CN1837798A - 用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，该原位测量系统包括，测量探头，姿态检测电路，热脉冲激发电路，温度采集电路，CPU，I/O和存储器。该测量装置包括：a、存储装置；b、输入装置；c、检测装置；d、计算装置，根据公式k＝0.029275×Q/(T_mt_m)计算出热源周围沉积物的热导率，并将该热导率数据存储在EEPROM存储器中；e、输出装置，对上述数据进行显示和回放，且测量结束。本测量装置采用滤波、高位A/D转换和复杂温度转换算法，提高了热导率的测量精度，从测量探头热脉冲开始激发，到温度信号采集处理完毕，仅仅需要1～2分钟，减少了海底作业的时间，提高了测量工作效率。该装置结构简单，体积小，重量轻，便于运输和实验室储藏，可方便地与外部PC通信。

Description

用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置

技术领域

本发明涉及一种海洋测量仪器的改进，具体讲是一种用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置。其是对海洋沉积物的热导率在海底的原位状态下进行精确的测量装置，其属于海洋物理测量技术领域。

背景技术

在现代海洋地热学中，海洋沉积物的热导率是表征其热力学性质的一个重要参数。通过测量海洋沉积物的热导率，进而利用Fourier定律确定海底地热流，并对其进行分析和计算，是获取海洋地壳的热状态信息，并据此研究海底的构造演化和资源状况的重要手段之。海洋沉积物热导率原位测量要求在海底的原位状态下测量沉积物的热导率，这种方法能够在最大程度上减小对沉积物的物理扰动，得到的结果能够更准确、更真实地反映沉积物的热性质。目前有一种Lister技术是基于瞬时热脉冲在无限长圆柱状介质中的传导原理，要求将一条长度3m以上的内置温度传感器排列和电热丝的细长探针插入沉积物中，通过观测电热丝通电发热后温度传感器感应的温度变化来推算沉积物的热导率。该技术存在的问题包括：(1)探针长度过大，不利于维护、储藏和运输；(2)仪器制造工艺复杂、成本高，不利于广泛应用和推广；(3)单次测量的时间较长，超过5分钟，不利于减小海上探测的作业难度和成本。

发明内容

本发明的发明目的在于，要克服现有技术的上述缺点，提供一种用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置。该装置能够对海洋沉积物热导率进行快速，精确地原位实时测量，其中设计的探针具有短小，便于维护、储藏和运输等特点；其制造工艺简单，成本低，利于广泛应用和推广；其完成单次测量的时间不超过2分钟，能够减小海上作业的难度和成本。

本发明的上述目的是由以下技术方案实现的，研制了一种用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，所述的原位测量系统，其包括，测量探头，姿态检测电路，热脉冲激发电路，温度采集电路，CPU，I/O和存储器。所述的测量装置包括：

a.存储装置，用于在所述存储器中存储测量探头的姿态检测电路感应的加速度及倾角姿态信息，测量探头插入沉积物后所感应的温度-时间信息以及最终计算出热导率数据的专用计算机程序；

b.输入装置，用于测量探头的初始化，输入初始参数，即输入测量探头热激发电路的热脉冲宽度、热脉冲强度、温度采集电路的采样率以及姿态检测电路的有效倾角，这些初始化设定参数；

c.检测装置，用于实时检测测量探头工作过程中的状态和判定热激发和温度采集的开始时机，以及用于控制测量探头执行热激发和温度信号采集的时间；

d.计算装置，用于基于存储装置、输入装置和检测装置所存储、输入和检测的相关数据参数，判断温度采集过程的有效性，然后读取温度和时间的记录，生成一系列温度-时间离散点；再根据输入装置初始化时的热脉冲强度和热脉冲宽度参数，对这些离散点依据理论曲线进行拟合构建温度-时间曲线，并找到的温度最大值T_m和温度最大值出现的时间t_m，然后根据公式k＝0.029275×Q/(T_mt_m)计算出热源周围沉积物的热导率，并将该热导率数据存储在存储器中；

e.输出装置，用于基于存储在存储器内的状态信息数据、温度-时间数据和测量的热导率数据，导出到外接相关计算机的硬盘上；以对上述数据进行显示和回放，且测量结束。

所述的测量探头，其包括密封仓和探针，在柱体密封仓的一端平行固设有两根探针：一根为热源探针，一根为感温探针；所述的热源探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热源电热丝，该电热丝通过导线电连接于测量装置的热激发电路中；所述的感温探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热敏电阻，该热敏电阻通过导线电连接于测量装置的温度采集电路中；在密封仓中段设置测量装置。

