一种自浮式海底温度探测系统

摘要

本发明公开了一种自浮式海底温度探测系统，其包括海底信号采集基站和测温探针；其中测温探针可多次使用且与海水充分接触，测温探针内部放置温度探测单元，温度探测单元组合方便灵活，数字信号输出，可有效改善数据质量；海底信号采集基站保证了仪器回收率，降低了海洋温度探测风险。自浮式海底温度探测系统既可以在浅海区也可以在深海区探测海底温度，留海时间长有利于长期海底温度探测。

权利要求

1.一种自浮式海底温度探测系统，其属于地球物理测量仪器，其包括海底信号采集基站（24）和测温探针（4）；其中海底信号采集基站（24）包括脱钩机构（1）、仪器舱（2）和沉耦架（5）；仪器舱（2）包括内部单个玻璃舱球（10）和外部保护壳（13）；玻璃舱球（10）设有一个四芯水密插座（6），海底信号采集基站（24）与测温探针（4）通过导线（7）连接；海底信号采集基站（24）内部集成了方向传感器（15）与姿态传感器（16），用于获取测温探针插入海底后的倾斜状况；玻璃舱球外部保护壳（13）分上下两部分，两者通过多个螺栓固定，测温探针（4）通过螺栓固定在外部保护壳（13）底部；外部保护壳（13）顶端安装脱钩机构（1），仪器舱（2）整体放置于沉耦架（5）之上；沉耦架（5）为方框状，中部设有刚性金属圆环，方框通过四根钢梁与刚性金属圆环连接，金属圆环、钢梁、沉耦架方框之间中空，测温探针（4）从金属圆环（18）中间穿过；测温探针（4）通过螺栓垂直固定在在外部保护壳（13）底部，玻璃舱球（10）与测温探针（4）尾端各设有四芯水密插座，两者通过RS485总线（7）连接，总线分为电源线、地线、数据线A和数据线B；测温探针（4）主体呈圆柱状，长1 1.5米，直径3厘米，壁厚0.5厘米，前端呈~圆锥状，测温探针尾端设有四芯水密插座；测温探针（4）主体部分设有多个圆孔（23），海水可在测温探针（4）内外自由流动；

其中，方向传感器（15）采用HMR3200型方向传感器，方向精度1°，分辨率0.1°；总线电源电压为5.2V，测温探针（4）内部放置多个温度探测单元（21），温度探测单元（21）中添加稳压电路；温度探测单元（21）通过RS485总线（20）连接垂放在测温探针（4）内部；温度探测单元（21）内部放置集成负温度系数热敏电阻的温度采集电路（22），所采用的负温度系数热敏电阻在0℃至10℃时阻值变化范围为15.4千欧至9.7千欧；温度采集电路中采用了LPC812微控制器，管脚功能可以实现功能切换，管脚1分配为AD片选，管脚2分配为AD时钟信号，管脚7分配为AD输入信号，管脚8分配为AD输出信号，管脚14分配为RS485总线输入信号，管脚15分配为MAX485片选信号，管脚16分配为RS485总线输出信号；LPC812微控制器自带通用异步收发传输器UART，并包含地址寄存器，可以单独设置地址；温度探测单元（21）获取的温度数据经过放大、模数转换后由LPC812通过UART发出，经过MAX485芯片调制成RS485总线模式进行传输；

温度探测单元（21）呈圆柱状，整体密封，圆柱顶部和底部各设有四芯水密插座，可单独连接海底信号采集基站（24）工作也可多个串接后连接海底信号采集基站（24）工作，串接后可进行海底温度梯度的探测；探测海底温度梯度时，可根据需求选择合适长度RS485总线，海底信号采集基站（24）通过RS485总线与测温探针内部温度探测单元（21）进行通信和数据传输；

温度探测单元（21）内部集成完整温度采集电路(22)，可直接输出数字信号，数字信号通过RS485总线传输到海底信号采集基站（24）中并存储，海底信号采集基站（24）通过RS485总线控制温度探测单元（21）工作时间并确定采样率工作参数；

