CN104535368A - 一种原序底泥采样器及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原序底泥采样器及采样方法，属于冷冻采样器领域。本发明的底泥采样器，包括采样机构、制冷***、探测机构、稳固机构和提升机构，采样机构中设有大口径薄壁采样管，在采样管与防水保护套管之间设有盘管蒸发器，该盘管蒸发器与制冷***相连，用于对采样管循环制冷；在采样管上端固连有顶盖，探测机构固定于顶盖上，用于预测待采样底泥的冻结厚度，稳固机构和提升机构用于采样机构的释放、稳固以及提升；本发明的底泥采样方法，其步骤为：释放采样机构，固定采样机构，样品冻结，采样器回收，底泥样品分离；本方案采样过程中对底泥挤压扰动小，可判断冻结程度，能源利用率高，实现了低扰动采集水体原序底泥的目标。

Description

一种原序底泥采样器及采样方法

技术领域

本发明涉及冷冻采样器技术领域，更具体地说，涉及一种原序底泥采样器及采样方法。

背景技术

地表土壤经水流冲刷、农田灌溉、工业污水和生活污水排放以及大气的风化搬运作用，为江河、湖泊和海洋等水体带来了大量泥沙和污染物，同时还夹带着自然界、工农业生产和生活污水中的有机质、重金属和其它污染物，日积月累地聚集和迁移。在已经发现的各种自然记录中，湖泊沉积物因其信息量大、连续性好、沉积速率大、时间分辨率高、地理覆盖面广、地层胶结性差或未完全胶结等特点而备受环境与气候学家青睐，成为国内外环境科学研究获取高分辨率样品的首选。因此，水体底泥对环境科学研究意义重大。

作为获取底泥样品的关键性设备，底泥采样器的不断发展为科学研究提供了有力的支持。目前已经研制开发的底泥采样器种类繁多，主要类型包括抓斗式采样器、重力式采样器、活塞式采样器、旋转式采样器、冲击式采样器、吸入式采样器以及冰冻式采样器等。但这些采样器所共有的缺点是对泥底环境扰动大，造成采集的样品失真。其中，冰冻式采样器作为一种较为有效的采样设备，国内外都已进行了相关的探索。

楔形冰冻采样器是冰冻采样器早期的重要类型之一，其主要工作原理是将采样器做成楔形空腔，将干冰和乙醇以一定的比例混合并加入楔形空腔中，然后将采样器***底泥中进行冷冻采样。这种采样器结构简单，操作方便，能够在楔形空腔的表面获取底泥样品。然而，楔形采样器下放至底泥表面的过程中，楔形表面会迅速冻结一层冰，使得采样器进入底泥之前楔形空腔的厚度增加，增大了对底泥的扰动，而且干冰与乙醇混合型的制冷剂的加入量难以准确控制，当楔形空腔内的制冷剂消耗完毕时，如果冻结的样品量未能达到预期的目标，则中途很难再向楔形空腔中添加干冰和乙醇，使得采样量难以得到保证，因此，如何获得相对完整的水体底泥样品是环境科学领域的研究人员所面临的一大难题。

