泵控管路系统在温盐深测量中的优势分析

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1、泵控管路系统在温盐深测量中的优势分析摘要：温盐深测量技术发展过程中，如何消除盐度尖峰现象一直是大家关心的问题。海鸟公司的泵控管路系统设计，对于修正此类动态误差，效果明显。文章将对该设计的物理结构及工作原理进行简要介绍，重点讨论泵控管路系统在提高CTD空间分辨率以及同步C-T传感器方面的功能，并使用现场数据验证该系统在静态时的性能表现。关键词：温盐深测量；泵控管路；潜水泵；盐度尖峰前言6海洋研究者们一直对盐度、密度充满兴趣，而CTD直接测量的海水要素是温度、压力及电导率，此三个要素称为“基础要素”。由于盐度和密度是由基础要素计算得来，所以必须保

2、证对基础要素的测量是同步完成，即针对同一时间、同一水团微元，否则得到的结果必然错误，并且会导致尖峰现象[1]。采用数据平均消除数据尖峰并不是一个好选择，因为这将会损失分辨率，并且会得出错误的平滑值。许多CTD无法达到同步测量的要求，原因在于其温度、电导率传感器本身的物理位置不一致，或者传感器间响应时间不同。尤其是此类CTD电导率单元的响应时间取决于CTD下降速率，而较低的移动速度又需要较长的响应时间。除非CTD投放速度已知且恒定，要不然这些系统的电导率单元的响应时间会不停变化，剧烈的数据尖峰也会发生。但实际情况是，由于船舶的运动CTD的速度几

3、乎不可能恒定。为了最大程度减少盐度、密度尖峰且又不损失其分辨率，海鸟公司采用了独有的泵控管路系统设计，此举大大推进了温盐深测量技术的发展。1系统结构如图1所示，泵控管路系统由TC导管、管路和潜水泵组成[2]。随着CTD下放，水体被吸进管路系统，温度是最先被测量的要素。随后水体先后流经电导率传感器、溶解氧传感器、潜水泵，最后通过潜水泵的出水口排出设备。系统内部，TC导管确保了温度、电导率传感器一起感应过的所有水体都必须穿过一个直径0.4cm的通道，且正常运转下的潜水泵能强迫水体以30cm3/s的恒定速度流动。2提高CTD空间分辨率使用泵控管路系

4、统，海鸟CTD拥有比其他任何CTD更高的空间分辨率。6通过观察图1的TC导管放大部分可以认为，CTD获得的每个数据样本代表了进水口下方的微小水柱。考虑到对流进行解析描述多少有些复杂，所以为了讨论容易，我们将该微小水柱想象为简单的圆柱体[3]。假设潜水泵抽动水体进入TC导管的速度等于CTD的下放速度，那么作为水体来源的微小水柱的直径必然与TC导管的内径相等，即0.4cm。在这种情况下，CTD就像在一个从海表延伸到海底、直径0.4cm的全水柱中下降。所有进入TC导管的水体都来自于这个水柱内，而不会是水柱外的水体。在实际中，CTD每秒从水柱中获得的

5、水体积必须等于潜水泵的驱动体积。在SBE9plusCTD中，这个体积等于30cm3/s。而随着CTD投放速度的改变，微小水柱的直径也会随之变化，以满足潜水泵所需要的水体积。假设采样率为24Hz，则每个水体样本对应于一个微小水柱，水柱高度是CTD在1s内移动距离的1/24。以SBE9plusCTD为例，容易测算出不同投放速度下微小水柱的尺寸大小。如投放速度为1m/s时，CTD测量的每个数据样本对应于一个直径约为0.6cm的微小水柱，这些水柱首尾相连堆叠于CTD的运动路径上。因而，海鸟CTD获得的每个数据样本分别代表了一个水体微元的真实温度、电导

6、率，水体微元典型尺寸满足：直径小于1cm，高度小于5cm，详情见表1。3C-T传感器同步传感器之间的不同步源于：（1）传感器不在同样的位置，无法在同一时间对同一水团微元进行测量[4]；（2）各传感器的响应时间不一致，个别传感器易受投放速度影响。6我们知道，TC导管与电导率单元的总体积大约为6cm3，按照水体的行进顺序可将其划分为3个区，其中TC导管和第一个单元电极上游的短长度单元为1区，共2.2cm3；外侧电极内的单元部分是有效测量区域，为2区，共2cm3；电导率单元下游1.8cm3区域内的水体已经超出单元的有效区域，为3区。1区不是电导率单

7、元的有效测量区域，在30cm3/s的泵速下充满该区域需要0.073s。这个延迟是在任何情况下都存在的温度传感器与电导率传感器之间的恒定时间差，即使是CTD投放速度出现改变。SBE11plus甲板单元自动扣除了这个延迟，以便传输到电脑中的电导率、温度数据得到及时、正确的滞后校准，并且能真实地代表同一水团微元。水体通过1区后，一旦到达第一个电极，电导率单元的响应取决于填充单元有效体积所用的时间。而这个有效体积只由外部电极内的单元部分组成，即2cm3大小的2区，完全填充该区需要0.067s。而3区的水体已经超出了有效测量区域，填充该空间与电导率传感

8、器的响应无关。据以上分析，在使用潜水泵和管路装置后，各传感器之间的管路通量及泵速已知，只需提前一个传感器测量值的时间，如此即可与其它传感器测量值的时间相匹配。而对于