專利名稱：淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種收集海水中沉降顆粒物質(zhì)樣品的裝置，用于海洋物質(zhì)通量測(cè)量和海洋監(jiān)測(cè)的儀器設(shè)備。
海洋顆粒物質(zhì)通量研究是海洋科學(xué)研究的重要方面，收集海水中沉降顆粒物質(zhì)的取樣設(shè)備是不可缺少的技術(shù)手段。研究工作要求取樣設(shè)備在海水中通過(guò)采樣瓶的自動(dòng)轉(zhuǎn)換能定時(shí)、分步收集水中沉降顆粒物質(zhì)樣品。
目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)這種取樣設(shè)備，國(guó)外也只有少數(shù)國(guó)家使用了這類取樣設(shè)備。但是，國(guó)外使用的這類取樣設(shè)備在技術(shù)上仍處于研究發(fā)展階段，它采用了微電機(jī)驅(qū)動(dòng)采樣瓶轉(zhuǎn)換，其適用范圍大都限于水深1000米以下，而在水深小于200米的大陸架海域使用受到限制，因?yàn)闇\海區(qū)海草及其它海洋生物體的纏繞會(huì)使采樣瓶的轉(zhuǎn)換受阻，難以實(shí)現(xiàn)定時(shí)、分步收集水中沉降顆粒物質(zhì)。
為此，本實(shí)用新型推出了一種淺海使用的時(shí)間系列沉積物捕獲器，其目的是采用液壓驅(qū)動(dòng)和棘輪系傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)采樣瓶自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)置的時(shí)間系列和工作程序收集沉降顆粒，以達(dá)到在海下長(zhǎng)期自動(dòng)進(jìn)行海水中沉降顆粒物質(zhì)的定時(shí)、分步收集。
本實(shí)用新型所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器由支撐框架、顆粒捕捉系統(tǒng)、樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)四部分組成。
支撐框架呈圓柱形，四周有六根等距離排布的無(wú)縫鈦鋼圓管，上下兩個(gè)大小相等的鈦鋼角鐵圓環(huán)與圓管牢固地焊接在一起。支撐框架用于支撐和固定捕獲器的其它組成部分，并與用于海中釋放和回收的錨系系統(tǒng)相連接。支撐框架中下部焊接鈦鋼管底座，用于安裝樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，支撐框架上部安裝顆粒捕捉系統(tǒng)。
顆粒捕捉系統(tǒng)由錐形漏斗和嵌入漏斗上開口內(nèi)的短圓柱蜂窩巢結(jié)構(gòu)構(gòu)成，漏斗采用高強(qiáng)度的SMC樹脂玻璃鋼制成。漏斗底部呈短圓筒狀，插入樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)固定盤上的短圓柱體內(nèi)。
樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由固定盤、旋轉(zhuǎn)盤、采樣瓶到位檢測(cè)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。固定盤和旋轉(zhuǎn)盤為尺寸與材料相同的兩個(gè)非金屬圓盤。固定盤固定在支撐框架下部的底座上。固定盤中央有一圓孔，用于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸穿過(guò)。固定盤上靠邊處設(shè)有一個(gè)顆粒沉降孔，沉降孔上方有與錐形漏斗下開口相連接的短圓柱體。旋轉(zhuǎn)盤位于固定盤下方，兩盤中心在一條垂線上，兩盤之間安裝轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠。轉(zhuǎn)動(dòng)盤上等距離設(shè)置大小相同的顆粒接收孔14個(gè)，其中13個(gè)孔的下面安裝采樣瓶，不安裝采樣瓶的孔為零位孔。旋轉(zhuǎn)盤顆粒接收孔四周設(shè)有聚四氟乙烯制的“O”型彈簧密封圈，使固定盤與采樣瓶口實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密封。隨著旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒接收孔分別與固定盤顆粒沉降孔對(duì)接。在接收孔與沉降孔對(duì)接時(shí)，固定盤短圓柱體的內(nèi)孔、顆粒沉降孔和旋轉(zhuǎn)盤上的顆粒接收孔三者的中心線與漏斗中心線均在同一條垂線上。短圓柱體內(nèi)孔底部、顆粒沉降孔和顆粒接收孔依次從上到下排列對(duì)接，下一個(gè)孔的孔徑依次比上一個(gè)孔的孔徑大5～10％，構(gòu)成一條暢通的顆粒沉降收集通道。
驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)采樣瓶的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，由驅(qū)動(dòng)單元和傳動(dòng)單元構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)單元主要由蓄能器、減壓閥、電磁閥、驅(qū)動(dòng)油缸、輸油管道和排油箱構(gòu)成。蓄能器為帶有充氣氣囊的蓄油裝置，在充氣氣囊的作用下始終保持足夠的壓力。蓄能器中具有固定壓力的油通過(guò)減壓閥、電磁閥進(jìn)入驅(qū)動(dòng)油缸，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)油缸的推動(dòng)桿。減壓閥用來(lái)使輸出的油壓始終保持在一定數(shù)值范圍內(nèi)，以使驅(qū)動(dòng)油缸始終在穩(wěn)定的壓力條件下進(jìn)行工作。