CN105785470A - 一种单浮球海底热流长期观测系统 - Google Patents

Abstract

一种单浮球海底热流长期观测系统，包括回收单元和抛弃单元；回收单元包括中空舱体和设置在中空舱体周围的浮体材料组件；还包括与中空舱体底表面固接的十字支架，该中空舱体底部设有水密接头且顶部设有换能器；抛弃单元包括水平的正多边形下沉支架，下沉支架每个角的位置固定连接一个整流组件；下沉支架中心位置自上而下设有柱状舱、漏斗舱和针状舱，在柱状舱顶部开有通孔，在柱状舱内部设置中心开有通孔的配重块和缓冲空间；漏斗舱于柱状舱底部边缘固定连接，并覆盖针状舱的上部；针状舱内部装有带温度传感器的热流探测组件。本发明的观测系统结构合理，抛弃部分与回收部分能够顺利地自行分离，并且能够最大限度地回收设备。

Description

一种单浮球海底热流长期观测系统

技术领域

本发明涉及海底探测设备技术领域，尤其涉及一种用于海底热流观测的自浮式海底热流长期观测设备。

背景技术

大地热流是地球内部热过程在海底的直接显示，不仅是了解地球热散失速率的关键数据，而且是开展动力学研究与重建沉积盆地演化、油气与水合物资源潜力评价的基础数据。海底热流可以通过钻孔测温数据和海底热流探针测量。由于石油钻孔和大洋钻探钻孔分布区域有限，而海底热流探针便于船载，作业相对灵活，费用较低，且可根据实际科学问题和感兴趣海域进行详细的热流测量，因此海底热流探针是获取海洋热流数据的重要手段。在20世纪50年代，研究学者利用设计的地热探针在北大西洋海域成功地进行了地热探测，开辟了海底热流调查的时代。船载海底热流探针的作业方式一般都是站点投放式作业，仅能得到离散站点、离散时间点的海底热流数据，但是对于底水温度存在较大波动的海域，由于底水温度的波动会改变海底表层沉积物温度分布，导致离散时间点的热流测量结果无法确切反映来自深部的热通量，因此常规船载海底热流探针，采用站点投放式作业方式，无法准确测量底水温度存在较大波动海域的海底地热参数。此时需要利用单浮球海底热流长期观测系统获得的海底沉积物温度长期变化数据可消除底水温度波动影响，以获取可靠的海底地热参数。

海底热流长期观测系统的现有技术存在如下问题和缺陷：

1、现有技术中，插入海底沉积物中进行长期热流观测的海底热流探针很难回收，通常的做法是将探针与仪器舱水密接头之间的线缆斩断或拔开，这样做不仅失误的风险相对较高，而且对于探针来说也是一种浪费。

2、现有技术中，海底热流长期观测系统需要搭载多种精密的仪器设备一起沉入海底。系统到达海底插入沉积物的过程存在着一个矛盾，那就是一方面需要足够的向下的动量使探针能够稳定、有效地插入沉积物中，另一方面插入的瞬间沉积物层提供的反作用力过大可能会对上方回收单元的精密仪器设备造成损害性冲击。这一矛盾目前无法完全解决。

3、现有技术中，海底热流长期观测系统往往设计的过于庞大，海上作业困难。

因此有必要研发一种结构更合理的观测系统，克服目前海底热流长期观测系统的现有技术中存在的问题和缺陷。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种结构合理、运行稳定的单浮球海底热流长期观测系统，以期能够准确观测并顺利回收。

本发明所采用的技术方案为：

一种单浮球海底热流长期观测系统，包括回收单元和抛弃单元，所述回收单元包括中空舱体、水密接头、换能器和设置在该中空舱体底面上的支撑支架，其中，该水密接头、该换能器均设置在该中空舱体上，在该支撑支架上设置有省力杠杆，在该省力杠杆的阻力臂上设有挂钩，该省力杠杆的动力臂通过熔断丝与该换能器连接；该抛弃单元包括顶部设有通孔的中空缓冲舱、内装有热流探测组件的针状舱、设置在该中空缓冲舱顶部的用于支撑该支撑支架的支撑块，在该中空缓冲舱内设有水平设置的配重装置，该针状舱的顶部穿入该中空缓冲舱内与该配重装置连接，该热流探测组件通过线缆穿过该配重装置、该通孔与该水密接头连接，在该中空缓冲舱的顶部设有一封闭环，该挂钩挂在该封闭环内。

