CN114878249A - 一种用于海洋取样的海水多层原位取样***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于海洋取样的海水多层原位取样***及方法，包括位于海面上的水面***、与水面***相连并固定水面***的载力***和与水面***相连并位于海面以下的进样***；水面***包括电源、微型气体压缩机、取样器，微型气体压缩机驱动进样***内的海水样品到达取样器内；进样***包括通过总驱动管与微型气体压缩机相连及通过总取样管与取样器相连的自动多通阀门、位于自动多通阀门的下方并位于海面下不同深度的多个进样组件。本发明可对海洋中不同深度的海水及浮游生物同时进行分层原位取样，对不同深度海洋的物质成分组成情况进行分析与监测，整个取样***可以自动清洗实现无人值守定时回收样品，可长期对海洋海水进行取样与监测。
Description
技术领域
本发明涉及海洋研究的技术领域，尤其涉及一种用于海洋取样的海水多层原位取样***。
背景技术
海洋蕴藏着丰富的自然资源具有巨大的经济价值，而海洋环境十分复杂且为腐蚀性最严重的自然环境，海洋中海水各物质成分的组成情况是海洋研究领域的重要指标，而了解其成分组成最好的方式就是收集海洋中的海水水样在实验室进行详细的成分分析，而取得真实无损的海水样品才能通过对样品的分析与监测准确的了解海洋的生态与化学环境特征，对海洋取样的仪器需要处于阳光暴晒、盐雾、波浪冲击、海生物侵蚀等复杂环境所构成的海水体系中，因此在海洋长期取样，针对上述的腐蚀条件取样设备需要作出防范加强防腐蚀性。
目前海水的常规取样方法一般使用取样瓶、取样筒、卡盖采水器等，虽然上述取样装置均可对海水进行取样，每种使用条件与取样方式有各种有差别与限制，但均依赖人工且无法长期的在海洋腐蚀环境下浸泡长期多次取样，密封困难不同深度的海水容易混样，取样瓶、取样筒等取样器取水样工作一般只能在海洋浅层海水进行工作，无法在任意深度取样，卡盖采水器使用时使用绳索将两端卡盖打开后放入水中；入水后水流将贯穿采水器腔体，待沉入指定深度后用使锤关闭卡盖，封闭水样回收采水器，取样深度较取样瓶等有了提升，但取样时每次取样均需要下放取样器至水下指定深度后回收无法在水下长期连续取样，水样存在不同深度的水混合的情况，取样仪器无法长期耐受浸泡在海水环境中的腐蚀，无法确定取样时取样点附近的温度、压力与水的物质组成无法初步监测水下各层位信息，同时每次取样的大部分工作必须人工出海在指定海域上的设备进行工作，增加了运行成本与安全风险，因此如何预防海洋环境下的各种腐蚀环境对取样设备长期工作造成的影响与危害，如何让取样设备基本摆脱人工操作在海上自动进行监测与取样工作都是目前海洋取样器需要解决的问题，为此需要开发一种不受海洋工作深度限制能在长期在海水不同深度的各层位同时自动进行原位取样与海洋环境监测工作、并耐受长期浸泡在海洋环境下的腐蚀、不依赖人工操作既能完成分层取样任务又能同时监测海洋各深度环境的海水的环境情况的多层原位取样***。
发明内容
基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供一种用于海洋取样的海水多层原位取样***及方法，结构简单，设计合理，可对海洋中不同深度的海水及浮游生物同时进行分层原位取样，对不同深度海洋的物质成分组成情况进行分析与监测，整个取样***可以实现无人值守定时回收样品，可长期对海洋海水进行取样与监测。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，包括位于海面上的水面***、与所述水面***相连并固定水面***的载力***和与所述水面***相连并位于海面以下的进样***；所述水面***包括电源、微型气体压缩机、取样器，所述微型气体压缩机与电源和进样***相连，微型气体压缩机驱动进样***内的海水样品到达取样器内；所述进样***包括通过总驱动管与所述微型气体压缩机相连及通过总取样管与所述取样器相连的自动多通阀门、位于所述自动多通阀门的下方并位于海面下不同深度的多个进样组件；每个进样组件包括与所述自动多通阀门相连并且竖直并列设置的分支驱动管和分支取样管、通过三通与所述分支驱动管和分支取样管连通的进样管、从上到下依次安装在所述进样管上的进样阀门、水质传感器和进样过滤器，不同深度的海水通过进样过滤器、进样阀门、进样管进入到分支驱动管和分支取样管内，关闭进样阀门，开启自动多通阀门与气体压缩机，将加压的空气通过总驱动管注入到不同的进样组件的分支驱动管内，驱动进样的海水通过对应的分支取样管到达总取样管并进入取样器内收集海水样品。
优选的，所述进样组件包括从上到下位于不同海水深度的第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件、第四进样组件；所述第一进样组件包括与所述自动多通阀门相连并且竖直并列设置的一号分支驱动管和一号分支取样管、通过三通与所述一号分支驱动管和一号分支取样管连通的一号进样管、从上到下依次安装在所述一号进样管上的一号进样阀门、一号水质传感器和一号进样过滤器；所述第二进样组件包括与所述自动多通阀门相连并且竖直并列设置的二号分支驱动管和二号分支取样管、通过三通与所述二号分支驱动管和二号分支取样管连通的二号进样管、从上到下依次安装在所述二号进样管上的二号进样阀门、二号水质传感器和二号进样过滤器；所述第三进样组件包括与所述自动多通阀门相连并且竖直并列设置的三号分支驱动管和三号分支取样管、通过三通与所述三号分支驱动管和三号分支取样管连通的三号进样管、从上到下依次安装在所述三号进样管上的三号进样阀门、三号水质传感器和三号进样过滤器；所述第四进样组件包括与所述自动多通阀门相连并且竖直并列设置的四号分支驱动管和四号分支取样管、通过三通与所述四号分支驱动管和四号分支取样管连通的四号进样管、从上到下依次安装在所述四号进样管上的四号进样阀门、四号水质传感器和四号进样过滤器；所述一号水质传感器和一号进样过滤器、二号水质传感器和二号进样过滤器、三号水质传感器和三号进样过滤器、四号水质传感器和四号进样过滤器在垂直深度上等距离的上下排列在取样水域的水中。
