Desarrollo y características técnicas del sistema de detección de gradiente geotérmico del fondo marino XXG-T
(Servicio Geológico Marino de Guangzhou, Guangzhou 510760)
Acerca del primer autor: Luo, hombre, nacido en 1971, Maestro, actualmente dedicado a la geología marina y la geofísica. Encuesta y tecnología Método de investigación. e-mai 1:1 uoxianhu @ 163. com.
Este artículo explica exhaustivamente el sistema de detección de gradiente geotérmico del fondo marino XXG-T de desarrollo propio, presenta los principales componentes e indicadores técnicos del sistema y explica los Calibración de laboratorio y condiciones de prueba en el mar en el área del mar de Shenhu, se analizó la comparación de los resultados de las mediciones de prueba en el mar entre este sistema y el sistema de medición del gradiente geotérmico MTL, y se analizó la efectividad del sistema XXG-T en la medición del gradiente geotérmico del fondo marino y la confiabilidad de Los resultados de la medición fueron demostrados.
Sistema de detección de gradiente geotérmico del fondo marino; calibración MTL; prueba en el mar
1 Introducción
La medición del flujo de calor geotérmico del fondo marino es uno de los proyectos importantes en geología y geofísica marina. encuestas. Sus características son: funcionamiento con cable de punto fijo, alta precisión de medición, necesidad de calibración periódica y equipo frágil. Dado que mi país aún no domina la tecnología central de medición del flujo de calor del fondo marino, la investigación de este proyecto tiene deficiencias como el alto costo y los vínculos técnicos, como el mantenimiento y la verificación de los equipos, que están limitados por los recursos humanos. En marzo de 2004, el Servicio Geológico Marino de Guangzhou importó sensores de temperatura MTL de Alemania y los integró en el sistema de medición del gradiente geotérmico. En mayo de 2004, el barco Haiyang 4 realizó pruebas en el mar y su aceptación. Hasta ahora, se han medido cientos de sitios, recopilando valiosos datos de flujo de calor para estudios de recursos de hidratos, pero con un cierto costo para el equipo. Por lo tanto, es muy importante desarrollar equipos de flujo geotérmico domésticos.
Para cambiar esta situación desfavorable, el Instituto de Tecnología y Métodos de Exploración Geológica Marina del Servicio Geológico Marino de Guangzhou realizó innovaciones independientes basadas en la introducción y digestión de equipos extranjeros. Después de más de un año de arduo trabajo, desde el 5 de junio de 2004 hasta octubre de 2004, se desarrolló y probó en el mar el sistema de detección de gradiente geotérmico del fondo marino XXG-T. Se ha utilizado para medir el gradiente geotérmico de los sedimentos del fondo marino y el equipo está previsto en el Programa Nacional 863 "Tecnología de detección in situ de flujo térmico de hidratos de gas natural".
2 Principio de funcionamiento del sistema de detección de gradiente geotérmico XXG-T
Dado que la medición de la temperatura del sedimento es una medición de temperatura de baja potencia, baja temperatura y alta precisión, la estabilidad del instrumento es particularmente alto. En base a esto, el principio de funcionamiento del sistema de detección de gradiente geotérmico XXT-G se muestra en la Figura 1. El principio es utilizar una corriente constante (aproximadamente 20 uA) para medir el voltaje a través de la resistencia estándar y el termistor en secuencia, y luego calcular el valor de corriente emitido por la fuente de corriente constante a través del valor de voltaje a través de la resistencia estándar. Este método puede medir el valor de salida de la fuente de corriente constante en tiempo real, superando la desviación causada por la deriva de temperatura y la deriva de tiempo del instrumento.
Figura 1 Diagrama del principio de funcionamiento del sistema de detección de gradiente geotérmico XXG-T
Figura 1 Diagrama esquemático técnico del sistema de medición de gradiente geotérmico XXG-T
La electrónica principal Los circuitos de este sistema consisten en 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, etc. El sistema utiliza un termistor NTC de alta precisión, YSI55032 es la sonda de temperatura, su rango de temperatura es -40 ~ +250 t, el valor de resistencia a 25 t es 30 kω, el interruptor analógico 16:1 usa ADG706 y el 16:1 analógico de doble canal El interruptor es ADG726 y la memoria flash AD7705 de alta precisión de 16 bits es 45DB161B, 16M bits. La MCU utiliza el consumo de energía ultrabajo MSP430F1232 de 16 bits y el UART/USB utiliza una placa de conversión compuesta por AN2131Q. El instrumento se puede operar fácilmente a través de la interfaz USB en el cilindro del instrumento. Todos los componentes son dispositivos de bajo consumo, lo que garantiza un bajo consumo de energía de todo el sistema.
