CN116045923A - 一种温盐深测量仪及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种温盐深测量仪及系统，涉及海洋观测领域。所述测量仪包括：流线型外壳和温盐深测量与传输模块；所述温盐深测量与传输模块设置在所述流线型外壳内，所述温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述流线型外壳的垂向对称轴线上；所述温盐深测量与传输模块用于进行测量数据的实时获取和传输。本发明设置了流线型外壳减少外壳表面水流分离和旋涡的形成，并设置温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述流线型外壳的垂向对称轴线上，避免产生偏转的力矩，提高了测量仪下降姿态的稳定性，本发明还设置了温盐深测量与传输模块，以实现测量数据的实时传输。
Description
技术领域
本发明涉及海洋观测领域，特别是涉及一种温盐深测量仪及系统。
背景技术
走航式温盐深测量仪可以在船舶航行时，进行实时、连续的海洋垂直剖面和水平梯度的精细化测量，用于快速大范围获取温盐剖面数据,掌握调查海域精细化海洋温度跃层、密度跃层、声速剖面等海洋水文水声结构，对于海洋经济开发、海上国防建设、海洋环境保障等具有非常重要的意义。
走航式温盐深测量仪的发展主要经历了固定深度拖曳、可起伏升降拖曳、多传感器阵列式拖曳以及可起伏拖鱼式拖曳四个阶段，固定深度拖曳系统无法获取垂直剖面观测数据;可起伏升降拖曳系统为自容式工作，无法实时获取观测数据；多传感器阵列式观测系统是一种在缆上集成间隔分布的传感器节点，组成传感器阵列，通过船舶牵引，传感器阵列整体随船舶运动，在其运动过程中实现温盐剖面观测，该系统操作复杂，可靠性较差，作业航速低，垂向分辨率低。
起伏拖鱼式拖曳观测系统按温盐深测量仪水下运动轨迹分为波浪运动轨迹和垂直剖面运动轨迹两种。波浪运动轨迹拖曳观测系统的拖缆一般需配装导流套，成本高，收放过程复杂，且仪器在浅表面受波浪影响，易失控。垂直剖面运动轨迹拖曳观测系统的温盐深测量仪运动轨迹为近自由落体式下降与抛物线式回收的组合，操作简单、测量效率高。垂直剖面运动轨迹拖曳观测系统的温盐深测量仪存在下降姿态不稳定及无法实现测量数据实时传输的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种温盐深测量仪及系统，以提高下降姿态的稳定性，并实现测量数据的实时传输。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种温盐深测量仪，所述测量仪包括：流线型外壳和温盐深测量与传输模块；
所述温盐深测量与传输模块设置在所述流线型外壳内，所述温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述流线型外壳的垂向对称轴线上；
所述温盐深测量与传输模块用于进行测量数据的实时获取和传输。
可选的，所述流线型外壳包括流线型的防护壳体、尾翼和吊杆；
所述温盐深测量与传输模块设置在所述防护壳体内，所述温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述防护壳体的垂向对称轴线上；
所述尾翼设置在所述防护壳体的尾部；
所述吊杆连接在所述防护壳体两侧的枢轴上，并通过销钉进行固定，通过调整销钉在吊杆上的安装位置，进行吊杆角度的调整，所述吊杆用于连接拖揽。
可选的，所述尾翼为十字型结构的尾翼。
可选的，所述温盐深测量与传输模块包括：温度电导率压力测量模块、测量与控制电路和电源与数据传输单元；温度电导率压力测量模块包括电导率传感器、温度传感器、压力传感器；
所述温度电导率压力测量模块的信号输出端和所述测量与控制电路的第一信号端口连接；
所述测量与控制电路的第二信号端口和所述电源与数据传输单元连接；
所述温度电导率压力测量模块的电源端及测量与控制电路的电源端均和所述电源与数据传输单元连接；
所述电源与数据传输单元通过拖揽与水上设备连接，所述电源与数据传输单元用于接收水上设备发送的混合传输信号，将所述混合传输信号进行分离获得直流电源和命令，将所述直流电源进行降压和稳压后为所述温度电导率压力测量模块及测量与控制电路供电；
所述测量与控制电路用于根据所述命令获取所述温度电导率压力测量模块的测量数据，并将所述测量数据发送给所述电源与数据传输单元；
