CN114838975B - 深海流体喷口颗粒物取样装置及其取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海流体喷口颗粒物取样装置及其取样方法，所述深海流体喷口颗粒物取样装置包括流体取样帽、通过流体软管连接于所述流体取样帽的固液两相分离装置、设置在所述固液两相分离装置的颗粒物出口端的时间序列采样装置、以及连接于所述时间序列采样装置的控制腔体，所述深海流体喷口颗粒物取样装置可由载人潜器或者ROV等运载平台搭载布放和回收，可长期布放于海底流体喷口附近进行流体喷口颗粒物取样工作，能够按照时间序列获取随着流体喷发携带的浊流颗粒物，为流体演化、关键组分生物地球化学循环、海底与海水的物质与能量交换等研究提供技术支撑。

Description

深海流体喷口颗粒物取样装置及其取样方法

技术领域

本发明涉及流体颗粒物取样技术领域，特别是涉及一种深海流体喷口颗粒物取样装置及其取样方法。

背景技术

深海热液和冷泉等流体喷发系统代表了地球上非常独特的海洋极端环境，其流体中的固体颗粒物蕴含了流体演化、关键组分生物地球化学循环、海底与海水的物质与能量交换等信息。在此研究中，目前只能通过化学传感器和设备对流体其中的Eh、pH、甲烷含量、铁、锰含量等个别参数进行原位检测，仍缺乏对流体喷口的固体颗粒物进行收集的技术手段，无法满足深海生物地球化学研究的需求。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种深海流体喷口颗粒物取样装置及其取样方法，该装置可长期布放于海底流体喷口附近，进行流体喷口颗粒物取样工作，能够按照时间序列获取随着流体喷发携带的浊流颗粒物，为流体演化、关键组分生物地球化学循环、海底与海水的物质与能量交换等研究提供技术支撑。

本发明提供了一种深海流体喷口颗粒物取样装置，包括：

流体取样帽，所述流体取样帽用于罩在流体喷口处，以供流体喷口喷出的流体流入；

固液两相分离装置，所述固液两相分离装置通过流体软管连接于所述流体取样帽，用于将所述流体取样帽流入的流体分离为颗粒物和海水；

时间序列采样装置，所述时间序列采样装置设置在所述固液两相分离装置的颗粒物出口端，用于对所述固液两相分离装置沉降的颗粒物按照时间序列展开收集工作；以及

控制腔体，所述控制腔体连接于所述时间序列采样装置并具有能够与上位机连接通讯的通讯接口，用于接收上位机发送的控制指令，并按照所述控制指令控制所述时间序列采样装置展开收集工作。

在本发明的一实施例中，所述时间序列采样装置包括驱动电机、由所述驱动电机驱动转动的齿轮转盘以及沿所述齿轮转盘的周向设置在所述齿轮转盘之下的多个采样瓶，所述控制腔体基于所述控制指令控制所述驱动电机工作，从而使得所述齿轮转盘转动而切换对应的所述采样瓶进行采样。

在本发明的一实施例中，所述时间序列采样装置还包括连接于所述固液两相分离装置的颗粒物出口的采样口，所述齿轮转盘设置有25个与所述采样口对接的位置，25个对接位置对应安装有24个采样瓶和1个空白对照瓶。

在本发明的一实施例中，所述流体取样帽包括帽状部和延伸自所述帽状部的第一流体软管接口，所述固液两相分离装置包括两相分离腔体、设置在所述两相分离腔体侧壁处的第二流体软管接口、设置在所述两相分离腔体的顶部的海水出口以及设置在所述两相分离腔体的底部的漏斗部，所述第一流体软管接口和所述第二流体软管接口分别连接于所述流体软管的两端，所述两相分离腔体用于将流体分离为颗粒物和海水，其中颗粒物自所述漏斗部排出，海水自所述海水出口排出。

在本发明的一实施例中，所述流体取样帽还包括分别设置在所述第一流体软管接口两侧的取样帽吊耳，以供所述流体取样帽能够经由所述取样帽吊耳被机械手吊动。

在本发明的一实施例中，所述深海流体喷口颗粒物取样装置还包括安装框架，所述安装框架具有主体支撑框架和可拆卸地设置在所述主体支撑框架上半部的取样帽支承架，所述固液两相分离装置设置在所述主体支撑框架的中部位置，所述时间序列采样装置和所述控制腔体设置在所述安装框架主体的下半部，所述取样帽支承架用于放置所述流体取样帽。

