CN111964961A - 全自动冰下沉积物振动取样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动冰下沉积物振动取样器，包括有控制舱、振动舱和取样管部件，其中控制舱装配在取样器本体的上部，控制舱通过滑动套环套接在导向柱上，控制舱在滑动套环的带动下能够沿导向柱进行上下滑动，导向柱的底部通过法兰盘与振动舱的顶部相连接，控制舱内的控制装置通过深水电缆与振动舱内的振动装置相连接，通过深水电缆控制舱向振动舱内传输电力及控制信号，振动舱的底部通过连接件与取样管部件的顶部相连接。有益效果：大大降低了误触发的风险，增加了冰下沉积物取样的可靠性。使取样器整体径向尺寸大缩减。地表操作较为简单，降低了水下高压环境中泄露的可能。出现事故几率较低。节约地表工作时间。

Description

全自动冰下沉积物振动取样器

技术领域

本发明涉及一种取样器，特别涉及一种全自动冰下沉积物振动取样器。

背景技术

目前，南极冰下沉积物样品是封存于南极冰架、冰盖底部的古老沉积物，蕴藏着地球千百万年的环境、气候变化记录。获取南极冰下沉积物需要通过数百米甚至数千米的冰层，最为便捷的技术手段是通过热水钻系统钻穿冰层，形成热水钻先导孔，之后下放取样设备开展冰下沉积物取样作业。由于热水钻先导孔直径通常在30-40cm，且因冰下环境低温存在较高的缩孔速率，因此要求取样设备结构为长柱状。常规冰下沉积物取样器有重力式、活塞式、锤击式，由于贯入能量供给限制，取样长度均不超过3m。振动式取样利用沉积物振动液化机理，通过降低取样管与沉积物间的粘附阻力来达到贯入效果，贯入深度、取样长度通常优于上述三种取样方法，但常规海洋、湖泊物的振动取样设备振动器部件、触发机构径向尺寸较大，难以通过热水钻先导孔，因此无法直接应用于南极冰下沉积物取样。如何在保留触底触发功能的前提下，缩减振动取样设备的径向尺寸，将振动取样方法应用于南极冰下环境，以获取更为深层、年代更为久远的沉积物样品，是南极冰下沉积物取样领域面临的技术问题。

发明内容

本发明的目的是如何在保留触底触发功能的前提下，缩减振动取样设备的径向尺寸，将振动取样方法应用于南极冰下环境，以获取更为深层、年代更为久远的沉积物样品而提供的一种全自动冰下沉积物振动取样器。

本发明提供的全自动冰下沉积物振动取样器包括有控制舱、振动舱和取样管部件，其中控制舱装配在取样器本体的上部，控制舱通过滑动套环套接在导向柱上，控制舱在滑动套环的带动下能够沿导向柱进行上下滑动，导向柱的底部通过法兰盘与振动舱的顶部相连接，控制舱内的控制装置通过深水电缆与振动舱内的振动装置相连接，通过深水电缆控制舱向振动舱内传输电力及控制信号，振动舱的底部通过连接件与取样管部件的顶部相连接。

控制舱的内腔中依次设置有音圈电机控制器、变压模块和电池组，音圈电机控制器、变压模块和电池组依次相连接，电池组通过变压模块向音圈电机控制器提供电力，音圈电机控制器与深水电缆相连接，音圈电机控制器通过深水电缆向振动舱内的振动装置提供电力和控制信号，控制舱的上端盖内设置有深水磁感应开关，深水磁感应开关与音圈电机控制器相连接并控制音圈电机控制器的工作，深水磁感应开关设置为常闭模式，导向柱的顶端设置有顶盖，顶盖内设置有磁铁，磁铁的位置与深水磁感应开关的位置相应并能够与深水磁感应开关进行贴合，磁铁与深水磁感应开关进行贴合时音圈电机控制器处于断路状态，此时音圈电机控制器不对外输出电力与信号；磁铁与深水磁感应开关断开后，深水磁感应开关转换为闭合状态，此时音圈电机控制器通过深水电缆向振动舱内的振动装置提供电力和控制信号。

控制舱的上端盖上还连接有吊环，吊环上连接有绳索，控制舱的上端盖与控制舱的内侧壁之间设置有第一密封圈，控制舱的下端盖上设置有第一水密接头，水密接头与深水电缆相连接，控制舱的下端盖与控制舱内侧壁之间设置有第二密封圈。

