El desarrollo y las características técnicas del sistema de detección de gradiente geotérmico del fondo marino XXG-T
Luo Xianhu, Xu Xing, Zhang Zhigang, Chen Zongheng
(Servicio Geológico Marino de Guangzhou, Guangzhou 510760)
Acerca del primer autor: Luo Xianhu, hombre Nacido en 1971, Maestro, actualmente se dedica a la investigación sobre estudios y métodos técnicos geológicos y geofísicos marinos. E-mai1:1uoXianhu＠163.com.
Este artículo presenta de manera integral el sistema de detección de gradiente geotérmico submarino XXG-T desarrollado de forma independiente. Resumen Este artículo presenta de manera integral el sistema de detección de gradiente geotérmico submarino XXG-T desarrollado de forma independiente, presenta los principales componentes e indicadores técnicos del sistema, explica la calibración de laboratorio y las pruebas en el mar en el área del Mar de Shenhu y analiza el sistema durante las pruebas en el mar. Comparación con los resultados de la medición del sistema de medición del gradiente geotérmico MTL demuestra la viabilidad del sistema XXG-T en la medición del gradiente geotérmico del fondo marino y la confiabilidad de los resultados de la medición.
Palabras clave XXG-T Prueba de mar de calibración MTL del sistema de detección de gradiente geotérmico submarino
1 Introducción
La medición del flujo geotérmico submarino es una parte importante de la geología y geofísica marinas. de los importantes proyectos de exploración. Tiene las características de funcionamiento con cable de punto fijo, alta precisión de medición, necesidad de calibración regular y equipo frágil. Dado que mi país aún no domina la tecnología central de medición del flujo de calor del fondo marino, existen desventajas al realizar el trabajo de reconocimiento, como el alto costo y limitaciones técnicas como el mantenimiento y la calibración del equipo. El Servicio Geológico Marino de Guangzhou introdujo sensores de temperatura MTL de Alemania en marzo de 2004 y los combinó en un sistema de medición de gradiente de temperatura geotérmica. En mayo de 2004, fue probado y aceptado en el mar por el barco Haiyang 4. Hasta ahora, cientos de mediciones funcionan en. Cada estación de medición recopiló valiosos datos sobre el flujo de calor para la investigación de recursos de hidratos, pero el equipo también sufrió cierto grado de desgaste. Por lo tanto, es muy importante llevar a cabo investigación y desarrollo de equipos de flujo de calor geotérmico doméstico.
Para cambiar esta situación desfavorable, el Instituto de Tecnología y Métodos de Estudios Geológicos Marinos de la Oficina de Estudios Geológicos Marinos de Guangzhou ha llevado a cabo una innovación independiente basada en la introducción, digestión y absorción de equipos extranjeros. desde enero de 2004, después de más de un año de arduo trabajo, se desarrolló el sistema submarino de detección de gradiente de temperatura geotérmica XXG-T. A partir de enero de 2004, después de más de un año de esfuerzos, se desarrolló el sistema submarino de detección de gradiente de temperatura geotérmica XXG-T. Fue desarrollado y realizado en alta mar. La prueba se ha utilizado para medir el gradiente de temperatura geotérmica de los sedimentos del fondo marino. Este equipo ha ganado el proyecto nacional "Plan 863". Este equipo se desarrollará con el financiamiento del proyecto "Tecnología de detección in situ de flujo de calor de hidratos de gas natural" del Programa Nacional "863", hacia un sistema de medición de flujo de calor geotérmico marino que pueda medir simultáneamente los gradientes de temperatura de los sedimentos y la conductividad térmica.
El principio de funcionamiento del sistema de detección de gradiente geotérmico XXG-T
El principio de funcionamiento del sistema de detección de gradiente geotérmico XXT-G se muestra en la Figura 1. El principio de funcionamiento del XXG -T sistema de detección de gradiente geotérmico Se pasa una corriente constante (aproximadamente 20uA) a través de una resistencia estándar y un termistor en secuencia para medir la conductividad térmica y el gradiente térmico del sedimento. El principio es pasar la corriente constante (aproximadamente 20 uA) de la resistencia estándar y el termistor en secuencia, medir el voltaje a través de la resistencia estándar y el termistor y deducir la salida de la fuente de corriente constante en función del valor de voltaje a través del resistencia estándar. valor actual y luego calcular el valor de resistencia del termistor. De esta manera, el valor de salida de la fuente de corriente constante se puede medir en tiempo real, superando la desviación causada por la deriva de temperatura y la deriva de tiempo del instrumento.