所述的热源探针，其在该不锈钢管内设有的热源电热丝至少为两个回路的电热丝，其中单个回路的电热丝长度略等于该探针的长度。

所述的感温探针，其在该不锈钢管内设有的热敏电阻为高灵敏度微型珠状热敏电阻，该热敏电阻位于该不锈钢管管内探针的中段。

所述的测量探头，其搭载于带负载的钢质长矛上，即在该长矛外壁上固设有多个外伸支架，该支架上夹固有该探头；将多个该支架及其探头或沿长矛外壁等间距轴向螺旋排列设置。

本发明的测量装置具有如下技术效果：

由于本发明的测量探头——其温度传感器感应和记录的温度随时间的变化满足如图1的曲线所示的变化趋势，即在t_m时刻，温度达到最大值T_m。对于预先确定的热源强度Q，只要根据T_m和t_m，即可利用如下(1)表达式计算出热源周围介质的热导率，完全实现了海底热导率的原位测量。

k＝0.029275×Q/(T_mt_m)                                   (1)

由于在密封仓中设置有计算机程序控制的测量装置；当把两探针插入沉积物中时，由测量装置的热激发电路控制对热源电热丝进行短时间通电发热，同时热敏电阻通过测量装置的温度采集电路记录沉积物的温度变化，然后测量装置的就可以根据温度最大值出现的时间和幅度来计算沉积物的热导率。本发明的测量装置可以在海底原位状态下自动工作，仅仅需要在测量前对测量探头进行初始化工作；本测量装置采用滤波、高位A/D转换和复杂温度转换算法，提高了热导率的测量精度。由于温度最大值出现所需的时间很短，因此从测量探头热脉冲开始激发，到温度信号采集处理完毕，仅仅需要1～2分钟，从而大大减少了海底作业的时间，提高了测量工作效率。

由于测量探头中固设有间距固定、平行排列的两根探针：一根为热源探针，一根为感温探针；所述的热源探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热源电热丝，该电热丝通过导线电连接于热发射电路中；所述的感温探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热敏电阻，该热敏电阻通过导线电连接于温度接收电路中；由于本探头在结构上分为两部分：探针部分和密封仓部分，因此，其结构简单，对制造工艺要求不高，而且体积小，重量轻，便于运输和实验室储藏。本发明的测量探头用途多：除用于对海洋沉积物的热导率进行原位测量外，其单个探头还可以用于测量实验室样品的热导率。

附图说明

图1为依据本发明测量原理构建的无限长瞬时线状热源外温度随时间的变化曲线。

图2为本测量装置的工作主流程图。

图3为本测量装置控件实施例的原理方框图。

图4为热导率原位测量探头的结构示意图。

图5为用于搭载测量探头的钢质长矛结构示意图。

具体实施方式

本发明的实施例结合附图进一步说明如下：

参见图1-2，本发明研制的一种用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，所述的原位测量系统，其包括，测量探头，姿态检测电路，热脉冲激发电路，温度采集电路，CPU，I/O和存储器(EEPROM)。所述的测量装置包括：

a.存储装置，用于在所述存储器(EEPROM)中存储测量探头的姿态检测电路感应的加速度及倾角姿态信息，测量探头插入沉积物后所感应的温度-时间信息以及最终计算出热导率数据的专用计算机程序；

b.输入装置，用于测量探头中的MCU初始化，输入初始参数，即输入测量探头热激发电路的热脉冲宽度、热脉冲强度、温度采集电路的采样率以及姿态检测电路的有效倾角，这些初始化设定参数；