进一步的，所述载力***包括浮动在海面上的浮子、位于所述浮子的中心正下方的一号固定钢缆、沿浮子的周向等距分布并斜向下方设置的二号固定钢缆、三号固定钢缆和四号固定钢缆；所述一号固定钢缆，二号固定钢缆、三号固定钢缆、四号固定钢缆的末端分别连接有一号固定配重、二号固定配重、三号固定配重、四号固定配重；所述第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件和第四进样组件依次按不同深度安装固定在所述浮子正下方的一号固定钢缆上。
进一步的，所述取样器内设有分别用于收集所述第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件和第四进样组件进样的海水样品的一号取样瓶、二号取样瓶、三号取样瓶、四号取样瓶。
优选的，所述电源由太阳能光伏发电板配合蓄电池构成，电源安装保护壳与防腐涂层后安装在载力***上。
优选的，所述进样***中的各驱动管、取样管、进样管的管壁内涂覆疏水材料，以阻止海水与水中的浮游生物接触附着，并加强水面***用高压流体对进样***的管路反冲清洗时的效果并防止管路堵塞。
可选的，所述自动多通阀门为标准多通的电控多通阀门，其开启与关闭状态可远程控制或按需求定时切换，控制进样***中的一号分支驱动管、二号分支驱动管、三号分支驱动管、四号分支驱动管与总驱动管之间；一号分支取样管、二号分支取样管、三号分支取样管、四号分支取样管与总取样管之间的连接状态。
可选的，所述进样阀门控制进样管在海中的进样工作，当进样阀门开启时海水通过进样管进入到所述分支驱动管和分支取样管内，进样阀门关闭时进样***的进样工作停止。
可选的，所述水质传感器为电子传感器或光纤传感器，用于监测与分析工作水域各深度进样的海水的物质组成情况；所述进样过滤器的滤网表面涂覆有疏水层，用于过滤海洋中的大型浮游生物、植物与颗粒物，防止进样***内部的管路被堵塞。
另外，上述的用于海洋取样的海水多层原位取样***的取样方法，其步骤为：
S1、开启自动多通阀门让一号分支驱动管、一号分支取样管，二号分支驱动管、二号分支取样管，三号分支驱动管、三号分支取样管，四号分支驱动管、四号分支取样管内的压缩空气通过总驱动管、总取样管排空到海面，总驱动管与总取样管排放1min后关闭自动多通阀门；
S2、开启一号进样阀门、二号进样阀门、三号进样阀门、四号进样阀门，工作区域海水中不同深度的水样分别通过一号进样过滤器、一号水质传感器、一号进样阀门、一号进样管，二号进样过滤器、二号水质传感器、二号进样阀门、二号进样管，三号进样过滤器、三号水质传感器、三号进样阀门、三号进样管，四号进样过滤器、四号水质传感器、四号进样阀门、四号进样管分别进入到一号分支驱动管、一号分支取样管，二号分支驱动管、二号分支取样管，三号分支驱动管、三号分支取样管，四号分支驱动管、四号分支取样管内进样，整个进样过程持续1min后关闭一号进样阀门、二号进样阀门、三号进样阀门、四号进样阀门；
S3、依次按步骤S1和步骤S2的顺序重复步骤S1与步骤S2各6次，完成进样环节；
S4、开启自动多通阀门与气体压缩机，将加压的4MPa空气通过总驱动管注入到一号分支驱动管、二号分支驱动管、三号分支驱动管、四号分支驱动管的管路内，驱动进样的海水样品通过一号分支取样管、二号分支取样管、三号分支取样管、四号分支取样管分别通过总取样管到达水面***上，加压排放样品1min后用取样器内的一号取样瓶、二号取样瓶、三号取样瓶、四号取样瓶收集样品；
S5、关闭自动多通阀门锁住一号分支驱动管、一号分支取样管、二号分支驱动管、二号分支取样管、三号分支驱动管、三号分支取样管、四号分支驱动管、四号分支取样管内的压缩空气，更换取样器内的取样瓶结束取样。
在本发明中，水面***连接载力***与进样***，由水面***提供取样所需的动力与装置，使用气体将进样***内的海水样品驱动到海面，载力***使用钢缆与配重固定取样***在海面指定位置，进样***从海面到海底等距设置进样口与水质传感器(测试ph/T/Eh/ORP等)，为提高监测精度，还可以在进样***与海面上载力***出样口安装同类型的水质传感器对照监测水质情况，分层收集不同深度的水样，并对进样口的水的成分进行初步监测，适用于各种环境条件海洋下的多层取样，取样***整体使用耐腐蚀材料制作，可防风防浪能在海上平稳运行，内部管路可以直接用高压气体反冲洗防止被海洋环境腐蚀与海洋生物堵塞，可多次重复的进行海水及海洋浮游生物进行取样，单次取样水量少，长期监测海洋水下环境的运维成本低。
本发明可对海洋中不同深度的海水及浮游生物同时进行分层原位取样，取样***在进行多次使用后因为海水样品内的杂质污染取样***影响取样时，可使直接用取样***附近海水或使用高压气体反冲，对取样***内部管路进行清洗，防止海洋环境腐蚀与堵塞，并对不同深度海洋的物质成分组成情况进行分析与监测，取样***内仪器的能源来自于海面上的可再生能源提供，整个取样***基本可以实现无人值守定时回收样品，可长期对海洋海水进行取样与监测。
