CN108279144B - 全自动海气采样平台***以及带有该***的科学考察船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动海气采样平台***以及带有该***的科学考察船，包括一在采样时用于驱动采样设备向船体外侧伸出的支撑转动机构，所述支撑转动机构包括一设于平台上的立柱，一驱动所述立柱转动的旋转动力装置，以及驱动所述采样横梁在进行采样时将采样横梁水平伸出船体外的伸缩气缸，围绕立柱设置有当旋转动力装置驱动立柱转动时用于支撑及导向采样横梁绕立柱转动的环形支撑台，在环形支撑台上均布有多个用于控制采样横梁在转动时对船体不同位置进行采样的位置识别元件。本发明能够自动实现围绕船头的多方向多点采集，可一次采集多个样品，得到多个检测结果，可进行多个样品的检测，对比不同的样品结果，准确性更高。

Description

全自动海气采样平台***以及带有该***的科学考察船

技术领域

本发明涉及海洋颗粒物采样设备技术领域，尤其涉及一种全自动海气采样平台***以及带有该***的科学考察船。

背景技术

随着对全球气候变化和大气气溶胶研究的深入，海洋大气颗粒物已经引起广泛关注。海洋颗粒物样品的采集和分析变得十分重要和必要，主要包括海洋气压、气温、湿度、风速、风向等。通过各种采样分析设备实现海气的分析采集。

然而海洋颗粒物采样与陆地大气颗粒物采样方法完全不同，海洋大气颗粒物采样需要借助船载走航，采样器安装在船上容易受到船上排放污染物的影响，特别是在风速和风向不利的情况下，导致采集的颗粒样品被严重污染，而由于海洋本底大气颗粒物浓度很低，一旦产生污染就无法获得海洋大气颗粒物的真实组成，导致采集的样品无效。目前常用的方法是在船头甲板的位置搭设高台，在高台上安装支架，支架上连接一个横向的转动杆，用于采集风速、气压、气温、湿度及颗粒物的不同采样器安装在支架的转动杆上，在需要采样工作时，工作人员将支架上的转动杆绕支架转动到船体一侧，避免与船上的烟囱重合，然后将转动杆支撑固定，进行测量。该方法虽然能够采样，但是仍然存在诸多问题，比如转动杆上需要安装采样设备，再加上自身的强度需要，尺寸较大，因此重量较大，需要多个工作人员同时进行转动，且为手动操作，较为费力；其次，转动杆由于重量大的原因，横向伸出时对转动杆与支架的连接位置的要求较高，需要克服较大的剪切力，为了避免转动杆因自身重量导致弯折，就不能将转动杆做的太长，这样一来在测量的时候由于伸出船体的尺寸较小，还是会不可避免的受到船上的烟囱排出的烟气颗粒物的影响，造成采样不准确；第三，转动杆只有两个固定位置，一个就是不工作时支撑在高台上的位置，另外一个就是在采样时转动到船体外的位置，由于需要支撑，因此只能在一个位置进行采样，不能够在船体的左舷、右舷及船头前部实现不同位置的采集，并且由于海上风向不定，一个位置采集往往不可避免会受到烟气颗粒物的影响，造成采集的大气样品被污染，无法获得海洋大气颗粒物的真实组成。

CN 103278356 A公开了一种海洋大气颗粒物采样装置及其采样方法，采样装置包括一风向风速传感器与微处理器识别电路相连接；用于固定采样滤膜的滤膜架，滤膜架底座经连接管路与大流量气泵相连接，大流量气泵与微处理器识别电路相连接；控制器与微处理器识别电路相连接，控制大流量气泵。采样方法是：将采样装置固定于船体顶层甲板靠船头的位置；通过控制器设置采样风向和风速条件，用于船载走航时，风向设定为对着船头的方向正负90°，最小的采样风速设定为1.5m/s；采集风速风向传感器信号，若符合所设定的采样条件，控制器启动大流量气泵，微处理器识别电路同时记录采样流量、压力和温度参数，反之采样装置处于等待状态。控制风速风向，降低周围环境对采样结果的影响。

