應(yīng)用于海洋站溫鹽傳感器的緩沖止旋方法

魏玉超 胡軼群 邱文博 孫成龍 閆秦

摘要：為解決溫鹽傳感器在海洋站應(yīng)用中存在的電纜纏繞和殼體磨損等問題，保障傳感器的長期業(yè)務(wù)化運行，文章提出改進溫鹽傳感器安裝方式的緩沖止旋方法。研究結(jié)果表明：在實驗室環(huán)境下，通過以螺旋電纜代替直線電纜和設(shè)計緩沖浮子裝置二者結(jié)合的溫鹽傳感器安裝方式，可有效減少電纜纏繞、避免傳感器磕碰磨損和減小海流影響，同時安裝簡單、便于維護和具有廣泛應(yīng)用性。該方法仍須在海洋站實際應(yīng)用中進一步驗證和完善。

關(guān)鍵詞：溫鹽傳感器;海洋站;螺旋電纜;浮子裝置;海洋觀測

中圖分類號：P716+3文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1005-9857（2019）02-0086-03

A Method of Buffering and Stopping Applied to Thermohaline Sensor

WEI Yuchao，HU Yiqun，QIU Wenbo，SUN Chenglong，YAN Qin

（National Ocean Technology Center，Tianjin 300110，China）

Abstract： In order to solve the problems of cable winding and shell wear existing in the application of temperature and salt sensor in ocean station and ensure the longterm operation of the sensor，this paper put forward a method to improve the installation mode of temperature and salt sensor.The results proved that： In the laboratory environment，the installation of screw cable instead of straight line cable and the design of buffer float device can effectively reduce the cable winding，avoid the collision and wear of sensors and reduce the impact of sea current.At the same time，the installation is simple，easy to maintain and has a wide range of applications.This method still needs to be further verified and improved in the actual application of ocean station.

Key words：Temperature and salt sensors，Ocean station，Spiral cable，F(xiàn)loat devices，Marine monitoring

0引言

表層海水的溫度和鹽度是海洋氣象觀測的重要參數(shù)，應(yīng)用于海洋站的溫鹽傳感器放置在溫鹽井內(nèi)測量參數(shù)，并采用電纜傳輸數(shù)據(jù)。按照《海濱觀測規(guī)范》（GB/T 14914—2006）的要求，溫鹽井壁上均勻分布很多消波孔，這些消波孔兼具海水交換功能;溫鹽傳感器被固定在浮子上，置于溫鹽井內(nèi)。受海水漩渦的影響，漂浮的傳感器易與井內(nèi)壁磕碰，從而磨損殼體;在潮位升降時，散放在井內(nèi)的電纜易受扭轉(zhuǎn)力作用，從而纏繞成團甚至掛起，妨礙傳感器的正常工作。因此，改進溫鹽傳感器的安裝方式是目前海洋站業(yè)務(wù)化運行中亟待解決的問題。

1溫鹽傳感器的傳統(tǒng)安裝方法

為保證溫鹽傳感器保持在海面以下05 m的位置，傳感器通常被固定在浮子上，置于溫鹽井內(nèi)，主要有2種安裝方法。

（1）在溫鹽井井口安裝滑輪組，即將電纜散放在井內(nèi)，鋼絲繩通過滑輪組連接傳感器和重錘。該方法的優(yōu)點是傳感器和電纜的連接部分不受力;缺點是受潮位和海流的影響，電纜和鋼絲繩常發(fā)生纏繞，導(dǎo)致傳感器掛起（圖1）。

（2）在浮子下方安裝動滑輪，即將電纜繞過浮子下方，安裝動滑輪和重錘。該方法的優(yōu)點是重錘直接作用于電纜，緩解電纜纏繞的問題;缺點是當(dāng)井內(nèi)海水交換劇烈時，電纜會對浮子產(chǎn)生拉力，使浮子重心偏移，傳感器靠近電纜一側(cè)受拉力與井內(nèi)壁磕碰，導(dǎo)致傳感器底端磨損（圖2）。

2溫鹽傳感器緩沖止旋的方法

對近年來海洋站溫鹽傳感器使用情況的分析和統(tǒng)計表明，電纜纏繞和傳感器殼體磨損是影響傳感器長期業(yè)務(wù)化運行的2個主要因素。通過采用螺旋電纜和緩沖浮子裝置，可有效緩解問題。

