一种海洋剖面二氧化碳浓度观测装置及其工作方法与流程

1.本发明涉及一种海洋剖面二氧化碳浓度观测装置及其工作方法，属于海洋观测技术领域。


背景技术：

2.二氧化碳是一种常见的温室气体，虽然仅占地球大气总体积的0.041％，但对全球性气候变化有着重要影响。随着化石燃料使用量增多，大气中的二氧化碳含量逐年增加，全球气候变暖现象愈演愈烈，导致极端气候灾害频发。
3.海洋是地球上最大的活跃碳库，能够不断吸收大气中的二氧化碳，维持全球碳循环。利用海水和海洋生物封存二氧化碳，成为降低大气中二氧化碳含量的重要途径。海水中溶解的二氧化碳既能够转移至大气、海底土壤、海洋生物，又能够从海洋的某一区域转移至另一区域，因此，局部海域中溶解二氧化碳的浓度是动态变化的。将单位时间内通过单位面积的碳总量定义为碳通量，因而碳通量可用来描述海洋中溶解二氧化碳的变化过程，是衡量海洋固碳能力的重要指标，也是研究全球碳循环的关键因素。
4.目前，对海洋碳通量的观测主要聚焦于海水与大气之间的交换通量测定以及海水与海底土壤之间的交换通量测定。如中国专利文件cn101852723b公开了一种海气二氧化碳通量测量装置及其测量方法，采用分别抽取水样和气样到二氧化碳分压测量传感器进行测量的方式，得到海气界面的二氧化碳通量，适用于锚定平台的长时间序列自动观测。中国专利文件cn103969402b公开了一种多功能海底通量及沉积物原位采样装置，用悬挂于支架系统上的通量培养皿测量海水与海底沉积物之间的碳通量，可实现无扰动监测。
5.海洋沿垂直剖面的物质交换和沿水平剖面的物质交换均影响二氧化碳浓度的变化，监测海洋水体中二氧化碳通量的变化尤为重要。中国专利文件cn111071390b公开了一种基于多参数传感器的海洋环境信息潜标装置，可将其提及的多参数传感器替换为溶解二氧化碳传感器，实现海洋水体的二氧化碳浓度测量。然而，该装置仅能够测量单点处的二氧化碳浓度，无法测量二氧化碳通量，更无法监测不同水深、不同方向的二氧化碳输运过程。
6.因此，现有海洋二氧化碳浓度观测装置无法监测海洋剖面的二氧化碳浓度，也无法观测海洋水体内部的二氧化碳通量，这成为制约海洋固碳能力相关研究的技术瓶颈。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明提供一种海洋剖面二氧化碳浓度观测装置，能够主动控制观测水深和观测方位，实现海洋剖面二氧化碳浓度的监测，并依靠整流罩和锥形漏斗汇集海水，实现高精度二氧化碳通量的观测，从而为海洋固碳能力相关研究提供技术支撑，助力碳中和相关技术发展。
8.本发明还提供上述海洋剖面二氧化碳浓度观测装置的工作方法。
9.本发明的技术方案如下：
10.一种海洋剖面二氧化碳浓度观测装置，包括观测平台、浮力驱动平台和导向驱动
机构，其中，浮力驱动平台顶端设置有观测平台，通过观测平台观测二氧化碳浓度，浮力驱动平台侧面上设置有导向驱动机构，通过浮力驱动平台和导向驱动机构调整观测平台的观测水深和观测方位。
11.优选的，浮力驱动平台包括舱体、上端盖、下端盖、浮力油囊、储油油囊、内部框架、液压系统和电池，舱体顶端和底端分别设置有上端盖和下端盖，舱体内设置有内部框架，内部框架中部设置有液压系统，液压系统连接有电池，电池置于内部框架底部，上端盖下部设置有储油油囊，储油油囊连接有液压系统，舱体外侧上端设置有浮力油囊，浮力油囊连接有储油油囊，舱体外侧设置有导向驱动机构。装置上升时，液压系统启动，储油油囊内的油抽入浮力油囊，浮力油囊体积变大，浮力增强，带动装置整体上浮，装置下沉时，浮力油囊内的油抽入储油油囊，浮力油囊体积减小，浮力变弱，装置整体下沉，通过浮力油囊使海洋剖面二氧化碳浓度观测装置能够在任意海水深度处悬停。