上述专利技术虽然在一定程度上能够提高样品的准确性，只是通过对风速风向进行检测后，调节有利位置进行采样，但是无法做到完全避免烟囱的烟尘影响，采样的位置单一，无法进行船体周围多个样品的采集。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种自动化程度高、省时省力、有效确保所采集的海洋大气样品的真实性，并且能够实现多点采样的全自动海气采样平台***以及带有该***的科学考察船。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种全自动海气采样平台***，包括架设于船体前甲板上的采样架，在采样架的顶部设置有用于安装采样设备的平台，还包括一在采样时用于驱动采样设备向船体外侧伸出的支撑转动机构，所述支撑转动机构包括一设于平台上的立柱，一驱动所述立柱转动的旋转动力装置，在立柱上水平连接有一采样横梁，采样横梁的外端部设置用于放置采样设备的安装板及用于支撑采样横梁的支撑杆，以及驱动所述采样横梁在进行采样时将采样横梁水平伸出船体外的伸缩气缸，围绕立柱设置有当旋转动力装置驱动立柱转动时用于支撑及导向采样横梁绕立柱转动的环形支撑台，在环形支撑台上均布有多个用于控制采样横梁在转动时对船体不同位置进行采样的位置识别元件，以及控制器，所述位置识别元件检测到采样横梁后发送位置检测信号至控制器，所述控制器接收检测信号后发送用于驱动采样横梁向外伸出船体并到达设定位置的信号至伸缩气缸，以及发送用于控制立柱停止旋转的信号至旋转动力装置，采样完成后所述控制器发送用于控制立柱继续旋转到达环形支撑台的下一个设定位置的信号至旋转动力装置，当采样横梁周向旋转采样完成后到达初始的设定位置时，位置识别元件发送信号至控制器，所述控制器接收信号后发送停止立柱旋转的信号至旋转动力装置，以及发送控制采样横梁收缩至船体内的信号至伸缩气缸。

上述的全自动海气采样平台***，所述旋转动力装置包括安装在立柱底部的从动齿轮，与从动齿轮配合的主动齿轮，在主动齿轮上连接有用于驱动立柱匀速旋转的伺服电机，所述控制器发送用于驱动立柱旋转的信号至伺服电机。

上述的全自动海气采样平台***，所述采样横梁包括与立柱刚性连接的水平设置的固定横梁，在固定横梁内设置有与其伸缩连接的活动横梁，所述安装板安装于活动横梁的端部，伸缩气缸固定在立柱内，所述活动横梁与伸缩气缸的活塞杆相连，所述控制器发送用于驱动活动横梁伸缩的信号至伸缩气缸。

上述的全自动海气采样平台***，所述环形支撑台包括一环形本体，在环形本体的底部设置有多个用于支撑环形本体的支腿，围绕环形本体的中心轴线在环形本体上开设有环形导向槽，所述固定横梁上安装有与环形导向槽滚动配合的行走轮。

上述的全自动海气采样平台***，所述环形导向槽内至少开设有一个防止环形导向槽内积水的排水孔。

上述的全自动海气采样平台***，所述位置识别元件为位置传感器，分别均布于环形本体的内壁上，所述位置传感器与控制器信号连接。

上述的全自动海气采样平台***，所述立柱的顶部设置有向固定横梁的方向倾斜的用于增强固定横梁与立柱之间连接强度的拉结加强筋，所述拉结加强筋的上端与立柱顶部连接，下端与固定横梁的外部连接。

一种科学考察船，包括具有甲板及船舱的船体，还包括如上述权利要求任一项所述的全自动海气采样平台***。

本发明全自动海气采样平台***以及带有该***的科学考察船的优点是：通过伺服电机的转动，实现了采样横梁的自动化移动，采样横梁通过伸缩气缸进行气动伸缩的方式，确保了伸出船体外的采样设备足够避开烟囱排放的烟尘造成的大气污染问题，在采样横梁转动及停止进行采样时，通过环形支撑台及行走轮的配合，不但提高了采样横梁转动时的稳定性，而且起到了对采样横梁的稳定支撑，对伸出到船体外的活动横梁起到了足够的支撑作用，在环形支撑台上设置位置识别元件，能够自动实现围绕船头的多方向多点采集，可一次采集多个样品，得到多个检测结果，可进行多个样品的检测，对比不同的样品结果，准确性更高，有效提高了海气采样检测的准确性。同时，多点采样的方式，避免了海洋船载走航过程中，风向风速不利的条件下，船上污染物排放对采集的大气颗粒物的影响，无法获得真实大气颗粒物样品的难题。采用微处理控制***，通过***的高度集成，极大简化了采样装置的结构和操作，并且环形支撑台采用半环形结构，不但成本更低，而且便于人员进出及检修。本发明自动化程度高，大大降低了工作人员的工作强度。

