CN109269840B - 一种海底沉积物和海洋底层水同时采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，包括取样管、活塞以及安装在取样管上的配重块、取水箱和平衡翼；所述取样管内置有塑料套管，用于保存海底沉积物样本；所述活塞内置于所述塑料套管中，连接缆绳，所述缆绳从取样管的顶部伸出，通过拉动缆绳牵引活塞上移，抽取海底沉积物样本至所述塑料套管中；在所述取水箱的底部设置有自动开合组件，所述自动开合组件在采集装置在海水中下沉以及插入到海底沉积物的期间受海水压力打开，采集海洋底层水至取水箱，且在采集装置上浮期间闭合，封存海洋底层水样本。本发明的采集装置集海底沉积物取样和海洋底层水取样的功能于一身，且可以采集到距离海底1m~2m的海洋底层水样本。

Description

一种海底沉积物和海洋底层水同时采集装置

技术领域

本发明属于海底取样装置技术领域，具体地说，是涉及一种用于采集海底沉积物和海洋底层水的取样装置。

背景技术

目前，用于海底地质取样的装置一般包括重力取样器和箱式取样器，且以柱状取样为主。其中，重力取样器是对海底岩芯进行取样的常用工具，其工作原理是通过在预定高度下产生重力势能，利用释放器释放后转换为动能，对海底岩层产生巨大的冲击力，继而使重力取样器插入到海底岩层中，对海底岩芯进行取样。

这种重力取样器功能单一，只能对海底地质进行取样，无法同时完成海洋底层水的取样任务，需要借助其它专用取水器单独执行取水作业。但是，对于深海环境，单独执行一次取样作业耗时很长，例如在水深1200米处采集一次样本一般需要2.5小时，若依次执行海底沉积物取样和海洋底层水取样，则耗费的取样时间过长，效率低下。而且，目前的取水器一般不适合深海环境，易受到水深超过500米的潮流影响，并且仅能悬停在海床上方10m~15m的位置便不敢继续下放，因此无法完成对距离海底1m~2m的海洋底层水的采集任务，适用领域非常有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，可以同时开展海底沉积物和海洋底层水的取样作业，采样效率高，且适合不同深度的海洋环境。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，包括取样管、活塞、配重块、取水箱、平衡翼和框架式底座；所述取样管内置有塑料套管，用于保存海底沉积物样本；所述活塞内置于所述塑料套管中，连接缆绳，所述缆绳从取样管的顶部伸出，通过拉动缆绳牵引活塞上移，抽取海底沉积物样本至所述塑料套管中；所述取水箱安装在所述取样管上，在取水箱的底部设置有自动开合组件，所述自动开合组件在取样管贯入海底沉积物的期间受海水压力打开，采集海洋底层水样本至所述取水箱，且在采集装置上浮期间闭合，封存海洋底层水样本；所述配重块安装在所述取样管上且位于所述取水箱的下方；所述框架式底座通过拉绳吊装在所述配重块的下方，所述取样管从所述框架式底座中穿过，在所述配重块的下方安装有阻尼弹簧；所述取样管在向海底沉积物贯入的过程中，当海底沉积物接触到框架式底座时，框架式底座调整取样管垂直于海底沉积物表层，当取样管继续贯入并使框架式底座接触到所述阻尼弹簧时，阻尼弹簧阻止框架式底座上移，限制取样管的贯入深度；所述平衡翼安装在所述取样管的上部，用于保持采集装置在海水中下沉期间的平衡性。

优选的，所述框架式底座优选设计成框架式三棱台结构，包括三角形顶架和三角形底架，且顶架尺寸小于底架尺寸；在所述三角形顶架和三角形底架之间安装有一根圆管，所述圆管的内径大于取样管的外径，且所述取样管从所述圆管中穿过；在所述圆管的顶面形成有外翻挡圈，所述挡圈与三角形顶架内切连接，且在框架式底座上移到所述阻尼弹簧的位置时，所述阻尼弹簧抵靠在所述挡圈上；所述圆管的顶面和底面通过支架分别与三角形顶架和三角形底架对应连接，为圆管提供足够的固定强度。

