一种用于水下取样器的充气装置及充气方法

1.本发明涉及水下取样领域，特别是涉及一种用于水下取样器的充气装置及充气方法。


背景技术：

2.水下科研过程中，需要对不同深度的水体进行取样，现有技术一般使用电子取样器进行取样。在水下环境使用时，电子取样器容易发生进水短路等问题，特别是在水体温度较高、腐蚀性强的工业废水的场景中，或水下电磁环境复杂的场景中，这些场景都不适合使用电子取样器。而且能满足上述环境要求的电子取样器的成本很高。而传统机械式的取样器，智能化程度低，需要配合水下机器人等其它设备完成对特定水深的取样。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是提供一种用于水下取样器的充气装置及充气方法，通过精确设计的充气装置，降低机械式取样器的动力成本、提高了机械式取样器的自动化程度。
4.特别地，本发明提供了一种用于水下取样器的充气装置，包括：
5.盛气部，其包括活塞、气缸和限位件，所述活塞覆盖气缸口，所述限位件位于所述活塞远离气缸顶的一侧，所述盛气部的最大盛气空间由所述限位件和气缸顶的距离确定；传感器，设置在所述活塞的两侧或者任意一侧；气泵，其与所述盛气部的进气口连接，以向所述盛气部输入气体；控制模块，其与所述传感器、所述气泵连接，用于接受所述传感器的压力或压强信号，向所述气泵传输启停信号；其中，根据输入的水深数据，所述控制模块控制所述气泵的启动时长，以使得所述盛气部容纳设定压力的气体。盛气部内能够容纳特定压力的气体，而且还可以调节容纳气体的最大容积，从而得到具有适用于特定水深的取样器的动力装置。
6.优选的，所述气泵的出气口通过单向阀门与所述盛气部连接。单向阀能够避免由于盛气部内的气体压力过大而出现无法充气的情况。
7.优选的，所述传感器为压力传感器，其设置在所述活塞与所述限位件接触的位置，和/或所述活塞与盛气部的气体接触的位置；所述传感器为气压传感器，其设置在所述盛气部的盛气空间内部。传感器的类型和放置的位置均是为了得到盛气部内气体的压力大小，从而控制气泵的充气时长，得到具有特定压力的气体。
8.优选的，所述限位件包括：位于周向的限位件圈、位于中心的限位件定位圈，所述限位件圈与气缸口的内径相配合，所述限位件圈与所述限位件定位圈之间镂空且通过至少两个连接筋固定连接，所述限位件定位圈具有内螺纹。限位件能够控制盛气部内的最大气体容积，一是为了避免漏气的情况发生，二是为了使得盛气部内的气体容器可控可调节，从而更广泛地适应不同水体类型和水体深度的采样，不需要针对不同的水体类型和水体深度更换不同容量的气缸，降低了通用性设备的成本。
9.优选的，调节装置包括调节杆和位置固定的固定件，所述固定件设置有具有内螺
纹的通孔，所述调节杆设置有外螺纹，所述调节杆与所述固定件的通孔配合，所述调节杆的一端与所述限位件定位圈连接，通过转动所述调节杆调节所述限位件与所述气缸顶的距离。在充气前，通过调节装置精确地设定限位件的位置，从而得到精确的气体容积，使得盛气部在应用于水下取样器后，其设备能够仅靠自身就实现精确化采样。
10.优选的，所述调节杆的另一端与转动杆或转动轮连接，所述转动杆垂直于所述调节杆。转动杆或转动轮均使得调节杆的位置调节更精确，转动调节杆即可实现前后位置的调节。
11.优选的，在所述限位件的位置确定的情况下，所述限位件在气缸内的位置不变，所述调节装置替换成限位帽，所述限位帽包括：位于周向的限位帽圈、位于中心的限位帽定位杆，所述限位帽圈与气缸口的外径相配合，所述限位帽圈的内螺纹与所述气缸外侧的外螺纹相配合，所述限位帽圈与所述限位帽定位杆之间镂空且通过至少两个连接杆固定连接，所述限位帽定位杆具有外螺纹且与所述限位件定位圈的内螺纹相配合。限位帽与气缸的外壳配合，利用气缸外壳的稳固性起到稳定限位件位置的作用，使得限位件能够始终在计算好的位置上。限位帽与气缸、限位件的配合方式，使得限位帽能够适应不同位置的限位件。
