一種三維實時表層水溫測量方法與系統的制作方法
【專利摘要】一種三維實時表層水溫測量系統，由溫度傳感器、浮標、數據采集器、計算機組成；所述溫度傳感器為密封水溫測量專用鉑電阻測溫傳感器，由隔熱套和鎖緊箍均勻固定到浮標下部連接桿上對應水深0～1m深表層水不同的位置，安裝的位置決定測量水溫的深度，根據測量表層水溫深度和梯度的需要最多均勻安裝6個，鉑電阻測溫傳感器均設有電纜在浮球上接出每個測溫傳感器測得的表層水溫對應的電阻值由電纜傳至數據采集器的相應通道；數據采集器與計算機連接；浮標包括浮球，與浮球固定的連接桿、隔熱套、鎖緊箍、配重塊；連接桿接在浮球與配重塊之間。
【專利說明】一種三維實時表層水溫測量方法與系統
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種三維實時表層水溫測量系統，可作為海洋或湖泊表層水溫測量的實用裝置，特點是可以實時三維測量O?Im表層水溫。
【背景技術】:
[0002]表層水溫尤是其海洋表層水溫是研究氣候的一個重要參數，它能直接反映全球氣候變化和全球溫度整體分布特征。表層水溫即水表面以下Im以內水層的溫度。對于特定海域或湖泊，其水溫的垂直分布主要取決于其表層溫度和地理特征分布。所以，準確地測量表層溫度，對氣候研究具有決定性的意義和廣泛的實用價值。表層水溫測量方法主要有表層水溫表法和顛倒溫度表法，但這兩種方法都是定點不連續的測量，經常需要環境溫度修訂，而且測量結果易受船體、太陽輻射和采水深度不準確的影響，并且讀數非實時，測量誤差大。常規測量采用南森采水器或表層溫度計。在海洋學中，也有用衛星遙感、紅外測溫儀方法測量海水表面溫度。雖然衛星遙感有其測量范圍廣等優點，但是其容易受云影響，測量誤差較大；紅外測溫儀測量的溫度僅僅是水表皮溫度，只能測量零點幾毫米水表皮溫度，非O?Im水的表層溫度，而且紅外測溫儀也易受云影響，同時測量誤差和太陽輻射、其架設高度和架設角度等都有關系。

【發明內容】
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[0003]本發明的目的是，提供一種三維實時表層水溫測量方法與系統，用于在O?Im表層水層中溫度的精確測量，也可用于O?Im表層水層的其它參數的自動測量，包括鹽度、PH值等。
[0004]本發明解決其技術問題所采取的技術方案是:一種三維實時表層水溫測量方法，通過投放二至四個(三個)用浮標承載的若干溫度傳感器，每一個浮標都負載在O?Im深表層水體中均勻分布于的傳感器，測量O?Im深表層水溫的梯度變化，每一個溫度傳感器測量的電阻值傳至數據采集器，數據采集器把各個通道采集到溫度測量電阻值數據進行組包、存儲、上傳至計算機，計算機收并實時顯示表層水溫三維分布的測量系統。尤其是采用鉬電阻測溫傳感器。
[0005]上述溫度傳感器首先進行同層測溫傳感器橫向比較，然后垂直綜合處理，實現實時測量O?Im表層水溫的測量。
[0006]一種三維實時表層水溫測量系統，由溫度傳感器、浮標、數據采集器、計算機組成；所述溫度傳感器為密封水溫測量專用鉬電阻測溫傳感器，由隔熱套和鎖緊箍均勻固定到浮標下部連接桿上對應水深O?Im深表層水不同的位置，安裝的位置決定測量水溫的深度，根據測量表層水溫深度和梯度的需要最多均勻安裝6個，鉬電阻測溫傳感器均設有電纜在浮球上接出每個測溫傳感器測得的表層水溫對應的電阻值由電纜傳至數據采集器的相應通道；數據采集器與計算機連接；浮標包括浮球，與浮球固定的連接桿、隔熱套、鎖緊箍、配重塊；連接桿接在浮球與配重塊之間。[0007]所述浮標的浮球為雙層防輻射罩、罩內為高密度耐高壓硬質泡沫充填的浮球，每層三個防輻射罩均罩有浮球。
