CN113447317B - 一种海水取样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海水取样器，包括气囊、气体发生装置、控制器、取样系统、基体，气囊连接在基体上，控制器、取样系统均连接在基体上，气囊连通气体产生装置，气体产生装置用于产生气体并排出至气囊中使基体上浮，取样系统用于在海水取样器上浮至水面之前收集海水样品，控制器分别和取样系统、气体产生装置电性连接，控制器用于控制气体产生装置和取样系统运行。本发明为无缆作业方式，自主完成下潜与浮出，可下潜于深海之中，无需专用的船载设备投放与回收，不占用过多船时。另外气体发生装置以化学物质反应方式产生气体完成浮力调节，对化学物质可控度高，易于控制浮力。取样系统也简化了部件结构，减少使用易损坏的复杂电路连接。

Description

一种海水取样器

技术领域

本发明涉及海洋技术仪器技术领域，具体是一种海水取样器。

背景技术

海洋是人类生命的起源，以其丰富的水体资源、矿产资源和生物资源支撑人类的永续发展。由于深海具有可视性差、水压大和地形复杂等特殊属性，人类对于深海的认知严重不足。深海中还有很多未知奥秘，如：深海生命体生存环境，生物与环境之间的物质能量交换方式，深海热液系统对矿产资源和生物资源的影响等。为解决以上科学问题，需要对深海水样进行取样分析。

检索专利文献发现，现有的水体取样技术存在以下几方面的缺点，(1)多数深海取样器设备为有缆控制作业，需要专用的船载设备进行投放与回收，有缆作业限制了深海取样器可达深度；(2)现有的高保真水质取样器虽然能达到原位取水目的，但装置附属配套设备过多，系统复杂极易损坏；(3)占用船时较长，科考船在取样器下水期间只能停船不动，作业效率极低；(4)现有装置电子化程度过高，此类器件在深海高压环境容易损坏，不够可靠；(5)现有装置控制系统比较复杂，成本过高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种海水取样器，其能够解决无缆海水取样的问题。

本发明的技术方案为：一种海水取样器，包括气囊、气体发生装置、控制器、取样系统、基体，气囊连接在基体上，控制器、取样系统均连接在基体上，气囊连通气体产生装置，气体产生装置用于产生气体并排出至气囊中使基体上浮，取样系统用于在海水取样器上浮至水面之前收集海水样品，控制器分别和取样系统、气体产生装置电性连接，控制器用于控制气体产生装置和取样系统运行。

进一步的，所述气体产生装置包括第一材料管、第二材料管、反应舱、第一排出组件和第二排出组件，第一材料管和第二材料管互不连通，第一材料管和第二材料管分别和反应舱连通，反应舱和气囊连通，使得在反应舱中所产生的气体能进入到气囊中，第一材料管和第二材料管分别装有能接触发生反应产生气体的两种物质，第一排出组件设置在第一材料管和反应舱连通的通道上以排出第一材料管的物质至反应舱，第二排出组件设置在第二材料管和反应舱连通的通道上以排出第二材料管的物质至反应舱，控制器分别和第一排出组件以及第二排出组件电性连接以控制第一排出组件以及第二排出组件的运行。

进一步的，所述第一排出组件为第一流量泵，所述第二排出组件为第二流量泵。

进一步的，所述第一材料管装有的物质为碳酸钙，第二材料管装有的物质为盐酸。

进一步的，所述气体产生装置还包括有混合层板，混合层板连接在反应舱内部，混合层板上包括有若干用于物质充分混合的孔。

进一步的，所述取样系统包括第三流量泵、第一单向阀、样品收集管、滑动活塞、第二单向阀，样品收集管包括进水口和出水口，第一单向阀内设在样品收集管靠近出水口的位置，第二单向阀内设在样品收集管靠近进水口的位置，滑动活塞内设在样品收集管中第一单向阀和第二单向阀之间，滑动活塞和第一单向阀之间构成第一腔室，滑动活塞和第二单向阀之间构成第二腔室，第一腔室和第二腔室互不连通，第三流量泵设置在靠近出水口的一端，第三流量泵用于通过第一单向阀抽出第一腔室的液体，使得海水从进水口穿过第二单向阀进入到第二腔室并推动滑动活塞移动，第二单向阀用于海水进入并将海水限制在第二腔室中。

