專(zhuān)利名稱(chēng)：高純度保壓深海熱液取樣器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種深海海底取樣器，特別涉及一種高純度保壓深海熱液取樣器。屬于海洋技術(shù)儀器設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
海底熱液是一種分布在大洋深海海底的噴泉噴出的液體，自從1977年在Galapagos Ridge首次發(fā)現(xiàn)海底熱噴泉以來(lái)，科學(xué)家們對(duì)其中的化學(xué)成分和微生物極為關(guān)注，為了準(zhǔn)確定量地分析海底熱液中的主要化學(xué)、微生物等成分，需要現(xiàn)場(chǎng)采集這種液體的真實(shí)樣品，特別要求樣品的純度高，并且在保壓條件下儲(chǔ)存和提取。由于海底熱液噴泉大多處在1000米以上的海底，采樣環(huán)境具有高溫(高達(dá)400℃)、高壓、強(qiáng)腐蝕性特點(diǎn)，對(duì)設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)要求高，還由于熱液噴口斷面小、流量有限，要求控制采樣速度不致于吸入噴口周?chē)Ｋ?，因此采集和?chǔ)存真實(shí)的樣品難度大，成本高。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這種成熟的技術(shù)和設(shè)備，國(guó)際上有為數(shù)不多的國(guó)家先后開(kāi)發(fā)了類(lèi)似產(chǎn)品。美國(guó)海洋技術(shù)研究所(WHOI)最新開(kāi)發(fā)的一種氣密恒壓熱液取樣器，參見(jiàn)作者Jeffrey S.Seewald，Kenneth W.Doherty，Terence R.Hammar，Stephen P.Liberatore.A new gas-tight isobaric sampler for hydrothermalfluids<一種氣密恒壓熱液取樣器>一文，Deep-Sea Research I 49<深海研究>(2001)189-196.該產(chǎn)品主要由蓄壓筒、蓄壓活塞、連接體、樣品筒、樣品活塞構(gòu)成了三個(gè)腔室，即蓄壓腔、隔離水腔(即蓄壓活塞和樣品活塞之間的腔體)和樣品腔。采樣前蓄壓腔預(yù)充氮?dú)?，并特別要求在隔離水腔及吸水管和采樣閥死區(qū)容積內(nèi)均注滿深海水，其采樣速度通過(guò)調(diào)定的節(jié)流孔控制。它具有保壓采樣、儲(chǔ)存和提取特點(diǎn)，但該取樣器存在以下三方面缺陷其一，取樣器取樣前，由于如上所述的吸水管和采樣閥死區(qū)容積內(nèi)預(yù)注的深海水和夾雜的環(huán)境海水(即非樣品海水)不能預(yù)先排除，采樣時(shí)隨樣品同時(shí)進(jìn)入樣品腔，影響樣品純度；其二，也因?yàn)楦綦x水腔要求加注現(xiàn)場(chǎng)海底水，以防止樣品腔活塞采樣移動(dòng)時(shí)殘留在樣品腔壁上的介質(zhì)進(jìn)入樣品，增加了操作難度、成本和采樣工藝的復(fù)雜性；其三，由于采用的是固定的節(jié)流孔控制流量，隨著采樣的進(jìn)行，蓄壓腔氮?dú)鈮毫υ龈?，壓差越?lái)越小，從而決定了采樣速度越來(lái)越慢，影響采樣效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高純度保壓深海熱液取樣器，使其具有氣體保壓、非樣品海水預(yù)吸并隔離和變阻尼節(jié)流控制的功能。
本發(fā)明是通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括蓄壓筒、蓄壓腔活塞、連接體、“工”字型樣品腔活塞、樣品筒、閥板、取樣閥、吸水管、單向閥機(jī)構(gòu)、變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)、充氣閥、微量閥、微量高壓泵。樣品筒和蓄壓筒分別固定在連接體的前后兩端，樣品筒的內(nèi)腔設(shè)置“工”字型樣品腔活塞，蓄壓筒的內(nèi)腔設(shè)置蓄壓腔活塞，連接體的中心有軸向小孔，從而形成了蓄壓腔(A)、隔離水腔(B)、預(yù)吸腔(C)和樣品腔(D)，“工”字型樣品腔活塞的前端設(shè)置單向閥機(jī)構(gòu)；變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)由蓄壓腔活塞上的節(jié)流桿和連接體中心軸向小孔組成，在樣品筒的前端依次設(shè)置閥板、取樣閥、吸水管，在蓄壓筒的后面安裝充氣閥。水面提取樣品時(shí)，再在充氣閥上安裝微量高壓泵，拆除吸水管用微量閥來(lái)代替。
