RU148278U1

RU148278U1 - DEVICE FOR MEASURING THE TEMPERATURE CONDUCTIVITY OF THE UPPER LAYER OF BOTTOM SEDIMENTS (OPTIONS)

Info

Publication number: RU148278U1
Application number: RU2014128175/28U
Authority: RU
Inventors: Борис Африканович Буров; Виталий Николаевич Деменок
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2014-11-27

Abstract

1. Устройство для измерения температуропроводности верхнего слоя донных осадков, состоящее из платформы, к основанию которой прикреплен источник тепла, температура которого изменяется со временем по гармоническому закону, установленных в герметичных контейнерах блока электроники и соединенного с ним блока электропитания, содержащего аккумуляторную батарею и схему подачи синусоидального напряжения на источник тепла, а также измерительного блока, представляющего собой коническую гильзу, с помощью четырех реек из углепластика соединенную с платформой и снабженную силиконовой трубкой с датчиками температуры, подключенными к блоку электроники, при этом один из датчиков совмещен с источником тепла, и как минимум один датчик установлен ниже источника тепла.2. Устройство для измерения температуропроводности верхнего слоя донных осадков, состоящее из платформы, к основанию которой прикреплен источник тепла, температура которого изменяется со временем по гармоническому закону, блока электроники и соединенного с ним блока электропитания, содержащего аккумуляторную батарею и схему подачи синусоидального напряжения на источник тепла, установленных в герметичных контейнерах; в центре платформы жестко закреплен измерительный блок, представляющий собой конический стержень, выполненный из материала, температуропроводность которого близка по значению к температуропроводности донных осадков, в продольном желобе которого установлен измерительный элемент, подключенный к блоку электроники и выполненный в виде силиконовой трубки с температурными датчиками, один из которых совмещен с источником тепла, и допол1. A device for measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments, consisting of a platform, to the base of which a heat source is attached, the temperature of which varies with time according to a harmonic law, installed in sealed containers of the electronics unit and the connected power supply unit containing a battery and a supply circuit sinusoidal voltage to the heat source, as well as the measuring unit, which is a conical sleeve, using four carbon fiber rails connected hydrochloric platform and provided with a silicone tube with temperature sensors connected to the electronics unit, wherein one of the sensors is combined with a heat source and at least one sensor is mounted below tepla.2 source. A device for measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments, consisting of a platform, to the base of which a heat source is attached, the temperature of which varies with time according to harmonic law, an electronics unit and an associated power supply unit containing a battery and a sinusoidal voltage supply circuit to a heat source, installed in airtight containers; in the center of the platform, the measuring unit is rigidly fixed, which is a conical rod made of a material whose thermal diffusivity is close in value to the thermal diffusivity of bottom sediments, in the longitudinal gutter of which there is a measuring element connected to the electronics unit and made in the form of a silicone tube with temperature sensors, one of which combined with a heat source, and additional

Description

Полезная модель относится к технике измерения теплофизических характеристик физических сред, а именно к измерению температуропроводности граничащего с водным слоем верхнего слоя донных осадков акваторий и может быть использована в гидробиологии и химии для расчета температурных условий существования биологических объектов и течения химических реакций в верхнем слое донных осадков в условиях изменяющейся температуры водного слоя.The utility model relates to techniques for measuring the thermophysical characteristics of physical media, namely, to measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments adjacent to the water layer and can be used in hydrobiology and chemistry to calculate the temperature conditions for the existence of biological objects and the flow of chemical reactions in the upper layer of bottom sediments in conditions of varying temperature of the water layer.

Известно, что теплофизические характеристики донных отложений акваторий, к числу которых относятся теплопроводность, теплоемкость и, особенно, температуропроводность, как правило, определяются в лабораторных условиях, при этом все необходимые измерения температур, временных интервалов и плотности среды осуществляются на образцах донного грунта, отобранных с помощью специальных устройств и поднятых на поверхность (на борт судна).It is known that the thermophysical characteristics of bottom sediments of water areas, which include thermal conductivity, heat capacity and, especially, thermal diffusivity, are usually determined in laboratory conditions, while all necessary measurements of temperatures, time intervals and density of the medium are carried out on samples of bottom soil, taken from using special devices and raised to the surface (on board the vessel).