经过检索，中国专利申请号：201310175996.5，申请日：2013年5月14日，发明创造名称为：用于河流或湖泊不同深度底泥的冰冻取样器，该申请案公开了一种用于河流或湖泊不同深度底泥的冰冻取样器，其锥形头的上端与采样管的下端固接，液氮导入管设置在采样管内，液氮导入管和排气接头分别与端盖固接，排气接头的下端与采样管相连通，采样管的上端与端盖螺纹连接，采样管和端盖之间设有密封垫，端盖上设有缆绳孔。该申请案采用液氮作为制冷剂，其自身结构存在一定弊端，而且液氮损耗量较大，还有待进一步改进。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中底泥采样器对底泥产生较大扰动以及难以把握样品冻结程度的不足，提供了一种原序底泥采样器及采样方法，采用本发明的技术方案，能够减小对原序底泥的扰动，运用循环制冷工质相变潜热冻结底泥，并通过探测机构判断冻结程度，结构设计合理，所得样品较为完整，实现了低扰动采集水体原序底泥的目标。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种原序底泥采样器，包括采样机构、制冷***、探测机构、稳固机构和提升机构，其中：所述的采样机构包括顶盖、防水保护套管、盘管蒸发器、采样管、异径接头和外套管底盖，所述的顶盖上表面固连有管箍，在顶盖下表面开设有与顶盖同心的外侧环形槽和内侧环形槽，所述的外侧环形槽嵌入密封圈后连接有防水保护套管，所述的内侧环形槽嵌入密封圈后连接有采样管，在防水保护套管与采样管形成的环形腔体内装有保温材料层，所述的盘管蒸发器穿过保温材料层环绕在采样管外周，该盘管蒸发器与制冷***排气端相连通，用于对采样管制冷；所述的异径接头的大径端套装于防水保护套管上并用胶水密封固接，该异径接头的小径端与采样管的间隙处装有衬托层，并用O型圈嵌入所述间隙外端口，所述的外套管底盖压住O型圈并通过螺栓与异径接头固连；所述的探测机构固定于顶盖上，用于预测待采样底泥的冻结厚度；所述的稳固机构固连于提升机构上，提升机构通过管箍与采样机构相连，稳固机构和提升机构用于采样机构的释放、稳固以及提升。

作为本发明更进一步的说明，所述的探测机构包括探针导管、探针自锁夹和探针，其中：所述的探针自锁夹设置在顶盖上表面，所述的探针导管固连在顶盖下表面并与顶盖上的相应开口连通，所述的探针一端设有探针吊环，探针另一端穿过探针导管伸入采样管内，并通过探针自锁夹将探针固定。

作为本发明更进一步的说明，所述的提升机构包括把手和延长钢管，延长钢管的两端设有外丝，延长钢管一端与管箍螺纹连接，延长钢管的另一端与连接管螺纹连接，最上端的延长钢管上焊接有把手，用于提升采样机构；所述的稳固机构中设有至少3个稳定锚，该稳定锚通过绕线机构拉紧固定，用于稳固采样机构，所述的绕线机构固定在把手上。

作为本发明更进一步的说明，所述的探针自锁夹包括定夹片、止回棘爪和棘轮，所述的定夹片固定于顶盖上，在定夹片尾部开设有水平方向的变向孔，由定夹片、止回棘爪和棘轮组成棘轮机构，定夹片与棘轮的贴合处形成至少3个探针夹孔，变向孔中穿过的引绳与棘轮尾端的引绳环连接，用于控制探针夹孔的开合。

作为本发明更进一步的说明，所述的制冷***包括压缩机、冷凝器、四通阀、管路控制元件和输送管，所述的压缩机、冷凝器、四通阀、管路控制元件通过输送管相连，该输送管的排气端通过设置在顶盖上的管路孔与盘管蒸发器连通。

作为本发明更进一步的说明，所述的顶盖上对称设置两个排水孔，在该排水孔中装有活动的排水盖。

作为本发明更进一步的说明，所述的采样管为直径在135～145mm之间的不锈钢管，盘管蒸发器为直径6～8mm的铜管，衬托层为UPVC材质且厚度均匀。

本发明的一种原序底泥采样方法，使用原序底泥采样器进行采样，其步骤为：

步骤一、释放采样机构：

根据水深安装原序底泥采样器的延长钢管，握住延长钢管将采样机构放至水底，放置时保持延长钢管位于竖直方向；

步骤二、固定采样机构：

通过把手将采样管***泥底后，在采样机构四周方向放入4个稳定锚，摇动绕线机构中的摇杆将稳定锚上的缆绳收紧，锁住绕线机构的转轴；

步骤三、样品冻结：

开启制冷***，冷凝器输送的制冷剂在盘管蒸发器中循环，利用制冷剂气化将采样管中的底泥样品冷冻；

步骤四、采样器回收：

冷冻2～3个小时，先提拉引绳环上的引绳打开探针自锁夹，沿采样管径向由外向内依次提拉探针吊环上的引绳，如果引绳提拉不动，提出采样机构，卸下延长钢管后将采样机构放入保温箱送至实验室；