玻璃舱球（10）由上下两个半球组成且中间通过胶泥和胶带进行密封，并保持玻璃舱球（10）内部负压以保证仪器舱（2）下水后密封性良好；水声传感器（9）安装于玻璃舱球（10）的顶端，通过水声信号与外部进行水声通讯；四芯水密插座（6）穿舱安装在玻璃舱球（10）外壁，通过RS485总线（7）与测温探针（4）连接；固定支架（12）和耦合支架（17）固定在玻璃舱球（10）内部，耦合支架（17）安装在固定支架（12）下方；数据采集器（11）安装在固定支架（12）上方，电池组（14）环绕安装在固定支架（12）与耦合支架（17）中间的玻璃舱球（10）侧面，共放置10AH电池10组；电池组（14）在玻璃舱球（10）内均匀放置，使仪器在下沉过程中保持平衡；

温度采集电路中信号放大部分电路中，电阻R1、R2、R4、R5构成电阻桥网络，电阻桥输出信号分别连接AD8553的第2脚与第9脚；电阻R3一端连接AD8553的第1脚，另一端连接AD8553的第10脚；电阻R6并联C9后一端连接AD8553的第4脚，一端连接AD8553的第5脚；电阻R7一端连接AD8553的第5脚，一端连接电容C8，对经AD8553放大后的信号起过滤作用，滤除高频信号噪声，放大后的模拟信号随后进行模数转换；R3、R6作为AD8553放大参考电阻，可通过改变电阻阻值改变放大系数。

说明书

一种自浮式海底温度探测系统

技术领域

[0001] 本发明属于地球物理测量领域，具体涉及一种用于地球物理测量的海底温度探测系统。

背景技术

[0002] 海底温度探测是地球物理方法的重要手段，尤其是热流区域的温度梯度的探测结果可以直接反映地球内部的热传输过程，帮助我们开展地球动力学、地球内部内热驱动构架演化过程的研究，为海底油气等矿物资源探测提供评估依据。

[0003] 目前海底温度探测主要通过石油钻井测温和海底热流计探测来实现。其中石油钻井测温主要在石油区和浅海区进行，作业条件限制多，费用高且效率低；与石油钻井测温相比海底热流计操作简单、效率更高，国际上主要采用海底热流计进行海底温度探测。作业时海底热流计通过钢缆被放入水中，在重力作用下插入海底沉积物中，待海底热流计的探针与海底沉积物接触位置温度达到稳态后通过内部热敏元件来测量海底温度，测量完成后通过钢缆回收。目前海底热流计主要包括三种类型：Bullard型，Ewing型和Lister型。三者共同特点都是通过钢缆释放回收，热敏元件以一定间隔挂载在加固管的内壁或者钢矛外壁的不同位置，热敏元件同时连接到记录单元，记录单元放置在单独承压容器内密封。海底热流计可以较方便的测量千米以内的海底温度，但随着海水深度增加探测难度成倍提升，效率降低并且风险性大大增加。海底热流计的探针在插入沉积物过程中会造成摩擦生热，具体热稳时间不好掌握，同时某些特定海域的海底温度受地球内部影响呈现随时间剧烈变化的情况，需要海底热流计长时间留海以获取准确温度信息。另外，海底热流计在工作过程中，测量船受浪涌影响会发生漂移，在钢缆的作用下海底热流计在海底的位置可能会发生变化，甚至导致海底热流计损坏造成作业失败，这都对海底热流计的应用提出了新的课题。

[0004] 鉴于石油钻井测温和海底热流计在海底温度探测过程中的局限型，借鉴目前海底地震仪成熟的投放回收技术，有必要研发一种回收方便、留海时间长、体积小便于开展大批量海底温度探测的自浮式海底温度探测系统。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，提供一种海底温度探测系统，其结构简单、自浮式回收、适合长期海底温度探测，以满足海洋地球物理调查的需求。