Figura 1 Esquema técnico del sistema de medición de gradiente geotérmico XXG-T
Figura 1 Esquema técnico del sistema de medición de gradiente geotérmico XXG-T
Circuito electrónico de este sistema Se compone principalmente de termistor, resistencia de referencia, fuente de corriente constante, interruptor multidireccional, convertidor AD, microcontrolador, reloj en tiempo real, chip de conversión UART/USB, fuente de alimentación y otras partes. El sistema utiliza un termistor NTC de alta precisión, YSI55032 es la sonda de temperatura, su rango de temperatura es -40 ~ +250T y la resistencia de 25T es 30KΩ. El interruptor analógico 16:1 usa ADG706, el interruptor analógico 16:1 de doble canal usa ADG726, el ADC usa AD7705 de alta precisión de 16 bits y el almacenamiento FLASH es AT45DB1616 de 16 M Bits, que se compone de un convertidor AD, real- reloj de tiempo, chip de conversión UART/USB, fuente de alimentación, etc.
Los bits son AT45DB161B, el RTC es PCF8563, el MCU es el MSP430F1232 de potencia ultrabaja de 16 bits y el UART/USB es la placa de conversión AN2131Q. El instrumento se puede operar fácilmente a través de la interfaz USB en el cilindro exterior del. instrumento. Todos los componentes se seleccionan con bajo consumo de energía para garantizar un bajo consumo de energía del sistema general.
3 Composición del equipo e indicadores técnicos
3.1 Composición del equipo
El sistema de detección de gradiente geotérmico XXG-T (Figura 2) se utiliza principalmente para medir la energía geotérmica de gradiente de sedimentos del fondo marino, sus componentes principales son los siguientes: sonda; ② varilla de soporte, que puede ser reemplazada por un tubo de muestreo; ④ barril de presión (que contiene circuito electrónico y fuente de alimentación); alimentación (batería tipo 8 tramos 1,5 VD).
Figura 2 Sistema de medición del gradiente geotérmico XXG-T
Figura 2Sistema de medición del gradiente geotérmico XXG-T
3.2 Principales indicadores técnicos
XXG -T Los principales indicadores técnicos del sistema de medición del gradiente geotérmico se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Sistema de medición de gradiente geotérmico XXG-T
Tabla 2 Sistema de medición de gradiente geotérmico XXG-T
Tabla 1 Principales características de la medición de gradiente geotérmico XXG-T Indicadores técnicos del sistema Tabla 1 Principales indicadores técnicos del sistema de medición de gradiente geotérmico XXG-T
4 Calibración del equipo
La calibración es un eslabón muy importante en el proceso de investigación y desarrollo de la medición de temperatura sistema. Este trabajo es un vínculo muy importante. Su objetivo principal es verificar la estabilidad y confiabilidad del circuito de medición, si el algoritmo del software de medición es razonable, la calibración y evaluación de la precisión de la medición, etc. Este trabajo se llevó a cabo en el Centro Nacional de Pruebas y Metrología del Sur de China, una institución nacional de verificación de metrología legal establecida por la Administración General de Supervisión de Calidad, Inspección y Cuarentena en el Sur de China. Los datos emitidos por el centro se remontan a la Metrología de China. Centro de Investigaciones Científicas. Instituto de Estándares Nacionales de Medición y el Sistema Internacional de Unidades (SI).
El sistema XXG-T se calibra en el Laboratorio de Ingeniería Térmica del Sur de China del Centro Nacional de Pruebas y Metrología. La temperatura ambiente es de 25 ± 2 T y la humedad relativa es ≤85 %. Es PT100 con características de medición de primer nivel. Termómetro de resistencia de platino, la base técnica para la calibración es el documento del método de calibración del termómetro digital FFR199903.