在本发明的一实施例中，所述深海流体喷口颗粒物取样装置还包括深海拍照系统，所述深海拍照系统包括深海相机和深海LED灯，所述取样帽支承架延伸形成有分别用于安装所述深海相机和所述深海LED灯的第一支撑部和第二支撑部。

在本发明的一实施例中，所述深海流体喷口颗粒物取样装置还包括电连接于所述时间序列采样装置、所述控制腔体以及所述深海拍照系统的电池腔体，用于为所述时间序列采样装置、所述控制腔体以及所述深海拍照系统提供能源支持。

在本发明的一实施例中，所述控制腔体的所述通讯接口为RS485通讯接口。

在本发明的一实施例中，所述深海流体喷口颗粒物取样装置还搭载有水文传感器和化学传感器，所述水文传感器和所述化学传感器用于进行深海水文、化学环境长期监测。

本发明在另一方面还提供了深海流体喷口颗粒物取样装置的取样方法，包括步骤：

S1、将流体取样帽取下，罩设在海底流体喷口正上方；

S2、流体经由流体软管流入固液两相分离装置中进行固液两相分离，其中颗粒物经由所述固液两相分离装置的漏斗部排出，海水经由所述固液两相分离装置的海水出口排出；以及

S3、经由上位机发送控制指令，控制腔体接收上位机发送的控制指令，并按照所述控制指令控制时间序列采样装置对经由所述漏斗部排出的颗粒物展开收集工作。

本发明的所述深海流体喷口颗粒物取样装置可长期布放于海底流体喷口附近，进行流体喷口颗粒物的收集工作，能够在规定的时间内获取随着流体喷口携带的浊流颗粒物，为认知热液和冷泉等流体喷发系统在深海生物地球化学循环中的作用，揭示地球内部物质输运对极端生命系统演化的控制等提供技术支撑。

本发明的所述深海流体喷口颗粒物取样装置能够通过深海拍照系统展开深海环境长期定时拍照工作，同时还能够搭载水文、化学传感器进行深海水文、化学环境长期监测，满足对深海环境研究的技术需求。

本发明的所述深海流体喷口颗粒物取样装置能够经由载人潜器或者ROV等运载平台的机械手进行布放和回收，整体结构简单、使用方便，具有广泛的应用前景。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为本发明的一优选实施例的所述深海流体喷口颗粒物取样装置的立体结构示意图。

图2为本发明的上述优选实施例的所述深海流体喷口颗粒物取样装置的取样方法流程图。

附图标号说明：深海流体喷口颗粒物取样装置100；流体取样帽10；帽状部11；第一流体软管接口12；取样帽吊耳13；固液两相分离装置20；两相分离腔体21；第二流体软管接口22；海水出口23；漏斗部24；时间序列采样装置30；驱动电机31；齿轮转盘32；采样瓶33；采样口34；流体软管40；控制腔体50；安装框架60；主体支撑框架61；取样帽支承架62；第一支撑部63；第二支撑部64；深海拍照系统70；深海相机71；深海LED灯72；电池腔体80。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种深海流体喷口颗粒物取样装置，可长期布放于海底流体喷口附近，进行流体喷口颗粒物的收集工作，能够在规定的时间内获取随着流体喷口携带的浊流颗粒物，为认知热液和冷泉等流体喷发系统在深海生物地球化学循环中的作用，揭示地球内部物质输运对极端生命系统演化的控制等提供技术支撑。

具体地，如图1所示，所述深海流体喷口颗粒物取样装置100包括：

流体取样帽10，所述流体取样帽10用于罩在流体喷口处，以供流体喷口喷出的流体流入；

固液两相分离装置20，所述固液两相分离装置20通过流体软管40连接于所述流体取样帽10，用于将所述流体取样帽10流入的流体分离为颗粒物和海水；

时间序列采样装置30，所述时间序列采样装置30设置在所述固液两相分离装置20的颗粒物出口端，用于对所述固液两相分离装置20沉降的颗粒物按照时间序列展开收集工作；以及

控制腔体50，所述控制腔体50连接于所述时间序列采样装置30并具有能够与上位机连接通讯的通讯接口，用于接收上位机发送的控制指令，并按照所述控制指令控制所述时间序列采样装置30展开收集工作。

