同时实现多环境条件下时序采样的深海沉积物采样装置

1.本发明涉及深海取样技术，特别涉及一种同时实现多环境条件下时序采样的深海沉积物采样装置。


背景技术：

2.天然气水合物含量高、污染小，因其巨大的能源潜力和环境效应备受瞩目。天然气水合物只有在低温高压的条件下才能稳定存在，外部环境的变化极容易导致分解，从而引发甲烷渗漏。因此，研究海水-沉积物界面的甲烷渗漏对于天然气水合物勘探具有重要的理论和实践意义。目前对海底甲烷释放的碳循环模式，尤其是海水-沉积物界面甲烷复杂的物理-化学-生物转换规律认识不清楚。由于深海观测存在进入困难、周期长的实际情况，因此在大范围观测时，存在成本高、大型仪器装备运维难度大等诸多难题。
3.海底水合物分解释放出的甲烷，通过最典型的冷泉活动等排放方式，历经复杂的生物地球化学过程，甲烷可能以气泡形式上升，或扩散至上覆水柱。此外，海水中的有机碳与无机碳会以各种形式发生碳沉降。在深海碳循环通量计算过程中，会涉及沉积物-海水界面的碳循环净通量的内容。因此，在样品采集和保存时需要为沉积物样品提供碳注入、碳释放和原位环境下的对比参照条件，确定沉积物样品碳释放与碳吸收的通量。但是在目前的公开报道中，尚未见到关于多种参照条件下的深海取样技术的研究成果记载内容。
4.因此，提出一种能够对深海碳储存过程进行长周期连续原位采样、并对化学参数变化进行在线监测的技术，对于研究深海环境下碳储存过程作用机理是十分必要的。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种同时实现多环境条件下时序采样的深海沉积物采样装置。
6.为解决技术问题，本发明的解决方案是：
7.提供一种同时实现多环境条件下时序采样的深海沉积物采样装置，包括：安装在固定装置上的三个原位密封舱和两个注入模块；
8.所述原位密封舱是顶端密封的中空腔体，在底部的开口端设有腔体密封板；在腔体内部设有时序采样模块，至少包括三组相同结构的采样单元；采样单元中包括充油电机、丝杠，以及多组嵌套安装的取样筒和保存筒；各保存筒以底部开口端嵌装在腔体密封板上的通孔中，其上部设有活塞且在开口端设有翻板阀门；每个保存筒内部嵌套布置一个取样筒且其上端固定在活塞下方，取样筒内部为样品保存空间；充油电机的输出端通过丝杠接至活塞杆，能够驱动取样筒在保存筒内垂直位移；在腔体密封板上设有与各采样单元配套的插销电机，其输出端通过动作切换机构连接至各翻板阀门以实现阀门开关；
9.所述注入模块包括充油电机、丝杠和存放筒，存放筒为两端封闭且内设活塞的筒状结构，活塞下方为水样保存空间；充油电机的外壳通过数根支撑杆与存放筒连接，其输出轴通过丝杠驱动活塞在存放筒中位移；每个注入模块对应着一个原位密封舱，并通过耐压
软管分别连接水样保存空间和样品保存空间；
10.在各原位密封舱中设有多个电池，用于为各电机供电。
11.作为本发明的优选方案，所述固定装置为框架结构；所述三个原位密封舱以呈三角形轴向并列方式布置在框架结构内部，所述注入模块固定在框架结构上。
12.作为本发明的优选方案，在原位密封舱的顶端封盖上，设有t形把手。
13.作为本发明的优选方案，所述动作切换机构包括驱动杆，以及与采样单元中保存筒数量相同的插销；所述插销电机位于各采样单元中心的腔体密封板上，插销与保存筒一一对应且环绕着插销电机设置；在翻板阀门的内外两侧分别设置牵引弹簧，所述插销通过与外侧牵引弹簧相连能使翻板阀门保持开启状态。
14.作为本发明的优选方案，所述为电机供电的电池直接设于各电机的外壳中。
15.作为本发明的优选方案，每组采样单元中，充油电机同时匹配两套保存筒与取样筒的嵌套结构：丝杠的下端固定于丝杠连接板的中央，两个取样筒的活塞杆固定连接至丝杠连接板的两端，以一个充油电机同时驱动两个保存筒中的取样筒。
16.作为本发明的优选方案，所述时序采样模块包括一块电机固定板，各采样单元中的充油电机均通过数根支撑杆固定在电机固定板上；所述丝杠包裹于丝杠保护套中，两者为间隙配合；丝杠保护套穿过电机固定板上的通孔，两者为紧密配合。
