CN112415047A - 一种海冰-海水间热通量系数的测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海冰测试技术领域，提供一种海冰‑海水间热通量系数的测试装置。在具有锥形顶部的筒形隔热外壳内安装若干个铂电阻温度传感器、防水密封耐低温信号发射器、防水密封耐低温数据采集器、配重块等部分组成，并配有伞形防挤压支撑增加结构强度，通过顶端无线传输天线可将数据传输至陆地端。本发明可通过漂浮在海水中对厚度较小的初生冰与薄冰垂向温度梯度进行测试，结构设计可抵抗降雪、低温、海水喷溅等恶劣环境条件对装置的影响，并可抵抗海冰漂移过程对装置的挤压破坏。

Description

一种海冰-海水间热通量系数的测试装置
技术领域
本发明属于海冰测试技术领域，涉及到一种用于海冰热力学参数的测试装置，特别涉及到海冰与海水之间的热通量系数测定装置。
背景技术
我国渤海每年冬季均受到海冰不同程度的影响，海冰的存在渤海海上运输、水产养殖以及油气开采等生产生活活动带来了严重的影响，研究大尺度下海冰的热力学生消特性可提高海冰冰情的预报精度与可靠性。在海冰生长过程的研究中，冰水之间的热通量系数是预测海冰生长速度的重要参数，而热通量系数则主要由冰水交界面的温度剖面的形状来计算。然而，目前海冰冰温的测试技术中所采用的传感器等测试装置并未针对冰水之间的交界面而研发，因此无法得到有效精度的热通量系数。
已公知的文献有：一种测温电缆CN202494530U；一种高精度海底低温梯度探测设备CN104062691A；一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器 CN106556469B。这些装置只有当海面上形成一定厚度的海冰后才可站在海面上进行安装，而无法测量海水表面初结冰时的试验数据。
发明内容
本发明提供了一种海冰海水间热通量系数的测试装置，该装置可获取厚度较小的新生冰与薄冰类型海冰生长过程中内部的温度梯度，而温度梯度可计算得到冰-水间换热系数，该系数是建立海冰生长的物理模型的重要参数。本发明的测试结果解决了初生冰与薄冰热力学模型的建立问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，包括筒形隔热外壳、锥形顶部、防水橡胶垫圈、无线传输天线、铂电阻温度传感器、防水密封耐低温信号发射器、防水密封耐低温数据采集器、配重块、耐低温锂离子电池组、伞形防挤压支撑。装置整体具有IP67的防水性，适用于距离沿岸10公里以内初生冰与薄冰的海冰冰温，可漂浮于海水中且其温度测试区持续域(铂电阻温度传感器所在区域)覆盖气-水交界面而不受潮汐涨落的影响，对于渤海海水超过两米的潮汐落差仍可实现对海冰初步形成时冰-水界面的覆盖。
所述的无线传输天线设于锥形顶部，采用433MHZ信号无线传输，信号接收范围小于10公里且传输路线上不能有障碍物遮挡，这种设计既可满足海冰温度的测试要求又保障了无线传输的低能耗，从而使设备具有更长的监测周期。所述的筒形隔热外壳的内部螺纹与锥形顶部的外部螺纹连接固定，螺纹之间配有防水橡胶垫圈。其中，筒形隔热外壳桶内上端带有大直径螺纹用于与锥形顶端相固定，筒形隔热外壳与锥形顶端之间配有防水橡胶垫圈，橡胶垫圈弹性受低温影响较小在零下35摄氏度以上仍保持良好的弹性，保证低温环境中筒形隔热外壳与锥形顶端之间的接触压力从而保持良好的防水密封性。
所述的铂电阻温度传感器沿垂直方向在筒形隔热外壳侧面依次固定，安装于筒形隔热外壳4的侧面，使得传感器能够在初生冰形成时捕捉新生冰的冰温数据：其中，传感器水线上5个、水线处1个与水线以下14个，共计20个温度传感器；靠近水线的上下3个温度传感器之间的间距为0.2厘米，其余传感器之间的间距为0.5厘米。根据海水与空气的流体力学特性，只有距离流固交界面距离较小时温度梯度的分布才更为明显，因此需在海水-海冰和海冰-空气两个交界面布放更为紧密的温度传感器。同时，由于海冰沿海水方向生长，因此水线以下布放的传感器数量要高于水线以上。此外，水面以上温度传感器数量需超过3个才可构造出非线性空气温度剖面；同样的，水面以下的温度传感器数量需超过3个才可构造出非线性的海水温度剖面。所述的水线处为装置与海平面的交界处。所述靠近水线处传感器之间的间距小于远离水线处传感器的间距，水线处加密后的传感器可满足计算冰-水截面换热系数所需的测量精度。
所述的海冰-海水间热通量系数的计算公式为：
Figure RE-GDA0002822253140000031