滑动套环底部的导向柱上设置有弹簧，导向柱顶端的顶盖上部设置有防撞块。

振动舱的内腔中装配有固定架，固定架上固定有音圈电机振动器，音圈电机振动器通过深水电缆与控制舱内的音圈电机控制器相连接并由音圈电机控制器提供电力和控制工作，振动舱的上盖上设置有第二水密接头，第二水密接头与深水电缆相连接，振动舱的上盖与振动舱的舱体之间设置有第三密封圈，振动舱的下盖与振动舱的舱体之间设置有第四密封圈，振动舱的下盖底部连接有连接件，振动舱通过该连接件与取样管部件的顶部相连接。

取样管部件包括有外管、衬管和钻头，其中外管套设在衬管上，钻头螺接在外管的底部，衬管内腔的底部设置有爪簧，爪簧通过环状台阶定位，外管的顶部固连有定位环，定位环的顶部螺接在振动舱底部的连接件上，衬管的顶部装配有阀体，阀体内设置有阀球。

上述的音圈电机控制器、变压模块、电池组、深水磁感应开关、磁铁和音圈电机振动器均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理如下：

本发明提供的全自动冰下沉积物振动取样器在地表完成整体组装后，电池组持续向变压模块供电，变压模块持续向深水磁感应开关及音圈电机控制器供电，而音圈电机控制器的开启与否受深水磁感应开关控制。将取样器下放至热水钻先导孔内部，取样器由地表经由先导孔穿过冰层到达沉积物层上方，此时减缓下放速度，直至钻头接触沉积物层。取样器接触沉积物之前，取样器处于悬吊状态，由于取样器自身重力作用，磁铁与控制舱顶部设置的深水磁感应开关贴合，此时控制舱内部音圈电机控制器处于断电状态，不对外输出电流与信号；取样管部件贯入沉积物层一定深度后，由于取样管部件与沉积物间的摩擦阻力等于取样器自身的重量，此时取样器将不再继续进尺，振动舱和导向柱因与取样管部件为刚性连接也不再继续进尺，但控制舱仍继续沿导向柱向下运动并压缩弹簧，磁铁与控制舱顶部设置的深水磁感应开关分离，控制舱处于通电开启状态，电力及信号经过深水电缆同步输出至振动舱内部各音圈电机振动器，此时振动舱处于通电振动状态，沉积物在振动液化作用下对取样管提供的阻力降低，取样器将继续进尺；在取样管部件到达指定进尺深度后，地表收紧绳索上提取样器，控制舱将率先向上运动，深水磁感应开关再次与磁铁进行贴合，音圈电机控制器断电，使振动舱断电停止振动，确保上提过程中样品不致因振动从取样管部件内部脱出；继续上提取样器，直至钻头从沉积物层中完全拔出，爪簧在内部样品的重力作用下会自动闭合；将取样器提升至地表后，取出装有样品的衬管，用于后续封装、运输及分析。

本发明的有益效果：

本发明提供的全自动冰下沉积物振动取样器实现了全自动式振动取样，采用磁力触发方式，取样器可根据外界载荷形式自行判断是否应该开启振动，大大降低了误触发的风险，增加了冰下沉积物取样的可靠性。采用轴向布置的音圈电机振动器，功率系数高，并且能够在保证充足振动参数的前提下，使取样器整体径向尺寸大缩减。地表操作较为简单，仅需根据地表载荷情况适时的调节绳索下放、上提速度即可实现取样器的整个实施过程，对现场操作人员熟练程度要求低。振动器、控制舱均属于完全密封舱体，仅通过深水电缆连接，降低了水下高压环境中泄露的可能。取样器利用的各项技术均已成熟，出现事故几率较低。取样器采用模块化设计，拆装、维护、更换部件较为方便，节约地表工作时间。

