一种海底取样器以及其取样方法与流程

本发明属于海底取样技术领域，涉及一种海底取样器以及其取样方法。

背景技术：

随着社会经济的发展，沿海围网养殖规模不断扩大，生态环境问题受到关注。这种养殖方式不可避免地带来很多污染，如残饵、鱼类排泄物等污染物。这些污染物容易在海底形成沉积物，使得海底底质环境呈现富营养化，对海洋底质环境造成严重影响。因此需要采集人工养殖海域海底的沉积物，从而对养殖海域的海洋底质环境进行分析和研究。

目前海底的沉积物取样方式主要分为机械式和电动式。机械式通常采用重力式取样器。重力活塞取样管是装置了一个活塞和一个解扣装置的重力取样管。当取样管接近海底时，瞬间解扣，在重锤作用下自由下落插入海底。同时取样管内活塞向上移动使样品进入管内。重力式取样器结构简单，但重量、长度均过重过大，无论是吊放还是回收均相当困难。而电动取样方式通常采用振动活塞取样器。振动活塞取样器是采用托架使取样管垂直于海底，利用电力驱动振动器产生振动效果，来获取样品，振动活塞取样器除取样钢缆外，必须附加托架和一根与振动器连接的供电电缆，其设计复杂，体积大,操作困难。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种海底取样器以及其取样方法，本发明所要解决的技术问题是：在海底采集沉积物的过程中，如何实现海底取样器自动上浮，并方便操作。

本发明通过下列技术方案来实现：一种海底取样器，包括：

收集箱，所述收集箱内固设有环形隔板，所述环形隔板将收集箱分隔成收集腔以及环绕收集腔形成的环形蓄水腔，所述收集腔内呈负压，所述收集腔的底部上开设有若干个收集口，所述收集口的外侧铰接有第一封板，所述环形蓄水腔上连接有排水管；

气体发生器，所述气体发生器固设在收集箱的上侧面，所述气体发生器内部固设有隔板，所述隔板将气体发生器分隔成蓄水腔和储药腔，所述隔板上开设有第二通孔，所述蓄水腔位于收集腔的上方，并且所述蓄水腔与收集腔之间滑动连接且密封设置有第一导向杆，所述第一导向杆的下端伸至收集腔内，上端伸至蓄水腔内，所述第一导向杆的下端水平固设有第一活动板，所述第一导向杆的上端水平固设有第二活动板，所述第二通孔内设置有能够封堵第二通孔的封堵机构，当第二活动板向上运动时，所述第二活动板能够打开封堵机构，所述储药腔内设置有可与水反应产生气体的物质a，所述储药腔与环形蓄水腔之间设置有导气管；

驱动机构，所述驱动机构设置在收集箱的下侧面上，所述驱动机构能够驱动第一封板绕着铰接轴转动以实现封闭或开启收集口。

在上述的一种海底取样器中，所述封堵机构包括第二导向杆，所述第二导向杆水平插设在第二通孔内，所述第二导向杆的一端伸至储药腔内，另外一端伸至蓄水腔内，所述第二导向杆位于储药腔内的端部上固设有第二封板，所述第二导向杆位于蓄水腔内的端部上固设有锲形块，所述锲形块的横截面呈下小上大的梯形，所述第二活动板的横截面呈下大上小的梯形，所述锲形块与第二活动板相对的两个侧面接触，所述第二导向杆上还套设有弹簧，所述弹簧的一端抵压在隔板上，另外一端抵压在锲形块上，在所述弹簧的作用下，当第二活动板位于蓄水腔的底部时，所述第二封板靠近隔板的侧面能够与第二通孔的边沿互相贴合。