[0006] 为达到上述目的，发明的技术解决方案如下：

[0007] 一种自浮式海底温度探测系统，包括海底信号采集基站24和测温探针4。其中海底信号采集基站24包括脱钩机构1，仪器舱2和沉耦架5；仪器舱2包括内部单个玻璃舱球10和外部保护壳13；玻璃舱球10设有一个四芯水密插座6，海底信号采集基站24与测温探针4通过导线7连接。玻璃舱球外部保护壳13分上下两部分，两者通过多个螺栓固定，测温探针4通过螺栓固定在外部保护壳13底部；外部保护壳13顶端安装脱钩机构1，仪器舱2整体放置于沉耦架5之上；沉耦架5为方框状，中部设有刚性金属圆环，方框通过四根钢梁与刚性金属圆环连接，金属圆环、钢梁、沉耦架方框之间中空，测温探针4从金属圆环18中间穿过。

[0008] 在自浮式海底温度探测系统中，测温探针4通过螺栓垂直固定在在外部保护壳13底部，玻璃舱球10与测温探针4尾端各设有四芯水密插座，两者通过RS485总线7连接，总线分为电源线、地线、数据线A和数据线B。测温探针4主体呈圆柱状，长1～1.5米，直径3厘米，壁厚0.5厘米，前端呈圆锥状，测温探针尾端设有四芯水密插座；测温探针4主体部分设有多个圆孔23，海水可在测温探针4内外自由流动。

[0009] 进一步地，测温探针4内部放置多个温度探测单元21，温度探测单元21通过RS485总线20连接并垂放在测温探针4内部。温度探测单元21内部放置集成负温度系数热敏电阻的温度采集电路22。温度探测单元21呈圆柱状，整体密封，圆柱顶部和底部各有四芯水密插座，可单独连接海底信号采集基站24工作也可多个串接后连接海底信号采集基站24工作，串接后可进行海底温度梯度的探测。探测海底温度梯度时，可根据需求选择合适长度RS485总线，海底信号采集基站24通过RS485总线与测温探针内部温度探测单元21进行通信和数据传输。

[0010] 此外，温度探测单元21内部集成完整温度采集电路22，可直接输出数字信号，数字信号通过RS485总线传输到海底信号采集基站24中并存储，海底信号采集基站24通过RS485总线控制温度探测单元21工作时间并确定采样率等工作参数。

[0011] 使用本发明的技术方案，可以具有以下有益效果：

[0012] 1、本发明中海底信号采集基站与测温探针之间仅用包含四根导线的RS485总线相连，降低了水密接插件穿舱难度。使用单个玻璃舱球可以同时与测温探针内部10个以上的温度探测单元通信，解决了海底温度探测系统小型化的难题。

[0013] 2、本发明提供的温度探测单元内部温度采集电路集成了负温度系数热敏电阻，负温度系数热敏电阻在海底温度区间(0℃-10℃)内灵敏度比铂电阻更高，可实现海底温度高精度探测。温度采集电路实现了采样点处温度的数字输出，避免了传统热流计探针中热敏电阻与记录板之间传输距离过长造成的干扰，尤其在探测海底温度梯度时，由于需要对温度多点取样，会进一步造成模拟信号传输距离成倍加长，本发明可以有效提高获取数据的质量。

[0014] 3、本发明提供的自浮式海底温度探测系统提高了仪器回收率，降低了海洋温度探测风险，既可以在浅海区也可以在深海区探测海底温度。相比传统海底热流计留海时间更长，有利于长期海底温度数据获取；体积小、操作简便有利于开展大批量海底温度探测作业。

