CN112485064B - 一种深海海水原位取样器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深海海水原位取样器，属于海洋技术仪器设备领域。所述取样器特征在于：包括取样筒组件、电磁铁组件和连接框架组件。所述取样器以取样筒、筒内活塞、筒外活塞进行海水取样，并在筒外活塞上反向安装Y型密封圈，既能起到密封作用又能进行压力释放。所述取样器以恒力发条作为取样动力源，以失电电磁铁作为采样控制信号以减少对载体能源的消耗。本发明可在任意时刻对任意海域的海水进行无污染原位取样，尤其将其搭载在全海深自主式水下机器人(AUV)上，可在水下11000m处对压力高达110MPa的海水进行无污染原位取样。所述取样器在南海海试时于1546.97m处成功取回水样，同时在实验室130MPa静水压力试验时成功从压力罐中取出水样。

Description

一种深海海水原位取样器

技术领域

本发明专利涉及一种全海深海水取样器，特别适用于在全海深大压力环境下配备于自主式水下机器人(AUV)在水下11000m，对110MPa的海水进行无污染原位取样。属于海洋技术仪器设备领域。

背景技术

马里亚纳海沟是一个极端复杂的环境，其最深处为11034m，海水压力超过110MPa，为地球的最深点。海沟中海水中的成分可以在一定程度上标识其资源的种类及蕴藏量。同时，追踪海水中气体浓度的异常分布特征有助于识别海底的热液活动和探寻海洋资源。如何获得原位高纯度的全海深海水样品已经成为各国研究的重点。研究全海深海水原位取样器对探索大洋深处，开发海洋资源供了技术支持和理论指导。

目前，一系列的海水取样器已被研制出来。专利申请号为201611181520.2，名称为《海水取样装置及海水取样系统》的中国专利，研制了一种自动海水取样装置，其通过释放重块打开取样限位开关，在自身重力的作用下实现原本分离的上封盖、取样瓶体和下封盖在中心轴上的闭合和密封，但未考虑因海水不同深度处压力的变化对取样器的影响。专利申请号为201010290255.8，名称为《深海微生物自动保压取样器》的中国专利，研制了深海微生物自动保压取样器，其通过设置挡水片的破裂域值来控制取样深度，但挡水片的破裂需要在一定深度下才能实现，因此不能实现在任意海域内对海水进行采样。专利申请号为03120942.6，名称为《高纯度保压深海热液取样器》的中国专利，给出了解决样品中含有非样品海水问题的方法，其通过多个液压阀配合进行海水取样和密封保压，但液压阀在110MPa的压力下工作极易失效，通过液压阀在全海深环境下无污染取样不能安全可靠的实现。

上述海水取样器在配备全海深AUV方面存在以下困难：其一，现有海水取样器多为浅海域海水取样器，不涉及全海深大压力环境对海水的取样；其二，液压阀等液压元器件在110MPa的环境下不适用，因此采用液压阀作为开关装置和密封装置进行取水的方法在全海深环境下很难完成；其三，现有海水取样器取样深度范围有限，不能在任意时刻对任意海深的海水进行取样；其四，取样装置结构越复杂，有相对运动的元件越多、需要控制的元器件越多，取样器失效概率越大，同时，在水下11000m且AUV能源有限的情况下，执行机构每多做一个动作都会增加能源消耗和AUV自身的危险性。

发明内容

本发明专利的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种取样信号简单、动作少，能够在全海深环境下在任意时刻对任意海域的海水进行无污染原位取样的全海深海水原位取样器，为对海洋资源的考察和研究提供技术支持和装备支撑。

