一种自控振动式沉积物采样器制造技术

本发明专利技术公开了一种自控振动式沉积物采样器，属于测量与控制技术及水下沉积物采集领域。该采样器主要由振动器、连接杆、采样管、支撑架和控制单元组成。振动器为采样器提供动力源，支撑架用来确保采样器垂直下降，通过压力传感器检测仪器入水深度，单片机控制模块将信号发送至上位机显示，同时控制振动器的启动与关闭，根据需要，通过调速器可以在线调节振动器频率。本发明专利技术的有益效果是采样效率高、工作稳定、扰动小。具有采样器水下操作可控、结构简单、安装便利、采集原状层理性沉积物样品的特点。适用于水库、河流、湖泊等内陆水域中的沉积物采集。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量与控制技术及水下沉积物采集领域，涉及到一种用于水底沉积物采集，特别涉及到水深较大时的内陆水域水底沉积物采集的采样器。
技术介绍
水底沉积物是水库等水源地水体的重要组成部分，由于多年的污染物累积效应，来自流域的污染物长期蓄积到沉积物中，对水体及其水环境构成威胁。受到沉积特性和污染来源的影响，沉积物在不同深度上的组分和浓度都不同，随着时间的增长，水底沉积物呈现出层理结构。因此，需要深入研究沉积物的特性，其中的关键就是获取原状的层理性沉积物样品。目前，广泛用于水底沉积物取样的设备主要有抓斗式采泥器，重力式沉积物采样器和振动式沉积物采样器等。其中，抓斗式采泥器只能采集表层沉积物，使用时会对样品产生较大的扰动，使得样品混在一起，破坏了沉积物原始的状态，适合于沉积物样品的综合采样调研；重力式沉积物采样器依靠仪器本身的重力砸入沉积物中，采样管的贯入深度取决于仪器重力，较为笨重，使用不方便，对样品产生的扰动较大，而且采样时重力式采样器容易产生倾斜，导致采集不到沉积物样品，采样成功率低；振动式沉积物采样器采用振动方式，利用各种形式的振动器带动采样管振动进入沉积物中获取相应沉积物样品，采样效率相比前两种仪器显著提高。例如丹麦KC-Denmark公司生产的HAPS振动器，可以搭配在相应的沉积物柱状取样器上使用，以振动的方式采集沉积物样品；中国专利技术专利授权公告号101713709公开了一种液体振动取样器，利用海水作为振动器的能量源，从而以振动方式进行沉积物取样。但是这种取样器需要配备较大的气仓，以储备流进来的水，而且该采样器的振动频率不可以进行调节。这些振动采样器大多体积大，使用钻探的方式进行沉积物取样，适用于采集海洋等大环境中固结程度较高的沉积物，而水源水库等地的沉积物一般是由近过去的淤积形成的，主要为较为稀软的沉积物，这与海洋等环境中的沉积物不同，所以这些采样器不适合水源水库等内陆水域中的层理性沉积物采集。由于多年累积的沉积物具有分层的特性，每个层次下的沉积物样品都有其自身特性。根据共振原理，振动器带动采样器振动使得与采样管接触的沉积物产生“液化”现象，破坏采样器与沉积物之间的粘结力，减小沉积物对采样管的侧面阻力，从而使得采样器顺利进入沉积物。当振动器振动频率接近沉积物层的固有频率时，将产生共振，此时最利于振能的利用，液化效果最好。当振动作用最明显时，采样器下降进入沉积物的速度也是最快的，即采样的效率最高。所以为不同层的沉积物选择相应合适的振动频率尤为重要。因此，对振动器进行频率调节能够提高采样的效率。综上所述，前述设备不具备高效采集沉积物样品的采集功能，尤其是针对水源水库等地多年累积的具有分层特点的比较稀软的沉积物样品。需要研发具有采样高效性、稳定性，智能化地采集具有层理结构沉积物等功能的采样器。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种自控振动式沉积物采样器，适用于水库、河流、湖泊等内陆水域的沉积物采集。解决当前沉积物采样器存在的效率低、不稳定、扰动大等问题。同时具有在线调节振动频率、实时测量采样深度等功能。本专利技术的技术方案如下:—种自控振动式沉积物采样器，主要由振动器、连接杆、采样管、支撑架以及控制单元组成。使用缆绳通过吊环固定在振动器的密封外壳上，用来提升装置。电缆与缆绳搭配使用，用来对振动电机、控制单元供电，同时也作为信号收发线使用。振动器由密封外壳和振动电机构成。密封外壳起到保护振动电机并安放传感器和控制单元的作用，其主体由不锈钢管构成，钢管两端使用法兰结构进行密封，密封外壳上部安装有水密接头，用于电缆的接入，同时安装有吊环，用于缆绳的固定；振动电机作为采样器的动力源，是由交流异步电机两端出轴各带动一组完全相同的偏心块旋转产生振动作用构成的振动设备，用来产生振动作用，振动电机的底座固定在密封外壳下部。密封外壳底部焊接有螺纹接口，用于同连接杆连接。