12.优选的，所述连接筋和所述连接杆的正投影位置相重叠。连接筋和连接杆的重叠后能够避免对水流产生更大的干扰，使得特定水深下的水压能够直接无阻碍地作用在活塞上，从而无阻碍地推动活塞压缩气体。
13.优选的，在所述盛气部完成充气的情况下，所述气泵与所述盛气部分离，所述盛气部的进气口设置有硬性的密封球阀。硬性的密封球阀不会因充气口封闭件的明显形变造成气缸内压强的明显变化。
14.根据本发明的另一个方面，还公开了一种用于水下取样器的充气方法，包括以下步骤：
15.s1：控制模块得到设定水深的压强数据或压力数据；
16.s2：控制模块向气泵传输启动信号，气泵向盛气部内充气；
17.s3：控制模块接收传感器的压力或压强信号；
18.s4：当压力或压强信号达到s1的数值时，控制模块向气泵传输停止信号，气泵停止向盛气部内充气。
19.相比于现有技术，本发明至少具有以下的技术效果：
20.1、盛气部内能够容纳特定压力的气体，而且盛气部还可以调节容纳气体的最大容积，从而得到具有适用于特定水深的取样器的动力装置。其中，限位件能够控制盛气部内的最大气体容积，一是为了避免漏气的情况发生，二是为了使得盛气部内的气体容器可控可调节，从而更广泛地适应不同水体类型和水体深度的采样，不需要针对不同的水体类型和水体深度更换不同容量的气缸，降低了通用性设备的成本。
21.2、在充气前，通过调节装置精确地设定限位件的位置，从而得到精确的气体容积，使得盛气部在应用于水下取样器后，其设备能够仅靠自身就实现精确化采样。在充气前，用限位帽代替调节装置。限位帽与气缸的外壳配合，利用气缸外壳的稳固性起到稳定限位件位置的作用，使得限位件能够始终在计算好的位置上。限位帽与气缸、限位件的配合方式，使得限位帽能够适应不同位置的限位件。
22.3、由于限位帽和限位件都在活塞与水体接触的一侧，因此为了避免限位帽和限位
件过多地干扰水体对活塞的作用，尽可能地缩小限位帽和限位件的面积。连接筋和连接杆的重叠后能够避免对水流产生更大的干扰，使得特定水深下的水压能够直接无阻碍地作用在活塞上，从而无阻碍地推动活塞压缩气体。
23.4、其他零部件起到的有益效果：单向阀能够避免由于盛气部内的气体压力过大而出现无法充气的情况。传感器的类型和放置的位置均是为了得到盛气部内气体的压力大小，从而控制气泵的充气时长，得到具有特定压力的气体。硬性的密封球阀不会因充气口封闭件的明显形变造成气缸内压强的明显变化。
24.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
25.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
26.图1为本发明的盛气部用于水下取样器时，常温常压状态的示意图；
27.图2为本发明的盛气部用于水下取样器时，在设定水深下的示意图；
28.图3为本发明的充气装置在充气前的示意图；
29.图4为本发明的充气装置在充气完成后的示意图；
30.图5为本发明的限位件的一个角度的简易示意图；
31.图6为本发明的限位帽的一个角度的简易立体图。
32.图中各符号表示的含义：
33.1-气泵，2-盛气部，21-气缸，22-活塞，3-传感器，4-控制模块，5-限位件，51-限位件圈，52-连接筋，53-限位件定位圈，6-固定件，7-调节杆，8-转动杆，9-限位帽，91-限位帽圈，92-限位帽定位杆，93-连接杆，10-密封球阀。
具体实施方式
34.如图1所示，在常温常压状态下，本发明的盛气部2用于水下取样器时，气体由活塞22和限位件5限制，保持设定压力的气体状态。如图2所示，在设定水深下的本发明的盛气部2的气体受到水体的压力，水体推动活塞22，气体被压缩，活塞22向下移动，使得活塞22带动水下取样器下移，从而使得取样器的盖体下移扣住取样容器。此时，取样容器取得设定水深下的水体样本。