Известны приборы для измерения «in situ» теплопроводности и удельной теплоемкости донных осадков непосредственно в донных осадках акваторий, например, устройство, описанное в патенте Китайской Народной Республики №100545645С или геотермический зонд «Геос-3М» (http://geotherm.ginras.ru/06_03_aqua_rus.htm). Однако для расчета температуропроводности осадка по полученным данным требуется знание плотности донного грунта, которую затем дополнительно измеряют в лаборатории на образцах. Однако, лабораторные измерения, если даже производится измерение только одного параметра - плотности грунта, всегда сопровождаются появлением ошибок, возникающих из-за нарушения условий естественного залегания донного грунта. В процессе отделения образца от основного массива грунта и в процессе подъема образцов из воды на борт судна происходят его наиболее существенные изменения по сравнению с донным грунтом в естественном состоянии, так как в это время происходит нарушение структуры пор, из-за деформации отделяемого образца, а также существенное уменьшение влажности верхнего слоя донных осадков, за счет истечения воды из пробоотборной трубки.Known instruments for measuring the “in situ” thermal conductivity and specific heat of bottom sediments directly in the bottom sediments of water areas, for example, the device described in the patent of the People’s Republic of China No. 100545645C or the geothermal probe “Geos-3M” (http://geotherm.ginras.ru /06_03_aqua_rus.htm). However, to calculate the thermal diffusivity of the sediment from the obtained data, knowledge of the density of the bottom soil is required, which is then additionally measured in the laboratory on the samples. However, laboratory measurements, even if only one parameter is measured - the density of the soil, are always accompanied by the appearance of errors arising from the violation of the conditions of natural occurrence of bottom soil. In the process of separating the sample from the main mass of the soil and in the process of lifting the samples from the water to the side of the vessel, its most significant changes occur compared to the bottom soil in its natural state, since at this time there is a violation of the pore structure due to deformation of the separated sample, and also a significant decrease in humidity of the upper layer of bottom sediments, due to the outflow of water from the sampling tube.

Таким образом, любые методы измерения температуропроводности верхнего слоя донных осадков, которые предполагают лабораторные измерения хотя бы одного параметра, заведомо содержат ошибки, величины которых могут быть оценены только весьма грубо.Thus, any methods for measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments, which involve laboratory measurements of at least one parameter, obviously contain errors, the values of which can only be estimated very roughly.

Проблема измерения температуропроводности верхнего слоя донных осадков глубиной 5-10 см от границы с водным слоем усугубляется еще и тем, что измеряемая величина, строго говоря, не является постоянной, а зависит также от скорости придонного течения. Эта зависимость обусловлена высокой пористостью неконсолидированного верхнего слоя осадков и затеканием в поры движущейся над осадками воды. Такое затекание, глубина которого определяется скоростью течения придонного слоя воды, меняет физический механизм переноса тепловой энергии от молекулярного (при нулевой скорости течения) до преимущественно конвективного (при достаточно большой скорости придонного течения). Таким образом, при изменении скорости придонного течения будет меняться также и величина температуропроводности верхнего слоя донных осадков, вследствие чего температуропроводность слоя осадков глубиной до 5-10 см в одной и той же точке в эстуарии какой-либо реки может существенно отличаться в годовом цикле полноводных и мелководных периодов течения. Подобная картина возникает также в районах девиации придонных течений.The problem of measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments with a depth of 5-10 cm from the boundary with the water layer is compounded by the fact that the measured value, strictly speaking, is not constant, but also depends on the velocity of the bottom current. This dependence is due to the high porosity of the unconsolidated upper sediment layer and the flow of water moving above the sediments into the pores. Such a leakage, the depth of which is determined by the flow velocity of the bottom layer of water, changes the physical mechanism of transfer of thermal energy from molecular (at zero flow velocity) to predominantly convective (at a sufficiently high velocity of bottom flow). Thus, when the velocity of the near-bottom current changes, the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments will also change, as a result of which the thermal diffusivity of the sediment layer with a depth of 5-10 cm at the same point in the estuary of any river can differ significantly in the annual cycle of full-flowing and shallow periods. A similar picture also arises in the areas of bottom current deviation.