所述电源与数据传输单元还用于将所述测量数据发送给水上设备。
可选的，所述电源与数据传输单元包括：第一隔离电路、水下机电源和第一通讯电路。
所述第一隔离电路分别与水下机电源、第一通讯电路和拖揽连接；
所述第一隔离电路用于将所述混合传输信号进行分离，得到直流电源和命令，并将所述直流电源发送给所述水下机电源，将所述命令发送给所述第一通讯电路；
所述水下机电源分别和所述温度电导率压力测量模块的电源端及测量与控制电路的电源端连接，用于对所述直流电源进行降压和稳压；
所述第一通讯电路与所述测量与控制电路的第二信号端口连接，所述第一通讯电路还与第一隔离电路连接。
可选的，所述隔离电路包括变压器。
可选的，所述测量与控制电路包括MCU模块、及与所述MCU模块连接的电源管理系统、第一RS232模块、第二RS232模块和第三RS232模块；
所述电源管理系统的输入端和电源与数据传输单元连接，所述电源管理系统的输出端和温度电导率压力测量模块的电源端、MCU模块的电源端、第一RS232模块的电源端及第二RS232模块的电源端连接；
所述第一RS232模块作为所述测量与控制电路的第一信号端口，用于与温度电导率压力测量模块进行数据交互；
所述第二RS232模块作为测量与控制电路的第二信号端口，用于与电源与数据传输单元进行数据交互；
所述第三RS232模块作为测量与控制电路的预留端口，用于温盐深测量仪的单机测试。
一种温盐深测量系统，所述测量系统包括：水上设备和上述的测量仪；
所述测量仪通过拖揽与所述水上设备连接。
可选的，所述水上设备包括绞车、计算机及电源与控制模块；
所述绞车用于拖揽的释放和回收，以实现对测量仪的投放和收回；
所述计算机和所述电源与控制模块连接，所述计算机用于产生命令，并将所述命令通过所述电源与控制模块发送至拖揽，所述计算机还用于通过所述电源与控制模块接收测量数据。
可选的，所述电源与控制模块包括处理仓和电源仓；
所述处理仓内设置有第二隔离电路和第二通讯电路，所述电源仓内设置有主电源；
所述主电源分别与所述第二隔离电路和所述第二通讯电路的电源端连接；所述主电源用于将220V交流电转换成直流电源和地上控制电源，并将所述直流电源发送给所述第二隔离电路，将所述地上控制电源传输所述第二通讯电路的电源端；
所述第二通讯电路分别与计算机和第二隔离电路连接；
所述第二隔离电路与拖揽连接，所述第二隔离电路用于将所述直流电源和控制指令通过拖揽传输至温盐深测量仪。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种温盐深测量仪及系统，所述测量仪包括：流线型外壳和温盐深测量与传输模块；所述温盐深测量与传输模块设置在所述流线型外壳内，所述温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述流线型外壳的垂向对称轴线上；所述温盐深测量与传输模块用于进行测量数据的实时获取和传输。本发明设置了流线型外壳减少外壳表面水流分离和旋涡的形成，并设置温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述流线型外壳的垂向对称轴线上，避免产生偏转的力矩，提高了测量仪下降姿态的稳定性，本发明还设置了温盐深测量与传输模块，以实现测量数据的实时传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种温盐深测量仪的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种温盐深测量仪的外形图；
图3为本发明实施例提供的电源与数据传输单元的原理图；
图4为本发明实施例提供的测量与控制电路的原理图；
图5为本发明实施例提供的电源与控制模块的原理图；
图6为本发明实施例提供的电源与控制模块的内部结构图；
图7为本发明实施例提供一种温盐深测量系统的数据交互的流程图；
附图标记说明：
1、电导率探头；2、温度探头；3、压力探头；4、防护壳体；5、端盖；6、测量与传输的电路板；7、吊杆；8、尾翼；9、销钉安装处；10、枢轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种温盐深测量仪及系统，以提高下降姿态的稳定性，并实现测量数据的实时传输。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明实施例提供一种温盐深测量仪，所述测量仪包括：流线型外壳和温盐深测量与传输模块；所述温盐深测量与传输模块设置在所述流线型外壳内，所述温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述流线型外壳的垂向对称轴线上，所述温盐深测量与传输模块用于进行测量数据的实时获取和传输。
