深海地热探针控制系统设计与实现.pdf

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1、第35卷第6期2016年12月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．35．No．6Dec，2016doi：10．3969／j．issn．1003-2029．2016．06．016深海地热探针控制系统设计与实现吕九红．刘颉．罗玉玺(国家海洋技术中心．天津300112)摘要：介绍了一种原位测量深海地热探针的控制系统设计方法。描述了探针控制系统总体设计思路．采用分散与集中相结合的控制策略。合理安排了控制任务，优化了控制系统设计；介绍了测温部件的优化设计方法．给出了系统控制电

2、路与软件的设计方法和系统控制流程；介绍了操作软件的设计要点．对软件设计过程中的关键点给出较详细说明；最后进行了系统整体测试，验证了系统设计的可行性和稳定性。关键词：地热探针；海底原位测量；温度变送器；分散与集中结合的控制系统中图分类号：P716+．7文献标志码：A文章编号：1003～2029(2016)06—0072—051系统总体设计深海地热探针是原位、快速测量海底沉积物的热导率和温度梯度的专用设备。使用该设备获得的深海地热特征参数可以用来进行海洋油气资源评价、地质构造研究、海洋地热资源和天然气

3、水合物等新型海洋资源评估、海底自然灾害研究等。地热探针在深海地热调查中占有不可替代的重要作用。设计实现了一种高精度自容式地热探针，主体采用“琴一弓”结构形式，使用过程中在结构主体支撑管的重力牵引下，探针贯人海底沉积物足够深度，待消除摩擦生热影响后，采用“热线源法”实现脉冲加热，探针内部的热敏元件感知探针周围沉积物的热扩散过程。热敏元件等间隔分布在探针内，通过快速分时采集实现高分辨率、高精度温度数据获取，并将数据存储在内部Flash芯片，探针回收后进行数据导出，得出海底目标点温度梯度和热导率，通过软

4、件计算得出该区域的热流值。探针控制系统要求实时性较高，可靠性强，尤其是探针下落过程状态判断，要求在很小的时间窗口准确判断出探针是否垂直贯人海底沉积物，对加速度数据的分辨率要求非常高，并且不能受到不确定因素引起的延时干扰。温度数据采集要达到2Hz，也就是每500ms内分别完成七路温度数据的采集，对采集时序的要求也较高。根据探针系统的以上特点和控制要求，本系统采用分散与集中相结合的控制策略。对探针的下落过程判断部分单独运行，提高实时性与可靠性。数据采集部分分为主控部分和温度数据变送器部分，主控部分与温

5、度变送器通讯获取温度数据，温度变送器扩展多路模拟采集分别获取计算温度数据。探针内部热敏元件采用体积小、精度高的Ptl00铂电阻，温度数据精度由原来的±o．01℃提高到-0．005℃。探针直径由原来的30mm减小到15mm，降低了探针贯人海底的阻力，减小了探针贯人海底沉积物时由于摩擦引起的温度波动，提高了探针热传导性，缩短了探针内部热敏元件与沉积物热平衡时问。显著提高了系统性能。本文介绍了系统的硬件电路和控制软件的设计方法，设计了系统专用测试和数据分析软件，并对系统进行了完整的测试。2硬件系统设计2

6、．1系统组成总体描述探针主体由重力牵引支撑杆和探针测量控制收稿日期：2016—09—16基金项目：科技兴海资助项目(KJXH2013一07)；国家自然科学基金资助项目(41306093)作者简介：吕九红(1981一)，男，硕士，工程师，主要研究方向为海洋观测。E-mail：lvjiuhong@163．COLD-第6期吕九红，等：深海地热探针控制系统设计与实现系统组成。测量控制系统由位于支撑杆顶部的电控舱和沿支撑杆固定的的探针构成。顶部电控舱分为2个仪器舱和1个电源舱，探针内部包含了热源和测量部件。

7、图1显示了探针的整体组成。图1探针组成结构图1号仪器舱中主要包括主控系统和脉冲加热控制系统，主控系统主要负责温度数据和姿态数据采集存储，脉冲加热系统主要负责根据探针布放时的下落状态判断并执行脉冲加热过程。2号仪器舱中是独立供电运行的温深基准子系统，采用加拿大RBR公司的TDR一2050型自容式温深仪，记录探针在下放过程中的深度、温度时间序列，用来作为探针温度测量的参考基准值。电源舱中放置脉冲加热专用电池，通过水密接插件与1号仪器舱连接。探针内部按50cm等间隔放置7路高精度热敏电阻，7路热敏电阻分

8、别与1号仪器舱中温度变送器连接，七路热敏电阻在探针内通过管线实现定位，并与加热丝保持距离，加热电阻丝贯穿在探针内部，加热电阻丝与控制舱内的继电器连接。探针内部灌充矿物油，提高探针整体均匀热传导的性能。2．2测量控制系统电路设计测量控制电路主要由三部分组成，电源转换部分、基于加速度判断的加热脉冲控制部分和数据采集存储部分。电源转换部分负责将控制测量系统供电电源转换为满足需求的电压，为采集控制和加热脉冲控制电路提供工作电源。基于加速度判断的加热脉冲控制部分负责实时监测探针运动状态，在确