在上述的一种海底取样器中，所述驱动机构包括安装座，所述安装座固设在收集箱下侧面的中部，所述安装座内设置有蓄电池和与蓄电池电连接的电机，所述电机的输出端竖直向下并且端部同轴固连有蜗杆，所述蜗杆的下端伸出安装座的下侧面，所述安装座的下侧面上相对固设有两个第一u形板，所述第一u形板上转动设置有转轴，所述转轴上固设有第二u形板所述转轴上同轴固设有蜗轮，所述蜗轮突出第二u形板的开口并与蜗杆啮合连接，所述第二u形板的底部固设有驱动杆，所述驱动杆上铰接有第二连杆，所述第二连杆的另外一端铰接在第一封板上，所述驱动杆的自由端固设有抓斗。

在上述的一种海底取样器中，所述物质a为氢化钙。

在上述的一种海底取样器中，所述储药腔的内壁上平行固设有若干个用于存放氢化钙的储药板，所述储药板上开设有若干个第一通孔。

在上述的一种海底取样器中，所述收集箱的下侧面上沿着边沿固设有波纹管，所述波纹管的下端同轴固设有防护管。

在上述的一种海底取样器中，所述防护管的下端上设置有压力传感器，所述安装箱内设置有第二控制器，所述第二控制器通过蓄电池分别与压力传感器、电机电连接。

在上述的一种海底取样器中，所述第一封板靠近收集口的侧面上设置有第一橡胶层，所述第二封板靠近隔板的侧面上设置有第二橡胶层。

在上述的一种海底取样器中，所述蓄水腔的顶部还设置有压缩空气瓶，所述压缩空气瓶的输出端上设置有电磁阀和第一控制器，所述蓄水腔内还设置有水位传感器，所述水位传感器通过第一控制器与电磁阀电连接，所述收集箱上还设置有助力绳。

在上述的一种利用海底取样器的取样方法中，包含以下步骤：

步骤1：通过助力绳和防护管将本装置立在海底上；

步骤2：压力传感器与海底接触后通过第二控制器向电机发送电信号，启动电机；

步骤3：电机带动驱动杆，驱动杆带动抓斗采集沉积物，同时驱动杆通过第二连杆带动第一封板，开启收集口；

步骤4：收集腔通过收集口将海水和抓斗内的沉积物吸进其中；

步骤5：第一活动板受到的水压逐渐增大，并通过第一导向杆带动第二活动板向上运动，第二活动板通过锲形块带动第二封板，打开第二通孔；

步骤6：蓄水腔(21)内水通过第二通孔(231)流进储药腔(22)内并与氢化钙发生反应，产生氢气；

步骤7：氢气通过导气管将环形蓄水腔内的水排出，使得本装置能自动上浮；

步骤8：蓄水腔内的水下降到一定水位后触发水位传感器，水位传感器通过第一控制器向电磁阀发送电信号，开启电磁阀；

步骤9：压缩空气瓶内的气体依次通过电磁阀、第二通孔以及导气管向环形蓄水腔内充气，同时排出环形蓄水腔内的水。

步骤10：通过助力绳回收本装置。

与现有技术相比，具有以下优点：

1、电机带动驱动杆，并使驱动杆打开第一封板，收集腔将海底的沉积物和海水从收集口吸入，并使海底的沉积物以及海水充满整个收集腔。此时，第一活动板受到的水压大于第二活动板受到的水压，第一活动板带动第一导向杆向上运动，同时第一导向杆带动第二活动板。第二活动板在向上运动时，第二活动板带动锲形块，从而使锲形块朝隔板运动。锲形块带动第二导向杆，并挤压弹簧。第二导向杆带动第二封板，从而使第二封板远离隔板。此时蓄水腔内的水通过第二通孔流进储药腔内，并且与氢化钙发生反应，产生氢气。上述结构简单，无需人工操作。

2、当氢化钙与流进储药腔内的水接触后，可与水反应产生难溶于水的氢气，氢气通过导气管进入环形蓄水腔内，并将环形蓄水腔内的水排出，进而使本装置能自动上浮。

3、启动电机时，电机的输出端带动蜗杆转动。蜗杆带动蜗轮，蜗轮带动转轴，转轴带动第二u形板，第二u形板带动驱动杆，从而使驱动杆绕着转轴转动。此时驱动杆带动第二连杆，第二连杆带动第一封板绕着其铰接轴向下转动，从而打开收集口。与此同时，驱动杆带动抓斗，使得抓斗绕着转轴向下转动，两个抓斗之间的距离逐渐减小，抓斗的下侧边沿突出防护管的下端，将海底的沉积物采集至抓斗槽内。收集口打开后，收集腔将抓斗内的沉积物吸入收集腔内。抓斗的设置有利于提高沉积物的采集效率。

