RU78578U1 - GEOTHERMAL PROBE FOR MEASURING HEAT FLOW - Google Patents

GEOTHERMAL PROBE FOR MEASURING HEAT FLOW Download PDF

Info

Publication number
RU78578U1
RU78578U1 RU2008131175/22U RU2008131175U RU78578U1 RU 78578 U1 RU78578 U1 RU 78578U1 RU 2008131175/22 U RU2008131175/22 U RU 2008131175/22U RU 2008131175 U RU2008131175 U RU 2008131175U RU 78578 U1 RU78578 U1 RU 78578U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
probe
thermal conductivity
temperature
measuring
supporting rod
Prior art date
Application number
RU2008131175/22U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Африканович Буров
Анатолий Иванович Обжиров
Владимир Иванович Пономарев
Original Assignee
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) filed Critical Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН)
Priority to RU2008131175/22U priority Critical patent/RU78578U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU78578U1 publication Critical patent/RU78578U1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Полезная модель направлена на повышение точности измерения теплофизических характеристик, увеличение глубины измерений в донных осадках и контролируемое изменение на заданную величину горизонтов измерения теплофизических характеристик при одновременном упрощении конструкции зонда. Указанный результат достигается за счет изготовления измерительного блока в виде совмещенного датчика температуры и нагревателя и установления полученных блоков в желобе несущего стержня, изготовленного из материала, теплопроводность которого ниже теплопроводности донных отложений, и установления в верхней части стержня устройства заглубления. 5 з.п.ф., 1 илл.The utility model is aimed at improving the accuracy of measurement of thermophysical characteristics, increasing the depth of measurements in bottom sediments and a controlled change by a given amount of measurement horizons of thermophysical characteristics while simplifying the design of the probe. This result is achieved through the manufacture of a measuring unit in the form of a combined temperature sensor and heater and the installation of the obtained blocks in the groove of the supporting rod made of a material whose thermal conductivity is lower than the thermal conductivity of the bottom sediments, and the installation of a deepening device in the upper part of the rod. 5 cpf, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к геофизической аппаратуре и может быть использована для измерения профилей температуры, распределения теплопроводности по глубине и теплового потока в слое воды, в донных отложениях и скважинах.The utility model relates to geophysical equipment and can be used to measure temperature profiles, distribution of thermal conductivity by depth and heat flux in a water layer, in bottom sediments and wells.

Теплофизические измерения составляют основу метода теплового потока в разведке таких полезных ископаемых как нефть, газогидраты, радиоактивные элементы, месторождения которых создают аномальные (превышающие средние значения) потоки тепла, направленные из глубины осадочных пород к поверхности Земли или поверхности донных осадков в океане.Thermophysical measurements form the basis of the heat flux method in the exploration of minerals such as oil, gas hydrates, radioactive elements, the deposits of which create abnormal (exceeding average values) heat fluxes directed from the depth of sedimentary rocks to the surface of the Earth or the surface of bottom sediments in the ocean.

Большинство известных на сегодня устройств для измерения таких теплофизических величин как тепловой поток, температура или теплопроводность в донных осадках акваторий представляют собой свободно падающие зонды, снабженные мощными металлическими несущими штангами, трубами или иглами, к которым крепятся тонкие металлические трубки с первичными преобразователями-термисторами или проволочными сопротивлениями для измерения температуры и нагревательными элементами для измерения теплопроводности. К верхнему основанию несущей штанги крепится массивный груз, благодаря которому штанга внедряется в донные осадки.Most of the currently known devices for measuring such thermophysical quantities as heat flux, temperature or thermal conductivity in the bottom sediments of the water area are freely falling probes equipped with powerful metal supporting rods, pipes or needles, to which thin metal tubes with primary transducers-thermistors or wire are attached resistance for measuring temperature and heating elements for measuring thermal conductivity. A massive load is attached to the upper base of the support rod, due to which the rod is introduced into the bottom sediments.

Известно устройство для измерения геотермического потока через дно акваторий, содержащее датчики температуры, установленные на трубе зонда, и, по крайней мере, один дистанционно управляемый нагреватель датчика. Труба зонда прикреплена к герметичному контейнеру, внутри которого находится устройство для определения разности температур (а.с. СССР №408254).A device for measuring geothermal flow through the bottom of the water area, containing temperature sensors mounted on the probe tube, and at least one remotely controlled sensor heater. The probe tube is attached to an airtight container, inside of which there is a device for determining the temperature difference (AS USSR No. 408254).

