CN113624639A - 一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及深海环境监测技术领域，具体涉及一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置与方法。包括壳体、驱动机构、水合物抑制剂存放容器和气体收集容器。所述驱动机构设置在壳体内，包括水合物抑制剂释放驱动机构和气体收集容器开合驱动机构。所述水合物抑制剂存放容器设置在壳体的下端，与水合物抑制剂释放驱动机构连接，所述气体收集容器设置在水合物抑制剂存放容器的下端，所述气体收集容器的下端设置有容器盖，所述容器盖与气体收集容器开合驱动机构连接。本发明利用机械臂即可完成所有测量过程，通过快速捕获并获得气体体积计算出即时通量，过程直观、操作简便。在测量时使气泡不会快速凝华为固态水合物，提高了获取气体体积的准确性。

Description

一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置与方法
技术领域
本发明涉及深海环境监测技术领域，具体涉及一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置与方法。
背景技术
全球范围内深海海底广泛存在有气体以游离态渗漏至海水中的现象，这些气体包括以甲烷为主的烃类气体、二氧化碳等富碳流体，它们构成了全球海水碳输入的重要组成部分。获取气体通量对于评价具体海域环境效应以及理解全球碳循环具有重大的科学意义。同时，高通量海底烃类气体渗漏可以指示埋藏的天然气水合物矿产，获取气体通量也是水合物早期勘查的重要手段。
当前，获取深海海底原位气体渗漏通量的方法主要有两种：一是使用坐底工作站，该类装置测量模块多且集成程度高，可以完成多参数的长时间测量(数天至数月不等)。二是使用水下调查载具(例如水下机器人)将测量体积的简易容器直接带至海底渗漏喷口上方进行测量。然而上述两种方法在时效性、操作性、操作准确度方面存在问题，无法满足海底原位快速、简易、多点测量的要求。
具体的，对于使用坐底工作站，气体通量数据存储在装置当中，仅在回收后才能获得(回收通常在数天至数月后不等)，然而实际中有时需要现场及时获取气体通量以保障后续作业的正常展开，该类设备难以做到及时反馈数据。此外，坐底工作站在航次作业中需要单独设置下放和回收作业，工程程序较多，操作较为复杂。最后，由于海底气体渗漏区域通常存在多个喷口，而工作站在坐底后无法轻易改变位置，仅能测量单处气体渗漏喷口，无法在短时间内完成多处测量，难以反映具体海底渗漏区气体通量的整体情况。
而使用水下调查载具(例如水下机器人)进行测量，最大问题在于深水环境下通常为低温高压条件，渗漏出的气泡进入容器后会在数秒内由外至内冻结成似球状的水合物固体，导致容器内呈现出似葡萄串的多个水合物固态球体，造成气体体积无法原位即时测量，这时通常会提拉水下载具直至周围温度压力条件不满足水合物形成，待水合物分解为气体后再读取容器内体积，在该过程中装置会受到水下洋流的扰动导致部分气体逃逸，从而造成测试结果出现偏差。
针对上述问题，现在亟需设计研发一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置与方法。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置与方法。
本发明的技术方案为：
一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，包括壳体、驱动机构、水合物抑制剂存放容器和气体收集容器。所述驱动机构设置在壳体内，包括水合物抑制剂释放驱动机构和气体收集容器开合驱动机构。所述水合物抑制剂存放容器设置在壳体的下端，与水合物抑制剂释放驱动机构的输出端连接，所述气体收集容器设置在水合物抑制剂存放容器的下端且与水合物抑制剂存放容器连通，所述气体收集容器的下端设置有容器盖，所述容器盖与气体收集容器开合驱动机构的输出端连接。
进一步的，所述壳体的外侧壁上设置有凸出于壳体的驱动开关，所述驱动开关与水合物抑制剂释放驱动机构和气体收集容器开合驱动机构电性连接。
