一种具有通流式结构的深海水体序列采样装置的制作方法

本实用新型涉及深海采水装备技术领域，具体地说，涉及一种具有通流式结构的深海水体序列采样装置。

背景技术：

近年来，对海洋的探索、研究和开发愈发受到研究者和国家的重视。深海热液、冷泉、近海底水样以及其他深海水样在地质、化工、医疗、生物等领域都有重要的研究意义。对这些水体样品的研究的重要手段之一是采样，即在样品所在地获取样品，并取回在实验室进行分析。采集深海水样，测定深海水样的各项物理和化学指标，了解其组成和状态，在大洋矿产资源环境勘查和海底异常条件的探测中十分重要。

取样、保存、转移的质量对于采样所得的样品的分析结果的可靠性和准确性具有重要影响。其中，提高采样纯度，即降低目标样品以外的海水的混入率，具有重要意义。此外，气密性是采样装置的重要指标，它反映了采样装置对于样品中气体组分的保留能力，对于一些研究比如天然气水合物的示踪气体研究具有重要意义。

公布号为cn105842471a的中国专利文献公开了一种高压流体样品的保压转移装置，它主要包括培养筒、采样筒、培养筒恒压模块、中部加压及添加剂输入模块及采样筒驱动模块；该装置可实现深海水体采样后高压流体样品的保压转移装置，以对转移后水体样品进行后期培养实验。

公开号为cn1789955a的中国专利文献公开了一种可控深海采水装置，其包括框架、采水器组、驱动传动单元及控制单元，采水器组由若干独立的采水器单元组成，采水器单元包括活塞式采水器及连杆机构式限位开关，驱动传动单元包括设在框架上的电机及连接电机及采水器单元的传动装置，传动装置为链条传动，链条上设有控制限位开关动作的碰块，控制单元包括甲板上的控制中心及设在框架上的水下控制中心和霍尔开关元件。

现有技术中，无法实现依次下潜过程中，根据需要采集不同地点或同一地点不同时间段的多次采样。

技术实现要素：

本实用新型的目的为提供一种具有通流式结构的深海水体序列采样装置，具有较高的采样纯度，较高的采样可靠性，对样品具有气密保存能力，结构紧凑，且具有序列采样能力。

为了实现上述目的，本实用新型提供的具有通流式结构的深海水体序列采样装置包括外框架、若干独立设置在外框架内的采水器和用于控制采水过程的控制器；采水器包括采样腔和分别设置在采样腔两端的入口球阀和出口球阀，所有采样器的入口球阀通过第一管道连接至采样管嘴，所有采样器的出口球阀通过第二管道连接至采样泵；外框架内设有对所有采样器的入口球阀进行依次控制的第一开关组件，以及对所有采样器的出口球阀进行依次控制的第二开关组件。

上述技术方案中，根据需要采样的数量及种类将采水器安装到外框架上，采水器的种类可以根据采样要求设置，将整个装置搭载在rov(遥控无人潜水器)或lander(海洋着陆器)上，入水前，调节所有入口球阀处于打开状态，所有出口球阀处于关闭状态，依次进入到不同的采样位置，同时，依次控制相应的入口球阀关闭，控制出口球阀先打开后关闭，在此过程中，通过采样泵将水样泵入采样腔内。实现序列采样过程，即在一次下潜中，根据要求在不同地点或者同一地点不同时间进行多次采样，从而获得多个样品，提高采样在时间上或者空间上的丰富度。

作为优选，第一开关组件包括安装在入口球阀上的入口拨盘以及驱动入口拨盘转动的入口拨杆机构；第二开关组件包括安装在出口球阀上的出口拨盘以及驱动出口拨盘转动的出口拨杆机构。