Известно устройство для проведения теплофизических исследований в донных илах акваторий (а.с. СССР №1520465). Устройство содержит герметичный контейнер с аппаратурой и механизмом перемещения, состоящим из электродвигателя и выведенных наружу барабанов, несущую трубу-пробоотборник, игольчатые зонды с термочувствительными элементами и нагревателями, жестко закрепленные острием вверх кронштейнами из теплоизолирующего материала на втулке. Втулка, выполненная в виде полого цилиндра, установлена на трубе-пробоотборнике с возможностью вертикального перемещения и соединена с барабанами посредством гибких связей. Контейнер подсоединен к кабель-тросу, с помощью которого устройство опускается на дно водоема. Под действием собственного веса или с помощью грузов-утяжелителей A device is known for conducting thermophysical studies in the bottom silts of water areas (USSR AS No. 1520465). The device contains a sealed container with equipment and a movement mechanism consisting of an electric motor and drums brought out, a sample tube, needle probes with heat-sensitive elements and heaters, rigidly fixed with their point upwards by brackets of heat-insulating material on the sleeve. The sleeve, made in the form of a hollow cylinder, is mounted on the sample tube with the possibility of vertical movement and is connected to the drums by means of flexible connections. The container is connected to the cable, through which the device lowers to the bottom of the reservoir. Under the influence of its own weight or with the help of weighting agents

труба пробоотборника углубляется в донный илистый грунт, который при этом ее заполняет. Замер теплофизических характеристик производится непрерывно по всей высоте погружения в донные осадки трубы пробоотборника. Устройство позволяет регистрировать температуру и теплопроводность осадков, не нарушенных при внедрении в них зонда.the sampler pipe goes deeper into the muddy soil, which at the same time fills it. Thermophysical characteristics are measured continuously over the entire height of immersion in the bottom sediments of the sampler pipe. The device allows you to record the temperature and thermal conductivity of precipitation, not disturbed by the introduction of a probe into them.

Известен геотермический зонд «ГЕОС-3М» (разработан Самарским политехническим университетом, изготовитель - НПЦ "ПАЛС", г.Самара;Known geothermal probe "GEOS-3M" (developed by Samara Polytechnic University, manufacturer - SPC "PALS", Samara;

http://geotherm.ginras.ru/06_03_aqua_rus.htm:http://geotherm.ginras.ru/06_03_aqua_rus.htm:

http://geotherm.ginras.ru/Pdf/image06_03_G1.pdf). Система ГЕОС-3М предназначена для автоматического измерения температуры донных осадков; градиента температур на измерительных горизонтах; теплопроводности осадков на тех же горизонтах; гидростатического давления (глубины); температуры воды; угла внедрения зонда в осадки (угла отклонения от вертикали) и определения на основе полученных данных глубинного теплового потока Земли через дно акваторий. Кроме того, зонд позволяет осуществлять вертикальное температурное зондирование водной толщи до глубины, определяемой длинной кабель-троса. Результаты измерений заносятся в память бортового компьютера и отображаются на экране дисплея.http://geotherm.ginras.ru/Pdf/image06_03_G1.pdf). The GEOS-3M system is designed to automatically measure the temperature of bottom sediments; temperature gradient at measuring horizons; thermal conductivity of precipitation at the same horizons; hydrostatic pressure (depth); water temperature; the angle of penetration of the probe into the precipitation (angle of deviation from the vertical) and determination, based on the data obtained, of the Earth's deep heat flux through the bottom of the water area. In addition, the probe allows vertical temperature sensing of the water column to a depth determined by the length of the cable cable. The measurement results are recorded in the memory of the on-board computer and displayed on the display screen.

Устройство представляет собой геотермический зонд, погружаемый в измеряемую среду, и бортовой блок, соединенные между собой кабель-тросом.The device is a geothermal probe immersed in a measured medium, and an airborne unit interconnected by a cable.

Зонд представляет собой герметичный контейнер, в котором расположен электронный измерительный блок 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.The probe is a sealed container in which an electronic measuring unit with a thermistor for measuring the temperature of the bottom layer of water, a pressure sensor and inclinometer is located. 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.

