筒103的筒盖105闭合。

步骤m4：当绞车设备的绳缆的张力值落在水样采集装置已处于稳定状态下应达到的张力值的设定邻域内时，判定水样采集装置已进入稳定状态。

步骤m5：回收水样采集装置1。

在一实施例中，绳缆的已释放缆长和绳缆的张力借助于缆长测量和张力测定传感器来感测。

在一实施例中，当水样采集装置1被下放时，缆长测量和张力测定传感器303的测量数据可在传感器数据显示屏302上被实时显示。

在一实施例中，传感器数据显示屏302和/或缆长测量和张力测定传感器303可位于除绞车设备3的其他位置处（例如，母船的操作仓内），以便于操作员监视数据。

在一实施例中，在步骤m3和m4之间可进一步包括判定电磁释放装置是否已使筒盖挂钩件106脱落以致使筒盖105闭合的附加步骤，该附加步骤可通过可任选地搭载在水样采集装置上的附加张力传感器来执行，该附加张力传感器被配置成测量张力连接件的张力并经由绳缆来与绞车设备电通信。在一实施例中，当张力连接件的张力值落在筒盖闭合状态下应达到的张力值的设定邻域内时，判定筒盖已闭合。

3. 结语

贯穿说明书，当提及“本申请的实施例”、“一实施例”、“另一实施例”等时，意味着所描述的特征、结构或布置不仅可以被包括在该至少一个实施例中，而且还可以在一个或多个实施例中与其他特征、结构或布置以任何合适的方式联用。

本领域的技术人员应当领会，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者可以利用其他方法、资源或材料等来实践这些实施例。在其他情况下，众所周知的结构、资源和材料未被明确示出，以免使附图变得冗杂且模糊本申请的构思。

虽然已经解说并描述了各实施例和应用，但是应当理解，所描述的实施例不限于上述精确配置和资源。在不脱离所要求保护的实施例的范围和精神的情况下，可以在本文中所公开的设备和方法的上下文中做出对本领域技术人员显而易见的各种修改、替换和改进。例如，本领域技术人员在得知本申请的构思之后，在水流流速不湍急的水域，可仅采用沉降平准机构中的一者或两者，例如仅采用水动力稳定环和下沉水翼，以便节省成本。再例如，本领域技术人员在得知本申请的构思之后，可将稳定翼110在y-z平面上的尺寸构造成与垂直连接件111相连，以便增强结构坚固性。又例如，可将环境水压传感器搭载在筒盖105之一的外侧表面上，等等。

Claims (13)

1.一种水样采集装置，其特征在于，包括：

采水筒，用于收集指定深度的水样；

电磁释放装置，用于快速释放连接在所述采水筒的筒盖上的挂钩件；

张力连接件，用于在所述电磁释放装置释放所述挂钩件之际快速闭合所述筒盖；以及

沉降平准机构，用于使所述水样采集装置获得稳定性并且获得水动力下沉力，

其中，所述沉降平准机构包括：

水动力稳定环，用于促成所述水样采集装置进入稳定状态，所述水动力稳定环呈中空的圆柱形且具有比所述采水筒大的直径，所述水动力稳定环被固定至所述采水筒并且外切于所述采水筒；

