本发明属于海洋探测设备技术领域，具体涉及一种深海海水及溶解气体采集装置及方法。
背景技术：
深海海水采集装置主要包括自锁式翻盖采水瓶和负压抽提式原位气密采水瓶两种主要类型，以及在这两种类型基础之上变化出来的一些类型。其中，自锁式翻盖采水瓶主体结构包括采水筒、球盖、释放器、固定架和钢丝绳槽及控制系统等几个部分，采水瓶根据压力自适应平衡原理，当采水器下放时，两个球盖保持敞开，当到达预定采水深度后，通过压力开关元件、电缆等方式控制采水器开关，使采水筒两端的两个球盖关闭，于是存在于圆筒中的海水便被保存下来。该类采水瓶每次可安装多个采水瓶组成一个多次海水采集系统，此类采水瓶的特点是装置整体体积比较大，采水量较多，一般2-8升，操作比较简单，但由于此类采水瓶采用的是弹力绳密封结构，所以采水瓶较难保存海水中存留的水溶气体，同时采水器采水还需要借助ctd采集系统、甲板供电、甲板控制系统、传输系统等辅助实现。
另一种采水瓶是负压抽提式原位气密采水瓶，此类采水瓶主体结构包括抽提活塞、缓冲活塞、工作腔、排气口、外压口、储水室、进水口、出水口等几个部分，采水瓶主体材料为不锈钢，根据负压抽提原理，工作腔预先装满水，抽提活塞保持平衡密封，当采水器下放到达预定采水深度时，采水系统中负压仓开放，工作腔中预装的水流向负压仓，同时平衡活塞向工作腔方向移动，样品储藏仓同时出现负压，此时外界的海水根据负压抽提原理随着活塞的移动，进入到样品储藏仓中，当工作腔中预装的水流完，平衡活塞完全移动至工作腔，样品储藏仓中已经装满海水，样品储藏仓中的海水便被得以保存。此类采水瓶的特点是操作比较复杂，系统工作不够稳定，采水量少。每次采水前需预先通过压力泵将工作腔充满水，采水瓶工作还需要高压舱、电源、水下计算机、控制系统、预设软件、负压桶、平衡仓、连接结构等多个组件组成采集系统才能实现采水，采水量为200ml。
现有的自锁式翻盖采水瓶体积较大，适用于多个层位的分层海水的采集，通常要借助探测海水温度、盐度、深度等信息的温盐深仪(ctd)的控制系统及吊架架，可同时安装多个采水瓶，但此类采水瓶采用的是弹力绳密封结构，较难完全保存海水中存留的水溶气体，该采水瓶主要应用于不关注水中气体组分含量的、水样需求比较大的海洋区域地质调查、海洋环境调查中。对于特别专注于水中气体含量且不需要特别多的水的资源调查或科学考察等项目，不适合使用该采水瓶。
负压抽提式原位气密采水瓶结构相对复杂一些，采水瓶还需要高压舱、电源、水下计算机、控制系统、预设软件、负压桶、平衡仓、连接结构等多个组件组成采集系统才能实现海水的气密采集，由于采水瓶是依据负压抽提的工作原理，所以每次采水前需预先通过真空泵将负压桶抽成真空来制造负压，并用高压水泵将工作腔充满水以便预留活塞的移动空间，现场操作程序比较繁琐，通常需要专业人员操作。
综上，现有类型采水瓶存在以下缺点：1)操作步骤繁琐，不适合船载现场使用；2)体积过大，不利用携带和使用；3)较难保存海水中存留的水溶气体；4)需要专业人员操作。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种深海海水及溶解气体采集装置及方法，能够实现对采集区的水溶气体以及水体进行安全快速的采集和气密保存，而且采集设备体积小、操作便利。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种深海海水及溶解气体采集装置，包括:高压密封舱和取样瓶；所述取样瓶包括封闭外壳和内部的样品储藏仓，所述样品储藏仓的末端设有平衡活塞，在所述平衡活塞所在空腔的侧壁上设有与其连通的溢流孔，所述样品储藏仓的侧壁上设有与外界连通的真空阀；
所述高压密封舱包括高压密封舱体及内部的变压器、电路板和电磁阀，所述变压器设在所述高压密封舱体的末端，其一侧设有电路板固定架，所述电路板设在所述电路板固定架上，所述高压密封舱体的另一端设有所述电磁阀，在所述电磁阀与所述电路板固定架之间设有对所述电磁阀进行限位的限位环，所述高压密封舱体的末端设有水密接插件；