排油箱用來(lái)儲(chǔ)存從驅(qū)動(dòng)油缸出來(lái)的廢油。傳動(dòng)單元由棘輪和傳動(dòng)軸組成。棘輪有14個(gè)齒，其齒數(shù)和分度與旋轉(zhuǎn)盤上顆粒接收孔的孔數(shù)和盤上分度相同。驅(qū)動(dòng)油缸的推動(dòng)桿可抵住棘輪齒隙。傳動(dòng)軸與棘輪成一體，傳動(dòng)軸向下穿過(guò)固定盤中心孔與旋轉(zhuǎn)盤牢固連接。驅(qū)動(dòng)油缸推動(dòng)桿每推進(jìn)一個(gè)棘輪齒，就帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一個(gè)顆粒接收孔。電磁閥為二位三通電磁閥，分別與驅(qū)動(dòng)油缸、排油箱和通過(guò)減壓閥與蓄能器連通。電磁閥與自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，電磁閥的開啟和關(guān)閉由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制。
采樣瓶到位檢測(cè)機(jī)構(gòu)由微型開關(guān)組成，密封安裝在固定盤上，與自動(dòng)控制系統(tǒng)相連。當(dāng)采樣瓶準(zhǔn)確到位時(shí)，微型開關(guān)發(fā)給控制系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將信號(hào)記錄下來(lái)，并使電磁閥關(guān)閉，停止驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，保證采樣瓶在預(yù)定位置按預(yù)定時(shí)間采樣。
自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝在底座上的電器密封艙內(nèi)，包括單片機(jī)、系統(tǒng)操作和控制程序模塊、記錄存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘單元、高能電池、驅(qū)動(dòng)電路。自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要作用是控制樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)準(zhǔn)確地按預(yù)先設(shè)置的時(shí)間系列和工作程序自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并檢測(cè)和存儲(chǔ)捕獲器的基本工作情況。
本實(shí)用新型所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器由潛水浮標(biāo)錨定設(shè)置于海中，收集海水中的沉降顆粒。在捕獲器投放海中之前，先由外接計(jì)算機(jī)給自動(dòng)控制系統(tǒng)輸入作業(yè)程序和工作指令，使它處于工作待命狀態(tài)。同時(shí)，進(jìn)行手動(dòng)零位校正，使旋轉(zhuǎn)盤上零位孔的中心與固定盤上顆粒沉降孔的中心調(diào)整到同一條軸線上。在捕獲器投放作業(yè)開始時(shí)，通知自動(dòng)控制系統(tǒng)開始按預(yù)定程序工作并同時(shí)記錄下捕獲器的投放時(shí)間。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定的采樣時(shí)間時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，并打開電磁閥開關(guān)，液壓驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開始工作。在驅(qū)動(dòng)油缸推動(dòng)桿的作用下，棘輪傳動(dòng)軸帶動(dòng)攜載采樣瓶的旋轉(zhuǎn)盤一起運(yùn)轉(zhuǎn)，使第一個(gè)采樣瓶的開口到達(dá)并正對(duì)準(zhǔn)固定盤顆粒沉降孔之下。同時(shí)，按裝在固定盤上的到位檢測(cè)機(jī)構(gòu)給中央控制系統(tǒng)發(fā)出采樣瓶到位檢測(cè)信號(hào)。收到此信號(hào)，中央控制系統(tǒng)通知關(guān)斷電磁閥開關(guān)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停止工作，同時(shí)令其內(nèi)部記錄存儲(chǔ)單元將捕獲器的采樣開始時(shí)間、采樣瓶編號(hào)及其它有關(guān)信息存儲(chǔ)起來(lái)，然后進(jìn)入待命狀態(tài)。與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)油缸的推動(dòng)桿縮回原位，油缸內(nèi)的液壓油在壓力作用下通過(guò)電磁閥排油口排泄到排油箱內(nèi)。自此，捕獲器進(jìn)入第一個(gè)樣品收集階段，海水中的顆粒物質(zhì)通過(guò)漏斗頂部開口下沉進(jìn)入顆粒捕捉系統(tǒng)。顆粒物質(zhì)沉到漏斗底部，就通過(guò)顆粒沉降收集通道進(jìn)入第一個(gè)采樣瓶?jī)?nèi)。當(dāng)預(yù)先設(shè)定的收集時(shí)間到達(dá)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)再次通知打開電磁閥開關(guān)，啟動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)，第一個(gè)采樣瓶隨著旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)離開顆粒沉降孔，第二個(gè)采樣瓶隨之移向顆粒沉降孔。