4.1 Proceso de calibración
Los días 26 de mayo y 25 de junio de 2005 se calibraron los 9 canales de la sonda. De acuerdo con las características de trabajo del equipo de medición del flujo de calor del fondo marino, se determina que los puntos de temperatura de calibración de los 9 canales son 1.000, 2.000, 3.000, 4.000, 5.000, 6.000, 9.000, 15.000, 21.000T y ***9 temperaturas. agujas. Durante el proceso de calibración, primero instale los 9 termistores de la sonda en un tubo de ensayo de vidrio del tamaño adecuado, inyecte aceite mineral en el tubo de ensayo y coloque el tubo de ensayo con el termistor en el termostato (Figura 3). es constante Después de que la temperatura del termostato aumenta a 1.000T (la temperatura del termostato se mide con un termómetro de resistencia de platino PT100) y se estabiliza, comience a calibrar el sistema, es decir, a medir la temperatura dentro de un cierto período de tiempo (como). como 3 minutos), el equipo de I+D y el equipo de calibración observan, registran y guardan simultáneamente las temperaturas medidas por los 9 termistores. Después de completar cada paso de la medición, aumente la temperatura del termostato al siguiente punto de temperatura especificado y mida nuevamente, y luego complete la calibración de los puntos de temperatura posteriores en secuencia.
Figura 3 La sonda está a punto de calibrarse en el termostato (izquierda) La sonda está a punto de calibrarse en el termostato (derecha)
Figura 3 La sonda está a punto de calibrarse en el termostato (izquierda) )
Figura 3 La sonda está a punto de calibrarse en el termostato (la sonda derecha está a punto de calibrarse en el termostato (izquierda) La sonda está a punto de calibrarse en el termostato (derecha)
4.2 Resultados de la calibración
El sistema XXG-T utiliza la fórmula de conversión R (resistencia medida del termistor) - T (temperatura calculada) para las ecuaciones STEINHART y HART.
Ecuación HART, es decir
1/T=A+B(1n R)+C(1n R)^3,
donde: T es el valor de temperatura de cada canal, la unidad es Kelvin (K); R es el valor de resistencia medido correspondiente a cada canal del sensor, en ohmios (Ω, B y C son los coeficientes de cálculo utilizados en el cálculo de cada canal del grupo de sensores de temperatura). se muestran en la Tabla 2. Sistema de medición Utilice estos parámetros para calcular el valor de temperatura para cada canal.
Tabla 2 Lista de coeficientes de sensores en el grupo de sensores de temperatura
Al calcular la temperatura y luego compararla con el punto de temperatura corregido, podemos obtener los coeficientes de cada canal en la temperatura corregida. punto en la Tabla 3 Valor de corrección.
Tabla 3 Valores correctos de cada punto de temperatura de calibración en el grupo de sensores de temperatura
De acuerdo con los resultados de calibración anteriores, cada sensor en el grupo de sensores de temperatura se puede calibrar con los valores correctos valor de cada punto de temperatura de calibración. Según los resultados de calibración anteriores, después de configurar cada parámetro de canal de cada sensor en el grupo de sensores de temperatura, el error de medición máximo en el rango de 1,0-6,0 T es mejor que 5 mK en la medición del gradiente geotérmico de sedimentos del fondo marino, el valor efectivo real. El rango de datos de temperatura también es de 1,0 a 6,0 T, por lo que la precisión de medición del sistema XXG-T puede cumplir plenamente con los requisitos para la medición del gradiente geotérmico de los sedimentos del fondo marino.
5 Prueba en el mar
5.1 Prueba en el mar en la zona marítima de Shenhu
La prueba en el mar sirve principalmente para probar la aplicabilidad, estabilidad, presión y estanqueidad del equipo. y probar el sistema La situación de medición de la temperatura del fondo marino se compara con el sistema de medición de gradiente geotérmico MTL.
La prueba de mar en el área del Mar de Shenhu será a las 5:00 del 23 de agosto de 2005 (hora de Beijing). La ubicación es 19°54.3316′ de latitud norte, 115°24.7260′ de longitud este. La profundidad del agua es de 1.490 metros.
Trabajo preparatorio: una vez completada la instalación del sistema, se realizó una prueba sencilla en el instrumento para garantizar que el sistema funcionaba correctamente.
Antes de ingresar al agua, se verificó la energía de la batería y se configuraron los parámetros. La frecuencia de muestreo del sistema se configuró en 1 segundo y el tiempo de grabación se estableció en 1 hora. La configuración de los parámetros del sistema se muestra en la Figura 4. .
Figura 4 Interfaz del software del sistema de detección de gradiente geotérmico del fondo marino XXG-T
Figura 4 Interfaz del software del sistema de medición del gradiente geotérmico XXG-T
Medidas de seguridad: instalación del sistema completada Finalmente, se inspeccionaron todos los componentes para evitar que se aflojaran durante las pruebas. La interfaz entre el sistema y la PC está enchufada y recubierta con silicona para hacerla resistente al agua.
