(廣州海洋地質調查局廣州510760)
第壹作者簡介:羅，男，1971出生，碩士，現從事海洋地質與地球物理調查及技術方法研究。e-mai 1:1 uoxianhu @ 163 . com .
本文全面闡述了自行研制的XXG-T海底地溫梯度探測系統，介紹了該系統的主要組成和技術指標，說明了實驗室標定和神狐海域海試情況，分析了該系統與MTL地溫梯度測量系統海試測量結果的對比，論證了XXG-T系統在海底地溫梯度測量中的有效性和測量結果的可靠性。
海底地熱梯度探測系統；MTL校準；海試
1前言
海底大地熱流測量是海洋地質和地球物理調查的重要項目之壹。其特點是:定點電纜操作，測量精度高，需要定期校準，設備易碎。由於我國尚未掌握海底熱流測量的核心技術，開展此項目的調查存在成本高、設備維護和驗證等技術環節受制於人等不足。2004年3月，廣州海洋地質調查局從德國引進了MTL溫度傳感器，並將其集成到地溫梯度測量系統中。2004年5月，海洋四號船進行了海上試驗和驗收。到目前為止，已經測量了數百個站點，為水合物資源調查收集了寶貴的熱流數據，但設備也有壹定程度的消耗。因此，開發國產地熱流設備非常重要。
為改變這壹不利局面，廣州海洋地質調查局海洋地質勘探技術方法研究所在引進消化國外設備的基礎上自主創新。經過壹年多的努力，從2004年6月5日至2004年10月，研制了XXG-T海底地溫梯度探測系統，並在海上進行了測試。目前已用於測量海底沈積物的地溫梯度，該設備在國家863計劃“天然氣水合物熱流原位檢測技術”中有計劃。
2 XXG-T地溫梯度探測系統的工作原理
由於泥沙溫度測量屬於低功耗、低溫段、高精度溫度測量，儀器的穩定性特別高。基於此，XXT-G地溫梯度探測系統的工作原理如圖1所示。其原理是用恒定電流(約20 uA)依次測量標準電阻和熱敏電阻兩端的電壓，然後通過標準電阻兩端的電壓值計算出恒流源輸出的電流值。該方法可以實時測量恒流源的輸出值，克服了儀器溫度漂移和時間漂移帶來的偏差。
圖1 XXG-T地溫梯度探測系統工作原理圖
圖1 XXG-T地溫梯度測量系統技術示意圖
本系統的電子電路主要由熱敏電阻、參考電阻、恒流源、多路開關、AD轉換器、單片機、實時時鐘、UART/USB轉換芯片、電源等組成。系統采用高精度NTC熱敏電阻，YSI55032為溫度探頭，其溫度範圍為-40 ~+250 t，25 t時阻值為30 kω，16: 1的模擬開關選用ADG706，16: 1的雙路模擬開關選用ADG726，16位的高精度AD7705閃存為45DB161B，16M位。MCU選用16位超低功耗的MSP430F1232，UART/USB選用AN2131Q組成的轉換板。通過儀器桶上的USB接口可以方便地操作儀器。所有元件均為低功耗器件，保證整個系統的低功耗。
3設備組成和技術指標
3.1設備組成
XXG-T地溫梯度探測系統(圖2)主要用於測量海底沈積物的地溫梯度，其主要組成部分有:①探頭；②支撐桿，可用取樣管代替；③連接器；④壓力桶(包括電子電路和電源)；⑤平衡桶；6.配重鉛塊；⑦電源(8節1.5VD型電池)。
圖2 XXG-T海底地熱梯度探測系統
圖2 XXG-T地溫梯度測量系統
3.2主要技術指標
XXG-T地溫梯度探測系統主要技術指標見表1。
表1 XXG-T地溫梯度探測系統XXG-T地溫梯度測量系統主要技術指標
4設備校準
在溫度測量系統的研發過程中，檢定是壹個非常重要的環節。其主要目的是檢查測量電路的穩定性和可靠性，測量軟件的算法是否合理，測量精度的校準和評價等。這項工作在華南國家計量測試中心進行，華南國家計量測試中心是國家質檢總局在華南地區設立的國家法定計量鑒定機構。該中心發布的數據可追溯到中國計量科學研究院保存的國家計量標準和國際單位制(SI)。