步骤五、底泥样品分离：

调节四通阀，使制冷***处于制热状态并启动，取出采样管内壁的冻结样品块，再进行分割取样，完成采样。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种原序底泥采样器，在顶盖上表面固连有管箍，采样管通过该管箍与提升机构相连，采样管为直径在135～145mm之间的不锈钢管，通过稳固机构和提升机构来控制薄壁大口径采样管竖直升降，减少了对原序底泥的扰动，并利用探测机构判断冻结程度，对冷冻时间控制性好，节约了能源，所获得样品较为完整；

(2)本发明的一种原序底泥采样器，在采样管上环绕有盘管蒸发器，该盘管蒸发器与制冷***相连，制冷***将液氮输送至盘管蒸发器内，运用工质的相变潜热进行连续循环制冷，减少了制冷剂的携带量，制冷效果过好，节省了能源；

(3)本发明的一种原序底泥采样方法，利用延长钢管将采样器放入水底，并通过稳定锚将采样器固定，在样品冷冻后通过探测机构判断冻结程度，最后先对采样管制热再进行分割取样，采样过程中对底泥挤压扰动小，能源利用率高，操作顺序合理，所得样品较为完整，实现了低扰动采集水体原序底泥的目标。

附图说明

图1为本发明的一种原序底泥采样器的结构示意图；

图2为本发明中的采样机构的结构示意图；

图3为本发明中的冷冻***的结构示意图；

图4为本发明中的顶盖的俯视结构示意图；

图5为本发明中的探针的结构示意图；

图6为本发明中的探针自锁夹的结构示意图；

图7为本发明中的提升机构的结构示意图；

图8为本发明中的L型挡片的结构示意图。

示意图中的标号说明：

101、管箍；102、顶盖吊板；103、顶盖；104、外侧环形槽；105、内侧环形槽；106、防水保护套管；107、盘管蒸发器；108、导热硅脂层；109、采样管；110、异径接头；111、衬托层；112、增强板；113、插线环；114、排水盖；115、排水孔；116、保温材料层；117、O型圈；118、外套管底盖；119、L型挡片；

201、压缩机；202、四通阀；203、冷凝器；204、减震螺旋管；205、输送管；206、干燥过滤器；207、毛细管；208、单向阀；209、管路孔；

301、探针；302、探针吊环；303、探针导管；304、变向孔；305、定夹片；306、探针夹孔；307、止回棘爪；308、棘轮；309、引绳环；

401、把手；402、缆绳孔；403、延长钢管；404、绕线机构；405、稳定锚；406、缆绳。

具体实施方式

为进一步介绍本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，本实施例的一种原序底泥采样器，主要由采样机构、制冷***、探测机构、稳固机构和提升机构等组成，其中：

本实施例中的采样机构包括顶盖103、防水保护套管106、盘管蒸发器107、采样管109、异径接头110和外套管底盖118(如图2)。在顶盖103上表面固连有管箍101和顶盖吊板102，管箍101与顶盖103同心设置。在顶盖103上对称设置两个排水孔115，在该排水孔115中装有活动的排水盖114，在排水盖114上固连有插线环113。在顶盖103下表面开设有与顶盖103同心的外侧环形槽104和内侧环形槽105，外侧环形槽104中嵌入密封圈后连接有防水保护套管106，内侧环形槽105嵌入密封圈后连接有采样管109，且防水保护套管106和采样管109上都设有侧耳，通过侧耳使防水保护套管106、采样管109与顶盖103螺栓连接。在防水保护套管106与采样管109形成的环形腔体内装有保温材料层116，所述的盘管蒸发器107穿过保温材料层116紧密环绕在采样管109外周，在盘管蒸发器107与采样管109表面之间的缝隙中填充有导热硅脂层108，该导热硅脂层108用于增加盘管蒸发器107与采样管109之间的热交换量。上述盘管蒸发器107穿过顶盖103上的管路孔209与制冷***排气端相连通，用于对采样管109制冷。