进一步的，所述水合物抑制剂释放驱动机构包括第一电机、齿轮、推杆和活塞，所述第一电机的输出端与齿轮连接，所述齿轮与推杆连接，所述活塞设置在水合物抑制剂存放容器内且活塞的两端与水合物抑制剂存放容器的侧壁贴合。所述第一电机驱动齿轮转动，所述齿轮转动带动推杆向下移动进而带动活塞在水合物抑制剂存放容器中向下运动。
进一步的，所述气体收集容器开合驱动机构包括第二电机、第一转轴、连接带、第二转轴和回位弹簧；所述第一转轴与第二电机的输出端连接，所述连接带的一端与第二转轴连接，所述连接带的另一端与容器盖连接；所述第二转轴用于连接容器盖和气体收集容器，所述回位弹簧设置在容器盖和气体收集容器之间，用于容器盖的回位。
进一步的，所述水合物抑制剂存放容器与壳体通过螺纹连接。
进一步的，所述水合物抑制剂存放容器和气体收集容器之间设置有滤片。
更进一步的，所述滤片设置为钛合金材质，所述滤片上设置有若干个滤孔，所述滤孔的孔径为25～30微米。
进一步的，所述气体收集容器设置为透明状，所述气体收集容器的侧壁上设置有刻度。
一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的方法，包括上述的装置，包括如下步骤：
S1、入水前准备工作：放置滤片，在水合物抑制剂存放容器中添加水合物液体抑制剂，清空气体收集容器，关闭容器盖，检查驱动开关保持在弹出状态，将整套设备固定于水下机器人机械臂可以夹取的位置上。
S2、启动装备：待水下机器人到达海底作业区域时，用机械臂夹取该设备顶部，使驱动开关保持按下状态，活塞开始在第一电机驱动下向下运动，将水合物抑制剂注入到气体收集容器中，同时在第二电机驱动下打开容器盖，待容器盖完全打开后将设备置于海底渗漏正上方。
S3、开始测量：当气泡开始进入气体收集容器时，记录测量开始时间，观察气泡在气体收集容器中的状态。
S4、结束测量：待气体收集容器中气体体积到达最大刻度处附近，将该设备从渗漏处移开，当无气泡进入到气体收集容器中时，记录测量结束时间，通过读取气体收集容器上气液界面位置刻度获得气体体积，基于捕获气体体积和测量时长计算气体通量，关闭容器盖。
S5、回收设备：机械臂将设备固定在水下机器人上，驱动开关保持在弹出状态上，此时，第二电机停止工作，通过回松连接带在回位弹簧的作用下将容器盖闭合，完成设备回收。
进一步的，所述水合物抑制剂设置为甲醇或乙二醇溶液。
本发明所达到的有益效果为：
本发明可与水下机器人配套使用，利用机械臂即可完成所有测量过程，通过快速捕获并获得气体体积计算出即时通量，过程直观、操作简便。而且，在测量时装置会将水合物抑制剂持续均匀注入到收集容器中，使气泡不会快速凝华为固态水合物，提高了获取气体体积的准确性。
本发明体积小方便携带，可与水下机器人常规作业流程配套使用，不需要配备单独的下放/下潜作业，与使用海底工作站测量通量相比，极大的节省了工程时间，且保证了测量的直观性和及时性。
本发明可以独立运行，作业时不需要水下载具供电，安装、操作都较为简单，水下机器人操作员即可测量，不需要额外人员操作，使得本装置使用更加简便、适用性更高。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图。
图2是本发明装置中容器盖与气体收集容器连接处结构示意图。
图中，1、壳体；2、电池；3、第一电机；4、第二电机；5、齿轮；6、推杆；7、活塞；8、驱动开关；9、水合物抑制剂存放容器；10、滤片；11、气体收集容器；12、容器盖；13、第一转轴；14、连接带；15、第二转轴；16、回位弹簧。
具体实施方式
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1～2所示，一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，由动力和收集两个单元来完成，其中，动力单元包括：
壳体1，所述壳体1设置为防水壳体1，集装内部配件。
电池2，用于给第一电机3和第二电机4提供电力。
第一电机3，通过齿轮5与推杆6连接，为活塞7向下运动提供动力。本实施例是通过第一电机3驱动齿轮5转动，进而带动推杆6向下运动来驱动活塞7向下运动。当然，也可以通过现有技术中可实现活塞7向下运动的其他驱动结构进行替换。
第二电机4，用于为容器盖12开启和闭合提供动力。
活塞7，其顶部与推杆6相连，用于将水合物抑制剂从水合物抑制剂存放容器9挤出至气体收集容器11中。