12.进一步优选的，下端盖外侧设置有底座。通过底座保护下端盖。
13.优选的，观测平台包括导流罩、封盖和二氧化碳传感器，导流罩连接有二氧化碳传感器，导流罩通过导流罩支架连接有封盖，封盖设置于浮力驱动平台顶端。
14.进一步优选的，导流罩支架包括2个竖向支架，2个竖向支架之间通过轴承活动连接有圆形架，圆形架一侧通过轴承连接有垂向驱动电机，圆形架内固定有导流罩，导流罩支架通过转动盘连接至封盖，转动盘中心连接有水平驱动电机，水平驱动电机输出轴穿过封盖。通过垂向驱动电机和水平驱动电机调节导流罩开口方向。
15.优选的，导流罩内设置有锥形漏斗，锥形漏斗通过软管连接有二氧化碳传感器。
16.优选的，导向驱动机构为缆绳连接器或螺旋桨推进器，缆绳连接器用于为浮力驱动平台进行导向，螺旋桨推进器用作水平运动驱动。
17.上述海洋剖面二氧化碳浓度观测装置的工作方法，操作步骤如下：
18.(1)导向驱动机构为缆绳连接器时，缆绳连接器设置于舱体一侧，浮力驱动平台通过缆绳连接器滑动连接于浮台与重锚之间的揽绳；
19.(2)启动液压系统，通过调整浮力油囊的体积调节浮力，使海洋剖面二氧化碳浓度观测装置运行至设定深度；
20.(3)海洋水平方向观测，垂向驱动电机启动，使导流罩中心轴线与水平面平行，然后启动水平驱动电机，使导流罩在水平面内转动，从而使导流罩开口朝向不同的水平方向，在水平方向洋流作用下，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗，再经过锥形漏斗底部的软管，进入二氧化碳传感器；
21.(4)二氧化碳传感器检测记录海水中二氧化碳的浓度与含量，并将已完成检测的海水重新排入海洋；
22.(5)计算当前海水深度、洋流方向下的水平面二氧化碳通量q：
[0023][0024]
上式中，q为二氧化碳传感器检测到的海水中二氧化碳的含量；t为二氧化碳传感器的检测时间，该时间为自设定；s为锥形漏斗的最大横截面积，即海水进入锥形漏斗时的最大面积；
[0025]
(6)完成观测后，海洋剖面二氧化碳浓度观测装置沿缆绳上浮至浮台，将观测到的
数据传输给浮台，浮台再将数据传输给海上基站或陆地基站，完成观测任务。
[0026]
进一步优选的，步骤(3)进行海洋垂直方向和垂直剖面观测，垂向驱动电机启动，使导流罩中心轴线与水平面垂直，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗，再经过锥形漏斗底部的软管，进入二氧化碳传感器，此时为当前的海洋垂直方向观测；
[0027]
液压系统启动，将储油油囊内的油抽入浮力油囊，浮力油囊体积变大，浮力增强，带动海洋剖面二氧化碳浓度观测装置按照设定速度沿缆绳向上运动，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗，再经过锥形漏斗底部的软管，进入二氧化碳传感器，此时为海洋垂直剖面观测。
[0028]
上述海洋剖面二氧化碳浓度观测装置的工作方法，操作步骤如下：
[0029]
(1)导向驱动机构为螺旋桨推进器时，螺旋桨推进器沿舱体外壁面圆周方向均布设置4个；
[0030]
(2)螺旋桨推进器带动海洋剖面二氧化碳浓度观测装置在水平面运动至设定位置，液压系统通过调整浮力油囊的体积调节浮力，使海洋剖面二氧化碳浓度观测装置运行至设定深度；
[0031]
(3)海洋水平方向和水平剖面观测，垂向驱动电机启动，使导流罩中心轴线与水平面平行，然后启动水平驱动电机，使导流罩在水平面内转动，从而使导流罩开口朝向不同的水平方向，在水平方向洋流作用下，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗，再经过锥形漏斗底部的软管，进入二氧化碳传感器，此时为海洋水平方向观测；