本实施例中的异径接头110的大径端套装于防水保护套管106上并用UPVC专用胶水密封固接，该异径接头110的小径端与采样管109的间隙处装有UPVC材质且厚度均匀的衬托层111，使异径接头110的小径端与采样管109的间隙小于O型圈117的线径，并用O型圈117嵌入所述间隙外端口，外套管底盖118压住O型圈117，通过螺栓使外套管底盖118与异径接头110固连，将保温材料层116密封。为了增加外套管底盖118的连接强度，在上述螺栓的螺纹孔处的外侧粘结有增强板112，该增强板112用于增加异径接头110端面上螺栓孔壁的厚度。此外，在距离采样管109下端面4cm处关于采样管109中轴线对称开设有两个纵向的矩形长孔，在该矩形长孔中装有L型挡片119(如图8)，该L型挡片119通过螺钉紧固在采样管109侧壁上。在采样时，该L型挡片119能够充当骨架作用，使采集的样品不易脱落。需要说明的是，采样管109为直径在135～145mm之间的不锈钢管，本实施例中选用141mm，盘管蒸发器107为直径6～8mm的铜管，本实施例中选用7mm。

本实施例中的探测机构固定于顶盖103上，用于预测待采样底泥的冻结厚度。该探测机构包括探针导管303、探针自锁夹和探针301(如图4、图5和图6)，其中：探针自锁夹设置在顶盖103上表面，该探针自锁夹包括定夹片305、止回棘爪307和棘轮308，定夹片305固定于顶盖103上，在定夹片305尾部开设有水平方向的变向孔304，由定夹片305、止回棘爪307和棘轮308组成棘轮机构，定夹片305与棘轮308的贴合处形成3个径向的探针夹孔306，变向孔304中穿过的引绳与棘轮308尾端的引绳环309连接，用于控制探针夹孔306的开合。在顶盖103上开设有与探针夹孔306对应的探针孔，所述探针导管303固连在顶盖103下表面并与顶盖103上的探针孔对正相通。本实施例中的探针301一端设有探针吊环302，探针301另一端穿过探针导管303伸入采样管109内，并通过探针自锁夹将探针301固定，在探针301上还设置有倒刺，以便能更准确的判定样品冻结程度。

本实施例中的稳固机构固连于提升机构上，提升机构通过管箍101与采样机构相连，稳固机构和提升机构用于采样机构的释放、稳固以及提升。该提升机构包括把手401和延长钢管403，延长钢管403的两端设有外丝，延长钢管403一端与管箍101螺纹连接，延长钢管403的另一端与连接管螺纹连接，可根据水深的需要增减延长钢管403的根数。最上端的延长钢管403上焊接有把手401，且把手401与延长钢管403垂直设置，用于提升采样机构。本实施例中的稳固机构设置在提升机构上，稳固机构中设有至4个稳定锚405，该稳定锚405通过绕线机构404拉紧固定，用于稳固采样机构。所述绕线机构404包括底座、绕线棘轮和绕线棘爪，底座固定在把手401上，绕线棘轮通过转轴与底座转动连接，绕线棘爪用于对绕线棘轮制动。在稳定锚405上连接有缆绳406，该缆绳406穿过开设在延长钢管403上的缆绳孔402与绕线棘轮上的转轴相连，通过设置的摇杆使转轴转动并缠绕缆绳406。

本实施例中的制冷***包括压缩机201、冷凝器203、四通阀202、管路控制元件和输送管205(如图3)，所述的压缩机201、冷凝器203、四通阀202和管路控制元件通过输送管205相连，该输送管205的排气端通过设置在顶盖103上的管路孔209与盘管蒸发器107连通。本实施例中的管路控制元件包括减震螺旋管204、干燥过滤器206、毛细管207和单向阀208，所有管路控制元件之间均由输送管205互相连接，且在输送管205外表面包覆有保温材料，以防止传输过程中制冷工质相变。