17.作为本发明的优选方案，该装置还包括若干个半导体制冷片和为其供电的电池，两者通过线缆连接；半导体制冷片的冷端贴附在各自对应存放筒的外侧，热端固定在原位密封舱的外侧。
18.作为本发明的优选方案，所述原位密封舱的顶端设有供电驱动控制模块和监测信号采集模块；前者内部包括电池和单片机，并通过线缆分别连接采样单元和注入模块中的充油电机，以及设于原位密封舱中的电池与插销电机；后者内部包括电池和单片机，并通过线缆分别连接设于各取样筒中的多参数传感器。
19.作为本发明的优选方案，该装置还包括内置活塞的蓄能器，通过耐压软管连接至各原位密封舱的内腔。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.(1)本发明能够实现多环境条件采样的实现。
22.该采样装置在三个原位密封舱体中设置多个取样筒，可以在一个原位密封舱体中形成二氧化碳溶解度高于原位海水的环境，在另一个原位密封舱体中形成二氧化碳溶解度低于原位海水的环境；而剩余一个原位密封舱体则用于保留原位海水的采样环境，可监测原始数据作为对照。
23.(2)本发明能够实现长间隔时序采样。
24.该采样装置在每个原位密封舱体中设有多个采样单元；在设定的采样时间节点，每个原位密封舱体中各有一组采样单元执行采样动作。通过这样的方式，可以实现采样装置的长间隔时间自动时序采样。所获的样品相互之间具有足够长的时间间隔，能够满足针对海底水合物分解情况的科研需求。
25.(3)本发明能够获取相同采样条件下的对照样品。
26.在每组采样单元中，采用了充油电机同时匹配两套保存筒与取样筒的嵌套结构设计。在采样时可以同时获取两个独立样品，能够为后续分析过程提供对比参照物，满足多种
科研需求。
27.(4)本发明能够监测采样过程中样品参数变化。
28.通过设于各取样筒中的多参数传感器，监测信号采集模块能够记录样品在不同密封环境中的二氧化碳浓度、温度、盐度、ph、氧化还原电位等参数随时间演变的过程，从而为后续科研工作提供参考数据。
29.(5)本发明能够在装置回收过程中实现保温。
30.该采样装置在保存筒上设有半导体制冷片，通过供电驱动控制模块能够实现基于热电冷却器的主动温度控制。从而避免由海底升至海面的过程中温度变化影响样品。
附图说明
31.图1是本发明的整体结构立体视图；
32.图2是本发明装置的仰视图；
33.图3是本发明装置中注入模块的剖视图；
34.图4是本发明装置的剖视图；
35.图5是本发明装置中时序采样模块的立体视图。
36.图6是本发明装置中的动作切换机构的示意图。
37.图中附图标记：1注入模块；1-1充油电机；1-2丝杠；1-3支撑杆；1-4活塞；1-5存放筒；2原位密封舱；2-1供电驱动控制模块；2-2监测信号采集模块；2-3t型把手；2-4顶端封盖；3固定装置；4时序采样模块；4-1丝杠；4-2丝杠连接板；4-3取样筒；4-4翻板阀门；4-5保存筒；4-6半导体制冷片；4-7插销电机；4-8电机固定板；4-9电池；4-10驱动杆；4-11插销。
具体实施方式
38.下面结合附图，通过具体的实施方案对本发明进行详细说明。
39.本技术中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
40.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.装置结构说明：
42.如图所示，本发明提供的同时实现多环境条件下时序采样的深海沉积物采样装置，包括框架结构的固定装置3，三个原位密封舱2以呈三角形轴向并列方式布置在框架结构的内部，两个注入模块1固定在框架结构上。