本发明的目的是这样实现的：包括连接框架组件、通过限位装置设置在连接架框架组件内的取样筒组件、设置在连接架框架组件内的电磁铁组件，取样筒组件包括后法兰盘、筒内活塞、Y型密封圈、中法兰盘、钢丝绳连接件、活塞导向杆、连接柱、恒力发条、前法兰盘、筒外活塞、取样筒、滑块、释放连杆、限位销，取样筒安装在中法兰盘和后法兰盘之间，前法兰盘、中法兰盘和后法兰盘通过四个连接柱用螺纹进行连接，取样筒的筒口处装有筒内活塞，筒内活塞上套有Y型密封圈和导向支撑环，筒内活塞的两侧通过螺纹连接安装有钢丝绳连接件，筒口外侧前法兰盘一端有筒外活塞，筒外活塞上套有一个反向安装的Y型密封圈，筒外活塞在靠近筒口一侧的端面上通过螺纹连接安装有钢丝绳连接件，通过钢丝绳绕过钢丝绳连接件将筒内活塞与筒外活塞连接，前法兰盘上安装恒力发条，恒力发条的头部与释放连杆固定连接，释放连杆的两端连接两个导向滑块，导向滑块可在连接柱上滑动并限制恒力发条的运动位置；导向滑块与恒力发条一侧的两个连接柱上开有通孔，通过销轴固定恒力发条的初始位置，使恒力发条处于拉力状态；后法兰盘上安装有用来改变恒力发条的拉力方向的两个定滑轮及其相应的滑轮限位架，释放连杆上装有钢丝绳且钢丝绳绕过两个定滑轮与筒内活塞的钢丝绳连接件相连，通过恒力发条回卷运动带动释放连杆运动，通过钢丝绳带动筒内活塞和筒外活塞运动，前法兰盘上开有T型导向通孔，T型导向通孔中穿过活塞导向杆，导向杆的一端与筒外活塞通过螺纹连接，导向杆上套有O型圈，且O型圈放置于T型孔内；电磁铁组件包括杠杆轴、杠杆鹰头、电磁铁连接架、密封后的失电电磁铁、吸盘、杠杆尾端、吸盘卡盘、杠杆锁紧挡圈、拉簧，杠杆鹰头和杠杆尾端通过销轴连接构成省力杠杆，杠杆鹰头可绕着销轴旋转且旋转后由拉簧使其复位，省力杠杆通过杠杆轴和杠杆锁紧挡圈安装在电磁铁连接架上，吸盘通过螺钉将其和杠杆尾端与吸盘卡盘相连；密封后的失电电磁铁与电磁铁连接架通过螺栓进行连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.取样前，将释放连杆拉到抵住后法兰盘的位置，通过销轴将释放连杆上的滑块限位，使恒力发条处于拉伸状态，并将筒内活塞拉到筒口位置，将取样筒组件插入到连接框架组件内，通过连接框架组件上的限位装置中的限位销对取样筒组件进行限位，拔掉滑块上的销轴，由杠杆鹰头对释放连杆进行限位；吸盘与密封后的失电电磁铁相吸，限制省力杠杆的杠杆尾端的转动，由于杠杆尾端低于杠杆鹰头，杠杆尾端可对杠杆鹰头进行限位，从而通过杠杆鹰头对取样筒组件上的释放连杆进行初始限位，使恒力发条在采样前始终处于拉伸状态；

2.取样时，在取样器下潜的过程中，筒内活塞停在取样筒的筒口，其他层的海水可在筒内活塞和筒外活塞之间自由流动，当到达指定位置进行取样时，给密封后的失电电磁铁通电，失去对吸盘的吸附力，省力杠杆失去对释放连杆的约束作用，释放连杆在恒力发条拉力的作用下向中法兰盘方向运动，同时通过钢丝绳带动筒内活塞从筒口向筒底运动，排出取样筒内残留的其他层的海水，同时该取样位置处的海水从筒口进入；筒内活塞运动一定距离后，将筒内活塞与筒外活塞之间的钢丝绳拉直，从而带动筒外活塞向筒内方向运动，当筒内活塞到达筒底且筒外活塞进入筒口位置时，原位海水样品就密封在了取样筒内的筒内活塞和筒外活塞之间，同时其他位置层的海水被排除干净，完成取样动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.采用活塞与取样筒配合取样，取样结构简单；可以搭载到任意载体上，具有通用性和便携性。

