一种海底甲烷气泡计数装置及计数方法与流程

[0001]
本发明属于海底甲烷探测技术领域，具体涉及一种甲烷气泡计数装置及计数方法。


背景技术：

[0002]
当今世界，陆地能源已经趋近供不应求的状态，人类迫切需要一种新能源来支撑工业发展，海底甲烷作为一种全新的清洁能源备受关注。随着海洋探索进程的推进，全球对海底甲烷气体的探究与开采愈演愈烈，如何快速发现并确定海底某甲烷储存地的甲烷储存量至关重要。传统的方法是科研人员将甲烷从海底样品提取至大气中后进行浓度检测，由于大气压的巨大差异，甲烷浓度同时会发生巨大变化，无法获知甲烷的真实浓度。目前比较先进的方法主要是通过深海甲烷原位探测系统对海底甲烷气体储存量来进行探测的，该项技术是中国科学院海洋研究所张鑫博士与美国蒙特里杰克海湾水族馆研究学会合作研制的一种新技术，该技术基于深海有缆水下机器人(rov)研制，在rov的视频监控下，系统将钛合金探针插入深海沉积物中，抽取沉积物孔隙水，并使用深海激光拉曼光谱仪原位获得孔隙水中的甲烷浓度。由于深海甲烷原位探测系统技术探测成本较高，而传统将甲烷从海底样品中提取出来再进行浓度检测的方式的探测结果准确度较低，因此，有必要研究一种低成本高准确度的海底甲烷储量检测技术。