Использование двух разных измерительных «кос» для измерения градиента температур и определения теплопроводности, каждая из которых снабжена своим набором датчиков температуры, приводит к снижению точности измерений теплового потока, так как ошибки измерений температуры при определении градиента температуры и определении теплопроводности в этом случае складываютсяThe use of two different measuring “braids” for measuring the temperature gradient and determining thermal conductivity, each of which is equipped with its own set of temperature sensors, reduces the accuracy of heat flow measurements, since the errors of temperature measurements in determining the temperature gradient and determining thermal conductivity in this case add up

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является модификация вышеописанного геотермического зонда ГЕОС-3М. Принципиальная схема Closest to the claimed utility model is a modification of the geothermal probe GEOS-3M described above. Circuit diagram

модифицированной версии зонда описана в аннотированном отчете «Исследование геотермической специфики структурно-тектонических элементов Российской Арктики» за 2007 год Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российского Университета Дружбы Народов, опубликованного на сайте www.rad.pfu.edu.ru/info/sc/otc_templan.doc.a modified version of the probe is described in the annotated report “Research on the geothermal specifics of structural and tectonic elements of the Russian Arctic” for 2007 of the State educational institution of higher professional education of the Russian University of Friendship of Peoples, published on the website www.rad.pfu.edu.ru/info/sc/otc_templan .doc.

Зонд также состоит из несущего стержня и герметичного контейнера, в котором расположен электронный измерительный блок 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». Но, измерительные «косы» зонда-прототипа выполнены идентичными по конструкции и взаимозаменяемы. Каждая из «кос» содержит блок измерения теплофизических величин, состоящий и из датчиков температуры, и нагревателя, который представляет собой линейный нагреватель, равномерно распределенный по длине «косы».The probe also consists of a supporting rod and a sealed container in which an electronic measuring unit with a thermistor for measuring the temperature of the bottom layer of water, a pressure sensor and inclinometer is located. The lower part of the container is attached to a bearing steel rod, along which two thin metal tubes are fixed, forming measuring “braids”. But, the measuring “braids” of the prototype probe are identical in design and interchangeable. Each of the “braids” contains a unit for measuring thermophysical quantities, consisting of both temperature sensors and a heater, which is a linear heater uniformly distributed along the length of the “braid”.

Посредством кабель-троса зонд соединен с бортовым блоком, предназначенным для работы с персональным компьютером через стандартный порт USB. Бортовой блок обеспечивает электрическое питание зонда и передачу получаемой с зонда измерительной информации в персональный компьютер. В персональном компьютере осуществляется вычисление всех прямо или косвенно измеряемых параметров и их представление в виде таблиц и графиков.Through the cable, the probe is connected to the on-board unit, designed to work with a personal computer via a standard USB port. The on-board unit provides electrical power to the probe and the transmission of measurement information received from the probe to a personal computer. In a personal computer, all directly or indirectly measured parameters are calculated and presented in the form of tables and graphs.

В качестве датчиков температуры применены миниатюрные термисторы. В «косе» для измерения теплопроводности по команде оператора включается ток нагрева.Miniature thermistors are used as temperature sensors. In the "braid" for measuring thermal conductivity, at the command of the operator, the heating current is turned on.

Контейнер зонда содержит датчики гидростатического давления, температуры воды и угла внедрения зонда, а также электронный измерительный блок, включающий микроконвертор, преобразующий сигналы датчиков в цифровые коды, и микропроцессор, обеспечивающий передачу всех цифровых данных по кабелю в бортовой блок.The probe container contains sensors for hydrostatic pressure, water temperature and the angle of penetration of the probe, as well as an electronic measuring unit, including a micro-converter that converts the sensor signals to digital codes, and a microprocessor that provides the transmission of all digital data via cable to the on-board unit.

Первичный измерительный преобразователь давления представляет собой тензопреобразователь давления.The primary pressure transducer is a pressure transducer.

Датчик угла внедрения зонда в донные отложения представляет собой миниатюрный акселерометр.The sensor angle of penetration of the probe into the bottom sediments is a miniature accelerometer.

Отметим, что для всех вышеописанных известных зондов, в том числе и прототипа, использование металлического несущего стержня для проникновения вглубь донных осадков приводит к искажению получаемых данных из-за высокой Note that for all the above-known known probes, including the prototype, the use of a metal supporting rod for penetrating deep into the bottom sediments leads to a distortion of the data due to the high