本發(fā)明的單向閥機(jī)構(gòu)，由單向閥體、單向閥芯、彈簧組成，彈簧位于單向閥芯后面，并一同置于單向閥體內(nèi)，單向閥機(jī)構(gòu)安裝在“工”字型樣品腔活塞的前端中心，單向閥芯略高出“工”字型樣品腔活塞的前端面。
本發(fā)明的變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)，由節(jié)流桿、蓄壓腔活塞和連接體中心軸向小孔組成，節(jié)流桿固定在蓄壓腔活塞的前端中心，連接體中心軸向小孔與節(jié)流桿形成周向縫隙。
本發(fā)明的工作過(guò)程取樣前，首先在取樣閥上安裝真空泵對(duì)樣品腔抽真空，此時(shí)“工”字型樣品腔活塞緊靠樣品筒的前端，自動(dòng)頂開(kāi)單向閥，使樣品腔和預(yù)吸腔處在真空狀態(tài)；在隔離水腔(B)注滿潔凈的海水；根據(jù)采樣點(diǎn)海域水深，通過(guò)充氣閥在蓄壓腔(A)內(nèi)預(yù)充入壓力為采樣點(diǎn)壓力10％的氮?dú)狻?br> 采樣時(shí)，吸水管對(duì)準(zhǔn)熱液噴口后，打開(kāi)取樣閥，由于“工”字型樣品腔活塞的背端有來(lái)自預(yù)充在蓄壓腔(A)氮?dú)鈮毫Φ淖饔?，取樣閥前端及吸水管內(nèi)的非樣品海水首先通過(guò)打開(kāi)的單向閥進(jìn)入預(yù)吸腔(C)，預(yù)吸腔(C)充滿后，在熱液壓力的作用下推動(dòng)“工”字型樣品腔活塞向后移動(dòng)，單向閥自動(dòng)關(guān)閉，這時(shí)純熱液樣品進(jìn)入樣品腔(D)，采集樣品。采樣過(guò)程中，“工”字型樣品腔活塞的移動(dòng)推動(dòng)著隔離水腔(B)內(nèi)的海水通過(guò)變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)節(jié)流，從而控制其移動(dòng)速度，隔離水腔(B)內(nèi)的海水推動(dòng)蓄壓腔活塞移動(dòng)，壓縮蓄壓腔(A)的氮?dú)猓钡叫顗呵?A)的壓力與熱液壓力平衡，關(guān)閉取樣閥，完成樣品的采集并保壓儲(chǔ)存。
樣品提取時(shí)，在充氣閥上安裝微量高壓泵，拆除吸水管用微量閥代替。第一次提取樣品前在微量閥上安裝真空泵，排除微量閥和取樣閥間的氣體。每次提取時(shí)，由微量高壓泵向蓄壓腔(A)泵入與提取量等容積的水，以保證樣品的恒壓。
本發(fā)明中特別采用了“工”字型樣品腔活塞和在其前端安裝單向閥機(jī)構(gòu)。其工作過(guò)程是因樣品腔活塞呈“工”字型結(jié)構(gòu)，它與樣品筒構(gòu)成了預(yù)吸腔(C)。采樣前對(duì)樣品腔(D)抽真空時(shí)，“工”字型樣品腔活塞移到樣品腔(D)的最前端并頂開(kāi)單向閥芯，打開(kāi)單向閥，這時(shí)預(yù)吸腔(C)和樣品腔(D)連通并一同被抽真空，采樣時(shí)取樣閥前端及吸水管內(nèi)的非樣品海水首先通過(guò)打開(kāi)的單向閥進(jìn)入預(yù)吸腔(C)，待預(yù)吸腔(C)充滿后，隨著熱液的繼續(xù)吸入，使“工”字型樣品腔活塞從樣品腔(D)的前端移開(kāi)，由于預(yù)吸腔(C)和樣品腔(D)的壓力相等，這時(shí)在彈簧力的作用下，單向閥芯彈出，單向閥自動(dòng)關(guān)閉，使預(yù)吸腔(C)的非樣品海水一直與樣品腔(D)中的樣品隔離。在“工”字型樣品腔活塞移動(dòng)的過(guò)程中預(yù)吸腔(C)內(nèi)的非樣品海水對(duì)樣品腔的內(nèi)壁進(jìn)行清洗。
