CN112985914B - 一种基于水下移动平台的含上覆水沉积物保真取样器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深海取样领域，具体涉及一种基于水下移动平台的含上覆水沉积物保真取样器。包括取样外筒，取样外筒两端开口，顶端连接端部密封盖，底端连接球阀；端部密封盖上设有压力传感器；液压装置设于端部密封盖上，端部密封盖上设有通孔，取样外筒内设有上部活塞和下部活塞，两个活塞通过钢丝绳软连接，上部活塞与液压装置相连；下部活塞上开有通孔，通孔内设有单向阀；下部活塞底部与取样内筒连接，取样内筒底端连接取样花瓣；取样外筒上部和中部的侧壁上均开有通孔，通孔内安装有保压阀门；蓄能器通过液压管和取样外筒上部通孔内的保压阀门与取样筒相连。本发明能够同时取沉积物和上覆水，提高了采样效率同时减小了搭配的移动平台的工作量。
Description
技术领域
本发明涉及深海取样领域，具体涉及一种基于水下移动平台的含上覆水沉积物保真取样器。
背景技术
深海微生物具有巨大的研究价值，近年来对海洋微生物的研究越来越热。深海是一个具有低温或高温、高压、高盐、富营养、黑暗等极端环境特征的生态系统，深海微生物在生存进化过程中已经适应了这样极端特殊的环境。为了深海微生物地面实验室的培养研究，需要一套可以实现深海微生物样品保真取样的设备。开发海底保真采样系统及测试技术，从多学科角度研究甲烷渗漏及其对海洋环境的影响及机理也是国家能源和环境重大战略的迫切需求。国际上关于该界面的甲烷渗漏研究主要基于定点长期监测，但针对区域性甲烷渗漏的探测相对缺乏，究其原因是该界面的移动探测和高保真采样技术相对匮乏，相关的转移和测试技术也较薄弱。常规取样常导致样品气相组份散失、微生物死亡、氧化态改变和有机组份分解，极大的限制了甲烷渗漏区通量计算和地质环境系统演化的深入研究。因此，开发避免压力波效应冲散表层絮凝状沉积物，实现稳定缓慢地取样、现场保真保存、样品原位封装，同时避免取样器内上覆水和沉积物混合扰动的低污染、低扰动的原位保真采样技术将为精确的了解区域甲烷渗漏通量及其对海洋环境的影响机理提供必要的技术手段。
发明内容
本发明专利提供了一种借助水下多功能移动平台的海底表层沉积物(含上覆水)低扰动原位封装、保压、气密、防止取样器内上覆水和沉积物混合的保真取样装置及取样方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供了一种基于水下移动平台的含上覆水沉积物保真取样器，包括取样器、液压装置和蓄能器；
取样器包括取样外筒，取样外筒两端开口，顶端连接端部密封盖，底端连接球阀；端部密封盖上设有压力传感器；压力传感器，在取样器取完海底样品回收到水面这个过程中可以监测取样器内部的压力，确定整个过程中的压力几乎没有变化；
液压装置设于端部密封盖上，能与多功能移动平台上的液压供给源连接；端部密封盖上设有通孔，取样外筒内设有上部活塞和下部活塞，两个活塞通过钢丝绳软连接，上部活塞与液压装置相连，液压装置能驱动上部活塞在取样外筒内运动；下部活塞上开有通孔，通孔内设有单向阀，液体能经由单向阀从下部活塞下方向上流动至上下部活塞间的空间中；下部活塞底部与取样内筒连接，取样内筒底端连接取样花瓣；
取样外筒上部和中部的侧壁上均开有通孔，通孔内安装有保压阀门；蓄能器通过液压管和取样外筒上部通孔内的保压阀门与取样筒相连。
作为一种改进，蓄能器包括蓄能器壳体，蓄能器壳体内设有活塞从而将蓄能器壳体内部空间分为氮气腔室和液体腔室。
作为一种改进，液压装置为液压油缸。
作为一种改进，取样装置在使用时分为两个状态，分别为：准备状态和取样状态；取样装置在未下水的准备状态时，上部活塞和下部活塞紧贴且均位于取样外筒中部；取样装置在入水后的取样状态时，上部活塞和下部活塞分离且二者与取样外筒共同组成一密封空腔。
作为一种改进，取样内筒与下部活塞通过螺纹连接。
作为一种改进，蓄能器和取样外筒通过抱箍固定连接。
本发明中，蓄能器的端部使用密封盖通过螺钉实现密封，取样装置上端采用密封端盖和螺钉进行密封，蓄能器和液压管之间通过阀门连接，液压管和取样器之间也采用阀门连接。