进一步的，所述控制器为树莓派控制器。

进一步的，还包括测深装置，测深装置和控制器电性连接，测深装置用于检测海水取样器所在深度数据并反馈到控制器，控制器用于根据海水取样器所在深度数据控制气体产生装置和取样系统运行以收集不同深度的样品。

进一步的，还包括第一涡轮扇和第二涡轮扇，第一涡轮扇连接在基体的一端，第二涡轮扇连接在基体的另一端，第一涡轮扇和第二涡轮扇设置在同一轴线上。

进一步的，所述气囊上还设置有泄压阀，泄压阀和气囊连通，泄压阀用于平衡气囊内外压力防止气囊炸裂。

本发明的有益效果为：

1、本发明为无缆作业方式，自主完成下潜与浮出，可下潜于深海之中，无需专用的船载设备投放与回收，不占用过多船时。

2、以化学物质反应方式产生气体完成浮力调节，对化学物质可控度高，易于控制浮力。

3、减少使用多线路的电控连接，降低对控制单元的要求，减少电控损坏的概率。

4、利用双单向阀和流量泵锁死“海水样品”，取样管结构简单,无需对活塞进程进行控制。

5、在同一次投放使用能收集不同深度的海水样品，对本发明的装置适用大面积阵列投放使用。

附图说明

图1为本发明的装置的立体结构示意图。

图2为本发明的装置的正视图。

图3为气体发生舱的剖面结构示意图。

图4为未抽取海水时样品收集管内部结构剖面图。

图5为抽取海水过程中样品收集管内部结构剖面图。

图6为抽取海水完成时样品收集管内部结构剖面图。

图7为本发明的装置的俯视图。

图中，1、上盖板；2、卡圈；3、下盖板；4、第三流量泵；5、第一单向阀；6、样品收集管；7、第二单向阀；8、气囊；9、布放接头；10、泄压阀；11、连接杆；12、第一涡轮扇；13、基体；14、导向板；15、气体发生舱；150、舱壳；151、非反应舱；152、反应舱；153、第一材料管；154、第二材料管；155、第一流量泵；156、第二流量泵；157、混合层板；158、气体单向阀；16、管路井；17、第二涡轮扇；18、控制单元；19、底座；20、去离子水；21、滑动活塞；22、海水、23、进水口；24、出水口。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1-7所示，一种海水取样器，包括：浮力系统、取样系统、控制系统、平衡系统。所述浮力系统用于给海水取样器提供上浮动力；所述取样系统用于收集海水样品并保存在其中；所述控制系统用于控制浮力系统和取样系统的运行；所述平衡系统用于在装置上升下沉的过程中始终保持在竖直方向上。

所述浮力系统包括上盖板1、卡圈2、下盖板3、气囊8、泄压阀10、气体发生舱15。所述上盖板1和下盖板3均为圆环形，三个卡圈2的上端和上盖板1固定连接，三个卡圈2的下端和下盖板3固定连接，所述气囊8为旋转体结构，气囊8设置在三个卡圈2构成的圆形环道中。所述泄压阀10连通在气囊8上，泄压阀10在气囊8达到一定内部压力时打开阀门流出部分气体，泄压阀10的作用是，海水取样器上浮过程中因为水深变化气囊8外部水压变小，气囊8向外膨胀，为避免造成气囊8炸裂现象，泄压阀10流出部分气体，以维持气囊8内部压力与外界压力相同。气囊8还通过管路井16和气体发生舱15连通，气体发生舱15中产出的气体通过管路井16进入到气囊8，使得气囊8为本发明的装置提供浮力。

