海底热流探针的温度校验技术

引用本文

彭登, 罗贤虎, 徐行, 陈爱华. 海底热流探针的温度校验技术[J]. 物探与化探, 2017,39(6): 1199-1204.
PENG Deng, LUO Xian-Hu, XU Xing, CHEN Ai-Hua. Research on temperature calibration technique of submarine heat flow probe[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,39(6): 1199-1204. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2015.6.17
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《物探与化探》编辑部

海底热流探针的温度校验技术

彭登, 罗贤虎, 徐行, 陈爱华

广州海洋地质调查局,广东广州 510760

作者简介: 彭登(1987-),男,工程师,华南理工大学研究生毕业,现从事海洋地质与地球物理调查和技术方法研究工作。

收稿日期: 2015-01-15

基金: 国家高技术研究发展计划“863计划”项目(2006AA09A203,2008AA09Z303); 国家自然科学基金项目(91428205,91028007)

摘要

海底热流探针是一种高分辨、高精度的温度测量设备,定期对其进行温度校验是保证其测量数据准确性的一个必要环节。鉴于海底热流探针的尺寸和其他技术指标等特点,传统的温度校验方式无法适用于广州海洋地质调查局自主研发的温度测量仪。针对该问题,设计了一种基于美国海鸟SBE 917plus型温盐深(CTD)测量仪的适用于深海测温设备的温度校验方法,通过海上试验确定其可以适用于海底热流探针的校验,为用常规方法无法进行校验的深海测温设备提供了新的校验方法。该方法也可用于其他的深海测温设备的温度校验工作。

关键词: 热流探针; 温度; 校验; CTD; 恒温槽

中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)06-1199-06

Research on temperature calibration technique of submarine heat flow probe

PENG Deng, LUO Xian-Hu, XU Xing, CHEN Ai-Hua

Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760,China

Abstract

The submarine heat flow probe is a high-resolution, high-precision temperature measurement equipment, temperature calibration is carried out periodically which is an essential part to ensure the accuracy of the measurement data. The traditional temperature calibration is not applicable to Guangzhou Marine Geological Survey temperature gradient probe because of the size and other technical indicators of the submarine heat flow probes, design a calibration method based on US Seabird SBE 917plus type conductivity-temperature-depth system (CTD) which is suitable for deep-sea temperature measurement equipment. This method can be applied to check seafloor heat flow probe by sea trials, which provides a new checking method while the conventional methods can not be verified in the deep sea temperature measurement equipment. This method achieved good results in the offshore applications survey and broaden its applications, which can also be used to temperature calibration for other deep-sea temperature measurement devices.

Keyword: heat flow probe; temperature; calibration; CTD; thermostatic bath

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海底热流测量是海洋地质地球物理调查的重要手段之一^[1]。海底热流探针是一种高分辨、高精度的温度测量设备, 由于测温仪电路板存在温漂和零点漂移的影响, 以及传感器NTC热敏电阻阻值漂移的影响, 必须定期对其进行温度检测校准^{[2, 3, 4]}。然而, 常规的高精度温度测量设备校验都是在国家级计量研究中心的高精度控制的恒温槽内进行的^{[5, 6]}。由于海底热流探针设备的尺寸(广州海洋地质调查局“ 十一五” 期间自主研发的“ 剑鱼1型多通道海底热流原位探测系统” , 总长度为7.1 m, 其中探针长度6 m, 目前国家计量中心无法对其进行校准)和使用环境的特殊性^[6], 且海底热流探针温度校验直接在计量中心进行校验的困难性, 海底热流探针的温度校验是开展海底热流测量工作的一个重要环节, 温度校验质量直接影响到温度测量的准确度, 因此, 开展海底热流探针的温度校验技术和方法研究十分重要。

针对海底热流探针需要定期进行高精度的温度校验, 广州海洋地质调查局在生产实践中总结出一套海底热流探针温度校验系统流程, 在海上调查应用中取得了良好的效果。文中将重点介绍海底热流探针的温度校验技术与方法, 并对校验的结果进行温度测量准确度的评估和分析。

1 常规温度校验方法

常规的温度计校准采用比较测量法, 将标准器与被校准温度计同时置于一个温场较均匀、恒定的测温介质中, 待达到热平衡后, 按一定的顺序读取标准及被校准温度计示值, 从而确定被校准温度计的校准结果。目前温度计校准主要有以下标准:JJG128-2003《二等标准水银温度计》、JJG351-1996《工作用廉金属热电偶》、JJG229-1998《工业铂、铜热电阻》^{[7, 8]}。

