CN102322975A - 海底热液口声学原位测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底热液口声学原位测温装置。本发明包括水声换能器、声学机架、数据采集系统和供电系统。声学机架有两层，每层都安装有水声换能器。数据采集系统包括NI设备、声源自动切换电路、信号放大器和串口通信模块。供电系统包括多个锂电池构成的锂电池组和UPS电源。锂电池组通过UPS电源将直流电转换为交流电，为数据采集系统中的各电子设备提供电力。水声换能器分别通过水密同轴电缆、水密接插件连接到数据采集系统水密耐压舱内的数据采集系统上。本发明可在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热通量测量的准确度。

Description

海底热液口声学原位测温装置

技术领域

本发明属于深海装备技术领域，具体涉及一种海底热液口声学原位测温装置。

技术背景

由于巨大的热通量、海底热液生物、“黑暗生物链”等与生命起源有关的因素的存在，海底热液活动区域成为了天然的海底实验室。温度场是准确全面估算热液热通量和热液运动扩散方式的关键物理参数之一，温度场的准确测量将为热液口生物圈的研究、热液热通量的估算、海底热液硫化物烟囱体生长模式的研究、海底热液成矿机理的研究等相关领域提供帮助。但由于热液活动区的高温高压极端环境限制，现有的测定热液口温度的有效手段和技术非常有限。迄今为止己经开发了可以测量热液口点温度的温度计。现有的手段主要用温度传感器阵列进行测量，但传统的接触式温度测量装置具有很大的局限性。因此，针对海底热液口高温、高压、腐蚀、多尘的极端环境以及避免干扰热液口的原始温度场分布，必须采用非接触式测量，制成一体化的海底热液声学原位测温系统。针对原位测量海底热液口温度场的需要，目前尚未有一种海底热液口声学原位测温装置面市。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的海底热液喷口温度测量的缺点，提供了一种运行稳定可靠、测量准确快速的海底热液口声学原位测温装置。  

本发明的具体方案是：海底热液口声学原位测温装置主要有水声换能器、声学机架、数据采集系统、供电系统。

所述的水声换能器为球形水下换能器，其特点是方向性好，水平无指向性，垂直平面240°范围内无指向性，灵敏度高，有良好的温度、压力、时间稳定性，其最大工作深度为4000m，以满足海底实际工作需要。

所述的声学机架是用来安装和固定水声换能器的机械装置，主要包括滑块、横梁、立柱、直角三通连接件、垫脚板等。滑块为一种扣式滑块，滑块分前后两部分，通过四颗螺钉相连。前部分有一圆孔，其中心刻有一根中心线，可以用于标定水声换能器几何中心在声学机架横梁上的位置。横梁为工字型结构，这样既能保证横梁具有抵抗外界压力变形的能力，又能减轻重量。立柱具有可调节高度的功能，可根据温度场测量和海底地形对高度的需要，实现自动升降。直角三通连接件用于连接横梁与立柱。垫脚板用来增大声学机架与海底的接触面积，增强声学机架的稳定性。整个声学机架由铝材加工而成。

所述的声学机架从上至下依次平行设置有上水声换能器固定平台和下水声换能器固定平台，上水声换能器固定平台由四根横梁、四个直角三通连接件和十六个滑块组成，下水声换能器固定平台四根横梁、四个直角四通连接件和十六个滑块组成。所述的直角三通连接件在水平方向有两个水平安装槽、在竖直方向有一个竖直安装孔；每个横梁的两端插入两个直角三通连接件的水平安装槽内，并通过螺钉固定，四根横梁和四个直角三通连接件围合成一个正方形的上水声换能器固定平台，每根横梁上设置有四个滑块，滑块均匀分布在横梁上，并通过螺钉固定；滑块用于安装和固定水声换能器，拆装容易，稳定性高。上水声换能器固定平台和下水声换能器固定平台通过四根立柱连接；所述立柱的两端分别插入对应的直角连接件的竖直安装孔内。下水声换能器固定平台与上水声换能器固定平台结构相同，只是将三通连接件换成了四通连接件，多出来的下竖直安装孔用于安装支柱，四根支柱的最底端都装有垫脚板，通过螺钉连接。

所述的数据采集系统包括NI设备、声源自动切换电路、信号放大器和串口通信模块。NI设备用于实现信号的发射、采集和存储。声源自动切换电路用于实现声源信号在不同水声换能器间的切换。信号放大器用于放大声源信号。串口通信模块用于实现NI设备与声源自动切换电路间的通讯。