应用时，科考人员从科考船甲板将上述系统整体投放入海中，系统依靠自身重量下沉到海底，在针状舱尖端接触沉积物时，冲击力使针状舱推动配重装置在中空缓冲舱内向上滑动，此时由于中空缓冲舱空间内灌有海水，配重装置向上的滑动会将一部分海水挤出中空缓冲舱，这一过程使针状舱受到的冲击力柔和地向上传导，对于回收单元的中空舱体内的设备起到了很好的保护作用，同时又由于配重块的存在，仍然会让针状舱稳定、有力地插入海底沉积物中；然后，系统在海底采集并记录海底热流等相关数据，经过适当的时间后，科考船再次来到观测海域的投放点，科考人员在科考船甲板向海底的观测系统发出声学信号，回收单元的换能器收到信号后启动熔断式释放器电路，熔断丝在短时间内即可熔断，熔断后省力杠杆阻力臂端下沉，支撑支架上的挂钩脱离封闭环，此时回收单元中空舱体的浮力带动回收单元整体上浮，支撑支架和支撑块也相互分离，即实现了回收单元和抛弃单元之间的分离；与此同时与水密接头连接的带温度传感器的热流探测组件从针状舱和中空缓冲舱内被抽出，随回收单元一起浮至水面得到回收。本系统结构简单，可对热流探测组件进行回收，且不会对回收单元的精密仪器设备造成损害性冲击。

在该中空舱体周围设置有至少三个相同的浮体材料组件，该浮体材料组件等距分布在该中空舱体周围的同一水平面上。在回收单元上浮时，浮体材料组件可为回收单元提供浮力，使得回收单元得以快速上浮。

在该中空缓冲舱周围设置有水平的下沉支架，在该下沉支架周围设置有至少两个整流组件，该整流组件等距分布在该下沉支架的水平面上。整流组件能够促使整个系统在海水中更加平稳地下降。

该中空缓冲舱包括柱状舱和设置在该柱状舱下方的漏斗舱，该漏斗舱的上端与该柱状舱的下端连通；该中空舱体外部为塑料壳体，内部为玻璃内胆的浮球。结构简单易实现，漏斗舱的设置使得整个系统在海水中得以平稳下降。

在该中空舱体内装载有主控板、多通道温度采集板、多组可充电电池、姿态传感器、GPS模块和无线模块；在该中空舱体上设有压力传感器。系统通过压力传感器检测发现回收单元浮上水面的时候，中空舱体内的GPS模块和无线模块电源会接通，GPS模块按照一定的频率采集GPS信息，然后通过无线模块发送出去。

在该中空舱体内部电路板边缘设置若干LED灯，并在该外部塑料壳体上对应该LED灯开设透光孔。中空舱体内的LED灯也会在回收单元浮出水面时开启，GPS信号结合灯光信号，方便科考人员在天黑的时候发现回收单元。

该热流探测组件是以铂电阻为温度传感器的柔性温度链。结构简单灵活。

该针状舱包括针状舱本体和螺纹连接在该针状舱本体底端的圆锥形可拆卸端头，在该端头内部设有圆环，该柔性温度链在该针状舱底部通过低强度纤维与该圆环连接固定。结构简单。

该下沉支架呈正方形，该整流组件呈中空圆柱状。结构简单，易实现。

在该支撑支架底部中心位置焊接有一闭合环，该热流探测组件的端头通过高强度纤维与该闭合环连接。结构简单稳固。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

1、实现了对长期海底热流观测系统的热流探测组件(常见的为热流探针)的有效回收；

现有技术中，插入海底沉积物中进行长期热流观测的海底热流探测组件(例如探针)很难回收，通常的做法是将海底热流探测组件(如探针)与仪器舱水密接头之间的线缆斩断或拔开，这样做不仅失误的风险相对较高，而且对于热流探测组件(如探针)来说也是一种浪费。本发明的单浮球海底热流长期观测系统中，通过熔断丝的熔断触发带有省力杠杆的挂钩机构的开放，进而实现回收单元和抛弃单元的分离，实践证明这种脱钩形式的成功率明显优于现有技术中斩断线缆的脱钩方法。更值得一提的是，本发明系统中放置热流探测组件(如热流探针)的舱体顶部是开放的，将热流探测组件(如热流探针)与回收单元的中空舱体连接，这样回收时不必斩断线缆，而是借助回收单元受到的浮力通过线缆的连接将热流探测组件(如热流探针)从其所在舱体内抽出，热流探测组件(如热流探针)即可随回收单元一同浮至水面得到回收。由此大大提高了热流探测组件(如热流探针)的利用率，降低了科考观测成本。

