一种无缆自动返回式采水器的设计与研究

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。