本实施例的一种原序底泥采样方法，使用原序底泥采样器进行采样，其步骤为：

步骤一、释放采样机构：

将船抛锚定位，然后将绳索穿过顶盖吊板102并系牢，根据水深安装原序底泥采样器的延长钢管403，握住延长钢管403将采样机构缓慢放至水底，放置时保持延长钢管403位于竖直方向，并提拉插线环113上的引绳以提起排水盖114，使排水孔115打开，排水排气。

步骤二、固定采样机构：

通过把手401调整采样管109缓慢竖直***泥底后，将插线环113上的引绳系在船上，然后在采样机构四周方向放入4个稳定锚405，并以采样器为中心对称沉入水中，摇动绕线机构404中的摇杆将稳定锚405上的缆绳406收紧，锁住绕线机构404的转轴，从而将采样器稳固定位。

步骤三、样品冻结：

开启制冷***，冷凝器203输送的制冷剂在盘管蒸发器107中循环，利用制冷剂气化将采样管109中的底泥样品冷冻。

步骤四、采样器回收：

冷冻2～3个小时，先提拉引绳环309上的引绳打开探针自锁夹，沿采样管109径向由外向内依次提拉探针吊环302上的引绳，如果引绳提拉不动，说明相应位置的底泥已冻结，如果满足采样需求，关闭制冷***，提出采样机构，卸下延长钢管403后将采样机构放入保温箱快速送至实验室；在提升时使排水盖114盖住排水孔115，防止水流流入采样管109冲刷样品。

步骤五、底泥样品分离：

在实验室内将制冷***安装到采样器上，调节四通阀202，使制冷***处于制热状态，拆开L型挡片119，然后启动制冷***，使得采样管109内壁的冻结样品微微融化后小心取出采样管109内壁的冻结样品块，再进行分割取样，完成采样。

需要说明的是，本实施例中的顶盖103上设置有两套盘管蒸发器107，但只有一套盘管蒸发器107处于工作状态，因此需要用螺栓配合橡胶圈将空置的两个管路孔209密封起来。

本实施例所提供的采样器及采样方法，利用延长钢管403将采样机构放入水底，并通过稳定锚405将采样机构固定，在样品冷冻后通过探测机构判断冻结程度，最后先对采样管109制热再进行分割取样，采样过程中对底泥挤压扰动小，能源利用率高，操作顺序合理，所得样品较为完整，实现了低扰动采集水体原序底泥的目标。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种原序底泥采样器，其特征在于：包括采样机构、制冷***、探测机构、稳固机构和提升机构，其中：

所述的采样机构包括顶盖(103)、防水保护套管(106)、盘管蒸发器(107)、采样管(109)、异径接头(110)和外套管底盖(118)，所述的顶盖(103)上表面固连有管箍(101)，在顶盖(103)下表面开设有与顶盖(103)同心的外侧环形槽(104)和内侧环形槽(105)，所述的外侧环形槽(104)嵌入密封圈后连接有防水保护套管(106)，所述的内侧环形槽(105)嵌入密封圈后连接有采样管(109)，在防水保护套管(106)与采样管(109)形成的环形腔体内装有保温材料层(116)，所述的盘管蒸发器(107)穿过保温材料层(116)环绕在采样管(109)外周，该盘管蒸发器(107)与制冷***排气端相连通，用于对采样管(109)制冷；所述的异径接头(110)的大径端套装于防水保护套管(106)上并用胶水密封固接，该异径接头(110)的小径端与采样管(109)的间隙处装有衬托层(111)，并用O型圈(117)嵌入所述间隙外端口，所述的外套管底盖(118)压住O型圈(117)并通过螺栓与异径接头(110)固连；