2、显著提高了观测系统中搭载的探测相关仪器设备的安全性

现有技术中，单浮球海底热流长期观测系统需要搭载多种精密的仪器设备一起沉入海底。系统到达海底插入沉积物的过程存在着一个矛盾，那就是一方面需要足够的向下的动量使探针能够稳定、有效地插入沉积物中，另一方面插入的瞬间沉积物层提供的反作用力过大可能会对上方回收单元的精密仪器设备造成损害性冲击。本发明通过探针即热流探测组件所在舱体结构的特殊设计完美地解决了这一矛盾。本发明所述的系统中，中空缓冲舱内留有缓冲空间，且海水能够进入舱内，同时在中空缓冲舱内设置配重装置压在针状舱顶部，这样，在针状舱接触海底沉积物后，针状舱整体会在下沉速度结合配重装置提供的足够的压力作用下插入沉积物，由于中空缓冲舱内配重装置上方有缓冲空间，除针状舱外的其他部分相对针状舱继续下降，此时缓冲空间中灌入的海水被相对上升的配重装置在类似“活塞”的运动中挤出中空缓冲舱，配重装置最终缓慢地到达中空缓冲舱顶部，这一过程中缓冲空间及其内部地海水将来自于沉积物的巨大冲击力化解，起到了类似压缩弹簧的作用，有效地保护了回收单元中的精密仪器设备。

3、此外，整流组件、漏斗仓等组件的设计都相对于现有技术更加有利于系统的平稳、顺利地下沉，为观测实验的成果提供了保障。

附图说明

图1是本发明实施例1的单浮球海底热流长期观测系统的整体结构示意图；

图2是本发明实施例1的单浮球海底热流长期观测系统挂钩结构结构示意图；

图3是本发明实施例1的单浮球海底热流长期观测系统十字支架底部结构示意图；

图4是本发明实施例1的单浮球海底热流长期观测系统柱状舱内部结构示意图；

图中标记说明如下：

1-中空舱体2－浮体材料组件3－连接板4－十字支架

5－水密接头6－换能器7－下沉支架8－整流组件

9－柱状舱10－漏斗舱11－针状舱12－配重块

13－缓冲空间14－推动板15－柔性温度链16－凸块

17－环18－省力杠杆19－半圆弯钩20－封闭环

21－熔断丝22－压力传感器。

具体实施方式

如图1‐4所示，一种单浮球海底热流长期观测系统，包括回收单元和抛弃单元；

其中，回收单元包括一个中空舱体1和中空舱体1周围设置的4个相同规格的浮体材料组件2；中空舱体1是外部为塑料壳体、内部为玻璃内胆的浮球，内部空间装载主控板、熔断式释放器电路板、多通道温度采集板、多组可充电电池、姿态传感器、GPS模块、无线模块等；中空舱体1内部电路板边缘设置若干LED灯，并对应该LED灯在外部塑料壳体相应位置开透光孔；浮体材料组件2等距分布在中空舱体1周围同一水平面上，并与中空舱体1通过连接板3固定连接；该回收单元还包括与中空舱体1底表面固定连接的支撑架，本实施例中的支撑架为十字支架4，在中空舱体1底部设有水密接头5，且在中空舱体1的顶部设有换能器6，在中空舱体1外部还设有压力传感器22。

抛弃单元包括水平的正方形下沉支架7，下沉支架7每个角的位置固定连接一个中空圆柱状整流组件8；在下沉支架7中心位置自上而下设有柱状舱9、漏斗舱10和针状舱11，在柱状舱9顶部开有通孔，内部设置中心开有开孔的配重块12和缓冲空间13；漏斗舱10与柱状舱9底部边缘固定连接，并覆盖针状舱11的上部；针状舱11为一细长管状，顶部开放并固定连接中心开孔的推动板14，推动板14与配重块12组成配重装置，推动板14与柱状舱9内的配重块12接触，共同形成可在柱状舱9内上下运动的类似“活塞”的结构，针状舱11内部装有柔性温度链15；该柔性温度链15以铂电阻为温度传感器；针状舱11底部为圆锥形可拆卸端头，该端头与针状舱体螺纹连接，在该端头内部设有圆环，柔性温度链15在针状舱11底部通过棉线与圆环连接固定。

该柔性温度链15通过线缆穿过推动板14、配重块12和柱状舱9顶部的通孔，与回收单元中空舱体1底部的水密接头5连接；柱状舱9顶部设有支撑块，本实施例中支撑块为四个凸块16，与回收单元的十字支架4四个端头分别接触连接，该十字支架4纵剖面呈倒“凹”字形，以便加强与柱状舱9顶部的凸块16之间的吻合固定，在十字支架4底部中心位置焊接一个闭合环17，用钢丝绳将柔性温度链15的端头与该闭合环17连接；十字支架4底部固定连接一省力杠杆18和挂钩19(本实施例中为半圆弯钩)构成的挂钩机构；抛弃单元的柱状舱9顶部固定连接一封闭环20；挂钩机构的半圆弯钩19与封闭环20勾连；回收单元中空舱体1顶部的换能器6导出熔断丝21，其中，该熔断丝21与熔断式释放器电路板连接，熔断式释放器电路板与换能器6连接，熔断丝21下端成环，套在省力杠杆18动力臂端部，将省力杠杆18动力臂端提起，以此封闭挂钩机构，使回收单元与抛弃单元相连。