2.采用恒力发条作为驱动元件，利用恒力发条在回卷运动过程中保持各个位置拉力基本不变的特性，为采样过程提供恒定的驱动力。

3.采用密封后的失电电磁铁作为采样运动过程中的限位开关，利用失电电磁铁断电保持吸力、通电失去吸力的特性，使触发信号简单，减少采样过程对能源的消耗，同时可以在任意时刻对任意深度的海水进行取样。

4.采用Y型圈作为密封元件，并将筒外活塞的Y型圈反装，在实现密封取样筒内样品的同时又能在取样器上升过程中对取样筒内的压力进行释放，使取样筒内外压力相等。这样既能保证水样不被其它层海水污染又能避免水样回收时因取样筒内外的压力变化带来的危险。

附图说明

图1为本发明专利的结构简图(主视图)。

图2为取样筒组件的结构简图(主视图)。

图3为图3取样筒组件的A-A剖视图。

图4为本发明专利的结构简图(图1中A-A剖视图)。

图5为图1深海海水取样器取样筒限位装置的结构简图。

图6为电磁铁组件的结构简图(左视图)。

图7为电磁铁组件的结构简图(主视图)。

图8为电磁铁组件的结构简图(俯视图)。

图9为本发明的整体结构示意图一。

图10为本发明的整体结构示意图二。

图11为本发明的电磁铁组件的立体图。

图中零件名称如下：后连接板1、上杆2、前连接板3、中杆4、下杆5、螺栓6、后法兰盘7、筒内活塞8、导向支撑环9、Y型密封圈10、中法兰盘11、钢丝绳连接件12、钢丝绳13、活塞导向杆14、锁紧装置15、O型圈16、连接柱17、恒力发条18、前法兰盘19、Y型密封圈20、筒外活塞21、取样筒22、钢丝绳23、滑块24、螺栓25、释放连杆26、螺钉27、定滑轮28、滑轮限位架29、定滑轮轴30、定滑轮31、滑轮限位架32、销轴33、销轴34、螺栓35、弹簧36、限位销37、杠杆轴38、限位把手39、杠杆鹰头40、弹簧连接件41、弹簧连接件42、电磁铁连接架43、密封后的失电电磁铁44、吸盘45、杠杆尾端46、螺钉47、吸盘卡盘48、杠杆锁紧挡圈49、拉簧50、弹簧连接件51、拉簧52、通孔53、限位轴环54、弹簧垫圈55、螺母56、盲孔57、横梁58、横梁59。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图11，本发明包括取样筒组件、电磁铁组件和连接框架组件，全海深海水取样器安装时，螺栓6穿过通孔53将电磁铁组件固定在连接框架组件上，取样筒组件中法兰盘11底部开有对称的盲孔57，通过与连接框架组件上对称分布的限位装置的限位销37配合使用，将取样筒组件固定到连接框架组件上，连接框架组件通过螺栓与AUV固连。各部分具体安装过程如下：

1.取样筒组件的安装

所述取样筒组件包括后法兰盘7、筒内活塞8、导向支撑环9、Y型密封圈10、中法兰盘11、钢丝绳连接件12、钢丝绳13、活塞导向杆14、锁紧装置15、O型圈16、连接柱17、恒力发条18、前法兰盘19、Y型密封圈20、筒外活塞21、取样筒22、钢丝绳23、滑块24、释放连杆26、定滑轮28、滑轮限位架29、定滑轮轴30、定滑轮31、滑轮限位架32、轴销33。筒外活塞21上反向安装Y型密封圈20。

取样筒组件安装时，取样筒22安装在中法兰盘11和后法兰盘7之间，取样筒22的筒口处装有筒内活塞8，筒内活塞8上套有Y型密封圈10和导向支撑环9，筒内活塞8的两侧通过螺纹连接安装有钢丝绳连接件12。筒口外侧前法兰盘一端有筒外活塞21，筒外活塞21上套有一个反向安装的Y型密封圈20，在起到密封作用的同时，释放在上升过程中取样筒22内的海水的压力。