4、在收集箱下沉至海底时，防护管的下端与海底接触，使得本装置竖直立在海底，提高本装置的稳定性。此时波纹管、防护管和收集箱与海底之间形成一个采集空间，从而有助于提高收集腔吸入沉积物和海水的工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中a处的局部放大图。

图3是图1中b处的局部放大图。

图4是图1中c-c处的侧视图。

图5是图1中d处的局部放大图。

图6是本发明另一工作状态的结构示意图。

图中，1、收集箱；11、收集腔；111、收集口；111a、第一橡胶层；112、第一封板；113、第一导向杆；114、第一活动板；115、第二活动板；12、环形蓄水腔；121、排水管；122、第二单向阀；13、环形隔板；14、第一定位孔；2、气体发生器；21、蓄水腔；22、储药腔；221、储药板；222、第一通孔；223、导气管；224、第一单向阀；23、隔板；231、第二通孔；24、第二封板；241、第二橡胶层；25、锲形块；26、第二导向杆；261、弹簧；27、第二定位孔；3、压缩空气瓶；31、电磁阀；32、水位传感器；33、第一控制器；4、波纹管；41、防护管；5、安装座；51、安装腔；52、电机；521、蜗杆；53、第一u形板；54、第二u形板；55、蜗轮；56、转轴；57、驱动杆；571、第二连杆；58、抓斗；581、斜板；582、直板；583、侧板；584、抓斗槽；6、蓄电池；7、第二控制器；8、压力传感器；9、助力绳。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

参照图1、图2和图6，一种海底取样器，包括：

收集箱1，所述收集箱1内固设有环形隔板13，所述环形隔板13将收集箱1分隔成收集腔11以及环绕收集腔11形成的环形蓄水腔12，所述收集腔11内呈负压，所述收集腔11的底部上开设有若干个收集口111，所述收集口111的外侧铰接有第一封板112，所述环形蓄水腔12上连接有排水管121；

气体发生器2，所述气体发生器2固设在收集箱1的上侧面，所述气体发生器2内部固设有隔板23，所述隔板23将气体发生器2分隔成蓄水腔21和储药腔22，所述隔板23上开设有第二通孔231，所述蓄水腔21位于收集腔11的上方，并且所述蓄水腔21与收集腔11之间滑动连接且密封设置有第一导向杆113，所述第一导向杆113的下端伸至收集腔11内，上端伸至蓄水腔21内，所述第一导向杆113的下端水平固设有第一活动板114，所述第一导向杆113的上端水平固设有第二活动板115，所述第二通孔231内设置有能够封堵第二通孔231的封堵机构，当第二活动板115向上运动时，所述第二活动板115能够打开封堵机构，所述储药腔22内设置有可与水反应产生气体的物质a，所述储药腔22与环形蓄水腔12之间设置有导气管223；

驱动机构，所述驱动机构设置在收集箱1的下侧面上，所述驱动机构能够驱动第一封板112绕着铰接轴转动以实现封闭或开启收集口111。

优选地，收集箱1呈圆柱形，环形隔板13同轴固设在收集箱1内。收集口111的数量为两个，并且两个收集口111以收集箱1的轴线对称设置。第一封板112的数量为两个，两个第一封板112与两个收集口111一一对应。收集腔11内呈真空状态。导气管223上还设置有第一单向阀224，排水管121上设置有第二单向阀122。收集腔11的顶部开设有第一定位孔14，蓄水腔21的底部开设有第二定位孔27，第一定位孔14和第二定位孔27互相重叠。第一导向杆113穿过第一定位孔14和第二定位孔27，并且第一导向杆113均与第一定位孔14和第二定位孔27滑动连接且密封设置。第一活动板114的尺寸大于第二活动板115的尺寸。