[0032]
螺旋桨推进器带动海洋剖面二氧化碳浓度观测装置在水平面按照设定速度运动，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗，再经过锥形漏斗底部的软管，进入二氧化碳传感器，此时为海洋水平剖面观测；
[0033]
海洋垂直方向和垂直剖面观测，垂向驱动电机启动，使导流罩中心轴线与水平面垂直，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗，再经过锥形漏斗底部的软管，进入二氧化碳传感器，此时为当前的海洋垂直方向观测；
[0034]
液压系统启动，将储油油囊内的油抽入浮力油囊，浮力油囊体积变大，浮力增强，带动海洋剖面二氧化碳浓度观测装置按照设定速度向上运动，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗，再经过锥形漏斗底部的软管，进入二氧化碳传感器，此时为海洋垂直剖面观测；
[0035]
(4)二氧化碳传感器检测记录海水中二氧化碳的浓度与含量，并将已完成检测的海水重新排入海洋；
[0036]
(5)计算当前海水深度、洋流方向下的水平面二氧化碳通量q：
[0037][0038]
上式中，q为二氧化碳传感器检测到的海水中二氧化碳的含量；t为二氧化碳传感器的检测时间，该时间为自设定；s为锥形漏斗的最大横截面积，即海水进入锥形漏斗时的最大面积；
[0039]
(6)完成观测后，海洋剖面二氧化碳浓度观测装置上浮至浮台，将观测到的数据传输给浮台，浮台再将数据传输给海上基站或陆地基站，完成观测任务。
[0040]
本发明的有益效果在于：
[0041]
1、本发明能够主动控制观测水深和观测方位，实现海洋剖面二氧化碳浓度的监
测，并依靠整流罩和锥形漏斗汇集海水，实现高精度二氧化碳通量的观测，从而为海洋固碳能力相关研究提供技术支撑，助力碳中和相关技术发展。
[0042]
2、本发明利用垂向驱动电机和水平驱动电机调节导流罩的开口方向，汇集不同来流方向的海水，从而对不同方向的二氧化碳输运过程进行观测。
[0043]
3、本发明利用浮力驱动平台和螺旋桨推进器，能够实现海洋剖面二氧化碳浓度观测装置在垂直剖面和水平剖面内的运动，从而实现海洋不同位置处海水二氧化碳通量的观测以及不同剖面内海水二氧化碳浓度的观测，获取海洋剖面的二氧化碳浓度分布规律。
附图说明
[0044]
图1为本发明的结构示意图；
[0045]
图2为本发明的应用结构示意图；
[0046]
图3为本发明的浮力驱动平台结构示意图；
[0047]
图4为本发明的浮力驱动平台内部结构示意图；
[0048]
图5为本发明的观测平台结构示意图；
[0049]
图6为本发明的导流罩结构示意图；
[0050]
图7为本发明使用缆绳连接器进行垂直方向观测时的结构示意图；
[0051]
图8为本发明使用螺旋桨推进器进行垂直方向观测时的结构示意图；
[0052]
其中：1
‑
观测平台，2
‑
浮力驱动平台，3
‑
缆绳连接器，4
‑
浮台，5
‑
缆绳，6
‑
重锚，7
‑
浮力油囊，8
‑
浮力油囊支座，9
‑
舱体，10
‑
下端盖，11
‑
底座，12
‑
上端盖，13
‑
储油油囊，14
‑
内部框架，15
‑
液压系统，16
‑
电池，17
‑
导流罩支架，18
‑
导流罩，19
‑
垂向驱动电机，20
‑
垂向驱动电机支座，21
‑
转动盘，22
‑
封盖，23
‑
水平驱动电机，24
‑
二氧化碳传感器，25
‑
导流罩端盖，26
‑
锥形漏斗，27
‑
软管，28
‑