具体地，所述流体取样帽10为可移动部件，由载人潜器或ROV的机械手将其取下，罩在流体喷口上方，喷发的流体沿着所述流体软管40被输送到所述固液两相分离装置20当中进行固液分离。

所述流体取样帽10包括帽状部11和延伸自所述帽状部11的第一流体软管接口12，所述固液两相分离装置20设置有第二流体软管接口22，所述第一流体软管接口12和所述第二流体软管接口22分别连接于所述流体软管40的两端，从而形成所述流体取样帽10和所述固液两相分离装置20之间相连通的状态。

值得一提的是，所述流体取样帽10还包括分别设置在所述第一流体软管接口12两侧的取样帽吊耳13，以供所述流体取样帽10能够经由所述取样帽吊耳13被载人潜器或ROV的机械手吊动移动。

进一步地，所述固液两相分离装置20为一种深海浊流固液两相分离装置，可实现深海浊流的固液两相分离，固体颗粒在底部收集漏斗中沉降，被其他收集装置收集；而密度较小的海水则从上端的所述海水出口23排出。

具体地，所述固液两相分离装置20包括两相分离腔体21、设置在所述两相分离腔体21侧壁处的所述第二流体软管接口22、设置在所述两相分离腔体21的顶部的海水出口23以及设置在所述两相分离腔体21的底部的漏斗部24，所述两相分离腔体21用于将流体分离为颗粒物和海水，其中颗粒物自所述漏斗部24排出，海水自所述海水出口23排出。

也就是说，所述漏斗部24的底部即为所述固液两相分离装置20的颗粒物出口端。

可以理解的是，所述固液两相分离装置20利用深海浊流流体自所述第二流体软管40灌入时，在所述两相分离腔体21内产生湍流，利用固体颗粒物的重量较大而惯性较大，而海水密度较小的特点，使得固体颗粒物自动沉降至所述漏斗部24并自所述漏斗部24排出，而海水向上流动并自所述海水出口23排出。

进一步地，所述时间序列采样装置30包括驱动电机31、由所述驱动电机31驱动转动的齿轮转盘32以及沿所述齿轮转盘32的周向设置在所述齿轮转盘32之下的多个采样瓶33，所述控制腔体50基于所述控制指令控制所述驱动电机31工作，从而使得所述齿轮转盘32转动而切换对应的所述采样瓶33进行采样。

在本发明的这一具体实施例中，所述时间序列采样装置30还包括连接于所述固液两相分离装置20的颗粒物出口的采样口34，所述齿轮转盘32设置有25个与所述采样口34对接的位置，25个对接位置对应安装有24个采样瓶33和1个空白对照瓶。

所述时间序列采集装置的工作流程为：由所述驱动电机31带动所述齿轮转盘32转动，将所述采样瓶33传送到所述采样口34正下方，每隔一段时间按照预设程序轮换到下一个采样瓶33，对正在沉降的浊流颗粒物按照时间序列展开收集工作，所述时间序列采集装置预设安装24个采样瓶33，可以一次采集24个具有时间分辨率的样品。

应该理解的是，在本发明的一些实施例中，根据实际的采集需求，所述时间序列采集装置可以设置有其他数量的采样瓶，本发明对此不作限制。

进一步地，所述控制腔体50的所述通讯接口为RS485通讯接口，所述控制腔体50通过所述RS485通讯接口与上位机连接通讯，在所述深海流体喷口颗粒物取样装置100被布放到海底后，所述控制腔体50接收上位机发送的控制指令，按照预设指令控制所述时间序列采样装置30展开收集工作。

进一步地，所述深海流体喷口颗粒物取样装置100还包括安装框架60，所述安装框架60具有主体支撑框架61和可拆卸地设置在所述主体支撑框架61上半部的取样帽支承架62，所述固液两相分离装置20设置在所述主体支撑框架61的中部位置，所述时间序列采样装置30和所述控制腔体50设置在所述安装框架60主体的下半部，所述取样帽支承架62用于放置所述流体取样帽10。

值得一提的是，所述深海流体喷口颗粒物取样装置100还包括深海拍照系统70，所述深海拍照系统70包括深海相机71和深海LED灯72，所述取样帽支承架62延伸形成有分别用于安装所述深海相机71和所述深海LED灯72的第一支撑部63和第二支撑部64。