作为优选，各采水器呈环形布置在所述外框架内，入口拨盘和出口拨盘均朝向环形中心设置，外框架内安装有对同一采样器的入口拨杆机构和出口拨杆机构进行同步控制的驱动电机。

采用一个驱动电机同步驱动入口球阀可出口球阀，可以简化序列触发机构，减小重量和体积，从而减小采样装置的运输、布放、回收成本。

作为优选，入口拨杆机构为一可绕环形中心转动的直杆，入口拨盘上具有供直杆拨动的缺口。直杆的一端可通过链传动机构与驱动电机的输出端连接，另一端用于拨动入口拨盘。通过直杆的转动拨动拨盘转动，从而使处于打开状态的入口球阀关闭。

作为优选，出口拨杆机构为可绕环形中心转动的双叉杆，所述出口拨盘上具有供所述双叉杆的双叉端依次拨动的两个缺口。双叉杆的端部可通过链传动机构与驱动电机的输出端连接，双叉端用于拨动出口拨盘。通过双叉杆的转动拨动拨盘转动，从而使处于关闭状态的出口球阀先打开后关闭。

为了便于采样器的安装，作为优选，外框架上设有用于支撑采水器的上支撑板和下支撑板，上支撑板和下支撑板通过固定卡扣分别固定入口球阀和出口球阀。具体的，固定卡扣可设置为螺栓形式，上支撑板上设有供采样器穿过的通孔，螺栓可架设在通孔上对入口球阀进行固定。根据需要，下支撑板也可设置对应的通孔，但比上支撑板的通孔要小，只需供出口球阀穿过即可。

作为优选，采样腔内设有过滤组件。

为了得到同一水样的多份样品，作为优选，采样腔包括多个通过管道连通的独立腔体，相邻腔体之间通过两个中间球阀分割开。采样前直至采样完毕，中间球阀始终处于打开状态，将采样器取出后，对中间球阀进行拧紧，并将相邻腔体之间的两个中间球阀的管道断开，从而得到同一水样的多份样品。具体可根据需要设置独立腔体的个数。

作为优选，两个中间球阀之间的管道设有蓄能器组件。

以上四种形式的采水器的设置可根据具体的采集需要进行自由选择或自由搭配。

作为优选，采样管嘴的主体上固定有与控制器通讯连接的温度传感器，控制器根据温度差控制是否采样。在对海底热液或其他与周围海水存在温度差的水样时，温度传感器可实时检测采样管嘴附近的温度，若温度差较大，则说明纯度较高，则可以进行采样。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型的具有通流式结构的深海水体序列采样装置，通过通流式的采样通道可以长时间进行流动采样，从而使得过滤富集某种特殊物质的采样得以实行，也可以减少采样通道内可能存在的死区残液以及不同采样通道之间的交叉污染问题。

2、多种形式的采样通道形式可以适应不同的采用需求包括大容量采样、富集采样、双份样品采样、保压采样等。

3、通过特殊的触发机构，实现了一个机构同时控制多个采样通道开闭的效果，节省了空间和整体重量。

附图说明

图1为本实用新型实施例的深海水体序列采样装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例的外框架的俯视图；

图3为本实用新型实施例的外框架的仰视图；

图4为本实用新型实施例的采样器的机构示意图，其中(a)为一型采样器的结构示意图，(b)为二型采样器的结构示意图，(c)为三型采样器的结构示意图，(d)为四型采样器的机构示意图；

图5为本实用新型实施例中入口拨盘与入口拨杆机构的交互原理及相应的入口球阀的开闭情况示意图；

图6为本实用新型实施例中出口球阀与出口拨杆机构的交互原理及相应的出口球阀的开闭情况示意图；

图7为本实用新型实施例总采样原理图；

图8为本实用新型实施例中三型采样器和四型采样器的相邻两个独立采样腔体分离示意图。

图中个附图标记为：11、外框架，12、上支撑块，13、下支撑块，14、固定卡扣，211、入口连接件，212、出口连接件，213、小型管接件，221、入口球阀，222、出口球阀，223、中间球阀，224、入口拨盘，225、出口拨盘，231、一型采样腔体，232、二型采样腔体，233、第一采样腔，234、第二采样腔，24、过滤组件，251、蓄能器缸体，252、活塞，31、驱动电机，32、入口链传动机构，33、出口链传动机构、34、入口拨杆机构、35、出口拨杆机构，41、采样管嘴，42、第一管道，43、采样管嘴管接件，44、温度传感器，51、采样泵，52、第二管道，61、电子元件仓，62、微控制器，63、通讯系统。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本实用新型作进一步说明。