43.原位密封舱2是顶端密封的中空腔体，在底部的开口端设有腔体密封板。在原位密封舱2的顶端封盖上设有t形把手2-3，用于水下机器人的抓取操作。在原位密封舱2的腔体内部设有时序采样模块4，时序采样模块4包括三组(也可以更多)相同结构的采样单元和一块电机固定板4-8。各采样单元中均包括充油电机、丝杠4-1、取样筒4-3和保存筒4-5。保存筒4-5的开口端嵌装在腔体密封板上的通孔中，充油电机通过三根支撑杆固定在电机固定板4-8上；丝杠4-1包裹于丝杠保护套中，两者为间隙配合；丝杠保护套穿过电机固定板4-8上的通孔，两者为紧密配合。保存筒4-5的上部设有活塞，保存筒4-5的底部开口端设有翻板阀门4-4；取样筒4-3嵌套布置在保存筒4-5内部，且其上端固定在活塞下方，取样筒4-3的内部作为样品保存空间；充油电机的输出端通过丝杠4-1接至活塞上端，能够驱动取样筒4-3在保存筒4-5内部垂直地上下位移，以执行采样动作。
44.可选地，每组采样单元中的充油电机还可以同时匹配两套保存筒与取样筒的嵌套结构：将丝杠4-1的下端固定在丝杠连接板4-2的中央，两个取样筒4-3的活塞杆固定连接至丝杠连接板的两端，以一个充油电机同时驱动两个保存筒中的取样筒。
45.动作切换机构实例的结构如图6所示。动作切换机构包括驱动杆4-10，以及与采样单元中保存筒4-5数量相同的插销4-11；插销电机4-7位于各采样单元中心的腔体密封板上，插销4-11与保存筒4-5一一对应且环绕着插销电机4-7设置；在翻板阀门4-4的内外两侧分别设置牵引弹簧，各插销4-11通过与外侧牵引弹簧相连，且能使翻板阀门4-4保持开启状态。驱动杆4-10与插销电机4-7的输出端呈轴向垂直连接。
46.在取样筒4-3通过伸出-收回的方式执行取样动作后，插销电机4-7执行旋转运动并带动驱动杆4-10旋转。当驱动杆4-10转至已完成采样动作的取样筒4-3方向时，其末端插入对应插销4-11中，继续旋转将拨动插销4-11，使其释放外侧牵引弹簧，翻板阀门4-4将在内侧牵引弹簧的弹力作用下执行关闭动作，从而在保存筒4-5内部形成密封环境。
47.注入模块1包括充油电机、丝杠1-2和存放筒1-5，存放筒1-5为两端封闭的筒状结构，且内设活塞1-4。在活塞1-4的下方为水样保存空间；充油电机的外壳通过数根支撑杆1-3与存放筒1-5连接，其输出轴通过丝杠1-2驱动活塞1-4在存放筒中位移。每个注入模块1对应着一个原位密封舱2，并通过耐压软管分别连接水样保存空间和样品保存空间；
48.在各原位密封舱2中设有多个电池，分别用于为各用电设备或元器件供电。可选地，电池有多个，其中为电机供电的电池4-9直接设于各电机的外壳中。
49.考虑到回收装置过程中的保温需要，在该装置中还设有若干个半导体制冷片4-6和为其供电的电池，两者通过线缆连接；半导体制冷片4-6的冷端贴附在各自对应存放筒4-5的外侧，热端固定在原位密封舱2的外侧。
50.考虑到回收装置过程中的保压需要，在该装置还配备了内置活塞的蓄能器(图中未示出)，蓄能器通过耐压软管连接至各原位密封舱的内腔。保存筒4-5底部安装有密封圈，翻板阀门4-4与密封圈贴合进行密封。本发明侧重点为全过程监测深渊原位碳形态变化过程，因此对采样不需要精准保压。
51.在原位密封舱2的顶端设有供电驱动控制模块2-1和监测信号采集模块2-2；供电驱动控制模块2-1的内部包括电池和单片机，并通过线缆分别连接为各用电设备或元器件(如采样单元和注入模块1中的充油电机、设于原位密封舱2中的插销电机、以及半导体制冷片4-6)。监测信号采集模块2-2的内部包括电池和单片机，并通过线缆分别连接设于各取样
筒4-3中的多参数传感器。
52.单片机(single-chip microcomputer)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计数器等功能(还可以根据需要配置包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路)。本发明可根据采样及监测的需要，将各电机动作执行流程、监测信号采集和数据转换、半导体制冷片温度调节等内容以软件形式写入单片机。采样装置的所有操作，均由供电驱动控制模块2-1根据内置软件按预设时间节点自动执行。由于该部分内容的实现方式不属于本发明保护范围，且本领域技术人员以其熟练掌握的技术手段能够按需实现，故本发明不再赘述。