如图1和图2所示，流线型外壳包括流线型的防护壳体4、尾翼8、吊杆7，用于保持测量投放过程中良好的竖直姿态。
其中，温盐深测量与传输模块的重心和浮心位于防护壳体4垂向对称轴线，避免产生偏转的力矩；防护壳体4设计为流线型，减少外壳表面水流分离和涡旋的形成，稳定温盐深测量仪下降姿态。
另外，尾翼8采用十字型结构（尾翼8与防护壳体4是一体的），减小尾流对防护壳体4影响，进一步的稳定温盐深测量仪下降姿态，保持测量投放过程中良好的竖直姿态。
吊杆7通过枢轴10与防护壳体4连接，并通过在销钉安装处9设置销钉进行固定，通过调整销钉在吊杆7处的安装位置，可以实现吊杆7在不同角度的固定。
防护壳体4设置有密封腔体和端盖5，电导率传感器的电导率探头1、压力传感器的压力探头3和温度传感器的温度探头2安装于端盖5前端，测量与控制电路和电源与数据传输单元均设置在测量与传输的电路板6上，测量与传输的电路板6设置在密封腔体内，端盖5与密封腔体采用两道径向密封连接。
温盐深测量与传输模块包括温度电导率压力测量模块、测量与控制电路、电源与数据传输单元；温度电导率压力测量模块包括电导率传感器、温度传感器、压力传感器，用于直接测量海水温盐深数据，得到测量数据，并通过拖缆将测量数据传输至水上设备中的电源与控制模块。
其中，对于温度传感器采用高性能热敏电阻和金属铠装材料，可以满足高精度、耐高压及快速响应的测量需求；对于电导率传感器采用高性能的电极和电导池材料，结合高精度转换电路和压力补偿技术，可以满足高精度、耐高压及快速响应的测量需求；对于压力传传感器采用大深度耐压结构设计和原位温度自补偿方法，可以满足大量程、高精度及快速响应的测量需求；传感器采集技术采用高精度基准电压源、高精度AD、交变激励信号和比例测量的方式，实现16Hz高分辨率测量。因此，该测量仪可以满足温盐深要素的高精度、大深度、高分辨率的测量要求。
如图3所示，电源和数据传输单元包括水下机电源、第一隔离电路、第一通迅电路。电源和数据传输单元用于接收经拖缆发送来的混合传输信号，通过解调处理分离出直流电源和命令。直流电源经过变换和稳压，为温度电导率压力测量模块和测量与控制电路供电，并将温度电导率压力测量模块获得的测量数据调制到拖揽上，通过拖揽发送到水上设备的电源与控制模块。
经拖缆发送的混合传输信号通过第一隔离电路后，第一隔离电路将260V直流与命令通过变压器后分开，控制命令直接进入后续第一通讯电路，直流电源进入水下机电源进行降压和稳压。
水下机电源将直流260V降压为12V为后续电路（即温度电导率压力测量模块和测量与控制电路）供电，其输出功率为50W，具有转换效率高、空载功耗小、可靠性高等特点。水下机电源能够在规定的环境条件下将260V直流电源转换为12V50W直流稳压电源，为后级电路提供直流电源。在满足工作条件的外界环境中，水下机电源能够连续正常工作。
第一通讯电路包含信号接收和发送两个部分，接收部分对由水上长距离传输过来的控制信号（命令）进行解调、缓冲、滤波，把控制信号送至测量与控制电路。发送部分负责将接收到的测量数据送到调制调制后向上传输至水上设备的电源与控制模块。
如图4所示，测量与控制电路作为温盐深测量仪的控制中枢，控制测量仪中各个组成部分协调工作，起到电源管控、任务调度、数据交换、通讯控制、实验调试等功能。测量与控制电路包括MCU模块、及与所述MCU模块连接的电源管理系统、第一RS232模块、第二RS232模块和第三RS232模块。
测量与控制电路的电源管理系统由电源与数据传输单元供电，然后为所有用电模块供电并进行低功耗高效率的电源管控；控制核心（MCU模块）负责执行仪器的任务调度和各个组成部件的通讯控制，对下采用第一RS232模块与温度传感器、电导率传感器、压力传感器连接，采集其实时采集的测量数据；对上采用第二RS232模块与电源与数据传输单元连接，将实时采集的测量数据编码后发送给水上设备的电源与控制模块，还可以接收响应电源与控制模块的各类型命令；同时针对电源与数据传输单元半双工通讯的特性，还为其提供通讯方式管控；预留上位机设置通讯功能（第三RS232模块），可以通过设置缆在实验室进行一般性功能设置、温盐深传感器校准试验等。