实施例

参见图1至图8，本实施例的深海水体序列采样装置包括外框架11、独立设置在外框架11内的若干采水器和用于控制采水过程的微控制器62，本实施例设置了四个采水器。所有采水器呈环形布置在外框架11内。

采水器包括采样腔和分别设置在采样腔两端的入口球阀221和出口球阀222，所有采样器的入口球阀221通过第一管道42连接至采样管嘴41，所有采样器的出口球阀222通过第二管道52连接至采样泵51。外框架11内设有对所有采样器的入口球阀221进行依次控制的第一开关组件，以及对所有采样器的出口球阀222进行依次控制的第二开关组件。

外框架11内设有上支撑块12和下支撑块13，采水器的入口球阀221通过固定卡扣14固定在上支撑块上12，采水器的出口球阀222通过固定卡扣14固定在下支撑块上，从而使采水器安装在支撑框架上。

参见图4，采水器包含一型至四型四种形式：

一型采水器自入口至出口的安装顺序分别是小型管接件213、入口球阀221、一型采样腔体231、出口球阀222以及小型管接件213，这些部件中间根据需要由耐压管道相连。

二型采水器自入口至出口的安装顺序分别是小型管接件213、入口球阀221、二型采样腔体232、出口球阀222以及小型管接件213，这些部件中间根据需要由耐压管道相连。二型采样腔体232中安装有过滤组件24，过滤组件24包含安装支架与具有微孔的滤网构成，微孔的直径根据需要可以有所不同，安装支架可以卡在采样腔体内壁上，安装支架具有中间夹层，滤网安装于安装支架的中间夹层中。

三型采水器自入口至出口的安装顺序分别是小型管接件213、入口球阀221、第一采样腔233、两个中间球阀223、第二采样腔234、出口球阀222以及小型管接件213，这些部件中间根据需要由耐压管道相连。

四型采水器自入口至出口的安装顺序分别是小型管接件213、入口球阀221、第一采样腔233、两个中间球阀223、第二采样腔234、出口球阀222以及小型管接件213。两个中间球阀223之间的管道设有蓄能器组件，蓄能器组件包括蓄能器缸体251和设置在蓄能器缸体251中的活塞252，蓄能器缸体251中，活塞252以下的腔体部分为充液腔，活塞252以上的腔体部分是蓄能腔，压缩腔一侧预留有充气接口。这些部件中间根据需要由耐压管道相连。

以上四种形式的采水器的设置可根据具体的采集需要进行自由选择或自由搭配。

所有采水器入口处的小型管接件213通过柔性管道连接至入口连接件211，并由第一管道42连接至采样管嘴41，入口连接件211有多个出口，出口数量与采水器的数量相同，每个出口各接有柔性管道并与采样通道入口处的小型管接件213相连。第一管道42与采样管嘴41之间设有采样管嘴管接件43，采样管嘴41旁边固定有温度传感器44，温度传感器44与微控制器62连接。温度传感器44的作用为：在对海底热液或其他与周围海水存在温度差的水样时，实时检测采样管嘴41附近的温度，若温度差较大，则说明纯度较高，可以进行采样。

所有采水器的出口处的小型管接件213通过柔性管道连接至出口连接件212，并由第二管道52连接至采样泵51，出口连接件212的结构与入口连接件211相同。采样泵51出口与外界海水通过柔性管道相通。同时，采样泵51与微控制器62电连接。

参见图1至图6，入口球阀221和出口球阀222上分别安装有入口拨盘224和出口拨盘225。拨盘安装在球阀的开关上，且均朝向环形中心设置，通过转动拨盘可以控制球阀的开闭。