本發(fā)明中所采用了變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)，其工作過(guò)程是采樣過(guò)程中，隔離水腔(B)內(nèi)的海水，在通過(guò)節(jié)流桿與連接體中心軸向小孔形成周向縫隙時(shí)產(chǎn)生阻尼。采樣開(kāi)始時(shí)，因樣品腔(D)與蓄壓腔(A)的壓差為最大，而此時(shí)周向縫隙阻尼段長(zhǎng)度為最長(zhǎng)，阻尼也最大。隨著采樣的繼續(xù)進(jìn)行，蓄壓腔(A)內(nèi)的氮?dú)鈮毫χ饾u升高，壓差逐漸減小，但這時(shí)蓄壓腔活塞帶動(dòng)節(jié)流桿移動(dòng)，使周向縫隙阻尼段長(zhǎng)度逐漸縮短，所產(chǎn)生的阻尼也逐漸減小，這樣達(dá)到了阻尼和壓差動(dòng)態(tài)匹配，從而不降低樣品腔活塞的移動(dòng)速度。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，它保持了現(xiàn)有技術(shù)中的氣壓保壓補(bǔ)償技術(shù)，鈦合金結(jié)構(gòu)材料和氟橡膠密封材料技術(shù)。它集采樣、保壓、非樣品海水隔離、采樣速度自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)于一體，結(jié)構(gòu)緊湊。特別是采取了“工”字型樣品腔活塞和其前端安裝的單向閥機(jī)構(gòu)，使非樣品海水預(yù)吸并隔離，解決了用現(xiàn)有技術(shù)采集的樣品中含有吸水管和采樣閥死區(qū)容積內(nèi)非樣品海水的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了樣品的純度。同時(shí)也正因?yàn)轭A(yù)吸腔儲(chǔ)存的是環(huán)境海底水和部分熱液的混合物，避免了現(xiàn)有技術(shù)中要求在隔離水腔中預(yù)注海底水，相比之下該混合物更接近樣品，能更好地起到對(duì)樣品腔的隔離和其內(nèi)壁清洗的作用，從而省略了必須預(yù)先采集海底水的工藝，降低了工程的成本和工藝難度。本發(fā)明還因?yàn)椴捎昧俗冏枘峁?jié)流機(jī)構(gòu)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中使用固定的節(jié)流孔來(lái)控制節(jié)流量造成采樣速度遞減的弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻尼和壓差動(dòng)態(tài)匹配，達(dá)到自動(dòng)控制采樣速度的目的。本發(fā)明適合于高保真要求的深海海底熱液流樣品的采集。


圖1為本發(fā)明整機(jī)結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖2為本發(fā)明“工”字型樣品腔活塞和單向閥機(jī)構(gòu)放大3為本發(fā)明變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)放大圖其中1—蓄壓筒，2—蓄壓腔活塞，3—連接體，4—“工”字型樣品腔活塞，5—樣品筒，6—閥板，7—取樣閥，8—吸水管，9—單向閥機(jī)構(gòu)，10—變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)，11—充氣閥，12—微量閥，13—壓力表，14—微量高壓泵，15—彈簧，16—單向閥體，17—單向閥芯，18—節(jié)流桿，A—蓄壓腔，B—隔離水腔，C—預(yù)吸腔，D—樣品腔。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括蓄壓筒1、蓄壓腔活塞2、連接體3、“工”字型樣品腔活塞4、樣品筒5、閥板6、取樣閥7、吸水管8、單向閥機(jī)構(gòu)9、變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)10、充氣閥11、微量閥12、微量高壓泵14，樣品筒5和蓄壓筒1分別固定在連接體3的前后兩端，樣品筒5的內(nèi)腔設(shè)置工”字型樣品腔活塞4，蓄壓筒1的內(nèi)腔設(shè)置蓄壓腔活塞2，連接體3的中心有軸向小孔，從而分別形成了蓄壓腔A、隔離水腔B、預(yù)吸腔C和樣品腔D，“工”字型樣品腔活塞4前端設(shè)置單向閥機(jī)構(gòu)9，變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)10位于蓄壓腔活塞2的前端中心，在樣品筒5的前端依次設(shè)置閥板6、取樣閥7、吸水管8，在蓄壓筒1的后面設(shè)置充氣閥11，上述的部分為本發(fā)明水下采樣時(shí)的組成；當(dāng)水面提取樣品時(shí)，在充氣閥11上設(shè)置微量高壓泵14，拆除吸水管8用微量閥12來(lái)代替。