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 temperatura geotérmica de gradiente de sedimentos del fondo marino, sus componentes principales son: ① sonda; ② varilla de soporte, que puede ser reemplazada por un tubo de muestreo; ④ barril de presión (incluido el circuito electrónico y la fuente de alimentación); alimentación (8 baterías tipo 1,5VD).
Figura 2 Sistema de detección de gradiente geotérmico del fondo marino XXG-T
Figura 2 Sistema de medición del gradiente geotérmico XXG-T
3.2 Principales indicadores técnicos
Los principales indicadores técnicos del sistema de detección de gradiente geotérmico XXG-T se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Principales indicadores técnicos del sistema de detección de gradiente geotérmico XXG-T Sistema de medición de gradiente geotérmico XXG-T
4 Calibración del equipo
En el proceso de desarrollo de temperatura Sistema de medición, la verificación 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 y la calibración y evaluación de la precisión de la medición, etc. Este trabajo se lleva a cabo en el Centro Nacional de Pruebas y Metrología del Sur de China, que es una institución nacional de evaluación y metrología legal establecida por la Administración General de Supervisión de Calidad, Inspección y Cuarentena en el Sur de China. Los datos publicados por el centro se remontan a los estándares de medición nacionales y al Sistema Internacional de Unidades (SI) mantenido por el Instituto de Metrología de China.
El sistema XXG-T se calibra en el laboratorio térmico del Centro Nacional de Pruebas y Metrología del Sur de China.
La temperatura ambiente del laboratorio es 25 ± 2T y la humedad relativa es ≤85%. El principal instrumento de medición estándar utilizado es la termorresistencia de platino PT100, que tiene características de medición de primera clase. La base técnica para la calibración es el documento del método de calibración del termómetro digital FFR199903.
4.1 Proceso de verificación
Los días 26 de mayo y 25 de junio de 2005 se calibraron los nueve 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 nueve canales son 1.000, 2.000, 3.000, 4.000, 5.000, 6.000, 9.000, 15.000, 21.000T, ** 9. Durante el proceso de calibración, primero coloque los nueve termistores de la sonda en un tubo de ensayo de vidrio del tamaño adecuado, luego llene el tubo de ensayo con los termistores con aceite mineral y colóquelo en el termostato (Figura 3). Después de que la temperatura del termostato alcance los 1.000T (medida con un termómetro de resistencia de platino PT100) y se estabilice, comience a calibrar el sistema, es decir, a medir una cierta cantidad. Después de cada paso de la medición, aumente la temperatura de la incubadora al siguiente punto de temperatura especificado antes de medir y luego calibre los puntos de temperatura posteriores en secuencia.
Figura 3 La sonda está lista para colocarse en la incubadora para su calibración (izquierda). La sonda se está calibrando en la incubadora (derecha).
Figura 3 La sonda está a punto de ser calibrada en el termostato (izquierda) La sonda está siendo calibrada en el termostato (derecha)
4.2 Resultados de la verificación
XXG-T La fórmula de conversión de R (resistencia medida del termistor)-T (valor de temperatura calculado) utilizada en el sistema es la ecuación de STEINHART&HART, es decir
1/t = a+b(1n r)+ c (1n r)^3
Donde: t es el valor de temperatura de cada canal, en Kelvin (K); r es el valor de resistencia medida correspondiente al sensor de cada canal, en ohmios (ω) ; a, B y C son coeficientes de cálculo. Los coeficientes de cálculo de cada canal del grupo de sensores de temperatura se muestran en la Tabla 2. El sistema de medición utiliza estos parámetros para calcular el valor de temperatura para cada canal.