如图3，所述气体发生舱15包括非反应舱151、反应舱152、第一流量泵155、第二流量泵156、气体单向阀158、混合层板157和舱壳150。非反应舱151包括第一材料管153和第二材料管154，第一材料管153和第二材料管154分别通过连接件固定连接在舱壳150内侧壁，第一材料管153和第二材料管154分别通过管路和反应舱152的上端连通，第一材料管153和第二材料管154之间互不连通，第一材料管153和反应舱152连通的通道上设置有第一流量泵155，第二材料管154和反应舱152连通的通道上设置第二流量泵156，第一流量泵155和第二流量泵156分别控制单元18电性连接，打开第一流量泵155能从第一材料管153中抽出物质并排至反应舱152，打开第二流量泵156能从第二材料管154中抽出物质并排至反应舱152。第一材料管153内部中装有的物质为碳酸钙粉末，第二材料管154内部装有的物质为盐酸液体，碳酸钙粉末和盐酸液体在接触时会产生气体。反应舱152中还包括有从上往下排列设置的三层混合层板157，每层混合层板157上均排布有小孔，相邻的混合层板157之间的小孔错位设置，在第一材料管153的碳酸钙粉末和第二材料管154中的盐酸液体掉落在反应舱152中，碳酸钙粉末和盐酸液体会在混合层板157上移动并从小孔掉落到下方，在这个过程中碳酸钙粉末和盐酸液体充分接触混合，减少碳酸钙粉末和盐酸液体在特定位置堆积，使碳酸钙粉末和盐酸液体混合更充分，生成气体的效率更高。反应舱152的下端和管路井16连通，管路井16和气囊8连通，反应舱152中所产生的气体通过管路井16进入到气囊8中，气体单向阀158设置在反应舱152和管路井16连通的通道上，气体单向阀158限制从反应舱152产生的气体进入管路井16后回流。

上述采用第一流量泵155和第二流量泵156为其中一种排出物质的优选实施例，能实现准确且可控的物质排出量。在实际情况中也能采用如阀门等能用于开关通道的部件，亦或者采用能使得第一材料管153和第二材料管154倾斜掉落物质等技术，要求能控制第一材料管153的碳酸钙粉末和第二材料管154中的盐酸液体掉落在反应舱152中接触即可实现产生气体。

上述碳酸钙粉末和盐酸液体可以由其他材料所代替，只要求物质之间接触能产生气体均能用于本发明的装置中，采用物质反应产生气体相较于采用压缩气体的优势在于，易于通过控制物质的排出量确定性气体产生的量，根据气体产生的量控制本发明装置的浮力和上浮速度。

如图4-6，所述取样系统包括第三流量泵4、第一单向阀5、样品收集管6、滑动活塞21、第二单向阀7。样品收集管6的一端设置有用于海水22进入的进水口23，样品收集管6的另一端设置有去离子水20离开的出水口24。第一单向阀5内设在样品收集管6靠近出水口24的一端，第二单向阀7内设在样品收集管6靠近进水口23的一端，在第一单向阀5和第二单向阀7之间设有滑动活塞21，滑动活塞21的一侧和第一单向阀5之间构成第一腔室，滑动活塞21的另一侧和第二单向阀7构成第二腔室，第一腔室和第二腔室互不连通，滑动活塞21能沿样品收集管6轴向滑动。第三流量泵4设置在样品收集管6靠近出水口24的一端，第三流量泵4由控制系统所控制，第三流量泵4能通过第一单向阀5抽出第一腔室中的去离子水20，并将去离子水20从出水口24排出。在海水取样器使用之前，需要在第一腔室中提前注入去离子水20，并使得滑动活塞21和第一单向阀5之间具有一定距离，优选为滑动活塞21抵靠在第二单向阀7上，能最大化海水取样的量。海水取样器置于海中时，在第三流量泵4通过第一单向阀5抽出第一腔室中的去离子水20，并将去离子水20从样品收集管6中排出，并且由于第一单向阀5限制外部海水22进入第一腔室，这使得第一腔室压强下降，海水22由于水压的原因就会从进水口23进入第二腔室使得第二腔室体积增大，并推动滑动活塞21向第一单向阀5移动，进入到第二腔室中的海水22被第二单向阀7限制在第二腔室之中实现海水样品的收集。取样系统包括多根上述同样结构样品收集管6，样品收集管6固定连接在基体13上，不同的样品收集管6可根据实际需要用于收集不同深度的海水样品，获得不同深度的海水样品。上述在第一腔体提前充填去离子水20还有另一个作用，由于滑动活塞21在收集海水22会移动，样品收集管6中的去离子水20的位置逐渐被替代为海水样品，去离子水20可以让样品收集管6在收集海水样品前维持一个干净无污染的状态，在抽取海水22后海水22能保持在抽取时的质量。去离子水20也可以由其他液体代替也能实现抽取海水样品上述功能，采用去离子水20是优选方案。

