CN103900734A - 一种三维实时表层水温测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种三维实时表层水温测量系统，由温度传感器、浮标、数据采集器、计算机组成；所述温度传感器为密封水温测量专用铂电阻测温传感器，由隔热套和锁紧箍均匀固定到浮标下部连接杆上对应水深0～1m深表层水不同的位置，安装的位置决定测量水温的深度，根据测量表层水温深度和梯度的需要最多均匀安装6个，铂电阻测温传感器均设有电缆在浮球上接出每个测温传感器测得的表层水温对应的电阻值由电缆传至数据采集器的相应通道；数据采集器与计算机连接；浮标包括浮球，与浮球固定的连接杆、隔热套、锁紧箍、配重块；连接杆接在浮球与配重块之间。

Description

一种三维实时表层水温测量方法与系统

技术领域：

本发明涉及一种三维实时表层水温测量系统，可作为海洋或湖泊表层水温测量的实用装置，特点是可以实时三维测量0～1m表层水温。 

背景技术：

表层水温尤是其海洋表层水温是研究气候的一个重要参数，它能直接反映全球气候变化和全球温度整体分布特征。表层水温即水表面以下1m以内水层的温度。对于特定海域或湖泊，其水温的垂直分布主要取决于其表层温度和地理特征分布。所以，准确地测量表层温度，对气候研究具有决定性的意义和广泛的实用价值。表层水温测量方法主要有表层水温表法和颠倒温度表法，但这两种方法都是定点不连续的测量，经常需要环境温度修订，而且测量结果易受船体、太阳辐射和采水深度不准确的影响，并且读数非实时，测量误差大。常规测量采用南森采水器或表层温度计。在海洋学中，也有用卫星遥感、红外测温仪方法测量海水表面温度。虽然卫星遥感有其测量范围广等优点，但是其容易受云影响，测量误差较大；红外测温仪测量的温度仅仅是水表皮温度，只能测量零点几毫米水表皮温度，非0～1m水的表层温度，而且红外测温仪也易受云影响，同时测量误差和太阳辐射、其架设高度和架设角度等都有关系。 

发明内容：

本发明的目的是，提供一种三维实时表层水温测量方法与系统，用于在0～1m表层水层中温度的精确测量，也可用于0～1m表层水层的其它参数的自动测量，包括盐度、PH值等。 

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种三维实时表层水温测量方法，通过投放二至四个（三个）用浮标承载的若干温度传感器，每一个浮标都负载在0～1m深表层水体中均匀分布于的传感器，测量0～1m深表层水温的梯度变化，每一个温度传感器测量的电阻值传至数据采集器，数据采集器把各个通道采集到温度测量电阻值数据进行组包、存储、上传至计算机，计算机收并实时显示表层水温三维分布的测量系统。尤其是采用铂电阻测温传感器。 

上述温度传感器首先进行同层测温传感器横向比较，然后垂直综合处理，实现实时测量0～1m表层水温的测量。 

一种三维实时表层水温测量系统，由温度传感器、浮标、数据采集器、计算机组成；所述温度传感器为密封水温测量专用铂电阻测温传感器，由隔热套和锁紧箍均匀固定到浮标下部连接杆上对应水深0～1m深表层水不同的位置，安装的位置决定测量水温的深度，根据测量表层水温深度和梯度的需要最多均匀安装6个，铂电阻测温传感器均设有电缆在浮球上接出每个测温传感器测得的表层水温对应的电阻值由电缆传至数据采集器的相应通道；数据采集器与计算机连接；浮标包括浮球，与浮球固定的连接杆、隔热套、锁紧箍、配重块；连接杆接在浮球与配重块之间。 

所述浮标的浮球为双层防辐射罩、罩内为高密度耐高压硬质泡沫充填的浮球，每层三个防辐射罩均罩有浮球。 

上述温度传感器由浮球和连接杆等承载，由浮球和配重块调节测量深度，由于各个子系统投放离船体位置不同，使温度传感器三维分布于0～1m深的水层中，实现实时三维测量表层水温，并以减小船体或太阳辐射的影响。 

三维实时表层水温测量系统由三个表层水温测量子系统组成，每个子都系统可以测量0～1m表层水温，每个子系统最多可以安装6个测温传感器。每个测温传感器测量的电阻值由电缆传至数据采集器的相应通道。 