所述样品储藏仓的入口端设有与其内腔连通的气/水采集通道，所述气/水采集通通道内设有单向阀；所述电磁阀与所述气/水采集通道连通、进而和所述样品储藏仓连通；
所述高压密封舱体与所述取样瓶连接的一端设有螺纹连接件，所述取样瓶的封闭外壳通过所述螺纹连接件与所述高压密封舱体连接；所述取样瓶的封闭外壳上设有气/水采集入口，所述气/水采集入口的一端与外部连通，其另一端与所述电磁阀连通；
所述取样瓶和所述高压密封舱体的末端均封闭设置。
进一步地，所述真空阀包括两个，分别设在所述样品储藏仓的侧壁的两侧。
进一步地，所述样品储藏仓与活塞之间采用聚四氟乙烯包覆的o形圈密封。
进一步地，所述平衡活塞包括弹簧压簧和活塞体，所述弹簧压簧位于所述活塞体和所述封闭外壳的末端之间。
本发明还提供了利用所述的深海海水及溶解气体采集装置进行采集的方法，包括以下步骤:
a.通过高压水密电缆将所述采集装置的电路系统与船载电源接通；
b.通过所述真空阀将所所述采集装置与船载真空泵连接，将所述样品储藏仓抽至真空；
c.利用船载搭载设施将所述采集装置下放至采集区的指定层位深度；
d.通过甲板电路控制打开所述电磁阀，所述取样瓶外面的海水通过所述电磁阀从所述气/水采集入口进入所述样品储藏仓中，采集预设时间后,关闭所述电磁阀，采集样品保存在样品储藏仓中，采集完毕；
e.将所述采集装置从采集区上提，所述平衡活塞因压力差和压簧弹性而自动移动，改变所述样品储藏仓的容积维持所述样品储藏仓内外压力的平衡；
f.装置上提至至船舱甲板后，通过所述真空阀连接脱气装置，分别将所述样品储藏仓内的样品进行采集，依次获得水溶气体样品和水体样品。
进一步地，步骤d中，所述采集预设时间为2-3分钟。
本发明提供的一种深海海水及溶解气体采集装置及方法，通过在取样瓶上设置气/水采集通道、真空阀和溢流孔，在取样瓶与高压密封舱连通的高压密封舱体的一端设置气/水采集入口和电磁阀。通过真空阀对样品储藏仓预先进行负压处理，采样时根据能量最低原理，实现采集样品；通过气/水采集入口以及打开的电磁阀、再通过气/水采集通道快速进入取样瓶，并通过气/水采集通道内的单向阀控制样品保存在样品储藏仓内不会倒流。采集完毕，在将采集装置上提取出的过程中，平衡活塞一侧通过溢流孔与外界海水相通，依据压力自适应平衡原理，平衡活塞因压力差和压簧弹性的双重作用而自动移动，进而通过改变所述样品储藏仓的容积改变所述样品储藏仓内压力来维持样品储藏仓内外压力的平衡，该过程能够保证采集装置的安全卸压和取回。采集装置收回后，先通过真空阀将采集装置与脱气装置连接，收集水溶气体，之后再通过真空阀收集水体样品，实现采样完全。
附图说明
图1本发明提供的一种深海海水及溶解气体采集装置的结构示意图；
1.高压密封舱，11.高压密封舱体，12.变压器，13.电磁阀，131.电磁阀阀芯，14.电路板固定架，15.限位环，16.水密接插件，17.螺纹连接件；
2.取样瓶，21.封闭外壳，22.样品储藏仓，23.平衡活塞，231.压簧，24.溢流孔，25.真空阀，26.气/水采集入口，27.单向阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行说明。
一种深海海水及溶解气体采集装置，如图1所示，包括:高压密封舱1和取样瓶2；取样瓶2包括封闭外壳21和内部的样品储藏仓22，样品储藏仓22的末端设有平衡活塞23，在平衡活塞23所在的空腔侧壁上设有与其连通的溢流孔24，样品储藏仓22的侧壁上设有与外界连通的真空阀25；
高压密封舱1包括高压密封舱体11及内部的变压器12、电路板和电磁阀，变压器12设在高压密封舱体11的末端，其一侧设有电路板固定架14，电路板设在电路板固定架14上，高压密封舱体11的另一端设有电磁阀，在电磁阀与电路板固定架14之间设有对电磁阀进行限位的限位环15，高压密封舱体11的末端设有水密接插件16；
样品储藏仓22的入口端设有与其内腔连通的气/水采集通道，气/水采集通道内设有单向阀27；电磁阀13与气/水采集通道连通，电磁阀阀芯131进入气/水采集通道，进而和样品储藏仓22连通；