作为所述自动开合组件的一种优选结构设计，本发明在所述自动开合组件中设置有密封圈、中间轴、两块底板和挡栓；在所述取水箱的底部开设有通孔，将所述中间轴固定安装在所述取水箱上，且将所述通孔分成两半；所述密封圈环绕所述通孔的边沿布设；所述两块底板的边沿的一部分铰接在所述中间轴上，其余部分为自由边，且在两块底板处于与取水箱的底部平行位置时，所述自由边与所述密封圈紧密贴合，封存取水箱中的海洋底层水样本；所述挡栓安装在所述取水箱的底部，且横跨所述通孔，用于阻挡所述两块底板向取水箱的外侧翻转。

优选的，所述通孔优选开设成圆形，将所述中间轴沿通孔的直径方向布设，优选设计两块底板为半圆形，并将两块半圆形底板的直边铰接在所述中间轴上，将两块底板的半圆弧边作为所述自由边，在两块底板处于与取水箱的底部平行位置时，与所述密封圈紧密贴合，以密封所述取水箱。

优选的，所述取水箱优选设计成圆环柱状，所述取样管从取水箱的内孔穿过；所述自动开合组件优选设置三个，且等间距圆周分布在所述取水箱的底部。

为了在采样装置打捞上岸后能够方便地将取水箱中的海洋底层水样本取出，本发明优选在所述取水箱的底部还进一步安装有水阀，用于在采集装置回收后排放取水箱中保存的海洋底层水样本；所述水阀优选设置三个，在所述取水箱的底部呈等间距圆周分布，且每一个水阀介于其相邻两个自动开合组件的中间位置，使采集装置在水平放置后，无论何种平放角度都能方便地操作水阀排出取水箱中保存的海洋底层水样本。

为了便于将取水箱中保存的海洋底层水样本排放干净，本发明优选设计所述每一个水阀在取水箱上的安装部位均与所述取水箱的底部外缘相切，这样即使采集装置水平放置后，取水箱中的海洋底层水样本也能顺利地排放干净。

进一步的，在所述取样管中设置有挡板，用于限制所述活塞在所述塑料套管中的上移位置。

为了便于取样管插入到海底沉积物中，本发明在所述取样管的底部还安装有刀口，所述刀口呈中空的倒圆台形，且中空部分为圆柱形，中空部分的直径等于所述塑料套管的内径，以实现对海底沉积物的柱状取样。

为了便于配重块、取水箱和平衡翼在取样管上的装配固定，本发明在所述取样管的外壁上形成有外螺纹，并在所述配重块、取水箱和平衡翼上分别安装螺纹钢块，将所述配重块、取水箱和平衡翼通过螺纹钢块与所述取样管螺纹连接。

为了便于采集装置布放和打捞，本发明在所述取样管的顶部还安装有提头。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的采集装置集海底沉积物取样和海洋底层水取样的功能于一身，一次投放可以同时完成两种海底样本采样任务，有效节约了采样时间和人工成本。并且，本发明的采样装置可以实现对距离海底1m~2m的海洋底层水的取样，结构简单，操作方便，大大提高了海底勘探的效率，且不易被深海潮流所损坏，适合应用在不同深度的海水中，扩展了采集装置的适用领域。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置的一种实施例的整体结构示意图；

图2是图1中的取样管的一种实施例的局部剖视图；

图3是图1中的取水箱底部的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

如图1、图2所示，本实施例的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置主要由取样管1、取水箱6、配重块8、平衡翼9、框架式底座21等部分组成。其中，取样管1优选采用高强度的金属材料制成，以承受深海环境的海水压力。在取样管1的内部设置有塑料套管2，例如PVC管，贴附取样管1的内壁布设，用于保存采集到的海底沉积物样本。在塑料套管2中安装有活塞3，活塞3的上部连接有缆绳11，缆绳11从取样管1的顶部穿出，通过提拉缆绳11可以控制活塞3上移，将塑料套管2中的空气抽出负压，继而使海底沉积物自动进入塑料套管2中，形成柱状样本。

在本实施例中，优选将取样管1设计成内径为110mm、壁厚为8mm的直管，在取样管1中设置挡板5，通过挡板5限制活塞3的上移距离，以限定海底沉积物的取样量。

在取样管1的外壁上安装取水箱6、配重块8和平衡翼9，作为一种优选安装方式，可以在取样管1的外壁上开设外螺纹，并在取水箱6、配重块8、平衡翼9上分别安装具有内螺纹的螺纹钢块7，采用螺纹连接的方式将取水箱6、配重块8和平衡翼9装配在所述取样管1上。

