空舱压缩式主动保压原位海水取样器及其取样方法
技术领域
本发明涉及海洋技术仪器设备领域，具体地，涉及一种空舱压缩式主动保压原位海水取样器及其取样方法。
背景技术
随着人类对深海的探秘，对深海中各类深海悬浮颗粒物(含浮游微生物)的研究具有重要意义，这样有助于全面认识海底复杂生态系统。但是由于深海水体的特殊性，在取样上升过程中属于降压转移的处理，而这种处理方式会使得高压水体样品气相溶解组分的散失，有机组分分解以及嗜压型微生物的大量死亡，难以保持样品的原始成分与状态，那么相应地会影响样品的后续处理、分析等研究，导致实验研究结果失真。
经过检索，专利文献CN1453567A公开了一种高纯度保压深海热液取样器。在该专利文献所公开的技术方案中，高纯度保压深海热液取样器包括：蓄压筒、蓄压腔活塞、连接体、样品筒、阀板、取样阀、吸水管、充气阀、微量阀、微量高压泵。该专利文献所公开的技术方案实现了气体保压、非样品海水预吸并隔离和变阻尼节流控制的功能，但是该高纯度保压深海热液取样器无法对采集的海水进行主动保压，因而，保压精度不高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空舱压缩式主动保压原位海水取样器及其取样方法，从而实现对待取样的样品进行主动保压，并且采用该取样装置取样时，保压精度高、安全性能好、操作方便，使用灵活。
根据本发明提供的一种空舱压缩式主动保压原位海水取样器，包括：耐压液舱和主动控压系统；
其中，耐压液舱内设置有取样腔室、加压腔室和隔离元件，取样腔室和加压腔室分布在隔离元件轴向上的两侧；主动控压系统与耐压液舱连接，主动控压系统检测取样腔室和/或加压腔室内的压力，当取样腔室和/或加压腔室内的压力低于设定值后，主动控压系统控制向加压腔室内加压。
优选地，主动控压系统包括：主动压力泵、控制器和压力测量单元，压力测量单元检测取样腔室和/或加压腔室内的压力，压力测量单元将测量到的测量数据上传至所述控制器，由控制器根据测量数据控制主动压力泵调整加压腔室内的压力。
优选地，还包括开关阀，当开关阀处于打开状态时，取样腔室通过开关阀连通至耐压液舱的外界，外界介质通过开关阀进入取样腔室；其中，开关阀由控制器控制开启或关闭。
优选地，在开关阀关闭的情况下，通过控制器的控制，加压腔室能够被主动压力泵持续提供压力。
优选地，主动压力泵连接在耐压液舱靠近加压腔室的一侧，用于向加压腔室注入介质进行加压，以平衡加压腔室与取样腔室的压力。
优选地，耐压液舱在加压腔室的一端设置有密封装置。
优选地，控制器与主动压力泵、压力测量单元和开关阀进行电连接。
优选地，隔离元件在压力的作用下能够在耐压液舱内移动，隔离元件隔绝加压腔室和取样腔室内的介质不会发生混合。
根据本发明提供的一种上述空舱压缩式主动保压原位海水取样器的取样方法，利用所述空舱压缩式主动保压原位海水取样器进行取样。
优选地，空舱压缩式主动保压原位海水取样器的取样方法，包括如下步骤：
取样前S0：将真空泵连接到开关阀，打开开关阀对取样腔室抽真空，所述隔离元件位于远离密封装置的最远端，加压腔室填充少量气体介质，同时开关阀保持关闭；
取样过程S1：当取样器下潜时，开关阀保持关闭状态，隔离元件位于远离密封装置的最远端；当取样器到达取样深度时，控制器打开开关阀，外界介质进入取样腔室，此时所述隔离元件运动到靠近密封装置的最近端；
保压过程S2：当取样完成时，关闭开关阀，取样器开始上升，随着取样深度变浅，取样器内压力开始衰减，压力测量单元测量到取样器内压力变化的数据后上传至控制器，控制器根据测量数据控制主动压力泵对加压腔室注入介质控制压力，加压腔室的压力通过隔离元件传递到取样腔室，保持取样腔室和加压腔室的压力平衡；
输出过程S3：当取样器上升回收至甲板时，控制器控制开关阀打开，取出样品。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用取样器通过主动和/或允许改变加压腔室的容积能够驱使隔离元件发生位移，以改变取样腔室的容积的特征，使主动控压系统对采集的原位海水主动保压，从而达到保压精度高，安全性能好的效果。
2、采用控制器接收压力测量单元检测到的测量数据，根据测量数据控制主动压力泵进行主动保压，使取样器无需在水面上预配置待工作的深度，使用方便灵活性好。
3、采用隔离元件，使得主动压力系统补压增加的介质与采集的样品隔离，不会污染采集的样品。
4、通过主动控压单元对耐压液舱压力主动控制的结构，解决了现有高压气体被动补偿技术压力变化的精度差问题，提高了保压精度。
5、通过主动控压单元对耐压液舱注水的结构，解决了现有高压气体被动补偿技术结构中存在的高压气问题，提高了安全性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明在取样下潜时的示意图；
