深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置的製作方法

2023-08-13 01:28:41 1

專利名稱：深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及海洋海底勘探領域，具體為一種深水可視化可操控超長重力活塞 式取樣裝置，主要用於海底沉積物中取樣。
背景技術：
目前主要應用的重力活塞取樣系統有兩類(1)簡單式重力取樣系統；當船上鋼 纜快速釋放時，取樣系統在配重和自重作用下克服海水的浮力和阻力，其下端的切削型管 靴靠動能貫入地層。管口爪簧防止芯樣在提鑽時脫落。取樣管上部的球閥，在取樣器貫入 土層時在管內水壓作用下打開，而提起時關閉，以保護芯樣免受海水衝刷。為了保持取樣管 在落入過程中處於穩定垂直狀態並提高下落速度，一般還設置配重、穩定器和鋼絲繩拋出 機構。由於土樣在取樣管中上升時要克服與取樣管內壁的摩擦力和取樣管內的水壓，當樣 品較長時會出現管內土樣被壓實的現象，從而改變了取樣長度。(2)帶框架的活塞式重力取 樣系統；該取樣器在簡單式重力取樣器的基礎上增加了框架和活塞，並將活塞引繩固定在 框架頂部，使其長度恆定。當框架下落，坐於海底時，活塞鎖定在海底平面的位置上，而取樣 管在慣性作用下貫人海底完成取樣。隨著取樣管貫入土中的深度不斷加大，活塞在取樣管 中的相對位置逐漸上移，隔開了靜水壓力對樣品的影響，同時消除了土樣被非均勻壓實的 現象，使取出的芯樣長度幾乎與取樣管貫入深度相等，但缺點是採樣深度淺。上述傳統的海底沉積物取樣，其不足之處在於目前國內外海洋調查所採用的沉積 物重力活塞取樣系統，採用甲板收放模式，存在對作業船舶甲板面積要求大的弊端，只能利 用船舶定位進行盲採樣，定位精度極低，作業深度基本在1000米以內並且採樣長度基本在 7-8米，如果這種設備到深水區(3000米以深)作業，採樣長度一般不會超過5米，無精確距 地高度、無動力源、無可視化、無可控性、無水下定位等系統支持，作業危險性大，取樣器是 否觸底只能取決於作業人員的海上取樣經驗來判斷，其結果不僅降低了採樣成功率也影響 作業效率，更容易損壞調查設備，不能實時了解採樣點和原始樣的真實狀態和採樣過程的 擾動情況等，導致所獲取的樣品很難全面反映樣品的真實情況，無法滿足科研的要求。

實用新型內容針對現有重力取樣系統由於缺少可視、可控和必要的動力源，難以適應複雜海底 環境的問題；本實用新型的目的在於提供一種深水可視化可操控重力活塞式取樣裝置。為實現上述目的本實用新型的技術方案是一種深水可視化可操控超長重力活塞 式取樣裝置，包括水上處理部分、水下樣品採集部分和水下圖像採集部分；所述水下樣品 採集部分，主要包括工作艙，採樣管柱、下固定板、液壓裝置、中固定板、承壓塊、重錘、液壓 絞車纜繩、上固定板、攝像液壓絞車、提杆、打樁液壓絞車、吊杆、導軌、電源、配重塊、水密電 纜；所述工作艙上端固設有上固定板，上固定板上設有提杆，所述提杆上水平設置有吊杆；所述上固定板通過機架固設有攝像液壓絞車和打樁液壓絞車；所述工作艙為圓柱 體，其上部內壁設有供重錘上下滑動的左、右導軌；所述重錘上面設有的連接環通過液壓絞車纜繩與提杆連接，所述重錘下面對應設置有承壓塊；所述承壓塊為T型體，其下端與中固 定板固接；所述中固定板固設於密閉工作艙內中部，其下部一側設有配重塊，另一側為工作 艙內控制裝置和電源；再於配重塊和電源的下方設置有液壓裝置；所述液壓裝置上端與T 型承壓塊連接，下端與下固定板抵接；所述下固定板與採樣管柱固接，該採樣管柱穿過下固 定板與液壓工作站連接；所述水下圖像採集部分包括攝像液壓絞車、水密電纜、攝像機和 照明燈；所述攝像液壓絞車固設於上固定板上，該攝像液壓絞車上纏繞有水密電纜；所述 水密電纜末端接有攝像機和照明燈，該水密電纜掛在提杆和吊杆上，並通過吊杆將末端接 有的攝像機和照明燈垂設於水中。所述採樣管柱為分段結構，每段管柱呈錐形管，各個管柱螺紋連接。所述工作艙內 控制裝置包括水下控制計算機，水下高度計，壓力傳感器，電壓傳感器及水下定位模塊；所 述水下控制計算機信號輸入端與水下高度計，壓力傳感器，電壓傳感器及水下定位模塊連 接，水下控制計算機通過水密電纜與水上處理部分連接。所述工作艙內還設有壓力傳感器、 電壓傳感器和高度計。所述上固定板的下端設置有限位傳感器。所述水上處理部分通過水 密電纜與攝像液壓絞車和打樁液壓絞車連接。本實用新型的有益效果是1、本實用新型的全過程立式收放，可視化可控超長重力取樣裝置採用立式收放模 式，大大節約了甲板空間，具有良好的船舶實用性。2、本實用新型的全過程可視，集成了聲學設備、傳感器、可視化裝置、水下定位系 統，解決了以往盲採樣的弊端，既提高了系統的作業能力，又提高了作業效率，可以滿足特 定深海海底沉積物取樣的科學需要，填補了我國在該研究領域的空白。3、本實用新型的作業安全性，簡單實用的結構設計和作業模式，大大減少了操作 人員，安全性能有很大提升。4、本實用新型的成果具有很直觀的多種同步模式，增強抗複雜環境的能力，可以 提升可視化可控重力取樣系統的效率和成功率。