c.检测装置，用于实时检测测量探头工作过程中的状态和判定热激发和温度采集的开始时机，以及用于控制测量探头执行热激发和温度信号采集的时间；

d.计算装置，用于基于存储装置、输入装置和检测装置所存储、输入和检测的相关数据参数，判断温度采集过程的有效性，然后读取温度和时间的记录，生成一系列温度-时间离散点；再根据输入装置初始化时的热脉冲强度和热脉冲宽度参数，对这些离散点依据理论曲线进行拟合构建温度-时间曲线(参见图1)，并找到的温度最大值T_m和温度最大值出现的时间t_m，然后根据公式k＝0.029275×Q/(T_mt_m)计算出热源周围沉积物的热导率，并将该热导率数据存储在存储器(EEPROM)中；

e.输出装置，用于基于存储在存储器(EEPROM)内的状态信息数据、温度-时间数据和测量的热导率数据，导出到外接相关计算机的硬盘上；以对上述数据进行显示和回放，且测量结束。

本发明研制的一种用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，参见图2的工作主流程完成目标的热导率测量：

测量探头初始化过程：即测量探头内部的MCU通过USB接口电路与外部PC连接，并通过PC向MCU发送指令，以实现MCU获取仪器工作所需的各项初始参数的过程。在PC与MCU通信前，须对波特率、数据位、校验位、有无奇偶校验等通讯协议进行设计。MCU初始化的过程为：MCU上电等待PC发送初始化指令，PC通过控制程序发送初始化指令和初始参数，初始参数包括热脉冲强度、热脉冲宽度、采样率、最大有效倾角等，MCU接收这些指令和参数，经校验无误后，返回PC初始化成功信息，并开始姿态检测工作。

姿态检测过程：测量探头内部的MCU初始化成功后，姿态检测过程开始，并一直持续到本次测量结束。MCU接收来自姿态检测电路的信号，通过加速度和倾角的组合来判断探头的状态，MCU分配一定的存储空间，并实时存储测量探头状态随时间的变化。姿态检测用来确定热脉冲激发和温度采集的工作时机，只有当加速度为零且处于下降沿，而且倾角不大于初始化时输入的最大有效倾角时MCU才开始控制热脉冲的激发和温度信号的采集。

把初始化的测量探头分别安装在钢质长矛的支架上，该钢质长矛在测量船上钢缆的牵引下带动测量探头入水，并最终带动测量探头插入沉积物中。此时MCU检测到测量探头状态满足进一步工作的条件，因此开始热脉冲的激发，同时温度采集系统开始工作。

热脉冲激发：测量探头内部的MCU根据初始化时输入的热脉冲强度和宽度参数进行热脉冲激发，热脉冲激发电路连通，连通持续时间为初始设定的热脉冲宽度，然后热脉冲激发电路截止。

温度信号采集：在热脉冲开始激发的同时，温度采集系统开始工作。根据初始化输入的采样率进行温度信号采集。来自热敏电阻的电阻变化经测温转换电桥转为电压信号，经过A/D转换后，通过特定滤波算法进行滤波，然后根据热敏电阻出厂的标准曲线换算为温度信号。

数据存储：MCU把姿态信号和采集的温度信号实时存储到存储器中。

热导率的计算过程：本过程可以由MCU完成，也可以由PC中的程序在导入温度-时间记录后完成，两者在算法上没有不同，但从减小MCU运算负荷以及降低测量系统功耗的角度，建议该过程由PC上的程序完成。以下仅以MCU为例来说明该过程的工作原理。MCU从存储器中读取开始记录时的姿态信息，判断温度采集过程有效。然后读取温度记录和记录时间，形成一系列温度-时间离散点。根据初始化时的热脉冲强度和热脉冲宽度参数，对这些离散点依据理论曲线进行拟合，找到拟合曲线的最大值和最大值出现的时间，然后根据公式(1)计算热导率，并将热导率值存储在存储器中。

以上过程完成后，测量船上收起钢缆，钢缆带动长矛和测量探头离开沉积物，此时MCU通过姿态检测电路检测到探头状态不再满足工作条件，于是停止温度采集。测量探头在钢缆牵引下回到测量船上。

数据导出过程：测量探头回到测量船上，卸下测量探头，通过USB接口电路连接到PC，PC发出数据导入指令，MCU接收到指令，从存储器中读出状态信息记录、温度-时间记录和计算出的热导率结果数据，并传回到PC中，PC中的软件对上述记录和结果进行显示和回放，整个测量过程结束。

