专利名称：海洋沉积物-水界面污染物通量自动采样和监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋测量技术，特别是涉及海洋沉积物和底层水中 污染物的测量技术。
背景技术：
海洋沉积物是多种污染物的总汇，沉积物中污染物的积聚、迁移和 转化研究是海洋环境保护工作的重要内容。
海洋沉积物中污染物主要来源于城市排污水、工业废水、船只排放 物及意外泄漏等。近岸活动导致了海洋沉积物中污染物含量的增加，海 湾、港口和沿海水域的沉积物中均含有高浓度的污染物，如重金属、磷
酸三丁酯、石油烃、多氯联苯、杀虫剂、DDT等。这些潜藏在海洋沉积物 中的污染物会向海水中迁移，并随海水的流动不断扩散，对近岸生态环 境构成极大的威胁，海洋沉积物的污染物监测在海洋环境保护工作中具 有重要作用。
海洋沉积物一水界面是有毒污染物出入的门户，沉积物一水界面污 染物通量监测在海洋污染监测中具有重要地位。
目前，在海洋沉积物一水界面污染物通量监测中，普遍采用的方法
包括将采泥器采集海底沉积物和采水器采集的上覆水样，在实验室一 定条件下混合模拟后测量；用多管取样器在无扰动情况下整体采集沉积 物及其上覆水，然后拿回实验室进行分析；由潜水员在海底完成测量和 采样工作。
现有技术的上述方法在真实地反映被测现场环境状况、方便现场作 业以及实现业务化监测等方面都存在不足，所获得的污染物通量监测资 料在海洋环境保护研究工作中的应用受到一定限制。
发明内容
针对目前海洋沉积物一水界面污染物通量监测技术所存在的问题， 本实用新型推出一种连续时间序列现场原位自动采样和监测装置，其目 的在于利用无底箱体在海底沉积物上部隔离出一定体积的海水，由水质 传感器定时测量隔离水体的水质参数，由采样瓶定时自动采集隔离水体 的海水样品，通过对分时定量采集的海水样品中污染物浓度变化进行分析，以实现海洋沉积物一水界面污染物的通量监测。
本实用新型所涉及的海洋沉积物一水界面污染物通量自动釆样和监 测装置沉放海底使用，包括基础框架部分、采样监测单元、系统控制单 元和回收单元。
基础框架呈棱锥台状，构成整个装置的外观。基础框架顶部的环形 框和底部的方形框由四根支撑杆上下连结，采样监测单元、系统控制单 元和回收单元的构件收容和固定在基础框架顶部的环形框和底部的方形 框上。
采样监测单元包括通量采样舱、采样瓶、水质传感器和氧气供应舱。
通量采样舱的舱体是一个无底的筒状体，固定设置在基础框架的底 部方形框上。舱体采用聚碳酸酯制造，保证其耐腐蚀和防污染。通量采 样舱的顶盖由铰链与筒状舱体连接，舱体的底部敞口由可插入沉积物内 的刀口形成。当舱体的底部刀口插入沉积物内时，沉积物及其上复水就 无扰动地进入舱体内，下部是沉积物，上部是上复水。舱体的顶盖与触 底式释放机构连接，舱体底部刀口插入沉积物内之后，释放机构动作， 顶盖在重力的作用下缓慢关闭。舱体与顶盖之间由橡胶密封圈密封，舱 体四周设置的永磁铁可以紧紧地关闭盖子。
采样瓶设置多个，固定在基础框架的底部方形框上。每个采样瓶的 瓶口设置单向阀，瓶盖内设置过滤器。采样瓶通过电磁阀与通量采样舱 内腔的上部连通，通量采样舱内的上复水会通过打开的电磁阀分别自动 流入已抽真空的采样瓶内。
水质传感器为综合水质传感器，监测参数有海水的温度、盐度、深
度、溶解氧和pH值。水质传感器固定在基础框架的底部方形框上，并设 置在通量采样舱与循环水泵连通的循环水管内。循环水泵固定在基础框 架的支撑杆上，循环水泵与通量采样舱由循环水管连通成海水循环通路。 在循环水泵的作用下，通量采样舱内的上复水在循环水管内不断循环流 经水质传感器，保证传感器随时取样测量海水的水质参数。