[0008]上述溫度傳感器由浮球和連接桿等承載，由浮球和配重塊調節測量深度，由于各個子系統投放離船體位置不同，使溫度傳感器三維分布于O?Im深的水層中，實現實時三維測量表層水溫，并以減小船體或太陽輻射的影響。
[0009]三維實時表層水溫測量系統由三個表層水溫測量子系統組成，每個子都系統可以測量O?Im表層水溫，每個子系統最多可以安裝6個測溫傳感器。每個測溫傳感器測量的電阻值由電纜傳至數據采集器的相應通道。
[0010]測溫傳感器是一種的表面水體溫度PtlOO熱電阻測量傳感器，用以測量表層水溫動態變化。傳感器采用鎧裝四線制結構。
[0011]配重塊起調節測量深度和穩定浮標的作用，防止風浪干擾。根據水體密度大小，調節配重塊，使浮標能夠準確測量O?Im深的表層水層。
[0012]拉線和電纜由浮子串連，防止由于船體晃動或波浪作用，產生拉線和電纜對浮標的拖曳現象，使傳感器測量深度不準確。
[0013]數據采集器實時數據通過串口數據線發送給計算機，計算機軟件處理不同通道的原始數據，對原始數據進行質量控制和訂正，采用氣象數據常用的判斷，由程序對各個傳感器溫度進行合理判斷，軟件可以自行設定數據范圍閾值，超出閾值軟件會進行告警提示。原始數據和處理后得到各個通道數據分別存在兩個文件中，計算機顯示器可以查看任意溫度傳感器數值和隨時間變化曲線，也可以同時顯示多個傳感器數值和隨時間變化曲線。
[0014]本發明具有的有益效果是:采用本發明的技術方案，三維實時表層水溫測量系統可在船體周圍同時三維測量表層水溫(可多達18個或更多個溫度傳感器)，有效減小船體、太陽輻射和非實時性影響，能夠準確測量O?Im深的表層水層水溫變化梯度，同層測溫傳感器進行橫向比較后，然后垂直綜合處理，可以實現實時測量O?Im表層水溫的測量。這對于天氣預報、水溫研究和應用遙感資料是一項基礎性的工作，測量結果可用于標校衛星遙感和紅外測溫儀測溫的準確性。本發明還可用來校核紅外測溫傳感器的測量標準。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0015]圖1是本發明的三維實時表層水溫測量系統結構示意圖；
[0016]圖2是本發明的三維實時表層水溫測量系統(多浮標)示意圖；
[0017]圖3是圖1俯視示意圖；
[0018]圖4是本發明的浮標剖面示意圖；其中A浮標剖面，B、C是圖A中浮標剖面的部件放大示意圖；
[0019]圖5是數據采集器框圖；
[0020]圖6是數據采集器流程圖。
[0021]附圖標記:1_溫度傳感器、2-浮標、3-數據采集器、4-計算機、5-隔熱套、6_鎖緊箍、7-連接桿、8-電纜、9-雙層防輻射罩、10-浮球、11-拉線環、12-拉線、13-浮球連接桿、14-配重塊、15-穿線孔、16-浮子、17-凹槽，18-水面線。
【具體實施方式】:[0022]參見附圖，對本發明進行詳細描述:參見附圖1，三維實時表層水溫測量系統由溫度傳感器(I)、浮標(2)、數據采集器(3)、計算機(4)組成。
[0023]參見附圖2-附圖4所示，浮標包括浮球，不銹鋼材質的拉線環、拉線、與浮球固定的連接桿、隔熱套、鎖緊箍、配重塊；連接桿接在浮球與配重塊之間；上述溫度傳感器、防輻射罩、浮球、浮球連接桿、拉線環、拉線、連接桿、隔熱套、鎖緊箍、配重塊組成表層水溫測量系統的一個子系統，防輻射罩頂部留有電纜(8)的穿線孔(15)。