XXG-T系統在華南國家計量測試中心熱實驗室進行校準。實驗室環境溫度為25±2T，相對濕度≤85%。使用的主要計量標準儀器是PT100鉑電阻溫度計，計量特性壹流。校準的技術依據是FFR199903數字溫度計的校準方法文件。
4.1驗證流程
在2005年5月26日和6月25日，對探頭的9個通道進行了校準。根據海底熱流測量設備的工作特點，確定9個通道的校準溫度點為1.000，2.000，3.000，4.000，5.000，6.000，9.000，15.000，21.000T，* * 9。在校準過程中，首先將探頭的9個熱敏電阻放入壹個大小合適的玻璃試管中，然後將裝有熱敏電阻的試管裝滿礦物油後放入恒溫箱中(圖3)。節溫器溫度達到1.000T(用PT100鉑電阻溫度計測量)並穩定後，開始校準系統，即測量壹定量。每進行壹步測量後，將培養箱的溫度升高到下壹個指定溫度點再進行測量，然後依次對後續溫度點進行校準。
圖3探針準備放入培養箱進行校準(左)。探針正在保育箱中校準(右)。
圖3探頭即將在恒溫器中進行校準(左)探頭正在恒溫器中進行校準(右)
4.2驗證結果
XXG-T系統中使用的R(測量的熱敏電阻阻值)-T(計算的溫度值)的換算公式為STEINHART&HART方程，即
1/t = a+b(1n r)+c(1n r)^3
其中:t是每個通道的溫度值，單位為開爾文(K)；r為每個通道傳感器對應的測量電阻值，單位為歐姆(ω)；a、B和C是計算系數。溫度傳感器組各通道的計算系數見表2。測量系統使用這些參數來計算每個通道的溫度值。
表2表2溫度傳感器組中各傳感器系數表表2溫度傳感器組中各傳感器系數表
通過將計算溫度與每個校正溫度點的指示值進行比較，可以獲得每個校正溫度點處每個通道的指示值的校正值，如表3所示。
表3表3溫度傳感器組中每個校正溫度點的校正值表3溫度傳感器組中每個校準溫度點的校正值列表
根據以上標定結果，溫度傳感器組中各傳感器在1.0 ~ 6.0t範圍內最大測量誤差優於5mK，在海底沈積物地溫梯度測量中真正有效的溫度數據範圍為1.0 ~ 6.0t，因此XXG-T系統的測量精度完全可以滿足海底沈積物地溫梯度的測量要求。
5.海上試驗
5.1神狐海域海試
海上試驗主要是檢查設備的適用性、穩定性和耐壓水密性，檢查海底測溫系統的工作狀況，並與MTL地熱梯度測量系統進行對比。
神狐海域海試工作時間為2005年8月23日格林尼治時間5: 00，地點為1490米54.3316 '(北緯)，115 24.7260 '(東經)，水深65438。
前期準備:系統安裝完成後，對儀器進行簡單測試，確保系統工作正常。發射前，檢查電池電量並設置參數。系統的采樣率設置為1s，記錄時間設置為1h。系統參數設置見圖4。
圖4 XXG-T海底地溫梯度探測系統軟件界面
圖4 XXG-T地溫梯度測量系統軟件界面
安全措施:系統安裝完成後，對所有部件進行檢查，以防止在測試過程中出現松動。在系統和PC的接口處插入插頭，塗上矽膠防水。
系統的安裝:為了比較MTL系統，五個MTL探頭以不同的角度和壹定的距離安裝在鋼矛上(圖5)。
海試的操作過程類似於電纜操作，安裝平耳監測設備與海底的距離。設備以正常速度(約1m/s)下放至距海底50m處(即平格爾距海底150m)，然後高速(約1.6m/s)插入海底，在海底停留約10分鐘。在此期間，絞車操作員將對其進行密切監控。10分鐘後，低速(0.3 ~ 0.4m/s)將儀器從沈積物中拔出，待絞車張力下降(儀器完全拔出)後，以正常速度收回至距海底70m處，停留約3分鐘。為保證試驗成功，快速將設備第二次插入海底沈積物，停留約10分鐘，然後以正常速度拔出。恢復後，收集的數據通過儀器的USB端口讀入PC。
圖5 XXG-T系統(圖2)與MTL系統安裝圖對比
圖5 XXG-T系統與MTL系統的安裝對比
