海水氡浓度原位测量系统的制作方法

1.本发明属于海水测量技术领域，尤其涉及一种海水氡浓度原位测量系统。


背景技术：

2.海洋氡同位素示踪技术是从化学角度研究海洋过程的理想手段，天然氡同位素是研究海洋动力学过程的经典示踪剂。由于海洋水体中氡气浓度极低(0.05～3dpm/l)，需要大体积采水，而海水大体积采样及分析测量技术的落后一直制约着相关研究的进展。目前，海水中氡同位素的测量主要局限于实验室内，走航测量技术也仅处于起步阶段，尚无法实现水下原位测量。因而，如何提供一种海水氡浓度原位测量系统，以实现海水氡同位素的水下原位测量，是当前技术解决的一项技术问题。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提供了一种海水氡浓度原位测量系统，能够实现海水氡同位素的水下原位测量。
4.本发明提供一种海水氡浓度原位测量系统，包括：
5.脱气装置，包括用于对海水脱气的脱气舱，以及连接于脱气舱的出气管和回气管；
6.测量装置，包括密封舱体和设置于密封舱体内的气体监控舱和氡探头密封舱，其中，
7.密封舱体具有进气口和出气口，进气口与脱气装置的出气管相连通，出气口与脱气装置的回气管相连通，进气口和出气口分别设有控制阀；
8.气体监控舱内设置有气泵，气泵的进气端通过气路连接于进气口；
9.氡探头密封舱内设有氡探头，氡探头的进气端通过气路连接于气泵的出气端，氡探头的出气端通过气路连接于出气口。
10.在其中一些实施例中，脱气舱包括呈六面体形的舱体框架，舱体框架的顶面封闭，其他面均为脱气端面；每一脱气端面由内至外依次设有端盖、烧结金属滤片、脱气膜和端盖压环，端盖上设有供气体通过的透气孔，端盖压环和端盖通过紧固件紧固连接于舱体框架的脱气端面，烧结金属滤片和脱气膜夹于端盖压环和端盖之间；出气管和回气管均连接于舱体框架的顶面。
11.在其中一些实施例中，舱体框架内填充有干燥剂。
12.在其中一些实施例中，脱气舱为多个，多个脱气舱的出气管依次串联，多个脱气舱的回气管依次串联。
13.在其中一些实施例中，脱气装置还包括用于将多个脱气舱组合在一起的组合框，多个脱气舱排列设置于组合框内，相邻两个脱气舱之间留有间距以供海水通过。
14.在其中一些实施例中，气泵的进气端设有常闭型电磁阀。
15.在其中一些实施例中，气体监控舱内还设有用于监控气体温度、湿度和压力的传感器，传感器安装于气泵的出气端。
16.在其中一些实施例中，氡探头密封舱多个，每个氡探头密封舱内密封一氡探头，氡探头并联连接。
17.在其中一些实施例中，多个氡探头密封舱通过固定支架连接在一起。
18.在其中一些实施例中，密封舱体内还设有系统控制舱，系统控制舱内设有用于控制测量过程的控制单元、用于储存测量数据的存储单元和用于供电的供电单元，控制单元连接氡探头，存储单元连接于控制单元，供电单元分别电连接于控制单元、存储单元、氡探头和气泵。
19.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
20.1、本发明提供的海水氡浓度原位测量系统，通过设置的脱气装置实现了对海水的高效脱气，通过设置的测量装置实现了对脱出气体中氡浓度的测量，从而实现了海水氡同位素的水下原位测量；
21.2、本发明提供的海水氡浓度原位测量系统中，其测量装置通过设置气泵实现整个测量系统的气体循环，实现了氡浓度的主动式测量，测量效率高；
22.3、本发明提供的海水氡浓度原位测量系统中，其测量装置中，多个氡探头并联使用，测量效率高，满足海水氡浓度的快速准确测量，可靠性好，能够满足长期连续测量需求。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1为本发明实施例提供的海水氡浓度原位测量系统的结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的海水氡浓度原位测量系统中脱气装置的结构示意图；
26.图3为本发明实施例提供的脱气装置中脱气舱的结构示意图；
27.图4为本发明实施例提供的脱气装置中脱气舱的爆炸图；
28.图5为本发明实施例提供的海水氡浓度原位测量系统中测量装置的结构示意图；
29.图6为本发明实施例提供的测量装置中密封舱体内部的结构示意图；
30.图7为本发明实施例提供的测量装置中气体监控舱、氡探头密封舱和系统控制舱的连接结构示意图；
31.图8为本发明实施例提供的测量装置中多个氡探头密封舱的连接结构示意图；
32.图中：
33.1、脱气装置；2、测量装置；
34.11、脱气舱；12、出气管；13、回气管；14、组合框；
35.111、舱体框架；112、端盖；1121、透气孔；113、端盖压环；114、烧结金属滤片；115、脱气膜；
36.141、夹持梁；142、连接件；
37.21、密封舱体；22、进气口；23、出气口；24、控制阀；25、水密接插件；26、气体监控舱；27、氡探头密封舱；28、系统控制舱；29、固定支架；