本装置工作前，由于收集腔11与外界环境之间形成的压差，使得第一封板112紧紧贴合在相对应收集口111的边沿上，此时收集腔11是一个密闭空间。环形蓄水腔12以及蓄水腔21内均充满水，本装置在自身重力下沉至海底，并竖直立在海底上。此时第二活动板115在蓄水腔21受到的水压大于第一活动板114在收集腔11内受到的压力，从而在第二活动板115与第一活动板114之间产生压差。在该压差下，第二活动板115带动第一导向杆113向下运动，并使第二活动板115的下侧面与蓄水腔21的底部互相接触。

当本装置工作时，启动驱动机构，驱动机构带动第一封板112绕着第一封板112上的铰接轴向下转动，使收集腔11通过收集口111与海底的沉积物连通。由于收集腔11与海底环境之间形成的压差，收集腔11将沉积物和海水吸入，并使沉积物和海水充满收集腔11。此时，第一活动板114在收集腔11内受到的水压大于第二活动板115在蓄水腔21内受到的水压，从而在第一活动板114与第二活动板115之间形成压差。在该压差作用下，第一活动板114向上运动，同时第一活动板114带动第一导向杆113向上滑动，第一导向杆113带动第二活动板115。在第二活动板115向上运动时，第二活动板115打开封堵机构，使蓄水腔21通过第二通孔231与储药腔22互相连通，蓄水腔21内的水流进储药腔22内，并与储药腔22内的物质a发生反应产生气体。产生的气体通过导气管223和第一单向阀224流进环形蓄水腔12内，并同时将环形蓄水腔12内的水通过排水管121和第二单向阀122排出。由于排出水的质量大于收集腔11内采集到的沉积物和海水的总质量，本装置受到的浮力大于自身的重力，从而使本装置能上浮，便于回收。

具体来说，所述封堵机构包括第二导向杆26，所述第二导向杆26水平插设在第二通孔内231内，所述第二导向杆26的一端伸至储药腔22内，另外一端伸至蓄水腔21内，所述第二导向杆26位于储药腔22内的端部上固设有第二封板24，所述第二导向杆26位于蓄水腔21内的端部上固设有锲形块25，所述锲形块25的横截面呈下小上大的梯形，所述第二活动板115的横截面呈下大上小的梯形，所述锲形块25与第二活动板115相对的两个侧面接触，所述第二导向杆26上还套设有弹簧261，所述弹簧261的一端抵压在隔板23上，另外一端抵压在锲形块25上，在所述弹簧261的作用下，当第二活动板115位于蓄水腔21的底部时，使得所述第二封板24靠近隔板23的侧面能够与第二通孔231的边沿互相贴合。

锲形块25的横截面呈下小上大的直角梯形，该直角梯形的斜边朝向第二活动板115。第二活动板115的横截面呈下大上下的等腰梯形，该等腰梯形靠近楔形块25的斜边与直角梯形的斜边相适应。

在本装置工作前，第二活动板115的下侧面与蓄水腔21的底部互相接触。此时锲形块25靠近第二活动板115的侧面与第二活动板115靠近楔形块25的侧面互相接触。并且在弹簧261的作用下，第二封板24靠近隔板23的侧面紧紧贴合在第二通孔231的边沿上，使得蓄水腔21内的水不会从第二通孔231流进储药腔22内。

在本装置工作时，驱动机构打开第一封板112，收集腔11将海底的沉积物以及海水吸入，并使海底的沉积物以及海水充满整个收集腔11。此时，第一活动板114受到的水压大于第二活动板115受到的水压，第一活动板114带动第一导向杆113向上运动，同时第一导向杆113带动第二活动板115。第二活动板115在向上运动时，第二活动板115带动锲形块25，从而使锲形块25朝隔板23运动。锲形块25带动第二导向杆26，并挤压弹簧261。第二导向杆26带动第二封板24，从而使第二封板24远离隔板23。此时蓄水腔21内的水通过第二通孔231流进储药腔22内，并且与物质a发生反应，产生气体。上述结构简单，无需人工操作。

