CN117647418A - 一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深海采样技术领域，具体为一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，包括壳体，壳体内设有滤膜缠放机构和抽吸过滤机构，壳体下方设有用于供电的电子舱，电子舱分别与滤膜缠放机构和抽吸过滤机构电性连接，抽吸过滤机构包括水浴加热器，水浴加热器进水端与壳体外部的海水连通，水浴加热器出水端连接有过滤腔室进口端，过滤腔室出口端连接有用于给抽吸海水提供动力的齿轮泵，齿轮泵连接有用于驱动齿轮泵的齿轮泵电机，滤膜缠放机构的滤膜带穿过过滤腔室。本发明通过在抽吸过滤的路径中增加了水浴加热器，对抽吸的海水进行加热处理，使海水的温度升高促使水合物分解，有效地防止了水合物聚集在滤膜带上阻碍过滤，提高颗粒碳的采样效率。
Description
技术领域
本发明涉及深海采样技术领域，具体为一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器。
背景技术
日前，科研团队在深海甲烷渗漏区的冷泉喷口发现了独特的生物群落，对采集到的样本进行分析后发现，该生物圈中的微生物具有很高的丰富度和多样性，且具有一些特殊的功能，例如，对石油有较强的分解能力，有很高的抗癌活性，某些微生物对海洋中的地质演化和物质循环具有重要影响。此外，科研团队在对深海甲烷渗漏区的观测中发现了冷泉喷口处有微小颗粒状的碳，部分科学家认为颗粒碳可能造就了甲烷渗漏区特殊的物质循环模式和生物基因特性，且有可能解释生命起源，因此科研团队正在积极地对海水中的颗粒碳进行采样验证并深入研究。
目前的深海采样器如SUPR采样器（Suspended Particulate Rosette multi-sampler），其采用24条相同的流道来对样品进行分别过滤保存，每组样品通过过滤30-100L水样得到，样品采用管段保存，但经过科学研究发现，冷泉喷口处喷出的气泡流可在短短几秒内快速生成天然气水合物，这些絮凝状的水合物会堵塞滤膜并阻碍过滤，进而使得颗粒碳采样效率降低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，以解决现有技术中絮凝状的水合物会堵塞滤膜并阻碍过滤，进而使得采样效率降低的问题。
为了完成上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，包括壳体，壳体内设有滤膜缠放机构和抽吸过滤机构，壳体下方设有用于供电的电子舱，电子舱分别与滤膜缠放机构和抽吸过滤机构电性连接；
抽吸过滤机构包括水浴加热器，水浴加热器进水端与壳体外部的海水连通，水浴加热器出水端连接有过滤腔室进口端，过滤腔室出口端连接有用于给抽吸海水提供动力的齿轮泵入口端，齿轮泵出口端与壳体外部的海水连通；
滤膜缠放机构包括用于吸附颗粒碳的滤膜带，滤膜带穿过所述过滤腔室。
进一步地，滤膜缠放机构还包括主动滚轮、滤膜被动滚轮和盖层被动滚轮，滤膜被动滚轮上缠绕有滤膜带，盖层被动滚轮上缠绕有用于覆盖保护滤膜带的盖层带，主动滚轮分别通过滤膜带和盖层带与滤膜被动滚轮和盖层被动滚轮传动连接，主动滚轮连接有用于驱动主动滚轮旋转的驱动组件；
过滤腔室进口端可分离式连接有过滤腔室出口端，过滤腔室进口端与过滤腔室出口端上分别对应设有密封圈，过滤腔室连接有用于驱动过滤腔室分离的丝杆电机。
更进一步地，驱动组件包括滚轮电机，滚轮电机连接有蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器与主动滚轮连接传动。
更进一步地，滤膜缠放机构还包括用于防止滤膜带或盖层带扭缠的导轮。
更进一步地，还包括用于反馈滤膜带移动距离的位置反馈机构，位置反馈机构与电子舱电性连接。
更进一步地，位置反馈机构包括带齿滚轮，对应在滤膜带上设有通孔，带齿滚轮连接有磁铁转盘，磁铁转盘上设有磁感应角度传感器，磁感应角度传感器与电子舱电性连接。
更进一步地，还包括用于平衡海水压力与电机压力的硅油补偿器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在抽吸过滤的路径中增加了水浴加热器，对抽吸的海水进行加热处理，使海水的温度升高促使水合物分解，有效地防止了水合物聚集在滤膜带上阻碍过滤，提高颗粒碳的采样效率；
还设有盖层带，能够覆盖保护已完成采样的滤膜带，避免滤膜带之间交叉污染；
另外设有主动滚轮、滤膜被动滚轮和盖层被动滚轮，能够在冷泉喷口处长时间放置来捕获大量颗粒碳的样品，进一步提高采样效率；
