基于顺序控制器的海洋漂浮式自动采样器

1.本发明属于海水水样采集技术领域，具体涉及一种基于顺序控制器的海洋漂浮式自动采样器。


背景技术：

2.海洋是地球上最大的基因资源库。尤其是深海海域蕴藏了丰富的石油、天然气等油气资源，是地球上尚未被人类充分认识与利用的最大潜在战略资源基地，近几年来，随着能源问题的加剧，深海能源开发及研究的重要性也日渐凸出。因此国际社会对国际海域遗传资源普遍重视。无论发达国家还是发展中国家，都认识到了海洋遗传资源的重大潜在应用价值。因此随着海洋开发的进行，海洋水样的提取技术日益受到重视。海底沉积物和海水的取样是寻找和勘探海洋油气资源及微生物资源的第一步 , 是进行工程地质勘察和环境生态研究的基础。
3.海洋水样的提取方式很多，按其工作方式目前主要有：人工潜水、设置管道泵吸、及机械设备潜水等采样方式，传统的采样器例如重力箱式、抓斗及活塞柱状取样器等。但这些传统的取样器在使用及回收过程中均需投放大量的缆绳，缆绳长度极易限制投放深度，装置在水中取样时底部触礁造成装置损坏几率大，增大了使用成本，且由于科学家在研究海床水体的化学成分以及水生系统的生物化学循环过程时，需要得到一定时间间隔的海水样品，而目前现有的大多数海水采样装置无法满足这样的要求。中国发明专利，申请号201510403876.5，申请日2015.07.08公开了定时海水采样装置，该装置通过在单片机内设置中断的时间，控制电机的定时旋转，从而使活塞杆压杆在针筒内拉伸，实现采集固定时间间隔的海水样品，方便海水样品的对比研究，且海水采集在针筒中，可以定量取样并且取样方便，但该装置在水中悬浮时容易遭受海浪冲击而侧翻，且在收集过程中底部的单向阀容易撞击海底礁石造成装置损伤，扩大使用成本和维修成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种能够自动定时采集海水样体且能够具有较高漂浮稳定性和防撞效果的基于顺序控制器的海洋漂浮式自动采样器。
5.本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：基于顺序控制器的海洋漂浮式自动采样器，包括：浮球，浮球下方设有自动采样器，浮球外侧在水平方向上环绕布设多个辅助组件，自动采样器为底部开口的圆柱壳体，自动采样器内环绕布设多个互相连接的采样瓶，任一采样瓶的底部连接有过滤头以及电磁单向阀，自动采样器内壁在采样瓶上方固定有第一隔板，第一隔板上放置有水泵，水泵连接有总管，任一采样瓶的上端面连通有分管，分管向上汇聚并与总管连通。浮球提供整体浮力，保证装置漂浮于水面采集上层水样，浮球对自动采集器外侧上方形成防护，避免外部撞击产生振动从而干涉水泵工作，不同方向的外部水体冲击浮球时，水流能沿着浮球表面流动从而缓和冲击力，一方面避免装置倾覆，另一方面避免装置被急流冲走导致装置无法采集
到指定区域的水样，也降低了回收的困难性，水泵通过总管和分管改变各个采样瓶内压强，外部水体在压强作用下依次经过电磁单向阀、过滤头最终进入采样瓶完成水样自动采集，电磁单向阀有效防止已采集的水样向下流出，避免样体流失导致水样检测结果不准确，过滤头将水体中大型颗粒过滤，避免颗粒物在采样瓶内形成堵塞，也避免颗粒在采样瓶内堆积增加装置重量。
6.优选地，自动采样器的内部下方设有第二隔板，各个过滤头穿过第二隔板并形成连接，第二隔板的上方中心处安装有电机，电机的转轴穿过第二隔板且末端位于电磁单向阀的下方，电机的转轴在末端连接有转动阀门，转动阀门上设有流通口。第二隔板用于架设电机，电机位于自动采样器下方中心，降低装置整体重心，提升了装置漂浮的稳定性，电机启动后能通过旋转的电机转轴带动转动阀门转动，从而使转动阀门上的流通口依次经过各个电磁单向阀的下方，使水体在不同时段被收集到各个采样瓶中从而装置获得更丰富的水样，从而有利于提升水样检测数据准确性。