本发明能够解决现有的各种取样设备在海洋取不同深度同时取水样时容易混样、无法对任意深度的海水进行原位取样、取样设备不耐受长期在海洋腐蚀环境下的化学与生物侵蚀、无法长期在海洋同一水域对不同深度层位的海水进行原位取样并监测的问题。
由上，本发明与现有技术相比至少具备以下有益效果：
(1)耐腐蚀性高，发明的整体使用耐腐蚀的316L不锈钢等材料制作，并涂覆防腐层，设备管路可反冲清洗防止设备长期浸泡在海水环境中造成的腐蚀，能长期在海洋内工作。
(2)自动化程度高，整个取样过程均由程序控制无需人工操作，只需定时维护检查取样***的设备状态与回收取样瓶即可，取样过程中与取样结束时间段水质数据可实时监测，每月可多次取样，多次取样的成本较原来的人工取样成本更低。
(3)应用领域广，本发明可运用于海洋环保研究、海洋勘探领域、海洋能源开采研究、海洋生态结构研究等领域，可广泛的运用于海洋的各种工作环境。
附图说明
图1为本发明的用于海洋取样的海水多层原位取样***的结构示意图；
图2为本发明的水面***与载力***的连接示意图；
图3为本发明的取样器的结构示意图。
图中：
11-电源、12-微型气体压缩机、13-取样器、131-一号取样瓶、132-二号取样瓶、133-三号取样瓶、134-四号取样瓶；
21-浮子、221-一号固定钢缆、231-一号固定配重、222-二号固定钢缆、232-二号固定配重、223-三号固定钢缆、233-三号固定配重、224-四号固定钢缆、234-四号固定配重；
30-自动多通阀门、31-驱动管、32-取样管；
311-一号分支驱动管、321-一号分支取样管、331-一号进样管、341-一号进样阀门、351-一号水质传感器、361-一号进样过滤器、312-二号分支驱动管、322-二号分支取样管、332-二号进样管、342-二号进样阀门、352-二号水质传感器、362-二号进样过滤器、313-三号分支驱动管、323-三号分支取样管、333-三号进样管、343-三号进样阀门、353-三号水质传感器、363-三号进样过滤器、314-四号分支驱动管、324-四号分支取样管、334-四号进样管、344-四号进样阀门、354-四号水质传感器、364-四号进样过滤器。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的用于海洋取样的海水多层原位取样***包括位于海面上的水面***、与水面***相连并固定水面***的载力***、与水面***相连并位于海面以下的进样***。
本发明的水面***包括电源11、微型气体压缩机12、取样器13，微型气体压缩机12与电源11和进样***相连，微型气体压缩机12驱动进样***内的海水样品到达取样器13内。进样***包括通过总驱动管31与微型气体压缩机12相连及通过总取样管32与取样器13相连的自动多通阀门30、位于自动多通阀门30的下方并位于海面下不同深度的多个进样组件。每个进样组件包括与自动多通阀门30相连并且竖直并列设置的分支驱动管和分支取样管、通过三通与分支驱动管和分支取样管连通的进样管、从上到下依次安装在进样管上的进样阀门、水质传感器和进样过滤器，不同深度的海水通过进样过滤器、进样阀门、进样管进入到分支驱动管和分支取样管内，关闭进样阀门，开启自动多通阀门30与微型气体压缩机12，将加压的空气通过总驱动管31注入到不同的进样组件的分支驱动管内，驱动进样的海水通过对应的分支取样管到达总取样管32并进入取样器13内收集海水样品。
其中，进样组件包括从上到下位于不同海水深度的第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件、第四进样组件，第一进样组件包括与自动多通阀门30相连并且竖直并列设置的一号分支驱动管311和一号分支取样管321、通过三通与一号分支驱动管311和一号分支取样管321连通的一号进样管331、从上到下依次安装在一号进样管331上的一号进样阀门341、一号水质传感器351和一号进样过滤器361；第二进样组件包括与自动多通阀门30相连并且竖直并列设置的二号分支驱动管312和二号分支取样管322、通过三通与二号分支驱动管312和二号分支取样管322连通的二号进样管332、从上到下依次安装在二号进样管332上的二号进样阀门342、二号水质传感器352和二号进样过滤器362；第三进样组件包括与自动多通阀门30相连并且竖直并列设置的三号分支驱动管313和三号分支取样管323、通过三通与三号分支驱动管313和三号分支取样管323连通的三号进样管333、从上到下依次安装在三号进样管333上的三号进样阀门343、三号水质传感器353和三号进样过滤器363；第四进样组件包括与自动多通阀门30相连并且竖直并列设置的四号分支驱动管314和四号分支取样管324、通过三通与四号分支驱动管314和四号分支取样管324连通的四号进样管334、从上到下依次安装在四号进样管334上的四号进样阀门344、四号水质传感器354和四号进样过滤器364；一号水质传感器351和一号进样过滤器361、二号水质传感器352和二号进样过滤器362、三号水质传感器353和三号进样过滤器363、四号水质传感器354和四号进样过滤器364在垂直深度上等距离的上下排列在取样水域的水中。