Tabla 2 Tabla 2 Tabla de coeficientes de cada sensor del grupo de sensores de temperatura Tabla 2 Tabla de coeficientes de cada sensor del grupo de sensores de temperatura
Al comparar la temperatura calculada con la indicada valor de cada punto de temperatura de corrección Por comparación, se puede obtener el valor de corrección del valor indicado de cada canal en cada punto de temperatura de corrección, como se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3 Tabla 3 Valores de corrección para cada punto de temperatura de calibración en el grupo de sensores de temperatura Tabla 3 Lista de valores de corrección para cada punto de temperatura de calibración en el grupo de sensores de temperatura
Según los resultados de calibración anteriores, el error de medición máximo de cada sensor en el grupo de sensores de temperatura es mejor que 5 mK en el rango de 1,0 ~ 6,0 t. El rango de datos de temperatura verdaderamente efectivo en la medición del gradiente geotérmico de sedimentos del fondo marino es de 1,0 ~ 6,0 t. Por lo tanto, la precisión de la medición del sistema XXG-T es completamente aceptable. Cumple con los requisitos de 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 es principalmente para comprobar la aplicabilidad, estabilidad y presión y estanqueidad del agua. Equipo Las condiciones de trabajo del sistema de medición de temperatura del fondo marino y comparación con el sistema de medición de gradiente geotérmico MTL.
El horario de trabajo de la prueba en el mar en el área marítima de Shenhu es a las 5:00 GMT del 23 de agosto de 2005. La ubicación es 1490 metros 54.3316' (latitud norte), 115 24.7260' (longitud este), y la profundidad del agua es 65438.
Preparación preliminar: una vez completada la instalación del sistema, realice una prueba sencilla en el instrumento para garantizar que el sistema esté funcionando correctamente. Antes de iniciar, verifique la carga de la batería y configure los parámetros. La frecuencia de muestreo del sistema se establece en 1 segundo y el tiempo de grabación se establece 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 inspeccionan todos los componentes para evitar que se aflojen durante la prueba. Inserte el enchufe en la interfaz entre el sistema y la PC y aplique impermeabilización de silicona.
Instalación del sistema: Para comparar el sistema MTL, se instalaron cinco sondas MTL en la lanza de acero en diferentes ángulos y a cierta distancia (Figura 5).
El proceso de operación de la prueba en el mar es similar a la operación con cable, instalando orejas planas para monitorear la distancia entre el equipo y el fondo marino. El equipo se baja a una distancia de 50 m del fondo marino a una velocidad normal (aproximadamente 1 m/s) (es decir, Pingel está a 150 m del fondo marino), luego se inserta en el fondo marino a alta velocidad (aproximadamente 1,6 m/s). , y permanece en el fondo del mar durante unos 10 minutos. Durante este período, será supervisado de cerca por el operador del cabrestante. Después de 10 minutos, saque el instrumento del sedimento a baja velocidad (0,3 ~ 0,4 m/s). Después de que la tensión del cabrestante disminuya (el instrumento esté completamente retirado), retírelo a 70 m del fondo del mar a velocidad normal. quédese allí durante unos 3 minutos. Para garantizar una prueba exitosa, inserte rápidamente el dispositivo en el sedimento del fondo marino por segunda vez, permanezca allí durante unos 10 minutos y luego sáquelo a velocidad normal. Después de la recuperación, los datos recopilados se leen en la PC a través del puerto USB del instrumento.
Figura 5 Comparación del diagrama de instalación del sistema XXG-T (Figura 2) y el sistema MTL
Figura 5 Comparación del diagrama de instalación del sistema XXG-T y el Sistema MTL
5.2 Análisis de los resultados de las pruebas
La prueba en el mar obtuvo con éxito datos válidos. Los resultados experimentales de los sistemas XXG-T y MTL se muestran en la Figura 6.
Se puede ver que las curvas de cambio de temperatura de los dos sistemas reflejan claramente los cambios de temperatura en cada etapa de inserción, estabilización, extracción, reinserción y reestabilización de la sonda. Como puede verse 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. Pero cuando la sonda se inserta en el fondo marino y la temperatura ambiente del sedimento alcanza el equilibrio, los datos de medición tienden a ser estables, por lo que esto no afecta los resultados de la medición. Además, cuando la sonda se inserta por primera vez en el sedimento, genera calor a través de la fricción con el sedimento del fondo marino, lo que hace que la temperatura del sedimento aumente. A medida que la sonda se estabiliza en el sedimento durante más tiempo, el calor de fricción finalmente se disipa y la sonda detecta la temperatura del sedimento. Se puede ver claramente en la Figura 6 que la temperatura medida por la sonda tiende a ser estable, lo que es un reflejo de la temperatura ambiente de los sedimentos del fondo marino en el proceso de alcanzar el equilibrio.
