專利名稱：淺海時間系列沉積物捕獲器的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種收集海水中沉降顆粒物質樣品的裝置，用于海洋物質通量測量和海洋監測的儀器設備。
海洋顆粒物質通量研究是海洋科學研究的重要方面，收集海水中沉降顆粒物質的取樣設備是不可缺少的技術手段。研究工作要求取樣設備在海水中通過采樣瓶的自動轉換能定時、分步收集水中沉降顆粒物質樣品。
目前，國內尚無這種取樣設備，國外也只有少數國家使用了這類取樣設備。但是，國外使用的這類取樣設備在技術上仍處于研究發展階段，它采用了微電機驅動采樣瓶轉換，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，因為淺海區海草及其它海洋生物體的纏繞會使采樣瓶的轉換受阻，難以實現定時、分步收集水中沉降顆粒物質。
為此，本實用新型推出了一種淺海使用的時間系列沉積物捕獲器，其目的是采用液壓驅動和棘輪系傳動技術實現采樣瓶自動轉換，并通過自動控制系統按照預先設置的時間系列和工作程序收集沉降顆粒，以達到在海下長期自動進行海水中沉降顆粒物質的定時、分步收集。
本實用新型所述的淺海時間系列沉積物捕獲器由支撐框架、顆粒捕捉系統、樣品收集轉換系統和自動控制系統四部分組成。
支撐框架呈圓柱形，四周有六根等距離排布的無縫鈦鋼圓管，上下兩個大小相等的鈦鋼角鐵圓環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換系統和自動控制系統，支撐框架上部安裝顆粒捕捉系統。
顆粒捕捉系統由錐形漏斗和嵌入漏斗上開口內的短圓柱蜂窩巢結構構成，漏斗采用高強度的SMC樹脂玻璃鋼制成。漏斗底部呈短圓筒狀，插入樣品收集轉換系統固定盤上的短圓柱體內。
樣品收集轉換系統由固定盤、旋轉盤、采樣瓶到位檢測機構和驅動傳動機構組成。固定盤和旋轉盤為尺寸與材料相同的兩個非金屬圓盤。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，用于驅動傳動機構的傳動軸穿過。固定盤上靠邊處設有一個顆粒沉降孔，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，兩盤之間安裝轉動滾珠。轉動盤上等距離設置大小相同的顆粒接收孔14個，其中13個孔的下面安裝采樣瓶，不安裝采樣瓶的孔為零位孔。旋轉盤顆粒接收孔四周設有聚四氟乙烯制的“O”型彈簧密封圈，使固定盤與采樣瓶口實現動態密封。隨著旋轉盤轉動，顆粒接收孔分別與固定盤顆粒沉降孔對接。在接收孔與沉降孔對接時，固定盤短圓柱體的內孔、顆粒沉降孔和旋轉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。短圓柱體內孔底部、顆粒沉降孔和顆粒接收孔依次從上到下排列對接，下一個孔的孔徑依次比上一個孔的孔徑大5～10％，構成一條暢通的顆粒沉降收集通道。
驅動傳動機構的作用是通過轉動旋轉盤實現采樣瓶的自動轉換，由驅動單元和傳動單元構成。驅動單元主要由蓄能器、減壓閥、電磁閥、驅動油缸、輸油管道和排油箱構成。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減壓閥、電磁閥進入驅動油缸，推動驅動油缸的推動桿。減壓閥用來使輸出的油壓始終保持在一定數值范圍內，以使驅動油缸始終在穩定的壓力條件下進行工作。排油箱用來儲存從驅動油缸出來的廢油。傳動單元由棘輪和傳動軸組成。棘輪有14個齒，其齒數和分度與旋轉盤上顆粒接收孔的孔數和盤上分度相同。驅動油缸的推動桿可抵住棘輪齒隙。傳動軸與棘輪成一體，傳動軸向下穿過固定盤中心孔與旋轉盤牢固連接。驅動油缸推動桿每推進一個棘輪齒，就帶動旋轉盤轉一個顆粒接收孔。電磁閥為二位三通電磁閥，分別與驅動油缸、排油箱和通過減壓閥與蓄能器連通。電磁閥與自動控制系統連接，電磁閥的開啟和關閉由自動控制系統控制。
采樣瓶到位檢測機構由微型開關組成，密封安裝在固定盤上，與自動控制系統相連。當采樣瓶準確到位時，微型開關發給控制系統一個信號，自動控制系統將信號記錄下來，并使電磁閥關閉，停止驅動旋轉盤轉動，保證采樣瓶在預定位置按預定時間采樣。