單向閥機(jī)構(gòu)9，由單向閥體16、單向閥芯17、彈簧15組成，彈簧15位于單向閥芯17后面，并一同置于單向閥體16內(nèi)，單向閥機(jī)構(gòu)9安裝在“工”字型樣品腔活塞4的前端中心，單向閥芯17略高出“工”字型樣品腔活塞4的前端面。
如圖3所示，變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)，由節(jié)流桿18、蓄壓腔活塞2和連接體3中心軸向小孔組成，節(jié)流桿18固定在蓄壓腔活塞2的前端中心，連接體3中心軸向小孔與節(jié)流桿18形成周向縫隙。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步給出
具體實(shí)施例方式樣品筒1和蓄壓筒5分別固定在連接體3的前后兩端，樣品筒的內(nèi)腔裝有“工”字型樣品腔活塞4，蓄壓筒的內(nèi)腔裝有蓄壓腔活塞2，連接體的中心有軸向小孔，從而形成了蓄壓腔(A)、隔離水腔(B)、預(yù)吸腔(C)和樣品腔(D)，“工”字型樣品腔活塞4的前端安裝有單向閥機(jī)構(gòu)9，其中單向閥芯略高出“工”字型樣品腔活塞4的前端面；蓄壓腔活塞上的節(jié)流桿和連接體中心軸向小孔構(gòu)成變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)10；在樣品筒5的前端依次安裝有閥板6、取樣閥7、吸水管8，在蓄壓筒1的后面安裝充氣閥11，由此構(gòu)成取樣器的水下取樣部分。
取樣前，通過(guò)取樣閥7對(duì)樣品腔(D)抽真空，此時(shí)“工”字型樣品腔活塞4緊靠在樣品腔(D)的前端并頂平單向閥機(jī)構(gòu)9的單向閥芯17，自動(dòng)打開(kāi)單向閥，使樣品腔(D)和預(yù)吸腔(C)處在真空狀態(tài)，排除其腔內(nèi)的空氣防止對(duì)樣品污染；在隔離水腔(B)注滿潔凈的海水；根據(jù)采樣點(diǎn)海域水深，通過(guò)充氣閥11在蓄壓腔(A)內(nèi)預(yù)充入壓力為采樣點(diǎn)壓力10％的氮?dú)狻?例如，采樣深度為3000米，壓力為300bar，則預(yù)充的氮?dú)鈮毫?0bar。)水下采樣時(shí)，取樣器通過(guò)無(wú)人遙控潛水器(ROV)或載人潛水器攜帶到海底熱液噴泉采樣點(diǎn)，由機(jī)械手操作，使吸水管8對(duì)準(zhǔn)噴泉，操作人員遙控打開(kāi)取樣閥7。由于“工”字型樣品腔活塞4的背端有來(lái)自預(yù)充在蓄壓腔(A)氮?dú)鈮毫Φ淖饔?，取樣閥7的前端和吸水管8內(nèi)的非樣品海水首先通過(guò)打開(kāi)的單向閥進(jìn)入預(yù)吸腔(C)，預(yù)吸腔(C)充滿后，在熱液的壓力作用下推動(dòng)“工”字型樣品腔活塞向后移動(dòng)，這時(shí)在彈簧15力的作用下，單向閥芯17彈出，單向閥自動(dòng)關(guān)閉，純熱液樣品進(jìn)入樣品腔(D)，采集樣品。采樣過(guò)程中，“工”字型樣品腔活塞4的移動(dòng)推動(dòng)著隔離水腔(B)內(nèi)的隔離海水，經(jīng)過(guò)變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)10節(jié)流后推動(dòng)蓄壓腔活塞2移動(dòng)，壓縮蓄壓腔(A)內(nèi)的氮?dú)?。隨著采樣的繼續(xù)進(jìn)行，樣品腔(D)與蓄壓腔(A)的壓差逐漸減小，而蓄壓腔活塞2帶動(dòng)節(jié)流桿18移動(dòng)使周向縫隙阻尼段長(zhǎng)度逐漸縮短，從而阻尼也逐漸減小，達(dá)到了阻尼和壓差動(dòng)態(tài)匹配，不降低樣品腔活塞的移動(dòng)速度，見(jiàn)圖3。當(dāng)蓄壓腔(A)的氮?dú)怏w積壓縮到預(yù)充體積的1/10時(shí)，壓力與熱液壓力(300bar)平衡，關(guān)閉取樣閥7，完成樣品的采集，在氮?dú)獾谋硥合卤簝?chǔ)存，將取樣器攜帶到水面。