Описанные выше источники ошибок измерений температуропроводности донных осадков принято относить к “нарушениям условий in situ”, которые в любом случае приводят к существенным ошибкам при проведении измерений температуропроводности верхнего слоя донных осадков на образцах донного грунта в лабораторных условияхThe above-described sources of errors in measuring the thermal diffusivity of bottom sediments are usually referred to as “in situ conditions violations”, which in any case lead to significant errors when measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments on samples of bottom soil in laboratory conditions

Единственная методика измерений, которая позволяет исключить подобные ошибки, предполагает использование устройств для проведения измерений непосредственно на акваториях, в условиях естественного залегания донных осадков. Однако заявителю не удалось обнаружить такие устройства.The only measurement technique that allows to exclude such errors involves the use of devices for conducting measurements directly in the waters, in conditions of natural occurrence of bottom sediments. However, the applicant was unable to find such devices.

Известна геотермическая система ГЕОС-3М, предназначенная для вычисления глубинного теплового потока Земли через дно акваторий. Система позволяет в автоматическом режиме производить измерения температуры донных осадков; градиента температур на измерительных горизонтах; теплопроводности осадков на тех же горизонтах; гидростатического давления (глубины); угла внедрения зонда в осадки (угла отклонения от вертикали) и других показателей (http://geotherm.ginras.ru/06_03_aqua_rus.html). Конструкция системы представляет собой геотермический зонд, погружаемый в измеряемую среду, и бортовой блок, соединенные между собой кабель-тросом. Погружной геотермический зонд включает контейнер с электронным измерительным блоком с термистором для измерения температуры придонного слоя воды, датчиком давления и уклономером. Нижняя часть контейнера присоединена к несущему стальному стержню, вдоль которого закреплены две тонкие металлические трубки, образующие измерительные «косы». В одну из них помещены термисторы для измерения профиля температуры осадков, а в другую - нагревательные элементы, используемые в качестве источников тепла при измерении теплопроводности, и термисторы, используемые для контроля температуры нагревательных элементов. Однако, как уже отмечалось выше, такая конструкция системы не позволяет измерять «in situ» температуропроводность донных осадков, поскольку для ее определения требуется знание плотности осадка, а значит необходимо взятие пробы и дополнительные лабораторные измерения. Кроме того измерение температуры донных осадков с использованием металлических кос вносит дополнительные ошибки в результате измерений.Known geothermal system GEOS-3M, designed to calculate the deep heat flux of the Earth through the bottom of the water. The system allows automatic measurement of bottom sediment temperature; temperature gradient at measuring horizons; thermal conductivity of precipitation at the same horizons; hydrostatic pressure (depth); angle of penetration of the probe into the precipitation (angle of deviation from the vertical) and other indicators (http://geotherm.ginras.ru/06_03_aqua_rus.html). The design of the system is a geothermal probe immersed in the medium to be measured, and an airborne unit interconnected by a cable. The immersion geothermal probe includes a container with an electronic measuring unit with a thermistor for measuring the temperature of the bottom layer of water, a pressure sensor and inclinometer. The lower part of the container is attached to a bearing steel rod, along which two thin metal tubes are fixed, forming measuring “braids”. One of them contains thermistors for measuring the temperature profile of precipitation, and the other contains heating elements used as heat sources for measuring thermal conductivity, and thermistors used to control the temperature of heating elements. However, as noted above, such a design of the system does not allow to measure in situ the thermal diffusivity of bottom sediments, since its determination requires knowledge of the density of the sediment, which means that sampling and additional laboratory measurements are necessary. In addition, the measurement of the temperature of bottom sediments using metal braids introduces additional errors as a result of measurements.

Задача полезной модели - разработка устройства для измерения температуропроводности донных осадков.The objective of the utility model is the development of a device for measuring thermal diffusivity of bottom sediments.

Технический результат-устройство для измерений температуропроводности донных осадков «in situ».The technical result is a device for measuring the thermal diffusivity of bottom sediments in situ.