螺旋桨推进器。
具体实施方式
[0053]
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0054]
实施例1：
[0055]
如图1
‑
7所示，本实施例提供一种海洋剖面二氧化碳浓度观测装置，包括观测平台1、浮力驱动平台2和导向驱动机构，其中，浮力驱动平台2顶端设置有观测平台1，通过观测平台1观测二氧化碳浓度，浮力驱动平台2侧面上设置有导向驱动机构，通过浮力驱动平台和导向驱动机构调整观测平台的观测水深和观测方位。
[0056]
浮力驱动平台2包括舱体9、上端盖12、下端盖10、浮力油囊7、储油油囊13、内部框架14、液压系统15和电池16，舱体9顶端和底端分别设置有上端盖12和下端盖10，舱体9内设置有内部框架14，内部框架14中部设置有液压系统15，液压系统15连接有电池16，电池16置于内部框架14底部，上端盖12下部设置有储油油囊13，储油油囊13连接有液压系统15，浮力油囊7通过浮力油囊支座8设置于舱体9外侧上端，浮力油囊7连接有储油油囊13，舱体9外侧设置有导向驱动机构。装置上升时，液压系统启动，储油油囊内的油抽入浮力油囊，浮力油囊体积变大，浮力增强，带动装置整体上浮，装置下沉时，浮力油囊内的油抽入储油油囊，浮力油囊体积减小，浮力变弱，装置整体下沉，通过浮力油囊使海洋剖面二氧化碳浓度观测装置能够在任意海水深度处悬停。浮力油囊、储油油囊和液压系统为现有设备，已经广泛应用
于argo剖面浮标、水下滑翔机等海洋观测装备，专利文件cn108248763a和cn110371277b均对浮力调节系统做过详细介绍。
[0057]
下端盖10外侧设置有底座11。通过底座11保护下端盖。
[0058]
观测平台1包括导流罩18、封盖22和二氧化碳传感器24，导流罩18连接有二氧化碳传感器24，导流罩18通过导流罩支架17连接有封盖22，封盖22设置于浮力驱动平台2顶端。
[0059]
导流罩支架17包括2个竖向支架，2个竖向支架之间通过轴承活动连接有圆形架，圆形架一侧通过轴承连接有垂向驱动电机19，垂向驱动电机19通过垂向驱动电机支座20安装于竖向支架外侧，圆形架内固定有导流罩18，导流罩支架17通过转动盘21连接至封盖22，转动盘21中心连接有水平驱动电机23，水平驱动电机23输出轴穿过封盖22。通过垂向驱动电机和水平驱动电机调节导流罩开口方向。封盖下方为舱体，有充足内部空间安装水平驱动电机。
[0060]
舱体、上端盖、下端盖、封盖使浮力驱动平台内部为封闭的空间，海水无法进入浮力驱动平台内部。
[0061]
导流罩18内通过导流罩端盖25安装有锥形漏斗26，锥形漏斗26通过软管27连接有二氧化碳传感器24。
[0062]
导向驱动机构为缆绳连接器3。
[0063]
液压系统、垂向驱动电机、水平驱动电机和二氧化碳传感器均连接有计算机控制系统。
[0064]
上述海洋剖面二氧化碳浓度观测装置的工作方法，操作步骤如下：
[0065]
(1)缆绳连接器3设置于舱体一侧，浮力驱动平台2通过缆绳连接器3滑动连接于浮台4与重锚6之间的揽绳5；
[0066]
(2)启动液压系统15，通过调整浮力油囊7的体积调节浮力，使海洋剖面二氧化碳浓度观测装置运行至设定深度；
[0067]
(3)海洋水平方向观测，垂向驱动电机19启动，使导流罩18中心轴线与水平面平行，然后启动水平驱动电机23，使导流罩18在水平面内转动，从而使导流罩18开口朝向不同的水平方向，在水平方向洋流作用下，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗，再经过锥形漏斗26底部的软管27，进入二氧化碳传感器24；