氧气供应舱包括氧气罐及其调压器、控制阀和扩散管道。氧气罐通 过扩散管道与通量采样舱连通，氧气罐可以通过调压器和电磁阀向通量 采样舱内供氧。氧气供应舱与系统控制单元结合形成溶解氧动态监控系统，对通量 采样舱内氧含量进行监测和调节。许多污染物，特别是金属污染物，对 氧化还原条件非常敏感，通量采样舱内污染物通量监测需要在海水溶解 氧含量平衡和稳定的状况下进行。通量采样舱内沉积物中细菌会消耗部 分氧气，采样舱内隔离水体与舱外不能自然循环会逐渐缺氧，溶解氧动 态监控系统对通量采样舱内氧含量及时进行监测并通过氧气供应舱进行 补充和调节。
回收单元包括声学释放器、浮子和绳索。
声学释放器固定设置在基础框架顶部的环形框上，声学释放器的脱 放扣卡住浮子，使浮子固定在基础框架顶部的环形框上。浮子连接系结 在基础框架上的绳索，绳索收容于固定在基础框架上的绳筒内。如果声 学释放器的脱放扣松开卡住的浮子，浮子就会在水中上浮，携带绳索的 浮子浮到海面，用于回收所连接的沉放海底的装置。
系统控制单元负责整个装置的工作运转以及数据采集和存储，包括 系统控制舱和电池舱。系统控制舱和电池舱均为圆筒状，固定在基础框 架上，电池舱与系统控制舱通过端盖上的水密电缆相连。电池舱采用高 容量锂离子电池组为电源，向各单元的用电设备和器件供电，电池容量 可以保证所述的装置在水下连续工作96小时。
系统控制舱舱体内密封控制电路，舱盖上有标准的水密接口与水质 传感器、循环水泵、采样瓶电磁阀、声学释放机构等设备连接。
系统控制电路采用模块化设计，包括供电和控制模块两部分。其中， 控制模块由微处理器、串口分配器、数据存储、电源管理/时钟、数据回 放和系统检测等部分组成。主要完成定时唤醒采样单元工作、实时监测 和存储水样参数、控制水样的溶解氧含量、关闭采样舱盖和开启声学释 放器等功能。
系统软件采用高级语言和汇编语言相结合的方法，便于软件的扩充、 修改和升级。采用模块化编程，将系统的各单元划分为若干个功能模块， 可单独编写和调试，提高软件的编程效率和可维护性。
本实用新型所涉及的海洋沉积物一水界面污染物通量自动采样和监 测装置，相对真实地反映现场环境状况，自动获取连续时间序列的现场测量参数，具有应用方便、资料可靠等特点，为实现海洋环境保护业务 化监测开启新的发展前景。
图1为海洋沉积物一水界面污染物通量自动采样和监测装置结构
图中标记说明
I、 声学释放器 3、支撑杆 5、系统控制舱
7、基础框架方形框 9、通量采样舱
II、 绳筒 13、浮子
具体实施方式
现结合附图对本实用新型作进一步描述
2、基础框架环形框 4、氧气供应舱 6、电池舱 8、舱体刀口 10、水质传感器 12、循环水泵 14、采样瓶
图1显示本发明所涉及的海洋沉积物一水界面污染物通量自动采样 和监测装置的基本结构。如图1所示，本发明所涉及的海洋沉积物一水 界面污染物通量自动采样和监测装置沉放在海底使用，包括基础框架部 分、采样监测单元、系统控制单元和回收单元。
基础框架呈棱锥台状，基础框架顶部的环形框2和底部的方形框7由 四根支撑杆3上下连结。基础框架上固定设置有采样监测单元的通量采样 舱9、采样瓶14、水质传感器IO和氧气供应舱4，回收单元的声学释放器 1、浮子13和收容绳索的绳筒ll，以及系统控制单元的系统控制舱5和电 池舱6。
