专利名称：高纯度保压深海热液取样器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种深海海底取样器，特别涉及一种高纯度保压深海热液取样器。属于海洋技术仪器设备领域。
背景技术：
海底热液是一种分布在大洋深海海底的喷泉喷出的液体，自从1977年在Galapagos Ridge首次发现海底热喷泉以来，科学家们对其中的化学成分和微生物极为关注，为了准确定量地分析海底热液中的主要化学、微生物等成分，需要现场采集这种液体的真实样品，特别要求样品的纯度高，并且在保压条件下储存和提取。由于海底热液喷泉大多处在1000米以上的海底，采样环境具有高温(高达400℃)、高压、强腐蚀性特点，对设备材料和结构要求高，还由于热液喷口断面小、流量有限，要求控制采样速度不致于吸入喷口周围海水，因此采集和储存真实的样品难度大，成本高。目前国内还没有这种成熟的技术和设备，国际上有为数不多的国家先后开发了类似产品。美国海洋技术研究所(WHOI)最新开发的一种气密恒压热液取样器，参见作者Jeffrey S.Seewald，Kenneth W.Doherty，Terence R.Hammar，Stephen P.Liberatore.A new gas-tight isobaric sampler for hydrothermalfluids<一种气密恒压热液取样器>一文，Deep-Sea Research I 49<深海研究>(2001)189-196.该产品主要由蓄压筒、蓄压活塞、连接体、样品筒、样品活塞构成了三个腔室，即蓄压腔、隔离水腔(即蓄压活塞和样品活塞之间的腔体)和样品腔。采样前蓄压腔预充氮气，并特别要求在隔离水腔及吸水管和采样阀死区容积内均注满深海水，其采样速度通过调定的节流孔控制。它具有保压采样、储存和提取特点，但该取样器存在以下三方面缺陷其一，取样器取样前，由于如上所述的吸水管和采样阀死区容积内预注的深海水和夹杂的环境海水(即非样品海水)不能预先排除，采样时随样品同时进入样品腔，影响样品纯度；其二，也因为隔离水腔要求加注现场海底水，以防止样品腔活塞采样移动时残留在样品腔壁上的介质进入样品，增加了操作难度、成本和采样工艺的复杂性；其三，由于采用的是固定的节流孔控制流量，随着采样的进行，蓄压腔氮气压力增高，压差越来越小，从而决定了采样速度越来越慢，影响采样效率。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高纯度保压深海热液取样器，使其具有气体保压、非样品海水预吸并隔离和变阻尼节流控制的功能。
本发明是通过如下的技术方案来实现的，本发明包括蓄压筒、蓄压腔活塞、连接体、“工”字型样品腔活塞、样品筒、阀板、取样阀、吸水管、单向阀机构、变阻尼节流机构、充气阀、微量阀、微量高压泵。样品筒和蓄压筒分别固定在连接体的前后两端，样品筒的内腔设置“工”字型样品腔活塞，蓄压筒的内腔设置蓄压腔活塞，连接体的中心有轴向小孔，从而形成了蓄压腔(A)、隔离水腔(B)、预吸腔(C)和样品腔(D)，“工”字型样品腔活塞的前端设置单向阀机构；变阻尼节流机构由蓄压腔活塞上的节流杆和连接体中心轴向小孔组成，在样品筒的前端依次设置阀板、取样阀、吸水管，在蓄压筒的后面安装充气阀。水面提取样品时，再在充气阀上安装微量高压泵，拆除吸水管用微量阀来代替。
本发明的单向阀机构，由单向阀体、单向阀芯、弹簧组成，弹簧位于单向阀芯后面，并一同置于单向阀体内，单向阀机构安装在“工”字型样品腔活塞的前端中心，单向阀芯略高出“工”字型样品腔活塞的前端面。