所述的供电系统包括多个锂电池构成的锂电池组和UPS电源。锂电池组通过UPS电源将直流电转换为交流电，为数据采集系统中的各电子设备提供电力。

所述的数据采集系统存放在数据采集系统水密耐压舱内，供电系统存放在供电系统水密耐压舱内。从方便和经济性的角度出发，数据采集系统水密耐压舱和供电系统水密耐压舱都采用流线型的圆柱形密封外壳设计，由铝为材料铸造而成，其外表面进行过氧化处理，这样可提高水密耐压舱的耐腐蚀性能。

所述的数据采集系统水密耐压舱和供电系统水密耐压舱之间通过水密开关和电缆线相连。

所述的水声换能器分别通过水密同轴电缆、水密接插件连接到数据采集系统水密耐压舱内的数据采集系统上。

本发明可以克服传统接触式测量的缺点，在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热通量测量的准确度。为科学家研究洋壳散热量、建立大洋环流模型、研究热液对临近海域海洋物理特性影响提供帮助。

附图说明

图1为海底热液口声学原位测温装置图。

图2为图1中I的局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理、结构做进一步的说明。

如图1所示，海底热液口声学原位测温装置由水声换能器3、声学机架、数据采集系统9、供电系统11组成。安装在声学机架上的水声换能器3通过水密同轴电缆7、水密接插件连接到数据采集系统水密耐压舱内，与数据采集系统9相连。供电系统11为数据采集系统9中的各电子设备提供电力。数据采集系统水密耐压舱和供电系统水密耐压舱之间通过水密开关10和电缆线相连。

如图1和图2所示，声学机架可用来安装和固定水声换能器3，主要包括滑块1、横梁2、立柱4、直角四通连接件5、垫脚板6。滑块1为一种扣式滑块，滑块1分前后两部分，通过四颗螺钉相连。前部分有一圆孔，其中心刻有一根中心线，可以用于标定水声换能器3几何中心在声学机架横梁2上的位置。横梁2为工字型结构，立柱4具有可调节高度的功能，直角四通连接5用于连接横梁与立柱。垫脚板6用来增大声学机架与海底的接触面积，增强声学机架的稳定性。

本发明的具体实施例如下：

海底热液口声学原位测温装置主要有水声换能器、声学机架、数据采集系统、供电系统。

水声换能器为球形水下换能器，其特点是方向性好，水平无指向性，垂直平面240°范围内无指向性，灵敏度高，有良好的温度、压力、时间稳定性，其最大工作深度为4000m，以满足海底实际工作需要。

声学机架是用来安装和固定水声换能器的机械装置，主要包括滑块、横梁、立柱、直角四通连接件、垫脚板等。滑块为一种扣式滑块，滑块分前后两部分，通过四颗螺钉相连。前部分有一圆孔，其中心刻有一根中心线，可以用于标定水声换能器几何中心在声学机架横梁上的位置。横梁为工字型结构，这样既能保证横梁具有抵抗外界压力变形的能力，又能减轻重量。立柱具有可调节高度的功能，可根据温度场测量和海底地形对高度的需要，实现自动升降。直角三通连接件用于连接横梁与立柱。垫脚板用来增大声学机架与海底的接触面积，增强声学机架的稳定性。整个声学机架由铝材加工而成。

声学机架从上至下依次平行设置有上水声换能器固定平台和下水声换能器固定平台，上水声换能器固定平台由四根横梁、四个直角三通连接件和十六个滑块组成，下水声换能器固定平台四根横梁、四个直角四通连接件和十六个滑块组成。所述的直角三通连接件在水平方向有两个水平安装槽、在竖直方向有一个竖直安装孔；每个横梁的两端插入两个直角三通连接件的水平安装槽内，并通过螺钉固定，四根横梁和四个直角三通连接件围合成一个正方形的上水声换能器固定平台，每根横梁上设置有四个滑块，滑块均匀分布在横梁上，并通过螺钉固定；滑块用于安装和固定水声换能器，拆装容易，稳定性高。上水声换能器固定平台和下水声换能器固定平台通过四根立柱连接；立柱的两端分别插入对应的直角连接件的竖直安装孔内。下水声换能器固定平台与上水声换能器固定平台结构相同，只是将三通连接件换成了四通连接件，多出来的下竖直安装孔用于安装支柱，四根支柱的最底端都装有垫脚板，通过螺钉连接。

数据采集系统包括NI设备、声源自动切换电路、信号放大器和串口通信模块。NI设备用于实现信号的发射、采集和存储。声源自动切换电路用于实现声源信号在不同水声换能器间的切换。信号放大器用于放大声源信号。串口通信模块用于实现NI设备与声源自动切换电路间的通讯。