参见图3，图4，本发明的测量探头1，2，3在结构上包括三部分，分别为热源探针1、感温探针2和密封仓3。在柱体密封仓3的一端平行固设有两根探针：一根为热源探针1，一根为感温探针2；所述的热源探针1为不锈钢管，一端封闭，另一端固设在密封仓3上。该探针1外径不大于1mm，长度不小于20mm。该探针1中有一条直径小于0.15mm的镍铬合金电热丝4构成的至少两个回路，以便在通电后发出足够的热量。该单个回路的长度与探针1长度大致相等；该电热丝4通过导线5与密封仓3中的热激发电路26相连。该电热丝4和导线5与该探针1内壁之间通过高热导率的绝缘材料7充填支撑着，例如一种3415Q型绝缘导热胶，其热导率可以达到1.2mW/m²，使发出的热量能够快速传递给沉积物。该电热丝4通过导线5电连接于热激发电路26中；所述的感温探针2也为一端封闭的不锈钢管，另一端固设在密封仓3上。该探针2外径不大于1mm，与热源探针1互相平行、长度相等，两者间距不大于10mm。该感温探针2中有一个高灵敏度的微型珠状热敏电阻8，如一种111-303EAK-B01型热敏电阻，其直径仅约0.35mm，并且具有超快的时间响应。热敏电阻8通过导线9与密封仓3中的温度采集电路27相连。所述热敏电阻8位于探针2中段，以减弱热传导边缘效应的影响。该热敏电阻8和导线9与探针2内壁之间有高热导率的绝缘材料10充填支撑着，例如一种3415Q型绝缘导热胶，使热敏电阻8能够及时感应到沉积物的温度变化。

在密封仓3中设置有热激发电路26，温度采集电路27和主控电路28组成的测量装置6，该测量装置6的USB接口11通过导线12外置在柱体密封仓3的另一端，使得测量装置6可以通过USB接口11与外部计算机(PC)方便地进行通信。密封仓3带有USB接口11的一端有螺旋封盖13，探头闲置时旋上封盖13以保护USB接口11。密封仓3外径为15～25mm，长度100～120mm。密封仓3内部包括三部分：靠近探针端为一个圆柱体塞子14，用于隔开探针1、2与密封仓3。在外置的USB接口11与测量装置6之间密封仓3中还设有电池组盒15。该电池组盒15通过导线16连接到测量装置6，提供电路运转以及电热丝4发热所需的电能。

参见图5，所述的包括有密封仓3和双探针1，2的单个测量探头32，其搭载于带负载29的钢质长矛30上。即在该长矛30外壁上固设有多个外伸支架31，该支架31上夹固有该探头32，将多个该支架31及其探头32沿长矛外壁等间距轴向螺旋排列设置。由于单个测量探头32分别安装在探测器长矛30的支架31上，因此该支架31在船上钢缆34的牵引下带动测量探头32入水，并最终带动测量探头32插入沉积物33中，此时当测量探头32状态满足进一步工作的条件，就开始热脉冲的激发，同时温度采集系统开始测量工作。