7.优选地，自动采样器的内部顶端固定有gps定位器和单片机，电机和水泵上均设有与单片机无线连接的控制模块。gps定位器便于人员精准发现装置并回收，避免装置随水流漂浮至离岸较远处难以被岸上人员发现，单片机内写入定时程序和中断程序，并发出脉冲信号控制电机定时定角度转动，完成各个采样瓶依次准确采样，有利于提升水样采集的准确性。
8.优选地，辅助组件包括第一辅助浮杆与第二辅助浮杆，第一辅助浮杆一端与浮球铰接连接，第一辅助浮杆另一端固定有十字轴万向节，第一辅助浮杆与第二辅助浮杆通过十字轴万向节形成连接，第二辅助浮杆的末端可转动地设有辅助浮块。辅助浮块与第一辅助浮杆以及第二辅助浮杆增加了装置整体浮力，且第一辅助浮杆以及第二辅助浮杆使辅助浮块以较大的圆周直径环绕在浮球外围，增加了装置漂浮的稳定性，在海浪冲击浮球时，辅助浮块一方面带动第二辅助浮杆在十字轴万向节处上下摆动，从而带动第一辅助浮杆在浮球侧方铰接处上下摆动，通过摆动有助于不断调整辅助组件相对浮球的水平面倾角，从而适应海面的波动，有利于使装置以较高垂直的在漂浮于海面，提升采样过程的稳定性，另一方面辅助浮块能带动第二辅助浮杆在十字轴万向节处做水平摆动，从而消耗水平方向上的波浪能量，降低浮球受到的侧方冲击力，进一步提升装置的稳定性，辅助浮块带动第二辅助浮杆向第一辅助浮杆靠近形成倾角，侧方水波能量冲击各个辅助组件带动浮球转动，旋转产生的水波纹干涉侧方水流，能有效消耗外侧波浪对浮球的冲击力，减小水泵以及gps定位器受到的外部干涉，增长装置使用寿命，同时各个辅助组件弯曲后彼此靠近，形成浮球侧方的环形保护，能有效阻挡海面垃圾靠近装置影响装置周围水质，从而影响采集到的水样的数据准确性。
9.优选地，相邻两个辅助浮块之间连接有柔性连接杆。柔性连接杆一方面加固相邻辅助浮块的连接，避免辅助浮块受冲击导致第二辅助浮杆与第一辅助浮杆折断，另一方面柔性连接杆在受冲击后发生弹性形变，能够消耗水波能量，进而提升装置漂浮稳定性，装置需要收回时，岸上人员能勾住柔性连接杆将装置拉回岸边，便于回收，辅助浮块在受冲击靠近浮球时，能通过柔性连接杆使各个辅助组件向浮球中心处聚拢，从而消耗水波能量，柔性连接杆能进一步阻挡海面垃圾向中心处中部浮球的靠近。
10.优选地，自动采样器的底部外侧固定有轴承，轴承外圈固定有环状浮体，环状浮体
内设有多个铰接组件，铰接组件包括穿插在环状浮体侧壁的配重杆，配重杆末端铰接连接有第一铰接杆，任一第一铰接杆底部连接有第二铰接杆，任一第一铰接杆侧方铰接连接有第三铰接杆，第三铰接杆末端固定有配重块。环状浮体提供装置底部部分浮力，水流冲击自动采样器底部侧方时，水流能沿着环状浮体表面流动从而缓冲部分冲击力，配重杆和配重块对装置底部配重，保证采样瓶在水中有较高的垂直稳定性，有利于取样，配重块在受水流冲击时能通过第三铰接杆在第二铰接杆和第一铰接杆连接处的摆动来改变空间位置，从而调整装置重心，以提升装置稳定性，铰接组件整体环绕布设在环状浮体外侧，对环状浮体形成有效防护，避免装置底部在漂浮过程中撞击到礁石从而破损，且在配重块撞击到礁石时能通过第三铰接杆、第二铰接杆以及第一铰接杆的摆动来消耗冲击能量，避免第三铰接杆、第二铰接杆以及第一铰接杆受撞断裂，装置底部的铰接组件受水流扰动时，带动环状浮体在轴承上转动，一方面能通过旋转来消耗水流扰动，另一方面转动的环状浮体能不断调整各个铰接组件的方位，降低底部的配重块与第三铰接杆卡在礁石上的几率，环状浮体带动铰接组件产生的漩涡水流一方面能产生向下推力，帮助装置离开礁石，降低装置撞击受损风险，另一方面能驱散装置周围的水生生物靠近装置，有利于提高采样准确性。