附图说明

[0015] 图1为依据本发明的自浮式海底温度探测系统的立体结构示意图；

[0016] 图2为依据本发明的自浮式海底温度探测系统剖面结构示意图；

[0017] 图3为依据本发明的自浮式海底温度探测系统沉耦架示意图；

[0018] 图4为依据本发明的自浮式海底温度探测系统中测温探针剖面结构示意图；

[0019] 图5为依据本发明的自浮式海底温度探测系统温度探测单元中温度采集电路结构框图；

[0020] 图6为依据本发明的自浮式海底温度探测系统温度探测单元温度采集电路中信号放大部分电路图；

具体实施方式

[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022] 一种自浮式海底温度探测系统，包括海底信号采集基站24和测温探针4。其中海底信号采集基站包括脱钩机构1，仪器舱2和沉耦架5；仪器舱2包括内部单个玻璃舱球10和外部保护壳13；玻璃舱球10设有一个四芯水密插座6，海底信号采集基站24与测温探针4通过导线7连接。玻璃舱球外部保护壳13分上下两部分，两者通过多个螺栓固定，测温探针4通过螺栓固定在外部保护壳13底部；外部保护壳13顶端安装脱钩机构1，仪器舱2整体放置于沉耦架5之上；沉耦架5为方框状，中部设有刚性金属圆环，方框通过四根钢梁与刚性金属圆环连接，金属圆环、钢梁、沉耦架方框之间中空，测温探针4从金属圆环18中间穿过。

[0023] 其中，海底信号采集基站24内部集成了方向传感器15与姿态传感器16，用于获取测温探针4插入海底后的倾斜状况。优选地，本发明采用HMR3200型方向传感器，方向精度1°，分辨率0.1°。测温探针4通过螺栓固定在外部保护壳13底部，玻璃舱球10与测温探针4尾端各设有四芯水密插座，通过RS485总线连接，总线分为电源线、地线、数据线A和数据线B。
总线电源电压为5.2V，为保证温度探测单元电源稳定，温度探测单元21中添加稳压电路。

[0024] 本发明中的测温探针4主体呈圆柱状，长1～1.5米，直径3厘米，壁厚0.5厘米，前端呈圆锥状，尾端设有四芯水密插座19；测温探针主体部分设有多个圆孔23，海水可在测温探针4内外自由流动；测温探针4内部放置多个温度探测单元21，温度探测单元21通过RS485总线20连接垂放在测温探针4内部。温度探测单元21内部放置集成负温度系数热敏电阻的温度采集电路22，所采用的负温度系数热敏电阻在0℃至10℃时阻值变化范围约为15.4千欧至9.7千欧，与铂电阻相比灵敏度更高，便于海底温度的高精度探测。为了节省温度探测单元21的功耗以利于长时间海底温度探测，温度采集电路中采用了LPC812微控制器，仅16根管脚，管脚功能可以实现功能切换。本发明中管脚1分配为AD片选，管脚2分配为AD时钟信号，管脚7分配为AD输入信号，管脚8分配为AD输出信号，管脚14分配为RS485总线输入信号，管脚15分配为MAX485片选信号，管脚16分配为RS485总线输出信号。LPC812自带UART(通用异步收发传输器)，并包含地址寄存器，可以单独设置地址。温度探测单元21获取的温度数据经过放大、模数转换后由LPC812通过UART发出，经过MAX485芯片调制成RS485总线模式进行传输。温度探测单元21呈圆柱状，整体密封，圆柱顶部和底部各设有四芯水密插座，可单独连接海底信号采集基站24工作也可多个串接后连接海底信号采集基站24工作，串接后可进行海底温度梯度的探测。探测海底温度梯度时，可根据需求选择合适长度RS485总线，海底信号采集基站24通过RS485总线与温度探测单元21进行通信和数据传输。具体工作模式为，海底信号采集基站24通过RS485总线将需要获取数据的温度探测单元21地址发送给所有温度探测单元21，温度探测单元21判断获取信息所含地址与自己相同时，内部微控制器LPC812控制温度采集电路22工作，并将采集到的温度数据传输到海底信号采集基站24，若地址与自己不符则不进行任何操作以节省功耗。

[0025] 进一步地，温度探测单元21内部集成了完整的温度采集电路22，可直接输出数字信号，信号通过RS485总线传输到海底信号采集基站24中并存储，海底信号采集基站24通过RS485总线控制温度探测单元21工作时间和确定采样率等工作参数。