本发明的变阻尼节流机构，由节流杆、蓄压腔活塞和连接体中心轴向小孔组成，节流杆固定在蓄压腔活塞的前端中心，连接体中心轴向小孔与节流杆形成周向缝隙。
本发明的工作过程取样前，首先在取样阀上安装真空泵对样品腔抽真空，此时“工”字型样品腔活塞紧靠样品筒的前端，自动顶开单向阀，使样品腔和预吸腔处在真空状态；在隔离水腔(B)注满洁净的海水；根据采样点海域水深，通过充气阀在蓄压腔(A)内预充入压力为采样点压力10％的氮气。
采样时，吸水管对准热液喷口后，打开取样阀，由于“工”字型样品腔活塞的背端有来自预充在蓄压腔(A)氮气压力的作用，取样阀前端及吸水管内的非样品海水首先通过打开的单向阀进入预吸腔(C)，预吸腔(C)充满后，在热液压力的作用下推动“工”字型样品腔活塞向后移动，单向阀自动关闭，这时纯热液样品进入样品腔(D)，采集样品。采样过程中，“工”字型样品腔活塞的移动推动着隔离水腔(B)内的海水通过变阻尼节流机构节流，从而控制其移动速度，隔离水腔(B)内的海水推动蓄压腔活塞移动，压缩蓄压腔(A)的氮气，直到蓄压腔(A)的压力与热液压力平衡，关闭取样阀，完成样品的采集并保压储存。
样品提取时，在充气阀上安装微量高压泵，拆除吸水管用微量阀代替。第一次提取样品前在微量阀上安装真空泵，排除微量阀和取样阀间的气体。每次提取时，由微量高压泵向蓄压腔(A)泵入与提取量等容积的水，以保证样品的恒压。
本发明中特别采用了“工”字型样品腔活塞和在其前端安装单向阀机构。其工作过程是因样品腔活塞呈“工”字型结构，它与样品筒构成了预吸腔(C)。采样前对样品腔(D)抽真空时，“工”字型样品腔活塞移到样品腔(D)的最前端并顶开单向阀芯，打开单向阀，这时预吸腔(C)和样品腔(D)连通并一同被抽真空，采样时取样阀前端及吸水管内的非样品海水首先通过打开的单向阀进入预吸腔(C)，待预吸腔(C)充满后，随着热液的继续吸入，使“工”字型样品腔活塞从样品腔(D)的前端移开，由于预吸腔(C)和样品腔(D)的压力相等，这时在弹簧力的作用下，单向阀芯弹出，单向阀自动关闭，使预吸腔(C)的非样品海水一直与样品腔(D)中的样品隔离。在“工”字型样品腔活塞移动的过程中预吸腔(C)内的非样品海水对样品腔的内壁进行清洗。
本发明中所采用了变阻尼节流机构，其工作过程是采样过程中，隔离水腔(B)内的海水，在通过节流杆与连接体中心轴向小孔形成周向缝隙时产生阻尼。采样开始时，因样品腔(D)与蓄压腔(A)的压差为最大，而此时周向缝隙阻尼段长度为最长，阻尼也最大。随着采样的继续进行，蓄压腔(A)内的氮气压力逐渐升高，压差逐渐减小，但这时蓄压腔活塞带动节流杆移动，使周向缝隙阻尼段长度逐渐缩短，所产生的阻尼也逐渐减小，这样达到了阻尼和压差动态匹配，从而不降低样品腔活塞的移动速度。
本发明具有实质性特点和显著进步，它保持了现有技术中的气压保压补偿技术，钛合金结构材料和氟橡胶密封材料技术。它集采样、保压、非样品海水隔离、采样速度自动补偿技术于一体，结构紧凑。特别是采取了“工”字型样品腔活塞和其前端安装的单向阀机构，使非样品海水预吸并隔离，解决了用现有技术采集的样品中含有吸水管和采样阀死区容积内非样品海水的问题，进一步提高了样品的纯度。同时也正因为预吸腔储存的是环境海底水和部分热液的混合物，避免了现有技术中要求在隔离水腔中预注海底水，相比之下该混合物更接近样品，能更好地起到对样品腔的隔离和其内壁清洗的作用，从而省略了必须预先采集海底水的工艺，降低了工程的成本和工艺难度。本发明还因为采用了变阻尼节流机构，克服了现有技术中使用固定的节流孔来控制节流量造成采样速度递减的弱点，实现阻尼和压差动态匹配，达到自动控制采样速度的目的。本发明适合于高保真要求的深海海底热液流样品的采集。