所述控制系统包括控制单元18和管路井16。所述管路井16内部包括气体传输管道和信号线，气体传输管道分别连通反应舱152和气囊8，气体传输管道用于反应舱152所产生的气体传输到气囊8中。所述信号线用于使控制单元18分别和第一流量泵155、第二流量泵156、第三流量泵4构成电性连接，管路井16内设在基体13中，实现一条通道满足气体传输和信号传输要求，并对气体传输管道和信号线进行密封，以限制海水22进入到气体传输管道和信号线中。所述控制单元18控制第一流量泵155、第二流量泵156、第三流量泵4的运行，具体为，控制第一流量泵155以从第一材料管153释放碳酸钙粉末，控制第二材料管154释放盐酸液体，控制第三流量泵4排出去离子水20。所述控制单元18还能用于在流程上对本发明的装置运行进行控制，例如控制单元18能针对时间控制第一流量泵155和第二流量泵156释放适量的气体，使得本发明的装置上浮到不同深度位置，在不同深度启动不同样品收集管6的第三流量泵4，获得不同深度的海水样品。在本申请中第一流量泵155、第二流量泵156、第三流量泵4工作状态为开或者关两个状态，无需持续控制或监督进程等耗电的精度控制，耗电量少，减少了对控制器选择的要求，也减少了损坏的概率。所述控制单元18优选为现有技术中的树莓派控制器，树莓派控制器一般带有小容量电池单元，树莓派控制器能承担小电量消耗。

所述控制系统还包括测深装置，如压力传感器，压力传感器用于根据海洋压力确定海水取样装置所在深度并将海水取样装置所在深度数据反馈到控制单元18，控制单元18根据海水取样装置所在深度控制第一流量泵155、第二流量泵156、第三流量泵4的运行，例如控制单元18根据海洋深度，控制单元18控制第一流量泵155和第二流量泵156运行，产生气体到气囊8中，实现海水取样器上浮到下一个深度，控制单元18控制第三流量泵4的运行抽取该深度的海水样品。压力传感器只是其中一种感应装置在海中深度的方法之一，现有技术中的其他测深装置也能应用于本发明的装置中。

所述平衡系统包括基体13、底座19、导向板14、第一涡轮扇12、第二涡轮扇17和布放接头9。所述基体13的上端通过连接杆11和下盖板3连接，基体13的内部设置管路井16的体传输管道和信号线，样品收集管6的两端均连接在基体13上，使得样品收集管6固定在基体13上。底座19为圈状结构，底座19通过若干曲杆连接在基体13下端，底座19用于支撑本发明装置的重量，防止本发明的装置下沉时碰撞到样品收集管6。基体13的上端通过若干连接杆11和下盖板3固定连接。如图1和图7所示，第一涡轮扇12和第二涡轮扇17的构造和现有技术中的涡轮扇形状相同，第一涡轮扇12活动连接在基体13上端，第二涡轮扇17活动连接在基体13下端，第一涡轮扇12和第二涡轮扇17在设置在同一竖直轴线上，第一涡轮扇12和第二涡轮扇17用于在放置本发明的装置进入海中时，维持整个装置能竖直向下移动，原理为本发明的装置在下沉过程中，水流依次穿过、底座19第二涡轮扇17和第一涡轮扇12，第二涡轮扇17和第一涡轮扇12均相对于基体13转动，最后水流通过具有旋转体结构的气囊8中央的孔洞流出，保证本发明的装置保持竖直向下的姿态和运动方向，不发生偏移。所述导向板14为三个，导向板14设置在基体13的侧面上，相邻导向板14之间呈120度设置，导向板14用于使本发明的装置导流稳定在竖直方向上移动。所述布放接头9连接在基体13上端，布放接头9用于在布放时连接船只和本发明的装置。

本发明的取样方法为：

1、在投放本发明的装置之前，在第一腔室充满去离子水20，使得滑动活塞21和第二单向阀7接触，以保留第一腔室的最大空间。投放本发明的装置到海中，第一涡轮扇12和第二涡轮扇17维持本发明的装置竖直下沉到预计收集海水样品的最大深度。

2、控制单元18控制第三流量泵4通过第一单向阀5从第一腔室抽出去离子水20，去离子水20从出水口24离开样品收集管6，由于第一腔室中压强减小，滑动活塞21向第一单向阀5的方向移动，从进水口23抽入海水22，海水22从第二单向阀7进入并存储到第二腔室，海水样品存储于样品收集管6中。