[0026] 具体地，下面结合附图给予进一步的详细说明。

[0027] 如附图1所示，为自浮式海底温度探测系统立体结构图，包括海底信号采集基站24和测温探针4。海底信号采集基站24包括脱钩机构1，仪器舱2和沉耦架5；仪器舱2包括内部单个玻璃舱球10和外部保护壳13；仪器舱2放置于沉耦架5之上，脱钩机构1放置于仪器舱2上方，四根钢缆3一端固定在脱钩机构1的固接口处，另一端利用螺母8在沉耦架5处锁紧，将仪器舱2与沉耦架5固定。测温探针4通过螺栓固定在仪器舱外部保护壳13底部，垂直从金属圆环18中间穿过。

[0028] 所述自浮式海底温度探测系统结构简单，体积小，便于海上作业和开展大批量的海底温度探测作业。

[0029] 如附图2，玻璃舱球10选用Vitrovex公司生产的17英寸玻璃舱球，用于装载并保护内部电路、电池组等部件并在回收过程中提供浮力，玻璃舱球10最高承受耐压6500米，可满足绝大部分海域的海底温度探测。玻璃舱球10由上下两个半球组成，中间通过胶泥和胶带进行密封，并保持玻璃舱球10内部负压以保证仪器舱2下水后密封性良好。水声传感器9安装于玻璃舱球10的顶端，通过水声信号与外部进行水声通讯。四芯水密插座6穿舱安装在玻璃舱球10外壁，通过RS485总线7与测温探针4连接。固定支架12和耦合支架17固定在玻璃舱球10内部，耦合支架17安装在固定支架12下方。数据采集器11安装在固定支架12上方，电池组14环绕安装在固定支架12与耦合支架17中间的玻璃舱球10侧面，共放置10AH电池10组，可保证海底信号采集基站24连续工作6个月以上。同时电池组14在玻璃舱球10内均匀放置，使仪器在下沉过程中保持平衡。外部保护壳13分为上下两部分，两者中间通过多个螺栓固定，起到保护内部玻璃舱球10的作用，并用于固定测温探针4。

[0030] 方向传感器15同姿态传感器16固定在耦合支架17上方，方向传感器15用于检测海底信号采集基站24方向偏角，使用的HMR3200型方向传感器采用霍尼韦尔磁阻传感器设计以达到小尺寸和高可靠度与精度，精度控制在1°，分辨率0.1°。姿态传感器16用于检测海底信号采集基站24与测温探针4相对水平面的倾斜角度，便于后期计算海底温度梯度。本发明采用ADXL345型姿态传感器，为数字加速度计，最大可测范围±16g，最高分辨率3.9mg/LSB，可以检测到低于1.0°的倾斜角度变化。

[0031] 如附图3，本发明中所采用的沉耦架5为钢制材料焊接而成，上面涂有防锈涂层。沉耦架5为方框状，中部设有刚性金属圆环18，仪器舱2放置在金属圆环18之上。方框通过四根钢梁与金属圆环18连接，金属圆环、钢梁、沉耦架方框之间中空，测温探针4从金属圆环18中间穿过。沉耦架方框四角各焊有一个直径120mm，高度150mm的导流筒，可以在仪器下沉过程中对海水进行导流，使仪器在下落过程中保持垂直状态。同时导流筒也有利于海底信号采集基站24不会轻易陷入海底淤泥之中。金属圆环18下方也焊有圆柱状导流筒，有利于测温探针4插入海底沉积物过程中保证探针垂直插入，并对测温探针4起到保护作用。海底信号采集基站24在接收到回收指令后通过脱钩机构1抛弃沉耦架5，利用仪器舱2提供的浮力实现自浮式回收。

[0032] 本实施实例未在说明书附图中详细示出脱钩机构1，其具体结构请参阅本申请人业已公开的技术资料(专利号：ZL200810117385.4)。

[0033] 如附图4，为自浮式海底温度探测系统中测温探针4剖面结构示意图。测温探针4外壳为不锈钢材料，主体呈圆柱状，长1～1.5米，直径3厘米，壁厚0.5厘米，前端呈圆锥状，测温探针4内部中空，尾端设有四芯水密插座19；测温探针4主体部分设有多个圆孔23，海水通过圆孔23自由流动，以保证测温探针4内部温度与外部一致。测温探针4内部放置多个温度探测单元21，温度探测单元21内部包括温度采集电路22。温度探测单元21呈圆柱状，整体密封，圆柱顶部和底部各设有四芯水密插座，温度探测单元21之间通过RS485总线20相连，温度探测单元21通过RS485总线20连接垂放在测温探针4内部。

