CN210822697U - 用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，包括拖体系统、观测负载系统、采集系统、电控系统。铠装缆通过连接头连接拖体艏部，在水中拖曳前行；拖体艏部内部包含进水管道便于水样采集；机翼位于拖体两侧，可旋转改变角度，用于航行时爬升或下降，使拖体在固定深度进行观测，也可上下或左右水平W型运动，进行200米水深纵向或200米宽度横向的剖面化学参数测定；拖体中部经配重后负载各类化学传感器、采集系统和电动系统。其中采集系统用于采集化学传感器数据和水样，通过经特殊加工的铠装缆传至船舶甲板。电控系统可根据深度和拖体姿态调节机翼进攻角度，确定航行深度和轨迹。

Description

用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统

技术领域

本实用新型属于海洋在线监测技术领域，适用于湖泊、河流、海洋中高分辨率剖面观测，具体涉及一种用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统。

背景技术

天然水体的化学性质是环保政策制定、水体赤潮缺氧等海洋灾害机理研究的基础，而200米以浅水体真光层是人类活动和水体生物活动频繁的场所。因此，如何获得200米以浅的高时空分辨率的化学数据是其中的关键。目前主要手段是船基定点采水或走航调查，或锚系搭载化学传感器进行观测。然而船基定点采水需耗费大量人力和船时，数据并不连续。而走航调查仅能获得表层数据，锚系观测需固定采样站点，且传感器需定期维护，成本高昂。因此，利用船舶航渡期间进行化学数据的采集是一种高效、经济的观测方式，也是进行高分辨率近海、湖泊等环境监测和定量科学研究的基础，显得尤为重要。

国外已有类似产品，如EIVA公司的Scan fish MK系列、Chelsea公司的AQUASHUTTLE系列、EnviroTech公司的U-Tow、Boston Engineering的V-wing系列等。但并不具备实时采样和横向剖面的功能。而国内类似产品很少，多为研究单位按需自制，如深海摄像拖体、地震拖体、多波束侧扫拖体。多集中在海洋水文、底质研究方面，未有适合湖泊、海洋方面化学参数的拖曳式水体剖面观测平台。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本实用新型目的是为克服现有产品观测技术不足，提供一种用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统。系统可由船舶航渡时进行拖曳观测，搭载叶绿素、溶解氧、浊度、营养盐等化学传感器，配合温盐深等传感器，可固定深度进行观测，也可上下W型运动，进行200米水深的剖面化学参数测定。也可左右W型运动，水平覆盖约200米宽度。同时经特殊加工的铠装缆，水样可连续泵至船舶甲板进行进一步化学分析。另外数据可实时传输至船上或通过卫星传回岸上实验室，高效经济的进行水质连续剖面监测。

为了达到上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，包括拖体系统、观测负载系统、采集系统和电控系统；

所述拖体系统包括水电同轴铠装缆、连接头和拖体本体，拖体本体由拖体艏部、负载仓和拖体艉部组成；拖体艏部的顶部设有拖曳头，连接头的一端与水电同轴铠装缆连接，连接头的另一端与拖曳头连接；水电同轴铠装缆通过连接头连接拖体艏部；

所述的拖体艏部和拖体艉部内均设有浮体材料；所述的负载仓内设有观测负载系统、采集系统和电控系统；负载仓的外壳两侧和上下部均设有机翼，所述的机翼可改变角度，用于航行时升降或左右移动；

所述观测负载系统为框架式半封闭结构，经配重后负载化学传感器、采集系统和电控系统；化学传感器监测的参数包括温盐深、溶解氧、叶绿素、浊度、pH、硝酸盐；所述的拖体艏部的前端端部设置有水样进口，水样进口通过进水管道连接化学传感器；

所述采集系统包括数据采集单元、水样采集单元和耐压外壳，数据采集单元和水样采集单元位于采集系统耐压外壳内部分别用于采集化学传感器数据和水样，化学传感器数据通过铠装缆传至船舶甲板；

所述电控系统包括电源、步进电机、姿态传感器和耐压外壳，电源、步进电机、姿态传感器均位于耐压外壳内部，电控系统根据深度和拖体姿态调节机翼角度，确定航行深度和轨迹。

作为本实用新型的优选方案，水电同轴铠装缆包括轴心采水管、数据缆和保护钢缆，保护钢缆与连接头(2)机械连接，轴心采水管和数据缆通过拖曳头(8)上的开孔进入拖体本体内部，数据缆与采集系统相连实时传输数据，轴心采水管与拖体本体内部的进水管相连可利用船舶甲板水泵由轴心采水管采集水体样品。

作为本实用新型的优选方案，电控系统根据设定水深和观测时间要求，采集实际水深数据，进行对比计算，根据对比结果调节机翼角度，改变拖体因在水中航行受到的下压力或抬升力，使其爬升、下降或定深航行；电控系统可调节上下机翼角度，改变拖体因在水中航行受到的左右侧向压力，可使其在船体左后侧或右后侧摆动航行。