38.261、气泵；262、常闭型电磁阀；263、传感器；
39.281、控制单元；282、存储单元；283、供电单元。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.如图1所示，本发明实施例提供了一种海水氡浓度原位测量系统，包括脱气装置1和测量装置2。
44.其中，脱气装置1用于对海水脱气，以便于后续检测气体中的氡浓度。如图2-图4所示，脱气装置1包括用于对海水脱气的脱气舱11，以及连接于脱气舱11的出气管12和回气管13。海水中的气体进入脱气舱11内，经出气管12输送至测量装置2，检测后的气体再经回气管13返回至脱气舱11，进而从脱气舱11排出。
45.本实施例中，如图3和图4所示，脱气舱11包括呈六面体形的舱体框架111(优选为正方体形)，舱体框架111的顶面封闭，其他面均为脱气端面；每一脱气端面由内至外依次设有端盖112、烧结金属滤片114、脱气膜115和端盖压环113，端盖112上设有供气体通过的透气孔1121，端盖压环113和端盖112通过紧固件紧固连接于舱体框架111的脱气端面，烧结金属滤片114和脱气膜115夹于端盖压环113和端盖112之间；出气管12和回气管13均连接于舱体框架111的顶面。其中，端盖112具有承压作用，其上开设的透气孔1121可供气体通过；烧结金属滤片114在保证气体通过的同时，对脱气膜115起支撑作用；脱气膜115起气液分离作用；端盖压环113用于对脱气膜115密封固定。本实施例中，采用呈六面体形设计的脱气舱11，大大增加了脱气膜115的面积；同时，在使用时，有更高概率使一侧脱气端面迎着洋流，而另一侧脱气端面背对洋流，从而使迎着洋流一侧的脱气膜115的脱气效率成倍提高，使背对洋流一侧的脱气膜115更好的排出气体，有效提高了海水向脱气舱11内脱气及脱气舱11向外排气的效率，无需利用深水泵来增加流速，降低了成本和功耗；而且，脱气舱11迎着洋流面可以减少生物附着，能够更好的满足长期连续测量的需求。同时，本实施例采用的这种脱气舱11，其5个脱气端面的脱气膜115相互独立，可在一次测量时安装不同品牌型号的脱气膜115，不同的脱气膜115厚度、孔径不同，在不同的水深下脱气效率不同，通过安装不同性质的脱气膜115，可以保证不同水深时的脱气效率，满足海水剖面原位测量的需求。
46.为了加快气体富集速度，优选的，舱体框架111内填充有干燥剂，以满足不同的测量需求，同时可减小舱体内部的体积，加快气体的富集。
47.为了进一步加快气体富集速度，如图2所示，本实施例中，脱气舱11为多个，多个脱气舱11的出气管12依次串联，多个脱气舱11的回气管13依次串联。需要说明的是，脱气舱11
的数量可以根据不同测量需求进行调整，拓宽了使用场景。
48.为了便于脱气舱11的组合使用，如图2所示，本实施例中，脱气装置1还包括用于将多个脱气舱11组合在一起的组合框14，多个脱气舱11排列设置于组合框14内，相邻两个脱气舱11之间留有间距以供海水通过。通过设置的组合框14，能够将脱气舱11组合在一起，便于脱气舱11的下放、使用和回收。具体的，组合框14具体包括相对设置的两根夹持梁141，两根夹持梁141分别位于脱气舱11的上方和下方，两根夹持梁141通过连接件142可拆卸紧固连接，以将多个脱气舱11夹于两根支持梁之间。在组合脱气舱11时，只需将脱气舱11放在两根夹持梁141之间并排列好，利用连接件142将两根夹持梁141紧固连接即可，脱气舱11组合操作简便。需要说明的是，本实施例中，连接件142具体为长螺栓。为了提高结构稳定性，优选的，组合框14成对设置，成对设置的两个组合框14分别夹于脱气舱11相对两侧的两个端盖112上。为了便于脱气舱11的串联连接，优选的，脱气舱11排成一排。
49.上述海水氡浓度原位测量系统中，测量装置2用于测量气体中的氡浓度。如图5-图8所示，测量装置2包括密封舱体21和设置于密封舱体21内的气体监控舱26和氡探头密封舱27，其中，密封舱体21具有进气口22和出气口23，进气口22与脱气装置1的出气管12相连通，出气口23与脱气装置1的回气管13相连通，进气口22和出气口23分别设有控制阀24；气体监控舱26内设置有气泵261，气泵261的进气端通过气路连接于进气口22；氡探头密封舱27内设有氡探头，氡探头的进气端通过气路连接于气泵261的出气端，氡探头的出气端通过气路连接于出气口23。脱气装置1出气管12输送的气体经进气口22通过气体监控舱26中设置的气泵261输送至氡探头密封舱27中设置的氡探头处进行检测，实现氡浓度的主动式测量，检测后的气体经出气口23流出测量装置2回到脱气装置1中排回至海水中。
50.上述测量装置2中，如图5所示，密封舱体21采用圆柱形设计，用于实现各子舱体及其他结构的内部固定及整体密封。进气口22和出气口23分别设置于密封舱体21的轴向两端，进气口22和出气口23均采用软管并安装控制阀24，实现气体流量控制及漏水保护。密封舱体21及其内各舱的材质可根据不同水深选用聚甲醛、316l或者钛合金等材质。