Поставленная задача решается устройством, состоящим из платформы, к основанию которой прикреплен источник тепла, температура которого изменяется со временем по гармоническому закону, установленными в герметичных контейнерах блока электроники и соединенного с ним блока электропитания, содержащего аккумуляторную батарею и схему подачи синусоидального напряжения на источник тепла, а также измерительного блока, представляющего собой коническую гильзу, с помощью четырех реек из углепластика соединенную с платформой и снабженную силиконовой трубкой с датчиками температуры, подключенными к блоку электроники, при этом один из датчиков совмещен с источником тепла, а как минимум один дополнительный датчик установлен ниже источника тепла.The problem is solved by a device consisting of a platform, to the base of which a heat source is attached, the temperature of which varies with time according to a harmonic law, installed in sealed containers of the electronics unit and the power supply unit connected to it, containing a storage battery and a sinusoidal voltage supply circuit to the heat source, as well as a measuring unit, which is a conical sleeve, using four carbon fiber rails connected to the platform and equipped with silicone oic tube with temperature sensors connected to the electronics unit, wherein one of the sensors is combined with a heat source, and at least one further sensor is installed below the heat source.

Поставленная задача решается также вторым вариантом устройства, состоящим из платформы, к основанию которой прикреплен источник тепла, температура которого изменяется со временем по гармоническому закону, блока электроники, и соединенного с ним блока электропитания, содержащего аккумуляторную батарею и схему подачи синусоидального напряжения на источник тепла, установленными в герметичных контейнерах; в центре платформы жестко закреплен измерительный блок, представляющий собой конический стержень, выполненный из материала температуропроводность которого близка по значению к температуропроводности донных осадков, в продольном желобе которого установлен измерительный элемент, подключенный к блоку электроники и выполненный в виде силиконовой трубки с температурными датчиками, один из которых совмещен с источником тепла, и, дополнительно, как минимум один расположен ниже основания источника тепла.The problem is also solved by the second variant of the device, consisting of a platform, to the base of which a heat source is attached, the temperature of which varies with time according to harmonic law, an electronics unit, and an connected power supply unit containing a battery and a sinusoidal voltage supply circuit to the heat source, installed in airtight containers; in the center of the platform, a measuring unit is rigidly fixed, which is a conical rod made of material whose thermal diffusivity is close in value to the thermal diffusivity of bottom sediments, in the longitudinal gutter of which there is a measuring element connected to the electronics unit and made in the form of a silicone tube with temperature sensors, one of which is combined with a heat source, and, in addition, at least one is located below the base of the heat source.

Для обоих вариантов заявляемого устройства в качестве источника тепла, являющегося источником тепловых волн, могут быть использованы любые приемлемые нагревательные элементы, обеспечивающие нагревание на не менее чем на 0,5°С от температуры окружающей воды и достаточно большую площадь контакта с поверхностью донного грунта, чтобы можно было пренебречь в окрестности точки измерения температуры, приблизительно равной горизонтальному размеру датчика температуры, горизонтальной неоднородностью вариаций температуры в донном грунте на глубине h, вызванной конечными размерами источника тепла. В результате численных расчетов установлено, что для источника тепла в виде круглого диска это условие выполняется, если радиус диска R не меньше, чем глубина h погружения в осадки датчика температуры. Источники тепла могут быть выполнены, например, в виде пластины, наименьший горизонтальный размер которой должен превосходить глубину, на которой производится измерение температуры в донных осадках, не менее, чем в 2 раза.For both variants of the claimed device, as a source of heat, which is a source of heat waves, any suitable heating elements can be used that provide heating by at least 0.5 ° C from the temperature of the surrounding water and a sufficiently large contact area with the surface of the bottom soil in the vicinity of the temperature measuring point, approximately equal to the horizontal size of the temperature sensor, the horizontal inhomogeneity of temperature variations in the ground soil per g Ubin h, caused by the finite size of the heat source. As a result of numerical calculations, it was found that for a heat source in the form of a circular disk, this condition is satisfied if the radius of the disk R is not less than the depth h of immersion in the precipitation of the temperature sensor. Heat sources can be made, for example, in the form of a plate, the smallest horizontal size of which should exceed the depth at which the temperature in the bottom sediments is measured, not less than 2 times.