驱动开关8，用于开启/关闭第一电机3和第二电机4。作业中机械臂夹住整套装置上部时，驱动开关8保持按下，即为开启状态。此时，活塞7向下逐渐运动将水合物抑制剂挤出至气体收集容器11中，且容器盖12逐渐打开。无机械臂夹住时，驱动开关8保持弹出状态，此时，活塞7停止运动，且容器盖12子逐渐闭合。
所述收集单元包括：
水合物抑制剂存放容器9，用于盛放液体水合物抑制剂(例如热力学抑制剂甲醇溶液)，其顶部通过内部螺纹与壳体1相连，且配有防水胶圈。
滤片10，放置于水合物抑制剂存放容器9底部，可根据实际使用情况更换，可由钛合金材料制成，表面均匀分布有直径为25～30微米的孔隙，其特性为：在两侧压力差较小时，可以隔绝水合物抑制剂存放容器9中的液体抑制剂与气体收集容器11中的气体，在液体一侧压力增加时，液体会通过该滤片10进入到下方气体收集容器11中。
气体收集容器11，用于收集海底渗漏出的气体，透明材料制成，表面标有刻度，方便观察收集过程中气体状态以及记录收集到的气体体积。
容器盖12，用于气体收集结束后封闭气体收集容器11，防止外物进入干扰收集到的样本，通过第二转轴15与气体收集容器11连接。所述第二转轴15穿过壳体1与第二电机4的输出端连接。上述结构的设置是便于壳体1的防水。容器盖12的一端凸出于气体收集容器11，凸出的一端通过连接带14与第一转轴13连接。回位弹簧16设置在第二转轴15上，当无外力作用下，保证容器盖12是闭合状态。在具体的使用过程中，第二电机4工作，带动穿过壳体1的第一转轴13转动，连接带14的一端固定在第一转轴13上，当第一转轴13旋转时，带动连接带14向上卷曲运动，进一步带动容器盖12的开启。当第二电机4停止转动时，第二转轴15在连接带14拉力的带动下回转，同时在回位弹簧16的作用下容器盖12闭合。当然，也可以通过现有技术中可实现容器盖12开合的其他驱动结构进行替换。
使用该装置完成测量海底气体渗漏即时通量的步骤包括：
S1、入水前准备工作：放置滤片10，在水合物抑制剂存放容器9中添加水合物液体抑制剂。所述水合物抑制剂设置为甲醇或乙二醇溶液。本实施例中采用的是甲醇溶液。甲醇溶液较为便宜，成本较低。其作用原理为：通过抑制分子或离子增加与水分子的竞争力，改变水和烃分子的热力学平衡，移动水合物相平衡曲线，从而达到使水合物失稳的目的。清空气体收集容器11，关闭容器盖12，检查驱动开关8保持在弹出状态，将整套设备固定于水下机器人机械臂可以夹取的位置上。
S2、启动装备：待水下机器人到达海底作业区域时，用机械臂夹取该设备，使驱动开关8保持按下状态，活塞7开始在第一电机3驱动下向下运动，将水合物抑制剂注入到气体收集容器11中，同时在第二电机4驱动下打开容器盖12，待容器盖12完全打开后将设备置于海底渗漏正上方。
S3、开始测量：当气泡开始进入气体收集容器11时，记录测量开始时间，通过水下作业机器人配有的摄像系统即时观察，气体收集器为透明的，观察气泡在气体收集容器11中的状态，确保没有气泡被冻结为水合物。具体的，逐渐注入的水合物抑制剂始终将气体收集容器11内保持为气态和/或液态，即没有水合物生成。
S4、结束测量：待气体收集容器11中气体体积到达最大刻度处附近，将该设备从渗漏处移开，当无气泡进入到气体收集容器11中时，记录测量结束时间，通过读取气体收集容器11上气液界面位置刻度获得气体体积，基于捕获气体体积和测量时长计算气体通量，关闭容器盖12。
S5、回收设备：机械臂将设备固定在水下机器人上，驱动开关8保持在弹出状态上，此时，第二电机4停止工作，通过回松连接带14在回位弹簧16的作用下将容器盖12闭合，完成设备回收。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，其特征在于：包括壳体(1)、驱动机构、水合物抑制剂存放容器(9)和气体收集容器(11)；所述驱动机构设置在壳体(1)内，包括水合物抑制剂释放驱动机构和气体收集容器开合驱动机构；所述水合物抑制剂存放容器(9)设置在壳体(1)的下端，与水合物抑制剂释放驱动机构的输出端连接，所述气体收集容器(11)设置在水合物抑制剂存放容器(9)的下端且与水合物抑制剂存放容器(9)连通，所述气体收集容器(11)的下端设置有容器盖(12)，所述容器盖(12)与气体收集容器开合驱动机构的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