一種浮標(biāo)式的溫鹽傳感器載體裝置

王珍珍 丁森 宋升鋒 劉迎迎 鄭智勇 鄭聰聰 丁一

摘要：表層海水鹽度是海洋水文觀測(cè)中十分重要的觀測(cè)項(xiàng)目之一， 對(duì)其連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 ， 可獲得本海域表層海水鹽度狀況及變化規(guī)律 ， 對(duì)海上防災(zāi)減災(zāi) ， 促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。因此能否獲取可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)就非常重要。文章介紹一種浮標(biāo)式的溫鹽傳感器載體裝置 ， 由防纏繞固定模塊、浮體配重模塊和防護(hù)過濾模塊3部分組成 ， 既能防海水污損 ， 又能減少物理（纏繞、振動(dòng)、碰撞）因素的影響 ， 大大提高了溫鹽傳感器的使用壽命及觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性 ， 并且維護(hù)方便 ， 非常適合海洋站使用。

關(guān)鍵詞：表層海水鹽度;溫鹽傳感器;浮標(biāo)式載體裝置

中圖分類號(hào)：P7????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005 9857（2022）03 0068 04

A Buoy Carrier Device for Temperature and Salt SensorsWANGZhenzhen，DING Sen，SONG Shengfeng，LIU Yingying，

ZHENG Zhiyong，ZHENG Congcong，DING Yi

（State Oceanic Administration Beihai Forecast Center，Qingdao 266061，China）

Abstract;Surface seawater salinity is one of the most important items in marine hydrological ob-servation. By statistical analysis of its continuous observation data，the salinity and variation lawof surface seawater in this sea area can be obtained，which is of great significance to marine disas-ter prevention and mitigation，to promote the development of marine economy. Therefore it isimportant to access to reliable observational data. This paper introduced a kind of buoy tempera-ture and salt sensor carrier device. which was composed of three parts： anti-winding fixing mod-ule，floating body counterweight module and protection filter module. It could not only preventseawater fouling，but also reduce the influence of physical （ winding，vibration，collision ）factors，greatly improve the service life of temperature and salt sensor and the continuity and reli-ability of observation，and was convenient to maintain，so it was very suitable for ocean station.Keywords ： Surface salinity，Temperature sensor，Buoy carrier device

0 引言

海水鹽度是海洋水文觀測(cè)中十分重要的觀測(cè)項(xiàng)目之一，海洋鹽度與海洋溫度、海洋流場(chǎng)一起 ， 構(gòu)成海洋動(dòng)力學(xué)中最基本的3個(gè)要素。其中 ， 海洋鹽度在海洋中尺度現(xiàn)象、海洋溫鹽環(huán)流、海氣相互作用和海洋淡水收支平衡等過程起著重要作用 ， 也是研究全球氣候變化及天氣預(yù)報(bào)模式的重要依據(jù)。鹽度的觀測(cè)對(duì)促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋工程建設(shè)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)、海洋環(huán)境保護(hù)、海域使用管理、海上執(zhí)法監(jiān)察、突發(fā)事件應(yīng)急觀測(cè)、新型海洋要素觀測(cè)、國(guó)防安全等領(lǐng)域都具有十分重要的意義。例如 ，鹽度對(duì)漂浮滸苔生理生態(tài)的影響[1] ， 以及船舶的吃水與安全行駛 ，并直接影響某些與海水導(dǎo)電性能有關(guān)的器材的使用;厄爾尼諾和黑潮[2]及洋流流向等許多海洋現(xiàn)象和過程都與海水鹽度變化有關(guān)。因此 ，鹽度要素觀測(cè)是海洋觀測(cè)工作中一項(xiàng)長(zhǎng)期的重要的任務(wù) ， 也是研究海洋許多過程的一個(gè)重要指標(biāo)。所以獲取鹽度準(zhǔn)確可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)有著重要意義。

海洋站根據(jù)《海濱觀測(cè)規(guī)范》（GB/T14914-2006）的規(guī)定建設(shè)溫鹽井[3] ，選用國(guó)家海洋技術(shù)中心生產(chǎn)的 YZY4-3型溫鹽傳感器 ， 以不同的方式將溫鹽傳感器投放到溫鹽井中 ，獲取觀測(cè)海域的鹽度值。

大部分海洋站都選用浮子式載體裝置[4] ， 溫鹽傳感器固定在定做的浮子中間 ， 電纜預(yù)留的長(zhǎng)度適合最低潮位 ， 通過吊掛系統(tǒng) ， 溫鹽傳感器在井內(nèi)隨潮汐自由升降 ， 以觀測(cè)海水表面到0.5 m 深度的鹽度[5] ， （每3S采樣一次 ， 連續(xù)采樣1 min， 經(jīng)誤差處理后 ，用整點(diǎn)前1 min的平均值 ，作為該整點(diǎn)的觀測(cè)值）。