5.2測試結果分析
海試成功獲得有效數據。XXG-T和MTL系統的實驗結果如圖6所示。可以看出，兩個系統的溫度變化曲線清晰地反映了探針插入、穩定、拔出、再插入、再穩定各個階段的溫度變化。從圖中可以看出，XXG-T系統的響應時間比MTL系統慢，這是由於系統內部電路電容的影響。但當探頭插入海底，沈積物環境溫度達到平衡時，測量數據趨於穩定，所以這並不影響測量結果。另外，當探頭剛插入沈積物時，探頭通過與海底沈積物摩擦產生熱量，使沈積物溫度升高。隨著探針在沈積物中穩定時間的延長，摩擦熱最終消散，探針感知到沈積物的溫度。從圖6可以明顯看出，探頭測得的溫度趨於穩定，這是海底沈積物在達到平衡過程中的環境溫度的反映。
提取兩個系統中各探針的穩定點數據，進行壹維線性回歸分析，分析結果如圖7所示。從圖中可以看出，兩個系統在相似位置測得的溫度值相當接近，這也說明兩個系統之間的系統誤差很小。另外，XXG-T系統線性回歸後的溫度梯度為105.2mK/m，而MTL系統線性回歸後的溫度梯度為103.7mK/m。兩者之差完全在海底沈積物地溫梯度測量的誤差範圍內，使得兩個系統的測量精度和可靠性相互驗證。
圖6 MTL(左)和XXG-T系統(右)的測量數據(橫坐標表示時間(s)，縱坐標表示溫度(T))
圖6 MTL(1 eft)和XXG-T(右)的測量數據(X軸表示時間(s)，y軸表示溫度(T))
神狐海域XXG-T系統與MTL系統測得的地溫梯度對比圖。
▲XXG-T系統測得的沈積物溫度；？XXG-T測量數據的壹維線性回歸；●沈積物溫度由●MTL系統測量；——MTL測量數據的線性回歸。
圖7神狐海域XXG-T系統與MTL系統地溫梯度測量對比
x軸表示深度(m)，y軸表示溫度(T)；▲用XXG-T系統表示測得的沈積物溫度，用壹元線性回歸表示XXG-T測量數據；●表示MTL系統測量的沈積物溫度，——用壹元線性回歸表示XXG-T測量數據。
6結論[1 ~ 5]
從海上試驗結果可以看出，研制的XXG-T地溫梯度測量系統在試驗過程中體現出良好的技術特性，特別是與德國MTL系統相比，兩個系統驗證了測量結果的可靠性。從上文可以得出以下幾點:
1)XXG-T系統有9個測溫點，探頭間距0.7m，較小，有利於表層沈積物溫度場分析，提高測量精度。
2)XXG-T系統在華南國家計量測試中心校準，使系統校準可靠、權威；另外，由於設備屬於自研設備，定期檢查非常方便；
3)XXG-T系統的研制成功，為目前原位熱流檢測系統的研發奠定了堅實的理論和實踐基礎；
4)海底地熱流測量不僅是調查天然氣水合物和海洋油氣資源的重要手段之壹，還可用於海洋區域調查和大洋調查，因此XXG-T系統具有廣闊的應用前景。
謝謝妳。衷心感謝“海洋四號”全體船員和調查人員。正是他們的全力支持和幫助，才使得XXG-T系統的海試順利進行並取得圓滿成功。
參考
奧·卡普邁爾·亨耶爾。地熱及其應用。北京:科學出版社，1984。
[2]成都地質學院深部勘探系。地熱講義，1982。
徐星，石，羅，等北部海底地熱調查數據處理方法，現代地質，2006，457 ~ 464。
[4]Fie1aX公司，溫度梯度探頭手冊V1.0
[5]馬裏恩·普芬德，海因裏希·維林格。深海沈積物溫度梯度測量的小型化數據1oggers，海洋地質2002，186，557~570
XXG-T海洋地溫梯度測量系統的發展及技術特點
羅許陳誌剛縱橫
(廣州海洋地質調查局，廣州，510760)
摘要:全面闡述了自主研發的XXG-T海洋地溫梯度測量系統，介紹了系統的主要組成和技術指標，描述了系統在實驗室的標定和在神狐海域的海試，分析了XXG-T系統與MTL地溫梯度測量系統在海試中的測量結果對比，論證了XXG-T系統在海洋地溫梯度測量中的可用性和測量結果的可靠性。
關鍵詞:XXG-T海洋地溫梯度測量系統MTL校準