當(dāng)?shù)诙€(gè)采樣瓶到達(dá)顆粒沉降孔之下時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)再次收到到位檢測(cè)信號(hào)并通知關(guān)斷電磁閥開關(guān)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即停止工作，記錄存儲(chǔ)單元記下第二次采樣時(shí)間及采樣瓶編號(hào)等有關(guān)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)油缸的推動(dòng)桿退回原位，液壓油排泄到排油箱內(nèi)，捕獲器進(jìn)入第二個(gè)樣品的收集階段。如此循環(huán)，一直到所設(shè)定的采樣數(shù)目全部完成。當(dāng)最后一個(gè)樣品收集完成時(shí)間到達(dá)后，自動(dòng)控制系統(tǒng)將通知電磁閥再次啟動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)盤上的零位孔與固定盤上顆粒沉降孔重合，然后停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等待回收。這樣，沉積物捕獲器就完成了定時(shí)、分步收集水中沉降顆粒物質(zhì)樣品的海下作業(yè)過(guò)程。


圖1為淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-支撐框架，2-底座，3-錐形漏斗，4-蜂窩巢結(jié)構(gòu)，5-樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，6-蓄能器，7-采樣瓶，8-電器密封艙。
圖2為顆粒捕捉系統(tǒng)與樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成示意圖。圖中，3-錐形漏斗，9-短圓柱體，10-短圓柱體內(nèi)孔，11-顆粒沉降孔，12-固定盤，13-旋轉(zhuǎn)盤，14-顆粒接收孔，15-轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠，7-采樣瓶，16-彈簧密封圈，17-棘輪，18-傳動(dòng)軸，19-推動(dòng)桿，20-采樣瓶到位檢測(cè)機(jī)構(gòu)。
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步描述。
在圖1所示的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器整體結(jié)構(gòu)圖中，支撐框架1由六根等距離排布的無(wú)縫圓管和上下兩個(gè)大小相等的角鐵狀圓環(huán)構(gòu)成，使捕獲器的整體結(jié)構(gòu)成圓柱形。支撐框架1的上部安裝顆粒捕捉系統(tǒng)的錐形漏斗3，錐形漏斗3的內(nèi)錐角設(shè)置為32.5℃，內(nèi)壁光潔度1.6以上，錐形漏斗3的上開口內(nèi)嵌入短圓柱狀蜂窩巢結(jié)構(gòu)4。支撐框架1的內(nèi)部設(shè)有底座2，焊接在無(wú)縫圓管下部。樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5和電器密封艙8固定安裝在底座2上。電器密封艙內(nèi)安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)的單片機(jī)、系統(tǒng)操作和控制程序模塊、記錄存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘單元、高能電池、驅(qū)動(dòng)電路。樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的蓄能器6固定在豎立的鈦鋼圓管上，通過(guò)輸油管與樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5內(nèi)的電磁閥連接。樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5下部的旋轉(zhuǎn)盤上設(shè)置13個(gè)采樣瓶7。
在圖2所示的顆粒捕捉系統(tǒng)與樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成圖中，錐形漏斗3的底部插入固定盤12上面的短圓柱體9內(nèi)，短圓柱體9的內(nèi)孔10的底部與固定盤12的顆粒沉降孔11對(duì)接。顆粒沉降孔11與旋轉(zhuǎn)盤13的顆粒接收孔14對(duì)接時(shí)，固定盤上短圓柱體內(nèi)孔10、顆粒沉降孔11、施轉(zhuǎn)盤上的顆粒接收孔14以及錐形漏斗的中心線均在同一條垂線上。顆粒接收孔14的孔徑比顆粒沉降孔11的孔徑大5-10％，顆粒沉降孔11的孔徑比短圓柱體內(nèi)孔10的底部孔徑大5-10％。在固定盤12與旋轉(zhuǎn)盤13之間安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠15。旋轉(zhuǎn)盤13上等距離設(shè)置大小相同的顆粒接收孔14個(gè)，其中13個(gè)顆粒接收孔安裝采樣瓶7。在采樣瓶7的瓶口上方，固定盤12與旋轉(zhuǎn)盤13之間的旋轉(zhuǎn)盤顆粒接收孔14的四周設(shè)置“O”形彈簧密封圈16。固定盤12上設(shè)置由微型開關(guān)構(gòu)成的采樣瓶到位檢測(cè)機(jī)構(gòu)20。旋轉(zhuǎn)盤13與傳動(dòng)單元的傳動(dòng)軸17牢固連接，傳動(dòng)軸17的另一端穿過(guò)固定盤12的中心孔與棘輪18連接成一體。棘輪有14個(gè)齒，其齒數(shù)和分度與旋轉(zhuǎn)盤上顆粒接收孔的孔數(shù)和盤上分度相同。驅(qū)動(dòng)油缸的推動(dòng)桿19可靈活地推出和縮進(jìn)，其伸縮長(zhǎng)度可保證推出時(shí)抵住棘輪齒隙并使棘輪18轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)棘輪齒。轉(zhuǎn)動(dòng)的棘輪18通過(guò)傳動(dòng)軸17帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤13轉(zhuǎn)動(dòng)，使帶有采樣瓶7的旋轉(zhuǎn)盤顆粒接收孔14與固定盤顆粒沉降孔11對(duì)接，收集來(lái)自顆粒捕捉系統(tǒng)錐形漏斗3的海水中沉積物沉降顆粒樣品。