[0024]溫度傳感器(I)為密封水溫專用PtlOO熱電阻測溫傳感器，由隔熱套(5)和鎖緊箍(6)固定到連接桿(7)的不同位置，熱電阻采用四線制，用恒流源發送電流，電壓計測量，最后給出測量電阻值。根據測量表層水溫深度和梯度的需要最多可以安裝6個，每個傳感器測得的表層水溫的電阻值由電纜(8)傳至數據采集器的相應通道；浮標包括雙層防輻射罩(9)、雙層高密度耐高壓硬質浮球(10)、拉線環(11)、拉線(12)、浮球連接桿(13)、連接桿
(7)、隔熱套(5)、鎖緊箍(6)、配重塊(14);配重塊各件之間采用螺母連接固定；溫度傳感器、防輻射罩、浮球、浮球連接桿、拉線環、拉線、電纜、連接桿、隔熱套、鎖緊箍、配重塊組成表層水溫測量系統的一個子系統，由三個這樣子系統組成三維實時表層水溫測量系統；拉線和電纜串連在浮子上，減小拉線和電纜對傳感器測量深度的影響。316L不銹鋼材質的拉線環、拉線、316L不銹鋼材質連接桿、耐腐蝕尼龍隔熱套、316L不銹鋼材質的鎖緊箍、316L不銹鋼材質配重塊；防輻射罩頂部留有測溫傳感器穿線孔；配重塊各件之間采用316L不銹鋼螺母連接固定；配重塊起調節質心和連接桿下潛深度作用，使浮標垂直向下，整體傾斜角度較小，達到準確測量O?Im表層水層的溫度目的；上述溫度傳感器、防輻射罩、浮球、浮球連接桿、拉線環、拉線、連接桿、隔熱套、鎖緊箍、配重塊組成表層水溫測量系統的一個子系統，由三個這樣子系統組成三維實時表層水溫測量系統；上述拉線和電纜串連在浮子上，減小拉線和電纜對傳感器浮出高度的影響。所述數據采集器把各個通道采集到數據進行組包及存儲。
[0025]一種三維實時表層水溫測量系統，由溫度傳感器(I)、浮標(2)、數據采集器(3)、計算機(4)組成。所述溫度傳感器(I)為密封水溫專用鉬電阻測溫傳感器，由隔熱套(5)和鎖緊箍(6)固定到連接桿(7)的不同位置，根據測量表層水溫深度和梯度的需要，最多可以安裝6個，每個傳感器測得的表層水溫的電阻值由電纜(8)傳至數據采集器的相應通道；所述浮標包括雙層防輻射罩(9)、雙層高密度耐高壓硬質浮球(10)、拉線環(11)、拉線(12)、浮球連接桿(13)、連接桿(7)、隔熱套(5)、鎖緊箍(6)、配重塊(14);上述防輻射罩頂部留有電纜(8)的穿線孔(15);上述配重塊(14)各件之間采用螺母連接固定；上述溫度傳感器、防輻射罩、浮球、浮球連接桿、拉線環、拉線、電纜、連接桿、隔熱套、鎖緊箍、配重塊組成表層水溫測量系統的一個子系統，由三個這樣子系統組成三維實時表層水溫測量系統；上述拉線和電纜串連在浮子(16 )上。所述數據采集器(3 )把各個通道采集到數據進行組包及存儲，每10秒發送一次電阻值和對應的溫度換算值到計算機(4)。計算機軟件處理不同通道的原始數據，對原始數據進行質量控制和訂正；原始數據和處理后得到各個通道數據分別存在兩個文件中，計算機顯示器可以查看任意溫度傳感器數值和隨時間變化曲線，也可以同時顯示多個傳感器數值和隨時間變化曲線。
[0026]在檢測中每10秒發送一次電阻值和對應的溫度換算值到計算機。計算機軟件處理不同通道的原始數據，對原始數據進行質量控制和訂正；原始數據和處理后得到各個通道數據分別存在兩個文件中，計算機顯示器可以查看任意溫度傳感器數值和變化曲線，也可以同時顯示多個傳感器數值和變化曲線。