式中，h为热通量系数，ρi为海冰密度，ci为海冰比热，dTav为冰内温度传感器的平均值，Ts为距海水中距离冰水界面最近的一个传感器温度，T∞为水中距离冰水界面最远端的传感器温度。
Figure RE-GDA0002822253140000032
式中，Txi为冰内传感器所测温度。
所述的配重块通过螺丝固定在筒形隔热外壳内的底部；通过配重块对装置浮力重力比的调节，使所述装置的温度传感器与水面间相对位置满足海洋热通量的计算精度要求。
所述的防水密封耐低温数据采集器与锂离子电池组均固通过螺丝固定在配重块上部，防水密封耐低温信号发射器固定在防水密封耐低温数据采集器上部，防水密封耐低温数据采集器通过15根四芯导线与铂电阻温度传感器连接，防水密封耐低温信号发射器通过同轴线与顶端的无线传输天线连接；。
所述的伞形防挤压支撑安装在筒形隔热外壳的上半部分。内部采用支撑结构能够提高装置的抗挤压强度，装置整体具有高于30MPa并低于50MPa的抗挤压强度，由于海冰的侧限压缩强度低于30MPa从而使装置在海冰漂移过程中不会由于海冰挤压而产生破坏，同时不高于50MPa的抗挤压强度使装置的整体重量小于30公斤。
进一步的，所述的筒形隔热外壳的材料为聚醚醚酮材料，具有良好的力学性能和隔热性能，其中外壳与伞形支撑配合后可使装置测试冰厚30厘米以下的海冰，测试过程中能够抵抗该厚度海冰压力对装置的影响并产生较小的变形量，因此在测试过程中传感器能够保持良好的位置精度以保证温度梯度的测试精度；隔热材料的导热系数为0.01K·W/m2远低于海冰的导热系数2.2K·W/m2，可保障使用过程中装置内部的热量传递速度远低于海冰的热量传递速度。
进一步的，所述的铂电阻温度传感器3采用电阻阻值为1000欧姆以上的铂电阻作为敏感元件，阻值较高的传感器消耗功率较小从而使传感器可保障三个月的监测周期。
进一步的，所述的配重块重量不高于10公斤，可调节浮漂的重心使其在风浪作用下仍可保持较好的垂直度，同时配重块仍可确保浮漂整体重量小于30公斤而具备较好的便携性；配重块采用中心为密度较大的铅材料外部为宽度2厘米的橡胶材料，当温度变化时铅块与外壳之间的热膨胀系数差异不会影响两者的装配要求。
进一步的，浮漂整体(海冰温度梯度测试装置)高度小于40厘米，从而使其具有低于30公斤的整体重量以提高其便携性。
进一步的，所述的锂离子电池组具有厚度5厘米泡沫板的隔热包裹处理，在零下35摄氏度以上电池衰减低于20％。本发明所述的锥形顶部的设计能够避免降雪引起装置顶部的积雪，从而使装置在长监测周期中具有较好的稳性。
本发明整体重量小于30公斤从而使其可通过人工方式在厚度10厘米的海冰上进行投放；根据海冰的承载力特点，整体重量30公斤以下可保障100公斤以下成年男子在海冰上携带行走时不会因重量较大而踩碎海冰并跌落至海水中。
本发明采用锂电池为采集系统供电，在零摄氏度至零下35摄氏度之间时仍能维持较高的电量，从而能够使采集系统能够在该温度范围内工作；供电由锂电池组所提供而不采用太阳能板从而使设备整机重量小于30公斤，投放浮漂时可通过人工携带完成而无需起重船舶协助，因此浮漂布放在深度小于5米的海域内。
本发明可达到得的效果和益处是：通过浮漂与水面的相对位置，实现了冰水交界面的温度测量，防止了潮汐涨落对温度测量位置的影响；通过水线处温度传感器的加密，解决了初生冰与薄冰内部温度场的测试问题，从而解决了冰水间换热系数的测定问题；通过整装设备的轻量化设计，解决了测试装置在浅海地区的布放问题。
附图说明
图1是一种海冰-海水间热通量系数的测试装置的外部结构图。
图2是一种海冰-海水间热通量系数的测试装置的内部结构图。
图中：1是装置的无线传输天线；2是锥形顶部；3铂电阻温度传感器；4 是筒形隔热外壳；5是防水密封耐低温信号发射器；6是防水密封耐低温数据采集器；7是配重块；8是伞形防挤压支撑；9是防水橡胶垫圈；10是耐低温锂电池组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、操作过程、测试过程及实施实例做进一步的说明。
图1为本发明的外部结构与装配方式示意图。筒形隔热外壳4为内部中空的薄壁结构，其顶端为开放形式并在顶端加工1.5厘米深的螺纹用于与锥形顶端 2进行连接固定，筒形隔热外壳1与锥形顶端2之间通过防水橡胶垫圈9进行密封，筒形隔热外壳1的侧面具有竖向即垂直与筒体截面的凹槽，凹槽内分布若干圆孔用于固定铂电阻温度传感器3且传感器固定后均做密封处理，铂电阻传感器3与外界海冰直接接触并测量海冰的温度剖面，锥形顶端2的上部与无线传输天线1密封连接，因此装置的整体外部结构具有很好的防水性能。