樣品提取時(shí)，在充氣閥11上安裝微量高壓泵14，拆除吸水管8用微量閥12來(lái)代替，見(jiàn)圖1。第一次提取樣品前在微量閥12上安裝真空泵，排除微量閥12和取樣閥7間的氣體。每次提取時(shí)，由微量高壓泵14向蓄壓腔(A)泵入與提取量等容積的水，以保證樣品腔的恒壓。
權(quán)利要求
1.一種高純度保壓深海熱液取樣器，包括蓄壓筒(1)、蓄壓腔活塞(2)、連接體(3)、樣品筒(5)、閥板(6)、取樣閥(7)、吸水管(8)、充氣閥(11)、微量閥(12)、微量高壓泵(14)，其特征在于，還包括“工”字型樣品腔活塞(4)、單向閥機(jī)構(gòu)(9)、變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)(10)，樣品筒(5)和蓄壓筒(1)分別固定在連接體(3)的前后兩端，樣品筒(5)的內(nèi)腔設(shè)置工”字型樣品腔活塞(4)，蓄壓筒(1)的內(nèi)腔設(shè)置蓄壓腔活塞(2)，連接體(3)的中心有軸向小孔，從而分別形成了蓄壓腔(A)、隔離水腔(B)、預(yù)吸腔(C)和樣品腔(D)，“工”字型樣品腔活塞(4)前端設(shè)置單向閥機(jī)構(gòu)(9)，變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)(10)位于蓄壓腔活塞(2)的前端中心，在樣品筒(5)的前端依次設(shè)置閥板(6)、取樣閥(7)、吸水管(8)，在蓄壓筒(1)的后面設(shè)置充氣閥(11)，上述的部分為本發(fā)明水下采樣時(shí)的組成；當(dāng)水面提取樣品時(shí)，在充氣閥(11)上設(shè)置微量高壓泵(14)，拆除吸水管(8)用微量閥(12)來(lái)代替。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純度保壓深海熱液取樣器，其特征是，所述的單向閥機(jī)構(gòu)(9)，由單向閥體(16)、單向閥芯(17)、彈簧(15)組成，彈簧(15)位于單向閥芯(17)后面，并一同置于單向閥體(16)內(nèi)，單向閥機(jī)構(gòu)(9)安裝在“工”字型樣品腔活塞(4)的前端中心，單向閥芯(17)略高出“工”字型樣品腔活塞(4)的前端面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純度保壓深海熱液取樣器，其特征是，所述的變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)，由它由節(jié)流桿(18)、蓄壓腔活塞(2)和連接體(3)中心軸向小孔組成，節(jié)流桿(18)固定在蓄壓腔活塞(2)的前端中心，連接體(3)中心軸向小孔與節(jié)流桿(18)形成周向縫隙。
全文摘要
一種高純度保壓深海熱液取樣器。屬于海洋技術(shù)儀器設(shè)備領(lǐng)域。本發(fā)明樣品筒和蓄壓筒分別固定在連接體的前后兩端，樣品筒內(nèi)腔設(shè)置“工”字型樣品腔活塞，蓄壓筒內(nèi)腔設(shè)置蓄壓腔活塞，連接體中心有軸向小孔，形成了蓄壓腔(A)、隔離水腔(B)、預(yù)吸腔(C)和樣品腔(D)，“工”字型樣品腔活塞前端設(shè)置單向閥機(jī)構(gòu)，變阻尼節(jié)流機(jī)構(gòu)由蓄壓腔活塞上的節(jié)流桿和連接體中心軸向小孔組成，在樣品筒前端依次設(shè)置閥板、取樣閥、吸水管，在蓄壓筒的后面安裝充氣閥。本發(fā)明解決了用現(xiàn)有技術(shù)采集的樣品中含有吸水管和采樣閥死區(qū)容積內(nèi)非樣品海水的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了樣品的純度。本發(fā)明能夠自動(dòng)控制采樣速度。適用于高保真要求的深海海底熱液流樣品的采集。
文檔編號(hào)G01N1/10GK1453567SQ0312904
公開(kāi)日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者任平, 馬廈飛, 朱繼懋, 李長(zhǎng)春 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)