CN114166572B - 一种多路海水水样采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路海水水样采集装置，涉及海洋取样技术，本发明包括：配流阀机构、取样动力机构和配流驱动机构，其中，所述配流阀机构包括配流阀体，所述配流阀体设有若干配流阀排水口和至少一个配流阀进水口；所述配流阀进水口与所述取样动力机构的导水口相连通，所述取样动力机构用于采集海水水样；所述配流驱动机构用于驱动所述配流阀机构的配流阀芯，所述配流阀芯带动所述配流阀体绕中心轴线转动设定角度，以将所述配流阀进水口与不同的所述配流阀排水口连通。本发明的装置能够在复杂的海水环境中，对不同点位的海水进行定量采集，从而获得不同时间序列的海水样品。

Description

一种多路海水水样采集装置

技术领域

本发明涉及海洋取样技术，特别涉及一种多路海水水样采集装置。

背景技术

海水的采集和研究一直是海洋研究领域的热门和重点课题。海水的生态环境是海洋生物生存和发展的基本条件。海水中的气体成分可以在一定程度上标识深海资源的蕴藏量,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寻找天然气水合物等资源。海洋环境中也蕴含极为特殊的生物结构和具备某些地面生物不具备的基因及特殊的代谢调控机制和代谢产物,这些生物和产物是开发新的生物活性物质的重要资源。因此，通过取样设备采集不同点位的海水水样能真实反映水体组成成分信息的海水样品，其不仅有助于深海探索和海底矿物资源的开发，也有助于深海微生物研究以及完善深海生物圈的认识，是深海探索领域的重要技术手段。

随着海洋研究的不断深入，人类对海洋领域的探索已达到全海深级别，对海水样品的品质以及对取样装备的设计标准也越来越高。由于海洋是一个高压、低温以及强腐蚀的环境，并且海底地形较为复杂且周围海水又时刻处于动态变化的过程，故这些情况使得深海海水的采集难度增加。目前大多数采水器利用电机与平衡采样阀配合驱动的形式，设备结构复杂，操作难度较大，如果不能保证海水样品的原位压力和气密性，造成部分海水气体泄漏或海水样品压力明显损失，分析结果便会明显失真。目前能够在保证海水样品质量的基础上，简化设备结构并且在时间序列上满足不同点位的采样密度是目前海水采样装置设计的重点和难点。

因此，研究一种多路海水水样采集方法和装置使其能够获得不同时间序列、不同点位以及不同深度的多路海水水样是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中采集海水时水样在取样密度以及时间序列上难以同时兼顾的技术空白，提供一种多路海水水样采集装置，本发明的装置能够在复杂的海水环境中，对不同点位的海水进行定量采集，从而获得不同时间序列的海水样品。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

一种多路海水水样采集装置，其包括：配流阀机构、取样动力机构和配流驱动机构，其中，

所述配流阀机构包括配流阀体，所述配流阀体设有若干配流阀排水口和至少一个配流阀进水口；所述配流阀进水口与所述取样动力机构的导水口相连通，所述取样动力机构用于采集海水水样；所述配流驱动机构用于驱动所述配流阀机构的配流阀芯，所述配流阀芯带动所述配流阀体绕中心轴线转动设定角度，以将所述配流阀进水口与不同的所述配流阀排水口连通。

如上所述的多路海水水样采集装置，进一步地，所述配流阀排水口沿轴向至少分布有2层，所述配流阀排水口周向分布在所述配流阀体的外侧，所述配流阀进水口具有与所述配流阀排水口的层数相对应的排水通道，其中，当所述配流阀体绕中心轴线转动时，所述配流阀进水口通过对应的排水通道与不同层数的所述配流阀排水口交替连通。配流阀芯放置在配流阀体之中，阀芯侧面垂直方向上两个毛细孔与配流阀体顶部两层圆孔相配合，排出水样。当配流电机转动步数为2n时，配流阀芯上端毛细孔与阀体上层圆孔联通，水样从阀体上层排出。当配流电机转动步数为2n+1时，配流阀芯下端毛细孔与阀体下层圆孔联通，水样从阀体下层排出。此外，通过编写蠕动泵驱动电机与配流步进电机的程序，可以实现配流步进电机、转向伺服电机以及驱动步进电机之间的相互配合，达到按照需求定时定量的进行水样的采集。