51.上述测量装置2中，如图6和图7所示，气体监控舱26内封装气泵261，实现整个测量系统的气体循环，达到主动式测量需求，同时，通过气体监控舱26的封装，使气泵261远离氡探头密封舱27，避免气泵261工作时振动对氡探头及其他硬件电路等产生干扰。优选的，如图7所示，气泵261的进气端设有常闭型电磁阀262，正常工作时，常闭型电磁阀262导通，断电或遇水短路时常闭型电磁阀262自动截止，防止海水进入气泵261内。为了监控气体状态，优选的，如图7所示，气体监控舱26内还设有用于监控气体温度、湿度和压力的传感器263，传感器263安装于气泵261的出气端。需要说明的是，传感器263为温湿压一体传感器，也可以分别设置温度传感器、湿度传感器和压力传感器。
52.上述测量装置2中，氡探头密封舱27用于封装氡探头，本实施例中，氡探头优选为脉冲电离式氡探头，其灵敏度和探测效率几乎不受脱出气体中湿度的影响。如图8所示，本实施例中，氡探头密封舱27多个，每个氡探头密封舱27内密封一氡探头，氡探头并联连接。本实施例中，氡探头密封舱27采用模块化方式设计，便于氡气的快速富集，提高测量灵敏度，同时避免各氡探头彼此之间的干扰，在氡探头发生故障时可快速更换。需要说明的是，如图6和图8所示，本实施例中，气泵261出气端的气路通过多通接头分为多路，以分别连接每个氡探头的进气端，从而确保气体均匀进入各并联的氡探头中；并联的氡探头的出气端
通过多通接头连接在一起以连接于密封舱体21的出气口23。还需要说明的是，氡探头的数量可以根据不同的测量需求进行增减，本实施例中，具体为5个。为了固定氡探头密封舱27，如图8所示，多个氡探头密封舱27通过固定支架29连接在一起。
53.进一步的，为了便于控制测量过程并存储测量数据，如图6和图7所示，密封舱体21内还设有系统控制舱28，系统控制舱28内设有用于控制测量过程的控制单元281、用于储存测量数据的存储单元282和用于供电的供电单元283，控制单元281分别连接氡探头和传感器263，存储单元282连接于控制单元281，供电单元283分别电连接于控制单元281、存储单元282、氡探头、气泵261和传感器263，控制单元281、存储单元282和供电单元283均连接于密封舱体21上设置的水密接插件25以连接外部电源并与外部通信。系统控制舱28负责对电控系统的封装，采用密封设计，避免漏水短路。可以理解的是，控制单元281具体可以为stm32微控制器，存储单元282具体可以为sd卡，供电单元283具体可以为lm2596多路开关电源。此外，需要说明的是，也可以在系统控制舱28内增加电池，以去掉外部的供电和通信，实现完全自容模式。
54.上述海水氡浓度原位测量系统的使用方法如下：
55.(1)将脱气装置1和测量装置2组装后下放到指定测量海域，通过水密缆给系统控制舱28上电，控制单元281对氡探头、传感器263及存储单元282等进行上电初始化；
56.(2)控制单元281对氡探头及传感器263等进行自检，判断工作是否正常；若正常，给常闭型电磁阀262上电，实现常闭型电磁阀262导通，并开启气泵261实现气体的循环；若异常，进行重新上电初始化，并将异常信息通过水密缆上传至外部监控软件。
57.(3)完成自检后，控制单元281对氡探头和传感器263进行采样频率设置，开始数据采集和存储。
58.(4)测量过程中，控制单元281对氡探头进行实时监测，若某一个氡探头无数据上报或数据明显异于其他氡探头的测量数据，控制单元281可单独对该氡探头进行重新上电初始化，若仍无法恢复正常，则对故障氡探头进行标记的同时只记录其余氡探头的测量数据。
59.(5)测量完成后，通过控制单元281依次对气泵261、常闭型电磁阀262、氡探头及传感器263等设备进行断电保护，然后将整个测量系统取回，将水密缆断开并安装水密堵头进行防水保护，最后用清水进行冲洗后擦拭干净保存。
60.通过对本发明海水氡浓度原位测量系统的多个实施例的说明，可以看到本发明海水氡浓度原位测量系统至少具有以下一种或多种优点：
61.1、本发明提供的海水氡浓度原位测量系统，通过设置的脱气装置1实现了对海水的高效脱气，通过设置的测量装置2实现了对脱出气体中氡浓度的测量，从而实现了海水氡同位素的水下原位测量；
62.2、本发明提供的海水氡浓度原位测量系统中，其测量装置2通过设置气泵261实现整个测量系统的气体循环，实现了氡浓度的主动式测量，测量效率高；
63.3、本发明提供的海水氡浓度原位测量系统中，其测量装置2中，多个氡探头并联使用，测量效率高，满足海水氡浓度的快速准确测量，可靠性好，能够满足长期连续测量需求。
64.最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
65.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。