实施例2
本发明实施例2提供一种温盐深测量系统，所述测量系统包括：水上设备和上述的测量仪；所述测量仪通过拖揽与所述水上设备连接。所述水上设备包括绞车、计算机及电源与控制模块；所述绞车用于拖揽的释放和回收，以实现对测量仪的投放和收回；所述电源与控制模块通过拖揽与测量仪进行数据交互。
具体的，
如图5所示，电源与控制模块为非入水设备，属于水上设备，包括主电源、第二隔离电路、第二通迅电路，用于通过拖缆向水下供电并传输信号（混合传输信号，包括直流电源和命令），该拖揽为专用拖揽，带有电源及信号的传输功能及具有高强度能够实现拖拽的功能；并接收温盐深测量与数据传输模块发送的测量数据。
电源与控制模块内部分为两个仓体，两者之间用挡板隔开，如图6所示，一个为处理仓，放置第二隔离电路和第二通讯电路的电路板；一个为电源仓，放置主电源即AC-DC稳压电源的电路板。处理仓的电路板与电源仓的电路板使用过孔通过四根线，两电路板之间使用接线端子连接。其中，直流电源为主电源转换而来的260V直流电，地上控制电源为主电源转换而来的12V的直流电。
其中，主电源通过交直流变换提供向水下传送的直流电源。
处理仓主要包括第二隔离电路和第二通讯电路，用于完成水下数据接收和指令发送功能。第二隔离电路主要保护信号传输电路免受电源波动和尖峰影响，水上设备处于接收状态时从拖揽中的单芯传输电缆上分离上行的调制信号，处于发送状态时把直流电源和命令通过线圈加到单芯传输电缆上向水下传送。
第二通讯电路主要包括信号接收和发送两个部分，接收部分对由水下长距离传输过来的测量数据进行解调、滤波，并发送至计算机；发送部分将计算机发出的命令进行调制、放大，并通过拖缆向下传输。
第二通讯电路长期处于接受状态，在收到指令后，切换为发送状态，等待200ms 发送电路稳定后，再延时50ms，发送此指令，发送完后，马上切换回接受状态等待数据。流程如图7所示。
混合信号实时传输流程：
电源与控制模块对船用交流电整流成的高压直流电（260V的直流电源）和测量控制指令（命令）进行调制，通过其专用拖揽向水下的温盐深测量仪传输混合传输信号；水下的温盐深测量仪中的电源与数据传输单元接收经拖揽发送来的混合传输信号，通过解调处理分离出直流电源和命令。直流电源经过变换和稳压，为水下的温盐深测量仪供电，同时将温盐深测量仪的测量数据调制到拖揽上，通过拖揽发送到电源与控制模块，电源与控制模块接收水下发送回来的测量数据，通过解调、解码处理，记录测量数据。
为实现直流电源和命令的合成与分离，温盐深测量仪设置了第一隔离电路，从而保证长距离电能与信号传输的可靠性和低误码率。
本发明实施例的绞车采用智能专用绞车，实现高速释放、回收专用电缆(最高可达7～8米/秒)，使低阻流线型温盐深测量仪，在水下基本不受船舶航行和拖缆影响，以近自由落体方式下沉到设定深度，同步采集海水温盐深的测量数据，由电源和数据传输单元以固定格式通过拖揽中的电缆实时回传至水上的电源与控制模块。在温盐深测量仪不间断往复升降过程中，完成调查海域温盐剖面的连续测量。
综上，本发明基于垂直剖面运动轨迹拖曳观测系统，重点突破了高精度温盐深探头集成、供电与数据实时传输以及仪器姿态控制等关键技术，研制了一种适用于船舶航行中自动、实时剖面测量的温盐深测量仪，主要解决了现有的垂直剖面运动拖曳观测系统中温盐深测量仪下降姿态不稳定和无法实现实时传输的问题，接近垂直的下降姿态可以获取更高的观测数据质量，实时传输是实现自动化、智能化和无人化的基础，大大提高了观测效率和安全性。
本发明实施例通过电能和数据混合实时传输和姿态控制技术，通过绞车下放、回收拖缆，完成单个剖面测量时间约为13分钟，水平分辨率约为3海里一个剖面，在测量仪不间断往复升降过程中，完成调查海域温盐剖面连续测量。
操作人员在船舱室既可完成仪器的布放与回收，有效提高了生产力和安全性，实现了目标海域温盐数据的大范围、全天候、不间断实时获取。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种温盐深测量仪，其特征在于，所述测量仪包括：流线型外壳和温盐深测量与传输模块；
所述温盐深测量与传输模块设置在所述流线型外壳内，所述温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述流线型外壳的垂向对称轴线上；
所述温盐深测量与传输模块用于进行测量数据的实时获取和传输。