如上所述的多路海水水样采集装置，进一步地，所述配流驱动机构包括配流电机舱和配流驱动电机舱端盖，所述配流电机舱和所述配流驱动电机舱端盖配合安装形成有内腔，所述内腔设有配流步进电机、光电开关和传动机构，其中，所述配流步进电机安装在所述配流驱动电机舱端盖上，所述配流步进电机通过所述传动机构驱动所述配流阀机构的配流阀芯，所述光电开关包括光电传感器和隔离板，当所述配流阀芯带动所述配流阀体绕中心轴线转动设定角度时，当所述隔离板转换到豁口位置时，所述光电传感器导通并输出高电平信号给控制板，当所述配流阀体绕中心轴线转动一周时，所述控制板对所述配流步进电机的转动角度进行归零。配流步进电机配有减速器及光电传感器，提高配流阀芯的转动精度，使得配流阀芯可以更好地匹配位置。

如上所述的多路海水水样采集装置，进一步地，所述取样动力机构包括蠕动泵头和连接在所述蠕动泵头下部的蠕动泵电机舱，其中，所述蠕动泵头设有蠕动泵进水口和蠕动泵导水口，海水水样从所述蠕动泵进水口进入并从所述蠕动泵导水口出，从所述蠕动泵导水口出的海水水样通过导管进入配流阀进水口。取样动力结构包括蠕动泵头以及蠕动泵驱动电机。取样动力结构是为了控制采水的开始及停止。当蠕动泵开始工作时，海水由蠕动泵进水口进入蠕动泵，再由蠕动泵导水口流入配流阀进水口，实现水样的采集。当取样泵停止工作时，取样停止。

如上所述的多路海水水样采集装置，进一步地，所述配流阀体的外周表面包含100个配流阀排水口，100个配流阀排水均分两层沿配流阀体的外侧周向等间距分布，配流步进电机的步进角度为1.8°，且相邻两个配流阀排水口之间夹角为3.6°。配流驱动结构包括配流步进电机、光电开关和传动部分。为了有效区分和保存100个离散水样，配流阀体设计上下两层各50个排水口，当阀芯上的毛细孔与某一路排水口重合时，排出水样并进行有效保存。单个多路海水水样采集装置可以采集多达100个离散水样，通过控制取样动力结构的开关对深海水样进行高空间分辨率采集。为了有效区分和保存100个离散水样，配流阀体上下两层各50个排水点位，通过配流步进电机带动传动部分驱动阀芯转动与阀体配合进行排水并保存水样。为了提高配流步进电机的定位精度，减少累计误差，配流步进电机每转一周后利用光电传感器及隔离板组成光电开关，对电机转动角度进行归零。

配流阀结构包括配流阀体、配流阀芯以及PEEK接头。为了有效区分和保存100个离散水样，配流阀体设计100路排水口，当阀芯内的排水通道与某一路排水口重合时，水样可以排出并进行有效保存。配流阀体表面上下两层各50个圆孔错位布置并与PEEK接头连接进行导水。单层相邻两个排水口夹角7.2°，故50个排水口相邻两个排水口之间的角度为3.6°。阀体底部的圆孔为进水口，与取样动力结构中的蠕动泵导水口相连，进行水样的导通。

如上所述的多路海水水样采集装置，进一步地，所述配流阀排水口通过接头连接储水袋。

如上所述的多路海水水样采集装置，进一步地，所述接头采用PEEK材料.。PEEK是一种耐高温热塑性塑料，具有优良的综合性能，在许多特殊领域可以替代金属等。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)本发明专利利用蠕动泵给采水装置提供动力，能够在维持深海水环境原状环境的情况下，对不同点位的海水实时进行高空间分辨率采集，以获不同位置、不同深度以及不同时间分辨率的水体样品。本发明对深海水体取样技术的发展在海洋天然气水合物勘探和开采、海洋生态环境的监测等领域提供重要的技术手段支撑。

(2)本装置能够在近海进行工作，也能够搭载深海移动平台或ROV等设备进行深海4000米及以上的海水取样。

(3)装置利用在圆柱状配流阀体每隔3.6°设计一个排水口并与配流步进电机相配合的方式，来控制水样的排出及保存。最终可获得100个不同位置、不同深度、不同时间分辨率的离散水样。

(4)装置采用光电传感器来对配流步进电机进行定位精度的校准，为减小累计误差，配流步进电机每旋转一周后光电传感器对电机累计转动角度进行归零。

(5)装置采用蠕动泵驱动进行海水采集，取样时，蠕动泵驱动电机工作，提供抽吸力进行取样，原理简单，使采水器有较高的可操作性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的整体装置图；