具体地，所述深海相机71可以采用深海4K照相机，可与所述深海LED灯72配合工作，在深海展开长期定时拍照工作，使用图像记录深海环境变化。

还值得一提的是，所述深海流体喷口颗粒物取样装置100还包括电连接于所述时间序列采样装置30、所述控制腔体50以及所述深海拍照系统70的电池腔体80，所述电池腔体80用于为所述时间序列采样装置30、所述控制腔体50以及所述深海拍照系统70提供能源支持。

此外，还值得一提的是，所述深海流体喷口颗粒物取样装置100还可以搭载有水文传感器和化学传感器，所述水文传感器和所述化学传感器用于进行深海水文、化学环境长期监测。所述电池腔体80也可以为搭载的所述水文传感器和所述化学传感器提供能源支持。

所述深海流体喷口颗粒物取样装置100的工作流程如下：

1.布放前准备

(1)将所有采样瓶33充满灭菌海水，并添加Hgc l₂，使采样瓶33内溶液具有灭菌和杀死微生物的功能。

(2)将所述时间序列采样装置30转动到空白位置，即将所述空白对照瓶与所述采样口34对接，防止布放过程中海水污染采样瓶33。

2.布放作业

(1)完成布放准备工作后，通过载人潜器或者ROV等运载平台搭载所述深海流体喷口颗粒物取样装置100，布放到海底目标地点。

(2)通过载人潜器或者ROV运载平台的机械手将所述流体取样帽10取下，罩设在海底流体喷口正上方，经由上位机发送控制指令，控制所述深海流体喷口颗粒物取样装置100各项功能模块开始展开工作。

3.深海作业

(1)所述流体取样帽10中的流体沿着流体软管40被输送到后端的所述固液两相分离装置20中；

(2)所述固液两相分离装置20展开固液两相分离工作；

(3)所述时间序列采样装置30按照预设时间序列，展开颗粒物收集工作；

(4)所述深海拍照系统70展开深海环境长期定时拍照工作；

(5)所述深海流体喷口颗粒物取样装置100搭载的水文传感器和化学传感器展开深海水文、化学环境长期监测工作。

4.回收与样品保存

完成作业后，载人潜器或者ROV等运载平台将所述深海流体喷口颗粒物取样装置100回收，依次取下采样瓶33，并将采样瓶33盖上密封盖，保存到冰箱或低温样品柜，以便后续展开分析测试。

可以理解的是，如图2所示，本发明在另一方面还提供了所述深海流体喷口颗粒物取样装置100的取样方法，包括以下步骤：

S1、将所述流体取样帽10取下，罩设在海底流体喷口正上方；

S2、流体经由流体软管40流入所述固液两相分离装置20中进行固液两相分离，其中颗粒物经由所述漏斗部24排出，海水经由所述海水出口23排出；

S3、经由上位机发送控制指令，所述接收上位机发送的控制指令，并按照所述控制指令控制所述时间序列采样装置30对经由所述漏斗部24排出的颗粒物展开收集工作。

具体地，所述步骤S3包括步骤:

所述控制腔体50接收所述控制指令而驱动所述驱动电机31工作；

所述驱动电机31带动所述齿轮转盘32以设定的时间间隔转动，从而切换对应的所述采样瓶33进行采样。

值得一提的是，在所述步骤S1之前，还包括布放前准备的步骤和布放作业的步骤，所述深海流体喷口颗粒物取样装置100的取样方法还包括控制所述深海拍照系统70展开深海环境长期定时拍照工作的步骤，和控制所述深海流体喷口颗粒物取样装置100搭载的水文传感器和化学传感器展开深海水文、化学环境长期监测工作的步骤。

总的来讲，本发明提供了一种结构简单、使用方便、可搭载在载人潜器或者ROV等运载平台上使用的深海流体喷口颗粒物取样装置，可长期布放于海底流体喷口附近，进行流体喷口颗粒物取样工作，能够按照时间序列获取随着流体喷发携带的浊流颗粒物，为流体演化、关键组分生物地球化学循环、海底与海水的物质与能量交换等研究提供技术支撑。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.深海流体喷口颗粒物取样装置，其特征在于，包括：