[0034] 如附图5，为温度探测单元中温度采集电路结构框图。温度探测单元21内部包括完整温度采集电路22，考虑海底温度信号具有变化幅度小且多低频变化的特征，需要对温度采集电路22进行重点设计才能获取可靠的海底温度信息。温度采集电路22包括电阻桥电路、运放芯片AD8553、模数转换器芯片AD7791、基准电压芯片MAX6126、微处理器芯片LPC812、RS485总线芯片MAX485等组成。所选芯片都具有良好的低温漂高精度特性，本发明采用MAX6126作为基准电压芯片，低频电压噪声(0.1Hz-10Hz)仅为1.45μV峰峰值，温漂仅为0.5ppm/℃，其不仅为模数转换器AD7791提供基准电压，同时为电阻桥电路供电，采用同一个基准电源可以消除基准电压漂移造成的误差。AD8553为自稳零仪表放大器，失调电压漂移为0.1μV/℃，电压噪声仅为0.7μV峰峰值(0.01Hz至10Hz)，特别适合低频信号放大。
AD7791为24bit高精度模数转换器，输出可在9.5Hz至120Hz的范围内变化，输出9.5Hz时，有效精度可达到22bit。电阻桥输出的差分信号经过AD8553放大后通过AD7791进行模数转换，微控制器LPC812将模数转换后的数字信号经MAX485通过RS485总线发往海底信号采集基站
24。

[0035] 如附图6，为温度采集电路中信号放大部分电路。具体的，电阻R1、R2、R4、R5构成电阻桥网络，电阻桥输出信号分别连接AD8553的第2脚与第9脚；电阻R3一端连接AD8553的第1脚，另一端连接AD8553的第10脚；电阻R6并联C9后一端连接AD8553的第4脚，一端连接AD8553的第5脚；电阻R7一端连接AD8553的第5脚，一端连接电容C8，对经AD8553放大后的信号起过滤作用，滤除高频信号噪声，放大后的模拟信号随后进行模数转换。R3、R6作为AD8553放大参考电阻，可通过改变电阻阻值改变放大系数，本发明中放大系数根据公式2*R6/R3设为10。为降低电路噪音，电路中采用低温漂高精密度薄膜电阻。具体的，R5选用Susumu公司的编号为RG2012L-103-L-T05的10K薄膜电阻，容差为0.01％，温度系数为2ppm/℃；R1、R2选用Susumu公司的编号为RG2012L-102-L-T05的1K薄膜电阻，容差0.01％，温度系数为2ppm/℃；电阻R3选用Vishay公司编号PLT0805Z2002AST5的20K薄膜电阻，电阻R6采用Vishay公司编号为TNPU0805100KAZEN00的100K薄膜电阻。

[0036] 自浮式海底温度探测系统具体工作流程如下：

[0037] 1、测量船行驶到指定海域，对自浮式海底温度探测系统进行状态检测，保证仪器达到入海要求。

[0038] 2、自浮式海底温度探测系统获取GPS信息，工作人员可交互设置温度探测单元工作参数。

[0039] 3、将自浮式海底温度探测系统放入水中，其在重力作用下沉入海底并使测温探针插入海底沉积物中。仪器开始海底温度探测，同时海底信号采集基站记录仪器姿态信息。

[0040] 4、回收时，测量船通过声纳在投放海域与海底信号采集基站中水声传感器进行通信并发送回收指令。海底信号采集基站接收到指令后脱钩机构开始工作，约5分钟后钢缆与海底信号采集基站脱离，沉耦架被丢弃，海底信号采集基站与测温探针一起在浮力作用下升至海面，被测量船回收。

[0041] 5、提取记录的数据进行分析处理。

[0042] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。