圖1為本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
一種深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，主要包括水下樣品採集部分 和水下圖像採集部分；所述水下樣品採集部分，主要包括工作艙，採樣管柱1、下固定板2、 液壓工作站3、中固定板4、承壓塊5、重錘6、液壓絞車纜繩7、上固定板8、攝像液壓絞車9、 提杆10、打樁液壓絞車11、吊杆12、高度計13、導軌14、電源15、配重塊16、水密電纜17、攝 像機18 ；所述工作艙上端固設有上固定板8，上固定板8上設有提杆10，所述提杆10上水 平設置有吊杆12 ；所述上固定板8通過機架固設有攝像液壓絞車9和打樁液壓絞車11 ；所 述工作艙為圓柱狀體，其上部內壁設有供重錘上下滑動的左、右導軌；所述重錘上面設有的 連接環通過液壓絞車纜繩7與提杆10連接，所述重錘下面對應設置有承壓塊5 ；所述承壓 塊為T型體，其下端與中固定板4固接；所述中固定板4固設於工作艙內中部，其下部一側 設有配重塊16，另一側為工作艙內控制裝置和電源15 ；再於配重塊16和電源15的下方設置有液壓工作站3 ；所述液壓工作站3上端與T型承壓塊連接，下端面與下固定板2抵接； 所述下固定板2與採樣管柱1固接，該採樣管柱1穿過下固定板2與液壓工作站3連接；所 述水下圖像採集部分包括攝像液壓絞車9、水密電纜17、攝像機和照明燈；所述攝像液壓 絞車9固設於上固定板8上，該攝像液壓絞車9上纏繞有水密電纜17 ；所述水密電纜17末 端接有攝像機18和照明燈19，該水密電纜17掛在提杆10和吊杆12上，並通過吊杆12將 末端接有的攝像機18和照明燈19垂設於水中。所述採樣管柱為分段結構，每段管柱呈錐 形管，各個管柱螺紋連接。所述工作艙內控制裝置包括水下控制計算機，水下高度計，壓力傳感器，電壓傳感 器及水下定位模塊；所述水下控制計算機信號輸入端與水下高度計，壓力傳感器，電壓傳感 器及水下定位模塊連接；水下控制計算機通過水密電纜與船上甲板控制部分連接。所述工 作艙內還設有壓力傳感器、電壓傳感器和高度計。所述上固定板8的下端設置有限位傳感 器。所述甲板控制部分通過水密電纜與攝像液壓絞車9和打樁液壓絞車11連接。所述配重塊16為配重鉛塊，該配置鉛塊數量可根據取沉積物深度的需要確定，配 重鉛塊數量可增、可減。為便於視像監控，甲板操作人員可通過啟動水下攝像機收放液壓絞車收放水密電 纜來升降水下攝像機。該取樣裝置在安裝視像監控裝置後，能實時監控整個抓取沉積物過 程；甲板操作人員根據監控系統顯示在屏幕上的圖像，選擇取樣地點，這樣工作人員根據監 控圖像和各個傳感器反饋的信號實施有效監控取樣工作。同時在該裝置出現意外情況時， 工作人員根據監控圖像，作出正確的決策和操作，保護本裝置的回收，將樣品損失降低到最 低。在取樣裝置離海底100米距離範圍內(改高度由水下高度計測量)，根據海底實際情況 和取樣需要選定一最合適海底距離。甲板操作人員根據顯示屏幕上的圖像，啟動該採樣裝 置，在自身慣性速度和水中自由落體加速度的共同作用向下較快下落，採樣管柱插入沉積 物內。水下定位模塊安裝在取樣裝置頂部，進行實時定位。在取樣裝置插入沉積物後，打樁 液壓絞車上提重錘，重錘沿導軌上提，當重錘觸發限位傳感器後，液壓絞車放開，重錘在水 中自由落體運動下砸在承壓塊上，向下衝擊力傳導至採樣管柱上，致使採樣管柱向下進一 步插入海底沉積物；重複上述下砸過程，在重錘反覆下砸的過程中，整個取樣裝置下移，下 插至所需要的深度後停止下砸動作。同時通過水下攝像機可觀察整個工作過程。理論上重 錘行程越長，重錘下砸衝擊力越大，所述重錘行程通過模擬試驗後確定。水上處理部分為(1)控制計算機:1臺P4雙核1. 6GHzCPU, IGB內存，160GB硬碟，1個RJ45100M網