流体取样帽，所述流体取样帽用于罩在流体喷口处，以供流体喷口喷出的流体流入，所述流体取样帽包括帽状部和延伸自所述帽状部的第一流体软管接口；

固液两相分离装置，所述固液两相分离装置通过流体软管连接于所述流体取样帽，用于将所述流体取样帽流入的流体分离为颗粒物和海水，所述固液两相分离装置包括两相分离腔体、设置在所述两相分离腔体侧壁处的第二流体软管接口、设置在所述两相分离腔体的顶部的海水出口以及设置在所述两相分离腔体的底部的漏斗部，所述第一流体软管接口和所述第二流体软管接口分别连接于所述流体软管的两端，所述固液两相分离装置利用深海浊流流体自所述流体软管灌入时，在所述两相分离腔体内产生湍流，利用固体颗粒物的重量较大而惯性较大，而海水密度较小的特点，使得固体颗粒物自动沉降至所述漏斗部并自所述漏斗部排出，而海水向上流动并自所述海水出口排出；

时间序列采样装置，所述时间序列采样装置设置在所述固液两相分离装置的颗粒物出口端，用于对所述固液两相分离装置沉降的颗粒物按照时间序列展开收集工作；以及

控制腔体，所述控制腔体连接于所述时间序列采样装置并具有能够与上位机连接通讯的通讯接口，用于接收上位机发送的控制指令，并按照所述控制指令控制所述时间序列采样装置展开收集工作。

2.根据权利要求1所述的深海流体喷口颗粒物取样装置，其特征在于，所述时间序列采样装置包括驱动电机、由所述驱动电机驱动转动的齿轮转盘以及沿所述齿轮转盘的周向设置在所述齿轮转盘之下的多个采样瓶，所述控制腔体基于所述控制指令控制所述驱动电机工作，从而使得所述齿轮转盘转动而切换对应的所述采样瓶进行采样。

3.根据权利要求2所述的深海流体喷口颗粒物取样装置，其特征在于，所述时间序列采样装置还包括连接于所述固液两相分离装置的颗粒物出口的采样口，所述齿轮转盘设置有25个与所述采样口对接的位置，25个对接位置对应安装有24个采样瓶和1个空白对照瓶。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的深海流体喷口颗粒物取样装置，其特征在于，所述流体取样帽还包括分别设置在所述第一流体软管接口两侧的取样帽吊耳，以供所述流体取样帽能够经由所述取样帽吊耳被机械手吊动。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的深海流体喷口颗粒物取样装置，其特征在于，所述深海流体喷口颗粒物取样装置还包括安装框架，所述安装框架具有主体支撑框架和可拆卸地设置在所述主体支撑框架上半部的取样帽支承架，所述固液两相分离装置设置在所述主体支撑框架的中部位置，所述时间序列采样装置和所述控制腔体设置在所述安装框架主体的下半部，所述取样帽支承架用于放置所述流体取样帽。

6.根据权利要求5所述的深海流体喷口颗粒物取样装置，其特征在于，所述深海流体喷口颗粒物取样装置还包括深海拍照系统，所述深海拍照系统包括深海相机和深海LED灯，所述取样帽支承架延伸形成有分别用于安装所述深海相机和所述深海LED灯的第一支撑部和第二支撑部。

7.根据权利要求6所述的深海流体喷口颗粒物取样装置，其特征在于，所述深海流体喷口颗粒物取样装置还包括电连接于所述时间序列采样装置、所述控制腔体以及所述深海拍照系统的电池腔体，用于为所述时间序列采样装置、所述控制腔体以及所述深海拍照系统提供能源支持。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的深海流体喷口颗粒物取样装置，其特征在于，所述控制腔体的所述通讯接口为RS485通讯接口；所述深海流体喷口颗粒物取样装置还搭载有水文传感器和化学传感器，所述水文传感器和所述化学传感器用于进行深海水文、化学环境长期监测。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的深海流体喷口颗粒物取样装置的取样方法，其特征在于，包括步骤：

S1、将流体取样帽取下，罩设在海底流体喷口正上方；

S2、流体经由流体软管流入固液两相分离装置中进行固液两相分离，其中颗粒物经由所述固液两相分离装置的漏斗部排出，海水经由所述固液两相分离装置的海水出口排出；以及

S3、经由上位机发送控制指令，控制腔体接收上位机发送的控制指令，并按照所述控制指令控制时间序列采样装置对经由所述漏斗部排出的颗粒物展开收集工作。

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