附图说明

图1为海气采样平台***安装在船体上的位置结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为图2中A部分的局部结构放大图；

图4为环形支撑台的结构放大图；

图5为本发明环形支撑台与采样横梁相连的俯视结构图

图6为本发明可测量不同方位的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

如图1、2、3、4、5、6所示，一种全自动海气采样平台***，包括架设于船体1的前甲板2上的采样架3，在采样架3的顶部设置有用于安装采样设备4的平台5，在采样架3上焊接台阶6，便于工作人员安装采样设备4以及取样、维护等。还包括一在采样时用于驱动采样设备4向船体1的外侧伸出的支撑转动机构7，所述支撑转动机构7包括一设于平台5上的立柱8，一驱动所述立柱8转动的旋转动力装置，所述旋转动力装置包括安装在立柱8底部的从动齿轮9，与从动齿轮9配合的主动齿轮10，在主动齿轮10上连接有用于驱动立柱8匀速旋转的伺服电机11，所述控制器发送用于驱动立柱8旋转的信号至伺服电机11。在立柱8上水平连接有一采样横梁12，采样横梁12的外端部13设置用于放置采样设备4的安装板14及用于支撑采样横梁12的支撑杆15，在支撑杆15的顶部安装托板16，所述采样横梁12包括与立柱8刚性连接的水平设置的固定横梁17，在固定横梁17内设置有与其伸缩连接的活动横梁18，所述安装板14安装于活动横梁18的端部，在立柱8上安装有驱动活动横梁18在进行采样时将活动横梁18水平伸出船体外的伸缩气缸19，伸缩气缸19固定在立柱8内，所述活动横梁18与伸缩气缸19的活塞杆20相连，托板16与固定横梁17活动连接，所述控制器发送用于驱动活动横梁18伸缩的信号至伸缩气缸19。为了增强固定横梁17与立柱8之间的连接强度，在立柱8的顶部设置有向固定横梁17的方向倾斜的的拉结加强筋21，所述拉结加强筋21的上端与立柱8的顶部连接，下端与固定横梁17的外部连接。

围绕立柱8设置有当旋转动力装置驱动立柱8转动时，用于支撑及导向采样横梁12绕立柱8转动的环形支撑台22，所述环形支撑台22包括一环形本体23，在环形本体23的底部设置有多个用于支撑环形本体23的支腿24，围绕环形本体23的中心轴线在环形本体23上开设有环形导向槽25，所述固定横梁17上安装有与环形导向槽25滚动配合的行走轮26。所述环形导向槽25内至少开设有一个防止环形导向槽25内积水的排水孔27。

在环形支撑台22上均布有多个用于控制采样横梁12在转动时对船体1的不同位置进行采样的位置识别元件28，以及控制器，所述位置识别元件28检测到采样横梁12后发送位置检测信号至控制器，所述控制器接收检测信号后发送用于驱动采样横梁12向外伸出船体1并到达设定位置29的信号至伸缩气缸19，以及发送用于控制立柱8停止旋转的信号至伺服电机11，采样完成后所述控制器发送用于控制立柱8继续旋转到达环形支撑台22的下一个设定位置30的信号至伺服电机11，当采样横梁12周向旋转采样完成后到达初始的设定位置29时，位置识别元件28发送信号至控制器，所述控制器接收信号后发送停止立柱8旋转的信号至伺服电机11，以及发送控制采样横梁12收缩至船体1内的信号至伸缩气缸19。

本发明所述的位置识别元件28为位置传感器，分别均布于环形本体23的内壁39上，所述位置传感器与控制器信号连接。位置传感器的数量可以根据实际所需的采样次数来设定，原则上，可以在船体1的左舷34、左前方35、船头36、右前方37及右舷38的位置分别安装，并且具体的安装位置与设定位置29、30、31、32、33分别相对应。控制器可以选择目前稳定性好、成本较低的PLC控制器，将控制程序设置在该PLC控制器内即可。

具体的采样方法如下：

1、设备启动：采样时，启动电源，并开启采样设备4。

2、信号识别及采样：此时，与设定位置29相对应的位置传感器检测固定横梁17到达后，发送信号至控制器，控制器发送信号驱动伸缩气缸19工作，通过活塞杆20将活动横梁18向外推出至左舷34的位置，进行采样，采样的暂停时间可通过PLC控制器的写入模块进行设定。