(1)取样筒组件中各部分的连接关系

为使活塞在取样筒内运动，由恒力发条18提供驱动力，安装方式为：筒外活塞21在靠近筒口一侧的端面上通过螺纹连接安装有钢丝绳连接件12，通过钢丝绳13绕过钢丝绳连接件12将筒内活塞8与筒外活塞21进行连接。前法兰盘19、中法兰盘11和后法兰盘7通过四个连接柱17用螺纹进行连接。前法兰盘19上安装恒力发条18，恒力发条18的头部通过螺钉27与释放连杆26固定连接，释放连杆26的两端通过螺栓25连接两个导向滑块24，导向滑块24可在连接柱17上滑动，限制恒力发条18的运动位置。导向滑块24与恒力发条18一侧的两个连接柱17上开有通孔，可通过销轴33固定恒力发条18的初始位置，使恒力发条18处于拉力状态，为取样过程提供驱动力。后法兰盘7上安装有两个定滑轮28、31及其相应的钢丝绳限位架29、32，用来改变恒力发条18的拉力方向。释放连杆26上装有钢丝绳23，其绕过两个定滑轮28、31与筒内活塞8的钢丝绳连接件12相连，通过恒力发条18回卷运动带动释放连杆26运动，通过钢丝绳23带动筒内活塞8和筒外活塞21运动。

(2)取样前对筒外活塞施加约束

为防止筒外活塞在取样前滑动，需要给活塞提供锁紧装置，其实施方式为：前法兰盘19上开有T型导向通孔，其中穿过活塞导向杆14，导向杆14的一端与筒外活塞21通过螺纹连接，导向杆14上套有O型圈16，并将O型圈16放置于T型孔内，通过拧紧前法兰盘19上的螺钉使前法兰盘19上的锁紧装置15产生锁紧力，对T型导向孔内的O型圈16产生挤压，从而调节活塞导向杆14在前法兰盘19内滑动的摩擦力大小，避免滑动。

2.电磁铁组件的安装

电磁铁组件包括杠杆轴38、杠杆鹰头40、弹簧连接件41、弹簧连接件42、电磁铁连接架43、密封后的失电电磁铁44、吸盘45、杠杆尾端46、吸盘卡盘48、杠杆锁紧挡圈49、拉簧50、弹簧连接件51、拉簧52。省力杠杆由杠杆鹰头40和杠杆尾端46组成，通过销轴34将其进行连接，杠杆鹰头40可绕着销轴34旋转一定角度，拉簧52两端分别于弹簧连接件41和弹簧连接件51相连、旋转后的杠杆鹰头40由拉簧52使其复位；省力杠杆通过杠杆轴38和杠杆锁紧挡圈49安装在电磁铁连接架43上，吸盘45通过螺钉47将其和杠杆尾端46与吸盘卡盘48相连，拉簧50的两端分别于弹簧连接件41和弹簧连接件42相连，省力杠杆带着吸盘45可绕杠杆轴38转动一定角度，转动后省力杠杆和吸盘45在自身重力和拉簧50的共同作用下复位；密封后的失电电磁铁44与电磁铁连接架43通过螺栓35进行连接。弹簧连接件42设置在电磁铁连接架43上，弹簧连接件51设置在杠杆鹰头上，弹簧连接件41设置在杠杆尾端上。

3.连接框架组件的安装

连接框架组件主要由前连接板3、后连接板1、上杆2、中杆4、下杆5、弹簧36和取样筒限位装置组成。前连接板3、后连接板1、上杆2、中杆4、下杆5通过螺钉连接，并把取样筒组件和电磁铁组件固定在AUV上。其中的取样筒限位装置由弹簧36、限位销37、限位把手39、限位轴环54、弹簧垫圈55和螺母56组成，限位销37贯穿横梁58和横梁59，弹簧36和限位轴环54上端由，限位销37的轴肩限位，下边连接弹簧36，弹簧36的下端由横梁59限位，限位把手39位于横梁59下端，由弹簧垫圈55和螺母56限位。向下拉动限位把手39时限位销37的顶端于横梁58上端平齐，松开限位把手39后限位销37在弹簧36的作用下复位。

