一种无缆自动返回式采水器的设计与研究

论文摘要

海洋环境污染监测、海水化学与地质调查和生物采样,大多数情况下需要现场采集水样。有时需要在不同深度依次采样,获取梯度剖面的现场水体信息,以保证分析结果的统一性、规范性和类比性。近几十年来,水体取样和保存技术迅速发展,各式各样的采水器纷纷问世并获得成功应用。常规CTD葵花式采水器（CTD rosette sampler）（配备尼斯金采样瓶（Niskin bottle）或郭福洛采样瓶（Go-Flo bottle））和船用吸泵均为目前广泛使用的梯度水样采集装置。但其应用各有一定缺陷。因此,设计一种既适用于大型科考船又适用于小型船只、采样深度可精确控制、采水操作简便、无沾污的采水器在海洋科学研究中有较大实用意义。本课题所设计的无缆自动返回式采水器（a New Auto-Returned Column Water Sampling Device-‘ARWAD’）是一种新型垂直剖面采水器,该采水器外挂四个1.5L卡盖式结构的HOUSKIN采水瓶。为采水器加载适当重量的配置体,使其在水中受到负浮力下潜。采水是在释放配置体后,采水器受到正浮力上升的过程中依次完成的。本文的主要内容为:（1）本课题详述了该无缆自动返回式采水器的机械机构与密封方案。采水器的主壳体为硬铝合金圆柱状防水耐压设计,外挂四个卡盖式结构的采水瓶,其机械机构主要包括①配置体的悬挂与释放机构;②采水瓶关闭采水机构;（2）详述该采水器的控制系统,包括硬件设计方案和软件设计,并对控制系统进行了调试。控制系统装置于主体的防水耐压仓内,以单片机为核心,装载压力传感器获知水深。下位机程序控制在到达指定深度时释放配置体和关闭各采样瓶,上位机程序实现在甲板上的自检、设定配置体的释放深度和各采水瓶的关闭采样深度;（3）用解析法和经验公式对该采水器承压零件尺寸进行设计,同时用数值计算方法对其强度校核;（4）为保证采水器的采水精度和确保其工作安全,对采水器进行水动力学计算,确定阻力及阻力系数等参数,使采水器在上升采水过程中最大速度小于2.0m/s,以为外形设计提供参考;（5）采水器采样性能验证。现场采集水样后,在实验室测定悬浮颗粒物的质量浓度和体积浓度分布。在采集水样的同时,应用激光粒度仪获取现场悬浮物粒径分布信息。通过与激光粒度仪现场测定结果对比,证明该自动返回式采水器采水深度准确,质量较好。该采水器使用时无需钢丝绳,而是装载压力传感器获知水深,由此避免了使用绞车和由钢丝绳计量深度带来的深度误差;采样时也无须连接电缆,节省电力;自由下潜和上升,无需配备绞车深度补偿设施,避免出现深度逆变现象。主要应用于驾驶小规模船只在较浅水域（湖泊或河口）采水,亦可用于大型科考船,其结构轻便、造价低廉以及操作方便等性能使其成为CTD葵花式采水器和泵采系统的有益补充。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 取样与取样方案
• 1.1.1 采样点的布设
• 1.1.2 采样的时间和频度
• 1.1.3 样品保存与运送
• 1.2 水体采样的传统方法与装置
• 1.2.1 采水器
• 1.2.2 用泵抽取水样
• 1.2.3 自动采样与现场富集采样
• 1.2.4 被动采样与固相微萃取
• 1.3 本课题的提出及研究主要内容
• 2. 无缆自动返回式采水器的机械机构
• 2.1 材料的选择
• 2.2 配置体的悬挂与释放机构
• 2.2.1 机构详述
• 2.2.2 工作过程
• 2.3 采水瓶关闭采水机构
• 2.3.1 机构详述
• 2.3.2 工作过程
• 2.4 采水器密封的实现
• 2.4.1 采水瓶的密封
• 2.4.2 采水器体的密封
• 2.4.3 压力传感器探头的密封
• 2.4.4 销轴的动密封
• 2.4.5 连接轴的动密封
• 2.5 采水器密封性能的校核
• 2.5.1 O 形橡胶密封圈的密封机理
• 2.5.2 橡胶件的特点、本构方程与参数
• 2.5.3 采水器O 形圈密封性能校核
• 2.6 硬铝合金材料的表面处理
• 2.7 电机驱动转动释放动力的计算与验证
• 2.7.1 电机的转矩
• 2.7.2 脱钩挡块与脱钩的动摩擦力力矩
• 2.7.3 密封盘与O 形圈的动摩擦力力矩
• 2.8 本章小结
• 3. 无缆自动返回式采水器的控制系统
• 3.1 自动返回式采水器控制系统的硬件设计
• 3.1.1 元器件的选型
• 3.1.2 单片机与上位机及压力传感器的通信
• 3.1.3 配重体的悬挂与释放控制电路
• 3.1.4 采水瓶关闭采水的控制电路
• 3.2 自动返回式采水器控制系统的软件设计
• 3.2.1 人机交互界面的设计与调试
• 3.2.2 下位机程序的设计与调试
• 3.3 控制系统的联调
• 3.4 电源的分配
• 3.5 本章小结
• 4. 无缆自动返回式采水器承压零件尺寸设计和强度校核
• 4.1 采水器主壳体的尺寸确定和强度校核
• 4.1.1 外压容器设计方法简介
• 4.1.2 采水器主壳体尺寸确定和抗压失稳性校核
• 4.1.3 采水器主壳体强度校核
• 4.2 主壳体两侧端盖的尺寸确定和强度校核
• 4.2.1 端盖尺寸确定
• 4.2.2 配重释放机构端盖的强度校核
• 4.2.3 采水瓶关闭机构端盖的强度校核
• 4.3 应用有限元方法对海洋仪器压力分析与校核的优势
• 4.4 本章小结
• 5. 无缆自动返回式采水器的水动力学计算
• 5.1 无缆自动返回式采水器的阻力系数
• 5.1.1 采水器水下受力分析及运动方程
• 5.1.2 采水器所受阻力D 的计算方法
• 5.1.3 总阻力系数CD的计算
• 5.1.4 有限元方法的理论验证
• 5.2 无缆自动返回式采水器的水下姿态分析
• 5.2.1 采水器运动坐标系及坐标变换
• 5.2.2 采水器的水动力学模型
• 5.2.3 采水器动力学模型的建立
• 5.3 本章小结
• 6. 无缆自动返回式采水器的采水性能试验
• 6.1 研究区域
• 6.2 采水方案和实验步骤
• 6.3 LISST-100：仪器简介与现场应用
• 6.4 结果与讨论
• 6.5 本章小结
• 7. 结论与讨论
• 7.1 结论
• 7.2 讨论
• 7.3 展望
• 参考文献
• 博士期间发表和撰写的文章
• 附录Ⅰ
• 附录Ⅱ
• 附录Ⅲ
• 致谢