供电系统包括多个锂电池构成的锂电池组和UPS电源。锂电池组通过UPS电源将直流电转换为交流电，为数据采集系统中的各电子设备提供电力。

数据采集系统存放在数据采集系统水密耐压舱内，供电系统存放在供电系统水密耐压舱内。从方便和经济性的角度出发，数据采集系统水密耐压舱和供电系统水密耐压舱都采用流线型的圆柱形密封外壳设计，由铝为材料铸造而成，其外表面进行过氧化处理，这样可提高水密耐压舱的耐腐蚀性能。数据采集系统水密耐压舱和供电系统水密耐压舱通过固定架8固定。

数据采集系统水密耐压舱和供电系统水密耐压舱之间通过水密开关和电缆线相连。

水声换能器分别通过水密同轴电缆、水密接插件连接到数据采集系统水密耐压舱内的数据采集系统上。

海底热液口声学原位测温装置集成后的运行状况为：旋转供电系统水密耐压舱端盖上的水密开关10至OPEN状态，UPS电源工作，将锂电池组的直流电转换为220V的交流电，NI设备通电后开机，开机后事先编好的LabVIEW可执行程序自动运行，串口通信模块开始工作打开声源自动切换电路通道，NI设备信号发生器发出扫频信号，经过信号放大器把信号放大经声源自动切换电路传输到水声换能器发出声波信号，其余水声换能器接收声波信号，NI设备采集卡将水声换能器发出和接收的信号采集回来，并存储在硬盘中。数据采集的过程是一个循环的过程，每一个周期中所有水声换能器都轮流作为发射声波的水声换能器，其余水声换能器作为接收声波的水声换能器。完成后进入下一个周期的数据采集。数据采集完成后，旋转供电系统水密耐压舱端盖上的水密开关至CLOSE状态，系统就停止工作。

Claims (4)

1.海底热液口声学原位测温装置，包括水声换能器、声学机架、数据采集系统和供电系统，其特征在于：

所述的声学机架从上至下依次平行设置有上水声换能器固定平台和下水声换能器固定平台，上水声换能器固定平台包括四根上横梁、四根上直角三通连接件和十六个上滑块组成；上直角三通连接件在水平方向有两个水平安装槽、在竖直方向有一个竖直安装孔；每根上横梁的两端插入两个上直角三通连接件的水平安装槽内，并通过螺钉固定，四根上横梁和四个上直角三通连接件围合成一个正方形的上水声换能器固定平台，每根上横梁上设置有四个上滑块，上滑块均匀分布在上横梁上，并通过螺钉固定；滑块用于安装和固定水声换能器；

下水声换能器固定平台包括四根下横梁、四根下直角四通连接件和十六个下滑块组成；下直角四通连接件在水平方向有两个水平安装槽、在竖直方向有两个竖直安装孔；每根下横梁的两端插入两个下直角四通连接件的水平安装槽内，并通过螺钉固定，四根下横梁和四个下直角四通连接件围合成一个正方形的下水声换能器固定平台，每根下横梁上设置有四个下滑块，下滑块均匀分布在下横梁上，并通过螺钉固定；下滑块用于安装和固定水声换能器；

所述的上水声换能器固定平台和下水声换能器固定平台通过立柱连接，立柱的两端分别插入对应的直角连接件的竖直安装孔内；下水声换能器固定平台中下直角四通连接件的另一竖直安装孔上装有支柱；

四根支柱的最底端都装有垫脚板，垫脚板通过螺钉与支柱连接；

所述的数据采集系统包括NI设备、声源自动切换电路、信号放大器和串口通信模块；NI设备用于实现信号的发射、采集和存储；

声源自动切换电路用于实现声源信号在不同水声换能器间的切换；信号放大器用于放大声源信号；串口通信模块用于实现NI设备与声源自动切换电路间的通讯；

所述的供电系统包括多个锂电池构成的锂电池组和UPS电源；

锂电池组通过UPS电源将直流电转换为交流电，为数据采集系统中的各电子设备提供电力；

所述的数据采集系统存放在数据采集系统水密耐压舱内，供电系统存放在供电系统水密耐压舱内，数据采集系统水密耐压舱和供电系统水密耐压舱之间通过水密开关和电缆线相连；

所述的水声换能器分别通过水密同轴电缆、水密接插件连接到数据采集系统水密耐压舱内的数据采集系统上。

2.根据权利要求1所述的海底热液口声学原位测温装置，其特征在于：所述的滑块为一种扣式滑块，滑块分前后两部分，通过四颗螺钉相连；

前部分有一圆孔，其中心刻有一根中心线，用于标定水声换能器几何中心在声学机架横梁上的位置。

3.根据权利要求1所述的海底热液口声学原位测温装置，其特征在于：横梁为工字型梁。

4.根据权利要求1所述的海底热液口声学原位测温装置，其特征在于：所述的水声换能器为球形水下换能器。

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