本发明的载力***包括浮动在海面上的浮子21、位于浮子21的中心正下方的一号固定钢缆221、沿浮子21的周向等距分布并斜向下方设置的二号固定钢缆222、三号固定钢缆223和四号固定钢缆224，其中一号固定钢缆221，二号固定钢缆222、三号固定钢缆223、四号固定钢缆224的末端分别连接有一号固定配重231、二号固定配重232、三号固定配重233、四号固定配重234，第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件和第四进样组件依次按不同深度固定在浮子21正下方的一号固定钢缆221上。
本发明的取样器13内设有分别用于收集第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件和第四进样组件进样的海水样品的一号取样瓶131、二号取样瓶132、三号取样瓶133、四号取样瓶134，并可在取样器取样处安装与进样组件内相同型号的水质传感器。
本发明通过上述的连接方式与部件尤其是进样***的连接方式，解决了以往的海洋海水取样器无法同时分层取样并即时分析监测各层位与取样处水质情况(ph/T/Eh/ORP等)、无法准确了解进样口气其附近的海水在取样前后的物理与化学变化情况的缺陷，达到了克服原来海洋分层原位取样，并连续取样对海水进行监测的技术效果同时能耐受海洋的腐蚀环境与自动化取样的技术目的。
本发明的水面***是一种用于海洋的海水多层原位取样***的取样主控装置，水面***的电源11、微型气体压缩机12、取样器13的功能模块均安装在载力***上，水面***上的功能件均涂覆防腐层或安装保护层，电源11由太阳能光伏发电板配合蓄电池提供电力，其内部设置安全装置，当海浪过大时自动切断仪器供电，也可按需求更换为海浪、风力发电等可再生能源发电装置，不需要额外架设电缆对进样***进行供电。电源11设置保护壳与防腐涂层后安装在载力***上，减少海浪造成的影响与腐蚀，保障水面***的各项设备能在无人值守的情况下有充足的电力，能长期在海面上运行工作。
微型气体压缩机12能为海水多层取样***提供取样所需的压缩气体，提供压缩气体的方式在本发明中有两种方案：在不计算成本的科研模式环境中可直接用多个压缩惰性类气体瓶直接提供压缩气体替代(如N2、Ar等，压力为3-4MPa即可)，在常规的经济模式环境下使用微型气体压缩机12将海水多层取样***的水面***海域的空气进行压缩加压，压缩后的空气压力由标准大气压提升到可以驱动进样***管路内水下不同深度层位进样的海水样品抬升到水面***的取样器13的压力(一般为3-4MPa)，微型气体压缩机12的进气口设置有防浪板，在海浪较大时微型气体压缩机12的供电会自动切断，微型气体压缩机12还可以用高压气体反冲进样***内的管路，清洗管路将其中来自海水中残留的细小浮游生物、杂质与污染物排放到海洋中。
取样器13为海面上对海水样品进行取样的主要原件，为环形蜂窝结构、内部安装有四个取样瓶，分别为一号取样瓶131、二号取样瓶132、三号取样瓶133、四号取样瓶134，取样瓶的具体的数量由每次取样时的取样频率与取样要求确定可为4-6个，取样瓶容积为100～200ml，环形排列在取样器13内，每个取样瓶按顺时针方式依次按顺序收集由微型气体压缩机12的压缩气体提升进样***内不同深度各个层位的到达水面***的取样器13的海水样品，每个取样瓶取样完毕后由新取样瓶推动自动更换，由人工按需求定时在海上回收到实验室进一步分析检查。
载力***安装在海洋指定位置并用于载力的装置，其浮子21为海水多层取样***的水面***设备的主要安装平台，浮子21的外形为圆柱形、矩形、多边形等标准形状，材料为泡沫、塑料等密度比水小易浮于水上的材料或耐腐蚀金属等，按空腔容器制造漂浮在工作区域的海面上平台，浮力为1吨(可根据需求增大)，浮子21最上端安装有水面***的电源11、微型气体压缩机12、取样器13等功能原件(固定方式螺丝、卡扣等)，保障海水多层取样***能在水面长期稳定工作运行，一号固定钢缆221位于浮子21的中心下方捆绑安装有进样***的主要功能原件，二号固定钢缆222、三号固定钢缆223、四号固定钢缆224在三个不同的方向上等距设置组成稳定结构，固定浮子21保障其在海上指定位置不漂移的长期稳定运行。一号固定钢缆221、二号固定钢缆222、三号固定钢缆223、四号固定钢缆224使用标准的钢缆涂覆防腐涂层或其他耐海洋腐蚀耐拉伸材料制作，一号固定钢缆221、二号固定钢缆222、三号固定钢缆223、四号固定钢缆224的上端连接浮子21，下端分别连接一号固定配重231、二号固定配重232、三号固定配重233、四号固定配重234，固定配重为使用水泥，钢铁等材质制作的矩形配重块，按需求放置在工作区域位置指定的海床上，与固定钢缆通过焊接、螺丝、捆扎等方式连接，通过四个方向的一号固定钢缆221与一号固定配重231，二号固定钢缆222与二号固定配重232，三号固定钢缆223与三号固定配重233，四号固定钢缆224与四号固定配重234将浮子21与安装的水面***固定在指定水域内平稳运行，让水面***与其相连的位于水下的进样***在指定坐标位置与指定深度运行，其中进样***的主要功能原件固定在载力***的一号固定钢缆221上，载力***的使用材料还可由耐腐蚀耐拉伸的其他材料制作，保证载力***的浮子21、一号固定钢缆221、二号固定钢缆222、三号固定钢缆223、四号固定钢缆224等原件运行时不被海洋环境腐蚀损坏并在海上长期使用。