图3为本发明在取样保压过程中的示意图；
图4为本发明在输出过程时的示意图。
图中：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明是一个空舱压缩式主动保压原位海水取样器，包括：耐压液舱101、开关阀103和主动控压系统。
从图1中可以看出，耐压液舱101内设置有取样腔室1011、加压腔室1012、隔离元件1013和密封装置1014，取样腔室1011和加压腔室1012分布在隔离元件1013轴向上的两侧；密封装置1014设置在加压腔室1012的一端，隔离元件1013隔绝加压腔室1012和取样腔室1011内的介质不会发生混合。
进一步地，主动控压系统包括主动压力泵102、控制器104和压力测量单元105，控制器104与主动压力泵102、压力测量单元105和开关阀103进行电连接。
该取样器通过主动和/或允许改变加压腔室1012的容积能够驱使隔离元件1013发生位移，以改变取样腔室1011的容积。
当开关阀103处于打开状态时，取样腔室1011通过开关阀103连通至耐压液舱101的外界，外界介质通过开关阀103进入取样腔室1011。
当开关阀103处于关闭状态时，耐压液舱101处于完全密闭的状态。其中，开关阀103由控制器104控制开启或关闭。
在开关阀103关闭的情况下，通过控制器104的控制，加压腔室1012能够被主动压力泵102持续提供第二压力。
如图2、图3、图4所示，该取样器利用以下空舱压缩式主动保压原位海水取样器的取样方法进行取样的时，对应地，在取样下潜过程中，取样器的某一状态如图2所示；在取样完成时，取样器的某一状态如图3所示；当取样完成上升的过程中，取样器的某一状态如图4所示。
此外，在本实施例中，控制器104可以根据上位机指令或提前预设的程序完成各项数据采集以及指令输出。
本发明的变化例，下面做进一步说明。
在一个变化例中，如图1所示，压力测量单元105连接在取样腔室1011，但是在取样过程中需要保持加压腔室1012和取样腔室1011的压力相等，因此，压力测量单元105也可连接至加压腔室1012。
在另一个变化例中，主动压力泵102向加压腔室1012注入介质，该介质可以是周围环境的海水，也可以是预置在主动压力泵102吸口的其他液体。
在又一个变化例中，由于基础例的主动控压系统包括主动压力泵102、控制器104和压力测量单元105，可以将主动压力泵102替换为采用了带有压力测量或者自我控制能力的智能泵，即在此实施例中，可以不设置控制器104和压力测量单元105。
工作原理：
当取样器下潜时，加压腔室1011充满压力低于1bar的空气或氮气或其他惰性气体，隔离元件103位于远离密封装置1014的最远端，此时取样腔室1011的容积小到可以忽略不计。当到达取样深度时，控制器104控制开关阀103打开，原位海水通过自身高压进入取样腔室1011，此时，加压腔室1012则因为内部气体被压缩成体积可忽略的极小区域。在取样器上升过程中，通过压力测量单元105不断检测取样腔室1011的压力测量数据，控制器104根据压力测量数据控制主动压力泵102，主动压力泵通过向加压腔室1012中注入介质，使取样腔室1011和加压腔室1012压力相等。隔离元件1013可以将加压腔室1012的压力传递到取样腔室1011，并且隔离元件1013使得取样腔室1011和加压腔室1012内的液体不能混合。
工作步骤：
步骤1：将真空泵连接到开关阀103的出口，打开开关阀103对取样腔室1011抽真空，使隔离元件103位于耐压液舱101最右侧，此时取样腔室1011被清空，加压腔室1012充满绝对压力小于1bar的空气或氮气或其他惰性气体，同时开关阀103保持关闭。
步骤2：取样器下潜到取水目标深度，控制器104控制开关阀103打开，海水通过自身的压力进入取样腔室1011，加压腔室1012则因为内部气体被压缩变成体积可忽略的极小区域。
步骤3：取样器开始回收，随着深度变浅，取样器内压力开始衰减，压力测量单元105测量到取样器内压力变化后上传至控制器104，控制器104控制主动压力泵102对加压腔室1012注水控制压力，加压腔室1012压力通过隔离元件传递到取样腔室1011，但因为隔离元件103的隔离，两个区域的液体不会混合。直至取样器回收至甲板。
根据本发明提供的一种空舱压缩式主动保压原位海水取样器的取样方法，利用空舱压缩式主动保压原位海水取样器进行取样。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