本发明中，单向阀门、上覆水转移阀门、液压导管、液压油缸、压力传感器、球阀、钢丝绳可以从市面销售产品里采购。蓄能器、取样器内外筒、取样管、上部端盖、活塞等则按照实际需要进行加工即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)取样器能够同时取沉积物和上覆水，将本来由两个采样装置完成的工作集成到一个装置上，提高了采样效率同时减小了搭配的水下多功能移动平台的工作量。
(2)取样器取到的上覆水里不含有提前注入的去离子水或者非采样位置的海水。上下活塞之间的钢丝绳软连接能够限制两者之间的位移，保证上覆水和沉积物采样的先后顺序。
(3)能够将沉积物和上覆水之间完全隔开，实现了取样器回收过程中两者之间的零干扰掺混。
(4)下部球阀能够为后续的保压转移工作提供快速的对接和转移，并在转移之后对取样器进行再次密封。
(5)能够保证大重量的取样器整体不插入土中，而是将既轻又薄的取样管通过液压油缸间接插入沉积物进行取样，这样减轻了水下多功能移动平台和液压油缸的压力。
(6)下部球阀在泥面以上，能够方便机械臂对其进行开关操作，也防止出现球阀在泥面一下被卡住而不能完全密封的问题。
附图说明
图1是本发明的外部整体结构示意图；
图2是本发明中取样器的剖面示意图；
图3是本发明取上覆水前的剖面示意图；
图4是本发明中取样筒插入土中后的剖面示意图；
图5是本发明中蓄能器的剖面示意图。
图中：1-液压油缸；2-压力传感器；3-端部密封盖；4-上覆水转移阀门；5-取样外筒；6-球阀；7-抱箍；8-蓄能器；9-通孔；10-上部活塞；11-钢丝绳；12-单向阀；13-下部活塞；14-保压阀门；15-花瓣；16-取样内筒；17-保压阀门。
具体实施方式
结合附图，下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1和图2所示，一种基于水下多功能移动平台的含上覆水沉积物的保真取样装置，包括取样器、液压装置和蓄能器8。
取样器包括取样外筒5，取样外筒5两端开口，顶端连接端部密封盖3，底端连接球阀6。端部密封盖3上设有压力传感器2。压力传感器2，在取样器取完海底样品回收到水面这个过程中监测取样器内部的压力，确定整个过程中的压力几乎没有变化。
液压装置设于端部密封盖3上，液压装置为液压油缸1、液压泵及其他液压装置。能与多功能移动平台上的液压供给源连接。端部密封盖3上设有通孔9，取样外筒5内设有上部活塞10和下部活塞13，两个活塞通过钢丝绳11软连接，上部活塞10与下部活塞13之间钢丝绳11的软连接既保证了上部活塞10可以和下部活塞13的相对距离的减小，又限制了两者之间的最大距离。上部活塞10与液压装置相连，液压装置能驱动上部活塞10在取样外筒5内运动。下部活塞13上开有通孔，通孔内设有单向阀12，液体能经由单向阀12从下部活塞13下方向上流动至上下部活塞间的空间中。下部活塞13底部与取样内筒16螺纹连接，取样内筒16底端连接取样花瓣15。
取样外筒5上部和中部的侧壁上均开有通孔，通孔内安装有保压阀门14、17。蓄能器8通过液压管和取样外筒5上部通孔内的保压阀门17与取样筒相连。蓄能器8和取样外筒5通过抱箍7固定连接。如图5所示，蓄能器8包括蓄能器壳体，蓄能器壳体内设有活塞从而将蓄能器壳体内部空间分为氮气腔室和液体腔室。
取样装置在使用时分为两个状态，分别为：准备状态和取样状态。取样装置在未下水的准备状态时，上部活塞10和下部活塞13紧贴且均位于取样外筒5中部。取样装置在入水后的取样状态时，上部活塞10和下部活塞13分离且二者与取样外筒5共同组成一密封空腔。
下面结合附图3、4介绍本发明的具体工作步骤：
(1)在取样器下水之前，通过蓄能器8上部的阀门往蓄能器8内部充入一定压力的氮气，并关闭上覆水的转移阀门4，通过液压油缸1将上部活塞10推到和下部活塞13紧贴，见图3。使用液压管将蓄能器8和取样器5连接，并将取样器通过抱箍7安装到水下多功能移动平台上。再接着将水下多功能移动平台上的液压供给系统连接到液压油缸1。在下水前要将球阀6打开。