其中，配重块8用于增加采集装置的整体重量，可以根据投放海域的海水深度适当地调整配重块8的使用数量，使采集装置能够在自身的重力作用下，克服海水浮力，顺利地贯入到海底沉积物中。

平衡翼9用于保持采集装置在海水中下沉期间的平衡性，优选安装在取样管1的上部，采用铁片制成。本实施例优选在取样管1的同一高度安装三瓣平衡翼9，且配置相邻两瓣平衡翼9之间形成120°的夹角，以进一步增强采集装置的平衡性。

取水箱6用于保存海洋底层水样本，优选安装在取样管1上且介于平衡翼9与配重块8之间的位置处，如图2所示，且距离取样管1的底端最好在1.5m~2.5m之间，以实现对距离海底1m~2m的海洋底层水的采集。

在本实施例中，所述取水箱6优选设计成环形柱状，内孔12的直径可以设计成120mm，结合图3所示，以供取样管1从中穿过。取水箱6的外径可以配置成600mm，壁厚8mm，以提供足够大的存储空间，采集足够多的海洋底层水样本。

在取水箱6的底部开设有通孔，通孔中安装有自动开合组件13，如图3所示。当采集装置在海水中下沉时以及取样管1插入到海底沉积物的期间，所述自动开合组件13可以在海水的压力下自动打开，采集海洋底层水至取水箱6。当采集装置回收在海水中上浮的期间，所述自动开合组件13可以闭合，封堵取水箱6底部的通孔，将采集到的海洋底层水样本封存在取水箱6中，完成海洋底层水的取样任务。

作为本实施例的一种优选设计方案，优选在取水箱6的底部开设圆形通孔，且所述圆形通孔优选开设三个，如图3所示，环绕取水箱6的底部呈等间距圆周分布，即，相邻两个圆形通孔之间形成120°的夹角。在每一个圆形通孔中分别安装一个自动开合组件13，以保证采集装置在海水中下沉期间的平稳性。

在每一个自动开合组件13中均包含有中间轴14、密封圈15、挡栓18和两块底板16、17。其中，中间轴14与取水箱6的底壁连接在一起，横穿圆形通孔且沿圆形通孔的直径布设，将圆形通孔分成面积相等的两部分。两块底板16、17优选设计成半圆形，将两块底板16、17的直边铰接在中间轴14上，半圆弧边形成自由边，以使两块底板16、17可以相对中间轴14转动。在圆形通孔的边沿安装密封圈15，当两块底板16、17转动到与取水箱6的底壁平行的位置时，两块底板16、17刚好与密封圈15紧密贴合，实现对圆形通孔的封堵。将挡栓18安装在取水箱6的底壁的下方，可以一端固定，另一端活动连接，以用于限制两块底板16、17的转动方向，使两块底板16、17只能向取水箱6的内侧翻转，而不能向取水箱6的外侧翻转。

当然，所述通孔和两块底板16、17也可以设计成其他形状，例如矩形、椭圆形等，只需将两块底板16、17的边沿的一部分铰接在中间轴14上，其余部分形成自由边，且在两块底板16、17转动到与取水箱6的底壁平行的位置时，能够使两块底板16、17的自由边与安装在通孔边沿上的密封圈15紧密贴合即可。

在本实施例中，两块底板16、17优选采用轻质聚合材料制成，以确保其在海水压力作用下能够自由开合。

在取水箱6的底部还安装有水阀19，如图3所示，用于在采集装置打捞上岸后，排出取水箱6中封存的海洋底层水。作为本实施例的一种优选设计方案，所述水阀19优选设置三个，在取水箱6的底部呈等间距圆周分布，即，相邻两个水阀19之间形成120°的夹角，且每一个水阀16优选位于相邻两个自动开合组件13的中间位置，这样可以保证采集装置在打捞上岸后，无论如何水平放置，均能有一个水阀19朝下，以方便排出取水箱6中保存的海洋底层水样本。另外，本实施例优选将每一个水阀19在取水箱6上的安装部位设置成与取水箱6的底部外缘相切，由此可以保证将取水箱6中的海洋底层水样本全部排出。

考虑到目前的取样器由于无法控制其贯入姿态，当取样管倾斜插入到海底沉积物中且倾斜角度较大时，会导致取样管取不上样品来。为解决这一问题，本实施例在取样管1上加装框架式底座21，如图1所示，通过框架式底座21调整取样管1在海底沉积物中的贯入角度，使取样管1能够垂直插入到海床中，确保海底沉积物样本的有效采样。