本实施例的观测系统的上述结构工作原理如下：

科考人员从科考船甲板将本实施例所述的单浮球海底热流长期观测系统整体投放入海中，系统依靠自身重量下沉至海底，下沉过程中，下沉支架的整流组件8能够促使整个系统在海水中更加平稳地下降，在针状舱11端头接触沉积物时，冲击力使针状舱11及其推动板14推动柱状舱9内的配重块12在柱状舱9内向上滑动，此时由于柱状舱9缓冲空间13内灌有海水，配重块12向上的滑动会将一部分海水挤出柱状舱9，这一过程使针状舱11受到的冲击力柔和地向上传导，对于回收单元中空舱体1内的设备起到了很好的保护作用，同时又由于配重块12的存在，仍然会让针状舱11稳定、有力地插入海底沉积物中。观测系统在海底采集并记录海底热流相关数据。经过适当的时间后，科考船再次来到观测海域的投放点，科考人员在科考船甲板向海底的观测系统发出声学信号，回收单元的换能器6收到信号后启动熔断式释放器电路，熔断丝21在短时间内即可熔断，熔断后省力杠杆18阻力臂端下沉，封闭的挂钩机构被打开，与十字支架4固定连接的半圆弯钩19脱离与柱状舱9固定连接的封闭环20，此时浮体材料组件2及中空舱体1的浮力带动回收单元整体上浮，十字支架4和柱状舱9顶部的凸块也相互分离，即实现了回收单元和抛弃单元之间的分离；与此同时与中空舱体1底部水密接头5连接的柔性温度链15从针状舱11和柱状舱9内被抽出，随回收单元一起浮至水面得到回收。观测系统通过压力传感器22等系统检测发现浮上水面的时候，中空舱体1内的GPS模块和无线模块电源会接通，GPS模块按照一定的频率采集GPS信息，然后通过无线模块发送出去；此外中空舱体1内的LED灯也会在浮出水面时开启，GPS信号结合灯光信号，方便科考人员在天黑的时候发现回收单元。

上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种单浮球海底热流长期观测系统，包括回收单元和抛弃单元，其特征在于：所述回收单元包括中空舱体、水密接头、换能器和设置在所述中空舱体底面上的支撑支架，其中，所述水密接头、所述换能器均设置在所述中空舱体上，在所述中空舱体内装载有与所述换能器连接的熔断式释放器电路板，在所述支撑支架上设置有省力杠杆，在该省力杠杆的阻力臂上设有挂钩，该省力杠杆的动力臂通过熔断丝与所述熔断式释放器电路板连接；所述抛弃单元包括顶部设有通孔的中空缓冲舱、内装有热流探测组件的针状舱、设置在所述中空缓冲舱顶部的用于支撑所述支撑支架的支撑块，在所述中空缓冲舱内设有水平设置的配重装置，所述针状舱的顶部穿入所述中空缓冲舱内与所述配重装置连接，所述热流探测组件通过线缆穿过所述配重装置、所述通孔与所述水密接头连接，在所述中空缓冲舱的顶部设有一封闭环，所述挂钩挂在该封闭环内。

2.根据权利要求1所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：在所述中空舱体周围设置有至少三个相同的浮体材料组件，所述浮体材料组件等距分布在所述中空舱体周围的同一水平面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：在所述中空缓冲舱周围设置有水平的下沉支架，在该下沉支架周围设置有至少两个整流组件，所述整流组件等距分布在所述下沉支架的水平面上。

4.根据权利要求3所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：所述中空缓冲舱包括柱状舱和设置在该柱状舱下方的漏斗舱，该漏斗舱的上端与该柱状舱的下端连通；所述中空舱体外部为塑料壳体，内部为玻璃内胆的浮球。

5.根据权利要求4所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：在所述中空舱体内装载有主控板、多通道温度采集板、多组可充电电池、姿态传感器、GPS模块和无线模块；在所述中空舱体上设有压力传感器。

6.根据权利要求5所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：在所述中空舱体内部电路板边缘设置若干LED灯，并在所述外部塑料壳体上对应所述LED灯开设透光孔。

7.根据权利要求6所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：所述热流探测组件是以铂电阻为温度传感器的柔性温度链。

8.根据权利要求7所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：所述针状舱包括针状舱本体和螺纹连接在所述针状舱本体底端的圆锥形可拆卸端头，在所述端头内部设有圆环，所述柔性温度链在所述针状舱底部通过低强度纤维与所述圆环连接固定。

9.根据权利要求8所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：所述下沉支架呈正方形，所述整流组件呈中空圆柱状。

10.根据权利要求9所述的一种单浮球海底热流长期观测系统，其特征在于：在所述支撑支架底部中心位置焊接有一闭合环，所述热流探测组件的端头通过高强度纤维与该闭合环连接。