Extraiga los datos del punto estable de cada sonda en los dos sistemas y realice un análisis de regresión lineal unidimensional. Los resultados del análisis 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 bastante cercanos, lo que también muestra que el error sistemático entre los dos sistemas es muy pequeño. Además, el gradiente de temperatura después de la regresión lineal del sistema XXG-T es de 105,2 mK/m, mientras que el gradiente de temperatura después de la regresión lineal del sistema MTL es de 103,7 mK/m. La diferencia entre los dos está completamente dentro del rango de error de la medición del gradiente geotérmico de sedimentos del fondo marino, lo que permite que la precisión de la medición y la confiabilidad de los dos sistemas se verifiquen entre sí.
Figura 6 Datos de medición del sistema MTL (izquierda) y XXG-T (derecha) (la abscisa representa el tiempo (s), la ordenada representa la temperatura (T))
Figura 6 Datos de medición de MTL (1 eft) y XXG-T (derecha) (el mapa de comparación del gradiente geotérmico obtenido).
▲Temperatura de sedimento medida por sistema XXG-T;? Regresión lineal unidimensional de datos de medición XXG-T; ● Temperatura de sedimento medida por ● sistema MTL - Regresión lineal de datos de medición MTL;
Figura 7 Comparación de las mediciones de gradiente geotérmico entre el sistema XXG-T y el sistema MTL en el área del mar de Shenhu
El eje x representa la profundidad (m) y el eje y representa la profundidad (m). el eje representa la temperatura (T); ▲ Utilice XXG- El sistema T representa la temperatura del sedimento medida y se utiliza una regresión lineal para representar los datos de medición XXG-T ● representa la temperatura del sedimento medida por el sistema MTL y una regresión lineal; 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 la prueba, especialmente en comparación. Con el sistema alemán MTL, ambos sistemas verificaron la fiabilidad de los resultados de las mediciones. De lo anterior, podemos extraer los siguientes puntos:
1) El sistema XXG-T tiene 9 puntos de medición de temperatura y el espacio entre sondas es de 0,7 m, lo cual es pequeño, lo que favorece la temperatura de los sedimentos superficiales. Análisis de campo y mejora la precisión de la medición.
2) El sistema XXG-T se calibra en el Centro Nacional de Pruebas y Metrología del Sur de China, lo que hace que la calibración del sistema sea confiable y autorizada. Además, debido a que el equipo es de desarrollo propio, las inspecciones periódicas son muy convenientes; ;
3 )El exitoso desarrollo del sistema XXG-T ha sentado una sólida base teórica y práctica para la investigación y el desarrollo actuales de sistemas de detección de flujo de calor in situ;
4 ) La medición del flujo geotérmico del fondo marino no es solo para investigar hidratos de gas natural y recursos marinos de petróleo y gas. Uno de los medios importantes, también se puede utilizar para estudios de áreas marinas y océanos, por lo que el sistema XXG-T tiene amplias perspectivas de aplicación.
Gracias. Mi más sincero agradecimiento a toda la tripulación y a los investigadores de Ocean 4. Fue su total apoyo y ayuda lo que hizo que la prueba en el mar del sistema XXG-T se desarrollara sin problemas y fuera un éxito total.
Referencias
O Kapmeier Henyer. Calor geotérmico y sus aplicaciones. Beijing: Science Press, 1984.
[2]Departamento de Exploración Profunda, Instituto de Geología de Chengdu. Notas de conferencias sobre geotermia, 1982.
Xu Xing, Shi, Luo, et al. Método de procesamiento de datos para el estudio geotérmico del fondo marino del norte, Modern Geology, 2006, 457 ~ 464.
[4]Fie1aX Company, Manual de sonda de gradiente de temperatura V1.0
[5]Marion Pfund, Heinrich Willinger. Datos miniaturizados de medición del gradiente de temperatura de sedimentos de aguas profundas 1oggers, Marine Geology 2002, 186, 557~570
Desarrollo y características técnicas del sistema de medición del gradiente geotérmico oceánico XXG-T
Luo Xu Chen Zhigang Zongheng
(Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou, 510760)
Resumen: este artículo explica exhaustivamente el sistema de medición del gradiente geotérmico oceánico XXG-T desarrollado de forma independiente e introduce los componentes principales del Sistema e indicadores técnicos. Describe la calibración del sistema en el laboratorio y la prueba en el mar en el área del mar de Shenhu. Analiza la comparación de los resultados de medición del sistema XXG-T y el sistema de medición del gradiente geotérmico MTL en el mar. prueba y demuestra la eficacia del sistema XXG-T en el océano. Disponibilidad en mediciones de gradiente geotérmico y confiabilidad de los resultados de las mediciones.
Palabras clave: Calibración MTL del sistema de medición del gradiente geotérmico oceánico XXG-T