，其特征在于：所述壳体(1)的外侧壁上设置有凸出于壳体(1)的驱动开关(8)，所述驱动开关(8)与水合物抑制剂释放驱动机构和气体收集容器(11)开合驱动机构电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，其特征在于：所述水合物抑制剂释放驱动机构包括第一电机(3)、齿轮(5)、推杆(6)和活塞(7)，所述第一电机(3)的输出端与齿轮(5)连接，所述齿轮(5)与推杆(6)连接，所述活塞(7)设置在水合物抑制剂存放容器(9)内且活塞(7)的两端与水合物抑制剂存放容器(9)的侧壁贴合；所述第一电机(3)驱动齿轮(5)转动，所述齿轮(5)转动带动推杆(6)向下移动进而带动活塞(7)在水合物抑制剂存放容器(9)中向下运动。
4.根据权利要求1所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，其特征在于：所述气体收集容器开合驱动机构包括第二电机(4)、第一转轴(13)、连接带(14)、第二转轴(15)和回位弹簧(16)；所述第一转轴(13)与第二电机(4)的输出端连接，所述连接带(14)的一端与第二转轴(15)连接，所述连接带(14)的另一端与容器盖(12)连接；所述第二转轴(15)用于连接容器盖(12)和气体收集容器(11)，所述回位弹簧(16)设置在容器盖(12)和气体收集容器(11)之间，用于容器盖(12)的回位。
5.根据权利要求1所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，其特征在于：所述水合物抑制剂存放容器(9)与壳体(1)通过螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，其特征在于：所述水合物抑制剂存放容器(9)和气体收集容器(11)之间设置有滤片(10)。
7.根据权利要求6所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置，其特征在于：所述滤片(10)设置为钛合金材质，所述滤片(10)上设置有若干个滤孔，所述滤孔的孔径为25～30微米。
8.根据权利要求1所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的装置与方法，其特征在于：所述气体收集容器(11)设置为透明状，所述气体收集容器(11)的侧壁上设置有刻度。
9.根据权利要求1所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的方法，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的装置，包括如下步骤：
S1、入水前准备工作：放置滤片(10)，在水合物抑制剂存放容器(9)中添加水合物液体抑制剂，清空气体收集容器(11)，关闭容器盖(12)，检查驱动开关(8)保持在弹出状态，将整套设备固定于水下机器人机械臂可以夹取的位置上；
S2、启动装备：待水下机器人到达海底作业区域时，用机械臂夹取该设备顶部，使驱动开关(8)保持按下状态，活塞(7)开始在第一电机(3)驱动下向下运动，将水合物抑制剂注入到气体收集容器(11)中，同时在第二电机(4)驱动下打开容器盖(12)，待容器盖(12)完全打开后将设备置于海底渗漏正上方；
S3、开始测量：当气泡开始进入气体收集容器(11)时，记录测量开始时间，观察气泡在气体收集容器(11)中的状态；
S4、结束测量：待气体收集容器(11)中气体体积到达最大刻度处附近，将该设备从渗漏处移开，当无气泡进入到气体收集容器(11)中时，记录测量结束时间，通过读取气体收集容器(11)上气液界面位置刻度获得气体体积，基于捕获气体体积和测量时长计算气体通量，关闭容器盖(12)；
S5、回收设备：机械臂将设备固定在水下机器人上，驱动开关(8)保持在弹出状态上，此时，第二电机(4)停止工作，通过回松连接带(14)在回位弹簧(16)的作用下将容器盖(12)闭合，完成设备回收。
10.根据权利要求1所述的一种快速测量深海海底气体渗漏即时通量的方法，其特征在于：所述水合物抑制剂设置为甲醇或乙二醇溶液。
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