专利名称：浅海时间系列沉积物捕获器的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种收集海水中沉降颗粒物质样品的装置，用于海洋物质通量测量和海洋监测的仪器设备。
海洋颗粒物质通量研究是海洋科学研究的重要方面，收集海水中沉降颗粒物质的取样设备是不可缺少的技术手段。研究工作要求取样设备在海水中通过采样瓶的自动转换能定时、分步收集水中沉降颗粒物质样品。
目前，国内尚无这种取样设备，国外也只有少数国家使用了这类取样设备。但是，国外使用的这类取样设备在技术上仍处于研究发展阶段，它采用了微电机驱动采样瓶转换，其适用范围大都限于水深1000米以下，而在水深小于200米的大陆架海域使用受到限制，因为浅海区海草及其它海洋生物体的缠绕会使采样瓶的转换受阻，难以实现定时、分步收集水中沉降颗粒物质。
为此，本实用新型推出了一种浅海使用的时间系列沉积物捕获器，其目的是采用液压驱动和棘轮系传动技术实现采样瓶自动转换，并通过自动控制系统按照预先设置的时间系列和工作程序收集沉降颗粒，以达到在海下长期自动进行海水中沉降颗粒物质的定时、分步收集。
本实用新型所述的浅海时间系列沉积物捕获器由支撑框架、颗粒捕捉系统、样品收集转换系统和自动控制系统四部分组成。
支撑框架呈圆柱形，四周有六根等距离排布的无缝钛钢圆管，上下两个大小相等的钛钢角铁圆环与圆管牢固地焊接在一起。支撑框架用于支撑和固定捕获器的其它组成部分，并与用于海中释放和回收的锚系系统相连接。支撑框架中下部焊接钛钢管底座，用于安装样品收集转换系统和自动控制系统，支撑框架上部安装颗粒捕捉系统。
颗粒捕捉系统由锥形漏斗和嵌入漏斗上开口内的短圆柱蜂窝巢结构构成，漏斗采用高强度的SMC树脂玻璃钢制成。漏斗底部呈短圆筒状，插入样品收集转换系统固定盘上的短圆柱体内。
样品收集转换系统由固定盘、旋转盘、采样瓶到位检测机构和驱动传动机构组成。固定盘和旋转盘为尺寸与材料相同的两个非金属圆盘。固定盘固定在支撑框架下部的底座上。固定盘中央有一圆孔，用于驱动传动机构的传动轴穿过。固定盘上靠边处设有一个颗粒沉降孔，沉降孔上方有与锥形漏斗下开口相连接的短圆柱体。旋转盘位于固定盘下方，两盘中心在一条垂线上，两盘之间安装转动滚珠。转动盘上等距离设置大小相同的颗粒接收孔14个，其中13个孔的下面安装采样瓶，不安装采样瓶的孔为零位孔。旋转盘颗粒接收孔四周设有聚四氟乙烯制的“O”型弹簧密封圈，使固定盘与采样瓶口实现动态密封。随着旋转盘转动，颗粒接收孔分别与固定盘颗粒沉降孔对接。在接收孔与沉降孔对接时，固定盘短圆柱体的内孔、颗粒沉降孔和旋转盘上的颗粒接收孔三者的中心线与漏斗中心线均在同一条垂线上。短圆柱体内孔底部、颗粒沉降孔和颗粒接收孔依次从上到下排列对接，下一个孔的孔径依次比上一个孔的孔径大5～10％，构成一条畅通的颗粒沉降收集通道。
驱动传动机构的作用是通过转动旋转盘实现采样瓶的自动转换，由驱动单元和传动单元构成。驱动单元主要由蓄能器、减压阀、电磁阀、驱动油缸、输油管道和排油箱构成。蓄能器为带有充气气囊的蓄油装置，在充气气囊的作用下始终保持足够的压力。蓄能器中具有固定压力的油通过减压阀、电磁阀进入驱动油缸，推动驱动油缸的推动杆。减压阀用来使输出的油压始终保持在一定数值范围内，以使驱动油缸始终在稳定的压力条件下进行工作。排油箱用来储存从驱动油缸出来的废油。传动单元由棘轮和传动轴组成。棘轮有14个齿，其齿数和分度与旋转盘上颗粒接收孔的孔数和盘上分度相同。驱动油缸的推动杆可抵住棘轮齿隙。传动轴与棘轮成一体，传动轴向下穿过固定盘中心孔与旋转盘牢固连接。驱动油缸推动杆每推进一个棘轮齿，就带动旋转盘转一个颗粒接收孔。电磁阀为二位三通电磁阀，分别与驱动油缸、排油箱和通过减压阀与蓄能器连通。电磁阀与自动控制系统连接，电磁阀的开启和关闭由自动控制系统控制。
采样瓶到位检测机构由微型开关组成，密封安装在固定盘上，与自动控制系统相连。当采样瓶准确到位时，微型开关发给控制系统一个信号，自动控制系统将信号记录下来，并使电磁阀关闭，停止驱动旋转盘转动，保证采样瓶在预定位置按预定时间采样。
自动控制系统安装在底座上的电器密封舱内，包括单片机、系统操作和控制程序模块、记录存储单元、时钟单元、高能电池、驱动电路。自动控制系统的主要作用是控制样品收集转换系统准确地按预先设置的时间系列和工作程序自动运转，并检测和存储捕获器的基本工作情况。