高精度的温度校验需要在计量部门的实验室内进行校验与测量。校验设备由高精度恒温槽、一等铂金热电偶、高精度温度测量电桥和交流稳压设备等组成, 精确度0.001℃, 恒温槽通过铂电阻检测温度, 在35、30、25、20、15、10、5、1℃各稳定1 min, 通过温度偏移量计算的方法对校验设备进行温度校验^[6]。

2 热流探针技术特点

在海洋调查中, 海底热流探针通常分为两种类型。一类是Lister型探针, 同时获得海底沉积物中的海底温度、地温梯度和原位热导率等地热参数; 另一类是Ewing型探针, Ewing型探针在取样过程中, 通过捆绑在大型重力取样管中, 一方面采集地热参数数据, 另一方面可获得沉积物样品, 再用专用的松散沉积物样品的热导率测量设备在室内对样品进行热导率测量^{[9, 10, 11]}。

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	图1 海底沉积物地温梯度测量系统框图

MTL海底地温梯度测量系统由德国Bremen大学和德国FIELAX公司合作研制, FY-1型温度测量仪为广州海洋地质调查局自行研发。FY-1型温度测量仪由温度采集模块、姿态判断模块、主控电路模块、上位机处理模块四部分组成, 是一个集高准确度的温度测量电路、姿态测量监控电路、数据存储和传输于一体的电子单元, 选用16位高性能、多通道、低能耗的MSP430F123芯片作为主处理器, 高精度的NTC型热敏电阻YSI55032为传感器, 通过直流不平衡电桥的测量方式, 来检测热敏电阻随温度变化的电阻值, 然后通过前置放大电路上, 使用多路开关、信号放大滤波技术进行信号调理; 最后通过24位高分辨率A/D转换器将阻值温度信息转化为数字量信息并记录到系统的FLASH存储单元。系统内部的时钟模块电路具有功耗极低的多功能时钟/日历芯片, 可以为系统提供万年历和时分秒定时等功能。采用USB接口技术, PC机可通过密封电子舱的水密插头, 传输测量系统工作参数的设置和数据。图1为海底沉积物地温梯度测量系统框图。

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	图2 MTL海底地温梯度测量探针(左)与FY-1型温度测量仪探针外观(右)

多年的野外实践证明, 两种设备的温度测量具有较高的一致性^[5]。表1为MTL海底地温梯度测量系统和FY-1型温度测量仪技术指标, 图2为MTL海底地温梯度测量探针和FY-1型温度测量仪探针外观图。

表1 MTL海底地温梯度测量探针和FY-1型温度测量仪技术指标

3 温度校验

笔者介绍的海底热流探针的温度校验方法充分利用了深海水体是一个天然的优质的“ 恒温槽” 这一条件。根据CTD(温盐深, conductance temperature depth)测量剖面变化规律和前人的资料, 可以把水体分为变温层、斜温层和恒温层^{[12, 13]}, 其中, 南海的恒温层一般在1 500 m以下, 因此作者将热流探针的温度校验设计在水深大于2 000 m的深海环境下, 与其他的高精度测温测量进行对比观测, 从而实现温度校验目的。在实际海上校准过程中, 因为海底热流探针校准使用非线性拟合算法, 为了使其数据具有代表性, 一般是采用底层、2 000、1 500、1 200、900、700 m这6个层位的数据; 而CTD的校准则是在天津国家海洋计量站恒温海水槽中进行校准。

本次热流探针的温度校验, 采用高精度CTD测量系统中部分传感器作为对比设备。其中, 美国海鸟SBE 917plus型CTD测量仪的温度测量传感器的技术指标是:测量范围, -3~+32 ℃; 初始精度, ± 0.005 ℃; 分辨率, 0.000 5 ℃。CTD系统的测温参数优于MTL和FY-1温度测量仪, 因此可以满足温度校验的需要。虽然差距不是很大, 但仍然存在一些误差传递现象。通过试验计算, 得出误差传递范围为± 0.001 ℃; 而MTL海底地温梯度测量系统的精

度为± 0.005 ℃, FY-1型温度测量仪的精度为± 0.003 ℃(0~25 ℃), 因此, 并不会影响其测量精度。

2012年2月14日, 天津国家海洋计量站对广州海洋地质调查局的SBE 917plus型CTD测量仪进行校准, 主要是针对温度、电导率和压力进行校准。其证书编号:GHJ(2012)校字023号。温度的校准是在温度标准实验室(温度20.0℃, 相对湿度40%)中进行的。温度校准使用的标准计量器具见表2。