自動控制系統安裝在底座上的電器密封艙內，包括單片機、系統操作和控制程序模塊、記錄存儲單元、時鐘單元、高能電池、驅動電路。自動控制系統的主要作用是控制樣品收集轉換系統準確地按預先設置的時間系列和工作程序自動運轉，并檢測和存儲捕獲器的基本工作情況。
本實用新型所述的淺海時間系列沉積物捕獲器由潛水浮標錨定設置于海中，收集海水中的沉降顆粒。在捕獲器投放海中之前，先由外接計算機給自動控制系統輸入作業程序和工作指令，使它處于工作待命狀態。同時，進行手動零位校正，使旋轉盤上零位孔的中心與固定盤上顆粒沉降孔的中心調整到同一條軸線上。在捕獲器投放作業開始時，通知自動控制系統開始按預定程序工作并同時記錄下捕獲器的投放時間。當到達預定的采樣時間時，自動控制系統自動啟動，并打開電磁閥開關，液壓驅動傳動機構開始工作。在驅動油缸推動桿的作用下，棘輪傳動軸帶動攜載采樣瓶的旋轉盤一起運轉，使第一個采樣瓶的開口到達并正對準固定盤顆粒沉降孔之下。同時，按裝在固定盤上的到位檢測機構給中央控制系統發出采樣瓶到位檢測信號。收到此信號，中央控制系統通知關斷電磁閥開關，液壓驅動系統停止工作，同時令其內部記錄存儲單元將捕獲器的采樣開始時間、采樣瓶編號及其它有關信息存儲起來，然后進入待命狀態。與此同時，驅動油缸的推動桿縮回原位，油缸內的液壓油在壓力作用下通過電磁閥排油口排泄到排油箱內。自此，捕獲器進入第一個樣品收集階段，海水中的顆粒物質通過漏斗頂部開口下沉進入顆粒捕捉系統。顆粒物質沉到漏斗底部，就通過顆粒沉降收集通道進入第一個采樣瓶內。當預先設定的收集時間到達時，自動控制系統再次通知打開電磁閥開關，啟動液壓驅動傳動機構，推動旋轉盤運轉，第一個采樣瓶隨著旋轉盤的轉動離開顆粒沉降孔，第二個采樣瓶隨之移向顆粒沉降孔。當第二個采樣瓶到達顆粒沉降孔之下時，自動控制系統再次收到到位檢測信號并通知關斷電磁閥開關，液壓驅動系統即停止工作，記錄存儲單元記下第二次采樣時間及采樣瓶編號等有關數據，驅動油缸的推動桿退回原位，液壓油排泄到排油箱內，捕獲器進入第二個樣品的收集階段。如此循環，一直到所設定的采樣數目全部完成。當最后一個樣品收集完成時間到達后，自動控制系統將通知電磁閥再次啟動，使旋轉盤上的零位孔與固定盤上顆粒沉降孔重合，然后停止運轉，等待回收。這樣，沉積物捕獲器就完成了定時、分步收集水中沉降顆粒物質樣品的海下作業過程。
圖1為淺海時間系列沉積物捕獲器整體結構示意圖。圖中，1-支撐框架，2-底座，3-錐形漏斗，4-蜂窩巢結構，5-樣品收集轉換系統，6-蓄能器，7-采樣瓶，8-電器密封艙。
圖2為顆粒捕捉系統與樣品收集轉換系統組成示意圖。圖中，3-錐形漏斗，9-短圓柱體，10-短圓柱體內孔，11-顆粒沉降孔，12-固定盤，13-旋轉盤，14-顆粒接收孔，15-轉動滾珠，7-采樣瓶，16-彈簧密封圈，17-棘輪，18-傳動軸，19-推動桿，20-采樣瓶到位檢測機構。
現結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步描述。
在圖1所示的淺海時間系列沉積物捕獲器整體結構圖中，支撐框架1由六根等距離排布的無縫圓管和上下兩個大小相等的角鐵狀圓環構成，使捕獲器的整體結構成圓柱形。支撐框架1的上部安裝顆粒捕捉系統的錐形漏斗3，錐形漏斗3的內錐角設置為32.5℃，內壁光潔度1.6以上，錐形漏斗3的上開口內嵌入短圓柱狀蜂窩巢結構4。支撐框架1的內部設有底座2，焊接在無縫圓管下部。樣品收集轉換系統5和電器密封艙8固定安裝在底座2上。電器密封艙內安裝自動控制系統的單片機、系統操作和控制程序模塊、記錄存儲單元、時鐘單元、高能電池、驅動電路。樣品收集轉換系統5的蓄能器6固定在豎立的鈦鋼圓管上，通過輸油管與樣品收集轉換系統5內的電磁閥連接。樣品收集轉換系統5下部的旋轉盤上設置13個采樣瓶7。