高压密封舱体11与取样瓶连接的一端设有螺纹连接件17，取样瓶的封闭外壳21通过螺纹连接件17与高压密封舱体11连接；取样瓶2的封闭外壳21上设有气/水采集入口26，气/水采集入口26的一端与外部连通，其另一端与电磁阀13连通；
取样瓶2和高压密封舱体11的末端均封闭设置。
真空阀25包括两个，分别设在样品储藏仓22的侧壁的两侧。本方案中样品储藏仓22与活塞之间优选采用聚四氟乙烯包覆的o形圈密封。
平衡活塞23包括弹簧压簧231和活塞体，弹簧压簧231位于活塞体和封闭外壳21的末端之间。
其中，高压密封舱：用于存放电路板、电磁阀13、变压器12、电路板固定架14、水密接插件16等电子元件，可保证其内的电子元件在高压水下保持密封。
电路板固定架14：设置于高压密封舱体11内部的中央，用于固定电路板，保证电路板在高压密封舱体11内位置固定。
变压器12：存放于高压密封舱体11内部，用于将船载220v电压转换为适合取样瓶2工作的24v电压。
限位环15：位于高压密封舱体11内靠近取样瓶2的一端，主要用于固定高压电磁阀13的位置，限制高压电磁阀13在高压密封舱体11内随意移动。
电磁阀13：是控制外界海水流入样品储藏仓22的开关，通过电路板以及船载电源、控制系统控制其开闭。平常处于关闭状态，一旦打开，外界海水通过气/水采集入口26立刻进入相对负压的样品储藏仓22。
气/水采集通道：位于样品储藏仓22靠近高压密封舱1的一端，气/水采集通道内设有单向阀27，与高压密封舱体11端部的电磁阀13连通。未采水前，电磁阀13关闭，气/水采集通道及样品储藏仓22都处于真空状态，外界的海水无法进入管道通过单向阀27流入样品储藏仓22；需要采水时，电磁阀13打开，气/水采集通道与单向阀27及样品储藏仓22即处于连通状态，根据能量最低原理，外界的水立刻通过该通道进入样品储藏仓22。
单向阀27：单向阀27的设置在于保证气/水样品的流向，可以确保采集到的气/水样品不会倒流。
平衡活塞23：由弹簧压簧231和活塞体组成。用于调节样品储藏仓22内外压力平衡，平衡活塞23通过溢流孔24与外界相连通，压力时刻与外界相同，取样瓶2下水之前，由于样品储藏仓22抽成了真空，活塞向样品储藏仓22方向移动到极致，但受限位点的限制，活塞最大只能移动到限位位置。取样瓶2回收过程中，样品储藏仓22处于较高压状态，随着活塞一侧外界水压的不断减小，根据压力自适应平衡原理，平衡活塞23缓慢向远离气/水采集入口26方向移动，样品储藏仓22内的容积不断增加，压力逐渐降低，加之另一侧弹簧压簧231的作用，样品储藏仓22内外压力得以保持平衡。
溢流孔24：活塞与外界保持连通的窗口，溢流孔24使得活塞一侧的压力时刻与外界保持相同。
水密接插件16：是高压密封舱体11内的变压器12、电路板与高压水密电缆相连接的纽带，是取样瓶2与船载电源连接的桥梁。
本发明还提供了利用所述的深海海水及溶解气体采集装置进行采集的方法:
a.通过高压水密电缆将采集装置的电路系统与船载电源接通。
b.通过真空阀25将所采集装置与船载真空泵连接，将样品储藏仓22抽至真空。
c.利用船载钢缆、绞车或其他搭载设施将采集装置下放至采集区的指定层位深度。
d.通过甲板电路控制打开电磁阀13，取样瓶2外面的海水通过电磁阀13从气/水采集入口26进入样品储藏仓22中，采集预设时间后，关闭电磁阀13，采集样品保存在样品储藏仓22中，采集完毕；通常预设采集时间为2-3分钟。
e.将采集装置从采集区上提，平衡活塞23因压力差和弹簧压簧231弹性而自动移动，改变样品储藏仓22的容积维持样品储藏仓22内外压力的平衡。
f.装置上提至至船舱甲板后，通过真空阀25连接脱气装置，分别将样品储藏仓22内的样品进行采集，依次获得水溶气体样品和水体样品。
在取样瓶2下水之前，通过真空阀25与真空泵相连接，预先将样品储藏仓22抽成真空，人为地制造出负压，并直接将样品储藏仓22作为负压仓。