卡，19英寸液晶顯示器。(2)通訊模塊基於DSL技術的通訊模塊，理論數據傳輸速率大於2Mb/秒。(3)作業系統WIND0WS2000SP2。水下樣品採集部分和水下圖像採集部分(1)水下儀器桶1隻硬鋁合金陽極防腐處理，耐壓4000米水深。(2)水下水密電纜美國SUBC00N專業水下電纜，耐壓6000米水深。(3)水下控制計算機工業控制級，PC104電路板卡結構，P3-400CPU, 128MB內存， 4GB外部快閃記憶體存儲卡，RJ45網卡，RS232串行接口，具有體積小耗電省抗衝擊等優點。(3)數據採集卡1隻，模擬信號輸入8路(Al)，數位訊號輸入16路(DI)，數位訊號輸出16路(DO)。(4)通訊模塊1隻，基於DSL技術的通訊模塊，理論數據傳輸速率大於2Mb/秒。(5)水下高度計模塊1隻，工作水深4000米，測底高度50米(可選100米)，測 量精度0. 05米。(6)水下攝像機1隻，工作水深4000米，PAL制彩色視頻格式，解析度優於400線。(7)水下照明燈1隻，工作水深4000米，功率100W/24VDC (或150W/24VDC)。(8)壓力傳感器測量海水壓力40MPa、油缸壓力30Mpa、·..(9)電壓傳感器測量水下單元電源系統的電壓值，0-200VDC，精度0. 5V。(10)水下定位模塊為超短基線定位裝置。
權利要求一種深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，包括水上處理部分，其特徵在於還包括水下樣品採集部分和水下圖像採集部分；所述水下樣品採集部分，主要包括工作艙，採樣管柱、下固定板、液壓裝置、中固定板、承壓塊、重錘、液壓絞車纜繩、上固定板、攝像液壓絞車、提杆、打樁液壓絞車、吊杆、導軌、電源、配重塊、水密電纜；所述工作艙上端固設有上固定板，上固定板上設有提杆，所述提杆上水平設置有吊杆；所述上固定板通過機架固設有攝像液壓絞車和打樁液壓絞車；所述工作艙為圓柱體，其上部內壁設有供重錘上下滑動的左、右導軌；所述重錘上面設有的連接環通過液壓絞車纜繩與提杆連接，所述重錘下面對應設置有承壓塊；所述承壓塊為T型體，其下端與中固定板固接；所述中固定板固設於密閉工作艙內中部，其下部一側設有配重塊，另一側為工作艙內控制裝置和電源；再於配重塊和電源的下方設置有液壓裝置；所述液壓裝置上端與T型承壓塊連接，下端與下固定板抵接；所述下固定板與採樣管柱固接，該採樣管柱穿過下固定板與液壓工作站連接；所述水下圖像採集部分包括攝像液壓絞車、水密電纜、攝像機和照明燈；所述攝像液壓絞車固設於上固定板上，該攝像液壓絞車上纏繞有水密電纜；所述水密電纜末端接有攝像機和照明燈，該水密電纜掛在提杆和吊杆上，並通過吊杆將末端接有的攝像機和照明燈垂設於水中。
2.按權利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特徵在於所 述採樣管柱為分段結構，每段管柱呈錐形管，各個管柱螺紋連接。
3.按權利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特徵在於所 述工作艙內控制裝置包括水下控制計算機，水下高度計，壓力傳感器，電壓傳感器及水下定 位模塊；所述水下控制計算機信號輸入端與水下高度計，壓力傳感器，電壓傳感器及水下定位 模塊連接，水下控制計算機通過水密電纜與水上處理部分連接。
4.按權利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特徵在於所 述工作艙內還設有壓力傳感器、電壓傳感器和高度計。
5.按權利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特徵在於所 述上固定板的下端設置有限位傳感器。
6.按權利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特徵在於所 述水上處理部分通過水密電纜與攝像液壓絞車和打樁液壓絞車連接。
專利摘要一種深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，包括水上處理部分、水下樣品採集部分和水下圖像採集部分；所述水下樣品採集部分，主要包括工作艙，採樣管柱、下固定板、液壓裝置、中固定板、承壓塊、重錘、液壓絞車纜繩、上固定板、攝像液壓絞車、提杆、打樁液壓絞車、吊杆、導軌、電源、配重塊、水密電纜；所述水下圖像採集部分包括攝像液壓絞車、水密電纜、攝像機和照明燈。本實用新型的全過程立式收放，可視化可控超長重力取樣裝置採用立式收放模式，大大節約了甲板空間，具有良好的船舶實用性。本實用新型的作業安全性，簡單實用的結構設計和作業模式，大大減少了操作人員，安全性能有很大提升。
文檔編號G01N1/10GK201716214SQ20102025565
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月2日 優先權日2010年7月2日
發明者莊麗華, 張捷揚, 欒振東, 範奉鑫, 閻軍, 陳長安 申請人:中國科學院海洋研究所