测温传感器是一种的表面水体温度Pt100热电阻测量传感器，用以测量表层水温动态变化。传感器采用铠装四线制结构。 

配重块起调节测量深度和稳定浮标的作用，防止风浪干扰。根据水体密度大小，调节配重块，使浮标能够准确测量0～1m深的表层水层。 

拉线和电缆由浮子串连，防止由于船体晃动或波浪作用，产生拉线和电缆对浮标的拖曳现象，使传感器测量深度不准确。 

数据采集器实时数据通过串口数据线发送给计算机，计算机软件处理不同通道的原始数据，对原始数据进行质量控制和订正，采用气象数据常用的判断，由程序对各个传感器温度进行合理判断，软件可以自行设定数据范围阈值，超出阈值软件会进行告警提示。原始数据和处理后得到各个通道数据分别存在两个文件中，计算机显示器可以查看任意温度传感器数值和随时间变化曲线，也可以同时显示多个传感器数值和随时间变化曲线。 

本发明具有的有益效果是：采用本发明的技术方案，三维实时表层水温测量系统可在船体周围同时三维测量表层水温（可多达18个或更多个温度传感器），有效减小船体、 太阳辐射和非实时性影响，能够准确测量0～1m深的表层水层水温变化梯度，同层测温传感器进行横向比较后，然后垂直综合处理，可以实现实时测量0～1m表层水温的测量。这对于天气预报、水温研究和应用遥感资料是一项基础性的工作，测量结果可用于标校卫星遥感和红外测温仪测温的准确性。本发明还可用来校核红外测温传感器的测量标准。 

附图说明：

图1是本发明的三维实时表层水温测量系统结构示意图； 

图2是本发明的三维实时表层水温测量系统（多浮标）示意图； 

图3是图1俯视示意图； 

图4是本发明的浮标剖面示意图；其中A浮标剖面，B、C是图A中浮标剖面的部件放大示意图； 

图5是数据采集器框图； 

图6是数据采集器流程图。 

附图标记：1-温度传感器、2-浮标、3-数据采集器、4-计算机、5-隔热套、6-锁紧箍、7-连接杆、8-电缆、9-双层防辐射罩、10-浮球、11-拉线环、12-拉线、13-浮球连接杆、14-配重块、15-穿线孔、16-浮子、17-凹槽，18-水面线。 

具体实施方式：

参见附图，对本发明进行详细描述：参见附图1，三维实时表层水温测量系统由温度传感器（1）、浮标（2）、数据采集器（3）、计算机（4）组成。 

参见附图2-附图4所示，浮标包括浮球，不锈钢材质的拉线环、拉线、与浮球固定的连接杆、隔热套、锁紧箍、配重块；连接杆接在浮球与配重块之间；上述温度传感器、防辐射罩、浮球、浮球连接杆、拉线环、拉线、连接杆、隔热套、锁紧箍、配重块组成表层水温测量系统的一个子系统，防辐射罩顶部留有电缆（8）的穿线孔（15）。 

温度传感器（1）为密封水温专用Pt100热电阻测温传感器，由隔热套（5）和锁紧箍（6）固定到连接杆（7）的不同位置，热电阻采用四线制，用恒流源发送电流，电压计测量，最后给出测量电阻值。根据测量表层水温深度和梯度的需要最多可以安装6个，每个传感器测得的表层水温的电阻值由电缆（8）传至数据采集器的相应通道；浮标包括双层防辐射罩（9）、双层高密度耐高压硬质浮球（10）、拉线环（11）、拉线（12）、浮球连接杆（13）、连接杆（7）、隔热套（5）、锁紧箍（6）、配重块（14）；配重块各件 之间采用螺母连接固定；温度传感器、防辐射罩、浮球、浮球连接杆、拉线环、拉线、电缆、连接杆、隔热套、锁紧箍、配重块组成表层水温测量系统的一个子系统，由三个这样子系统组成三维实时表层水温测量系统；拉线和电缆串连在浮子上，减小拉线和电缆对传感器测量深度的影响。316L不锈钢材质的拉线环、拉线、316L不锈钢材质连接杆、耐腐蚀尼龙隔热套、316L不锈钢材质的锁紧箍、316L不锈钢材质配重块；防辐射罩顶部留有测温传感器穿线孔；配重块各件之间采用316L不锈钢螺母连接固定；配重块起调节质心和连接杆下潜深度作用，使浮标垂直向下，整体倾斜角度较小，达到准确测量0～1m表层水层的温度目的；上述温度传感器、防辐射罩、浮球、浮球连接杆、拉线环、拉线、连接杆、隔热套、锁紧箍、配重块组成表层水温测量系统的一个子系统，由三个这样子系统组成三维实时表层水温测量系统；上述拉线和电缆串连在浮子上，减小拉线和电缆对传感器浮出高度的影响。所述数据采集器把各个通道采集到数据进行组包及存储。 