Контейнеры блока электроники и блока питания могут быть установлены как на платформе, образуя единый комплекс, так и вне ее.The containers of the electronics unit and the power supply can be installed both on the platform, forming a single complex, and outside it.

Для установки устройства на дно, оно дополнительно может быть оборудовано системой установки, выполненной, например, с использованием утяжелителей, предварительно закрепленных на платформе, снабженных фалом, который в свою очередь в верхней части может быть снабжен буем, позволяющим после установки на акватории легко обнаружить и извлечь заявляемое устройство.To install the device to the bottom, it can additionally be equipped with an installation system made, for example, using weighting materials pre-mounted on a platform equipped with a halyard, which in turn can be equipped with a buoy in the upper part, which makes it easy to detect after installation in the water area remove the inventive device.

Для изготовления конического стержня во втором варианте устройства используют материал, температуропроводность которого близка к температуропроводности рыхлых донных осадков, то есть как правило составляет 1,8-2,3·10^-7 м²/с для морских осадков (Справочник физических констант горных пород. Под ред. С. Кларка мл. М.: Мир, 1969, 544 с.) Такую температуропроводность имеют, например, древесина, пластмасса и другие подобные материалы. Использование этих материалов позволяет существенно снизить погрешности измерений, вызванные влиянием измерительного устройства на результаты измерений.For the manufacture of a conical rod in the second embodiment of the device, a material is used whose thermal diffusivity is close to the thermal diffusivity of loose bottom sediments, that is, as a rule it is 1.8-2.3 · 10 ^-7 m ² / s for marine sediments (Handbook of physical constants of rocks. Edited by S. Clark, Jr. M .: Mir, 1969, 544 p.) Such thermal diffusivity is, for example, wood, plastic, and other similar materials. The use of these materials can significantly reduce the measurement errors caused by the influence of the measuring device on the measurement results.

Что касается материала для изготовления измерительного блока в виде конической гильзы, то в данном варианте устройства это не является существенным, так как гильза изготавливается под размер датчика температуры, поэтому имеет тонкую стенку и практически не искажает нестационарное температурное поле около датчика температуры.As for the material for the manufacture of the measuring unit in the form of a conical sleeve, this is not essential in this embodiment of the device, since the sleeve is made to the size of a temperature sensor, therefore it has a thin wall and practically does not distort the unsteady temperature field near the temperature sensor.

Обе заявляемые конструкции устройств для измерения температуропроводности донных осадков в режиме «in situ» позволяют достичь заявляемого технического результата, но отсутствие каких-либо элементов конструкции в объеме, заключенном между основанием источника тепла и измерительным блоком, которые могут вызвать искажение теплофизических свойств донного грунта, заполняющего этот объем при установке устройства в рабочее положение, делает эту конструкцию для высокоточных измерений предпочтительнее.Both claimed designs of devices for measuring the thermal diffusivity of bottom sediments in the “in situ” mode allow achieving the claimed technical result, but the absence of any structural elements in the volume enclosed between the base of the heat source and the measuring unit, which can cause distortion of the thermophysical properties of the bottom soil filling this volume when installing the device in the working position, makes this design for high-precision measurements preferable.

На Фиг. 1 представлен первый вариант выполнения заявляемого устройства, а на Фиг. 2 - второй вариант, где 1 - конический стержень или гильза, 2 - измерительный элемент, 3 и 3а - датчики температуры, 4 - источник тепла, 5 - платформа, 6 - блок электроники, 7 - блок питания, 8 - рейки крепления, 9 - геркон, 10 - фал.In FIG. 1 shows a first embodiment of the inventive device, and in FIG. 2 - the second option, where 1 is a conical rod or sleeve, 2 is a measuring element, 3 and 3a are temperature sensors, 4 is a heat source, 5 is a platform, 6 is an electronics unit, 7 is a power supply, 8 is a mounting rail, 9 - reed switch, 10 - fall.