теплопроводности металла, что снижает вероятность обнаружения температурных аномалий в верхнем слое осадков, а случайная глубина погружения датчиков в осадки с неизвестной и изменяющейся с глубиной плотностью при свободном падении делает практически невозможным использование зондов для оценки пространственных масштабов локальных микромасштабных температурных аномалий, вызванных, например, приливными вариациями температуры верхнего слоя донных осадков или пространственными смещениями течений, которые приводят к искажению результатов измерений глубинного теплового потока. Процедура измерения температур сильно удлиняется, так как требует длительного процесса термостатирования датчиков вначале из-за взаимного разогрева за счет трения проникающих частей зонда и окружающего их осадка, а затем из-за перераспределения температур в осадках вызванного более высокой теплопроводностью металлических деталей зонда.thermal conductivity of the metal, which reduces the likelihood of detecting temperature anomalies in the upper sediment layer, and the random depth of immersion of the sensors in precipitation with an unknown density that varies with depth during free fall makes it almost impossible to use probes to estimate the spatial scales of local microscale temperature anomalies caused, for example, by tidal variations in the temperature of the upper layer of bottom sediments or spatial displacements of currents, which lead to distortion of the results atov deep heat flow measurements. The temperature measurement procedure is greatly lengthened, since it requires a long process of temperature control of the sensors, first due to mutual heating due to friction of the penetrating parts of the probe and the surrounding sediment, and then due to the redistribution of temperature in the precipitation caused by higher thermal conductivity of the metal parts of the probe.

Кроме того, принципиальным ограничением возможностей измерения теплофизических величин, в том числе и теплового потока, зондом-прототипом является конструктивная сложность устройства, снижение точности измерения из-за использования в «косе» измерения теплопроводности в качестве нагревателя - линейного нагревателя, равномерно распределенного по длине «косы», что, в сочетании с длинной металлической трубкой, в которую помещен блок измерения теплофизических величин в виде линейного нагревателя и термисторов приводит к влиянию удаленных участков нагревателя на температуру, измеряемую каждым термистором, а это существенно снижает возможности разделения горизонтальных слоев осадков с разной теплопроводностью, что особенно важно для верхнего слоя донных осадков, теплопроводность которого значительно изменяется с глубиной из-за уменьшения влажности.In addition, the fundamental limitation of the ability to measure thermophysical quantities, including heat flux, the prototype probe is the structural complexity of the device, the decrease in measurement accuracy due to the use of the "conductivity" measurement of thermal conductivity as a heater - a linear heater uniformly distributed along the length braids ”, which, in combination with a long metal tube into which the unit for measuring thermophysical quantities in the form of a linear heater and thermistors is placed, leads to the effect of remote x heater portions on the temperature measured by each thermistor and this greatly reduces the possibility of precipitation separation horizontal layers with different thermal conductivity, which is especially important for the top layer of the bottom sediments, the thermal conductivity which greatly varies with depth due to reduce humidity.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения теплофизических характеристик, увеличение глубины измерений в донных осадках и контролируемое изменение на заданную величину горизонтов измерения теплофизических характеристик при одновременном упрощении конструкции зонда.The objective of the utility model is to increase the accuracy of measurement of thermophysical characteristics, increase the depth of measurements in bottom sediments and a controlled change by a given amount of measurement horizons of thermophysical characteristics while simplifying the design of the probe.

Поставленная задача решается геотермическим зондом для измерения теплофизических величин, состоящим из несущего стержня, в верхней части которого установлены содержащий электронный измерительный блок герметичный контейнер и устройство заглубления, при этом несущий стержень выполнен из материала, теплопроводность которого ниже теплопроводности измеряемых отложений, и снабжен желобом с установленными в нем как минимум одним блоком измерения The problem is solved by a geothermal probe for measuring thermophysical quantities, consisting of a supporting rod, in the upper part of which there is a sealed container containing an electronic measuring unit and a burial device, while the supporting rod is made of a material whose thermal conductivity is lower than the thermal conductivity of the measured deposits, and is equipped with a gutter with installed in it with at least one measuring unit

теплофизических величин, содержащим температурный датчик, совмещенный с нагревательным элементом.thermophysical quantities containing a temperature sensor combined with a heating element.

Для расширения функциональных возможностей зонда и повышения точности измерений зонд может быть оборудован датчиками гидростатического давления и/или угла внедрения зонда, которые устанавливают в контейнере.To expand the functionality of the probe and improve the accuracy of measurements, the probe can be equipped with hydrostatic pressure and / or angle sensors, which are installed in the container.

Зонд может быть снабжен телекамерой для контролирования места его внедрения.The probe can be equipped with a camera to control the place of its introduction.

Электронный измерительный блок зонда предназначен для преобразования сигналов датчиков в цифровые коды, и может быть выполнен, например, на базе микроконтроллера с АЦП. Полученные цифровые коды могут затем передаваться по кабелю в бортовой блок регистрации в режиме реального времени или храниться в памяти электронного измерительного блока при условии оборудования его автономной системой сбора и хранения информации, например, в виде контроллера с флэш-памятью и/или других устройств для сбора информацииThe electronic measuring unit of the probe is designed to convert sensor signals to digital codes, and can be performed, for example, on the basis of a microcontroller with an ADC. The resulting digital codes can then be transmitted via cable to the on-board recording unit in real time or stored in the memory of the electronic measuring unit, provided it is equipped with an autonomous system for collecting and storing information, for example, in the form of a controller with flash memory and / or other devices for collecting of information

Несущий стержень зонда может быть выполнен в форме иглы.The supporting rod of the probe can be made in the form of a needle.