图1为本发明整机结构剖视图。
图2为本发明“工”字型样品腔活塞和单向阀机构放大3为本发明变阻尼节流机构放大图其中1—蓄压筒，2—蓄压腔活塞，3—连接体，4—“工”字型样品腔活塞，5—样品筒，6—阀板，7—取样阀，8—吸水管，9—单向阀机构，10—变阻尼节流机构，11—充气阀，12—微量阀，13—压力表，14—微量高压泵，15—弹簧，16—单向阀体，17—单向阀芯，18—节流杆，A—蓄压腔，B—隔离水腔，C—预吸腔，D—样品腔。
具体实施例方式
如图1、图2所示，本发明包括蓄压筒1、蓄压腔活塞2、连接体3、“工”字型样品腔活塞4、样品筒5、阀板6、取样阀7、吸水管8、单向阀机构9、变阻尼节流机构10、充气阀11、微量阀12、微量高压泵14，样品筒5和蓄压筒1分别固定在连接体3的前后两端，样品筒5的内腔设置工”字型样品腔活塞4，蓄压筒1的内腔设置蓄压腔活塞2，连接体3的中心有轴向小孔，从而分别形成了蓄压腔A、隔离水腔B、预吸腔C和样品腔D，“工”字型样品腔活塞4前端设置单向阀机构9，变阻尼节流机构10位于蓄压腔活塞2的前端中心，在样品筒5的前端依次设置阀板6、取样阀7、吸水管8，在蓄压筒1的后面设置充气阀11，上述的部分为本发明水下采样时的组成；当水面提取样品时，在充气阀11上设置微量高压泵14，拆除吸水管8用微量阀12来代替。
单向阀机构9，由单向阀体16、单向阀芯17、弹簧15组成，弹簧15位于单向阀芯17后面，并一同置于单向阀体16内，单向阀机构9安装在“工”字型样品腔活塞4的前端中心，单向阀芯17略高出“工”字型样品腔活塞4的前端面。
如图3所示，变阻尼节流机构，由节流杆18、蓄压腔活塞2和连接体3中心轴向小孔组成，节流杆18固定在蓄压腔活塞2的前端中心，连接体3中心轴向小孔与节流杆18形成周向缝隙。
下面结合附图进一步给出
具体实施例方式样品筒1和蓄压筒5分别固定在连接体3的前后两端，样品筒的内腔装有“工”字型样品腔活塞4，蓄压筒的内腔装有蓄压腔活塞2，连接体的中心有轴向小孔，从而形成了蓄压腔(A)、隔离水腔(B)、预吸腔(C)和样品腔(D)，“工”字型样品腔活塞4的前端安装有单向阀机构9，其中单向阀芯略高出“工”字型样品腔活塞4的前端面；蓄压腔活塞上的节流杆和连接体中心轴向小孔构成变阻尼节流机构10；在样品筒5的前端依次安装有阀板6、取样阀7、吸水管8，在蓄压筒1的后面安装充气阀11，由此构成取样器的水下取样部分。
取样前，通过取样阀7对样品腔(D)抽真空，此时“工”字型样品腔活塞4紧靠在样品腔(D)的前端并顶平单向阀机构9的单向阀芯17，自动打开单向阀，使样品腔(D)和预吸腔(C)处在真空状态，排除其腔内的空气防止对样品污染；在隔离水腔(B)注满洁净的海水；根据采样点海域水深，通过充气阀11在蓄压腔(A)内预充入压力为采样点压力10％的氮气。(例如，采样深度为3000米，压力为300bar，则预充的氮气压力为30bar。)水下采样时，取样器通过无人遥控潜水器(ROV)或载人潜水器携带到海底热液喷泉采样点，由机械手操作，使吸水管8对准喷泉，操作人员遥控打开取样阀7。由于“工”字型样品腔活塞4的背端有来自预充在蓄压腔(A)氮气压力的作用，取样阀7的前端和吸水管8内的非样品海水首先通过打开的单向阀进入预吸腔(C)，预吸腔(C)充满后，在热液的压力作用下推动“工”字型样品腔活塞向后移动，这时在弹簧15力的作用下，单向阀芯17弹出，单向阀自动关闭，纯热液样品进入样品腔(D)，采集样品。