В основу работы заявляемых устройств положена теория температурных волн в почве [А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. Уравнения математической физики. М. Наука. 1977. 736 с], которая предполагает наличие источника тепла с периодически изменяющейся температурой на границе среды, в которой измеряются тепловые характеристики. В качестве такого источника при измерениях температуропроводности верхнего слоя донных осадков в заявляемом устройстве выступает установленный в основании платформы дискообразный нагревательный элемент.The basis of the work of the claimed devices is the theory of temperature waves in the soil [A.N. Tikhonov, A.A. Samara. Equations of mathematical physics. M. Science. 1977. 736 s], which suggests the presence of a heat source with a periodically changing temperature at the boundary of the medium in which thermal characteristics are measured. As such a source when measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments in the inventive device, a disk-shaped heating element installed at the base of the platform acts.

Основу конструкции приборов (Фиг. 1 и 2) составляет измерительный блок в виде конического стержня 1, в который помещен измерительный элемент 2, например, в виде силиконовой трубки с датчиками температуры (термисторами) 3 и 3а. Один из термисторов 3 предназначен для измерения температуры на глубине n в донных осадках и расположен ниже основания источника тепла 4, а второй термистор 3а, предназначенный для измерения температуры источника тепла 4, закреплен на его основании, которое в рабочем положении помещается на поверхность донного грунта. Коническая гильза измерительного элемента 1 в первом варианте устройства (Фиг. 1) прикреплена с помощью реек к основанию платформы 5, а во втором варианте (Фиг. 2) измерительный элемент 1 в виде конического стержня 1 проходит через центральное отверстие источника тепла 4, не имея непосредственного контакта с его поверхностью, и жестко крепится в отверстии несущей платформы 5, на которой также закреплены два герметичных контейнера - контейнер блока электроники 6 и контейнер блока питания 7 (как один из возможных вариантов выполнения устройства). Блок электроники 6 обеспечивает преобразования величины сопротивления термисторов 3 и За, зависящее от температуры, в цифровой код и запись этого кода в энергонезависимую память блока электроники 6. В блоке питания 7 находится аккумуляторная батарея для питания блока электроники и схема подачи синусоидального напряжения на нагревательный элемент источника тепла 4. Включение блока питания 7 может быть выполнено, например так, как приведено в обоих вариантах, то есть с использованием геркона 9, который включен в разрыв провода питания блока электроники. К отверстиям в углах платформы 5 крепится фал 10. На этом фале устройство опускается на поверхность осадков, а затем к свободному концу фала крепится сигнальный буй.The basis of the design of the devices (Fig. 1 and 2) is the measuring unit in the form of a conical rod 1, in which the measuring element 2 is placed, for example, in the form of a silicone tube with temperature sensors (thermistors) 3 and 3a. One of the thermistors 3 is designed to measure the temperature at a depth n in bottom sediments and is located below the base of the heat source 4, and the second thermistor 3a, designed to measure the temperature of the heat source 4, is mounted on its base, which is placed in the working position on the surface of the bottom soil. The conical sleeve of the measuring element 1 in the first embodiment of the device (Fig. 1) is attached with the help of rails to the base of the platform 5, and in the second variant (Fig. 2) the measuring element 1 in the form of a conical rod 1 passes through the central opening of the heat source 4, without direct contact with its surface, and is rigidly fixed in the hole of the carrier platform 5, on which two airtight containers are also fixed - the container of the electronics unit 6 and the container of the power supply 7 (as one of the possible embodiments of the device). The electronics unit 6 provides the conversion of the resistance value of the thermistors 3 and 3a, depending on the temperature, into a digital code and writing this code into the non-volatile memory of the electronics unit 6. The power supply unit 7 contains a battery for powering the electronics unit and a circuit for supplying a sinusoidal voltage to the source heating element heat 4. The inclusion of the power supply 7 can be performed, for example, as shown in both versions, that is, using a reed switch 9, which is included in the break wire of the power supply unit lektroniki. A halyard 10 is attached to the holes in the corners of the platform 5. On this halyard, the device lowers to the precipitation surface, and then a signal buoy is attached to the free end of the halyard.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Включается питание блока электроники 7. С помощью фала 10 устройство опускается на поверхность донного грунта, после чего к свободному концу фала привязывается сигнальный буек, который выбрасывается за борт судна (лодки). Устройство может быть также установлено водолазом. При необходимости устройство снабжают дополнительными утяжеляющими грузами, подобранными таким образом, что конический стержень 1 проникает в рыхлые донные осадки до уровня нижней грани источника тепла 4 даже при нулевой скорости погружения т.е. если прибор мягко (без ускорения) положить на рыхлый грунт. После описанной процедуры установки прибор работает в автономном режиме в течение суток (при емкости аккумулятора 0,72 А/ч), записывая в энергонезависимую память (flash memory) результаты синхронных ежесекундных измерений температуры T₁ (термистер 3а) источника тепла 4 и температуры T₂ (термистер 3) на глубине n в донном грунте. После окончания измерений прибор поднимается на борт судна (лодки) с помощью фала, привязанного к сигнальному поплавку, и выключается питание электронного блока. Затем электронный блок подключают к компьютеру и считывают информацию из памяти устройства в память компьютера. По окончании процедуры считывания информации, энергонезависимая намять электронного блока предлагаемого устройства очищается, после чего устройство отключается от компьютера. Заключительной процедурой работы с предлагаемым устройством является зарядка или замена аккумуляторной батареи, восстанавление соединения частей электрических разъемов. После чего устройства готовы к использованию.The power of the electronics unit 7 is turned on. Using the halyard 10, the device lowers to the surface of the bottom soil, after which a signal buoy is attached to the free end of the halyard, which is thrown overboard the boat (boat). The device can also be installed by a diver. If necessary, the device is provided with additional weighting weights selected in such a way that the conical rod 1 penetrates into loose bottom sediments to the level of the lower face of the heat source 4 even at zero immersion speed i.e. if the device is gently (without acceleration) laid on loose soil. After the described installation procedure, the device operates in standalone mode for a day (with a battery capacity of 0.72 A / h), writing to the non-volatile memory (flash memory) the results of synchronous every second measurements of temperature T ₁ (thermister 3a) of heat source 4 and temperature T ₂ (thermister 3) at a depth of n in the bottom soil. After the measurements are completed, the device rises aboard the vessel (boat) with the help of a halyard attached to the signal float, and the power of the electronic unit is turned off. Then the electronic unit is connected to the computer and information is read from the device’s memory into the computer’s memory. At the end of the procedure for reading information, the non-volatile crease of the electronic unit of the proposed device is cleared, after which the device is disconnected from the computer. The final procedure for working with the proposed device is charging or replacing the battery, restoring the connection parts of the electrical connectors. Then the devices are ready for use.