此外设有带齿滚轮以及磁感应角度传感器，能够准确检测滤膜带移动位置，并在滤膜带上生成时间序列化的颗粒碳样品，便于对颗粒碳样品进一步进行科学研究；
同时配备有硅油补偿器，保证各个电机的内部压力与海水中的压力相同，避免电机舱体由于压差作用产生损坏失效。
附图说明
图1为本发明提供的一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器的整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器中前腔内的结构示意图；
图3为本发明提供的一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器中后腔内的结构示意图。
其中，附图标记为：
1、壳体；2、腔壁；3、电子舱；4、PU软管；
5、滤膜缠放机构；51、滤膜带；52、主动滚轮；53、滤膜被动滚轮；54、盖层被动滚轮；55、盖层带；56、滚轮电机；57、第二联轴器；58、蜗轮蜗杆减速器；59、导轮；
6、抽吸过滤机构；60、丝杆电机；61、水浴加热器；62、齿轮泵；63、齿轮泵电机；64、过滤腔室进口端；65、过滤腔室出口端；66、第一转接头；67、第二转接头；68、第一联轴器；69、密封圈；
7、位置反馈机构；71、带齿滚轮；72、磁铁转盘。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
为了便于理解，请参阅图1至图3，本实施例提供了一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，包括内部被腔壁2分隔成前腔和后腔的壳体1，壳体1内设有滤膜缠放机构5和抽吸过滤机构6，壳体1下方设有用于供电并控制采样器运作的电子舱3。抽吸过滤机构6包括固定在后腔内的水浴加热器61、齿轮泵62及齿轮泵电机63，以及位于前腔内的过滤腔室，水浴加热器61能够海水进行加热处理，促使海水中的水合物进行分解，防止海水中的水合物在滤膜带51上聚集堵塞，水浴加热器61进水端通过PU软管4贯穿壳体1与壳体1外部的海水连通，水浴加热器61出水端通过PU软管4与贯穿腔壁2的第一转接头66连接后连通至过滤腔室进口端64，滤膜缠放机构5中用于截留吸附颗粒碳的滤膜带51穿过过滤腔室，过滤腔室出口端65通过PU软管4与贯穿腔壁2的第二转接头67连接后连通至齿轮泵62入口端，齿轮泵62出口端通过PU软管4贯穿壳体1与壳体1外部的海水连通，齿轮泵电机63通过第一联轴器68连接传动齿轮泵62，第一联轴器68优选为梅花形联轴器，齿轮泵电机63与电子舱3电性连接。
将采样器下放至冷泉喷口处后，电子舱3发出电信号控制齿轮泵电机63运转，齿轮泵电机63运转后为抽吸海水提供动力，使海水从壳体1外部通过PU软管4进入到壳体1内后腔的水浴加热器61中，水浴加热器61对海水进行加热处理后流入过滤腔室，过滤腔室中的滤膜带51会截留吸附海水中的颗粒碳，完成对海水中颗粒碳的采样，被采样后的海水会从过滤腔室出口端65顺着PU软管4流至齿轮泵62内，并最终通过PU软管4从壳体1内排出至壳体1外部；抽吸一段时间后，电子舱3发出电信号停止齿轮泵电机63，齿轮泵62随即停止向采样器内抽吸海水。用户可事先设置抽吸时间，电子舱3内的控制系统具有计时功能，当抽吸时间达到预设值时电子舱3自动发出电信号使齿轮泵电机63停止，本实施例经过多次实验验证后设置抽吸时间为4分钟，此为最佳抽吸过滤时长。
为了便于理解，请参阅图2至图3，滤膜缠放机构5还包括固定在前腔内的主动滚轮52、滤膜被动滚轮53和盖层被动滚轮54，滤膜被动滚轮53上缠绕有滤膜带51的一端，另一端延伸缠绕在主动滚轮52上，盖层被动滚轮54上缠绕有用于覆盖保护滤膜带51的盖层带55的一端，另一端延伸缠绕在主动滚轮52上覆盖滤膜带51，主动滚轮52分别通过滤膜带51和盖层带55与滤膜被动滚轮53和盖层被动滚轮54连接传动，主动滚轮52连接有用于驱动主动滚轮52旋转的驱动组件，驱动组件与电子舱3电性连接。过滤腔室进口端64与过滤腔室出口端65为可分离式连接，过滤腔室进口端64与过滤腔室出口端65上对应设有密封圈69，过滤腔室出口端65的右侧连接有丝杆电机60，丝杆电机60固定在腔壁2上并与电子舱3电性连接，丝杆电机60可驱动过滤腔室出口端65在水平方向上移动。
