一种无缆自动返回式采水器的设计与研究

发布时间：2020-03-24 10:50

【摘要】： 海洋环境污染监测、海水化学与地质调查和生物采样,大多数情况下需要现场采集水样。有时需要在不同深度依次采样,获取梯度剖面的现场水体信息,以保证分析结果的统一性、规范性和类比性。近几十年来,水体取样和保存技术迅速发展,各式各样的采水器纷纷问世并获得成功应用。常规CTD葵花式采水器(CTD rosette sampler)(配备尼斯金采样瓶(Niskin bottle)或郭福洛采样瓶(Go-Flo bottle))和船用吸泵均为目前广泛使用的梯度水样采集装置。但其应用各有一定缺陷。因此,设计一种既适用于大型科考船又适用于小型船只、采样深度可精确控制、采水操作简便、无沾污的采水器在海洋科学研究中有较大实用意义。本课题所设计的无缆自动返回式采水器(a New Auto-Returned Column Water Sampling Device-‘ARWAD’)是一种新型垂直剖面采水器,该采水器外挂四个1.5L卡盖式结构的HOUSKIN采水瓶。为采水器加载适当重量的配置体,使其在水中受到负浮力下潜。采水是在释放配置体后,采水器受到正浮力上升的过程中依次完成的。本文的主要内容为: (1)本课题详述了该无缆自动返回式采水器的机械机构与密封方案。采水器的主壳体为硬铝合金圆柱状防水耐压设计,外挂四个卡盖式结构的采水瓶,其机械机构主要包括①配置体的悬挂与释放机构;②采水瓶关闭采水机构; (2)详述该采水器的控制系统,包括硬件设计方案和软件设计,并对控制系统进行了调试。控制系统装置于主体的防水耐压仓内,以单片机为核心,装载压力传感器获知水深。下位机程序控制在到达指定深度时释放配置体和关闭各采样瓶,上位机程序实现在甲板上的自检、设定配置体的释放深度和各采水瓶的关闭采样深度; (3)用解析法和经验公式对该采水器承压零件尺寸进行设计,同时用数值计算方法对其强度校核; (4)为保证采水器的采水精度和确保其工作安全,对采水器进行水动力学计算,确定阻力及阻力系数等参数,使采水器在上升采水过程中最大速度小于2.0m/s,以为外形设计提供参考; (5)采水器采样性能验证。现场采集水样后,在实验室测定悬浮颗粒物的质量浓度和体积浓度分布。在采集水样的同时,应用激光粒度仪获取现场悬浮物粒径分布信息。通过与激光粒度仪现场测定结果对比,证明该自动返回式采水器采水深度准确,质量较好。该采水器使用时无需钢丝绳,而是装载压力传感器获知水深,由此避免了使用绞车和由钢丝绳计量深度带来的深度误差;采样时也无须连接电缆,节省电力;自由下潜和上升,无需配备绞车深度补偿设施,避免出现深度逆变现象。主要应用于驾驶小规模船只在较浅水域(湖泊或河口)采水,亦可用于大型科考船,其结构轻便、造价低廉以及操作方便等性能使其成为CTD葵花式采水器和泵采系统的有益补充。
【图文】：

释放机构,转动部分

悬挂配重体后，投放采水器。采水器在配重体后，采水器在水中受到正浮力，得以上浮，配备的声学释放器和抛弃式水下剖面测量系统中放器是利用声学通信原理，对收到的信号解码确推出挂吊机构（钟伟彬，1989）。抛弃式水下剖，测量探头的释放靠主体密封浮筒内的释放器实统和释放筒组成，当控制系统发出指令时，电机动。由于释放筒下部带螺纹，因此在电机的带动两种海洋仪器均涉及到螺纹密封和螺纹承重，对故成本亦很高，因此本课题未采用这种办法。机构主要由驱动转动部分和挂钩脱钩部分组成。洋仪器，也可有效实现悬挂和自动释放。

装配图,释放机构,采水,电磁阀

图 2-4. 采水瓶关闭采水机构采水瓶关闭机构固定在主壳体上相对于“配置体的悬挂与释放机构”的另一端。见附录Ⅲ“采水瓶关闭机构装配图”。共有四套采水瓶关闭系统。每一套关闭机构独立工作，互不影响。每套关闭机构主要包括一个电磁阀、一个销轴、一个销轴密封台和一个销轴定位架。电磁阀选用直动式（见图 2－5），是定做的，固定于电磁阀仓内，由电磁阀垫圈和电磁阀挡板固定位置。销轴与电磁阀的动铁芯固定。销轴伸出电磁阀仓和采水瓶关闭机构端盖，其运动被限定在销轴定位架的孔的轴向方向。电磁阀仓底部安装一个水密接头，四个电磁阀的电源线通过水密接头与控制密封仓（主壳体）内控制电路相连。水密接头为五芯，其中一芯为四个电磁阀的电源公共端，，另四芯分别连接各电磁阀的电源输入端。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（海洋研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X830.1

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