35.液体的压强计算方式为：
36.p＝ρgh
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(1)
37.式中：g为重力加速度，值为9.8n/kg；h为水深，单位是m；ρ为液体密度，单位是kg/m3；压强p的单位是pa。
38.根据压强数据和公式(1)计算出盛气部的压力数据，压力的计算公式为：
39.f＝ps
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(2)
40.式中：f为压力，单位为n；p为压强，单位为pa；s为气缸内部截面积，单位为m2。
41.盛气部2内的气体压强由特定水深的压强大小计算获得。同一批次生产的盛气部
2，其气缸21内部截面积s为已知常数，控制模块4能够根据公式(2)计算出限位装置作用在盛气部2的压力，且此压力能通过传感器3测得。
42.根据上述公式原理，如图3所示，本发明用于水下取样器的充气装置，主要包括气泵1、盛气部2、传感器3、控制模块4、限位件5等。
43.盛气部2包括活塞22、气缸21和限位件5。活塞22的面积已知，且活塞22能够覆盖气缸21口。活塞22能够在受到外力的情况下在气缸21内平移，从而改变气缸21内气体的压缩行程。
44.气泵1与盛气部2的进气口连接，以向盛气部2输入气体。气泵1的出气口通过单向阀门与所述盛气部2连接。单向阀能够避免由于盛气部2内的气体压力过大而出现无法充气的情况。
45.传感器3设置在活塞22的两侧或者任意一侧，用于获取气缸21内气体的压强或者压力大小。若是传感器3为压力传感器，其设置在活塞22与限位件5接触的位置，和/或活塞22与盛气部2的气体接触的位置。若是传感器3为气压传感器，其设置在盛气部2的盛气空间内部。
46.控制模块4分别与传感器3、气泵1连接，用于接受传感器3的压力或压强信号，然后向气泵1传输启停信号。根据输入的水深数据，控制模块4控制气泵1的启动时长，以使得盛气部2容纳设定压力的气体。
47.具体的控制流程是：当开始充气后，控制模块4向气泵1传输启动信号，气泵1通过输气管向盛气部2的进气口输入气体。当控制模块4收到传感器3的压力或压强数据达到特定水深下的压力值时，控制模块4向气泵1传输停止信号，气泵1停止向盛气部2输气。
48.如图3所示，限位件5位于活塞22远离气缸21顶的一侧，盛气部2的最大盛气空间由限位件5和气缸顶的距离确定。因此，在充气前，需要先确定限位件5在气缸21内的位置，从而确定盛气部2的最大盛气空间。在本实施例中，限位件5的位置由带有刻度的调节装置确定。
49.如图5所示，限位件5包括：位于周向的限位件圈51、位于中心的限位件定位圈53。限位件圈51与气缸口的内径相配合。限位件圈51可以与气缸口的内径紧密贴合，起到和活塞22一同密封的作用。限位件圈51也可以不需要与气缸口的内径紧密贴合，因为限位件5的限位作用是对活塞22而言的，只需要限位件5能够在固定位置接触活塞22并限制活塞22的移动即可。限位件圈51与限位件定位圈53之间镂空且通过至少两个连接筋52固定连接。因此，对于水体和活塞22的接触面积而言，限位件5与活塞22的接触面积并不影响水体和活塞22的接触，也不影响水体推动活塞22向气缸顶的方向移动。限位件定位圈53还具有内螺纹。