附图说明

图1为本发明所述取样器整体剖视结构示意图。

图2为本发明所述导向柱布置结构示意图。

图3为本发明所述控制舱结构示意图。

图4为本发明所述振动舱结构示意图。

图5为本发明所述取样管部件结构示意图。

图6为为本发明所述全自动冰下沉积物振动取样工作原理示意图。

上图中的标注如下：

1、控制舱 2、振动舱 3、取样管部件 4、滑动套环 5、导向柱

6、法兰盘 7、深水电缆 8、连接件 9、音圈电机控制器 10、变压模块

11、电池组 12、上端盖 13、深水磁感应开关 14、顶盖 15、磁铁

16、吊环 17、绳索 18、第一密封圈 19、下端盖 20、第一水密接头

21、第二密封圈 22、弹簧 23、防撞块 24、固定架

25、音圈电机振动器 26、上盖 27、第三密封圈 28、下盖

29、第四密封圈 30、外管 31、衬管 32、钻头 33、爪簧

34、定位环 35、阀体 36、阀球 37、第二水密接头。

具体实施方式

请参阅图1至图6所示：

本发明提供的全自动冰下沉积物振动取样器包括有控制舱1、振动舱2和取样管部件3，其中控制舱1装配在取样器本体的上部，控制舱1通过滑动套环4套接在导向柱5上，控制舱1在滑动套环4的带动下能够沿导向柱5进行上下滑动，导向柱5的底部通过法兰盘6与振动舱2的顶部相连接，控制舱1内的控制装置通过深水电缆7与振动舱2内的振动装置相连接，通过深水电缆7控制舱1向振动舱2内传输电力及控制信号，振动舱2的底部通过连接件8与取样管部件3的顶部相连接。

控制舱1的内腔中依次设置有音圈电机控制器9、变压模块10和电池组11，音圈电机控制器9、变压模块10和电池组11依次相连接，电池组11通过变压模块10向音圈电机控制器9提供电力，音圈电机控制器9与深水电缆7相连接，音圈电机控制器9通过深水电缆7向振动舱2内的振动装置提供电力和控制信号，控制舱2的上端盖12内设置有深水磁感应开关13，深水磁感应开关13与音圈电机控制器9相连接并控制音圈电机控制器9的工作，深水磁感应开关13设置为常闭模式，导向柱5的顶端设置有顶盖14，顶盖14内设置有磁铁15，磁铁15的位置与深水磁感应开关13的位置相应并能够与深水磁感应开关13进行贴合，磁铁15与深水磁感应开关13进行贴合时音圈电机控制器9处于断路状态，此时音圈电机控制器9不对外输出电力与信号；磁铁15与深水磁感应开关13断开后，深水磁感应开关13转换为闭合状态，此时音圈电机控制器9通过深水电缆7向振动舱2内的振动装置提供电力和控制信号。

控制舱1的上端盖12上还连接有吊环16，吊环16上连接有绳索17，控制舱1的上端盖12与控制舱1的内侧壁之间设置有第一密封圈18，控制舱1的下端盖19上设置有第一水密接头20，第一水密接头20与深水电缆7相连接，控制舱1的下端盖19与控制舱1内侧壁之间设置有第二密封圈21。

滑动套环4底部的导向柱5上设置有弹簧22，导向柱5顶端的顶盖14上部设置有防撞块23。

振动舱2的内腔中装配有固定架24，固定架24上固定有音圈电机振动器25，音圈电机振动器25通过深水电缆7与控制舱1内的音圈电机控制器9相连接并由音圈电机控制器9提供电力和控制工作，振动舱2的上盖26上设置有第二水密接头37，第二水密接头37与深水电缆7相连接，振动舱2的上盖26与振动舱2的舱体之间设置有第三密封圈27，振动舱2的下盖28与振动舱2的舱体之间设置有第四密封圈29，振动舱2的下盖28底部连接有连接件8，振动舱2通过该连接件8与取样管部件3的顶部相连接。

取样管部件3包括有外管30、衬管31和钻头32，其中外管30套设在衬管31上，钻头32螺接在外管30的底部，衬管31内腔的底部设置有爪簧33，爪簧33通过环状台阶定位，外管30的顶部固连有定位环34，定位环34的顶部螺接在振动舱2底部的连接件8上，衬管31的顶部装配有阀体35，阀体35内设置有阀球36。

上述的音圈电机控制器9、变压模块10、电池组11、深水磁感应开关13、磁铁15和音圈电机振动器25均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理如下：