表2 温度校准使用的标准计量器具

在校准过程中, 把带温度传感器的CTD和温度标准计量器具均放在较大的恒温海水槽中, 校准温度从高温到低温, 分8个校准温度点进行, 每个测温点的恒温时间长10~15 min不等。由于CTD的温度传感器为铂电阻, 故依据标准的温度值和仪器温度示值, 经过回归公式计算, 各温度测量点的校准结果如表3所示。可以看出, SBE 917plus型温盐深(CTD)测量仪的温度测量值, 经过数学回归方法处理后, 与标准温度值的误差是非常小的。

表3 各温度测量点校准后的温度值及温度误差℃

2012年4月3日, 在南海北部水深2 670 m的海域, 对MTL探针和FY-1型温度测量仪探针在海上用CTD设备进行了校准。试验过程分安装、设置和校验三个部分。

安装。将FY-1型测温仪探针(编号为:8870、8874、8876和8881)与MTL(Miniaturized Temperature data Logger, 编号为:137、145、168、171、172、173、174、175、181和182)探针分成3组, 用钢丝穿好后扎紧在CTD上, 探头高度与CTD温度探头高度相同。图3为FY-1型测温仪探针、MTL探针捆绑在CTD系统上的示意。

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	图3 FY-1、MTL探针捆绑在CTD系统上

设置。首先设置FY-1型测温仪探针和MTL探针的采样参数, 使FY-1型测温仪探针、MTL探针、CTD主计算机的时间与导航时间同步; 然后将FY-1型探针与MTL探针固定在CTD上, 两者随CTD下放, 再将设备放置到水深2 500 m的水体中。

校验。在校验温度段控制方面, 采用了不同深度具有不同的温度段原理进行数据的采集。当设备开始采样后, 停留3 min, 以使设备探头充分适应到海水的温度, 测温设备与环境达到热平衡; 而后每收缆至2 000、1 500、1 200、900、700 m各停留3 min, 将设备收上来。其间共停留6个层位, 考虑到变温层中温度变化较大, 没有在该温度段中停留和校验。

设备回收甲板之后, 卸下FY-1型测温仪探针和MTL探针, 冲淡水并擦干, 分别读出4支FY-1型测温仪探针、10支MTL探针的数据以及CTD系统中的采集数据, 此次温度校验没有出现数据缺失或错误的情况。

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	图4 FY-1、MTL探针与CTD的温度记录(校准前)

4 实验结果和数据分析

温度测量结果如图4所示, 实验数据见表4。

表4 海试CTD与FY-1型测温仪探针、MTL探针测温原始数据℃

从图4可以看出, 15条温度曲线变化情况基本一致。对于FY-1型测温仪探针、MTL探针, 采用STEINHART & HART方程来进行R-T转换, 即:

$\begin{matrix} \frac{1}{T} = a + b (lnR) + c {(lnR)}^{3}, (1) \end{matrix}$

式中:T为温度读数, 单位K; R为热敏电阻阻值, 单位Ω ; a、b 、c为系数, 分别用3个T和R由式(1)求出系数, 然后再用这些系数算出其他的温度数据。由于STEINHART & HART方程系数由实验室环境校准数据拟合而来, 故在海洋全浸环境下, FY-1型测温仪探针的测试条件已经发生变化, 需要对其进行零点漂移和温度漂移的修正^{[14, 15]}。

1)零点漂移修正:

$\begin{matrix} Δ T_{零点} = T_{CTD} - T_{飞鱼}, (2) \end{matrix}$

式中, Δ T_零点为FY-1型测温仪探针零点的修正值, T_CTD为CTD的温度, T_飞鱼为FY-1型测温仪探针的温度。采用下式对FY-1型测温仪探针进行逐点修正

$\begin{matrix} (T_{飞鱼零点修正})_{i} = (T_{飞鱼})_{i} + Δ T_{零点} 。 (3) \end{matrix}$

2)温度漂移修正:

$\begin{matrix} Δ T_{温漂} = α (T_{飞鱼零点修正} - T_{CTD}) - β 。 (4) \end{matrix}$

对上述温漂修正公式进行线性回归, 求解其系数α 和β 。

3)零点和温漂联合修正公式:

$\begin{matrix} T_{飞鱼修正值} = (1 - α) (T_{飞鱼测量值} + T_{CTD}) + β 。 (5) \end{matrix}$