作为所述框架式底座21的一种优选结构设计，本实施例优选将框架式底座21设计成框架式三棱台结构，如图1所示，包括三角形顶架22和三角形底架23，且顶架尺寸小于底架尺寸，以提高框架式底座21对采样装置支撑的稳定性。在所述三角形顶架22和三角形底架23之间安装有一根圆管24，设计所述圆管24的内径大于取样管1的外径，使取样管1从圆管24中穿过，并伸出圆管24向远离三角形底架23的下方延伸。在圆管24的顶面设计外翻挡圈25，并使所述挡圈25与三角形顶架22内切且在切点位置连接固定。在圆管24的顶面与三角形顶架22之间以及在圆管24的底面与三角形底架23之间分别连接多根支架26，以提高圆管24在框架式底座21上的固定强度。

在框架式底座21上安装拉绳27，利用拉绳27将框架式底座21吊装在配重块8的下方，具体可将拉绳27固定在配重块8的底面上，并在配重块8的底面安装阻尼弹簧28，利用阻尼弹簧28限制取样管1在海底沉积物中的贯入深度。

此外，在取样管1的顶部还可以进一步安装提头10，如图2所示，以便于采集装置的布放和打捞。在取样管1的底端还可以进一步安装刀口4，以增强取样管1在海底沉积物上的贯穿力。在本实施例中，所述刀口4优选设计成中空的倒圆台形，且中空部分20设计成为圆柱形。设计圆柱形的中空部分20的直径等于塑料套管2的内径，由此可以使吸入到塑料套管2中的海底沉积物呈柱状，实现对海底沉积物的柱状取样。

在刀口4中可以内置有多片莲花瓣形状的钢片（图中未示出），在刀口4插入到海底沉积物之前，莲花瓣形状的钢片呈水平闭合状态；进入土体时，莲花瓣形状的钢片被海底沉积物挤开，使海底沉积物能够顺利进入；当刀口4从海底沉积物中提出时，莲花瓣形状的钢片又恢复水平闭合状态，达到闭合刀口4防止采集到的海底沉积物样本泄漏的目的。

下面结合图1-图3，对本实施例的采集装置的工作原理阐述如下：

利用科考船运载采集装置抵达待测海域的布放位置后，使用船载钢缆吊起采集装置的提头10转移至海面，控制脱钩器脱离，投放采集装置入海。

采集装置在入海后，在自身及配重块8的重力下下沉，当到达海底时，刀口4穿透海底沉积物，使取样管1贯入到海底沉积物中。

在取样管1向海底沉积物贯入的过程中，当取样管1达到一定的贯入深度时，框架式底座21坐落到海床上，调整取样管1的贯入姿态使其垂直于海底沉积物表层。若取样管1继续贯入，则框架式底座21相对于取样管1上移，向配重块8靠近。当框架式底座21上移到与配重块8邻近时，安装在配重块8下方的阻尼弹簧28抵靠在圆管24顶面的挡圈25上，对取样管1的贯入力进行缓冲直至停止贯入，继而起到限制取样管1贯入深度的作用。

当取样管1平稳地竖立在海底沉积物上后，上拉缆绳11，控制活塞3上移直到接触到挡板5后停止。此时，在塑料套管2中产生负压，在负压作用下迫使海底沉积物进入塑料套管2，实现柱状取样。

在采集海底沉积物样本的期间，自动开合组件13中的两块底板16、17在海洋底层水的压力下向上翻转，打开通孔，使海洋底层水通过通孔灌入到取水箱6中，实现对海洋底层水的取样。

取样结束后，通过上拉缆绳11回收采集装置。在采集装置上升的过程中，自动开合组件13中的两块底板16、17受到取水箱6中的水流影响而向下翻转，直到两块底板16、17被挡栓18阻挡而停止转动。此时，两块底板16、17相互拼合且与通孔边沿处的密封圈15紧密贴合，由此实现了对通孔的封堵，使采集到的海洋底层水能够封存在取水箱6中。

在采集装置打捞上岸后，将采集装置平放，选择一个位置朝下的水阀19打开，将保存在取水箱6中的海洋底层水样本转移至合适的试验容器中。借助外物下推活塞3，将保存在塑料套管2中的海底沉积物样本转移到合适的器皿中，以用于日后的实验室研究。