连接杆上下两端均有螺纹连接结构，连接杆的上端与振动器密封外壳下端的螺纹连接结构连接，连接杆的下端与采样管上端的螺纹连接结构连接。采样管由内、外两层管组成，外层为不锈钢管，内层为有机玻璃管，其上印有刻度，方便样品采集量的直观读取，内层有机玻璃管安装在外层不锈钢管中。其中，外层采样管上端使用螺纹结构安装可拆卸的端盖，端盖上部有与连接杆连接的螺纹连接结构，端盖下部沿外层采样管一周均有开有三个相同的排水口，用于排出沉积物采样过程中进入采样管的水体。外层采样管下端通过螺纹结构安装楔形采样刀头，使采样管更好地贯入沉积物中。支撑架是为了保证采样管在工作时以垂直的姿态进入沉积物中，主要由连接杆圆环、浮力牵引板、采样管圆环、支架钢管、圆环连接管以及支架脚组成。其中，连接圆环的孔直径与连接杆相匹配，浮力牵引板由两块半圆形浮力牵引板组成，两块半圆形浮力牵引板上端使用固定轴连接，下端使用活页相扣，通过插入螺栓固定连接，三根支架钢管上端压扁后钻有钻孔，通过螺栓和螺母固定在连接杆圆环上，采样圆环的孔直径与采样管相匹配，各通过三根圆环连接管，一端连接在采样管圆环上，一端连接在支架钢管上，从而控制采样管的运动行程。三根支架钢管的底端固定连接三个支架脚，支架脚使用浮力材料构成，和浮力牵引板一起为支撑架提供一定的浮力，使得支撑架呈现半漂浮状态，保证支撑架稳定支撑采样器且支撑架不陷入沉积物中。控制单元主要包括压力传感器、单片机控制模块、继电器、调频器、上位机和电源模块。其中，压力传感器固定密封外壳上部，用来检测仪器入水深度；单片机控制模块用于读取压力传感器检测的压力信号并转化为深度值，利用RS-485串口通信实时将深度值发送至上位机，通过深度信号指导采样工作，同时单片机控制模块控制继电器的开闭状态，从而控制振动电机的开启与关闭；调频器通过旋钮调节振动器的振动频率，实现以不同振动频率进行沉积物采集。上位机一方面实时处理测得的仪器入水深度信号，显示深度曲线，从而指导沉积物采样中振动器的工作状态，另一方面控制振动电机的启动与停止。仪器使用发电机提供电源，通过电源管理模块将交流电转化为需要使用的不同直流电，为振动器、压力传感器、单片机控制模块、继电器等供电。本专利技术相比于现有的抓斗采泥器、重力式沉积物采样器等各类沉积物采样器，弥补了采样效率低、不稳定、扰动大等不足，专利技术了具有水上在线调节振动频率、实时测量采样深度功能的振动式沉积物采样器，具有采样器水下操作可控、结构简单、安装便利、采集原状层理性沉积物样品。【附图说明】图1是振动式沉积物采样器整体结构示意图。图2是振动器及其控制装置构成示意图。图3是支撑架构成示意图。图4是支撑架俯视图。图5是浮力牵引板示意图。图6是采样管的构成示意图。图7是振动式沉积物采样器的控制流程图。图中:1振动器；2连接杆；3支撑架；4采样管；5上位机；1-1电缆线；1-2水密接头；1_3吊环；1_4密封外壳；1_5调速器；1-6压力传感器；1-7继电器；1-8单片机控制模块；1-9电源模块；1-10振动电机；1-11螺纹接口3-1连接杆圆环；3_2浮力牵引板；3-3采样管圆环；3_4采样管圆环；3_5支架钢管；3-6圆环连接管；3-7圆环连接管；3-8支架脚；3-2-1半圆形浮力牵引板；3-2_2固定轴；3_2_3连接活页；4-1螺纹接口 ；4-2上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自控振动式沉积物采样器，主要由振动器(1)、连接杆(2)、支撑架(3)、采样管(4)以及控制单元组成，其特征在于：缆绳固定在振动器(1)的吊环(1‑3)上，电缆接入振动器(1)的密封外壳(1‑4)上端的水密接头(1‑2)；所述的振动器(1)由密封外壳(1‑4)和振动电机(1‑10)组成，振动电机(1‑10)的底座安装在密封外壳(1‑4)中，密封外壳(1‑4)的两端通过法兰结构密封；控制装置的单片机控制模块(1‑8)和压力传感器(1‑6)放置在振动器(1)里；两端带有螺纹的连接杆(2)连接振动器(1)下端和采样管(4)上端；采样管(4)包括外层采样管(4‑4)和内层采样管(4‑5)，其中外层采样管(4‑4)上部使用端盖(4‑2)封住采样管(4)，端盖(4‑2)下部开设有排水口(4‑3)，采样管(4)下部安装有采样刀头(4‑6)；采样管(4)穿过支撑架(3)内部控制采样管(4)运动行程的圆环，利用支撑架(3)提供支撑作用。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许士国，蒋坤，高卫国，崔宝卫，汪天祥，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21