Устройство заглубления может быть расположено в контейнере с электронным измерительным блоком или располагаться в отдельном контейнере последовательно или параллельно первому.The deepening device may be located in a container with an electronic measuring unit or located in a separate container in series or parallel to the first.

На фиг. представлена схема заявляемого зонда, где 1 - несущий стержень, 2 - блоки измерения теплофизических величин, включающие датчик температуры и совмещенный с ним нагревательный элемент, 3 - электронный измерительный блок, 4 - устройство заглубления, 5 - система регистрации, 6 - кабель - трос, 7 - блок питания устройства заглубления и нагревательного элемента.In FIG. a diagram of the inventive probe is presented, where 1 is the supporting rod, 2 are the blocks of measurement of thermophysical quantities, including a temperature sensor and a heating element combined with it, 3 is an electronic measuring unit, 4 is a burial device, 5 is a recording system, 6 is a cable - cable, 7 - power supply unit of the deepening device and the heating element.

Блоки (2) измерения теплофизических величин, содержат датчик температуры и совмещенный с ним нагревательный элемент. Как правило, датчик температуры представляет собой цилиндрический термистор, снабженный изолирующей оболочкой, а нагревательный элемент может быть выполнен, например, в виде проволоки из высокоомного материала, намотанной на изолирующую оболочку термистора. Полученный блок (2) установлен в желобе (на фиг не показан), выфрезерованном по направляющей стержня (1) вдоль всей его длины.Blocks (2) measuring thermophysical quantities, contain a temperature sensor and a heating element combined with it. Typically, the temperature sensor is a cylindrical thermistor equipped with an insulating sheath, and the heating element can be made, for example, in the form of a wire of high resistance material wound around the insulating sheath of a thermistor. The resulting block (2) is mounted in a trench (not shown in FIG.) Milled along the guide of the rod (1) along its entire length.

Совмещение датчика температуры и нагревательного элемента в одном блоке (2) измерения теплофизических величин позволяет повысить точность измерения теплового потока за счет уменьшения ошибок измерения градиента температуры в осадках и определения теплопроводности, так как в этом случае температура каждого The combination of the temperature sensor and the heating element in one unit (2) of measuring thermophysical quantities allows to increase the accuracy of measuring the heat flux by reducing errors in measuring the temperature gradient in precipitation and determining thermal conductivity, since in this case the temperature of each

горизонта, на котором располагается блок (2), измеряется одним и тем же термистором.the horizon on which the block (2) is located is measured by the same thermistor.

Количество блоков (2), располагаемых в желобе несущего стержня (1), может быть произвольным и определяется задачей исследования и геометрическими размерами датчиков. Блоки (2) соединяются с электронным измерительным блоком (3) проводами, уложенными в желоб несущего стержня (1).The number of blocks (2) located in the groove of the supporting rod (1) can be arbitrary and is determined by the research task and the geometric dimensions of the sensors. Blocks (2) are connected to the electronic measuring unit (3) by wires laid in the groove of the supporting rod (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.For the manufacture of a supporting rod, a material is used whose thermal conductivity is lower than the thermal conductivity of bottom sediments, that is, as a rule, not higher than 0.92 W / m 2 for marine sediments (Handbook of Physical Constants of Rocks. Edited by S. Clark Jr. M. M .: Mir , 1969, 544 p.). Such thermal conductivity is, for example, wood, plastic and other similar materials. The use of these materials eliminates the redistribution (equalization) of temperature between the layers of precipitation and thereby significantly reduce the measurement errors caused by the influence of the measuring device on the measurement results. The use of materials with a lower thermal conductivity than the thermal conductivity of the precipitation for the manufacture of the supporting rod also allows the installation of temperature sensors directly on the supporting rod, which greatly simplifies the mechanical design of the device and increases its reliability.

Устройство (4) для заглубления зонда может быть выполнено, например, в виде электромеханического или пневматического вибратора, установленного в верхней части несущего стержня (1). Это устройство (4) обеспечивает заглубление на заданную глубину в осадки несущего стержня (1) по команде, передаваемой на него либо по кабель-тросу (6) либо по акустическому каналу. Питание устройства (4) может быть как автономным, так и через питающий кабель-трос.The device (4) for deepening the probe can be performed, for example, in the form of an electromechanical or pneumatic vibrator mounted in the upper part of the supporting rod (1). This device (4) provides deepening to a predetermined depth in the precipitation of the bearing rod (1) by a command transmitted to it either via a cable cable (6) or through an acoustic channel. The power of the device (4) can be either autonomous or via a power cable.