由此，便完成了对海底沉积物以及海洋底层水的双重同步采集任务，节省了采样时间和人工成本。

本实施例在取样管1上增设框架式底座21，可以使取样管1垂直插入到海床中，以保证海底沉积物取样的成功率，克服了深海海流对采样装置的影响。通过在配重块8的下部增设阻尼弹簧28，可以减小取样管1的惯性力，控制最大取样深度，并可减小取样管1与框架式底座21的冲击力，避免配重块8扎入到海床中所导致的水样浑浊、水质变差等问题的出现，有效确保了海洋底层水的采样质量。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，包括：

取样管，其内置有塑料套管，用于保存海底沉积物样本；

活塞，其内置于所述塑料套管中，连接缆绳，所述缆绳从取样管的顶部伸出，通过拉动缆绳牵引活塞上移，抽取海底沉积物样本至所述塑料套管中；

取水箱，其安装在所述取样管上，在取水箱的底部设置有自动开合组件，所述自动开合组件在取样管贯入海底沉积物的期间受海水压力打开，采集海洋底层水样本至所述取水箱，且在采集装置上浮期间闭合，封存海洋底层水样本；

配重块，其安装在所述取样管上且位于所述取水箱的下方；

框架式底座，其通过拉绳吊装在所述配重块的下方，所述取样管从所述框架式底座中穿过，在所述配重块的下方安装有阻尼弹簧；所述取样管在向海底沉积物贯入的过程中，当海底沉积物接触到框架式底座时，框架式底座调整取样管垂直于海底沉积物表层，当取样管继续贯入并使框架式底座接触到所述阻尼弹簧时，阻尼弹簧阻止框架式底座上移，限制取样管的贯入深度；

平衡翼，其安装在所述取样管的上部，用于保持采集装置在海水中下沉期间的平衡性。

2.根据权利要求1所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，所述框架式底座为框架式三棱台结构，包括三角形顶架和三角形底架，且顶架尺寸小于底架尺寸；在所述三角形顶架和三角形底架之间安装有一根圆管，所述圆管的内径大于取样管的外径，且所述取样管从所述圆管中穿过；在所述圆管的顶面形成有外翻挡圈，所述挡圈与三角形顶架内切连接，且在框架式底座上移到所述阻尼弹簧的位置时，所述阻尼弹簧抵靠在所述挡圈上；所述圆管的顶面和底面通过支架分别与三角形顶架和三角形底架对应连接。

3.根据权利要求1所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，所述自动开合组件包括密封圈、中间轴、两块底板和挡栓；在所述取水箱的底部开设有通孔，所述中间轴固定在所述取水箱上，且将所述通孔分成两半；所述密封圈环绕所述通孔的边沿布设；所述两块底板的边沿的一部分铰接在所述中间轴上，其余部分为自由边，且在两块底板处于与取水箱的底部平行位置时，所述自由边与所述密封圈紧密贴合，封存取水箱中的海洋底层水样本；所述挡栓安装在所述取水箱的底部，且横跨所述通孔，用于阻挡所述两块底板向取水箱的外侧翻转。

4.根据权利要求3所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，所述通孔为圆形，所述中间轴沿通孔的直径布设，所述两块底板为半圆形，两块半圆形底板的直边铰接在所述中间轴上，半圆弧边为所述自由边。

5.根据权利要求4所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，所述取水箱为圆环柱状，所述取样管从取水箱的内孔穿过；所述自动开合组件包括三个，在取水箱的底部呈等间距圆周分布。

6.根据权利要求5所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，在所述取水箱的底部还安装有水阀，用于在采集装置回收后排放取水箱中保存的海洋底层水样本；所述水阀包括三个，在所述取水箱的底部呈等间距圆周分布，且每一个水阀介于其相邻两个自动开合组件的中间位置。

7.根据权利要求6所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，所述每一个水阀在取水箱上的安装部位与所述取水箱的底部外缘相切。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，在所述取样管中设置有挡板，用于限制所述活塞在所述塑料套管中的上移位置；在所述取样管的顶部安装有提头。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，在所述取样管的底部安装有刀口，所述刀口呈中空的倒圆台形，且中空部分为圆柱形，中空部分的直径等于所述塑料套管的内径。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的海底沉积物和海洋底层水同时采集装置，其特征在于，在所述取样管的外壁形成有外螺纹，在所述配重块、取水箱和平衡翼上均安装有螺纹钢块，所述配重块、取水箱和平衡翼通过螺纹钢块与所述取样管螺纹连接。

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