本实用新型所述的浅海时间系列沉积物捕获器由潜水浮标锚定设置于海中，收集海水中的沉降颗粒。在捕获器投放海中之前，先由外接计算机给自动控制系统输入作业程序和工作指令，使它处于工作待命状态。同时，进行手动零位校正，使旋转盘上零位孔的中心与固定盘上颗粒沉降孔的中心调整到同一条轴线上。在捕获器投放作业开始时，通知自动控制系统开始按预定程序工作并同时记录下捕获器的投放时间。当到达预定的采样时间时，自动控制系统自动启动，并打开电磁阀开关，液压驱动传动机构开始工作。在驱动油缸推动杆的作用下，棘轮传动轴带动携载采样瓶的旋转盘一起运转，使第一个采样瓶的开口到达并正对准固定盘颗粒沉降孔之下。同时，按装在固定盘上的到位检测机构给中央控制系统发出采样瓶到位检测信号。收到此信号，中央控制系统通知关断电磁阀开关，液压驱动系统停止工作，同时令其内部记录存储单元将捕获器的采样开始时间、采样瓶编号及其它有关信息存储起来，然后进入待命状态。与此同时，驱动油缸的推动杆缩回原位，油缸内的液压油在压力作用下通过电磁阀排油口排泄到排油箱内。自此，捕获器进入第一个样品收集阶段，海水中的颗粒物质通过漏斗顶部开口下沉进入颗粒捕捉系统。颗粒物质沉到漏斗底部，就通过颗粒沉降收集通道进入第一个采样瓶内。当预先设定的收集时间到达时，自动控制系统再次通知打开电磁阀开关，启动液压驱动传动机构，推动旋转盘运转，第一个采样瓶随着旋转盘的转动离开颗粒沉降孔，第二个采样瓶随之移向颗粒沉降孔。当第二个采样瓶到达颗粒沉降孔之下时，自动控制系统再次收到到位检测信号并通知关断电磁阀开关，液压驱动系统即停止工作，记录存储单元记下第二次采样时间及采样瓶编号等有关数据，驱动油缸的推动杆退回原位，液压油排泄到排油箱内，捕获器进入第二个样品的收集阶段。如此循环，一直到所设定的采样数目全部完成。当最后一个样品收集完成时间到达后，自动控制系统将通知电磁阀再次启动，使旋转盘上的零位孔与固定盘上颗粒沉降孔重合，然后停止运转，等待回收。这样，沉积物捕获器就完成了定时、分步收集水中沉降颗粒物质样品的海下作业过程。
图1为浅海时间系列沉积物捕获器整体结构示意图。图中，1-支撑框架，2-底座，3-锥形漏斗，4-蜂窝巢结构，5-样品收集转换系统，6-蓄能器，7-采样瓶，8-电器密封舱。
图2为颗粒捕捉系统与样品收集转换系统组成示意图。图中，3-锥形漏斗，9-短圆柱体，10-短圆柱体内孔，11-颗粒沉降孔，12-固定盘，13-旋转盘，14-颗粒接收孔，15-转动滚珠，7-采样瓶，16-弹簧密封圈，17-棘轮，18-传动轴，19-推动杆，20-采样瓶到位检测机构。
现结合附图对本实用新型的技术方案做进一步描述。
在图1所示的浅海时间系列沉积物捕获器整体结构图中，支撑框架1由六根等距离排布的无缝圆管和上下两个大小相等的角铁状圆环构成，使捕获器的整体结构成圆柱形。支撑框架1的上部安装颗粒捕捉系统的锥形漏斗3，锥形漏斗3的内锥角设置为32.5℃，内壁光洁度1.6以上，锥形漏斗3的上开口内嵌入短圆柱状蜂窝巢结构4。支撑框架1的内部设有底座2，焊接在无缝圆管下部。样品收集转换系统5和电器密封舱8固定安装在底座2上。电器密封舱内安装自动控制系统的单片机、系统操作和控制程序模块、记录存储单元、时钟单元、高能电池、驱动电路。样品收集转换系统5的蓄能器6固定在竖立的钛钢圆管上，通过输油管与样品收集转换系统5内的电磁阀连接。样品收集转换系统5下部的旋转盘上设置13个采样瓶7。
在图2所示的颗粒捕捉系统与样品收集转换系统组成图中，锥形漏斗3的底部插入固定盘12上面的短圆柱体9内，短圆柱体9的内孔10的底部与固定盘12的颗粒沉降孔11对接。颗粒沉降孔11与旋转盘13的颗粒接收孔14对接时，固定盘上短圆柱体内孔10、颗粒沉降孔11、施转盘上的颗粒接收孔14以及锥形漏斗的中心线均在同一条垂线上。颗粒接收孔14的孔径比颗粒沉降孔11的孔径大5-10％，颗粒沉降孔11的孔径比短圆柱体内孔10的底部孔径大5-10％。在固定盘12与旋转盘13之间安装有转动滚珠15。旋转盘13上等距离设置大小相同的颗粒接收孔14个，其中13个颗粒接收孔安装采样瓶7。在采样瓶7的瓶口上方，固定盘12与旋转盘13之间的旋转盘颗粒接收孔14的四周设置“O”形弹簧密封圈16。固定盘12上设置由微型开关构成的采样瓶到位检测机构20。旋转盘13与传动单元的传动轴17牢固连接，传动轴17的另一端穿过固定盘12的中心孔与棘轮18连接成一体。棘轮有14个齿，其齿数和分度与旋转盘上颗粒接收孔的孔数和盘上分度相同。驱动油缸的推动杆19可灵活地推出和缩进，其伸缩长度可保证推出时抵住棘轮齿隙并使棘轮18转动一个棘轮齿。转动的棘轮18通过传动轴17带动旋转盘13转动，使带有采样瓶7的旋转盘颗粒接收孔14与固定盘颗粒沉降孔11对接，收集来自颗粒捕捉系统锥形漏斗3的海水中沉积物沉降颗粒样品。