Устройство (4) заглубления позволяет изменять горизонты измерения температуры на заданную величину, что при одновременном использовании несущего стержня (1), выполненного из материала с соответствующей теплопроводностью и конструкцией блока (2) измерения теплофизических величин, состоящим из датчика температуры, совмещенного с нагревательным элементом, позволяет обнаружить мелкомасштабные температурные аномалии и неоднородности теплопроводности в верхнем слое донных осадков, и учесть их влияние на результаты измерений глубинного геотермального потока, что приводит к уменьшению ошибок обнаружения аномальных тепловых потоков, вызванных месторождениями полезных ископаемых, например, углеводородов.The deepening device (4) allows you to change the temperature measurement horizons by a predetermined value, which, while using a supporting rod (1) made of a material with the corresponding thermal conductivity and the design of the unit (2) for measuring thermophysical quantities, consisting of a temperature sensor combined with a heating element, allows to detect small-scale temperature anomalies and heterogeneities of thermal conductivity in the upper layer of bottom sediments, and to take into account their influence on the results of measurements of deep thermal flux, which leads to a decrease in error detection of anomalous heat flow caused by mineral deposits, such as hydrocarbons.

Размещение электронного измерительного блока (3) и устройства (4) заглубления в контейнеры обтекаемой, вытянутой по вертикали вдоль оси зонда, формы позволяет облегчить погружение зонда в осадки на глубину, превышающую собственную длину зонда вплоть до глубины, на которой мощность устройства заглубления оказывается недостаточной для дальнейшего продвижения вглубь, повысить гидродинамические характеристики зонда, а следовательно снизить энергоемкость погружения и увеличить глубину исследования.The placement of the electronic measuring unit (3) and the device (4) for deepening into containers of a streamlined, vertically elongated along the axis of the probe shape makes it easier to immerse the probe in precipitations to a depth exceeding the probe’s own length up to a depth at which the power of the deepening device is insufficient for further advance inward, increase the hydrodynamic characteristics of the probe, and therefore reduce the energy intensity of immersion and increase the depth of research.

Геотермический зонд работает следующим образом.A geothermal probe works as follows.

В случае использования геотермического зонда для измерения теплового потока через дно акваторий зонд 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 температуры блоков (2). 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 блоками (2) в осадки осуществляется сначала под собственным весом (до момента отсутствия 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 блока (2). Затем включаются нагревательные элементы блока (2), которые нагревают металлические корпуса термисторов до температуры приблизительно на 3-4°С превышающей температуру среды, измеренную на предыдущем шаге. Температура, до которой разогревается корпус каждого термистора, измеряется самим этим термистором с точностью ±0.01°С. После выключения нагревательных элементов корпуса термисторов остывают. Скорость остывания зависит от теплопроводности грунта в точке расположения термистора. Таким образом, при разной скорости остывания термисторов, расположенных на разных глубинах, удается получить профиль теплопроводности в осадках, что при неоднородности (слоистой структуре) осадков позволяет существенно повысить точность измерения теплового потока.In the case of using a geothermal probe to measure heat flux through the bottom of the water area, the probe is lowered on a cable (6) first into a layer of water with a constant temperature in depth, previously measured by a high-precision thermometer, and in this layer is maintained for the time required to reach a constant level of readings (signals) of all temperature sensors of the blocks (2). The signal level of each temperature sensor corresponding to the temperature of the water in the layer is recorded in the measuring unit (3) and the registration system (5), and thus the probe is calibrated. Then the probe is lowered until the bottom touches the tip of the supporting rod (1) and the immersion depth until the bottom touches is taken as zero depth in the sediments. Further deepening of the bearing rod (1) with blocks (2) into precipitation is carried out first under its own weight (until the cable cable is tensioned (6)), and then by turning on the deepening device (4) for the time necessary to move deeper into the precipitation preset distance. The device (4) for deepening is switched on from the side of the vessel by applying voltage to it from the power unit (8). After the next deepening, the probe is fixed at the reached depth for the time required to reach a constant level of signals from all temperature sensors of the unit (2). Then, the heating elements of the block (2) are turned on, which heat the metal housings of the thermistors to a temperature of about 3-4 ° C higher than the temperature of the medium, measured in the previous step. The temperature to which the body of each thermistor is heated is measured by the thermistor itself with an accuracy of ± 0.01 ° C. After turning off the heating elements, the thermistor bodies cool down. The cooling rate depends on the thermal conductivity of the soil at the location of the thermistor. Thus, at different cooling rates of thermistors located at different depths, it is possible to obtain a thermal conductivity profile in the precipitation, which, with the inhomogeneity (layered structure) of the precipitation, can significantly increase the accuracy of measuring the heat flux.