通過對(duì)浮子式載體裝置使用情況調(diào)查研究發(fā)現(xiàn) ，浮子式載體裝置普遍存在4種不足。①潮汐高潮時(shí) ，易受海浪影響 ， 特別是大風(fēng)大浪的天氣 ， 浮子不停隨浪運(yùn)動(dòng) ， 造成上掛電纜發(fā)生纏繞 ， 浮子卡在井壁某處 ， 只能等到再次漲潮時(shí) ， 上漲的海水才使浮子回歸正常 ， 期間就造成溫鹽觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失。②潮汐低潮時(shí) ， 浮子遠(yuǎn)離電纜固定點(diǎn) ， 外力作用使浮子、溫鹽傳感器擺動(dòng)幅度大 ， 浮體易傾斜 ， 造成浮子易卡在井壁某處 ， 這種情況發(fā)生概率非常高 ， 極容易造成溫鹽傳感器損壞以及原始數(shù)據(jù)缺失。③很容易被海水中有水機(jī)污染物、無機(jī)污染物[6]附著 ，使其不能正常工作 ，平均7 8天就造成溫鹽傳感器測(cè)量數(shù)值偏離該海區(qū)正常值 ， 因此每個(gè)月需要對(duì)溫鹽傳感器至少維護(hù)清理3 4次 ，嚴(yán)重影響溫鹽傳感器正常工作。④浮子在溫鹽井中隨浪運(yùn)動(dòng) ， 隨時(shí)都會(huì)與井壁發(fā)生碰撞 ， 極容易造成溫鹽傳感器的損壞 ， 降低溫鹽傳感器的使用壽命。為了應(yīng)對(duì)以上情況 ，海洋站每年都要投入大量人力、物力對(duì)溫鹽傳感器進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng) ， 甚至更換溫鹽傳感器。因此 ，本研究提出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的浮標(biāo)式載體裝置 ， 徹底解決上述問題 ， 以獲得連續(xù)性、準(zhǔn)確性的觀測(cè)數(shù)據(jù)。浮標(biāo)式載體裝置的安裝要求和浮子式一樣 ， 溫鹽傳感器固定在定做的浮標(biāo)中間 ， 電纜預(yù)留的長(zhǎng)度適合最低潮位 ，溫鹽傳感器在井內(nèi)隨潮位的變化自由起伏 ， 以觀測(cè)海水表面到0.5 m 深度的鹽度。

1 浮標(biāo)式的載體裝置

浮標(biāo)式載體裝置由防纏繞固定模塊、浮體配重模塊和防護(hù)過濾模塊3部分構(gòu)成。防纏繞固定模塊：浮標(biāo)的頂部設(shè)置4個(gè)等距吊扣 ，采用4根吊繩4點(diǎn)平衡吊掛 ，溫鹽傳感器用螺栓固定在其中兩個(gè)吊扣上 ，確保溫鹽傳感器垂直于水中 ， 且均衡受力。浮體配重模塊：在浮體的底部加配重 ， 保證浮體在全配時(shí)吃水線在浮體的2/3之處。浮體外壁設(shè)置3個(gè)導(dǎo)流槽 ，浮體直徑大則槽深 ，其延長(zhǎng)線與浮體頂端中心軸線相交（導(dǎo)流槽可以選做 ， 如果所處海域海況很差就需要設(shè)計(jì)）。不銹鋼護(hù)筒與“過濾袋”組成防護(hù)過濾模塊 ， “過濾袋”置于網(wǎng)罩中 ， 護(hù)筒設(shè)計(jì)眾多直徑較大的通流孔 ， 使海水暢通無阻地進(jìn)行交換。浮標(biāo)式載體裝置技術(shù)關(guān)鍵就是過濾袋。既要透水性強(qiáng) ，又要過濾性強(qiáng) ， 兩者要統(tǒng)一又不能矛盾。過濾性強(qiáng)而透水性差 ， 容易造成過濾網(wǎng)孔的堵塞 ，影響海水暢通交換 ， 鹽度值一天就下降 ， 反之透水性強(qiáng) ，過濾性差 ，就失去過濾意義 ，并且過濾材質(zhì)最好是軟的 ，便于操作。