采样过程中，“工”字型样品腔活塞4的移动推动着隔离水腔(B)内的隔离海水，经过变阻尼节流机构10节流后推动蓄压腔活塞2移动，压缩蓄压腔(A)内的氮气。随着采样的继续进行，样品腔(D)与蓄压腔(A)的压差逐渐减小，而蓄压腔活塞2带动节流杆18移动使周向缝隙阻尼段长度逐渐缩短，从而阻尼也逐渐减小，达到了阻尼和压差动态匹配，不降低样品腔活塞的移动速度，见图3。当蓄压腔(A)的氮气体积压缩到预充体积的1/10时，压力与热液压力(300bar)平衡，关闭取样阀7，完成样品的采集，在氮气的背压下保压储存，将取样器携带到水面。
样品提取时，在充气阀11上安装微量高压泵14，拆除吸水管8用微量阀12来代替，见图1。第一次提取样品前在微量阀12上安装真空泵，排除微量阀12和取样阀7间的气体。每次提取时，由微量高压泵14向蓄压腔(A)泵入与提取量等容积的水，以保证样品腔的恒压。
权利要求
1.一种高纯度保压深海热液取样器，包括蓄压筒(1)、蓄压腔活塞(2)、连接体(3)、样品筒(5)、阀板(6)、取样阀(7)、吸水管(8)、充气阀(11)、微量阀(12)、微量高压泵(14)，其特征在于，还包括“工”字型样品腔活塞(4)、单向阀机构(9)、变阻尼节流机构(10)，样品筒(5)和蓄压筒(1)分别固定在连接体(3)的前后两端，样品筒(5)的内腔设置工”字型样品腔活塞(4)，蓄压筒(1)的内腔设置蓄压腔活塞(2)，连接体(3)的中心有轴向小孔，从而分别形成了蓄压腔(A)、隔离水腔(B)、预吸腔(C)和样品腔(D)，“工”字型样品腔活塞(4)前端设置单向阀机构(9)，变阻尼节流机构(10)位于蓄压腔活塞(2)的前端中心，在样品筒(5)的前端依次设置阀板(6)、取样阀(7)、吸水管(8)，在蓄压筒(1)的后面设置充气阀(11)，上述的部分为本发明水下采样时的组成；当水面提取样品时，在充气阀(11)上设置微量高压泵(14)，拆除吸水管(8)用微量阀(12)来代替。
2.根据权利要求1所述的一种高纯度保压深海热液取样器，其特征是，所述的单向阀机构(9)，由单向阀体(16)、单向阀芯(17)、弹簧(15)组成，弹簧(15)位于单向阀芯(17)后面，并一同置于单向阀体(16)内，单向阀机构(9)安装在“工”字型样品腔活塞(4)的前端中心，单向阀芯(17)略高出“工”字型样品腔活塞(4)的前端面。
3.根据权利要求1所述的一种高纯度保压深海热液取样器，其特征是，所述的变阻尼节流机构，由它由节流杆(18)、蓄压腔活塞(2)和连接体(3)中心轴向小孔组成，节流杆(18)固定在蓄压腔活塞(2)的前端中心，连接体(3)中心轴向小孔与节流杆(18)形成周向缝隙。
全文摘要
一种高纯度保压深海热液取样器。属于海洋技术仪器设备领域。本发明样品筒和蓄压筒分别固定在连接体的前后两端，样品筒内腔设置“工”字型样品腔活塞，蓄压筒内腔设置蓄压腔活塞，连接体中心有轴向小孔，形成了蓄压腔(A)、隔离水腔(B)、预吸腔(C)和样品腔(D)，“工”字型样品腔活塞前端设置单向阀机构，变阻尼节流机构由蓄压腔活塞上的节流杆和连接体中心轴向小孔组成，在样品筒前端依次设置阀板、取样阀、吸水管，在蓄压筒的后面安装充气阀。本发明解决了用现有技术采集的样品中含有吸水管和采样阀死区容积内非样品海水的问题，进一步提高了样品的纯度。本发明能够自动控制采样速度。适用于高保真要求的深海海底热液流样品的采集。
文档编号G01N1/10GK1453567SQ0312904
公开日2003年11月5日 申请日期2003年6月5日 优先权日2003年6月5日
发明者任平, 马厦飞, 朱继懋, 李长春 申请人:上海交通大学