Температурные постоянные термисторов, установленных в несущем стержне, корректируются по отношению к температурным постоянным свободных термисторов путем калибровки в среде с известной теплопроводностью, например, воде.The temperature constants of the thermistors installed in the supporting rod are adjusted with respect to the temperature constants of the free thermistors by calibration in an environment with known thermal conductivity, such as water.

После завершения измерений градиентов температуры и теплопроводности на исследуемых уровнях, на которых установлены блоки (2) измерения температуры-теплопроводности, вновь включается устройство (4) заглубления и зонд заглубляется на очередной горизонт, на котором повторяется цикл измерений. Оптимальной глубиной очередного горизонта является глубина, при которой положение верхнего блока (2) зонда совпадает с положением нижнего блока (2) на предыдущем горизонте.After completing the measurements of the temperature and thermal conductivity gradients at the studied levels, at which the temperature-thermal conductivity measuring units (2) are installed, the deepening device (4) is turned on again and the probe is deepened to the next horizon, at which the measurement cycle is repeated. The optimal depth of the next horizon is the depth at which the position of the upper block (2) of the probe coincides with the position of the lower block (2) on the previous horizon.

Конкретная аппаратурная реализация электронного измерительного блока (3), устройства заглубления (4), датчиков температуры и нагревателей является стандартной, известной среднему специалисту и зависит от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия.The specific hardware implementation of the electronic measuring unit (3), the burial device (4), temperature sensors and heaters is standard, well-known to the average specialist and depends on the task of measurement, the required accuracy, resolution, speed.

Таким образом, предложенное конструктивное решение заявляемого геотермического зонда для измерения теплофизических характеристик, таких как температура, теплопроводность и тепловой поток, позволяет производить измерения до глубины, определяемой главным образом мощностью устройства заглубления. Точность измерения определяется характеристиками используемых датчиков температуры и точностью их калибровки перед погружением. Кроме того, зонд делает возможным обнаружение и оценку пространственных мелкомасштабных температурных аномалий, которые являются помехой при измерениях геотермального теплового потока, и таким образом позволяет уменьшить ошибки обнаружения аномальных тепловых потоков, вызванных месторождениями полезных ископаемых, например, углеводородов.Thus, the proposed constructive solution of the inventive geothermal probe for measuring thermophysical characteristics, such as temperature, thermal conductivity and heat flux, allows measurements to a depth determined mainly by the power of the burial device. The measurement accuracy is determined by the characteristics of the temperature sensors used and the accuracy of their calibration before diving. In addition, the probe makes it possible to detect and evaluate spatial small-scale temperature anomalies that interfere with measurements of the geothermal heat flux, and thus reduce the detection errors of abnormal heat fluxes caused by mineral deposits, such as hydrocarbons.

Claims (6)