11.优选地，第一铰接杆底部末端穿插有限位柱，第二铰接杆在上下端面开设有矩形通槽，第二铰接杆两侧开设有滑槽，第一铰接杆末端位于矩形通槽内，且限位柱的两端穿过两侧的滑槽，第一铰接杆末端一侧与第二铰接杆之间设有第一弹簧，第三铰接杆与第一铰接杆另一侧之间连接有第二弹簧。限位柱在滑槽内滑移，第一铰接杆末端能在矩形通槽内滑移，在配重块撞击礁时，配重块带动第三铰接杆下压第一铰接杆使限位柱在滑槽内压缩第一弹簧，通过第一弹簧形变来换冲配重块的冲击力，第一弹簧恢复形变反向推动第一铰接杆，使第三铰接杆带动配重块向外推出，有利于装置在撞击到礁石后反向弹起并迅速离开，避免装置长时间停留在礁石附近影响取样，第二弹簧对第三铰接杆限位，避免第三限位杆与配重块撞击第二铰接杆，且第二弹簧在形变过程中能缓冲配重块撞击产生的能量，减小传递至第一铰接杆和第二铰接杆的能量从而避免受震断裂，装置放置在岸上时，铰接组件架设自动采样器使其底部距离地面一定高度，避免装置磨损。
12.本发明由于采用了单片机控制自动采样器定时采样，并通过辅助组件和铰接组件对装置上下部形成防护，因而具有如下有益效果：单片机内设置定时程序，控制自动采样器按顺序采集固定时间间隔的海水样品有利于海水样品对比研究；辅助组件对装置侧方防护的同时，能多方向自适应调整姿态，有利于保持装置垂直地悬浮，增加装置采样时的稳定性；铰接组件在水流作用下带动环状浮体转动，可有效消耗水流冲击，保持装置稳定；配重块对装置底部配重，有利于装置垂直漂浮；第一弹簧和第二弹簧的设置有利于配重块接触礁石后反向弹出。降低了装置触礁卡死的几率。
13.因此，本发明是一种能够自动定时采集海水样体且能够具有较高漂浮稳定性和防撞效果的基于顺序控制器的海洋漂浮式自动采样器。
附图说明
14.图1为装置整体示意图；图2为浮球半剖示意图；图3为电机示意图；
图4为辅助组件示意图；图5为铰接组件示意图；图6为控制部分连接示意图；图7为采集控制流程示意图。
15.附图标号：浮球.1； 自动采样器.2；采样瓶.20；过滤头.200；电磁单向阀.201；第一隔板.21；水泵.22；总管.23；分管.24；第二隔板.25；电机.26；转动阀门.27；流通口.28；gps定位器.3；单片机.4；辅助组件.5；第一辅助浮杆.50；十字轴万向节.51；第二辅助浮杆.52；辅助浮块.53；柔性连接杆.54；轴承.6；环状浮体.7；铰接组件.8；配重杆.80；第一铰接杆.81；限位柱.810；第二铰接杆.82；矩形通槽.820；滑槽.821；第一弹簧.822；第三铰接杆.83；第二弹簧.831；配重块.84。
具体实施方式
16.以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
17.参见附图1-2，基于顺序控制器的海洋漂浮式自动采样器2，包括：浮球1，浮球1下内部向下穿插固定有自动采样器2，自动采样器2为底部开口的圆柱壳体，自动采样器2内环绕布设多个互相连接的采样瓶20，任一采样瓶20的底部连接有过滤头200，任一过滤头200的管口处安装有电磁单向阀201，自动采样器2内壁固定有第一隔板21，第一隔板21位于采样瓶20上方，第一隔板21上放置有水泵22，水泵22的抽水端口连接有总管23，总管23向下弯曲穿过所述第一隔板21中心处，任一采样瓶20的上端面连通有分管24，多个分管24向上汇聚并与总管23下端口连通。