通量采样舱9的舱体为无底的筒状体，舱体采用聚碳酸酯制造，保证 其耐腐蚀和防污染。通量采样舱9的顶盖由铰链与筒状舱体连接，舱体的 底部敞口由可插入沉积物内的刀口8形成。舱体的底部和顶盖分别与触底 式释放机构连接。舱体与顶盖之间由橡胶密封圈密封，舱体四周设置关 闭顶盖的永磁铁。
采样瓶14设置有8个，固定在基础框架的底部方形框7上。采样瓶 14的瓶口设置单向阀，瓶盖内设置过滤器。每个采样瓶通过电磁阀与通量采样舱9的内腔上部连通，通量采样舱9内的上复水会通过打开的电 磁阀自动流入采样瓶14内。
水质传感器10固定在基础框架的底部方形框7上，并设置在通量釆样 舱9与循环水泵12连通的循环水管内。水质传感器10为监测海水的温度、 盐度、深度、溶解氧和pH值的综合水质传感器。循环水泵12固定在基础 框架的支撑杆3上，循环水泵12与通量采样舱9由循环水管连通成海水循 环通路。
氧气供应舱4的氧气罐由扩散管道与通量采样舱9连通，氧气罐可以 通过调压器和电磁阀向通量采样舱9内供氧。
声学释放器1固定设置在基础框架顶部的环形框2上，声学释放器1 的脱放扣卡住浮子13，使浮子13固定在基础框架顶部的环形框2上。浮子 13连接系结在基础框架上的绳索，绳索收容于固定在基础框架上的绳筒 ll内。
系统控制单元的系统控制舱5和电池舱6均为圆筒状，分别固定在 基础框架的环形框2和支撑杆3上，电池舱6与系统控制舱5通过端盖 上的水密电缆相连。
系统控制舱5内密封的控制电路通过舱盖上的水密接口与水质传感 器IO、循环水泵12、采样瓶14的电磁阀、声学释放器l等连接。
本发明所涉及的采样和监测装置沉放在海底使用，进行海洋沉积物 一水界面污染物通量的自动采样和监测。其大致工作程序如下-
在底质勘测确定的海区(深度氺50米)，海洋调查船上的绞车将所 述装置慢速下放到海底。下放过程中通量采样舱的顶盖开着，装置下放 到海底时，通量采样舱舱体底部刀口插入沉积物内，基础框架底部方形 框上设置的释放机构动作，通量采样舱顶盖在重力的作用下缓慢关闭。
采样舱上盖关闭后，即确定装置安全着底，然后，船上操作人员即 可通过缆绳拉动释放钩将绞车钢缆回收，完成装置的海底沉放。
装置沉放海底后，系统控制单元值班电路启动，按预先设定的程序 开启循环水泵、进行水质监测和采集水样。
系统控制电路开启循环水泵，通量采样舱内的上复水连续循环流经 循环水管内的水质传感器。控制系统控制水质传感器在固定的时间进行水质参数的测量，测量水体的温度、盐度、深度、溶解氧和PH值等水质 参数，并通过RS232接口提取传感器所测参数，存储到控制系统的存储器 中，以供装置回收后进行査询和分析。
与此同时，溶解氧监控系统进行工作，监控系统首先要进行通量采 样舱外现场海水的溶解氧测量，并以所测值为基准设定溶解氧控制范围。 如果水质传感器测量的通量采样舱内隔离的海水氧含量低于允许范围的 最小值，控制阀打开，扩散管道均匀地输送氧气，使采样舱内氧水平逐 步升高；当氧水平达到允许范围的最大值时，阀门自动关闭，停止供氧。 在系统整个工作期间，对采样舱内氧含量进行监测和调节的上述步骤不 断重复进行，维持舱体内氧含量接近周围现场环境水平。
釆样系统按设定的程序从隔离水体的采样舱内采集水样，控制系统 顺次开启相应采样瓶的电磁阀进行水样采集，并在采集完毕后关闭电磁 阀。系统整个工作过程为4天，每12小时采样一次。
装置回收时，调査船上的应答器向声学释放器发送声信号，水下浮 子释放，船上操作人员即可通过浮子携带的缆绳将仪器装置收回。
仪器装置上船后，操作人员可将4天的海底水质监测数据提取，水样 带回实验室进行污染物浓度检测、分析，进行污染物通量计算。