[0027]數據采集器是32通道氣象數據采集器，硬件由電源、時鐘值守電路、CPU主板、接口電路組成。采集器的微處理器測量單元能在-45?80°C環境下穩定工作，并保持測量精度。可以采集模擬量、數字量傳感器信號，有兩路串行通訊口，并具有自檢及自校正功能，保證測量的準確性。能夠完成數據采集、處理、存儲、傳輸和過程控制等功能。數據采集器通過一個單片機采集模塊對每一個溫度測量傳感器測量值進行模數轉換，統一轉換為RS-232C標準輸出，上位機可直接讀取數據。數據采集器采用嵌入式模塊化設計，分為時鐘控制模塊、數據采集處理模塊、數據存儲模塊和數據發送模塊。時鐘控制模塊主要完成系統硬件控制電路的加斷電控制功能，定時自動完成各傳感器的加斷電控制；數據采集處理模塊主要實現各傳感器的數據采集及處理功能。系統定時自動采集各傳感器的數據，并進行處理；數據存儲模塊主要完成數據組包及存儲功能。傳感器數據采集處理后，由該模塊完成報文組包及存儲功能，以便備查；數據發送模塊主要完成數據主動發送，每10秒發送一次傳感器讀數給上位機，數據包含每個通道的電阻值和對應的溫度換算值。
[0028]本發明技術指標如下:
[0029]溫度測量范圍:-40°C?+60°C
[0030]水深測量范圍:0?Im
[0031]分辨力:0.01°C
[0032]熱響應時間:< IOs
[0033]準確度:0.05 0C
[0034]檢定周期:1年
[0035]防護等級:IP68
[0036]外部結構:316L不銹鋼外殼，全密封
[0037]接線方式:四線制
[0038]可選水體范圍:海水/淡水
[0039]參見附圖5所示，數據采集器(3)由電源、時鐘值守電路、CPU主板、接口電路組成。采集部分的設計是將每一個溫度傳感器通過單片機采集模塊進行模數轉換，完成數據采集、處理、存儲、傳輸和過程控制等功能。其基本工作流程是:根據一定的時序控制主機及各通道傳感器的加斷電，采集及處理各通道傳感器的信號，實時數據通過串口數據線把各個通道采集到數據進行組包及存儲，統一轉換為RS-232C標準輸出，每10秒發送一次電阻值和對應的溫度換算發送給計算機(4 )。其技術指標如下。
[0040]測量精度:0.02%
[0041]線性誤差:±0.0015%
[0042]溫度漂移:IOPPM/°C
[0043]分辨率:16位
[0044]模擬量測量:
[0045]數據接口:RS232C
[0046]頻率測量:0.I?10KHZ
[0047]電源:+12?25V DC[0048]功耗:0.7ff
[0049]工作溫度:-40?+80°C
[0050]工作濕度:0?100%RH
[0051]參見附圖6所示，計算機軟件運行后，首先對各個通道進行檢測。檢測各路溫度數據測量或通訊聯接是否正常，如果不正常程序給出指示，需要人工檢查硬件聯接狀態、各個測量子系統投放位置是否得當、通訊設置狀況；如果數據正常傳輸，進入正常表層水溫測量狀態，計算機軟件處理不同通道的原始數據，對原始數據進行質量控制和訂正，采用氣象數據常用的判斷，由程序對各個傳感器溫度進行合理判斷，軟件可以自行設定數據范圍閾值，超出閾值軟件會進行告警提示；原始數據和處理后得到各個通道數據分別存在兩個文件中，計算機顯示器可以查看任意溫度傳感器數值和其隨時間變化曲線，也可以同時顯示多個傳感器數值和其隨時間變化曲線。表層水溫測量數據首先進行同層測溫傳感器橫向比較，然后垂直綜合處理，最后求取表層水溫測量結果。
[0052]雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明。本發明所屬【技術領域】中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