下沉水翼，用于产生所述水动力下沉力，所述下沉水翼被倾斜地安装在所述水动力稳定环内，使得所述下沉水翼具有相对于水流来流的有效面积；以及

稳定翼，用于使所述水样采集装置偏转至所述稳定状态，其中所述稳定状态指的是所述水样采集装置的取向是顺着水流方向的。

2.根据权利要求1所述的水样采集装置，其特征在于，所述水动力稳定环被安装至所述采水筒，使得所述水动力稳定环外切于所述采水筒的外壁。

3.根据权利要求1所述的水样采集装置，其特征在于，所述下沉水翼被安装在所述水动力稳定环内，并且所述水样采集装置还包括：

垂直连接件，

其中所述垂直连接件与所述采水筒的外壁和所述水动力稳定环的内环壁邻接，并且所述下沉水翼还被安装至所述垂直连接件，使得所述垂直连接件垂直平分所述下沉水翼。

4.根据权利要求3所述的水样采集装置，其特征在于，所述稳定翼被安装在所述采水筒的一端的外壁上。

5.一种水样采集系统，其特征在于，包括：

权利要求1-4中任一项所述的水样采集装置；

绞车设备，所述绞车设备被配置成通过绳缆来将所述水样采集装置吊放入水；

缆长测量和张力测定传感器，用于测量所述绳缆的已释放缆长和所述绳缆的张力；

环境水压传感器，用于测量所述水样采集装置所处的环境水压，并由此测量所述水样采集装置所处的水深。

6.根据权利要求5所述的水样采集系统，其特征在于，所述缆长测量和张力测定传感器被设置在所述绞车设备上，并且所述绞车设备还包括：

传感器数据显示屏，用于显示所述传感器的测量值。

7.根据权利要求6所述的水样采集系统，其特征在于，所述环境水压传感器搭载在所述水样采集装置上。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的水样采集系统，其特征在于，所述绳缆是承载电连接和机械连接功能性的水密铠装缆。

9.一种水样采集装置，包括中空的圆柱形采水筒和分别设置在所述采水筒的两个敞开的底面处的两个可开合的筒盖，其特征在于，所述水样采集装置还包括：

张力连接件，所述张力连接件被附连在所述两个筒盖的内侧表面之间，所述张力连接件在筒盖保持打开时始终处于拉伸状态；

两个电磁释放装置，所述两个电磁释放装置被对称地布置在所述采水筒的毗邻相应敞开的底面的外壁上，所述两个电磁释放装置被配置成触发所述两个筒盖的闭合；

金属杆，所述金属杆与所述两个电磁释放装置相连接，并且被配置成促成用于吊放的绳缆与所述两个电磁释放装置形成电连接；

沉降平准机构，所述沉降平准机构包括：

水动力稳定环，所述水动力稳定环呈中空的圆柱形且具有比所述采水筒大的直径，所述水动力稳定环被固定至所述采水筒并且外切于所述采水筒，所得的切直线与所述金属杆和穿过所述两个筒盖的轴线三线共面；以及

下沉水翼，所述下沉水翼被安装在所述水动力稳定环内，并且被倾斜布置以使得所述下沉水翼具有相对于水流来流的有效面积；

垂直连接件，所述垂直连接件与所述采水筒的外壁和所述水动力稳定环的内环壁邻接，所述垂直连接件所处的平面与上述三线共面的平面共面；

其中所述下沉水翼还被固定至所述垂直连接件，使得所述垂直连接件垂直平分所述下沉水翼。

10.根据权利要求9所述的水样采集装置，其特征在于，所述沉降平准机构还包括稳定翼，所述稳定翼被安装在所述采水筒的一端的外壁上，并且与所述垂直连接件共面。

11.一种水样采集方法，其特征在于，包括：

利用绞车设备将权利要求1-4和9-10中任一水样采集装置吊放入水；

当所述绞车设备的绳缆的已释放缆长落在目标水深处所需缆长的设定邻域内，并且所述水样采集装置已处于目标水深的设定邻域内时，判定所述水样采集装置到达目标水深；

经由所述水样采集装置的电磁释放装置来触发所述水样采集装置的筒盖的闭合；

当所述绞车设备的绳缆的张力值落在所述水样采集装置已处于稳定状态下应达到的张力值的设定邻域内时，判定水样采集装置已进入稳定状态，所述稳定状态指的是所述水样采集装置的取向是顺着水流方向的；以及

回收所述水样采集装置。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：所述绳缆的已释放缆长和所述绳缆的张力借助于缆长测量和张力测定传感器来感测，其中所述缆长测量和张力测定传感器位于所述绞车设备处。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：所述水样采集装置所处的水深借助于环境水压传感器来感测，其中所述环境水压传感器搭载在所述水样采集装置上，所测得的数据经由所述绳缆的电通信线路来传达至所述绞车设备。

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