权利要求1、一种海洋沉积物—水界面污染物通量自动采样和监测装置，包括沉放海底的基础框架，基础框架由顶部环形框、底部方形框以及上下连接的支撑杆构成，其特征在于，还包括采样监测单元、系统控制单元和回收单元，采样监测单元、系统控制单元和回收单元的构件收容和固定在基础框架上；采样监测单元包括通量采样舱、采样瓶、水质传感器和氧气供应舱，通量采样舱的舱体是无底的筒状体并固定设置在基础框架的底部方形框上，采样瓶固定在基础框架的底部方形框上，水质传感器固定在基础框架的底部方形框上并设置在通量采样舱与循环水泵连通的循环水管内，氧气供应舱的氧气罐由扩散管道与通量采样舱连通；回收单元包括声学释放器、浮子和绳索，声学释放器固定设置在基础框架顶部的环形框上，声学释放器的脱放扣卡住浮子，使浮子固定在基础框架顶部的环形框上，浮子连接系结在基础框架上的绳索，绳索收容于固定在基础框架上的绳筒内；系统控制单元包括系统控制舱和电池舱，系统控制舱和电池舱固定在基础框架上，系统控制舱舱体内密封控制电路，舱盖上有标准的水密接口与水质传感器、循环水泵、采样瓶电磁阀、氧气供应舱电磁阀和声学释放机构连接。
2、 根据权利要求l所述的海洋沉积物一水界面污染物通量自动采样 和监测装置，其特征在于，通量采样舱的顶盖由铰链与筒状舱体连接， 舱体与顶盖之间由橡胶密封圈密封，舱体的顶盖与触底式释放机构连接。
3、 根据权利要求2所述的海洋沉积物一水界面污染物通量自动采样 和监测装置，其特征在于，通量采样舱舱体四周设置永磁铁，可以紧紧 地关闭顶盖。
4、 根据权利要求1所述的海洋沉积物—水界面污染物通量自动采样 和监测装置，其特征在于，通量采样舱的舱体底部敞口由可插入沉积物 内的刀口形成。
5、 根据权利要求1所述的海洋沉积物一水界面污染物通量自动采样 和监测装置，其特征在于，采样瓶设置为8个，每个采样瓶通过电磁阀 与通量采样舱内腔上部连通，采样瓶的瓶口设置单向阀，瓶盖内设置过滤器。
6、 根据权利要求l所述的海洋沉积物一水界面污染物通量自动采样和监测装置，其特征在于，声学释放器的脱放扣卡住浮子，使浮子固定 在基础框架顶部的环形框上，浮子连接系结在基础框架上的绳索，绳索 收容于固定在基础框架上的绳筒内。
7、根据权利要求l所述的海洋沉积物一水界面污染物通量自动采样 和监测装置，其特征在于，电池舱与系统控制舱通过端盖上的水密电缆 相连，电池舱采用高容量锂离子电池组为电源，向各单元的用电设备和 器件供电，电池容量保证装置在水下连续工作96小时。
专利摘要本实用新型是一种连续时间序列现场原位自动采样和监测装置，利用无底箱体的通量采样舱底部刀口插入沉积物内，在海底沉积物上部隔离出一定体积的海水，由水质传感器定时测量隔离水体的水质参数，由采样瓶定时自动采集隔离水体的海水样品，通过对分时定量采集的海水样品中污染物浓度变化进行分析，以实现海洋沉积物-水界面污染物的通量监测。装置沉放海底后，系统控制单元按预先设定的程序进行水质监测和采集水样，整个工作过程为4天，每12小时采样一次。本装置相对真实地反映现场环境状况，自动获取连续时间序列的现场测量参数，具有应用方便、资料可靠等特点，为实现海洋环境保护业务化监测开启新的发展前景。
文档编号G01N33/18GK201229258SQ20082007547
公开日2009年4月29日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者迪 吴, 静 张, 锐 朱, 王项南, 石建军, 陈江麟, 波 马, 马丽珊, 麻常雷 申请人:国家海洋技术中心