图2是本发明实施例的配流驱动电机舱正视图及A-A剖面图；图2(a)是本发明实施例的配流驱动电机舱正视图，图2(b)是本发明实施例的配流驱动电机舱的A-A剖面图；

图3是本发明实施例的光电传感器隔离板结构图；

图4是本发明实施例的配流阀结构示意图；

图5是本发明实施例的配流阀结构剖面图；

图6是本发明实施例的蠕动泵结构示意图；

图中：1—配流驱动电机舱，2—配流驱动电机舱端盖，3—配流阀结构，4—蠕动泵头，5—蠕动泵电机舱，6—水密接插件，7—蠕动泵支架，8—装置整体固定支架，9—传动结构，10—配流驱动步进电机，11—光电开关，12—光电传感器隔离板，13—配流阀体，14—配流阀排水口(与外挂储水袋连接)，15—配流阀进水口(与24-蠕动泵导水口相连)，16—配流阀进水通道，17—配流阀芯排水通道A，18—配流阀芯排水口，19—配流阀芯排水通道B，20—配流阀芯，21—蠕动泵头，22—蠕动泵进水口(与外界海水连通)，23—蠕动泵电机舱，24—蠕动泵导水口(与15-配流阀进水口相连)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图6，图1是本发明实施例的整体装置图；图2是本发明实施例的配流驱动电机舱正视图及A-A剖面图；图3是本发明实施例的光电传感器隔离板结构图；图4是本发明实施例的配流阀结构示意图；图5是本发明实施例的配流阀结构剖面图；图6是本发明实施例的蠕动泵结构示意图。

如图1所示，本发明提供一种多路海水水样采集方法和装置，包括配流驱动电机舱1、配流驱动电机舱端盖2、配流结构3、蠕动泵头4以及蠕动泵电机舱5、水密接插件6、蠕动泵支架7、装置整体固定支架8。

如图2所示，为本发明配流电机舱，包括配流电机舱1、配流驱动电机舱端盖2、水密接插件6、传动结构9、配流驱动步进电机10和光电开关11。配流驱动步进电机10带动传动结构9从而驱动配流阀芯转动，进行排水口的切换。配流步进电机10的步进角度为1.8°，且相邻两个排水口之间夹角为3.6°，所以，步进电机转动两步切换一路排水口。为了提高配流步进电机10的定位精度，减少累计误差，配流步进电机10每转一周后利用光电传感器及隔离板组成光电开关11，对电机转动角度进行归零。

如图3所示，为光电传感器隔离板结构12，光电传感器及隔离板组成光电开关11。当隔离板12转换到豁口位置时，光电传感器导通，输出高电平信号给控制板，控制板对电机角度清零，从而减小配流步进电机10的累计误差，提高转向精度。

如图4所示，配流阀结构3包括配流阀体13、配流阀排水口14和配流阀进水口15。配流阀体13表面包含100个排水口14与PEEK接头连接用来排出海水，单层50个排水口每隔7.2°开孔，故100个排水口，相邻两个排水口之间的角度为3.6°。阀体底部的圆孔分为配流阀进水口15，通过导管与蠕动泵导水口24相连。

如图5所示，为配流阀进水管路剖面图，包括配流阀体13、配流阀排水口14、配流阀进水口15、配流阀进水通道16、配流阀芯排水通道A17、配流阀芯排水口18、配流阀芯排水通道B19和配流阀芯20。配流阀进水通道16连通配流阀芯排水口18进行排水。采样时，配流阀芯排水通道A17与配流阀体下层排水口重合，水样由配流阀进水口15进水，流经进水通道16，排出水样并保存至外接储水袋之中；采样结束时，配流步进电机10驱动配流阀芯20转动，使配流阀芯排水通道B19与相邻配流阀体上层排水口重合，从而准备进行下一次采样。以此类推，完成100路排水口的匹配。

图6为蠕动泵结构示意图，包括蠕动泵头21、蠕动泵进水口22、蠕动泵电机舱23和蠕动泵导水口24。为了顺利取得水样，需要给取样器提供一个抽吸条件。当蠕动泵工作时，水样流入进水口22之中，流经蠕动泵导水口24至配流阀进水口15，最终通过配流阀排水口导出水样至储水袋之中；当蠕动泵停止工作时，采样停止，此时配流步进电机10驱动配流阀芯20转动至下一排水口的位置，准备进行下一路水样采集。装置设置需要配流步进电机及蠕动泵的配合，原理简单，使采水器有较高的可操作性。