技术实现要素：

[0003]
针对深海甲烷原位探测系统技术探测成本较高，而将甲烷样品从海底提取上来再进行浓度检测的方式，其探测结果准确度较低的上述问题，本发明提供一种海底甲烷气泡计数装置及计数方法。
[0004]
本发明是通过以下计数方案实现的：
[0005]
一种海底甲烷气泡计数装置，包括罩体、滑动管、水下推进器、电磁铁、滑动磁环、盖板、瓣形取样器及拉杆；
[0006]
所述罩体的顶部开设第一通孔，第一通孔处设置向罩体外部上方延伸的管体，罩体内环绕通孔设置瓣形取样器，瓣形取样器与罩体活动连接，瓣形取样器向内闭合后形成样品容纳腔；瓣形取样器的上方固定设置盖板，盖板的中间开设第二通孔，第二通孔的内壁上相对设置超声波发射器和超声波接受器，第二通孔的外围设置第三通孔；
[0007]
所述滑动管设置在管体内，其外侧壁与管体的上端密封连接，其顶部管内设置水下推进器，其底部与罩体内的空间贯通；
[0008]
在管体、滑动管与盖板形成的空腔中，设置所述的电磁铁及滑动磁环，滑动磁环套设在滑动管上，电磁铁的线圈通电后产生磁性，带动滑动磁环沿滑动管在一个方向上滑动，改变电流方向，带动滑动磁环沿相反方向滑动；
[0009]
所述拉杆穿过第三通孔，拉杆的一端与瓣形取样器活动连接，另一端与滑动磁环活动连接；滑动磁环向一个方向滑动时通过拉杆带动瓣形取样器向内闭合，滑动磁环向相
反方向滑动时通过拉杆带动瓣形取样器向外展开。
[0010]
进一步的，所述罩体上方的管体为锥形管，所述锥形管的大孔端朝下与罩体连接。
[0011]
进一步的，所述瓣形取样器与罩体铰接；拉杆与瓣形取样器、滑动磁环铰接。
[0012]
进一步的，所述盖板的外侧壁与罩体的内壁固定连接；或者盖板与滑动管的底部固定连接。
[0013]
进一步的，所述电磁铁设置在滑动磁环上方，电磁铁的线圈缠绕在滑动管上，铁芯为条形或者管形。
[0014]
进一步的，所述超声波发射器和超声波接受器连接中央处理器。
[0015]
进一步的，所述超声波发射器和超声波接受器分别为两个。
[0016]
本发明还提供一种海底甲烷取样气泡的计数方法，包括以下步骤：
[0017]
(1)将上述的海底甲烷气泡计数装置放置在海底甲烷气体喷涌口，水下推进器开始工作，制造微型暗流引导甲烷气泡进入罩体内；
[0018]
(2)电磁铁线圈通电，电磁铁产生磁性，利用同性相斥异性相吸的原理，在电磁铁的作用下，滑动磁环向上滑动，带动拉杆收缩，瓣形取样器关闭，等同于对甲烷气体喷涌口处的海水进行了一次随机取样，取样器中的甲烷气泡在微型水下推进器制造的暗流作用下，依次通过超声波气泡检测装置，超声波气泡检测装置每检测一次气泡，便向控制系统发送一次电信号，产生计数累积；
[0019]
(3)超声波气泡检测装置不再发送气泡信号时，向电磁铁线圈通入反向电流，电磁铁的两个磁极方向发生改变，滑动磁环向下滑动，带动拉杆伸展，瓣形取样器开启，准备进行下一次取样；必要时，进行多次取样计数。
[0020]
进一步的，所述电磁铁设置在滑动磁环的上方，电磁铁线圈通电，电磁铁下端的磁极与滑动磁环的上端磁性相异，产生吸引力，滑动磁环向上滑动，带动拉杆收缩，瓣形取样器关闭；电磁铁通入反向电流后，电磁铁下端与滑动磁环上端磁性相同，产生排斥力，滑动磁环向下滑动，带动拉杆伸展，瓣形取样器开启。
[0021]
本发明通过罩体确定了相对独立的取样部位，通过水下推进器制造微型暗流引导甲烷气泡进入罩体内，通过改变电磁铁的电流方向，实现滑动磁环的滑动方向的改变，通过拉杆进而实现对取样器开启和关闭的控制；将取样器设置为可以收缩和打开的瓣形，实现了随机取样后立即在原地进行样品的检测，取样器中的甲烷气泡在微型水下推进器制造的暗流作用下，依次通过超声波气泡检测装置，检测的准确度高。该装置可以循环取样检测。该装置结构简单，操作方便。
[0022]
甲烷储存地储存的甲烷气体越多，产生的气压也就越大，甲烷喷涌口和内外压强差也就越大，甲烷气体从喷涌口往外喷涌的速率也就越快，甲烷气泡计数装置完成后一次取样过程，取样器中的甲烷气泡也就越多，因此，通过计算不同时间或不同地点取样器中甲烷气泡的数目，就可以计算出不同甲烷气体喷涌口气体的流速，反推气泡受力情况，进而计算处甲烷气体喷涌口处海水与甲烷气体之间的压力差，最终计算出甲烷的储存量，该装置成本比深海甲烷原位探测系统低，探测准确度比传统将甲烷从海底样品中提取出来再进行浓度检测的方式高，极具推广价值。
附图说明
[0023]
图1为罩体的立体结构示意图；
[0024]
图2为罩体的剖面结构示意图；
[0025]
图3为滑动管的结构示意图；
[0026]
图4为瓣形取样器的结构示意图；
[0027]
图5海底甲烷气泡计数装置瓣形取样器闭合时的示意图；
[0028]
图6为盖板结构示意图；
[0029]
图7为水下推进器结构示意图；
[0030]
图8为电磁铁结构示意图；
[0031]
图9为拉杆的结构示意图；
[0032]
图10为滑动磁环的结构示意图；
[0033]
图11为海底甲烷气泡计数装置瓣形取样器开启时的示意图。
[0034]
以上各图中，1、滑动管；2、罩体；21、管体；3、电磁铁；4、滑动磁环；5、盖板；51第二通孔；52、第三通孔；6、瓣形取样器；7、拉杆；8、超声波发射器；9、超声波接收器；10、水下推进器。
具体实施方式
[0035]
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