样品储藏仓22一端密封，另一端连接一个可自由移动的活塞，该活塞另一侧安装一合适的弹簧压簧231，并通过溢流孔24与外界海水相通，活塞的移动可以间接扩大样品储藏仓22的空间，进而实现压力的安全释放。在取样瓶2回收的过程中，伴随着取样瓶2的缓慢升高，取样瓶2外界的水压也随之逐渐降低，根据压力自适应平衡原理，样品储藏仓22内的高压海水样品会推动活塞轻微移动，活塞的移动扩大了样品储藏仓22的容积，仓内压力则随之减小。取样瓶2逐渐升高、活塞逐渐移动、样品储藏仓22内压力逐渐降低，至海面时样品仓内压力已完全释放。如此可实现安全释放样品储藏仓22内高压。
本发明提供的深海海水及溶解气体采集装置，取样瓶2内部设置了一个预先抽成真空的样品储藏仓22，即负压仓，取样瓶2外部为具有一定高压的深海环境，两者之间存在较大的压力差，负压仓与外界海水通过电磁阀13的开闭来实现互通或闭合，一旦电磁阀13打开，负压仓与外界深海环境相连通，根据能量最低原理，外界相对高压的海水会进入到相对低压的负压仓内，如此便实现海水的采集。另外，样品储藏仓22与活塞之间通过聚四氟乙烯包覆o形圈进行密封，可以使采集的海水样品实现气密保存。
与现有技术相比具有的优点：
气体密封保存的优势：自锁式翻盖采水瓶采用的是弹力绳密封结构，密封度不够高，较难实现完全保存海水中存留的水溶气体，而本装置采用聚四氟乙烯包覆o形圈的密封方式，密封效果更好，更有利于海水样品中水溶气体的保存。
负压仓结构的设计优势：真空抽提式采水瓶是通过另外设置一个负压桶来充当负压仓，本装置是预先将样品储藏仓22抽成真空，并直接将样品储藏仓22作为负压仓，相比之下，本装置的结构更简单、系统更稳定、设计更巧妙，且体积更小巧，操作和携带都更加便利。
样品仓高压释放方案的优势：真空抽提式采水瓶是通过另外悬挂一个平衡桶来释放样品仓内的高压，而本装置是根据压力自适应平衡原理，依靠活塞、弹簧压簧231、溢流孔24等结构设计，使活塞随外界压力变化而移动，样品储藏仓22随之改变容积，进而实现样品储藏仓22压力的安全释放。通过活塞的自由移动来实现样品储藏仓22压力的安全释放。相比之下，本装置的结构更简单、更安全、更稳定、体积更小、重量更轻，操作和携带更加便利。
天然气水合物作为未来的清洁能源，得到了全世界的广泛重视。国际上对天然气水合物地球化学异常的研究主要集中于沉积物、孔隙水和底层海水的烃类气体浓度异常以及c、o同位素组成及其与天然气水合物的关系等方面。海水中烃类气体(如甲烷)及其它气体(如h2s)的异常是识别天然气水合物存在的重要标识之一，ch4/c2h6或c1/(c2+c3)的比值和ch4中δ13c可用于判别天然气水合物的来源和成因；深海海水中气体的含量可以在一定程度上标识深海资源蕴藏量，通过对海水中ch4、h2s等气体的异常分布的检测，能够为快速、高效地探查天然气水合物资源提供线索和依据，深海海水及海水中气体研究也是当前海洋科学研究的前沿课题，如何快速地采集到能真实反映原位气体成分组成信息的海水样品,是近几年来海洋技术领域研究的热点，深海海水的气密采集意义重大。现有常规的采水器大多用于单纯采集水样,较少考虑气体的保存,不能满足深海海水中的气体研究的需要。部分采水瓶如负压抽提式采水瓶，虽能采集到保气的海水，但采水装置和操作过程非常复杂和繁琐，不利于船载现场样品的快速采集。
本装置依据能量最低原理和压力自适应平衡原理,通过设置高压密封舱1、变压器12、高压水密电缆、电路板、限位环15、电磁阀13、单向阀27、样品储藏仓22、平衡活塞23、真空阀25、弹簧压簧231等，实现了船载现场海水及溶解气体样品的快速采集。实现了对深海海水的气密采样。装置具有尺寸小、重量低、操作简单、易于携带与维护等特点，该发明进一步补充完善了船载现场深海海水及水溶气体的快速采集方法，弥补了水合物资源调查中对于现场快速采集水气化学异常标志识别的不足，为我国海域天然气水合物资源勘探分析提供了必要的技术支撑。
以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。