球阀驱动装置包括驱动电机31，入口链传动机构32，出口链传动机构33、入口拨杆机构34、出口拨杆机构35。驱动电机31通过卡扣或螺栓安装在外框架上11，并与微控制器62电连接，驱动电机31具有两个输出端，分别与入口链传动机构32、出口链传动机构33的输入端相连。入口链传动机构32的输出端与入口拨杆机构224相连并可带动其转动，出口链传动机构33的输出端与出口拨杆机构35相连并可带动其转动。入口拨杆机构34具有一个拨杆，出口拨杆机构35具有两个拨杆，入口拨盘上设有一个缺口，出口拨盘上设有两个缺口。

参见图5和图6，入口拨杆机构34、出口拨杆机构35运动后将会分别与入口拨盘224、出口拨盘225接触并使其转动并从状态一达到状态五。

状态一，入口拨杆机构34与入口拨盘224不接触，出口拨杆机构35的第一个拨杆开始与出口拨盘225接触，入口球阀221处于全开状态，出口球阀222处于全闭状态。

状态二，入口拨杆机构34与入口拨盘224不接触，出口拨杆机构35的第一个拨杆使出口拨盘225转动45°，入口球阀221处于全开状态，出口球阀222处于半开状态。

状态三，入口拨杆机构34开始与入口拨盘224接触，出口拨杆机构35的第一个拨杆使出口拨盘再次转动45°，出口拨杆机构35的第二个拨杆开始与出口拨盘接触，入口球阀221处于全开状态，出口球阀222处于全开状态。

状态四，入口拨杆机构34使入口拨盘224转动45°，出口拨杆机构35的第二个拨杆使出口拨盘225再次转动45°，入口球阀221处于半开状态，出口球阀222处于半开状态。

状态五，入口拨杆机构34使入口拨盘224再次转动45°，出口拨杆机构35的第二个拨杆使出口拨盘225再次转动45°，入口球阀221处于全闭状态，出口球阀222处于全闭状态。

微控制器62安装在电子元件仓61内，电子元件仓61内还安装有通讯系统63。微控制器62可以接受来自温度传感器44的数据，可以控制驱动电机31、采样泵51的动作。微控制器62可以通过通讯系统63将数据传输给操作者并接受来自操作者的指令。

参见图5至图8，本实用新型的工作流程如下：

1、入水前，先将采水器内预充去离子纯水，从而抵抗下潜过程中来自外界海水的巨大压力。将入口球阀221与出口球阀222设置为初始位置(状态一)：入口球阀221开启，出口球阀222关闭。三型采水器和四型采水器的中间球阀223打开。四型采水器的蓄能器缸体251需要进行充能，通过蓄能腔一侧预留的充气接口进行充气，气压一般为预计样品原位压力的10％。

根据所要采样的液体与预充纯水的密度差异进行安装方向的设置，如果所要采样的液体密度大于预充纯水，则将入口设置在下方，反之，则将入口设置在上方，这种设置的益处在于，使重液自下而上进入轻液或使轻液自上而下进入重液，从而减少两种液体之间的混合，提高采样的效率，减少采样所需时间。

2、将采样装置搭载到下水平台上。电子元件仓61内的微控制器62通过通讯系统63接收到控制信号后，控制驱动电机31转动，驱动电机31通过入口链传动机构32和出口链传动机构33分别带动入口拨杆34和出口拨杆35，从状态一经过状态二转换到状态三，即入口球阀221和出口球阀222都打开的状态，此时采样泵51开始并持续工作一段时间，从而使样品进入本采样通道的采样腔内，并充分地替换预充纯水，并冲刷掉可能存在的死区残液。接下来驱动电机31继续转动使采样通道从状态三经过状态四转换到状态五，此时本采水器的入口球阀221和出口球阀222都关闭。其他采水器依次重复以上两个阶段从而实现各个采水器的采样过程和关闭。

3、所有采水器的采样都完成后，样品存储在各个采样通道的采样腔中，随着采样装置所搭载的平台回到陆地上，这时各个采水器的入口球阀221和出口球阀222都处于关闭状态，可以进行转移。这其中，三型采水器和四型采水器可以关闭两个中间球阀223，从而将一个采样腔体分为各自独立的两个采样腔并进行分别分析(参见图8)。