53.使用方法说明：
54.1、准备工作：
55.(1)组装注入模块1、原位密封舱2和固定装置3和蓄能器，搭建采样装置。
56.将所有采样单元中的插销4-11与各自对应的翻板阀门4-4的外侧牵引弹簧连接，使全部翻板阀门4-4保持开启状态。
57.将两个注入模块1分别用peek耐压软管连接至对应的原位密封舱2，连接水样保存空间与对应的各样品保存空间，然后关闭阀门并确保密封。
58.(2)向两个注入模块1的存放筒1-5中分别注入饱和二氧化碳水以及蒸馏水。
59.(3)将采样装置搭载于水下机器人，由后者的机械手下放至海底预设的采样位置；
60.2、采样过程：
61.(1)多环境条件采样的实现：
62.水下机器人通过抓取t形把手2-3，将采样装置落座于适当的海底表面，并下压使其底部整体插入海水-沉积物界面，形成原位海水的采样环境。充油电机1-1驱动丝杠1-2带动活塞1-4做直线运动，将存放筒1-5中的水样经peek耐压软管注入对应的原位密封舱体2中，并充满各取样筒4-3。
63.通过这样的方式，可以在一个原位密封舱体2中形成二氧化碳溶解度高于原位海水的环境，在另一个原位密封舱体2中形成二氧化碳溶解度低于原位海水的环境，而剩余一个原位密封舱体2则用于保留原位海水的采样环境。以此方式，能够实现多环境条件采样条件下的监测数据和样品分析对照。
64.(2)长间隔时序采样的实现：
65.在设定的采样时间节点，三个原位密封舱体2中各有一组采样单元执行采样动作：充油电机驱动丝杠4-1下压活塞使取样筒4-3贯入海水-沉积物界面进行采样；再提升活塞将取样筒4-3回收到保存筒4-5中，由插销电机4-7带动动作切换机构关闭对应的翻板阀门4-4。
66.在设定的第一个时间间隔之后(如两周)，以各原位密封舱体2中的第二组采样单元重复次执行上述采样操作；在设定的第二个时间间隔之后(如两周)，以各原位密封舱体2中的第三组采样单元重复次执行上述采样操作。
67.通过这样的方式，可以实现采样装置的长间隔时间自动时序采样。所获的样品相互之间具有足够长的时间间隔，能够满足针对海底水合物分解情况的科研需求。
68.(3)获取对照样品：
69.在每组采样单元中，采用充油电机同时匹配两套保存筒与取样筒的嵌套结构设计。在采样时，可以同时获取两个独立样品，能够为后续分析过程提供对比参照物，满足多种科研需求。
70.(4)监测采样过程中样品参数变化：
71.通过设于各取样筒4-3中的多参数传感器2-2，监测信号采集模块2-2能够记录样品在不同密封环境中的二氧化碳浓度、温度、盐度、ph、氧化还原电位等参数随时间演变的过程，从而为后续科研工作提供参考数据。
72.(5)装置回收过程中的保温：
73.在设定的采样结束时间点，由母船下放水下机器人回收采样装置。在由海底升至海面的过程中温度变化很大，为避免影响样品需启用基于热电冷却器的主动温度控制以实现样品的保温回收。半导体制冷片4-6的冷端贴在保存筒4-5上，其热端在回收过程中与海水实现换热带走热量。在母船上进行保温保压转移，所获样品用于开展实验室测试和精细化分析。
74.最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种同时实现多环境条件下时序采样的深海沉积物采样装置，其特征在于，包括：安装在固定装置上的三个原位密封舱和两个注入模块；所述原位密封舱是顶端密封的中空腔体，在底部的开口端设有腔体密封板；在腔体内部设有时序采样模块，至少包括三组相同结构的采样单元；采样单元中包括充油电机、丝杠，以及多组嵌套安装的取样筒和保存筒；各保存筒以底部开口端嵌装在腔体密封板上的通孔中，其上部设有活塞且在开口端设有翻板阀门；每个保存筒内部嵌套布置一个取样筒且其上端固定在活塞下方，取样筒内部为样品保存空间；充油电机的输出端通过丝杠接至活塞杆，能够驱动取样筒在保存筒内垂直位移；在腔体密封板上设有与各采样单元配套的插销电机，其输出端通过动作切换机构连接至各翻板阀门以实现阀门开关；所述注入模块包括充油电机、丝杠和存放筒，存放筒为两端封闭且内设活塞的筒状结构，活塞下方为水样保存空间；充油电机的外壳通过数根支撑杆与存放筒连接，其输出轴通过丝杠驱动活塞在存放筒中位移；每个注入模块对应着一个原位密封舱，并通过耐压软管分别连接水样保存空间和样品保存空间；在各原位密封舱中设有多个电池，用于为各电机供电。