用户首先在滤膜被动滚轮53和盖层被动滚轮54上分别缠绕滤膜带51和盖层带55备用，并将滤膜带51穿过两个密封圈69之间；电子舱3发出电信号驱动丝杆电机60推动过滤腔室出口端65向左移动直至两个密封圈69接触滤膜带51并压紧滤膜带51，此时在过滤腔室进口端64和过滤腔室出口端65之间形成密闭空间，使海水流经位于两个密封圈69之间的滤膜带51进行过滤采样；由于海水中颗粒碳的浓度较低，必须要经过一段时间负压抽吸大量海水才能在滤膜带51上富集，故需要将两个密封圈69接触滤膜带51并压紧滤膜带51以形成负压状态；采样完成后，电子舱3发出电信号驱动丝杆电机60带动过滤腔室出口端65向右移动直至两个密封圈69与滤膜带51分隔开，电子舱3发出电信号使驱动组件驱动主动滚轮52旋转，此时完成采样的滤膜带51区域会向上移动，同时下方未进行采样的滤膜带51区域会向上移动到两个密封圈69之间等待采样，完成采样的滤膜带51区域会向上移动，与盖层带55一同缠绕在主动滚轮52上，盖层带55能够层层覆盖保护完成采样的滤膜带51，使滤膜带51上的颗粒碳不被其他物质污染或是交叉污染。通过在滤膜被动滚轮53和盖层被动滚轮54上分别缠绕多层的滤膜带51和盖层带55，并将采样器放置在冷泉喷口处能够长周期地捕获大量颗粒碳样品，提高采样的效率。
为了便于理解，请参阅图2至图3，滤膜缠放机构5中的驱动组件固定在后腔内，其中包括滚轮电机56，滚轮电机56通过第二联轴器57连接有蜗轮蜗杆减速器58，第二联轴器57优选为梅花形联轴器，蜗轮蜗杆减速器58与主动滚轮52连接传动，滚轮电机56与电子舱3电性连接。电子舱3发出电信号使滚轮电机56运转，滚轮电机56通过蜗轮蜗杆减速器58带动主动滚轮52作旋转运动，进而带动滤膜带51和盖层带55移动。滤膜缠放机构5还包括固定在前腔内的多个导轮59，其设置在滤膜被动滚轮53与过滤腔室之间、盖层被动滚轮54与主动滚轮52之间以及过滤腔室与主动滚轮52之间，导轮59在传输滤膜带51和盖层带55的同时，能够防止滤膜带51和盖层带55扭缠，确保盖层带55能够层层覆盖并压紧保护滤膜带51上的颗粒碳样品。
为了便于理解，请参阅图2至图3，采样器内还设有位置反馈机构7，其中包括位于前腔内的带齿滚轮71，对应在滤膜带51上设有通孔，带齿滚轮71上的齿能够穿过滤膜带51上的通孔50，带齿滚轮71同轴连接有位于后腔内的磁铁转盘72，带齿滚轮71与磁铁转盘72同轴转动，磁铁转盘72上设有磁感应角度传感器，磁感应角度传感器与电子舱3电性连接。当主动滚轮52旋转带动滤膜带51移动时，由于带齿滚轮71上的齿穿过滤膜带51上的通孔50，即滤膜带51移动时会带动带齿滚轮71进行旋转，带齿滚轮71带动磁铁转盘72进行转动，此时磁感应角度传感器能够感应到磁铁转盘72的实际转动角度，进而对滤膜带51移动的距离进行检测，判断已完成采样的滤膜带51区域是否移出过滤腔室的采样位置以及未采样的滤膜带51是否抵达两个密封圈69之间的采样位置，能够在滤膜带51上准确生成时间序列化的颗粒碳样品。
由于冷泉喷口处的压力较大，本实施例中采样器还配备有硅油补偿器，保证各个电机的内部压力与海水中的压力相同，避免电机舱体由于压差作用产生损坏失效。
本实施例的工作原理：
用户首先在滤膜被动滚轮53上缠绕滤膜带51的一端，另一端穿过过滤腔室进口端64和过滤腔室出口端65之间，并延伸缠绕至主动滚轮52上，在盖层被动滚轮54上缠绕盖层带55的一端，另一端穿过带齿滚轮71和导轮59之间压紧滤膜带51，并延伸缠绕至主动滚轮52上，使主动滚轮52与滤膜被动滚轮53和盖层被动滚轮54连接传动；电子舱3发出电信号驱动丝杆电机60运转，推动过滤腔室出口端65水平向左移动，直至两个密封圈69接触滤膜带51并压紧滤膜带51，此时在过滤腔室进口端64和过滤腔室出口端65之间形成密闭的空间；将采样器下放至冷泉喷口处后，电子舱3发出电信号驱动齿轮泵电机63运转，将冷泉喷口处的海水从PU软管4吸入水浴加热器61内，水浴加热器61对吸入的海水进行加热处理，防止海水中的水合物在滤膜带51上生长，经过加热后的海水顺着PU软管4流入密闭的过滤腔室中，过滤腔室中的滤膜带51会截留吸附海水中的颗粒碳，完成对冷泉喷口处海水中颗粒碳的采样，被采样后的海水会从过滤腔室出口端65顺着PU软管4流至齿轮泵62内，并最终通过PU软管4从壳体1内排出至壳体1外部；齿轮泵电机63运转4分钟后，电子舱3发出电信号停止齿轮泵电机63，齿轮泵62停止向采样器内抽吸海水，电子舱3发出电信号驱动丝杆电机60复位，带动过滤腔室出口端65向右水平移动，直至两个密封圈69与滤膜带51分隔开；之后电子舱3发出电信号使滚轮电机56驱动主动滚轮52旋转，此时完成采样的滤膜带51区域会向上移动，经过带齿滚轮71和导轮59的压紧作用，使盖层带55能够层层覆盖保护完成采样的滤膜带51，同时下方未进行采样的滤膜带51区域会向上移动到两个密封圈69之间等待采样；滤膜带51移动时磁感应角度传感器能够感应到磁铁转盘72的实际转动角度，进而对滤膜带51移动的距离进行检测，当磁铁转盘72实际转动距离达到预设值时，电子舱3发出电信号停止主动滚轮52，此时未进行采样的滤膜带51区域已到达两个密封圈69之间，等待下一次抽吸采样；通过电子舱3内的控制系统重复以上步骤，使采样器在冷泉喷口处能够进行超长周期地捕获采样，最终主动滚轮52缠绕的滤膜带51上会准确生成时间序列化的颗粒碳样品。
虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属于本发明所保护的范围。
Claims (7)
1.一种甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，其特征在于，包括壳体(1)，壳体(1)内设有滤膜缠放机构(5)和抽吸过滤机构(6)，壳体(1)下方设有用于供电的电子舱(3)，电子舱(3)分别与滤膜缠放机构(5)和抽吸过滤机构(6)电性连接；
所述抽吸过滤机构(6)包括水浴加热器(61)，水浴加热器(61)进水端与壳体(1)外部的海水连通，水浴加热器(61)出水端连接有过滤腔室进口端(64)，过滤腔室出口端(65)连接有用于给抽吸海水提供动力的齿轮泵(62)入口端，齿轮泵(62)出口端与壳体(1)外部的海水连通；
所述滤膜缠放机构(5)包括用于吸附颗粒碳的滤膜带(51)，滤膜带(51)穿过所述过滤腔室。
2.根据权利要求1所述的甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，其特征在于，所述滤膜缠放机构(5)还包括主动滚轮(52)、滤膜被动滚轮(53)和盖层被动滚轮(54)，滤膜被动滚轮(53)上缠绕有滤膜带(51)，盖层被动滚轮(54)上缠绕有用于覆盖保护滤膜带(51)的盖层带(55)，主动滚轮(52)分别通过滤膜带(51)和盖层带(55)与滤膜被动滚轮(53)和盖层被动滚轮(54)传动连接，主动滚轮(52)连接有用于驱动主动滚轮(52)旋转的驱动组件；
所述过滤腔室进口端(64)可分离式连接有过滤腔室出口端(65)，过滤腔室进口端(64)与过滤腔室出口端(65)上分别对应设有密封圈(69)，过滤腔室连接有用于驱动过滤腔室分离的丝杆电机(60)。
3.根据权利要求2所述的甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，其特征在于，所述驱动组件包括滚轮电机(56)，滚轮电机(56)连接有蜗轮蜗杆减速器(58)，蜗轮蜗杆减速器(58)与主动滚轮(52)连接传动。
4.根据权利要求2所述的甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，其特征在于，所述滤膜缠放机构(5)还包括用于防止滤膜带(51)或盖层带(55)扭缠的导轮(59)。
5.根据权利要求2所述的甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，其特征在于，还包括用于反馈滤膜带(51)移动距离的位置反馈机构(7)，位置反馈机构(7)与电子舱(3)电性连接。
6.根据权利要求5所述的甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，其特征在于，所述位置反馈机构(7)包括带齿滚轮(71)，对应在滤膜带(51)上设有通孔，带齿滚轮(71)连接有磁铁转盘(72)，磁铁转盘(72)上设有磁感应角度传感器，磁感应角度传感器与电子舱(3)电性连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的甲烷渗漏区冷泉喷口颗粒碳采样器，其特征在于，还包括用于平衡海水压力与电机压力的硅油补偿器。
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| CN117268852A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-22 | 浙江大学 | 一种采样系统及其控制方法 |
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2024
- 2024-01-28 CN CN202410114187.1A patent/CN117647418A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
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