RU70995U1 - Зонд для измерения профиля температуры - Google Patents

Abstract

Полезная модель направлена на повышение точности измерения профиля температуры донных отложений. Указанный результат достигается за счет изготовления несущего температурные датчики стержня зонда из материала, теплопроводность которого ниже теплопроводности донных отложений и установления в верхней части стержня устройства заглубления.

Description

Полезная модель относится к устройствам для измерения температуры и может быть использована в океанологии и геофизике для измерения профилей температуры донных отложений.

Измерения температуры на нескольких глубинах в донных осадках необходимы для расчетов потоков тепловой энергии между осадками и водным слоем. Эти потоки тепла оказывают сильное влияние на температурный режим мелководных акваторий. На глубоководных (более 50-100 м) акваториях морей и глубоких озер тепловой поток в верхнем слое осадков определяется в основном глубинным геотермальным потоком и локальными источниками тепла, которыми являются подводные гидротермальные источники и месторождения углеводородов и радиоактивного сырья. Таким образом, измерение профилей температуры в донных осадках как составная часть измерения теплового потока дает информацию о запасах тепла, накопленных в осадках мелководных акваторий, о строении земной коры под глубоководными акваториями и является основой метода теплового потока в разведке месторождений полезных ископаемых под дном морей и океанов.

До настоящего времени измерения температуры на нескольких глубинах (профиля температуры) в донных осадках осуществлялись в основном свободно падающими приборами, измерительные преобразователи которых, закрепленные на жесткой штанге, имеющей форму иглы, внедрялись на некоторую глубину в осадки за счет энергии, приобретенной при падении с определенной высоты над поверхностью дна (п. США №4676664).

Известны свободно падающие зонды, снабженные мощными металлическими несущими штангами или иглами, к которым крепятся тонкие стальные трубки с первичными преобразователями - термисторами или проволочными сопротивлениями. К верхнему основанию несущей штанги (иглы) крепится массивный груз, благодаря которому штанга опускается на дно и внедряется в донные осадки.. При этом глубина погружения зонда в осадки оказывается случайной величиной, зависящей от плотности осадков, а измеренные величины температур искажаются вначале взаимным разогревом за счет трения проникающих частей зонда и окружающего их осадка, а затем перераспределением температуры в осадках из-за более высокой теплопроводности металлических деталей зонда (R.D.Hyndman, Е.Е.Davis and J.A.Wright "The measurement of marine geothermal heat flow by a multipenetration probe with

digital acoustic telemetry and insitu thermal conductivity". Marine Geophysical Researches 4 (1979) 181-205).

Наиболее близким к заявляемому является свободно падающий геотермический зонд, представляющий собой герметичный контейнер, содержащий электронный измерительный блок. С наружной стороны контейнер снабжен несущим стальным стержнем и трубками с установленными в них температурными датчиками, как правило, термисторами (А.Д.Дучков, С.А.Казанцев, А.А.Дучков «Экспериментальное изучение вариаций температуры дна глубоководной части южно-байкальской впадины». Доклады РАН, сер. Геофизика, 2005, т.403, №5, с.682-684).

Однако, укрепление температурных датчиков на несущем стержне, выполненном из металла для обеспечения проникновения вглубь донных осадков приводит к искажению получаемых данных из-за высокой теплопроводности металла, что снижает вероятность обнаружения температурных аномалий в верхнем слое осадков, а случайная глубина погружения датчиков в осадки при свободном падении, делает практически невозможным использование этого зонда для оценки пространственных масштабов локальных температурных аномалий.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения профиля температуры в верхнем слое донных осадков.

Поставленная задача решается зондом для измерения температуры донных отложений, состоящим из несущего стержня, в верхней части которого установлен герметичный контейнер, содержащий электронный измерительный блок и устройство заглубления, при этом несущий стержень выполнен из материала, теплопроводность которого ниже теплопроводности измеряемых отложений, и снабжен температурными датчиками.

Зонд дополнительно может быть снабжен телекамерой и/или автономной системой сбора информации, выполненной, например, в виде контроллера записи/чтения информации и устройства хранения информации, и/или других устройств сбора гидрологической информации.

На фиг. представлена схема заявляемого зонда, где 1 - несущий стержень, 2 - температурные датчики, 3 - измерительный блок, 4 - устройство заглубления, 5 - система регистрации, 6 - кабель-трос, 7 - верхнее основание, 8 - блок питания устройства заглубления.

Температурные датчики (2) (как правило, термисторы) установлены в желобе (на фиг не показан), выфрезерованном по направляющей стержня (1) вдоль всей его длины, что позволяет при последовательном заглублении сначала измерять температуру придонного слоя воды, а затем температуры все более глубоких слоев осадков.

Количество термодатчиков (2), располагаемых в желобе несущего стержня (1), может быть произвольным и определяется задачей исследования и геометрическими размерами датчиков. Датчики (2) соединяются с измерительным блоком (3) проводами, уложенными в сделанный для них желоб в несущем стержне (1).