本探头的测量装置6的控件结构关系如图3所示。其包括三部分：主控电路28、热激发电路27和温度采集电路26。所述的主控电路28包括一个微处理器(MCU)17，一个存储器(EEPROM)18，时钟电路(CLOCK)22、USB接口电路29以及由信号调理芯片(SCC1)21和姿态传感器25组成的姿态检测电路。其中的连接关系是：分别连接有存储器18、时钟电路22和USB接口电路29的微处理器17，该微处理器17还连接着由信号调理芯片(SCC1)21和姿态传感器25组成的姿态检测电路；该微处理器17还分别电连接于热激发电路26和温度采集电路27。其中，微处理器17采用MSC1210型单片机，内置24位低功∑-ΔADC前端信号调理电路—多路模拟开关，且集成了高性能8051处理器内核、Flash存储器和32位累加器、兼容SPI串口等多片上外设，非常适合于体积小、功耗低、集成度高和精度高的测量系统。存储器18采用AT24C512型串行Flash存储器，充分利用其所具有的引脚少、功耗低、容量大的优点，可为微处理器17提供数据存储空间。时钟电路22采用DS1302型实时时钟控制芯片，为热激发电路的连通和温度数据的采集提供计时。在姿态检测电路中，采用ADIS16201型姿态传感器，可以接收探头的加速度和倾角等姿态信息，经过信号调理芯片(SCC1)21处理后送入微处理器17，以确定是否由微处理器17接通热激发电路26和温度采集电路27。所述的热脉冲激发电路26，其包括依次连接的专用恒压电源(CVS)20及其脉冲激发模块(PTM)24。所述的温度采集电路27，其是由依次连接的测温转换电桥(TCB)23和信号调理芯片(SCC2)19组成。所述的热激发电路26其包括依次连接的专用恒压电源(CVS)20及其及其脉冲激发模块(PTM)24。微处理器17通过姿态检测电路确认可以激发热源时，接通恒压电源(CVS)20，电流经脉冲激发模块(PTM)24调解后变为可控脉冲，经导线5，由电热丝4释放出热能，并迅速传递到沉积物33中。热脉冲宽度由微处理器17中存储的初始输入参数确定。所述的温度接收电路27由依次连接的测温转换电桥(TCB)23和信号调理芯片(SCC2)19组成。当沉积物33温度发生变化时，热敏电阻8的阻值相应地改变，经过测温转换电桥(TCB)23转换为电压信号，然后经信号调理芯片(SCC2)19，在微处理器17中变成可识别的数字信号并换算为温度值，在存储器(EEPROM)18中存储起来。

本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，其都没有超出本发明的保护范围。

Claims (5)

1、一种用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，所述的原位测量系统，其包括，测量探头，姿态检测电路，热脉冲激发电路，温度采集电路，CPU，I/O和存储器，其特征在于：所述的测量装置包括：

a.存储装置，用于在所述存储器中存储测量探头的姿态检测电路感应的加速度及倾角姿态信息，测量探头插入沉积物后所感应的温度-时间信息以及最终计算出热导率数据的专用计算机程序；

b.输入装置，用于测量探头的初始化，输入初始参数，即测量探头热激发电路的热脉冲宽度、热脉冲强度、温度采集电路的采样率以及姿态检测电路的有效倾角，这些初始化设定参数；

c.检测装置，用于实时检测测量探头工作过程中的状态和判定热激发和温度采集的开始时机，以及用于控制测量探头执行热激发和温度信号采集的时间；

d.计算装置，用于基于存储装置、输入装置和检测装置所存储、输入和检测的相关数据参数，判断温度采集过程的有效性，然后读取温度和时间的记录，生成一系列温度-时间离散点；再根据输入装置初始化时的热脉冲强度和热脉冲宽度参数，对这些离散点依据理论曲线进行拟合构建温度-时间曲线，并找到的温度最大值T_m和温度最大值出现的时间t_m，然后根据公式k＝0.029275×Q/(T_mt_m)计算出热源周围沉积物的热导率，并将该热导率数据存储在存储器中；

e.输出装置，用于基于存储在存储器内的状态信息数据、温度-时间数据和测量的热导率数据，导出到外接相关计算机的硬盘上；以对上述数据进行显示和回放，且测量结束。

2、根据权利要求1所述用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，其特征在于：所述的测量探头，其包括密封仓和探针，在柱体密封仓的一端平行固设有两根探针：一根为热源探针，一根为感温探针；所述的热源探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热源电热丝，该电热丝通过导线电连接于测量装置的热激发电路中；所述的感温探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热敏电阻，该热敏电阻通过导线电连接于测量装置的温度采集电路中；在密封仓中段设置测量装置。

3、根据权利要求2所述用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，其特征在于：所述的热源探针，其在该不锈钢管内设有的热源电热丝至少为两个回路的电热丝，其中单个回路的电热丝长度略等于该探针的长度。

4、根据权利要求2所述用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，其特征在于：所述的感温探针，其在该不锈钢管内设有的热敏电阻为高灵敏度微型珠状热敏电阻，该热敏电阻位于该不锈钢管管内探针的中段。

5、根据权利要求1-4任一项所述用于海洋沉积物热导率原位测量系统的测量装置，其特征在于：所述的测量探头，其搭载于带负载的钢质长矛上，即在该长矛外壁上固设有多个外伸支架，该支架上夹固有该探头；将多个该支架及其探头或沿长矛外壁等间距轴向螺旋排列设置。

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