一种三维实时表层水温测量系统，由温度传感器（1）、浮标（2）、数据采集器（3）、计算机（4）组成。所述温度传感器（1）为密封水温专用铂电阻测温传感器，由隔热套（5）和锁紧箍（6）固定到连接杆（7）的不同位置，根据测量表层水温深度和梯度的需要，最多可以安装6个，每个传感器测得的表层水温的电阻值由电缆（8）传至数据采集器的相应通道；所述浮标包括双层防辐射罩（9）、双层高密度耐高压硬质浮球（10）、拉线环（11）、拉线（12）、浮球连接杆（13）、连接杆（7）、隔热套（5）、锁紧箍（6）、配重块（14）；上述防辐射罩顶部留有电缆（8）的穿线孔（15）；上述配重块（14）各件之间采用螺母连接固定；上述温度传感器、防辐射罩、浮球、浮球连接杆、拉线环、拉线、电缆、连接杆、隔热套、锁紧箍、配重块组成表层水温测量系统的一个子系统，由三个这样子系统组成三维实时表层水温测量系统；上述拉线和电缆串连在浮子（16）上。所述数据采集器（3）把各个通道采集到数据进行组包及存储，每10秒发送一次电阻值和对应的温度换算值到计算机（4）。计算机软件处理不同通道的原始数据，对原始数据进行质量控制和订正；原始数据和处理后得到各个通道数据分别存在两个文件中，计算机显示器可以查看任意温度传感器数值和随时间变化曲线，也可以同时显示多个传感器数值和随时间变化曲线。 

在检测中每10秒发送一次电阻值和对应的温度换算值到计算机。计算机软件处理不同通道的原始数据，对原始数据进行质量控制和订正；原始数据和处理后得到各个通 道数据分别存在两个文件中，计算机显示器可以查看任意温度传感器数值和变化曲线，也可以同时显示多个传感器数值和变化曲线。 

数据采集器是32通道气象数据采集器，硬件由电源、时钟值守电路、CPU主板、接口电路组成。采集器的微处理器测量单元能在-45～80℃环境下稳定工作，并保持测量精度。可以采集模拟量、数字量传感器信号，有两路串行通讯口，并具有自检及自校正功能，保证测量的准确性。能够完成数据采集、处理、存储、传输和过程控制等功能。数据采集器通过一个单片机采集模块对每一个温度测量传感器测量值进行模数转换，统一转换为RS-232C标准输出，上位机可直接读取数据。数据采集器采用嵌入式模块化设计，分为时钟控制模块、数据采集处理模块、数据存储模块和数据发送模块。时钟控制模块主要完成系统硬件控制电路的加断电控制功能，定时自动完成各传感器的加断电控制；数据采集处理模块主要实现各传感器的数据采集及处理功能。系统定时自动采集各传感器的数据，并进行处理；数据存储模块主要完成数据组包及存储功能。传感器数据采集处理后，由该模块完成报文组包及存储功能，以便备查；数据发送模块主要完成数据主动发送，每10秒发送一次传感器读数给上位机，数据包含每个通道的电阻值和对应的温度换算值。 

本发明技术指标如下： 

温度测量范围:-40℃～+60℃ 

水深测量范围：0～1m 

分辨力：0.01℃ 

热响应时间：＜10s 

准确度：0.05℃ 

检定周期：1年 

防护等级：IP68 

外部结构：316L不锈钢外壳，全密封 

接线方式：四线制 

可选水体范围：海水/淡水 

参见附图5所示，数据采集器（3）由电源、时钟值守电路、CPU主板、接口电路组成。采集部分的设计是将每一个温度传感器通过单片机采集模块进行模数转换，完成数据采集、处理、存储、传输和过程控制等功能。其基本工作流程是：根据一定的时序控 制主机及各通道传感器的加断电，采集及处理各通道传感器的信号，实时数据通过串口数据线把各个通道采集到数据进行组包及存储，统一转换为RS-232C标准输出，每10秒发送一次电阻值和对应的温度换算发送给计算机（4）。其技术指标如下。 

测量精度：0.02% 

线性误差：±0.0015% 

温度漂移：10PPM/℃ 

分辨率：16位 

模拟量测量: 