Для изготовления несущего стержня используют материал, теплопроводность которого ниже теплопроводности донных осадков, то есть как правило, не выше 0,92 Вт/м² для морских осадков (Справочник физических констант горных пород. Под ред. С.Кларка мл. М.: Мир, 1969, 544 с.) Такую теплопроводность имеют, например, дерево, пластмасса и другие подобные материалы. Использование этих материалов позволяет исключить перераспределение (выравнивание) температуры между слоями осадков и тем самым существенно снизить погрешности измерений, вызванные влиянием измерительного устройства на результаты измерений. Использование для изготовления несущего стержня материалов с более низкой теплопроводностью, чем теплопроводность осадков, позволяет также устанавливать температурные датчики непосредственно на несущем стержне, что существенно упрощает механическую конструкцию устройства и повышает его надежность.

Устройство (4) для заглубления заявляемого зонда может быть выполнено, например, в виде электромеханического или пневматического вибратора, установленного в верхней части зонда, например, на верхнем основании (7) несущего стержня (1). Это устройство (4) должно обеспечивать заглубление на заданную глубину в осадки несущего стержня (1) по команде, передаваемой на него по кабель-тросу (6) или акустическому каналу.

Устройство (4) заглубления позволяет изменять горизонты измерения температуры на заданную величину, что при одновременном использовании несущего стержня (1), выполненного из материала с соответствующей теплопроводностью делает возможным обнаружение и оценку пространственных масштабов температурных аномалий в верхнем слое осадков.

Зонд работает следующим образом.

С борта судна или со льда зонд для измерения профиля температуры опускается на кабель-тросе (6) сначала в слой воды с постоянной по глубине температурой, предварительно измеренной высокоточным термометром, и в этом слое выдерживается в течение времени, необходимого для выхода на постоянный уровень показаний (сигналов) всех датчиков (2) температуры. Уровень сигнала каждого датчика температуры, соответствующий температуре воды в слое, фиксируется в измерительном блоке (3) и системе (5) регистрации и таким образом осуществляется калибровка зонда. Затем зонд опускается до касания дна острием несущего стержня (1)

и глубина погружения до касания дна принимается за нулевую глубину в осадках. Дальнейшее заглубление несущего стержня (1) с датчиками (2) температуры в осадки осуществляется сначала под собственным весом (до момента натяжения кабель-троса (6)), а затем путем включения устройства (4) заглубления на время, необходимое для продвижения вглубь осадков на заданное расстояние. Включение устройства (4) заглубления осуществляется с борта судна путем подачи на него напряжения с блока питания (8). После выполнения очередного заглубления зонд фиксируется на достигнутой глубине на время, необходимое для выхода на постоянный уровень сигналов от всех температурных датчиков (2). Этот процесс контролируется системой регистрации (5), где на экране дисплея визуализируются изменения температуры каждого датчика (2) в реальном времени. Отсчет профиля температуры выполняется после достижения температурного равновесия всеми датчиками температуры.

Конкретная аппаратурная реализация измерительного блока (3), устройства заглубления (4), системы регистрации (5) является стандартной и зависит от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия. Измерительный блок, например, может быть выполнен также как в прототипе на основе АЦП, микроконтроллера и памяти.

Устройство заглубления может быть изготовлено на основе, например, электромагнитного втягивающего реле стартера автомобиля, а система регистрации на базе персонального компьютера.

Таким образом, предложенное конструктивное решение заявляемого зонда измерения профиля температуры позволяет измерять температуру донных осадков до глубины, определяемой длиной несущего стержня, с точностью не хуже 0.01°С. Точность измерения определяется характеристиками используемых датчиков температуры и точностью их калибровки перед погружением в осадки. Кроме того, зонд делает возможным обнаружение и оценку пространственных масштабов температурных аномалий в верхнем слое осадков, которые могут быть следствием химических реакций, деятельности бактерий или радиоактивного распада и представляют интерес для соответствующих направлений исследований океана. Одновременно мелкомасштабные температурные аномалии в верхнем слое донных осадков являются помехой при измерениях геотермального теплового потока, и разработанный зонд позволяет их обнаружить и учесть их влияние на результаты измерений глубинного геотермального потока, а также уменьшить ошибки обнаружения аномальных тепловых потоков, вызванных месторождениями полезных ископаемых, например, углеводородов.

Claims (1)

1. Зонд для измерения температуры донных отложений, состоящий из снабженного температурными датчиками несущего стержня, в верхней части которого установлен герметичный контейнер, содержащий электронный измерительный блок, отличающийся тем, что зонд дополнительно снабжен устройством заглубления, расположенным в верхней части несущего стержня, при этом несущий стержень выполнен из материала, теплопроводность которого ниже теплопроводности измеряемых отложений.