本研究介紹的浮標(biāo)式載體裝置系統(tǒng) ， 浮標(biāo)可選用螺旋電纜[7]吊掛 ， 或者直線電纜吊掛。螺旋電纜具有抗磨損、抗撕裂的特性 ， 且有非常好的彈性 ， 一端固定在溫鹽井頂端 ， 另一端連接在浮標(biāo)的固定模塊 ， 因浮標(biāo)上的配重 ， 兩端對(duì)浮標(biāo)起到拉伸作用 ， 減少浮標(biāo)與井壁碰幢、摩擦。低潮時(shí) ， 電纜可延伸到低潮位置 ，高潮時(shí) ， 螺旋電纜自動(dòng)回縮 ， 使海面上沒有多余的電纜 ， 并且可以通過電纜回收傳感器 ， 無須再掛接收繩 ，非常適用于直徑較小的溫鹽井。

直線電纜吊掛浮標(biāo) ， 預(yù)設(shè)電纜延伸到低潮位置 ，一端連接溫鹽傳感器 ， 另一端電纜穿過浮標(biāo)的兩個(gè)線孔 ， 固定在溫鹽井頂端 ， 浮標(biāo)底部的電纜用重錘、滑輪控制 ， 當(dāng)浮標(biāo)隨潮汐上漲時(shí) ， 多余的電纜在重錘的作用下 ， 延滑輪下沉到海里。反之 ， 當(dāng)浮標(biāo)隨潮汐下降時(shí) ， 多余的電纜則露出海面 ， 浮標(biāo)沿著電纜隨潮汐自由升降。同樣可以通過電纜回收傳感器 ，無須再掛接收繩。實(shí)踐證明 ， 這兩種電纜吊掛方式效果都很好 ， 具體可根據(jù)溫鹽井的情況進(jìn)行選擇。

防纏繞固定模塊：浮體的頂部設(shè)置4個(gè)吊扣 ，溫鹽傳感器用螺栓固定在其中2個(gè)吊扣上 ， 吊扣上4根吊繩采用4點(diǎn)平衡吊掛 ，一個(gè)豎直向上的電纜吊掛力 ，另一個(gè)垂直向下的浮體重量力 ， 兩個(gè)力方向相反。同時(shí)海浪的作用力與4根吊繩的向心力方向相反 ， 因此浮標(biāo)的重心點(diǎn)上受力平衡。所以浮標(biāo)在井中抗海浪能力特強(qiáng) ， 不管高潮大浪 ， 還是低潮浮標(biāo)遠(yuǎn)離電纜固定點(diǎn) ， 浮標(biāo)都能平穩(wěn)上下移動(dòng)。此模塊解決了電纜纏繞、浮體傾斜、傳感器卡在井壁某處等現(xiàn)象 ，解決了原始數(shù)據(jù)缺失。

浮體配重模塊：浮體外壁設(shè)置3個(gè)導(dǎo)流槽 ，其延長(zhǎng)線與浮體頂端中心軸線相交 ， 浮標(biāo)在平衡狀態(tài)下 ，導(dǎo)流槽的作用可忽略不計(jì) ， 當(dāng)潮汐變化時(shí) ， 進(jìn)入導(dǎo)流槽的海水形成“三角支架”的作用 ， 浮標(biāo)在水中的穩(wěn)定性得到提高。且浮體橫截面積減小 ， 浮標(biāo)能更好地切入水中 ， 平穩(wěn)地上下移動(dòng)（如果海況不是很差 ，浮體可不做3條導(dǎo)流槽）。浮體的底部加配重 ，浮標(biāo)在豎立狀態(tài) ， 重心和接觸點(diǎn)的距離最小 ， 即重心最低 ，上輕下重的物體在水中比較穩(wěn)定。配重對(duì)浮標(biāo)的穩(wěn)定性非常重要 ， 這樣的浮體配重模塊配置 ，使浮體有了很好的平衡性 ， 受海況影響較小 ， 溫鹽傳感器在井中能平穩(wěn)地上下移動(dòng) ，解決了浮體前后左右擺動(dòng)易卡在井壁上的問題 ， 同時(shí)解決了原始數(shù)據(jù)缺失的問題。