作为本实用新型的优选方案，机翼面积、纵切面形状进行优化，使所述拖体本体的最大升阻比达4:1。

作为本实用新型的优选方案，所述的拖体本体的外壳为外保护罩，由316不锈钢漆装。

作为本实用新型的优选方案，所述的采水管采用Teflon材料。

作为本实用新型的优选方案，所述拖体艉部采用流线设计，包括四个对称分布的尾翼叶片，用于减少高速航行时湍流带来的阻力。

作为本实用新型的优选方案，连接头采用316不锈钢材料，连接头同时留有空腔用于保护轴心采水管采水端和数据缆接口端。

作为本实用新型的优选方案，所述的拖体本体内设置有油泵和高压油缸，拖体本体还包括油囊，油囊通过管路与高压油缸相连，管路上设置有油泵；油囊在充油状态下膨胀并部分暴露在拖体本体外部。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

拖体采用了水下滑翔机流体设计，优化拖体横截面，机翼面积和翼型，使拖体升阻比可达4:1。当船舶正常航速行驶时(10-12节)，拖体可根据需要设定航行轨迹，通过调节机翼的进攻角度，在水流作用下上升、下降，左侧、右侧，或定深航行。同时连续采集化学传感器数据和水样，通过水电同轴铠装缆传输，由甲板设备接收。拖体观测负载灵活，可根据需要搭载不同传感器。可利用船舶航渡期间进行高分辨率化学数据的采集，是一种高效、经济的观测方式，可有效促进近海、湖泊等环境监测和科学研究。

附图说明

图1为本实用新型的装置的主视图；

图2是本实用新型的装置的俯视图；

图3是本实用新型的装置的侧视工作图；

图4是本实用新型的水电同轴铠装缆的剖面示意图；

图5是本实用新型的油囊组件的示意图。

图中：1、水电同轴缆；2、连接头；3、艏部；4a、水平机翼；4b、垂向机翼；5、负载仓；6、艉部；7、尾翼叶片；8、拖曳头；9、进水管道；10、化学传感器；11、电池仓；12、温盐深传感器；13、电控系统；14、数据采集器；15、油泵；16、油囊；17、油缸。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做一个详细的说明。

如图1-3所示，在本实用新型的一个具体实施案例中，一种拖曳式水体横纵剖面化学观测系统，包括拖体系统、观测负载系统、采集系统、电控系统。

本实施例中，拖体系统包括水电同轴缆1；连接头2；艏部3；水平机翼4a；垂向机翼4b；艉部6；尾翼叶片7；拖曳头8。水电同轴缆1通过连接头2连接船舶和拖曳头8，可在航行途中采集拖体传感器数据和水样。拖曳时，艏部3向前，其流线型设计可减少水流阻力。艉部6上的尾翼叶片7可减少湍流造成的阻力。水平机翼4a可根据预设指令进行进攻角度调节，改变压力方向，使拖体上升、下降或定深运动。机翼4b可根据预设指令进行角度调节，改变侧向压力方向，使拖体在船舶左后侧或右后侧运动。

观测负载系统包括负载仓5、化学传感器10、电池仓11、温盐深传感器12、电控系统13。负载仓5用于装载各类传感器和电源等。电池仓11为传感器10和12以及电控系统13、数据采集器14提供电力。

化学传感器10包括溶解氧传感器、叶绿素传感器、浊度传感器、pH传感器、硝酸盐传感器等。

采集系统包括进水管道9、数据采集器14，进水管道9在航行过程中水流从艏部3持续进入，允许水电同轴缆1实时采集水样。数据采集器14与各类传感器相连，可自容存储数据，也可通过水电同轴缆1将数据传输至船舶甲板。

在本实用新型的一个具体实施例中，水电同轴铠装缆包括轴心采水管、数据缆和保护钢缆；如图4所示，水电同轴铠装缆共包括同心设置的三圈结构；其中轴心采水管作为内圈，其材质为聚碳酸脂管，数据缆(包括供电传输电缆)位于中圈，保护钢缆位于外圈；保护钢缆与连接头2机械连接，轴心采水管和数据缆通过拖曳头8上的开孔进入拖体本体内部，数据缆与采集系统相连实时传输数据，轴心采水管与拖体本体内部的进水管道相通，可利用设置在船舶甲板水泵(如蠕动泵)由轴心采水管采集水体样品。

本实用新型的拖体本体通过预先设定的浮体和观测负载系统配置的负载可以做到拖体本体在水中的浮力和重力相等；水深的改变、水体的采样动作或水体密度会略微改变重力和浮力的平滑关系，但其影响较小。如图5所示，作为本实用新型的优选方案，也可在拖体本体上可设置油囊16，油囊16与油缸17相连，连接管路上设置油泵15，油泵由电控系统控制，通过油囊的充放油来抵消因外部因素或水体采样动作对拖体本体浮力重力平衡的影响，油泵将油从油缸抽入油囊时，油囊鼓胀，使拖体的浮力增加；反之，油囊缩小会使得拖体的浮力减小。油囊可以只有一个，起在充油状态下位于拖体外部。作为一种可选择的方案，拖体艏部3和拖体艉部6可分别设置一个油囊，前后的两个油囊由两个油泵独立充放油；通过油囊的充放油也可辅助改变拖体在水中的姿态。拖体刚入水时，可通过改变水平机翼角度来使拖体快速达到设定深度。拖体本体可受拖曳跟随船舶以正常航速(10-12节)速度航行。