经过零点和温漂修正后与CTD比较温度误差。校准后在稳定深度的条件下, CTD与4支FY-1型测温仪探针、10支MTL探针的温度误差见表5。

表5 校准后4支FY-1型测温仪探针、10支MTL探针与CTD的温度改正值℃

从表5可以看出, 4支FY-1型测温仪探针、10支MTL探针和CTD的温度误差非常之小。从2 500~700 m水深, 其温度从2.35 ℃上升至7.01 ℃, 4支FY-1型测温仪探针、10支MTL探针与CTD之间的误差绝大多数是在± 0.001 ℃之内, 并且其均方差值都较小, 波动大小的量较小, 说明其测量准确度是有保证的, 可达到海底沉积物地温梯度测量准确度的要求。

5 结语

分析MTL、FY-1型探针和CTD测量系统的工作原理和各自的技术特点, 将CTD设备作为热流探针的温度校验设备是可以满足校验要求的, 所带来的误差传递不足于影响热流探针的测量精度。针对海底热流探针的技术指标和尺寸的特殊性, 根据深海环境下的温盐深变化规律, 将深水环境的恒温层作为热流探针校验的天然恒温槽, 其方法是可行的。

海上试验表明, 用温度测量范围-3 ℃~ +32 ℃, 初始精度± 0.005 ℃, 分辨率0.0005 ℃的CTD设备校验MTL和FY-1探针, 其误差绝大多数是在± 0.001 ℃之内, 其测量准确度是有保证的, 可达到海底沉积物地温梯度测量准确度的要求。因此, 在今后的工作中, 推行用CTD设备作为校验设备, 利用深海环境作为天然的“ 恒温槽” 对海底热流探针进行定期的校验是一种高效、简捷和可靠的技术方法。用类似的方法, 也可以用于其他深海的测温设备的温度校验工作。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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2007

0.0

... 海底热流测量是海洋地质地球物理调查的重要手段之一^[1] ...

1998

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... 海底热流探针是一种高分辨、高精度的温度测量设备,由于测温仪电路板存在温漂和零点漂移的影响,以及传感器NTC热敏电阻阻值漂移的影响,必须定期对其进行温度检测校准^[2,3,4] ...

2005

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徐行, 陆敬安, 罗贤虎, 等. 南海北部海底热流测量及分析[J]. 地球物理学进展, 2005, 20(2): 562-565.

Guangzhou Marine Geological Survey constructed the marine geothermal survey instrument by setting the Germany made micro\|temperature logger on the self made gravity coring tube. And the subsequent geothermal survey is made in the north of South China Sea. It is the first time for China to do such kind of thing independently and it marks the new method try in marine geology and geophysical survey of our country. Through analysis of geothermal data and comparing them with those obtained in Xisha trough by Sino\|American cooperation, the good reliance and agreement of the data is illustrated. Its success will be helpful for the further work of marine geothermal survey and thus improve both the exploration of gas hydrates under the sea and the study of fundamental marine geology.

广州海洋地质调查局用德国产的微型温度传感器和自行研制的重力取样器组装成海底热流探针，并用该设备在中国南海北部开展了海底热流测量，这是国内首次独立开展此项工作，也是我国海洋地质和地球物理调查技术方法的新尝试.通过实测数据分析以及与1985年中美合作获得的西沙海域地热流测量剖面数据对比，表明测量数据可靠并具有良好的一致性.此项工作的成功，将有助于地热流测量工作的深入开展，进而提高我国海底天然气水合物的勘探和海洋地质基础研究的水平.

2013

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蒋忠祥, 徐敏山, 姚卫星. 基于数值分析的仪器系统差校正[J]. 物探与化探, 2013, 37(2): 287-290.

The inevitable temperature drift and time drift in the sensor, measuring circuit and amplifier of the electronic instruments will generate zero position error and gain error of instruments. So there exists obvious system errors in different instruments. The authors used two sets of Phoenix Company products which are V8 receivers in the Panlongfeng copper mine for TEM sounding. Because of system errors in these data,there are a lot of difficulties in data processing and appraisal of anomalies. In this paper, from the angle of numerical analysis, the authors corrected the system errors in different instruments by using the method of least squares curve fitting. The results show that the precision of correction is lower than 3%, and the ordinary precision of quality check should be lower than 10%. Hence the method of correction is effective and practical. In the Intel Visual Fortan developing platform, the authors achieved automatic correction of the system error.

