具有原位取样装置的高压海底模拟系统及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供具有原位取样装置的高压海底模拟系统，包括高压模拟舱，和环境条件控制单元，在高压模拟舱上安装有压力平衡舱，压力平衡舱中设置有压力控制器、开关阀门和移动导轨；在移动导轨上设置有取样器；开关阀门设置在压力平衡舱两端；压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器的控制端均与环境条件控制单元电性连接。本发明专利技术还提供该系统的控制方法，通过在高压模拟舱内模拟深海原位环境及其演化条件；再通过在压力平衡舱中设置压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器有效避免了投资巨大，人员难以亲临深海直接原位操控实验的难题，取出的样品可以直接用于研究，不会发生显著性状改变，确保研究结果的合理有效性。

【技术实现步骤摘要】
具有原位取样装置的高压海底模拟系统及其控制方法
本专利技术涉及海洋工程
，更具体的，涉及一种具有原位取样装置的高压海底模拟系统及其控制方法。
技术介绍
深海是海洋系统的重要组成部分，深海高压、黑暗、寡营养等极端环境塑造了特殊的生命过程。深海孕育了热液、冷泉、海山、深海平原等特殊生态系统，深海资源潜力巨大，同时深海还对上层海洋系统热量耗散和碳循环中扮演重要角色，是调节全球气候变化的重要环节。不仅如此，深海还蕴藏着丰富的油气藏资源和锰结核等矿产资源。深海进入、深海探测、深海开发的科技实力决定了国家海洋科技水平的空间与高度。但是迄今为止，人类对深海的认识还知之甚少，各海洋强国谁先启动，谁先进入，谁先掌握关键技术，将在蓝色圈地运动中掌握主动权。对深海资源、环境、生态系统和极端生命的认知是当今地球科学、能源科学和生命科学的前沿和热点。常规的实验模拟深海生态系统以及资源开采过程等不能反演其高压、低温/高温等极端环境，深海现场取样研究投资巨大，人员难以亲临深海直接原位操控实验，将样品带回现场实验面临样品脱离原位环境后物理、化学、生物性状发生显著改变等问题。
技术实现思路
本专利技术为克服现有的深海现场取样存在投资巨大、操作困难且将样品带回现场实验面临样品脱离原位环境后物理、化学、生物性状发生显著改变不利于研究的技术缺陷，提供一种具有原位取样装置的高压海底模拟系统及其控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：具有原位取样装置的高压海底模拟系统，包括高压模拟舱，在所述高压模拟舱中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元、海底界面模拟单元、海底下伏沉积物模拟单元；还包括环境条件控制单元，用于装置内部环境条件的控制；其中：在所述高压模拟舱上安装有压力平衡舱，所述压力平衡舱中设置有压力控制器、开关阀门和移动导轨；在所述移动导轨上设置有取样器；所述开关阀门设置在所述压力平衡舱两端；所述压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器的控制端均与所述环境条件控制单元电性连接。上述方案中，通过在高压模拟舱内模拟深海原位环境，真实模拟海底界面、海底下伏沉积物和海底上覆水环境，在保证深海原位物理、化学、地质环境条件的基础上，通过环境条件控制单元内置的部件和参数模拟不同形态和不同形式的深海情况；通过在压力平衡舱中设置压力控制器、开关阀门、移动导轨和取样器有效避免了投资巨大，人员难以亲临深海直接原位操控实验的难题，取出的样品可以直接用于研究，不会发生显著改变，确保研究结果的有效性。上述方案中，高压模拟舱主要为模拟海底系统提供空间环境，材质为耐压材料；其中压力平衡舱和取样器是本专利技术的核心部件。压力平衡舱主要为进入高压模拟舱进行装样和取样提供压力平衡转换条件，将待取样品和取样器从高压海底模拟系统进入实验状态条件提供压力转换条件，或者将待投放至高压海底模拟系统的样品和取样器从实验状态条件进入高压模拟系统提供压力转换条件。压力平衡舱具有个可开启通道，一边连接高压海底模拟系统，一边连接实验状态环境系统。压力平衡舱除了保证压力平衡的功能外，还提供将取样器和样品送入/送出高压模拟舱提供空间条件。其中，所述压力平衡舱设置在所述海底界面模拟单元上，由所述取样器对海底界面模拟单元进行样品的投放或采集。