所述的探测机构固定于顶盖(103)上，用于预测待采样底泥的冻结厚度；

所述的稳固机构固连于提升机构上，提升机构通过管箍(101)与采样机构相连，稳固机构和提升机构用于采样机构的释放、稳固以及提升。

2.根据权利要求1所述的一种原序底泥采样器，其特征在于：所述的探测机构包括探针导管(303)、探针自锁夹和探针(301)，其中：所述的探针自锁夹设置在顶盖(103)上表面，所述的探针导管(303)固连在顶盖(103)下表面并与顶盖(103)上的相应开口连通，所述的探针(301)一端设有探针吊环(302)，探针(301)另一端穿过探针导管(303)伸入采样管(109)内，并通过探针自锁夹将探针(301)固定。

3.根据权利要求1所述的一种原序底泥采样器，其特征在于：所述的提升机构包括把手(401)和延长钢管(403)，延长钢管(403)的两端设有外丝，延长钢管(403)一端与管箍(101)螺纹连接，延长钢管(403)的另一端与连接管螺纹连接，最上端的延长钢管(403)上焊接有把手(401)，用于提升采样机构；所述的稳固机构中设有至少3个稳定锚(405)，该稳定锚(405)通过绕线机构(404)拉紧固定，用于稳固采样机构，所述的绕线机构(404)固定在把手(401)上。

4.根据权利要求2所述的一种原序底泥采样器，其特征在于：所述的探针自锁夹包括定夹片(305)、止回棘爪(307)和棘轮(308)，所述的定夹片(305)固定于顶盖(103)上，在定夹片(305)尾部开设有水平方向的变向孔(304)，由定夹片(305)、止回棘爪(307)和棘轮(308)组成棘轮机构，定夹片(305)与棘轮(308)的贴合处形成至少3个探针夹孔(306)，变向孔(304)中穿过的引绳与棘轮(308)尾端的引绳环(309)连接，用于控制探针夹孔(306)的开合。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种原序底泥采样器，其特征在于：所述的制冷***包括压缩机(201)、冷凝器(203)、四通阀(202)、管路控制元件和输送管(205)，所述的压缩机(201)、冷凝器(203)、四通阀(202)、管路控制元件通过输送管(205)相连，该输送管(205)的排气端通过设置在顶盖(103)上的管路孔(209)与盘管蒸发器(107)连通。

6.根据权利要求4所述的一种原序底泥采样器，其特征在于：所述的顶盖(103)上对称设置两个排水孔(115)，在该排水孔(115)中装有活动的排水盖(114)。

7.根据权利要求5所述的一种原序底泥采样器，其特征在于：所述的采样管(109)为直径在135～145mm之间的不锈钢管，盘管蒸发器(107)为直径6～8mm的铜管，衬托层(111)为UPVC材质且厚度均匀。

8.一种原序底泥采样方法，其特征在于，使用原序底泥采样器进行采样，其步骤为：

步骤一、释放采样机构：

根据水深安装原序底泥采样器的延长钢管(403)，握住延长钢管(403)将采样机构放至水底，放置时保持延长钢管(403)位于竖直方向；

步骤二、固定采样机构：

通过把手(401)将采样管(109)***泥底后，在采样机构四周方向放入4个稳定锚(405)，摇动绕线机构(404)中的摇杆将稳定锚(405)上的缆绳(406)收紧，锁住绕线机构(404)的转轴；

步骤三、样品冻结：

开启制冷***，冷凝器(203)输送的制冷剂在盘管蒸发器(107)中循环，利用制冷剂气化将采样管(109)中的底泥样品冷冻；

步骤四、采样器回收：

冷冻2～3个小时，先提拉引绳环(309)上的引绳打开探针自锁夹，沿采样管(109)径向由外向内依次提拉探针吊环(302)上的引绳，如果引绳提拉不动，提出采样机构，卸下延长钢管(403)后将采样机构放入保温箱送至实验室；

步骤五、底泥样品分离：

调节四通阀(202)，使制冷***处于制热状态并启动，取出采样管(109)内壁的冻结样品块，再进行分割取样，完成采样。