Geophysical and Geochemical Party, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resource Exploration and Development, Changji 831100, China

由于电子仪器中的传感器、测量电路、放大器等部件不可避免地存在温度漂移和时间漂移,会给仪器引入零位误差和增益误差,所以不同仪器之间存在明显的系统误差。在蟠龙峰铜矿进行TEM测深时,使用了两台Phoenix公司生产的V8仪器,由于两组数据存在明显的系统差,给数据处理及异常解释带来了较大的困难。从数值分析的角度,利用最小二乘法曲线拟合,对不同仪器间的系统误差进行了校正,校正精度小于3%,远小于10%的质检精度,可以满足生产需要。在Intel Visual Fortan程度开发平台上,编程实现了系统误差的自动校正。

2010

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... 然而,常规的高精度温度测量设备校验都是在国家级计量研究中心的高精度控制的恒温槽内进行的^[5,6] ...

... 多年的野外实践证明,两种设备的温度测量具有较高的一致性^[5] ...

2008

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... 然而,常规的高精度温度测量设备校验都是在国家级计量研究中心的高精度控制的恒温槽内进行的^[5,6] ...

... 1 m,其中探针长度6 m,目前国家计量中心无法对其进行校准)和使用环境的特殊性^[6],且海底热流探针温度校验直接在计量中心进行校验的困难性,海底热流探针的温度校验是开展海底热流测量工作的一个重要环节,温度校验质量直接影响到温度测量的准确度,因此,开展海底热流探针的温度校验技术和方法研究十分重要 ...

... 001℃,恒温槽通过铂电阻检测温度,在35、30、25、20、15、10、5、1℃各稳定1 min,通过温度偏移量计算的方法对校验设备进行温度校验^[6] ...

2007

0.0

... 目前温度计校准主要有以下标准:JJG128-2003《二等标准水银温度计》、JJG351-1996《工作用廉金属热电偶》、JJG229-1998《工业铂、铜热电阻》^[7,8] ...

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... 目前温度计校准主要有以下标准:JJG128-2003《二等标准水银温度计》、JJG351-1996《工作用廉金属热电偶》、JJG229-1998《工业铂、铜热电阻》^[7,8] ...

1965

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... 另一类是Ewing型探针,Ewing型探针在取样过程中,通过捆绑在大型重力取样管中,一方面采集地热参数数据,另一方面可获得沉积物样品,再用专用的松散沉积物样品的热导率测量设备在室内对样品进行热导率测量^[9,10,11] ...

2005

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1995

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刘文通, 徐德伦, 王正林, 等. 渤海中部海底恒温层温度及泥温相位随深度变化特征[J]. 海洋与湖沼, 1995, 26(5): 460-465.

In situ data measured in the representative months (Jan., Apr. - May, Aug., Oct. - Nov.) and the thermal conduction equation were used to calculate the soil depth with constant temperature (DCT) for two sites in the central part of the Bohai Sea. 'The calculated DCT was about 8 m at site 8# and 10 m at site A(B) with the DCT criterion being that the annual variation of soil temperature is equal to or less than 0.1°C. In the light of the results and with those on terrestrial soil temperature as reference, it is proposed that the multi-year averaged soil temperature at 0.5 m below the sea-bed could be taken as the temperature at the DCT, being 11.0°C and 11.7°C at the two sites, respectively. The calculated results also show that the soil temperature variation with depth can be considered to be a vertical wave-soil temperature wave, with its wave length equaling the length of the soil layer with varying temperature, i.e, the length from the sea-bed surface to the DCT, 8 m at site 8# and 10 m at site A(B). At the depth of half wave-length, the phase of the soil temperature is opposite to that at the sea-bed surface. In summer, the soil temperature is maximum at the sea-bed surface and minimum at the depth of half wave-length; the situation is contrary in winter.

利用渤海中部两点一年中4个季节泥温观测资料，近似确定两侧点海底恒温层泥温分别为11.0℃和11.7℃．认为泥温随深度变化可视为一垂向波-泥温波，并利用这一概念分析了泥温相位随深度变化特征，8#，A（B）平台测点泥温波波长分别为 l s =8 m和 l A(B) =10 m。研究建议，以0.5m处多年泥温平均值作为海底恒温层温度。

... 根据CTD(温盐深,conductance temperature depth)测量剖面变化规律和前人的资料,可以把水体分为变温层、斜温层和恒温层^[12,13],其中,南海的恒温层一般在1 500 m以下,因此作者将热流探针的温度校验设计在水深大于2 000 m的深海环境下,与其他的高精度测温测量进行对比观测,从而实现温度校验目的 ...

2007

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... HART方程系数由实验室环境校准数据拟合而来,故在海洋全浸环境下,FY-1型测温仪探针的测试条件已经发生变化,需要对其进行零点漂移和温度漂移的修正^[14,15] ...

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