参照图1、图3、图4和图6，具体来说，所述驱动机构包括安装座5，所述安装座5固设在收集箱1下侧面的中部，所述安装座5内设置有蓄电池6和与蓄电池6电连接的电机52，所述电机52的输出端竖直向下并且端部同轴固连有蜗杆521，所述蜗杆521的下端伸出安装座5的下侧面，所述安装座5的下侧面上相对固设有两个第一u形板53，所述第一u形板53上转动设置有转轴56，所述转轴56上固设有第二u形板54，所述转轴56上同轴固设有蜗轮55，所述蜗轮55突出第二u形板54的开口并与蜗杆521啮合连接，所述第二u形板54的底部固设有驱动杆57，所述驱动杆57上铰接有第二连杆571，所述第二连杆571的另外一端铰接在第一封板112上，所述驱动杆57的自由端固设有抓斗58。

优选地，抓斗58包括两块平行设置的侧板583，并且侧板583呈直角梯形，侧板583的下侧边沿倾斜向上。两块侧板583的下侧边沿上沿着边长方向固设有斜板581，驱动杆57的自由端固设在斜板581上。两块侧板583之间垂直固设有直板582。斜板581、直板582和两块侧板583之间形成有抓斗槽584。两个收集口111分别位于安装座5的两侧。第二u形板54位于第一u形板53内，第二u形板54的开口朝向蜗杆521，第一u形板53的开口朝下。

在本装置下沉至海底，启动电机52，电机52的输出端带动蜗杆521转动。蜗杆521带动蜗轮55，蜗轮55带动转轴56，转轴56带动第二u形板54，第二u形板54带动驱动杆57，从而使驱动杆57绕着转轴56转轴。此时驱动杆57带动第二连杆571，第二连杆571带动第一封板112绕着其铰接轴向下转动，从而打开收集口111。与此同时，驱动杆57带动抓斗58，使得抓斗58绕着转轴56向下转动，两个抓斗58之间的距离逐渐减小，抓斗58的斜板581突出防护管41的下端，将海底的沉积物采集至抓斗槽584内。收集口111打开后，收集腔11将抓斗58内的沉积物吸入收集腔11内。抓斗58的设置有利于提高沉积物的采集效率。

具体来说，所述物质a为氢化钙。

当氢化钙与流进储药腔22内的水接触后，可与水反应产生难溶于水的氢气，氢气通过导气管223进入环形蓄水腔12内，并将环形蓄水腔12内的水排出，进而使本装置能上浮。

具体来说，所述储药腔22的内壁上平行固设有若干个用于存放氢化钙的储药板221，所述储药板221上开设有若干个第一通孔222。

优选地，储药板221的数量为6个。氢化钙均匀放置在储药板221上。

蓄水腔21内的水流进储药腔22内，并在储药腔22内逐渐上升。水通过第一通孔222与氢化钙接触并发生反应。该结构有助于增加水与氢化钙的接触面积，加快水与氢化钙的反应速率。

参照图1和图6，具体来说，所述收集箱1的下侧面上沿着边沿固设有波纹管4，所述波纹管4的下端同轴固设有防护管41。

优选地，波纹管4的材料为金属或者塑料。防护管41的材料为不锈钢。

在收集箱1下沉至海底时，防护管41的下端与海底接触，使得本装置竖直立在海底，提高本装置的稳定性。收集箱1在重力作用下压缩波纹管4，带动抓斗58向下运动，减小抓斗58与海底之间的距离。此时波纹管4、防护管41和收集箱1与海底之间形成一个采集空间，有助于提高收集腔11吸入沉积物和海水的效率。

具体来说，所述防护管41的下端上设置有压力传感器8，所述安装箱5内设置有第二控制器7，所述第二控制器7通过蓄电池6分别与压力传感器8、电机52电连接。

压力传感器8与海底接触后受到压力，从而通过第二控制器7向电机52发送电信号，启动电机52工作。在第一封板112开启后，第二控制器7向电机52发送电信号，关闭电机52。