18.浮球1采用轻质浮体材料，能提供装置整体浮力，浮球1能使自动采样器2漂浮于上层水体采集上层水样，同时浮球1对自动采集器浮出水面部分形成防护，避免水面漂浮物撞击自动采集器产生振动从而干涉水泵22工作，不同方向的外部水体冲击浮球1时，水流沿着浮球1的球形曲面流动从而缓和冲击力和水流流速，一方面避免装置倾覆导致无法采样，另一方面减小装置被急流冲走，导致无法采集到指定区域水样，同时也降低装置回收的困难性，水泵22通过总管23和分管24改变各个采样瓶20内压强，外部水体在压强作用下依次经过电磁单向阀201、过滤头200最终进入采样瓶20完成水样自动采集，电磁单向阀201有效防止已采集的水样向下流出，避免样体流失导致水样检测结果不准确，过滤头200将水体中大型颗粒过滤，避免颗粒物在采样瓶20内形成堵塞，也避免颗粒在采样瓶20内堆积增加装置重量。
19.参见附图3，自动采样器2的内壁固定有第二隔板25，各个过滤头200穿过第二隔板25并形成连接，第二隔板25的上方中心处安装有电机26，电机26转轴向下穿过第二隔板25且末端连接有转动阀门27，转动阀门27的上端面与过滤头200下方末端开口面处于同一水平高度并紧密贴合，转动阀门27上设有流通口28。自动采样器2的内部顶端固定有gps定位器3和单片机4，电机26和水泵22上均设有与单片机4无线连接的控制模块。
20.电机26位于自动采样器2下方中心，降低装置整体重心，有效提升了装置漂浮的稳
定性，电机26启动后能通过转轴带动转动阀门27转动，从而使转动阀门27上的流通口28依次经过各个电磁单向阀201的下方，水体能从流通口28流入并经过该流通口28上方的电磁单向阀201以及过滤头200被压强吸入采样瓶20中，gps定位器3便于人员精准发现装置并回收，避免装置随水流漂浮至离岸较远处难以被岸上人员发现。
21.参见附图4，浮球1外侧在水平方向上环绕布设多个辅助组件5，辅助组件5包括第一辅助浮杆50与第二辅助浮杆52，第一辅助浮杆50一端与浮球1铰接连接，第一辅助浮杆50另一端固定有十字轴万向节51，第一辅助浮杆50与第二辅助浮杆52通过十字轴万向节51形成连接，十字轴万向节51包括两个分别与第一辅助浮杆50与第二辅助浮杆52固定的传动轴叉以及与两个轴叉转动连接的十字轴，第二辅助浮杆52的末端可转动地设有辅助浮块53。
22.辅助浮块53与第一辅助浮杆50以及第二辅助浮杆52增加了装置整体浮力，且第一辅助浮杆50以及第二辅助浮杆52使辅助浮块53以较大的圆周直径环绕在浮球1外围，增加了装置漂浮的稳定性，在海浪冲击浮球1时，辅助浮块53一方面带动第二辅助浮杆52以及传动轴叉在十字轴连接处上下摆动，从而带动第一辅助浮杆50在浮球1侧方铰接处上下摆动，通过上述摆动有助于不断调整辅助组件5相对浮球1的水平面倾角，从而适应海面的波动，有利于使装置以较高垂直的在漂浮于海面，提升采样过程的稳定性，另一方面，辅助浮块53受水面波动能带动第二辅助浮杆52以及传动轴叉在十字轴连接处做水平摆动，从而消耗水平方向上的波浪能量，降低浮球1受到的侧方冲击力，进一步提升装置的稳定性，侧方水体流向浮球1时，辅助浮块53带动第二辅助浮杆52向第一辅助浮杆50靠近形成倾角，同时各个辅助组件5弯曲后彼此靠近，形成浮球1侧方的环形保护，能有效阻挡海面垃圾靠近装置影响装置周围水质，从而影响采集到的水样的数据准确性，侧方水波能量冲击各个辅助组件5带动浮球1转动，旋转产生的水波纹干涉侧方水流，能有效消耗外侧波浪对浮球1的冲击力，减小水泵22以及gps定位器3受到的外部干涉，增长装置使用寿命。
23.相邻两个辅助浮块53之间连接有柔性连接杆54。柔性连接杆54一方面加固相邻辅助浮块53的连接，避免辅助浮块53脱离第二辅助浮杆52，另一方面柔性连接杆54在受冲击后会产生弹性形变，柔性连接杆54在恢复形变过程中能够辅助消耗水波能量，进而提升装置漂浮稳定性，装置需要收回时，岸上人员能勾住柔性连接杆54将装置拉回岸边，便于回收，柔性连接杆54与辅助浮块53形成环绕在浮球1外侧的封闭环，能进一步阻挡海面垃圾向中心处中部浮球1的靠近，以及避免浮球1撞击到礁石和岸边。