进样***是取样***在海洋取样中进行取样的主要功能原件，能在工作海域不同深度同时进行海水进样取样，在不同深度(200m的海域在海面下每50m深度设置进样装置)进样取样与水质初步监测，进样***由自动多通阀门30、总驱动管31、总取样管32、各进样组件组成，均使用耐腐蚀材料制作(如316L不锈钢，哈氏合金等)。进样***中的各驱动管、取样管、进样管的管径为1/8’或1/4’，管壁内涂覆疏水材料，阻止海水与水中的浮游生物接触附着，加强水面***用高压流体对进样***的管路反冲清洗时的效果，防止管路堵塞。自动多通阀门30为标准多通的电控多通阀门，其开启与关闭状态可远程控制或按需求定时切换，可开关控制多条管道之间的连接状态，控制进样***中的一号分支取样管321、二号分支取样管322、三号分支取样管323、四号分支取样管324、一号分支驱动管311、二号分支驱动管312、三号分支驱动管313、四号分支驱动管314与总驱动管31、总取样管32之间的连接状态，可根据工作海域的深度与取样监测要求调整的进样***与水面***内部管路连接。一号进样阀门341、二号进样阀门342、三号进样阀门343、四号进样阀门344也为电控阀门，可远程或按程序定时控制阀门的开启与闭合状态，控制一号进样管331、二号进样管332、三号进样管333、四号进样管334在海中的进样工作，当进样阀门开启时海水通过进样管进入到进样***内，进样阀门关闭时进样***的进样工作随之停止。在水体杂质与较少与腐蚀性较弱的海域，进样阀门可更换为方向为从下向上的单向阀，减少装备整体成本。一号水质传感器351、二号水质传感器352、三号水质传感器353、四号水质传感器354等传感器测试对象为进样口海水中物质成分组成(pH、T、Eh、ORP等)，传感器的类型为电子传感器或光纤传感器，直接或是安装在托筒后通过焊接、捆扎等方式安装在进样***在各深度的一号进样管331、二号进样管332、三号进样管333、四号进样管334的各层位进样处周围与内部均可，分别初步监测与分析检测工作水域各深度进样的海水的物质组成情况。安装在进样***各层位进样口最外侧的为一号进样过滤器361、二号进样过滤器362、三号进样过滤器363、四号进样过滤器364，进样过滤器使用防腐蚀材料(如316L不锈钢、哈氏合金等)的滤网，滤网目数由取样要求与进样***内管路的管径决定(如200目、300目等)，制作后可于滤网表面涂覆疏水层进一步加强防腐蚀性，可过滤海洋中的大型浮游生物、植物与颗粒物，防止进样***内部的管路被堵塞。在进样***中的一号进样管331连接一号进样阀门341后连接一号水质传感器351与一号进样过滤器361，二号进样管332连接二号进样阀门342后连接二号水质传感器352与二号进样过滤器362，三号进样管333连接三号进样阀门343后连接三号水质传感器353与三号进样过滤器363，四号进样管334连接四号进样阀门344后连接四号水质传感器354与四号进样过滤器364。一号进样管331通过三通与一号分支驱动管311与一号分支取样管321连接，二号进样管332通过三通与二号分支驱动管312与二号分支取样管322连接，三号进样管333通过三通与三号分支驱动管313与三号分支取样管323连接，四号进样管334通过三通与四号分支驱动管314与四号分支取样管324连接；一号分支驱动管311、二号分支驱动管312、三号分支驱动管313、四号分支驱动管314通过自动多通阀门30与总驱动管31连接；一号分支取样管321、二号分支取样管322、三号分支取样管323、四号分支取样管324通过自动多通阀门30与总取样管32连接，通过上述的各组件连接方式进样***可在水下不同深度同时分层进样并配合水面***实现海水多层取样的功能。通过一号进样阀门341、二号进样阀门342、三号进样阀门343、四号进样阀门344等进样阀门的开启与关闭，在进样时进样阀门开启、取样时进样阀门关闭。进样***在不同深度的海水中的一号进样管331、二号进样管332、三号进样管333、四号进样管334单一进样或者同时进样；海洋中不同深度的水样通过一号进样过滤器361、一号进样管331、一号进样阀门341，二号进样过滤器362、二号进样管332、二号进样阀门342，三号进样过滤器363、三号进样管333、三号进样阀门343，四号进样过滤器364、四号进样管334、四号进样阀门344分别进入到一号分支驱动管311、一号分支取样管321，二号分支驱动管312、二号分支取样管322，三号分支驱动管313、三号分支取样管323，四号分支驱动管314、四号分支取样管324管路内。
实施例1
在某200m深度海域的使用本发明的海水多层取样***进行海水分层取样，其中水面***的电源11方使用案为太阳能光伏板配合蓄电池，为取样***取样提供压缩气体的方式采用能将标准大气压提升到3-4MPa标准的微型气体压缩机12，取样器13为内置取样瓶的环形取样器，可单次容纳4个200ml容积的塑料取样瓶：一号取样瓶131、二号取样瓶132、三号取样瓶133、四号取样瓶134。载力***中的浮子21使用塑料材质，一号固定钢缆221、二号固定钢缆222、三号固定钢缆223、四号固定钢缆224使用涂覆防腐层的标准钢缆，一号固定配重231、二号固定配重232、三号固定配重233、四号固定配重234使用水泥材料制作。进样***中自动多通阀门30为标准的电控316L材料多通阀门，总驱动管31、一号分支驱动管311、二号分支驱动管312、三号分支驱动管313、四号分支驱动管314、总取样管32、一号分支取样管321、二号分支取样管322、三号分支取样管323、四号分支取样管324、一号进样管331、二号进样管332、三号进样管333、四号进样管334为1/4’管径的316L材料管路，管壁涂覆特氟龙涂层；一号进样阀门341、二号进样阀门342、三号进样阀门343、四号进样阀门344为标准的316L材料电控阀门；初步检测海水成本的一号水质传感器351、二号水质传感器352、三号水质传感器353、四号水质传感器354为标准的电子水质传感器，测量水中的ph/T/Eh/ORP等数据；过滤海水进样的一号进样过滤器361、二号进样过滤器362、三号进样过滤器363、四号进样过滤器364为200目的316L材质滤网。