防護(hù)過濾模塊：海水對(duì)傳感器的污損主要表現(xiàn)為海洋生物 ， 海水中沉積物附著在傳感器上 ， 造成傳感器觸點(diǎn)與海水接觸不良 ， 使測(cè)量數(shù)值偏離該海區(qū)正常值 ，每月最少需要人工清理3～4次 ，一年最少就是36次 ，才能保證溫鹽傳感器的正常使用。特別是到了夏季 ， 海域生物生長(zhǎng)茂盛 ， 藻類等海洋生物容易附著在溫鹽傳感器上。同時(shí)降雨量大 ， 河流帶來大量有機(jī)廢液和生活污水 ，更縮短清理溫鹽傳感器的周期。本研究選用傳統(tǒng)的過濾法 ， 在溫鹽傳感器套上“過濾袋”對(duì)海水進(jìn)行過濾處理 ， 阻斷了海洋生物、沉積物與溫鹽傳感器的接觸 ， 過濾網(wǎng)外邊套上護(hù)筒 ， 護(hù)筒既保護(hù)了過濾網(wǎng) ， 也隔絕了溫鹽傳感器與外界的直接碰觸 ， 杜絕了與井壁的摩擦、碰撞。防護(hù)過濾模塊解決了溫鹽傳感器維護(hù)清理周期過短、易損壞的問題 ， 同時(shí)解決了清理溫鹽傳感器帶來的經(jīng)濟(jì)問題 ， 提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量 ， 解決了觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性問題。

2 使用效果

2021年3月進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn) ， 連續(xù)實(shí)驗(yàn)30天 ，效果非常穩(wěn)定。在溫鹽井實(shí)驗(yàn)期間 ， 出現(xiàn)過大風(fēng)大浪天氣 ，多次出現(xiàn)4級(jí)海況 ，浮標(biāo)式載體裝置的3個(gè)模塊功能運(yùn)行良好 ， 電纜沒有發(fā)生纏繞 ， 傳感器沒有卡在井壁 ，鹽度值不是波浪式的起伏不定 ， 延長(zhǎng)了傳感器的清理時(shí)間 ， 減少損壞概率 ， 獲得原始數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確。本研究介紹的浮標(biāo)式溫鹽傳感器載體裝置三大模塊 ，解決了溫鹽傳感器振動(dòng)、碰撞、電纜纏繞、海水污損問題 ， 避免了頻繁地清理溫鹽傳感器 ，提高了溫鹽傳感器的使用壽命 ， 同時(shí)提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性與準(zhǔn)確性。

3 浮標(biāo)安裝裝置不確定性分析

本研究介紹的浮標(biāo)由防纏繞固定模塊、浮體配重模塊、防護(hù)過濾模塊3個(gè)部分構(gòu)成 ，其尺寸（圖1）存在不確定性 ， 可根據(jù)溫鹽井的大小設(shè)計(jì) ， 合適最好。本研究的防護(hù)過濾模塊可能存在不確定性。為提高溫鹽傳感器的觀測(cè)效果 ， 對(duì)海水進(jìn)行過濾 ，而海水水質(zhì)會(huì)影響過濾效果 ， 過濾模塊可以去除水中的懸浮物、大顆粒物質(zhì) ， 有效降低微生物附著在傳感器上概率 ， 保護(hù)傳感器觸點(diǎn) ， 獲取正常的觀測(cè)數(shù)值 ，且不會(huì)對(duì)海洋生物造成影響 ， 危害生態(tài)系統(tǒng)。如果海水中懸浮物物質(zhì)比較多 ， 或者其他原因的影響 ，可能就影響其過濾效果 ， 使觀測(cè)數(shù)值變小。如黃河入?？跍\海海域泥沙等懸浮物較多 ， 海水渾濁 ，其過濾效果就存在不確定性 ， 效果就需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

4 總結(jié)

本研究從實(shí)際出發(fā) ， 通過對(duì)浮子式載體裝置及獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的調(diào)研分析 ， 而設(shè)計(jì)由防纏繞固定模塊、浮體配重模塊、防護(hù)過濾模塊構(gòu)成的浮標(biāo)式載體裝置。這種浮標(biāo)式的溫鹽傳感器載體裝置解決了物理因素對(duì)傳感器的影響。特別是防護(hù)過濾模塊解決了溫鹽傳感器維護(hù)周期過短和傳感器易損壞的問題。其質(zhì)量?jī)r(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值都是質(zhì)的飛躍 ， 實(shí)踐證明 ， 每項(xiàng)模塊功能都能獨(dú)立使用。物理因素對(duì)溫鹽傳感器的影響 ， 是各海洋站普遍存在的問題 ，本研究介紹的各項(xiàng)模塊裝置 ， 在目前現(xiàn)狀下 ，非常適合在海洋站中得到推廣 ， 以解決溫鹽傳感器載體普遍存在的問題。因?yàn)榘l(fā)展海洋觀測(cè) ，獲取準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù) ， 是建設(shè)海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái) ， 推動(dòng)智慧海洋經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ) ， 是促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)新突破的重要保證。

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