Считанная из памяти устройства и записанная в память компьютера информация представляет из себя два массива значений температуры, синхронно (с точностью до 2 секунд) измеренных двумя датчиками температуры: 1-й датчик на поверхности донных осадков, совпадающей с основанием источника тепла, 2-й датчик на глубине h в донных осадках. Значения температуры на поверхности донных осадков T₁ и на глубине h в осадках T₂ изменяются во времени как синусоидальные колебания, период которых Θ задается периодичностью источника тепла (циклическая частота ω при этом определяется соотношением ω=2π/Θ), а амплитуда A₂ и сдвиги фазы δ₂ температуры T₂относительно колебаний температуры T₁ источника тепла определяются температуроповодностью a, а также толщиной слоя осадков от поверхности осадков до глубины h на которой находится температурный датчик в процессе измерения температуры. Математически колебания температуры, измеренные с помощью каждого датчика, описываются следующими формулами:The information read from the device’s memory and stored in the computer’s memory consists of two arrays of temperature values, synchronously (accurate to 2 seconds) measured by two temperature sensors: the 1st sensor on the surface of bottom sediments coinciding with the base of the heat source, the 2nd sensor at a depth of h in bottom sediments. The temperature values on the surface of bottom sediments T ₁ and at depth h in sediments T ₂ change in time as sinusoidal oscillations, the period of which Θ is determined by the frequency of the heat source (the cyclic frequency ω is determined by the relation ω = 2π / Θ), and the amplitude A ₂ and phase shifts δ _{2 of} temperature T ₂ relative to temperature fluctuations T _{1 of the} heat source are determined by the thermal diffusivity a , as well as by the thickness of the precipitation layer from the precipitation surface to the depth h at which the temperature sensor is located during temperature measurement. Mathematically, temperature fluctuations measured with each sensor are described by the following formulas:

T₁=A₁·cosωtT ₁ = A ₁ cosωt

T₂=A₂·cos(δ₂-ωt)T ₂ = A ₂ cos (δ ₂ -ωt)

Согласно [А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. Уравнения математической физики. М. Наука. 1977]According to [A.N. Tikhonov, A.A. Samara. Equations of mathematical physics. M. Science. 1977]

По выполненным измерениям колебаний температуры T₁ и T₂ алгоритм компьютерной обработки определяет амплитудные значения этих колебаний A₁ и A₂, а также разность фаз δ₂, после чего из соотношенияAccording to the measurements of temperature fluctuations T ₁ and T _2, the computer processing algorithm determines the amplitude values of these oscillations A ₁ and A ₂ , as well as the phase difference δ ₂ , and then from the relation

;

вычисляется значение температуропроводности слоя донных осадков, залегающего от поверхности дна до глубин h, по формулеthe thermal diffusivity of the bottom sediment layer, which lies from the bottom surface to depths h, is calculated by the formula

или, используя разность фаз δ₂, по формулеor using the phase difference δ ₂ according to the formula

Каждый из двух способов расчета (определения) температуропроводности слоев донных осадков, которые выражены формулами (1) и (2) имеет свои преимущества. В первом способе используется отношение амплитуды колебаний температуры на горизонте установки датчика в донном грунте A₂ к амплитуде колебаний температуры на поверхности осадков A₁, т.е. необходимы относительные измерения температуры и это позволяет существенно понизить требования к методике калибровки прибора, используя в качестве эталонных термометров приборы сравнительно низкого класса точности.Each of the two methods for calculating (determining) the thermal diffusivity of bottom sediment layers, which are expressed by formulas (1) and (2), has its own advantages. In the first method, the ratio of the amplitude of the temperature fluctuations on the sensor installation horizon in the bottom soil A ₂ to the amplitude of the temperature fluctuations on the precipitation surface A _{1 is used} , i.e. relative temperature measurements are needed and this can significantly reduce the requirements for the instrument calibration procedure, using relatively low accuracy class instruments as reference thermometers.

При использовании формул (2) измеряется временной интервал δ₂ и это измерение может быть выполнено с достаточной точностью с помощью любого современного таймера. Калибровка устройства в этом случае сводится к определению временной задержки между сигналами реакции на перепад температур, которые фиксируются (записываются) предлагаемым устройством при синхронных измерениях этого перепада температур с помощью каждого термистора. Таким образом определяется систематическая ошибка измерения разности фаз, которая затем учитывается (исключается) в расчетных формулах (2).Using formulas (2), the time interval δ ₂ is measured and this measurement can be performed with sufficient accuracy using any modern timer. Calibration of the device in this case is reduced to determining the time delay between the reaction signals to the temperature difference, which are recorded (recorded) by the proposed device for synchronous measurements of this temperature difference with each thermistor. Thus, the systematic error of measuring the phase difference is determined, which is then taken into account (excluded) in the calculation formulas (2).

Claims

1. A device for measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments, consisting of a platform, to the base of which a heat source is attached, the temperature of which varies with time according to a harmonic law, installed in sealed containers of the electronics unit and the connected power supply unit containing a battery and a supply circuit sinusoidal voltage to the heat source, as well as the measuring unit, which is a conical sleeve, using four carbon fiber rails connected hydrochloric platform and provided with a silicone tube with temperature sensors connected to the electronics unit, wherein one of the sensors is combined with a heat source and at least one sensor is installed below the heat source.

2. A device for measuring the thermal diffusivity of the upper layer of bottom sediments, consisting of a platform, to the base of which a heat source is attached, the temperature of which varies with time according to harmonic law, an electronics unit and an associated power supply unit containing a battery and a sinusoidal voltage supply circuit to the source heat installed in airtight containers; in the center of the platform, the measuring unit is rigidly fixed, which is a conical rod made of a material whose thermal diffusivity is close in value to the thermal diffusivity of bottom sediments, in the longitudinal gutter of which there is a measuring element connected to the electronics unit and made in the form of a silicone tube with temperature sensors, one of which is combined with a heat source, and in addition at least one is located below the base of the heat source.