權(quán)利要求1.一種淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于由支撐框架(1)、顆粒捕捉系統(tǒng)、樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)構(gòu)成，支撐框架(1)由鈦鋼無(wú)縫圓管和角鐵圓環(huán)焊接成圓柱形，支撐框架上部安裝顆粒捕捉系統(tǒng)，顆粒捕捉系統(tǒng)由錐形漏斗(3)和嵌入漏斗上開口的短圓柱蜂窩巢結(jié)構(gòu)(4)構(gòu)成，樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)由固定盤(12)、攜帶采樣瓶的旋轉(zhuǎn)盤(13)和液壓驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)置在支撐框架的底座(2)上。
2.按照權(quán)利要求1所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于支撐框架(1)四周有六根等距離排布的無(wú)縫鈦鋼圓管，上下有兩個(gè)大小相等的鈦鋼角鐵圓環(huán)。
3.按照權(quán)利要求1所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于顆粒捕捉系統(tǒng)的錐形漏斗(3)的內(nèi)錐角為32.5°。
4.按照權(quán)利要求1所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于固定盤(12)和旋轉(zhuǎn)盤(13)為尺寸和材料相同的兩個(gè)非金屬圓盤，固定盤位于旋轉(zhuǎn)盤之上，兩盤之間安裝轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠(15)，固定盤固定在支撐框架下部的底座(2)上。
5.按照權(quán)利要求1和權(quán)利要求4所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于固定盤(12)中央有一圓孔，靠邊處有一顆粒沉降孔(11)，顆粒沉降孔上方有短圓柱體(9)，旋轉(zhuǎn)盤(13)上等距離設(shè)置大小相同的14個(gè)顆粒接收孔(14)，其中13個(gè)顆粒接收孔(14)下部安裝采樣瓶(7)。
6.按照權(quán)利要求1和權(quán)利要求5所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于旋轉(zhuǎn)盤(13)轉(zhuǎn)動(dòng)使顆粒接收孔(14)與固定盤顆粒沉降孔(11)對(duì)接時(shí)，固定盤上短圓柱體內(nèi)孔(10)、顆粒沉降孔(11)、旋轉(zhuǎn)盤上的顆粒接收孔(14)以及錐形漏斗(3)的中心線均在同一條垂線上，顆粒接收孔(14)的孔徑比顆粒沉降孔(11)的孔徑大5-10％，顆粒沉降孔(11)的孔徑比短圓柱體內(nèi)孔(10)的底部孔徑大5-10％。
7.按照權(quán)利要求1所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的蓄能器(6)為帶有充氣氣囊的蓄油裝置，通過(guò)二位三通電磁閥與驅(qū)動(dòng)油缸連接，驅(qū)動(dòng)油缸推動(dòng)桿(19)的伸縮長(zhǎng)度保證在推出時(shí)抵住棘輪(18)齒隙并使棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)棘輪齒。
8.按照權(quán)利要求1所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的棘輪(18)有14個(gè)齒，其齒數(shù)和分度與旋轉(zhuǎn)盤上顆粒接收孔(14)的孔數(shù)和盤上分度相同。
9.按照權(quán)利要求1所述的淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器，其特征在于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸(17)與棘輪成一體，傳動(dòng)軸(17)穿過(guò)固定盤(12)的中心孔與旋轉(zhuǎn)盤(13)牢固連接在一起。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種淺海時(shí)間系列沉積物捕獲器,用于大陸架水域收集海水中沉降顆粒物質(zhì)樣品,它由支撐框架、顆粒捕捉系統(tǒng)、樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。漏斗狀的顆粒捕捉系統(tǒng)與由液壓驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤攜帶的采樣瓶對(duì)接,收集海水中的沉降顆粒。自動(dòng)控制系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間系列和操作程序控制樣品收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)定時(shí)、分步收集海水中沉降顆粒物質(zhì)樣品。
文檔編號(hào)G01N1/04GK2459645SQ0026404
公開日2001年11月14日 申請(qǐng)日期2000年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月29日
發(fā)明者張德玉, 吳偉, 孔繁榮, 張亭建 申請(qǐng)人:國(guó)家海洋局第一海洋研究所