Устройство для измерения температуропроводности верхнего слоя донных осадков (варианты)

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. Устройство включает герметичные блоки электроники и электропитания, платформу, в основании которой расположен источник тепла и измерительный блок в виде конического стержня, в который помещен измерительный элемент, снабженный датчиками температуры. Один из датчиков предназначен для измерения температуры на глубине h в донных осадках и расположен ниже основания источника тепла, а второй предназначенный для измерения температуры источника тепла, закреплен на его основании, которое в рабочем положении помещается на поверхность донного грунта. Предлагается два варианта изготовления измерительного блока. В первом варианте он представляет собой коническую гильзу, с помощью четырех реек из углепластика соединенную с платформой и снабженную силиконовой трубкой, в которой расположены датчики температуры, а во втором - это конический стержень, выполненный из материала температуропроводность которого близка по значению к температуропроводности донных осадков, в продольном желобе конуса расположена силиконовая трубка с температурными датчиками. Блок электроники обеспечивает преобразования величины сопротивления датчиков температуры, в цифровой код и запись этого кода в энергонезависимую память блока электроники. В блоке питания находится аккумуляторная батарея для питания блока электроники и схема подачи синусоидального напряжения на нагревательный элемент источника тепла. Технический результат - повышение точности измерений температуропроводности донных осадков, благодаря сохранению состояния «in situ» в процессе измерения.

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.

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).

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.

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.

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.

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 условиях

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.

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.

Задача полезной модели - разработка устройства для измерения температуропроводности донных осадков.

Технический результат-устройство для измерений температуропроводности донных осадков «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.

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.

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.

Контейнеры блока электроники и блока питания могут быть установлены как на платформе, образуя единый комплекс, так и вне ее.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Устройство работает следующим образом.

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 T ₁ (термистер 3а) источника тепла 4 и температуры T ₂ (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.

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 задается периодичностью источника тепла (циклическая частота при этом определяется соотношением =2/), а амплитуда A₂ и сдвиги фазы ₂ температуры T₂ относительно 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:

T₁=A₁·cost

T₂=A₂·cos(₂-t)

Согласно [А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. Уравнения математической физики. М. Наука. 1977]

По выполненным измерениям колебаний температуры T₁ и T₂ алгоритм компьютерной обработки определяет амплитудные значения этих колебаний A ₁ и A₂, а также разность фаз ₂, после чего из соотношения

;

вычисляется значение температуропроводности слоя донных осадков, залегающего от поверхности дна до глубин h, по формуле

или, используя разность фаз ₂, по формуле

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.

При использовании формул (2) измеряется временной интервал ₂ 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).

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 дополнительно как минимум один расположен ниже основания источника тепла.