21以螺旋電纜代替直線電纜

螺旋電纜具有良好的拉彈性、抗扭轉(zhuǎn)性和自動回復(fù)性。經(jīng)實驗驗證，長度為1 m、2 m和3 m的螺旋電纜，其拉伸長度分別為1～3 m、2～7 m和3～9 m。

螺旋電纜在現(xiàn)場布放時，無須如直線電纜一樣為最低潮位留出足夠冗余，其拉彈性可良好地適應(yīng)溫鹽井內(nèi)的潮位變化，使溫鹽傳感器隨海水潮位自由升降;同時，螺旋電纜在水平方向具有較大的自由度，可降低海流對電纜施加的作用力。

目前由國家海洋技術(shù)中心研發(fā)的螺旋型電纜溫鹽傳感器已在我國海洋站應(yīng)用，經(jīng)驗證可有效緩解電纜纏繞的問題，減少傳感器掛起的情況，取得良好的實際應(yīng)用效果。

22設(shè)計緩沖浮子裝置

緩沖浮子裝置的工作原理是設(shè)計獨立的傳感器護架和浮子，護架預(yù)留浮子安裝的間隙，使浮子能以護架為軸心軸向轉(zhuǎn)動，并于護架的接觸端面安裝滾珠。緩沖浮子裝置固定溫鹽傳感器漂浮在水面時，浮子受浮力作用，對護架接觸端面和滾珠的壓力減小，從而實現(xiàn)緩沖止旋。浮子轉(zhuǎn)動使?jié)L珠旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動摩擦力，小于浮子直接接觸護架端面產(chǎn)生的靜摩擦力，可降低浮子轉(zhuǎn)動對護架的影響，進而減小傳感器的轉(zhuǎn)動角度。

緩沖浮子裝置包括電纜護架、滾珠、浮子和傳感器護架4個部分，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電纜護架保護電纜與傳感器連接的位置免受拉力，浮子提供浮力，傳感器護架固定傳感器以避免其與井內(nèi)壁直接磕碰。電纜護架、傳感器護架和浮子的各端面存在滾珠，當(dāng)浮子在海流作用下轉(zhuǎn)動時，滾珠隨之旋轉(zhuǎn)，從而減小浮子與電纜護架和傳感器護架之間的摩擦力。電纜護架固定安裝在傳感器護架上方，2個護架之間的距離固定，再安裝浮子。滾珠安裝在電纜護架端蓋，與浮子端面為間隙配合。

23螺旋電纜和緩沖浮子裝置的組合安裝

螺旋電纜和緩沖浮子裝置的組合安裝結(jié)構(gòu)為：螺旋電纜固定在溫鹽井井口的中央位置，與傳感器連接部分的電纜盤繞存放在電纜護架，使其不受力;傳感器護架固定傳感器;浮子為整個裝置和傳感器提供浮力。該安裝方法使整個裝置的重心在同一軸線（浮子的軸心），螺旋電纜良好的拉彈性保證傳感器隨潮位升降上下浮動，傳感器護架保護傳感器以避免其與井內(nèi)壁直接磕碰，緩沖海流影響。螺旋電纜和緩沖浮子裝置雙重作用，保障傳感器的正常工作（圖4）。

3結(jié)語

本研究針對溫鹽傳感器在海洋站現(xiàn)場應(yīng)用中存在的問題，提出緩沖止旋方法，即設(shè)計緩沖浮子裝置配合螺旋電纜，安裝方式簡單且便于維護，應(yīng)用效果主要包括：①螺旋電纜良好的拉彈性和抗扭轉(zhuǎn)性可使傳感器隨潮位自由升降，從而減少電纜纏繞打結(jié)的情況;②緩沖浮子裝置可避免傳感器與溫鹽井內(nèi)壁直接磕碰，從而保護傳感器;③以軸向轉(zhuǎn)動的浮子可抵消海流對傳感器和電纜產(chǎn)生的作用力，從而減小海流的影響;④緩沖浮子裝置的裝夾結(jié)構(gòu)可根據(jù)傳感器的外形調(diào)整尺寸，可廣泛應(yīng)用于大部分原位測量的傳感器，從而適應(yīng)海洋站觀測的不同需求。

需要說明的是，在實驗室環(huán)境下，該方法與傳統(tǒng)安裝方式相比在一定程度上可緩解相關(guān)問題，而現(xiàn)場應(yīng)用情況相對復(fù)雜，仍需較長時間的驗證。