上述方案中，所述取样器可以是移动导轨控制取样器或遥控机器人等实现方式。其中，所述取样器包括连接底座、旋转台、夹持机构和控制电路；其中：所述取样器通过所述连接底座设置在所述移动导轨上；所述旋转台安装在所述连接底座上；所述夹持机构安装在所述旋转台上；所述连接底座、旋转台、夹持机构控制端均与所述控制电路电性连接；所述控制电路与所述环境条件控制单元电性连接。上述方案中，在取样器动作过程中，控制电路驱动连接底座在移动导轨上滑动，实现取样器的水平移动；控制电路驱动旋转台，旋转台带动夹持机构作360°旋转，实现取样器的多角度取样；控制电路驱动夹持机构做夹持或送开动作，实现取样取对样本的夹取或投放。上述方案中，取样器可在压力平衡舱与高压海底模拟系统内自由收放移动，且在高压海底模拟系统内可以自由移动，具有对海底模拟系统内的样品具有360度自由取样功能，同时，取样器上可搭载照明设备，为取样器进入高压海底模拟系统内取样提供光源，为取样器进行精准取样操作提供条件。其中，所述移动导轨包括导轨主体、链条推动装置和驱动电机；其中：所述连接底座安装在所述导轨主体上；所述导轨主体底部设置在链条推动装置上；所述链条推动装置通过所述驱动电机进行驱动；所述驱动电机控制端与所述环境条件控制单元电性连接。上述方案中，通过驱动电机驱动链条推动装置进行转动，铰接在链条推动装置的导轨主体将被推出或回缩，正常情况下移动导轨可以完全容纳在压力平衡舱内；当需要投放或采集样品时，可以将移动导轨推出至高压模拟舱中，确保取样器可以到达同一水平线上的所有位置，方便样品的投放或采集。其中，在所述海底上覆海水环境模拟单元，通过在海底界面的上覆空间填充与实际海底环境一致或者相近的海水，实现对于海底界面以上的海洋底层水环境的模拟。其中，所述海底下伏沉积物模拟单元用于对沉积物进行化学分带模拟，沉积物的化学分带自下而上包括厌氧氧化带和次氧氧化带，用于研究海底洋流与海底沉积物分布的交互影响。其中，所述环境条件控制单元包括温度控制装置、压力检测装置、水气循环装置、液体注入装置和处理终端；所述水气循环装置、液体注入装置均与所述处理终端电性连接；所述水气循环装置一端通口设置在所述高压模拟舱顶部，另一端设置在高压模拟舱上，实现高压模拟舱内气液流体的循环；所述温度控制装置包括若干个温度传感器和环壁温度控制器，所述温度传感器均匀地设置在高压模拟舱内各地质分层环境中，温度传感器信号输出端与所述处理终端输入端电性连接；所述环壁温度控制器包裹在所述高压模拟舱外壁，其控制端与所述处理终端输出端电性连接；所述压力检测装置包括若干个压力传感器，所述压力传感器均匀地设置在高压模拟舱内各地质分层中；所述压力传感器信号输出端与所述处理终端输入端电性连接；所述液体注入装置与所述高压模拟舱底部连接；所述处理终端与所述控制电路、驱动电机电性连接。上述方案中，通过温度控制装置和水气循环装置对海底水体系统内的气液流体进行循环和温度控制，保证高压模拟舱的温度分布一直保持与海底原位条件相近的状态。水气循环装置主要包括多台循环泵、换热机组、流速控制元件等。同时在模拟舱外部包覆水循环夹套，并且在不同层位均匀布设温度传感器，实时监测系统内的温度变化。上述方案中，压力检测装置主要是提供海底系统模拟的深海压力环境条件。主要包括气液注入增压系统和压力监测控制系统，保持模拟舱内的压力环境与海底原位条件相近的状态，并且在不同层位均匀布设压力传感器，实时监测系统内的压力变化。其中，所述处理终端包括数据采集器、中央处理器、存储器和显示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：包括高压模拟舱(1)，在所述高压模拟舱(1)中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元(2)、海底界面模拟单元(3)、海底下伏沉积物模拟单元(4)；还包括环境条件控制单元(5)，用于装置内部环境条件的控制；其中：/n在所述高压模拟舱(1)上安装有压力平衡舱(6)，所述压力平衡舱(6)中设置有压力控制器(61)、开关阀门(62)和移动导轨(63)；在所述移动导轨(63)上设置有取样器(7)；/n所述开关阀门(62)设置在所述压力平衡舱(6)两端；/n所述压力控制器(61)、开关阀门(62)、移动导轨(63)和取样器(7)的控制端均与所述环境条件控制单元(5)电性连接。/n