[0036]
一种海底甲烷气泡计数装置，包括罩体2，设置在罩体内的滑动管1、水下推进器10、电磁铁3、滑动磁环4、盖板5、瓣形取样器6及拉杆7。罩体2提供取样的空间，将要取样的位置与其他位置相对隔离开，只要能在海底提供一个相对独立的空间即可，对其形状不做限定，考虑到加工的便利性及结构的稳定性，优选圆形。
[0037]
罩体2的顶部开设第一通孔，第一通孔处设置向罩体外部上方延伸的管体21，滑动管1(图3)设置在管体内，滑动管的顶部开口，使下方含有甲烷气泡的海水通过。滑动管1与管体21的上端密封连接，滑动管1与管体21之间形成一空腔，该空腔用于容纳电磁铁3及滑动磁环4，并且提供滑动磁环4上下移动的空间。管体21的形状优选图2所示的锥形，但是不能理解为对管体21形状的限定。管体1可以与罩体2一体成型。
[0038]
罩体2内环绕通孔设置若干瓣形取样器6(参见图4)，瓣形取样器6与罩体1活动连接，瓣形取样器6向内闭合后形成样品容纳腔(参见图5)。优选瓣形取样器6与罩体1铰接，该连接方式允许瓣形取样器6在一个维度上往复运动，从而实现瓣形取样器6的闭合及开启。
[0039]
瓣形取样器的上方固定设置盖板5(参见图6)，盖板5的中间开设第二通孔51，第二通孔51的外围设置第三通孔52。第二通孔51的内壁上相对设置超声波发射器8和超声波接收器9(参见图5)。盖板5的外侧壁与罩体2的内壁固定连接从而实现其位置的固定；或者盖板5与滑动管1的底部固定连接从而实现其位置的固定。
[0040]
滑动管的顶部管内设置水下推进器(参见图7)，水下推进器在滑动管内制造微型暗流引导甲烷气泡进入罩体内。水下推进器可以根据需要进行选择，例如采用直流无刷推进器，本领域技术人员还可以在现有水下推进器的基础上进行改进，只要能实现上述功能即可。
[0041]
在管体21、滑动管1与盖板5形成的空腔中，滑动磁环4套设在滑动管上，电磁铁3的
线圈通直流电后铁芯产生磁性，带动滑动磁环4沿滑动管1滑动，改变电流方向，铁芯带动滑动磁环4沿相反方向滑动。电磁铁包括管状的铁芯和缠绕在铁芯外的线圈(参见图8)，铁芯套在滑动管上(参见图5)。铁芯还可以设置为条形或者其他形状，需要满足通电后铁芯的一个磁极与滑动磁环4相吸或者相斥，并且产生足够的磁力。电磁铁3优选设置在滑动磁环4的上方，电磁铁3的线圈通电，电磁铁3的一个磁极与滑动磁环4的上端磁性相异，产生吸引力，滑动磁环4向上滑动；向电磁铁3的线圈通入反向电流，电磁铁3的磁极方向改变，电磁铁3与滑动磁环4上端磁性相同，产生排斥力，滑动磁环4向下滑动。
[0042]
动滑动磁环4与瓣形取样器6通过拉杆7(参见图9)实现联动，拉杆7穿过第三通孔52，滑动磁环4向一个方向滑动时通过拉杆7带动瓣形取样器6向内闭合，滑动磁环4向相反方向滑动时通过拉杆7带动瓣形取样器6向外展开(参见图11)。优选拉杆7与瓣形取样器6、滑动磁环4铰接。如图4所示在瓣形取样器的侧面中部，图10所示在滑动磁环上均设置与拉杆铰接的结构，插入销钉后可实现与拉杆活动连接。该连接方式是优选的方式，本领域技术人员还可以进行相关手段的替换。
[0043]
工作过程及原理：
[0044]
如图5和图10所示，将海底甲烷气泡计数装置放置在海底甲烷气体喷涌口，水下推进器10开始工作，制造微型暗流引导甲烷气泡进入罩体2内；电磁铁3线圈通电，通过电流的磁效应使得电磁铁产生磁性，利用同性相斥异性相吸的原理，在电磁铁的作用下，通过排斥力或者吸引力，使滑动磁环4在滑动管上沿一个方向滑动，改变电流方向，电磁铁的磁极方向改变，使滑动磁环4在滑动管上沿相反方向滑动。滑动磁环4在滑动管上沿一个方向滑动时，通过拉杆带动瓣形取样器开启(或者关闭)，滑动磁环4朝相反方向滑动时，则通过拉杆带动瓣形取样器关闭(或者开启)。瓣形取样器6关闭，等同于对甲烷气体喷涌口处的海水进行了一次随机取样，瓣形取样器6开启，则准备进行下一次取样。例如，将电磁铁设置在磁环的上方，通电后，由于电磁铁下端磁性与滑动磁环上端磁性相异，产生吸引力，滑动磁环4向上滑动，带动拉杆7收缩，瓣形取样器6关闭(图5)，取样器中的甲烷气泡在微型水下推进器制造的暗流作用下，依次通过超声波气泡检测装置(由超声波发射器8和超声波接收器9组成)，超声波气泡检测装置每检测一次气泡，便向中央处理器发送一次电信号，产生计数累积。当超声波气泡检测装置不再发送气泡信号时，向电磁铁3通入反向电流，电磁铁下端磁性与滑动磁环上端磁性相同，产生排斥力，滑动磁环4向下滑动，带动拉杆7向外伸展，瓣形取样器6开启(图11)，准备进行下一次取样；必要时，进行多次取样计数。
[0045]
因为甲烷储存地储存的甲烷气体越多，产生的气压也就越大，甲烷喷涌口和内外压强差也就越大，甲烷气体从喷涌口往外喷涌的速率也就越快，甲烷气泡计数装置完成后一次取样过程，取样器中的甲烷气泡也就越多，因此，通过计算不同时间或不同地点取样器中甲烷气泡的数目，就可以计算出不同甲烷气体喷涌口气体的流速，反推气泡受力情况，进而计算处甲烷气体喷涌口处海水与甲烷气体之间的压力差，最终计算出甲烷的储存量，该装置成本比深海甲烷原位探测系统低，探测准确度比传统将甲烷从海底样品中提取出来再进行浓度检测的方式高，极具推广价值。
[0046]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。