本发明的工作过程为：

1.取样前准备工作

取样前，将释放连杆26拉到抵住后法兰盘7的位置，通过限位装置中的轴销33将释放连杆26上的滑块24限位，使恒力发条18处于拉伸状态，并将筒内活塞8拉到筒口位置，将取样筒组件插入到连接框架组件内，通过连接框架组件上的限位销37对取样筒组件进行限位，拔掉滑块24上的轴销33，由杠杆鹰头40对释放连杆26进行限位；吸盘45与密封后的失电电磁铁44相吸，限制省力杠杆的杠杆尾端46的转动，由于杠杆尾端46低于杠杆鹰头40，杠杆尾端46可对杠杆鹰头40进行限位，从而通过杠杆鹰头40对取样筒组件上的释放连杆26进行初始限位，使恒力发条18在采样前始终处于拉伸状态。

2.取样时各部分运动关系

取样时，在取样器下潜的过程中，筒内活塞8停在取样筒22的筒口，其他层的海水可在筒内活塞8和筒外活塞21之间自由流动。当到达指定位置进行取样时，给密封后的失电电磁铁44通电，失去对吸盘45的吸附力，省力杠杆失去对释放连杆26的约束作用，释放连杆26在恒力发条18拉力的作用下向中法兰盘11方向运动，同时通过钢丝绳23带动筒内活塞8从筒口向筒底运动，排出取样筒22内残留的其他层的海水，同时该取样位置处的海水从筒口进入。筒内活塞8运动一定距离后，将筒内活塞8与筒外活塞21之间的钢丝绳13拉直，从而带动筒外活塞21向筒内方向运动，当筒内活塞8到达筒底且筒外活塞21进入筒口位置时，原位海水样品就密封在了取样筒22内的筒内活塞8和筒外活塞21之间，同时其他位置层的海水被排除干净，完成取样动作。

3.取样器上升过程中的释压过程

筒内压力释放过程，在AUV上升的过程中，取样筒22内的海水样品因压力差挤压筒外活塞21的Y型密封圈20，因Y型密封圈20反向安装，因此会使筒内的高压力海水样品沿着Y型密封圈20周围部分泄露，直到取样筒22内外压力平衡，Y型密封圈20重新起到密封的作用。

4.样品收集过程

取样器回收后，按住连接框架上的限位把手39，将限位销37从中法兰盘11上拔出，将取样筒组件从连接框架组件上抽出，通过活塞导向杆14将筒外活塞21从取样筒22内拉出，即可完成海水样品的回收，此时筒内压力与等于大气压力，不存在危险性。

综上，一种全海深(水下11000m、海水压力110MPa)海水原位取样器，属于海洋技术仪器设备领域。所述取样器特征在于：包括取样筒组件、电磁铁组件和连接框架组件。所述取样器以取样筒、筒内活塞、筒外活塞进行海水取样，并在筒外活塞上反向安装Y型密封圈，既能起到密封作用又能进行压力释放。所述取样器以恒力发条作为取样动力源，以失电电磁铁作为采样控制信号以减少对载体能源的消耗。本发明可在任意时刻对任意海域的海水进行无污染原位取样，尤其将其搭载在全海深自主式水下机器人(AUV)上，可在水下11000m处对压力高达110MPa的海水进行无污染原位取样。所述取样器在南海海试时于1546.97m处成功取回水样，同时在实验室130MPa静水压力试验时成功从压力罐中取出水样。

Claims (2)