2.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述固定装置为框架结构；所述三个原位密封舱以呈三角形轴向并列方式布置在框架结构内部，所述注入模块固定在框架结构上。3.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，在原位密封舱的顶端封盖上，设有t形把手。4.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述动作切换机构包括驱动杆，以及与采样单元中保存筒数量相同的插销；所述插销电机位于各采样单元中心的腔体密封板上，插销与保存筒一一对应且环绕着插销电机设置；在翻板阀门的内外两侧分别设置牵引弹簧，所述插销通过与外侧牵引弹簧相连能使翻板阀门保持开启状态。5.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述为电机供电的电池直接设于各电机的外壳中。6.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，每组采样单元中，充油电机同时匹配两套保存筒与取样筒的嵌套结构：丝杠的下端固定于丝杠连接板的中央，两个取样筒的活塞杆固定连接至丝杠连接板的两端，以一个充油电机同时驱动两个保存筒中的取样筒。7.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述时序采样模块包括一块电机固定板，各采样单元中的充油电机均通过数根支撑杆固定在电机固定板上；所述丝杠包裹于丝杠保护套中，两者为间隙配合；丝杠保护套穿过电机固定板上的通孔，两者为紧密配合。8.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，该装置还包括若干个半导体制冷片和为其供电的电池，两者通过线缆连接；半导体制冷片的冷端贴附在各自对应存放筒的外侧，热端固定在原位密封舱的外侧。9.根据权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述原位密封舱的顶端设有供电驱动控制模块和监测信号采集模块；前者内部包括电池和单片机，并通过线缆分别连接采样单元和注入模块中的充油电机，以及设于原位密封舱中的电池与插销电机；后者内部包括电池和单片机，并通过线缆分别连接设于各取样筒中的多参数传感器。10.根据权利要求1至9任意一项中所述的采样装置，其特征在于，该装置还包括内置活
塞的蓄能器，通过耐压软管连接至各原位密封舱的内腔。

技术总结
本发明涉及深海取样技术，旨在提供一种同时实现多环境条件下时序采样的深海沉积物采样装置。该装置包括安装在固定装置上的三个原位密封舱和两个注入模块；原位密封舱内部设有时序采样模块，至少包括三组相同结构的采样单元；采样单元中包括充油电机、丝杠，以及多组嵌套安装的取样筒和保存筒；注入模块包括充油电机、丝杠和存放筒，每个注入模块对应着一个原位密封舱，并通过耐压软管分别连接水样保存空间和样品保存空间；在各原位密封舱中设有多个电池，用于为各电机供电。本发明能够实现多环境条件、长间隔时序采样，在装置回收过程中实现保温；该装置还能够获取相同采样条件下的对照样品，监测采样过程中样品参数变化。监测采样过程中样品参数变化。监测采样过程中样品参数变化。


技术研发人员：陈家旺 谭星晖 方玉平 金章勇 周朋 高峰
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/19