权利要求1.一种浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于由支撑框架(1)、颗粒捕捉系统、样品收集转换系统(5)构成，支撑框架(1)由钛钢无缝圆管和角铁圆环焊接成圆柱形，支撑框架上部安装颗粒捕捉系统，颗粒捕捉系统由锥形漏斗(3)和嵌入漏斗上开口的短圆柱蜂窝巢结构(4)构成，样品收集转换系统(5)由固定盘(12)、携带采样瓶的旋转盘(13)和液压驱动传动机构组成，样品收集转换系统设置在支撑框架的底座(2)上。
2.按照权利要求1所述的浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于支撑框架(1)四周有六根等距离排布的无缝钛钢圆管，上下有两个大小相等的钛钢角铁圆环。
3.按照权利要求1所述的浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于颗粒捕捉系统的锥形漏斗(3)的内锥角为32.5°。
4.按照权利要求1所述的浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于固定盘(12)和旋转盘(13)为尺寸和材料相同的两个非金属圆盘，固定盘位于旋转盘之上，两盘之间安装转动滚珠(15)，固定盘固定在支撑框架下部的底座(2)上。
5.按照权利要求1和权利要求4所述的浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于固定盘(12)中央有一圆孔，靠边处有一颗粒沉降孔(11)，颗粒沉降孔上方有短圆柱体(9)，旋转盘(13)上等距离设置大小相同的14个颗粒接收孔(14)，其中13个颗粒接收孔(14)下部安装采样瓶(7)。
6.按照权利要求1和权利要求5所述的浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于旋转盘(13)转动使颗粒接收孔(14)与固定盘颗粒沉降孔(11)对接时，固定盘上短圆柱体内孔(10)、颗粒沉降孔(11)、旋转盘上的颗粒接收孔(14)以及锥形漏斗(3)的中心线均在同一条垂线上，颗粒接收孔(14)的孔径比颗粒沉降孔(11)的孔径大5-10％，颗粒沉降孔(11)的孔径比短圆柱体内孔(10)的底部孔径大5-10％。
7.按照权利要求1所述的浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于驱动传动机构的蓄能器(6)为带有充气气囊的蓄油装置，通过二位三通电磁阀与驱动油缸连接，驱动油缸推动杆(19)的伸缩长度保证在推出时抵住棘轮(18)齿隙并使棘轮转动一个棘轮齿。
8.按照权利要求1所述的浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于驱动传动机构的棘轮(18)有14个齿，其齿数和分度与旋转盘上颗粒接收孔(14)的孔数和盘上分度相同。
9.按照权利要求1所述的浅海时间系列沉积物捕获器，其特征在于驱动传动机构的传动轴(17)与棘轮成一体，传动轴(17)穿过固定盘(12)的中心孔与旋转盘(13)牢固连接在一起。
专利摘要本实用新型提供了一种浅海时间系列沉积物捕获器,用于大陆架水域收集海水中沉降颗粒物质样品,它由支撑框架、颗粒捕捉系统、样品收集转换系统和自动控制系统组成。漏斗状的颗粒捕捉系统与由液压驱动旋转盘携带的采样瓶对接,收集海水中的沉降颗粒。自动控制系统按预先设定的时间系列和操作程序控制样品收集转换系统的液压驱动传动机构运转,实现定时、分步收集海水中沉降颗粒物质样品。
文档编号G01N1/04GK2459645SQ0026404
公开日2001年11月14日 申请日期2000年11月29日 优先权日2000年11月29日
发明者张德玉, 吴伟, 孔繁荣, 张亭建 申请人:国家海洋局第一海洋研究所