下面结合附图介绍本实施方案的工作步骤：

采样过程：整套装置可在近海进行工作，也可以搭载深海移动平台或ROV等设备在深海海水环境中布放进行水样采集，使其能够获得不同点位和不同时间分辨率的多路水样。将采水装置布放至指定点位后，将配流步进电机驱动配流阀芯与某一路配流排水口相连。取样开始时，驱动蠕动泵开始工作，水样通过蠕动泵进水口22至蠕动泵导水口24流经配流阀进水口15，流入进水通道16，当配流阀芯排水通道A17与配流阀体下层排水口重合时，水样通过下层排水口流入储水袋之中；取样结束时，蠕动泵停止工作，完成一次水样采集。此时，驱动配流阀芯旋转切换至一下路排水口后，再次驱动蠕动泵开始工作，进行第二次水样采集。以此类推，采水器最终能够完成100路不同时间序列以及不同点位海水采集，以满足高时间和空间分辨率上的全方位海水的采集。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多路海水水样采集装置，其特征在于，包括：配流阀机构、取样动力机构、配流驱动机构，其中，

所述配流阀机构包括配流阀体，所述配流阀体设有若干配流阀排水口和至少一个配流阀进水口；所述配流阀进水口与所述取样动力机构的导水口相连通，所述取样动力机构用于采集海水水样；所述配流驱动机构用于驱动所述配流阀机构的配流阀芯，所述配流阀芯带动所述配流阀体绕中心轴线转动设定角度，以将所述配流阀进水口与不同的所述配流阀排水口连通；所述配流阀排水口沿轴向至少分布有2层，所述配流阀排水口周向分布在所述配流阀体的外侧，所述配流阀进水口具有与所述配流阀排水口的层数相对应的排水通道，其中，当所述配流阀体绕中心轴线转动时，所述配流阀进水口通过对应的排水通道与不同层数的所述配流阀排水口交替连通；配流阀芯放置在配流阀体之中，阀芯侧面垂直方向上两个毛细孔与配流阀体顶部两层圆孔相配合，排出水样；当配流电机转动步数为2n时，配流阀芯上端毛细孔与阀体上层圆孔连 通，水样从阀体上层排出；当配流电机转动步数为2n+1时，配流阀芯下端毛细孔与阀体下层圆孔连 通，水样从阀体下层排出。

2.根据权利要求1所述的多路海水水样采集装置，其特征在于，所述配流驱动机构包括配流电机舱和配流驱动电机舱端盖，所述配流电机舱和所述配流驱动电机舱端盖配合安装形成有内腔，所述内腔设有配流步进电机、光电开关和传动机构，其中，所述配流步进电机安装在所述配流驱动电机舱端盖上，所述配流步进电机通过所述传动机构驱动所述配流阀机构的配流阀芯，所述光电开关包括光电传感器和隔离板，当所述配流阀芯带动所述配流阀体绕中心轴线转动设定角度时，当所述隔离板转换到豁口位置时，所述光电传感器导通并输出高电平信号给控制板，当所述配流阀体绕中心轴线转动一周时，所述控制板对所述配流步进电机的转动角度进行归零。

3.根据权利要求1所述的多路海水水样采集装置，其特征在于，所述取样动力机构包括蠕动泵头和连接在所述蠕动泵头下部的蠕动泵电机舱，其中，所述蠕动泵头设有蠕动泵进水口和蠕动泵导水口，海水水样从所述蠕动泵进水口进入并从所述蠕动泵导水口出，从所述蠕动泵导水口出的海水水样通过导管进入配流阀进水口。

4.根据权利要求1所述的多路海水水样采集装置，其特征在于，所述配流阀体的外周表面包含100个配流阀排水口，100个配流阀排水均分两层沿配流阀体的外侧周向等间距分布，配流步进电机的步进角度为1.8°，且相邻两个配流阀排水口之间夹角为3.6°。

5.根据权利要求1所述的多路海水水样采集装置，其特征在于，所述配流阀排水口通过接头连接储水袋。

6.根据权利要求5所述的多路海水水样采集装置，其特征在于，所述接头采用PEEK材料。

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