水面***中的电源11、微型气体压缩机12、取样器13安装在载力***的浮子21上，电源11连接微型气体压缩机12、取样器13，微型气体压缩机12、取样器13分别连接进样***中的总驱动管31、总取样管32；载力***中，浮子21由一号固定钢缆221、二号固定钢缆222、三号固定钢缆223、四号固定钢缆224在四个方向分别连接一号固定配重231、二号固定配重232、三号固定配重233、四号固定配重234后固定在指定区域，安装在载力***上收集海域不同层位中的海水样品的进样***中，自动多通阀门30安装在载力***浮子21的下方，总驱动管31、总取样管32上方连接微型空气压缩机12与取样器13，下方连接自动多通阀门30，自动多通阀门30的下端连接一号分支驱动管311、二号分支驱动管312、三号分支驱动管313、四号分支驱动管314、一号分支取样管321、二号分支取样管322、三号分支取样管323、四号分支取样管324；一号分支驱动管311与一号分支取样管321通过三通与一号进样管331连接，一号进样管331上安装有一号进样阀门341、一号水质传感器351、一号进样过滤器361，二号分支驱动管312与二号分支取样管322通过三通与二号进样管332连接，二号进样管332上安装有二号进样阀门342、二号水质传感器352、二号进样过滤器362，三号分支驱动管313与三号进样管323通过三通与三号进样管333连接，三号进样管333上安装有三号进样阀门343、三号水质传感器353、三号进样过滤器363，四号分支驱动管314与四号进样管324通过三通与四号进样管334连接，四号进样管334上安装有四号进样阀门344、四号水质传感器354、四号进样过滤器364。进样***中的一号分支驱动管311、二号分支驱动管312、三号分支驱动管313、四号分支驱动管314、一号分支取样管321、二号分支取样管322、三号分支取样管323、四号分支取样管324、一号进样管331、二号进样管332、三号进样管333、四号进样管334、一号进样阀门341、二号进样阀门342、三号进样阀门343、四号进样阀门344、一号水质传感器351、二号水质传感器352、三号水质传感器353、四号水质传感器354、一号进样过滤器361、二号进样过滤器362、三号进样过滤器363、四号进样过滤器364交错分层捆绑安装在载力***的浮子21中心正下方的一号固定钢缆221上，不同层位进样管最末端的一号进样过滤器361、二号进样过滤器362、三号进样过滤器363、四号进样过滤器364依次从上到下等距排列；不同层位的海水样品通过一号进样过滤器361、一号进样管331进入到一号分支驱动管311与一号分支取样管321内，通过二号进样过滤器362、二号进样管332进入到二号分支驱动管312与二号分支取样管322内，通过三号进样过滤器363、三号进样管333进入到三号分支驱动管313与三号分支取样管323内，通过四号进样过滤器364、四号进样管334进入到四号分支驱动管314与四号分支取样管324内，在取样海水多层取样***中所有的管路内均填充有约4MPa左右的压缩空气。
本发明还提供了一种如上述的用于海洋取样的海水多层原位取样***的取样方法，取样方法包括：
步骤1、开启自动多通阀门30让一号分支驱动管311、一号分支取样管321，二号分支驱动管312、二号分支取样管322，三号分支驱动管313、三号分支取样管323，四号分支驱动管314、四号分支取样管324内的压缩空气通过总驱动管31、总取样管32排空到海面，总驱动管31与总取样管32排放1min后关闭自动多通阀门30。
步骤2、开启一号进样阀门341、二号进样阀门342、三号进样阀门343、四号进样阀门344，工作区域海水中不同深度的水样分别通过一号进样过滤器361、一号水质传感器351、一号进样阀门341、一号进样管331，二号进样过滤器362、二号水质传感器352、二号进样阀门342、二号进样管332，三号进样过滤器363、三号水质传感器353、三号进样阀门343、三号进样管333，四号进样过滤器364、四号水质传感器353、四号进样阀门343、四号进样管334分别进入到一号分支驱动管311、一号分支取样管321，二号分支驱动管312、二号分支取样管322，三号分支驱动管313、三号分支取样管323，四号分支驱动管314、四号分支取样管324内进样，整个进样过程持续1min后关闭一号进样阀门341、二号进样阀门342、三号进样阀门343、四号进样阀门344。
步骤3、依次按步骤1和步骤2的顺序重复步骤1与步骤2各6次，完成进样环节。