【權利要求】
1.一種三維實時表層水溫測量方法，通過投放二至四個用浮標承載的若干溫度傳感器，每一個浮標都負載在O~1m深表層水體中均勻分布于的傳感器，測量O~1m深表層水溫的梯度變化，每一個溫度傳感器測量的電阻值傳至數據采集器，數據采集器把各個通道采集到溫度測量電阻值數據進行組包、存儲、上傳至計算機，計算機收并實時顯示表層水溫三維分布的測量系統。
2.由權利要求1所述的三維實時表層水溫測量方法，其特征是采用鉬電阻測溫傳感器；述溫度傳感器首先進行同層測溫傳感器橫向比較，然后垂直綜合處理，實現實時測量O~Im表層水溫的測量。
3.由權利要求1所述的三維實時表層水溫測量方法，其特征是在檢測中每10秒發送一次電阻值和對應的溫度換算值到計算機。
4.由權利要求1所述的三維實時表層水溫測量方法，其特征是數據采集器是32通道氣象數據采集器，數據采集器采集模擬量、數字量傳感器信號，有兩路串行通訊口，完成數據采集、處理、存儲、傳輸和過程控制等功能；數據采集器通過一個單片機采集模塊對每一個溫度測量傳感器測量值進行模數轉換，統一轉換為RS-232C標準輸出。
5.三維實時表層水溫測量系統，其特征是由溫度傳感器、浮標、數據采集器、計算機組成；所述溫度傳感器為密封水溫測量專用鉬電阻測溫傳感器，由隔熱套和鎖緊箍均勻固定到浮標下部連接桿上對應水深O~Im深表層水不同的位置，安裝的位置決定測量水溫的深度，根據測量表層水溫深度和梯度的需要測溫傳感器最多均勻安裝6個，鉬電阻測溫傳感器均設有電纜在浮球上接出每個測溫傳感器測得的表層相應位置水溫對應的電阻值由電纜傳至數據采集器的相應通道；數據采集器與計算機連接；浮標包括浮球，與浮球固定的連接桿、隔熱套、鎖緊箍、配重塊；連接桿接在浮球與配重塊之間。
6.由權利要求5述的三維實時表層水溫測量系統，其特征是所述浮標的浮球為雙層防輻射罩、罩內為高密度耐高壓硬質泡沫充填的浮球，每層三個防輻射罩均罩有浮球。
7.由權利要求5述的三維實時表層水溫測量系統，其特征是上述溫度傳感器由浮球和連接桿承載，由浮球和配重塊調節測量深度，由于各個浮標構成的子系統投放離船體位置不同，使溫度傳感器三維分布于O~1m深的水層中，實現實時三維測量表層水溫。
8.由權利要求5述的三維實時表層水溫測量系統，其特征是三維實時表層水溫測量系統由三個表層水溫測量子系統組成，每個子系統都測量O~Im深表層水的不同位置的溫度，每個子系統最多安裝6個測溫傳感器；每個測溫傳感器測量的電阻值由電纜傳至數據采集器的相應通道。
9.由權利要求5述的三維實時表層水溫測量系統，其特征是測溫傳感器是一種的表面水體溫度Ptioo熱電阻測量傳感器，用以測量表層水溫動態變化；傳感器采用鎧裝四線制結構。
10.由權利要求5述的三維實時表層水溫測量系統，其特征是數據采集器實時數據通過串口數據線發送給計算機，數據采集器是32通道氣象數據采集器，數據采集器采集模擬量、數字量傳感器信號，有兩路串行通訊口，完成數據采集、處理、存儲、傳輸和過程控制功能；數據采集器通過一個單片機采集模塊對每一個溫度測量傳感器測量值進行模數轉換，統一轉換為RS-232C標準輸出。
【文檔編號】G01K1/14GK103900734SQ201410114767
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】陳文廣, 程杰, 吳維, 劉詠, 陳宏偉, 王崇哲, 馮文站, 侯習平 申請人:中國人民解放軍63863部隊