第二控制器7为plc控制器。

参照图2和图5，具体来说，所述第一封板112靠近收集口111的侧面上设置有第一橡胶层111a，所述第二封板24靠近隔板23的侧面上设置有第二橡胶层241。

第一橡胶层111a能提高第二封板241与第二通孔231边沿之间的密封性。第二橡胶层241可以提高第一封板112与收集口111边沿之间的密封性。

具体来说，所述蓄水腔21的顶部还设置有压缩空气瓶3，所述压缩空气瓶3的输出端上设置有电磁阀31和第一控制器33，所述蓄水腔21内还设置有水位传感器32，所述水位传感器32通过第一控制器33与电磁阀31电连接，所述收集箱1上还设置有助力绳9。

当蓄水腔21内的水下降到一定水位后，水位传感器32通过第一控制器33向电磁阀31发送电信号，从而打开电磁阀31，压缩空气瓶3内的气体排出。气体一方面促使蓄水腔21内水进一步流进储药腔22内，使水与物质a充分接触，另一方面压缩气体分别通过第二通孔231和导气管223排进环形蓄水腔12内，增加环形蓄水腔12内水的排出，从而有助于本装置上浮，便于回收。第一控制器33为plc控制器

助力绳9的一端固连在收集箱1上，另一端用于控制本装置在海水中下沉或者将本装置从海水中回收。在从海底回收本装置时，通过助力绳9避免本装置由于暗流而发生偏离。

一种利用海底取样器的取样方法，包含以下步骤：

步骤1：通过助力绳9，并在本装置的重力作用下，使本装置在海水中下沉，通过防护管41将本装置立在海底上；

步骤2：在本装置的重力作用下，压缩波纹管4，带动抓斗58向下运动，同时压力传感器8与海底接触后通过第二控制器7向电机52发送电信号，启动电机52；

步骤3：电机52带动驱动杆57，使驱动杆57绕着转轴56向下转动，驱动杆57带动抓斗58，使抓斗58的下侧边沿突出防护管41的下侧边沿，并插入海底，从而采集样本；同时驱动杆57通过第二连杆571带动第一封板112，使第一封板112绕着其及铰接轴向下转动，开启收集口111；

步骤4：收集腔11通过收集口111将海水和抓斗58内的样本吸进其中，并且随着收集口111的开启面积逐渐增加，收集腔11的工作效率提高；

步骤5：第二控制器7向电机52发送电信号，关闭电机52；

步骤6：随着收集腔11内的水位逐渐上升，第一活动板114受到的水压逐渐增大，在第一活动板114受到的水压大于第二活动板115在蓄水腔21内受到的水压后，第一活动板114通过第一导向杆113带动第二活动板115向上运动，第二活动板115通过锲形块25带动第二封板24，从而打开第二通孔231；

步骤7：蓄水腔21内水通过第二通孔231流进储药腔22内并与氢化钙发生反应，产生氢气；

步骤8：氢气通过导气管223以及第一单向阀224流进环形蓄水腔12内，同时将环形蓄水腔12内的水通过排水管121和第二单向阀122排出，当排出水的质量大于本装置的总质量后，本装置受到的浮力大于总质量，本装置自动上浮；

步骤9：蓄水腔21内的水下降到一定水位后触发水位传感器32，水位传感器32通过第一控制器33向电磁阀31发送电信号，开启电磁阀31；

步骤10：压缩空气瓶3内的气体通过电磁阀31流进推动蓄水腔21内，并将蓄水腔21内剩余水通过第二通孔231排进储药腔22内，使水与氢化钙充分接触，产生氢气，气体和氢气依次通过导气管223以及第一单向阀224流进环形蓄水腔12内，同时排出环形蓄水腔12内的水，从而加快回收本装置的工作效率。

步骤11：通过助力绳9将本装置拉近，从而便于本装置回收。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。