1. Геотермический зонд для измерения теплофизических величин, включающий несущий стержень, блок измерения теплофизических величин, состоящий из датчика температуры и нагревательного элемента, а также герметичный контейнер, расположенный в верхней части несущего стержня и содержащий электронный измерительный блок, отличающийся тем, что блок измерения теплофизических величин выполнен в виде сопряженных друг с другом датчика температуры и нагревательного элемента, несущий стержень выполнен из материала, теплопроводность которого ниже теплопроводности измеряемых отложений, снабжен продольным желобом, в котором установлен как минимум один блок измерения теплофизических величин, при этом зонд дополнительно содержит устройство заглубления, установленное в верхней части несущего стержня.1. A geothermal probe for measuring thermophysical quantities, including a supporting rod, a unit for measuring thermophysical quantities, consisting of a temperature sensor and a heating element, as well as a sealed container located in the upper part of the supporting rod and containing an electronic measuring unit, characterized in that the unit for measuring thermophysical the values are made in the form of a temperature sensor and a heating element conjugated to each other, the supporting rod is made of a material whose thermal conductivity is lower thermal conductivity of the measured deposits, is equipped with a longitudinal trough in which at least one unit for measuring thermophysical quantities is installed, while the probe further comprises a deepening device installed in the upper part of the supporting rod. 2. Геотермический зонд по п.1, отличающийся тем, что несущий стержень имеет форму иглы.2. The geothermal probe according to claim 1, characterized in that the supporting rod has the shape of a needle. 3. Геотермический зонд по п.1, отличающийся тем, что герметичный контейнер содержит датчики гидростатического давления и/или угла внедрения зонда.3. The geothermal probe according to claim 1, characterized in that the sealed container contains sensors for hydrostatic pressure and / or the angle of penetration of the probe. 4. Геотермический зонд по п.1, отличающийся тем, что снабжен телекамерой.4. The geothermal probe according to claim 1, characterized in that it is equipped with a television camera. 5. Геотермический зонд по п.1, отличающийся тем, что электронный измерительный блок снабжен автономной системой сбора информации.5. The geothermal probe according to claim 1, characterized in that the electronic measuring unit is equipped with an autonomous information collection system. 6. Геотермический зонд по п.1, отличающийся тем, что контейнер имеет обтекаемую форму, вытянутую вертикально вдоль оси несущего стержня.
Figure 00000001
6. The geothermal probe according to claim 1, characterized in that the container has a streamlined shape, elongated vertically along the axis of the bearing rod.
Figure 00000001
RU2008131175/22U 2008-07-28 2008-07-28 GEOTHERMAL PROBE FOR MEASURING HEAT FLOW RU78578U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008131175/22U RU78578U1 (en) 2008-07-28 2008-07-28 GEOTHERMAL PROBE FOR MEASURING HEAT FLOW

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008131175/22U RU78578U1 (en) 2008-07-28 2008-07-28 GEOTHERMAL PROBE FOR MEASURING HEAT FLOW

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU78578U1 true RU78578U1 (en) 2008-11-27

Family

ID=46273742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008131175/22U RU78578U1 (en) 2008-07-28 2008-07-28 GEOTHERMAL PROBE FOR MEASURING HEAT FLOW

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU78578U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2579547C1 (en) * 2014-12-31 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Method of measuring equivalent temperature conductivity of upper layer of bottom sediments of sea water areas and device therefor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2579547C1 (en) * 2014-12-31 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Method of measuring equivalent temperature conductivity of upper layer of bottom sediments of sea water areas and device therefor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sayde et al. Feasibility of soil moisture monitoring with heated fiber optics
Pfender et al. Miniaturized data loggers for deep sea sediment temperature gradient measurements
Langseth Techniques of measuring heat flow through the ocean floor
JP4421627B2 (en) Heated groundwater logging method, heated groundwater logging sensor and measuring device for heated groundwater logging
Cao et al. An improved distributed sensing method for monitoring soil moisture profile using heated carbon fibers
Raymond et al. A novel thermal response test using heating cables
Wang et al. A laboratory study of the correlation between the thermal conductivity and electrical resistivity of soil
US20150007984A1 (en) Formation thermal measurement apparatus, methods, and systems
Peng et al. An improved thermo‐TDR technique for monitoring soil thermal properties, water content, bulk density, and porosity
EP3213124B1 (en) Method, system and prefabricated multi-sensor integrated cable for detection and monitoring of a fluid flow, in particular of a fluid flow in filtration processes, especially of leakage in constructions and/or in ground
Radioti et al. Heterogeneous bedrock investigation for a closed-loop geothermal system: A case study
Koubikana Pambou et al. Improving thermal response tests with wireline temperature logs to evaluate ground thermal conductivity profiles and groundwater fluxes
CN109374670A (en) A kind of Soil Thermal Conductivity profile features measuring instrument
RU2579547C1 (en) Method of measuring equivalent temperature conductivity of upper layer of bottom sediments of sea water areas and device therefor
RU78578U1 (en) GEOTHERMAL PROBE FOR MEASURING HEAT FLOW
CN209311375U (en) A kind of Soil Thermal Conductivity profile features measuring instrument
RU70995U1 (en) PROBE FOR MEASURING TEMPERATURE PROFILE
He et al. Study on the mobile PHS method for soil moisture monitoring based on thermal effect
US4313342A (en) Method and apparatus for determining vertical heat flux of geothermal field
CN102998332A (en) Testing system and method of macroscopic thermophysical parameters of fractured rock mass
Davis Oceanic heat-flow density
CN104062692B (en) High-precision seabed terrestrial heat flow detection device
WO2013044296A1 (en) A heat flow exploration probe
Matsubara et al. Development of a new system for shallow sea heat flow measurement and its test application in the Gulf of Thailand
RU2386028C1 (en) Method of thermal logging of oil wells and device for its implementation

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20170729