步骤4、开启自动多通阀门30与微型气体压缩机12，将加压的4MPa空气通过总驱动管31注入到一号分支驱动管311、二号分支驱动管312、三号分支驱动管313、四号分支驱动管314的管路内，驱动进样的海水样品通过一号分支取样管321、二号分支取样管322、三号分支取样管323、四号分支取样管324分别通过总取样管32到达水面***上，加压排放样品1min后用取样器13内的一号取样瓶131、二号取样瓶132、三号取样瓶133、四号取样瓶134收集样品。
步骤5、关闭自动多通阀门30锁住一号分支驱动管311、一号分支取样管321、二号分支驱动管312、二号分支取样管322、三号分支驱动管313、三号分支取样管323、四号分支驱动管314、四号分支取样管324内的压缩空气，更换取样器13内的取样瓶结束取样。
本发明能长期于海洋腐蚀性环境下运作，取样***自动化程度较高，整体基本可以实现无人值守的情况下长期在海面上运行取样工作与监测任务，取样***整体使用耐腐蚀材料制作并在易腐蚀处涂覆保护层或安装保护壳，在指定工作海域从海面到海底等按需求距离放置进样装置并在进样装置的进样口处安装水质传感器初步检测进样口附近的海水成分组成情况，在进样口最***与海水的直接接触口安装滤网取样***还设置有自洗功能，可根据具体的工作条件借助装置周围的液体、气体直接或加压反冲清洗内部管路与取样口处滤网。
以上，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (10)
1.一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，包括位于海面上的水面***、与所述水面***相连并固定水面***的载力***和与所述水面***相连并位于海面以下的进样***；
所述水面***包括电源(11)、微型气体压缩机(12)、取样器(13)，所述微型气体压缩机(12)与电源(11)和进样***相连，微型气体压缩机(12)驱动进样***内的海水样品到达取样器(13)内；
所述进样***包括通过总驱动管(31)与所述微型气体压缩机(12)相连及通过总取样管(32)与所述取样器(13)相连的自动多通阀门(30)、位于所述自动多通阀门(30)的下方并位于海面下不同深度的多个进样组件；
每个进样组件包括与所述自动多通阀门(30)相连并且竖直并列设置的分支驱动管和分支取样管、通过三通与所述分支驱动管和分支取样管连通的进样管、从上到下依次安装在所述进样管上的进样阀门、水质传感器和进样过滤器，不同深度的海水通过进样过滤器、进样阀门、进样管进入到分支驱动管和分支取样管内，关闭进样阀门，开启自动多通阀门(30)与气体压缩机(12)，将加压的空气通过总驱动管(31)注入到不同的进样组件的分支驱动管内，驱动进样的海水通过对应的分支取样管到达总取样管(32)并进入取样器(13)内收集海水样品。
2.根据权利要求1所述的一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，所述进样组件包括从上到下位于不同海水深度的第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件、第四进样组件；
所述第一进样组件包括与所述自动多通阀门(30)相连并且竖直并列设置的一号分支驱动管(311)和一号分支取样管(321)、通过三通与所述一号分支驱动管(311)和一号分支取样管(321)连通的一号进样管(331)、从上到下依次安装在所述一号进样管(331)上的一号进样阀门(341)、一号水质传感器(351)和一号进样过滤器(361)；
所述第二进样组件包括与所述自动多通阀门(30)相连并且竖直并列设置的二号分支驱动管(312)和二号分支取样管(322)、通过三通与所述二号分支驱动管(312)和二号分支取样管(322)连通的二号进样管(332)、从上到下依次安装在所述二号进样管(332)上的二号进样阀门(342)、二号水质传感器(352)和二号进样过滤器(362)；
所述第三进样组件包括与所述自动多通阀门(30)相连并且竖直并列设置的三号分支驱动管(313)和三号分支取样管(323)、通过三通与所述三号分支驱动管(313)和三号分支取样管(323)连通的三号进样管(333)、从上到下依次安装在所述三号进样管(333)上的三号进样阀门(343)、三号水质传感器(353)和三号进样过滤器(363)；
所述第四进样组件包括与所述自动多通阀门(30)相连并且竖直并列设置的四号分支驱动管(314)和四号分支取样管(324)、通过三通与所述四号分支驱动管(314)和四号分支取样管(324)连通的四号进样管(334)、从上到下依次安装在所述四号进样管(334)上的四号进样阀门(344)、四号水质传感器(354)和四号进样过滤器(364)；
所述一号水质传感器(351)和一号进样过滤器(361)、二号水质传感器(352)和二号进样过滤器(362)、三号水质传感器(353)和三号进样过滤器(363)、四号水质传感器(354)和四号进样过滤器(364)在垂直深度上等距离的上下排列在取样水域的水中。
3.根据权利要求2所述的一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，所述载力***包括浮动在海面上的浮子(21)、位于所述浮子(21)的中心正下方的一号固定钢缆(221)、沿浮子(21)的周向等距分布并斜向下方设置的二号固定钢缆(222)、三号固定钢缆(223)和四号固定钢缆(224)；