本发明提供的全自动冰下沉积物振动取样器在地表完成整体组装后，电池组11持续向变压模块10供电，变压模块10持续向深水磁感应开关13及音圈电机控制器9供电，而音圈电机控制器9的开启与否受深水磁感应开关13控制。将取样器下放至热水钻先导孔内部，取样器由地表经由先导孔穿过冰层到达沉积物层上方，此时减缓下放速度，直至钻头32接触沉积物层。取样器接触沉积物之前，取样器处于悬吊状态，由于取样器自身重力作用，磁铁15与控制舱1顶部设置的深水磁感应开关13贴合，此时控制舱1内部音圈电机控制器9处于断电状态，不对外输出电流与信号；取样管部件3贯入沉积物层一定深度后，由于取样管部件3与沉积物间的摩擦阻力等于取样器自身的重量，此时取样器将不再继续进尺，振动舱2和导向柱5因与取样管部件3为刚性连接也不再继续进尺，但控制舱1仍继续沿导向柱5向下运动并压缩弹簧22，磁铁15与控制舱1顶部设置的深水磁感应开关13分离，控制舱1处于通电开启状态，电力及信号经过深水电缆7同步输出至振动舱2内部各音圈电机振动器25，此时振动舱2处于通电振动状态，沉积物在振动液化作用下对取样管提供的阻力降低，取样器将继续进尺；在取样管部件到达指定进尺深度后，地表收紧绳索17上提取样器，控制舱1将率先向上运动，深水磁感应开关13再次与磁铁15进行贴合，音圈电机控制器9断电，使振动舱2断电停止振动，确保上提过程中样品不致因振动从取样管部件3内部脱出；继续上提取样器，直至钻头32从沉积物层中完全拔出，爪簧33在内部样品的重力作用下会自动闭合；将取样器提升至地表后，取出装有样品的衬管31，用于后续封装、运输及分析。

Claims (6)

1.一种全自动冰下沉积物振动取样器，其特征在于：包括有控制舱、振动舱和取样管部件，其中控制舱装配在取样器本体的上部，控制舱通过滑动套环套接在导向柱上，控制舱在滑动套环的带动下能够沿导向柱进行上下滑动，导向柱的底部通过法兰盘与振动舱的顶部相连接，控制舱内的控制装置通过深水电缆与振动舱内的振动装置相连接，通过深水电缆控制舱向振动舱内传输电力及控制信号，振动舱的底部通过连接件与取样管部件的顶部相连接。

2.根据权利要求1所述的一种全自动冰下沉积物振动取样器，其特征在于：所述的控制舱的内腔中依次设置有音圈电机控制器、变压模块和电池组，音圈电机控制器、变压模块和电池组依次相连接，电池组通过变压模块向音圈电机控制器提供电力，音圈电机控制器与深水电缆相连接，音圈电机控制器通过深水电缆向振动舱内的振动装置提供电力和控制信号，控制舱的上端盖内设置有深水磁感应开关，深水磁感应开关与音圈电机控制器相连接并控制音圈电机控制器的工作，深水磁感应开关设置为常闭模式，导向柱的顶端设置有顶盖，顶盖内设置有磁铁，磁铁的位置与深水磁感应开关的位置相应并能够与深水磁感应开关进行贴合，磁铁与深水磁感应开关进行贴合时音圈电机控制器处于断路状态，此时音圈电机控制器不对外输出电力与信号；磁铁与深水磁感应开关断开后，深水磁感应开关转换为闭合状态，此时音圈电机控制器通过深水电缆向振动舱内的振动装置提供电力和控制信号。

3.根据权利要求2所述的一种全自动冰下沉积物振动取样器，其特征在于：所述的控制舱的上端盖上还连接有吊环，吊环上连接有绳索，控制舱的上端盖与控制舱的内侧壁之间设置有第一密封圈，控制舱的下端盖上设置有第一水密接头，水密接头与深水电缆相连接，控制舱的下端盖与控制舱内侧壁之间设置有第二密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种全自动冰下沉积物振动取样器，其特征在于：所述的滑动套环底部的导向柱上设置有弹簧，导向柱顶端的顶盖上部设置有防撞块。

5.根据权利要求2所述的一种全自动冰下沉积物振动取样器，其特征在于：所述的振动舱的内腔中装配有固定架，固定架上固定有音圈电机振动器，音圈电机振动器通过深水电缆与控制舱内的音圈电机控制器相连接并由音圈电机控制器提供电力和控制工作，振动舱的上盖上设置有第二水密接头，第二水密接头与深水电缆相连接，振动舱的上盖与振动舱的舱体之间设置有第三密封圈，振动舱的下盖与振动舱的舱体之间设置有第四密封圈，振动舱的下盖底部连接有连接件，振动舱通过该连接件与取样管部件的顶部相连接。

6.根据权利要求1所述的一种全自动冰下沉积物振动取样器，其特征在于：所述的取样管部件包括有外管、衬管和钻头，其中外管套设在衬管上，钻头螺接在外管的底部，衬管内腔的底部设置有爪簧，爪簧通过环状台阶定位，外管的顶部固连有定位环，定位环的顶部螺接在振动舱底部的连接件上，衬管的顶部装配有阀体，阀体内设置有阀球。

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