【技术特征摘要】
1.具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：包括高压模拟舱(1)，在所述高压模拟舱(1)中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元(2)、海底界面模拟单元(3)、海底下伏沉积物模拟单元(4)；还包括环境条件控制单元(5)，用于装置内部环境条件的控制；其中：
在所述高压模拟舱(1)上安装有压力平衡舱(6)，所述压力平衡舱(6)中设置有压力控制器(61)、开关阀门(62)和移动导轨(63)；在所述移动导轨(63)上设置有取样器(7)；
所述开关阀门(62)设置在所述压力平衡舱(6)两端；
所述压力控制器(61)、开关阀门(62)、移动导轨(63)和取样器(7)的控制端均与所述环境条件控制单元(5)电性连接。


2.根据权利要求1所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：所述压力平衡舱(6)设置在所述海底界面模拟单元(3)上，由所述取样器(7)对海底界面模拟单元(3)进行样品的投放或采集。


3.根据权利要求2所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：所述取样器(7)包括连接底座、旋转台、夹持机构和控制电路；其中：
所述取样器(7)通过所述连接底座设置在所述移动导轨(63)上；
所述旋转台安装在所述连接底座上；
所述夹持机构安装在所述旋转台上；
所述连接底座、旋转台、夹持机构控制端均与所述控制电路电性连接；
所述控制电路与所述环境条件控制单元(5)电性连接。


4.根据权利要求3所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：所述移动导轨(63)包括导轨主体、链条推动装置和驱动电机；其中：
所述连接底座安装在所述导轨主体上；
所述导轨主体底部设置在链条推动装置上；
所述链条推动装置通过所述驱动电机进行驱动；
所述驱动电机控制端与所述环境条件控制单元(5)电性连接。


5.根据权利要求4所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：在所述海底上覆海水环境模拟单元(2)，通过在海底界面的上覆空间填充与实际海底环境一致或者相近的海水，实现对于海底界面以上的海洋底层水环境的模拟。


6.根据权利要求4所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：所述海底下伏沉积物模拟单元(4)用于对沉积物进行化学分带模拟，沉积物的化学分带自下而上包括厌氧氧化带(41)和次氧氧化带(42)，用于研究海底洋流与海底沉积物分布的交互影响。


7.根据权利要求1～6任一项所述的具有原位取样装置的高压海底模拟系统，其特征在于：所述环境条件控制单元(5)包括温度控制装置(51)、压力检测装置(52)、水气循环装置(53)、液体注入装置(54)和处理终端(55)；
所述水气循环装置(53)、液体注入装置(54)均与所述处理终端(55)电性连接；
所述水气循环装置(53)一端通口设置在所述高压模拟舱(1)顶部，另一端设置在高压模拟舱(1)上，实现高压模拟舱(1)内气液流体的循环；
所述温度控制装置(51)包括若干个温度传感器和环壁温度控制器，所述温度传感器(511)均匀地设置在高压模拟舱(1)内各地质分层中，温度传感器(511)信号输出端与所述处理终端(55)输入端电性连接；所述环壁温...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯景春，张偲，杨志峰，蔡宴鹏，孙龙涛，朱琴，
申请(专利权)人：广东工业大学，南方海洋科学与工程广东省实验室广州，
类型：发明
国别省市：广东;44