3、控制单元18控制第一流量泵155释放碳酸钙粉末到反应舱152，与此同时，控制单元18控制第二流量泵156释放盐酸液体到反应舱152，碳酸钙粉末和盐酸液体接触释放气体，气体通过气体单向阀158离开反应舱152，气体穿过管道井后进入到气囊8中，气囊8产生浮力上升，控制单元18控制碳酸钙粉末和盐酸液体的排出量控制气体产生的速率，使得本发明的装置上升到下一个工作区域，重复步骤2的样品收集管6抽取海水22的流程。所述本发明的装置上升到下一个工作区域并抽取海水样品包括两种情形：①上升到下一个工作区域中的某个特定位置停下后抽取海水样品；②在下一个工作区域内上浮，上浮的同时抽取该工作区域中的海水样品。

4、重复步骤3直至本发明的装置上升到水面，回收本装置的样品收集管6。

在上述过程中，无需采用船载设备通过电缆持续连接本发明的装置，本发明装置即可自行运行，不需要占用船只时间，且在没有电缆限制的情况下可达深海中，另外，可在大面积阵列投放本发明的装置，同时采集不同区域的海水样品。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海水取样器，其特征在于：包括气囊、气体发生装置、控制器、取样系统、基体，气囊连接在基体上，控制器、取样系统均连接在基体上，气囊连通气体产生装置，气体产生装置用于产生气体并排出至气囊中使基体上浮，取样系统用于在海水取样器上浮至水面之前收集海水样品，控制器分别和取样系统、气体产生装置电性连接，控制器用于控制气体产生装置和取样系统运行；

所述气体产生装置包括第一材料管、第二材料管、反应舱、第一排出组件和第二排出组件，第一材料管和第二材料管互不连通，第一材料管和第二材料管分别和反应舱连通，反应舱和气囊连通，使得在反应舱中所产生的气体能进入到气囊中，第一材料管和第二材料管分别装有能接触发生反应产生气体的两种物质，第一排出组件设置在第一材料管和反应舱连通的通道上以排出第一材料管的物质至反应舱，第二排出组件设置在第二材料管和反应舱连通的通道上以排出第二材料管的物质至反应舱，控制器分别和第一排出组件以及第二排出组件电性连接以控制第一排出组件以及第二排出组件的运行；

所述第一排出组件为第一流量泵，所述第二排出组件为第二流量泵；

所述取样系统包括第三流量泵、第一单向阀、样品收集管、滑动活塞、第二单向阀，样品收集管包括进水口和出水口，第一单向阀内设在样品收集管靠近出水口的位置，第二单向阀内设在样品收集管靠近进水口的位置，滑动活塞内设在样品收集管中第一单向阀和第二单向阀之间，滑动活塞和第一单向阀之间构成第一腔室，滑动活塞和第二单向阀之间构成第二腔室，第一腔室和第二腔室互不连通，第三流量泵设置在靠近出水口的一端，第三流量泵用于通过第一单向阀抽出第一腔室的液体，使得海水从进水口穿过第二单向阀进入到第二腔室并推动滑动活塞移动，第二单向阀用于海水进入并将海水限制在第二腔室中。

2.如权利要求1所述的海水取样器，其特征在于：所述第一材料管装有的物质为碳酸钙，第二材料管装有的物质为盐酸。

3.如权利要求1所述的海水取样器，其特征在于：所述气体产生装置还包括有混合层板，混合层板连接在反应舱内部，混合层板上包括有若干用于物质充分混合的孔。

4.如权利要求1 所述的海水取样器，其特征在于：

所述控制器为树莓派控制器。

5.如权利要求1所述的海水取样器，其特征在于：还包括测深装置，测深装置和控制器电性连接，测深装置用于检测海水取样器所在深度数据并反馈到控制器，控制器用于根据海水取样器所在深度数据控制气体产生装置和取样系统运行以收集不同深度的样品。

6.如权利要求1所述的海水取样器，其特征在于：还包括第一涡轮扇和第二涡轮扇，第一涡轮扇连接在基体的一端，第二涡轮扇连接在基体的另一端，第一涡轮扇和第二涡轮扇设置在同一轴线上。

7.如权利要求1所述的海水取样器，其特征在于：所述气囊上还设置有泄压阀，泄压阀和气囊连通，泄压阀用于平衡气囊内外压力防止气囊炸裂。

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