[0068]
海洋垂直方向和垂直剖面观测，垂向驱动电机19启动，使导流罩18中心轴线与水平面垂直，海水经过导流罩18开口进入锥形漏斗26，再经过锥形漏斗26底部的软管，进入二氧化碳传感器24，此时为当前的海洋垂直方向观测；
[0069]
液压系统启动，将储油油囊13内的油抽入浮力油囊7，浮力油囊7体积变大，浮力增强，带动海洋剖面二氧化碳浓度观测装置按照设定速度沿缆绳5向上运动，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗26，再经过锥形漏斗26底部的软管27，进入二氧化碳传感器24，此时为海洋垂直剖面观测。
[0070]
(4)二氧化碳传感器24检测记录海水中二氧化碳的浓度与含量，并将已完成检测的海水重新排入海洋；
[0071]
(5)计算当前海水深度、洋流方向下的水平面二氧化碳通量q：
[0072]
[0073]
上式中，q为二氧化碳传感器检测到的海水中二氧化碳的含量；t为二氧化碳传感器的检测时间，该时间为自设定；s为锥形漏斗的最大横截面积，即海水进入锥形漏斗时的最大面积；
[0074]
(6)完成观测后，海洋剖面二氧化碳浓度观测装置沿缆绳5上浮至浮台，将观测到的数据传输给浮台，浮台再将数据传输给海上基站或陆地基站，完成观测任务。
[0075]
实施例2：
[0076]
一种海洋剖面二氧化碳浓度观测装置，结构如实施例1所示，不同之处在于，导向驱动机构为螺旋桨推进器28，上述海洋剖面二氧化碳浓度观测装置的操作步骤如下：
[0077]
(1)螺旋桨推进器28沿舱体9外壁面圆周方向均布设置4个，如图8所示；
[0078]
(2)螺旋桨推进器28带动海洋剖面二氧化碳浓度观测装置在水平面运动至设定位置，液压系统通过调整浮力油囊的体积调节浮力，使海洋剖面二氧化碳浓度观测装置运行至设定深度；
[0079]
(3)海洋水平方向和水平剖面观测，垂向驱动电机19启动，使导流罩18中心轴线与水平面平行，然后启动水平驱动电机23，使导流罩18在水平面内转动，从而使导流罩18开口朝向不同的水平方向，在水平方向洋流作用下，海水经过导流罩18开口进入锥形漏斗26，再经过锥形漏斗26底部的软管27，进入二氧化碳传感器24，此时为海洋水平方向观测；
[0080]
螺旋桨推进器28带动海洋剖面二氧化碳浓度观测装置在水平面按照设定速度运动，海水经过导流罩开口进入锥形漏斗26，再经过锥形漏斗26底部的软管，进入二氧化碳传感器24，此时为海洋水平剖面观测；
[0081]
海洋垂直方向和垂直剖面观测，垂向驱动电机19启动，使导流罩18中心轴线与水平面垂直，海水经过导流罩18开口进入锥形漏斗26，再经过锥形漏斗26底部的软管27，进入二氧化碳传感器24，此时为当前的海洋垂直方向观测；
[0082]
液压系统15启动，将储油油囊13内的油抽入浮力油囊7，浮力油囊7体积变大，浮力增强，带动海洋剖面二氧化碳浓度观测装置按照设定速度向上运动，海水经过导流罩18开口进入锥形漏斗26，再经过锥形漏斗26底部的软管，进入二氧化碳传感器，此时为海洋垂直剖面观测；
[0083]
(4)二氧化碳传感器检测记录海水中二氧化碳的浓度与含量，并将已完成检测的海水重新排入海洋；
[0084]
(5)计算当前海水深度、洋流方向下的水平面二氧化碳通量q：
[0085][0086]
上式中，q为二氧化碳传感器检测到的海水中二氧化碳的含量；t为二氧化碳传感器的检测时间，该时间为自设定；s为锥形漏斗的最大横截面积，即海水进入锥形漏斗时的最大面积；
[0087]
(6)完成观测后，海洋剖面二氧化碳浓度观测装置上浮至浮台，将观测到的数据传输给浮台，浮台再将数据传输给海上基站或陆地基站，完成观测任务。