1.一种深海海水原位取样器，其特征在于：包括连接框架组件、通过限位装置设置在连接架框架组件内的取样筒组件、设置在连接架框架组件内的电磁铁组件，取样筒组件包括后法兰盘、筒内活塞、Y型密封圈、中法兰盘、钢丝绳连接件、活塞导向杆、连接柱、恒力发条、前法兰盘、筒外活塞、取样筒、滑块、释放连杆，取样筒安装在中法兰盘和后法兰盘之间，前法兰盘、中法兰盘和后法兰盘通过四个连接柱用螺纹进行连接，取样筒的筒口处装有筒内活塞，筒内活塞上套有Y型密封圈和导向支撑环，筒内活塞的两侧通过螺纹连接安装有钢丝绳连接件，筒口外侧前法兰盘一端有筒外活塞，筒外活塞上套有一个反向安装的Y型密封圈，筒外活塞在靠近筒口一侧的端面上通过螺纹连接安装有钢丝绳连接件，通过钢丝绳绕过钢丝绳连接件将筒内活塞与筒外活塞连接，前法兰盘上安装恒力发条，恒力发条的头部与释放连杆固定连接，释放连杆的两端连接两个导向滑块，导向滑块可在连接柱上滑动并限制恒力发条的运动位置；导向滑块与恒力发条一侧的两个连接柱上开有通孔，通过销轴固定恒力发条的初始位置，使恒力发条处于拉力状态；后法兰盘上安装有用来改变恒力发条的拉力方向的两个定滑轮及其相应的滑轮限位架，释放连杆上装有钢丝绳且钢丝绳绕过两个定滑轮与筒内活塞的钢丝绳连接件相连，通过恒力发条回卷运动带动释放连杆运动，通过钢丝绳带动筒内活塞和筒外活塞运动，前法兰盘上开有T型导向通孔，T型导向通孔中穿过活塞导向杆，导向杆的一端与筒外活塞通过螺纹连接，导向杆上套有O型圈，且O型圈放置于T型孔内；电磁铁组件包括杠杆轴、杠杆鹰头、电磁铁连接架、密封后的失电电磁铁、吸盘、杠杆尾端、吸盘卡盘、杠杆锁紧挡圈、拉簧，杠杆鹰头和杠杆尾端通过销轴连接构成省力杠杆，杠杆鹰头可绕着销轴旋转且旋转后由拉簧使其复位，省力杠杆通过杠杆轴和杠杆锁紧挡圈安装在电磁铁连接架上，吸盘通过螺钉将其和杠杆尾端与吸盘卡盘相连；密封后的失电电磁铁与电磁铁连接架通过螺栓进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种深海海水原位取样器，其特征在于：取样前，将释放连杆拉到抵住后法兰盘的位置，通过销轴将释放连杆上的滑块限位，使恒力发条处于拉伸状态，并将筒内活塞拉到筒口位置，将取样筒组件插入到连接框架组件内，通过连接框架组件上的限位装置中的限位销对取样筒组件进行限位，拔掉滑块上的销轴，由杠杆鹰头对释放连杆进行限位；吸盘与密封后的失电电磁铁相吸，限制省力杠杆的杠杆尾端的转动，由于杠杆尾端低于杠杆鹰头，杠杆尾端可对杠杆鹰头进行限位，从而通过杠杆鹰头对取样筒组件上的释放连杆进行初始限位，使恒力发条在采样前始终处于拉伸状态；

取样时，在取样器下潜的过程中，筒内活塞停在取样筒的筒口，其他层的海水可在筒内活塞和筒外活塞之间自由流动，当到达指定位置进行取样时，给密封后的失电电磁铁通电，失去对吸盘的吸附力，省力杠杆失去对释放连杆的约束作用，释放连杆在恒力发条拉力的作用下向中法兰盘方向运动，同时通过钢丝绳带动筒内活塞从筒口向筒底运动，排出取样筒内残留的其他层的海水，同时该取样位置处的海水从筒口进入；筒内活塞运动一定距离后，将筒内活塞与筒外活塞之间的钢丝绳拉直，从而带动筒外活塞向筒内方向运动，当筒内活塞到达筒底且筒外活塞进入筒口位置时，原位海水样品就密封在了取样筒内的筒内活塞和筒外活塞之间，同时其他位置层的海水被排除干净，完成取样动作。