所述一号固定钢缆(221)，二号固定钢缆(222)、三号固定钢缆(223)、四号固定钢缆(224)的末端分别连接有一号固定配重(231)、二号固定配重(232)、三号固定配重(233)、四号固定配重(234)；
所述第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件和第四进样组件依次按不同深度固定在所述浮子(21)正下方的一号固定钢缆(221)上。
4.根据权利要求2所述的一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，所述取样器(13)内设有分别用于收集所述第一进样组件、第二进样组件、第三进样组件和第四进样组件进样的海水样品的一号取样瓶(131)、二号取样瓶(132)、三号取样瓶(133)、四号取样瓶(134)。
5.根据权利要求1所述的一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，所述电源(11)由太阳能光伏发电板配合蓄电池构成，电源(11)安装保护壳与防腐涂层后安装在载力***上。
6.根据权利要求1所述的一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，所述进样***中的各驱动管、取样管、进样管的管壁内涂覆疏水材料，以阻止海水与水中的浮游生物接触附着，并加强水面***用高压流体对进样***的管路反冲清洗时的效果并防止管路堵塞。
7.根据权利要求2所述的一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，所述自动多通阀门(30)为标准多通的电控多通阀门，其开启与关闭状态可远程控制或按需求定时切换，控制进样***中的一号分支驱动管(311)、二号分支驱动管(312)、三号分支驱动管(313)、四号分支驱动管(314)与总驱动管(31)之间；一号分支取样管(321)、二号分支取样管(322)、三号分支取样管(323)、四号分支取样管(324)与总取样管(32)之间的连接状态。
8.根据权利要求1所述的一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，所述进样阀门控制进样管在海中的进样工作，当进样阀门开启时海水通过进样管进入到所述分支驱动管和分支取样管内，进样阀门关闭时进样***的进样工作停止。
9.根据权利要求1所述的一种用于海洋取样的海水多层原位取样***，其特征在于，所述水质传感器为电子传感器或光纤传感器，用于监测与分析工作水域各深度进样的海水的物质组成情况；
所述进样过滤器的滤网表面涂覆有疏水层，用于过滤海洋中的大型浮游生物、植物与颗粒物，防止进样***内部的管路被堵塞。
10.一种如权利要求2至9任一项所述的用于海洋取样的海水多层原位取样***的取样方法，其特征在于，其步骤是：
S1、开启自动多通阀门(30)让一号分支驱动管(311)、一号分支取样管(321)，二号分支驱动管(312)、二号分支取样管(322)，三号分支驱动管(313)、三号分支取样管(323)，四号分支驱动管(314)、四号分支取样管(324)内的压缩空气通过总驱动管(31)、总取样管(32)排空到海面，总驱动管(31)与总取样管(32)排放1min后关闭自动多通阀门(30)；
S2、开启一号进样阀门(341)、二号进样阀门(342)、三号进样阀门(343)、四号进样阀门(344)，工作区域海水中不同深度的水样分别通过一号进样过滤器(361)、一号水质传感器(351)、一号进样阀门(341)、一号进样管(331)，二号进样过滤器(362)、二号水质传感器(352)、二号进样阀门(342)、二号进样管(332)，三号进样过滤器(363)、三号水质传感器(353)、三号进样阀门(343)、三号进样管(333)，四号进样过滤器(364)、四号水质传感器(353)、四号进样阀门(343)、四号进样管(334)分别进入到一号分支驱动管(311)、一号分支取样管(321)，二号分支驱动管(312)、二号分支取样管(322)，三号分支驱动管(313)、三号分支取样管(323)，四号分支驱动管(314)、四号分支取样管(324)内进样，整个进样过程持续1min后关闭一号进样阀门(341)、二号进样阀门(342)、三号进样阀门(343)、四号进样阀门(344)；
S3、依次按步骤S1和步骤S2的顺序重复步骤S1与步骤S2各6次，完成进样环节；
S4、开启自动多通阀门(30)与气体压缩机(12)，将加压的4MPa空气通过总驱动管(31)注入到一号分支驱动管(311)、二号分支驱动管(312)、三号分支驱动管(313)、四号分支驱动管(314)的管路内，驱动进样的海水样品通过一号分支取样管(321)、二号分支取样管(322)、三号分支取样管(323)、四号分支取样管(324)分别通过总取样管(32)到达水面***上，加压排放样品1min后用取样器(13)内的一号取样瓶(131)、二号取样瓶(132)、三号取样瓶(133)、四号取样瓶(134)收集样品；
S5、关闭自动多通阀门(30)锁住一号分支驱动管(311)、一号分支取样管(321)、二号分支驱动管(312)、二号分支取样管(322)、三号分支驱动管(313)、三号分支取样管(323)、四号分支驱动管(314)、四号分支取样管(324)内的压缩空气，更换取样器(13)内的取样瓶结束取样。
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