Instalación del sistema: Para comparar los sistemas MTL, se montaron cinco sondas MTL en lanzas de acero en diferentes ángulos y distancias (Fig. 5).
La prueba en el mar se realizó de manera similar a las operaciones con cable, con Pinger instalado para monitorear la distancia entre el equipo y el fondo marino. El equipo se baja a 50 metros sobre el fondo del mar (es decir, la distancia entre el Pinger y el equipo) a velocidad normal (aproximadamente 1 metro/segundo). Durante este período, el operador del cabrestante monitorea de cerca la tensión del cabrestante y monitorea el estado del mismo. Distancia entre el Pinger y el fondo marino para garantizar que el instrumento permanezca estable en el sedimento. Después de 10 minutos, saque el instrumento del sedimento a baja velocidad (0,3 ~ 0,4 m/s). Después de reducir la tensión del cabrestante (el instrumento esté completamente retirado), retraiga el instrumento a velocidad normal a 70 metros del fondo del mar. y quédate allí durante unos 3 minutos. Para garantizar el éxito de la prueba, el instrumento se insertó en el sedimento del fondo marino a una velocidad más rápida por segunda vez, permaneció allí nuevamente durante unos 10 minutos antes de ser retirado y luego recuperó el instrumento en la cubierta a velocidad normal. Después de la recuperación, los datos recopilados se leen en la computadora a través de la interfaz USB del instrumento.
Figura 5 Comparación de la instalación del sistema XXG-T (Figura 2) y el sistema MTL
Figura 5 Comparación de la instalación del sistema XXG-T y el sistema MTL
5.2 Análisis de los resultados de la prueba
Esta prueba en el mar logró buenos resultados. Los resultados de las pruebas del sistema XXG-T y el sistema MTL se muestran en la Figura 6. Se puede ver en la imagen. La figura que muestran las curvas de cambio de temperatura de los dos sistemas refleja claramente los cambios de temperatura durante las etapas de inserción, estabilización, extracción, reinserción y reestabilización de la sonda.
Como se puede ver en la figura, el tiempo de respuesta del sistema XXG-T es más lento que el del sistema MTL. Esto se debe a la influencia de la capacitancia del circuito interno del sistema, lo que aumenta el tiempo de respuesta del instrumento. Sin embargo, cuando la sonda se inserta en el fondo marino, la temperatura ambiente del sedimento alcanza el equilibrio y los datos de medición se estabilizan, por lo que esto no afecta los resultados de la medición. Además, cuando la sonda se inserta por primera vez en el sedimento, la fricción entre la sonda y el sedimento del fondo marino genera calor, lo que hace que la temperatura del sedimento aumente a medida que la sonda se estabiliza en el sedimento durante un largo tiempo, eventualmente el calor de la fricción. se disipa y la temperatura del sedimento detectada por la sonda, se puede ver claramente en la Figura 6 que la temperatura medida por la sonda tiende a ser estable, lo cual es un reflejo en el proceso de temperatura de equilibrio del ambiente de sedimento del fondo marino.
Extraiga los datos del punto estable de cada sonda de los dos sistemas y realice un análisis de regresión lineal unidireccional. Los resultados se muestran en la Figura 7. En la figura se puede ver que los valores de temperatura medidos por los dos sistemas en ubicaciones similares son muy cercanos, lo que también muestra que el error sistemático entre los dos sistemas es muy pequeño. Además, el valor del gradiente de temperatura obtenido por el sistema XXG-T después de la regresión lineal unidireccional es 105,2 mK/m, mientras que el valor del gradiente de temperatura obtenido por el sistema MTL después de la regresión lineal unidireccional es 103,7 mK/m. entre los dos está completamente en el fondo del mar La medición del gradiente de temperatura geotérmica de los sedimentos está dentro del rango de error, lo que permite verificar mutuamente la precisión y confiabilidad de las mediciones de los dos sistemas, y también muestra una vez más que la sistemática. El error entre los dos sistemas es muy pequeño. Esto permite verificar mutuamente la precisión de las mediciones y la confiabilidad de los dos sistemas y también demuestra una vez más que los dos sistemas tienen buena consistencia.