24.参见附图2，自动采样器2的底部外侧固定有轴承6，轴承6外圈固定有环状浮体7。
25.参见附图5，环状浮体7内设有多个铰接组件8，铰接组件8包括穿插在环状浮体7侧壁的配重杆80，配重杆80末端铰接连接有第一铰接杆81，任一第一铰接杆81底部连接有第二铰接杆82，任一第一铰接杆81侧方铰接连接有第三铰接杆83，第三铰接杆83末端固定有配重块84。
26.环状浮体7提供装置底部浮力，底部水流冲击自动采样器2侧方时，水流能沿着环状浮体7表面流动从而缓冲部分冲击力，配重块84对装置底部配重，保证采样瓶20在水中有较高的垂直稳定性，有利于取样，配重块84在受水流冲击时能通过第三铰接杆83在第二铰接杆82和第一铰接杆81连接处的摆动来改变空间位置，从而调整装置重心，以提升装置稳定性，铰接组件8整体环绕布设在环状浮体7外侧，对环状浮体7形成有效防护，避免装置底部在漂浮过程中撞击到礁石从而破损，装置底部的铰接组件8受水流扰动时，带动环状浮体
7在轴承6上转动，一方面能通过旋转来消耗水流扰动，另一方面转动的环状浮体7能不断调整各个铰接组件8的方位，降低底部的配重块84与第三铰接杆83卡在礁石上的几率，环状浮体7带动铰接组件8产生的漩涡水流一方面能产生向下推力，帮助装置离开礁石，降低装置撞击受损风险，另一方面能驱散装置周围的水生生物靠近装置，有利于提高采样准确性。
27.第一铰接杆81底部末端穿插有限位柱810，第二铰接杆82在上下端面开设有矩形通槽820，第二铰接杆82两侧开设有滑槽821，第一铰接杆81末端位于矩形通槽820内，且限位柱810的两端穿过两侧的滑槽821，第一铰接杆81末端一侧与第二铰接杆82之间设有第一弹簧822，第三铰接杆83与第一铰接杆81另一侧之间连接有第二弹簧831。
28.第一铰接杆81末端能在矩形通槽820内滑移，同时带动限位柱810在滑槽821内滑移，在配重块84撞击礁石时，配重块84带动第三铰接杆83下压第一铰接杆81，使限位柱810在滑槽821内压缩第一弹簧822，通过第一弹簧822形变来换冲配重块84的冲击力，第一弹簧822受压后恢复形变反向推动第一铰接杆81，使第三铰接杆83带动配重块84给予礁石反向推力，有利于装置在撞击到礁石后迅速反向弹起并离开，避免装置长时间停留在礁石附近影响取样，在第三限位杆在铰接处发生较大转动时，第二弹簧831对第三铰接杆83形成限位，避免第三限位杆与配重块84撞击第二铰接杆82，且第二弹簧831在形变过程中能缓冲配重块84撞击产生的能量，减小传递至第一铰接杆81和第二铰接杆82的能量从而避免受震断裂。
29.工作过程：装置使用前，初始化单片机4，设置单片机4中定时程序的时间间隔以及中断程序的中断时长后，将装置投放到海水中，浮球1提供浮力使装置整体漂浮于海面，在装置漂浮趋于稳定时，单片机4给予电机26脉冲信号，使电机26带动转动阀门27转动固定时长后启动中断程序，此时转动阀门27上的流通口28正对于电磁单向阀201下方的过滤头200端口，此时单片机4发射脉冲信号给水泵22从而使水泵22启动，外部水体从流通口28向上经过电磁单向阀和过滤头200被吸入采样瓶20中完成一次采集，在中断时长到达后，单片机4发出脉冲信号控制水泵22关闭，单片机4依靠定时程序在一定间隔时长后发出新的脉冲信号控制电机26转动，进行下一次采样，以此类推，最终基于单片机4的顺序控制完成所有采样瓶20的海水自动采样。
30.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。