3、顺序采样：设定位置29采样完成后，控制器通过设定时间的完成启动第二个采样信号，发送启动信号至伺服电机11，伺服电机11接收信号后转动，通过主动齿轮10带动从动齿轮9转动，进而带动立柱8转动，立柱8带动固定横梁17向设定位置30的方向移动，同时，固定横梁17带动行走轮26在环形本体23内的环形导向槽25中滚动，支撑固定横梁17，当固定横梁17到达设定位置30时，与设定位置29相对应的位置传感器检测到固定横梁17到达后，发送信号至控制器，控制器发送停止信号至伺服电机11，进行该点的采样，按照上述步骤逐点完成采样。

4、设备回位：当固定横梁17回到初始的设定位置29时，与其相对应的位置传感器检测到固定横梁17，发送信号至控制器，控制器发送停止信号至伺服电机11，以及发送驱动活动横梁18收缩并回到固定横梁17内的信号至伸缩气缸19。

5、采样完成：关闭采样设备4，并关闭电源。

本发明还要求保护一种科学考察船，包括具有甲板及船舱的船体，还包括本发明所记载的全自动海气采样平台***。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全自动海气采样平台***，包括架设于船体前甲板上的采样架，在采样架的顶部设置有用于安装采样设备的平台，其特征在于：还包括一在采样时用于驱动采样设备向船体外侧伸出的支撑转动机构，所述支撑转动机构包括一设于平台上的立柱，一驱动所述立柱转动的旋转动力装置，在立柱上水平连接有一采样横梁，采样横梁的外端部设置用于放置采样设备的安装板及用于支撑采样横梁的支撑杆，以及驱动所述采样横梁在进行采样时将采样横梁水平伸出船体外的伸缩气缸，围绕立柱设置有当旋转动力装置驱动立柱转动时用于支撑及导向采样横梁绕立柱转动的环形支撑台，在环形支撑台上均布有多个用于控制采样横梁在转动时对船体不同位置进行采样的位置识别元件，以及控制器，所述位置识别元件检测到采样横梁后发送位置检测信号至控制器，所述控制器接收检测信号后发送用于驱动采样横梁向外伸出船体并到达设定位置的信号至伸缩气缸，以及发送用于控制立柱停止旋转的信号至旋转动力装置，采样完成后所述控制器发送用于控制立柱继续旋转到达环形支撑台的下一个设定位置的信号至旋转动力装置，当采样横梁周向旋转采样完成后到达初始的设定位置时，位置识别元件发送信号至控制器，所述控制器接收信号后发送停止立柱旋转的信号至旋转动力装置，以及发送控制采样横梁收缩至船体内的信号至伸缩气缸。

2.根据权利要求1所述的全自动海气采样平台***，其特征是：所述旋转动力装置包括安装在立柱底部的从动齿轮，与从动齿轮配合的主动齿轮，在主动齿轮上连接有用于驱动立柱匀速旋转的伺服电机，所述控制器发送用于驱动立柱旋转的信号至伺服电机。

3.根据权利要求1所述的全自动海气采样平台***，其特征是：所述采样横梁包括与立柱刚性连接的水平设置的固定横梁，在固定横梁内设置有与其伸缩连接的活动横梁，所述安装板安装于活动横梁的端部，伸缩气缸固定在立柱内，所述活动横梁与伸缩气缸的活塞杆相连，所述控制器发送用于驱动活动横梁伸缩的信号至伸缩气缸。

4.根据权利要求3所述的全自动海气采样平台***，其特征是：所述环形支撑台包括一环形本体，在环形本体的底部设置有多个用于支撑环形本体的支腿，围绕环形本体的中心轴线在环形本体上开设有环形导向槽，所述固定横梁上安装有与环形导向槽滚动配合的行走轮。

5.根据权利要求4所述的全自动海气采样平台***，其特征是：所述环形导向槽内至少开设有一个防止环形导向槽内积水的排水孔。

6.根据权利要求4所述的全自动海气采样平台***，其特征是：所述位置识别元件为位置传感器，分别均布于环形本体的内壁上，所述位置传感器与控制器信号连接。

7.根据权利要求3所述的全自动海气采样平台***，其特征是：所述立柱的顶部设置有向固定横梁的方向倾斜的用于增强固定横梁与立柱之间连接强度的拉结加强筋，所述拉结加强筋的上端与立柱顶部连接，下端与固定横梁的外部连接。

8.一种科学考察船，包括具有甲板及船舱的船体，其特征在于：还包括如权利要求1-7任一项所述的全自动海气采样平台***。

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