(2)取样器的准备工作完成之后，取样器随着水下多功能移动平台一同下放到海底指定取样位置。由于球阀6处在开启位置，取样器内部与海水相连，在取样器下放到海底的过程中蓄能器8内部活塞在海水压力作用下向氮气腔室移动从而使蓄能器8的压力达到海底的压力。又因为上部端盖3开了一个通孔9，所以上部腔室也与海水联通，这样就保证了整个取样器没有内外压差的作用，也能保证后续活塞能够移动。等到达取样位置之后，通过水平多功能平台调整取样器的姿态，使球阀6下部紧贴沉积物表层。接着控制液压供给系统给取样器液压油缸1供油，液压油缸1拉动上部活塞10的向上运动。由于上部活塞10向上运动形成的上部腔室内部的压力小于取样器外部压力，在该压力的作用下上覆水通过取样内筒16并通过下部活塞13上单向阀12进入上部腔室。待上部活塞10到达上部腔室顶部位置时，上覆水的采集完成。由于单向阀12的单向导通作用，故上覆水在取样器上部腔室内保存。
(3)接下来进行沉积物的采样，通过水下多功能平台上的液压系统缓慢地推动上部活塞10向下运动，由于上下活塞之间存在水体且是密封环境，故下部活塞13也同步跟着上部活塞10运动，直到取样内筒16完全插入到沉积物中。取完沉积物后，液压油缸1拉动上部活塞10向上运动，并通过钢丝绳11拉动下部活塞13向上运动，最终将取样内筒16提到取样器内部。由于花瓣15的阻挡作用，沉积物就在取样内筒16保存而不会在提升的过程中脱落。取完沉积物后，通过机械臂将球阀6关闭，通过回收水下多功能平台将取样器回收。
(4)由于蓄能器8内部的压力在到达海底时已经达到了相应压力，故取样器在密封的状态下，可以通过蓄能器8来保证取样器回收到海面过程中内部的压力始终为海底的压力。
(5)取样器回收完成之后，可以通过将保压转移装置与上覆水转移阀门4连接，从上部通孔往取样器内部注水，推动上部活塞10向下运动，从而将上覆水转移。通过保压装置上的球阀与取样器下部球阀6对接，并通过保压装置内部的机械手抓住取样内筒16，并旋转将其卸下转到保压转移装置内。
最后需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于水下移动平台的含上覆水沉积物保真取样器，其特征在于，包括取样器、液压装置和蓄能器；
所述取样器包括取样外筒，取样外筒两端开口，顶端连接端部密封盖，底端连接球阀；所述端部密封盖上设有压力传感器；
所述液压装置设于端部密封盖上，能与多功能移动平台上的液压供给源连接；端部密封盖上设有通孔，取样外筒内设有上部活塞和下部活塞，两个活塞通过钢丝绳软连接，上部活塞与液压装置相连，液压装置能驱动上部活塞在取样外筒内运动；下部活塞上开有通孔，通孔内设有单向阀，液体能经由单向阀从下部活塞下方向上流动至上下部活塞间的空间中；下部活塞底部与取样内筒连接，取样内筒底端连接取样花瓣；
所述蓄能器包括蓄能器壳体，蓄能器壳体内设有活塞从而将蓄能器壳体内部空间分为氮气腔室和液体腔室；
所述取样外筒上部和中部的侧壁上均开有通孔，通孔内安装有保压阀门；所述蓄能器通过液压管和取样外筒上部通孔内的保压阀门与取样筒相连。
2.根据权利要求1所述的含上覆水沉积物保真取样器，其特征在于，所述液压装置为液压油缸。
3.根据权利要求1所述的含上覆水沉积物保真取样器，其特征在于，该保真取样器在使用时分为两个状态，分别为准备状态和取样状态；在未下水的准备状态时，上部活塞和下部活塞紧贴且均位于取样外筒中部；在入水后的取样状态时，上部活塞和下部活塞分离且二者与取样外筒共同组成一密封空腔。
4.根据权利要求1所述的含上覆水沉积物保真取样器，其特征在于，所述取样内筒与下部活塞通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的含上覆水沉积物保真取样器，其特征在于，所述蓄能器和取样外筒通过抱箍固定连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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