2.根据权利要求1所述的温盐深测量仪，其特征在于，所述流线型外壳包括流线型的防护壳体、尾翼和吊杆；
所述温盐深测量与传输模块设置在所述防护壳体内，所述温盐深测量与传输模块的重心和浮心均位于所述防护壳体的垂向对称轴线上；
所述尾翼设置在所述防护壳体的尾部；
所述吊杆连接在所述防护壳体两侧的枢轴上，并通过销钉进行固定，通过调整销钉在吊杆上的安装位置，进行吊杆角度的调整，所述吊杆用于连接拖揽。
3.根据权利要求2所述的温盐深测量仪，其特征在于，所述尾翼为十字型结构的尾翼。
4.根据权利要求1所述的温盐深测量仪，其特征在于，所述温盐深测量与传输模块包括：温度电导率压力测量模块、测量与控制电路和电源与数据传输单元；温度电导率压力测量模块包括电导率传感器、温度传感器、压力传感器；
所述温度电导率压力测量模块的信号输出端和所述测量与控制电路的第一信号端口连接；
所述测量与控制电路的第二信号端口和所述电源与数据传输单元连接；
所述温度电导率压力测量模块的电源端及测量与控制电路的电源端均和所述电源与数据传输单元连接；
所述电源与数据传输单元通过拖揽与水上设备连接，所述电源与数据传输单元用于接收水上设备发送的混合传输信号，将所述混合传输信号进行分离获得直流电源和命令，将所述直流电源进行降压和稳压后为所述温度电导率压力测量模块及测量与控制电路供电；
所述测量与控制电路用于根据所述命令获取所述温度电导率压力测量模块的测量数据，并将所述测量数据发送给所述电源与数据传输单元；
所述电源与数据传输单元还用于将所述测量数据发送给水上设备。
5.根据权利要求4所述的温盐深测量仪，其特征在于，所述电源与数据传输单元包括：第一隔离电路、水下机电源和第一通讯电路；
所述第一隔离电路分别与水下机电源、第一通讯电路和拖揽连接；
所述第一隔离电路用于将所述混合传输信号进行分离，得到直流电源和命令，并将所述直流电源发送给所述水下机电源，将所述命令发送给所述第一通讯电路；
所述水下机电源分别和所述温度电导率压力测量模块的电源端及测量与控制电路的电源端连接，用于对所述直流电源进行降压和稳压；
所述第一通讯电路与所述测量与控制电路的第二信号端口连接，所述第一通讯电路还与第一隔离电路连接。
6.根据权利要求5所述的温盐深测量仪，其特征在于，所述隔离电路包括变压器。
7.根据权利要求4所述的温盐深测量仪，其特征在于，所述测量与控制电路包括MCU模块、及与所述MCU模块连接的电源管理系统、第一RS232模块、第二RS232模块和第三RS232模块；
所述电源管理系统的输入端和电源与数据传输单元连接，所述电源管理系统的输出端和温度电导率压力测量模块的电源端、MCU模块的电源端、第一RS232模块的电源端及第二RS232模块的电源端连接；
所述第一RS232模块作为所述测量与控制电路的第一信号端口，用于与温度电导率压力测量模块进行数据交互；
所述第二RS232模块作为测量与控制电路的第二信号端口，用于与电源与数据传输单元进行数据交互；
所述第三RS232模块作为测量与控制电路的预留端口，用于温盐深测量仪的单机测试。
8.一种温盐深测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：水上设备和权利要求1-7任一项所述的测量仪；
所述测量仪通过拖揽与所述水上设备连接。
9.根据权利要求8所述的温盐深测量系统，其特征在于，所述水上设备包括绞车、计算机及电源与控制模块；
所述绞车用于拖揽的释放和回收，以实现对测量仪的投放和收回；
所述计算机和所述电源与控制模块连接，所述计算机用于产生命令，并将所述命令通过所述电源与控制模块发送至拖揽，所述计算机还用于通过所述电源与控制模块接收测量数据。
10.根据权利要求9所述的温盐深测量系统，其特征在于，所述电源与控制模块包括处理仓和电源仓；
所述处理仓内设置有第二隔离电路和第二通讯电路，所述电源仓内设置有主电源；
所述主电源分别与所述第二隔离电路和所述第二通讯电路的电源端连接；所述主电源用于将220V交流电转换成直流电源和地上控制电源，并将所述直流电源发送给所述第二隔离电路，将所述地上控制电源传输所述第二通讯电路的电源端；
所述第二通讯电路分别与计算机和第二隔离电路连接；
所述第二隔离电路与拖揽连接，所述第二隔离电路用于将所述直流电源和控制指令通过拖揽传输至温盐深测量仪。
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