在圖2所示的顆粒捕捉系統與樣品收集轉換系統組成圖中，錐形漏斗3的底部插入固定盤12上面的短圓柱體9內，短圓柱體9的內孔10的底部與固定盤12的顆粒沉降孔11對接。顆粒沉降孔11與旋轉盤13的顆粒接收孔14對接時，固定盤上短圓柱體內孔10、顆粒沉降孔11、施轉盤上的顆粒接收孔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孔10的底部孔徑大5-10％。在固定盤12與旋轉盤13之間安裝有轉動滾珠15。旋轉盤13上等距離設置大小相同的顆粒接收孔14個，其中13個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與旋轉盤13之間的旋轉盤顆粒接收孔14的四周設置“O”形彈簧密封圈16。固定盤12上設置由微型開關構成的采樣瓶到位檢測機構20。旋轉盤13與傳動單元的傳動軸17牢固連接，傳動軸17的另一端穿過固定盤12的中心孔與棘輪18連接成一體。棘輪有14個齒，其齒數和分度與旋轉盤上顆粒接收孔的孔數和盤上分度相同。驅動油缸的推動桿19可靈活地推出和縮進，其伸縮長度可保證推出時抵住棘輪齒隙并使棘輪18轉動一個棘輪齒。轉動的棘輪18通過傳動軸17帶動旋轉盤13轉動，使帶有采樣瓶7的旋轉盤顆粒接收孔14與固定盤顆粒沉降孔11對接，收集來自顆粒捕捉系統錐形漏斗3的海水中沉積物沉降顆粒樣品。
權利要求1.一種淺海時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、樣品收集轉換系統(5)構成，支撐框架(1)由鈦鋼無縫圓管和角鐵圓環焊接成圓柱形，支撐框架上部安裝顆粒捕捉系統，顆粒捕捉系統由錐形漏斗(3)和嵌入漏斗上開口的短圓柱蜂窩巢結構(4)構成，樣品收集轉換系統(5)由固定盤(12)、攜帶采樣瓶的旋轉盤(13)和液壓驅動傳動機構組成，樣品收集轉換系統設置在支撐框架的底座(2)上。
2.按照權利要求1所述的淺海時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縫鈦鋼圓管，上下有兩個大小相等的鈦鋼角鐵圓環。
3.按照權利要求1所述的淺海時間系列沉積物捕獲器，其特征在于顆粒捕捉系統的錐形漏斗(3)的內錐角為32.5°。
4.按照權利要求1所述的淺海時間系列沉積物捕獲器，其特征在于固定盤(12)和旋轉盤(13)為尺寸和材料相同的兩個非金屬圓盤，固定盤位于旋轉盤之上，兩盤之間安裝轉動滾珠(15)，固定盤固定在支撐框架下部的底座(2)上。
5.按照權利要求1和權利要求4所述的淺海時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)，旋轉盤(13)上等距離設置大小相同的14個顆粒接收孔(14)，其中13個顆粒接收孔(14)下部安裝采樣瓶(7)。
6.按照權利要求1和權利要求5所述的淺海時間系列沉積物捕獲器，其特征在于旋轉盤(13)轉動使顆粒接收孔(14)與固定盤顆粒沉降孔(11)對接時，固定盤上短圓柱體內孔(10)、顆粒沉降孔(11)、旋轉盤上的顆粒接收孔(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孔(10)的底部孔徑大5-10％。
7.按照權利要求1所述的淺海時間系列沉積物捕獲器，其特征在于驅動傳動機構的蓄能器(6)為帶有充氣氣囊的蓄油裝置，通過二位三通電磁閥與驅動油缸連接，驅動油缸推動桿(19)的伸縮長度保證在推出時抵住棘輪(18)齒隙并使棘輪轉動一個棘輪齒。
8.按照權利要求1所述的淺海時間系列沉積物捕獲器，其特征在于驅動傳動機構的棘輪(18)有14個齒，其齒數和分度與旋轉盤上顆粒接收孔(14)的孔數和盤上分度相同。
9.按照權利要求1所述的淺海時間系列沉積物捕獲器，其特征在于驅動傳動機構的傳動軸(17)與棘輪成一體，傳動軸(17)穿過固定盤(12)的中心孔與旋轉盤(13)牢固連接在一起。
專利摘要本實用新型提供了一種淺海時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樣品,它由支撐框架、顆粒捕捉系統、樣品收集轉換系統和自動控制系統組成。漏斗狀的顆粒捕捉系統與由液壓驅動旋轉盤攜帶的采樣瓶對接,收集海水中的沉降顆粒。自動控制系統按預先設定的時間系列和操作程序控制樣品收集轉換系統的液壓驅動傳動機構運轉,實現定時、分步收集海水中沉降顆粒物質樣品。
文檔編號G01N1/04GK2459645SQ0026404
公開日2001年11月14日 申請日期2000年11月29日 優先權日2000年11月29日
發明者張德玉, 吳偉, 孔繁榮, 張亭建 申請人:國家海洋局第一海洋研究所