图2为本发明的内部结构与装配方式示意图。配重块7安装于筒形隔热外壳4的内部底端，防水密封耐低温数据采集器6与耐低温锂电池组10通过螺栓固定在配重块7之上，防水密封耐低温信号发射器5通过螺栓固定在防水密封耐低温数据采集器6上部，防水密封耐低温数据采集器6通过同轴导线与无线传输天线1相连，防水密封耐低温数据采集器6与铂电阻温度传感器3通过四芯数据线相连接，伞形支撑8固定于筒形隔热外壳4的内部上端，在筒形隔热外壳4受挤压时增加结构抵抗变形的能力。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，其特征在于，所述的海冰温度梯度测试装置包括筒形隔热外壳(4)、锥形顶部(2)、防水橡胶垫圈(9)、无线传输天线(1)、铂电阻温度传感器(3)、防水密封耐低温信号发射器(5)、防水密封耐低温数据采集器(6)、配重块(7)、耐低温锂离子电池组(10)、伞形防挤压支撑(8)；装置整体具有防水性，用于测量初生冰与薄冰的海冰冰温，能够漂浮于海水中且其温度测试区持续域覆盖气-水交界面而不受潮汐涨落的影响；
所述的无线传输天线(1)设于锥形顶部(2)顶部；
所述的锥形顶部(2)与筒形隔热外壳(4)之间布置防水橡胶垫圈(9)；
所述的铂电阻温度传感器(3)沿垂直于筒形隔热外壳(4)截面的方向排放安装，安装于筒形隔热外壳(4)的侧面，海冰温度梯度测试装置置于海水后，其水线处及水线处上下均设有铂电阻温度传感器(3)，使得传感器能够在初生冰形成时捕捉新生冰的冰温数据；所述靠近水线处传感器之间的间距小于远离水线处传感器的间距，水线处加密后的传感器可满足计算冰-水截面换热系数所需的测量精度；
所述的配重块(7)固定在筒形隔热外壳(4)内部底端，通过配重块对装置浮力重力比的调节，使铂电阻温度传感器(3)与水面间相对位置满足海洋热通量的计算精度要求；所述的配重块(7)外部包裹橡胶材料；
所述的防水密封耐低温信号发射器(5)与防水密封耐低温数据采集器(6)、锂离子电池组(10)均固定于配重块(7)的上部，采用锂离子电池组(10)为采集系统供电；所述的防水密封耐低温数据采集器(6)通过导线与铂电阻温度传感器(3)连接，防水密封耐低温信号发射器(5)通过同轴线与顶端的无线传输天线(1)连接；
所述的伞形防挤压支撑(8)安装在筒形隔热外壳(4)的上半部分，用于提供装置的抗挤压强度。
2.如权利要求1所述的一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，其特征在于，所述的铂电阻温度传感器(3)装配方式为：装置配备水线上5个、水线处1个与水线以下14个，共计20个温度传感器。
3.如权利要求1所述的一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，其特征在于，靠近水线上下各3个传感器间距为0.2厘米，其余传感器间距0.5厘米。
4.如权利要求1所述的一种适用于初生冰与薄冰的海冰温度梯度测试装置，其特征在于，所述的筒形隔热外壳(4)采用聚醚醚酮材料，隔热材料的导热系数为0.01K·W/m2。
5.如权利要求1所述的一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，其特征在于，所述的铂电阻温度传感器(3)采用电阻阻值为1000欧姆以上的铂电阻作为敏感元件。
6.如权利要求1所述的一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，其特征在于，所述的配重块(7)重量不高于10公斤，可调节浮漂的重心使其在风浪作用下仍可保持较好的垂直度。
7.如权利要求1所述的一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，其特征在于，所述的配重块(7)采用中心为铅材料外部为宽度2厘米的橡胶材料。
8.如权利要求1所述的一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，其特征在于，浮漂整体高度小于40厘米，其具有低于30公斤的整体重量。
9.如权利要求1所述的一种海冰-海水间热通量系数的测试装置，其特征在于，所述的锂离子电池组具有厚度5厘米泡沫板的隔热包裹处理，在零下35摄氏度以上电池衰减低于20％。
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