电控系统13两侧包含两个步进电机，分别和水平机翼4a、垂向机翼4b相连，根据预设指令和水深数据调节机翼角度，水平机翼4a可调整拖体的升降，垂向机翼4b改变拖体的左右向行进角度。

实际操作时，预先根据水体密度，调节拖体整体浮力和重力，使其在水中达到平衡。船舶甲板和拖体拖曳头8通过水电同轴缆1、连接头2相连，下放至水中。各类传感器实时工作。当船舶缓慢加速，拖体跟随前行。根据预设指令，调节水平机翼4a或垂向机翼4b进攻角度，改变整体受力角度，从而使拖体逐渐从水面下降至设定深度，或在固定深度进行左右水平W型运动。当船舶速度稳定时，拖体在特定深度匀速前进。此时按预设指令，根据实际水深，可进一步正向或反向调节水平机翼4a进攻角度，使拖体继续下降或上升，同时各类传感器持续工作，达到测定剖面或特定水深化学数据的目的。化学传感器10和温盐深传感器12的数据可自容存储至数据采集器14中，也可通过水电同轴缆1传输至船舶甲板。

需要强调的是：以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于包括拖体系统、观测负载系统、采集系统和电控系统；

所述拖体系统包括水电同轴铠装缆（1）、连接头（2）和拖体本体，拖体本体由拖体艏部（3）、负载仓（5）和拖体艉部（6）组成；拖体艏部（3）的顶部设有拖曳头（8），连接头（2）的一端与水电同轴铠装缆（1）连接，连接头（2）的另一端与拖曳头（8）连接；水电同轴铠装缆通过连接头连接拖体艏部；

所述的拖体艏部（3）和拖体艉部（6）内均设有浮体材料；所述的负载仓（5）内设有观测负载系统、采集系统和电控系统；负载仓（5）的外壳两侧和上下部均设有机翼，所述的机翼可改变角度，用于航行时升降或左右移动；

所述观测负载系统为框架式半封闭结构，经配重后负载化学传感器、采集系统和电控系统；化学传感器监测的参数包括温盐深、溶解氧、叶绿素、浊度、pH、硝酸盐；所述的拖体艏部（3）的前端端部设置有水样进口，水样进口通过进水管道流经化学传感器；

所述采集系统包括数据采集单元、水样采集单元和耐压外壳，数据采集单元和水样采集单元位于采集系统耐压外壳内部分别用于采集化学传感器数据和水样，化学传感器数据通过铠装缆传至船舶甲板；

所述电控系统包括电源、步进电机、姿态传感器和耐压外壳，电源、步进电机、姿态传感器均位于耐压外壳内部，电控系统根据深度和拖体姿态调节机翼角度，确定航行深度和轨迹。

2.如权利要求1所述的用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于，水电同轴铠装缆包括轴心采水管、数据缆和保护钢缆，保护钢缆与连接头（2）机械连接，轴心采水管和数据缆通过拖曳头（8）上的开孔进入拖体本体内部，数据缆与采集系统相连实时传输数据，轴心采水管与拖体本体内部的进水管相连可利用船舶甲板水泵由轴心采水管采集水体样品。

3.如权利要求1所述的用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于，电控系统根据设定水深和观测时间要求，采集实际水深数据，进行对比计算，根据对比结果调节机翼角度，改变拖体因在水中航行受到的下压力或抬升力，使其爬升、下降或定深航行；电控系统可调节上下机翼角度，改变拖体因在水中航行受到的左右侧向压力，可使其在船体左后侧或右后侧摆动航行。

4.如权利要求1所述的用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于，所述拖体本体的最大升阻比达4:1。

5.如权利要求1所述的用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于，所述的拖体本体的外壳为外保护罩，由316不锈钢漆装。

6.如权利要求2所述的用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于，所述的轴心采水管采用Teflon材料。

7.如权利要求1所述的用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于，所述拖体艉部采用流线设计，包括四个对称分布的尾翼叶片，用于减少高速航行时湍流带来的阻力。

8.如权利要求2所述的用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于，连接头采用316不锈钢材料，连接头同时留有空腔用于保护轴心采水管采水端和数据缆接口端。

9.如权利要求1所述的用于水体横纵剖面化学参数观测的拖曳式系统，其特征在于，所述的拖体本体内设置有油泵和高压油缸，拖体本体还包括油囊，油囊通过管路与高压油缸相连，管路上设置有油泵；油囊在充油状态下膨胀并部分暴露在拖体本体外部。

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