数据接口：RS232C 

频率测量：0.1～10KHZ 

电源：+12～25V DC 

功耗：0.7W 

工作温度：-40～+80℃ 

工作湿度：0～100%RH 

参见附图6所示，计算机软件运行后，首先对各个通道进行检测。检测各路温度数据测量或通讯联接是否正常，如果不正常程序给出指示，需要人工检查硬件联接状态、各个测量子系统投放位置是否得当、通讯设置状况；如果数据正常传输，进入正常表层水温测量状态，计算机软件处理不同通道的原始数据，对原始数据进行质量控制和订正，采用气象数据常用的判断，由程序对各个传感器温度进行合理判断，软件可以自行设定数据范围阈值，超出阈值软件会进行告警提示；原始数据和处理后得到各个通道数据分别存在两个文件中，计算机显示器可以查看任意温度传感器数值和其随时间变化曲线，也可以同时显示多个传感器数值和其随时间变化曲线。表层水温测量数据首先进行同层测温传感器横向比较，然后垂直综合处理，最后求取表层水温测量结果。 

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。 

Claims (10)

1.一种三维实时表层水温测量方法，通过投放二至四个用浮标承载的若干温度传感器，每一个浮标都负载在0～1m深表层水体中均匀分布于的传感器，测量0～1m深表层水温的梯度变化，每一个温度传感器测量的电阻值传至数据采集器，数据采集器把各个通道采集到温度测量电阻值数据进行组包、存储、上传至计算机，计算机收并实时显示表层水温三维分布的测量系统。

2.由权利要求1所述的三维实时表层水温测量方法，其特征是采用铂电阻测温传感器；述温度传感器首先进行同层测温传感器横向比较，然后垂直综合处理，实现实时测量0～1m表层水温的测量。

3.由权利要求1所述的三维实时表层水温测量方法，其特征是在检测中每10秒发送一次电阻值和对应的温度换算值到计算机。

4.由权利要求1所述的三维实时表层水温测量方法，其特征是数据采集器是32通道气象数据采集器，数据采集器采集模拟量、数字量传感器信号，有两路串行通讯口，完成数据采集、处理、存储、传输和过程控制等功能；数据采集器通过一个单片机采集模块对每一个温度测量传感器测量值进行模数转换，统一转换为RS-232C标准输出。

5.三维实时表层水温测量系统，其特征是由温度传感器、浮标、数据采集器、计算机组成；所述温度传感器为密封水温测量专用铂电阻测温传感器，由隔热套和锁紧箍均匀固定到浮标下部连接杆上对应水深0～1m深表层水不同的位置，安装的位置决定测量水温的深度，根据测量表层水温深度和梯度的需要测温传感器最多均匀安装6个，铂电阻测温传感器均设有电缆在浮球上接出每个测温传感器测得的表层相应位置水温对应的电阻值由电缆传至数据采集器的相应通道；数据采集器与计算机连接；浮标包括浮球，与浮球固定的连接杆、隔热套、锁紧箍、配重块；连接杆接在浮球与配重块之间。

6.由权利要求5述的三维实时表层水温测量系统，其特征是所述浮标的浮球为双层防辐射罩、罩内为高密度耐高压硬质泡沫充填的浮球，每层三个防辐射罩均罩有浮球。

7.由权利要求5述的三维实时表层水温测量系统，其特征是上述温度传感器由浮球和连接杆承载，由浮球和配重块调节测量深度，由于各个浮标构成的子系统投放离船体位置不同，使温度传感器三维分布于0～1m深的水层中，实现实时三维测量表层水温。

8.由权利要求5述的三维实时表层水温测量系统，其特征是三维实时表层水温测量系统由三个表层水温测量子系统组成，每个子系统都测量0～1m深表层水的不同位置的温度，每个子系统最多安装6个测温传感器；每个测温传感器测量的电阻值由电缆传至数据采集器的相应通道。

9.由权利要求5述的三维实时表层水温测量系统，其特征是测温传感器是一种的表面水体温度Pt100热电阻测量传感器，用以测量表层水温动态变化；传感器采用铠装四线制结构。

10.由权利要求5述的三维实时表层水温测量系统，其特征是数据采集器实时数据通过串口数据线发送给计算机，数据采集器是32通道气象数据采集器，数据采集器采集模拟量、数字量传感器信号，有两路串行通讯口，完成数据采集、处理、存储、传输和过程控制功能；数据采集器通过一个单片机采集模块对每一个温度测量传感器测量值进行模数转换，统一转换为RS-232C标准输出。

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