50.调节装置包括调节杆7和位置固定的固定件6。固定件6设置有具有内螺纹的通孔，调节杆7设置有外螺纹，调节杆7与固定件6的通孔配合。转动调节杆7，即可实现调节杆7的前后移动。调节杆7的一端与限位件定位圈53连接。调节杆7的另一端与转动杆8或转动轮连接，其中转动杆8垂直于所述调节杆7。转动杆8或者转动轮上设置有刻度，提示使用者转动多少角度，调节杆7前进/后退多少距离。当转动调节杆7，调节杆7实现前进/后退，带动限位件5在气缸21内前进/后退，从而调节限位件5与气缸顶的距离。
51.限位件5的位置确定之后，此时还没有开始充气，限位件还没有受到气体的压力。如图4所示，限位件5在气缸21内的位置不变，调节装置替换成限位帽9。
52.如图4和6所示，限位帽9包括：位于周向的限位帽圈91、位于中心的限位帽定位杆92。限位帽圈91与气缸口的外径相配合，限位帽圈91的内螺纹与气缸21外侧的外螺纹相配合。转动限位帽圈91能够调节限位帽定位杆92伸入气缸21内的长度。限位帽圈91与限位帽定位杆92之间镂空且通过至少两个连接杆93固定连接。限位帽圈91和限位帽定位杆92的面积并不影响水体和活塞22的接触，也不影响水体推动活塞22向气缸顶的方向移动。限位帽定位杆92具有外螺纹且与限位件定位圈53的内螺纹相配合。因此，限位帽9通过限位帽圈91固定于气缸21，并通过限位帽定位杆92固定限位件。
53.限位帽9与气缸21的外壳配合，利用气缸21外壳的稳固性起到稳定限位件位置的作用，使得限位件能够始终在计算好的位置上。限位帽9与气缸21、限位件5的配合方式，使得限位帽9能够适应不同位置的限位件。
54.连接筋52和连接杆93的正投影位置相重叠。由于限位帽9和限位件5都在活塞22与水体接触的一侧，因此为了避免限位帽9和限位件5过多地干扰水体对活塞22的作用，尽可能地缩小限位帽9和限位件5的面积。连接筋52和连接杆93的重叠后能够避免对水流产生更大的干扰，使得特定水深下的水压能够直接无阻碍地作用在活塞22上，从而无阻碍地推动活塞22压缩气体。
55.如图4所示。在盛气部2完成充气的情况下，气泵1与盛气部2分离，盛气部2的进气口设置有硬性的密封球阀10。硬性的密封球阀10不会因充气口封闭件的明显形变造成气缸21内压强的明显变化。
56.综上，利用图3和图4的结构，本发明的充气装置就能够得到气缸21最大盛气空间可变的、气体压强可控的水下取样器动力机构。具体的充气方法的步骤如下所示。
57.s1：控制模块4得到设定水深的压强数据或压力数据。
58.根据公式(1)和公式(2)，输入特定水样的密度和水深、活塞22截面积的数据，即可得到在采集特定水深的水样时，所需要的气体压强的大小。也可以计算得到最佳的压缩行程距离，从而利用调节装置和限位帽9，将限位件5固定在气缸21内的某个位置，以得到盛气部2确定的最大盛气空间。
59.s2：控制模块4向气泵1传输启动信号，气泵1向盛气部2内充气。
60.气泵1通过输气管和单向阀门向盛气部2内充气。
61.s3：控制模块4接收传感器3的压力或压强信号。
62.控制装置接受传感器3的压力信号从而判断气体压强是否到达计算值。
63.s4：当压力或压强信号达到s1的数值时，控制模块4向气泵1传输停止信号，气泵1停止向盛气部2内充气。
64.此时，盛气部2内的气体压强达到计算值，气泵1停止输气。
65.综上，本发明的盛气部2内能够容纳特定压力的气体，而且盛气部2还可以调节容纳气体的最大容积，从而得到具有适用于特定水深的取样器的动力装置。其中，限位件5能够控制盛气部2内的最大气体容积，一是为了避免漏气的情况发生，二是为了使得盛气部2内的气体容器可控可调节，从而更广泛地适应不同水体类型和水体深度的采样，不需要针对不同的水体类型和水体深度更换不同容量的气缸21，降低了通用性设备的成本。
66.至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接
确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。