Figura 6 Datos de medición de MTL (izquierda) y XXG-T (derecha) (el eje X representa el tiempo (segundos), el eje Y representa la temperatura (T))
Figura 6MTL (datos de medición de la izquierda 1) y XXG-T (derecha) (el eje x representa el tiempo (segundos), el eje y representa la temperatura (T))
Figura 6 MTL (izquierda 1) y XXG -T (derecha) ) (el eje x representa el tiempo (segundos), el eje y representa la temperatura (T))
Figura 7 Comparación de gradientes geotérmicos medidos por el sistema XXG-T y el MTL sistema en el área del Mar de Shenhu
▲Temperatura de los sedimentos medida por el sistema XXG-T ?Regresión lineal unidireccional de los datos de medición XXG-T ●Temperatura de los sedimentos medida por el sistema MTL; regresión lineal de los datos de medición de MTL
Figura 7 Comparación de las mediciones de gradiente geotérmico entre el sistema XXG-T y el sistema MTL en el área del lago Shenzhen
El eje x representa la profundidad (m ), el eje y representa la temperatura (T); ▲ representa el sistema XXG-T. La temperatura del sedimento medida se representa mediante regresión lineal unitaria para representar los datos de medición XXG-T; ● representa la temperatura del sedimento medida por el sistema MTL; - y la regresión lineal unitaria se utiliza para representar los datos de medición XXG-T.
6 Conclusión [1-5]
Se puede ver en los resultados de las pruebas en el mar que el sistema de medición de gradiente geotérmico XXG-T desarrollado demostró buenas características técnicas durante el proceso de prueba, especialmente Tiene buena consistencia en comparación con el sistema MTL alemán y los dos sistemas han verificado mutuamente la confiabilidad de los resultados de las mediciones. De lo anterior se pueden extraer las siguientes conclusiones:
1) El sistema XXG-T tiene 9 puntos de medición de temperatura, y el intervalo entre cada sonda es 0.
2) El El sistema XXG-T se calibra en la sucursal del sur de China del Centro Nacional de Pruebas y Metrología. La calibración del sistema es confiable y el equipo se desarrolla de forma independiente, por lo que la calibración regular es muy conveniente;
3) El éxito. El desarrollo actual del sistema XXG-T ha proporcionado El desarrollo actual de sistemas de detección de flujo de calor in situ ha sentado una base teórica y práctica sólida;
4) La medición del flujo de calor geotérmico del fondo marino no es solo una de las Medios para investigar hidratos de gas natural y recursos oceánicos de petróleo y gas, pero también se pueden utilizar en áreas marinas y estudios oceánicos, por lo que también se puede utilizar para estudios de áreas marinas y océanos, por lo que el sistema XXG-T tiene una amplia gama. de las perspectivas de aplicación.
Agradecimientos Me gustaría agradecer sinceramente a todos los miembros de la tripulación e investigadores del barco "Ocean 4" por su gran apoyo y ayuda, que hicieron que la prueba en el mar del sistema XXG-T se desarrollara sin problemas y lograra un éxito total.
Referencias
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[5] Marion pfender, Heinrich Villinger Registradores de datos miniaturizados para. Medidas de gradiente de temperatura de sedimentos de aguas profundas, Marine Geology 2002, 186, 557～570
Desarrollo y características técnicas del sistema de medición de gradiente geotérmico marino XXG-T
Luo Xianhu, Xu Xing, Zhang Zhigang, Chen Zongheng
(Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou, 510760)
Resumen: este artículo describe el desarrollo y las características técnicas de la medición del gradiente geotérmico oceánico XXG-T de desarrollo propio. sistema: Este artículo explica exhaustivamente el sistema de medición del gradiente geotérmico oceánico XXG-T de desarrollo propio.
Resumen: este artículo explica exhaustivamente el sistema de medición de gradiente geotérmico marino XXG-T desarrollado de forma independiente, presenta los componentes principales y los objetivos técnicos del sistema, explica la calibración de laboratorio del sistema y las pruebas en el mar en la zona profunda del mar de Shanghai. , Se analizó la comparación de los resultados de la medición del sistema XXG-T y el sistema de medición del gradiente geotérmico MTL en la prueba en el mar, y se demostraron exhaustivamente los resultados de la medición del sistema de medición del gradiente geotérmico marino XXG-T desarrollado independientemente en la prueba en el mar. El sistema XXG-T se demostró en Practicidad y confiabilidad de los resultados de medición en estudios de medición de gradiente geotérmico marino: prueba en el mar de calibración MTL del sistema de medición de gradiente geotérmico marino XXG-T
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