XXG-T 잠수함 지열경사도 탐지시스템의 개발 및 기술적 특징
Luo Xianhu, Xu Xing, Zhang Zhigang, Chen Zongheng
(Guangzhou Marine Geological Survey, 광저우 510760)
제1저자 소개: Luo Xianhu, 남성 , 1971년생, 석사학위, 현재 해양지질학적, 지구물리학적 조사 및 기술방법 연구에 종사하고 있다. 이메일1: 1uoXianhu@163.com.
요약 이 기사에서는 자체 개발한 XXG-T 잠수함 지열 구배 탐지 시스템에 대해 포괄적으로 설명하고 시스템의 주요 구성 요소와 기술 지표를 소개하며 실험실에서의 교정 및 교정에 대해 설명합니다. 선후해역의 해상시험 상황을 분석하고, 해상시험 시스템과 MTL 지열경사 측정 시스템의 측정 결과를 비교 분석하였으며, 해저 지열경사 측정 및 측정에 XXG-T 시스템의 활용성을 검토하였다. 측정 결과의 신뢰성이 입증되었습니다.
키워드 XXG-T형 해저 지열 경사도 탐지 시스템 MTL 교정 해상 시험
1 소개
해저 지열 흐름 측정은 해양 지질 및 지구물리학의 중요한 부분입니다. 설문조사 프로젝트 중 하나입니다. 그 특징은 고정 지점에서의 케이블 연결 작동, 높은 측정 정확도, 정기적인 교정 필요, 깨지기 쉬운 장비입니다. 우리나라는 해저 열류 측정의 핵심 기술을 습득하지 못했기 때문에 비용이 많이 들고 장비 유지 보수, 교정 등 기술 연계가 다른 국가에서 제한되는 등 본 프로젝트의 조사 작업을 수행하는 데 단점이 있습니다. 광저우 해양 지질 조사국은 2004년 3월 독일의 MTL 온도 센서를 도입하여 이를 지열 경사 측정 시스템에 결합했습니다. 2004년 5월 Haiyang 4호 선박에 의해 해상 테스트 및 승인이 수행되었으며 지금까지 수백 개의 관측소가 완료되었습니다. 이번 측정 작업으로 수화물 자원 조사를 위한 귀중한 열 흐름 데이터를 수집했지만, 장비 역시 일정량의 소모를 겪었다. 따라서 국내 지열유동설비에 대한 연구개발을 수행하는 것은 매우 중요하다.
이러한 불리한 상황을 바꾸기 위해 광저우 해양지질조사국의 해양지질조사 기술 방식은 2004년 1월부터 1년여 만에 외국 장비를 도입, 소화, 흡수하는 방식을 토대로 독자적으로 혁신해 왔다. 이러한 노력을 통해 XXG-T 잠수함 지열경사 탐지 시스템을 개발하고 해상시험을 실시하였으며, 현재 해저 퇴적물의 지열경사 측정에 사용되고 있으며, 이 장비는 국가 863 프로그램 "Heat Flow In-Situ"에 포함되어 있습니다. 천연가스 수화물 검출 기술' 본 사업의 자금을 바탕으로 퇴적물의 지열경사도와 열전도도를 동시에 측정할 수 있는 해양 지열유량 측정 시스템을 개발할 예정이다.
2 XXG-T 지열 구배 감지 시스템의 작동 원리
퇴적물 온도 측정은 저전력, 저온, 고정밀 온도 측정이므로 장비 안정성에 대한 요구 사항 이에 따라 설계된 XXT-G형 지열 기울기 감지 시스템의 작동 원리 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 원리는 표준 저항기와 서미스터를 통해 순차적으로 일정한 전류(약 20uA)를 통과시켜 측정하는 것입니다. 표준 저항과 서미스터 양단의 전압 정전류 소스에 의해 출력되는 전류 값은 표준 저항 양단의 전압에서 파생될 수 있으며, 그런 다음 서미스터의 저항 값을 계산할 수 있습니다. 이 방법은 정전류원의 출력값을 실시간으로 측정할 수 있어 기기의 온도 드리프트와 시간 드리프트로 인한 편차를 극복할 수 있습니다.
그림 1 XXG-T 지열 경사도 측정 시스템의 기술 개요
이 시스템의 작동 원리 전자 회로는 주로 서미스터, 기준 저항기, 정전류 소스, 멀티로 구성됩니다. -방향 스위치, AD 변환기, 마이크로 컨트롤러, 실시간 클록, UART/USB 변환 칩, 전원 공급 장치 등 이 시스템은 고정밀 NTC 서미스터를 사용합니다. YSI55032는 온도 감지 프로브입니다. 온도 측정 범위는 -40~+250T이고 저항은 25T에서 30KΩ입니다. 그 중에서 16:1 아날로그 스위치에는 ADG706, 듀얼 16:1 아날로그 스위치에는 ADG726, ADC에는 16비트 고정밀 AD7705, 16M 비트의 FLASH 저장 기능을 갖춘 AT45DB161B, PCF8563이 선택되었습니다. RTC는 16비트 초저전력을 선택하였으며, MCU는 MSP430F1232를 사용하였으며, UART/USB 변환보드는 AN2131Q로 구성되어 있으며, 계측기 배럴에 있는 USB 인터페이스를 통해 편리하게 계측기를 조작할 수 있습니다. 모든 구성 요소는 저전력 장치로 만들어져 전체 시스템의 낮은 전력 소비를 보장합니다.
3 장비 구성 및 기술 지표
3.1 장비 구성
XXG-T 지열 구배 감지 시스템(그림 2)은 주로 해저 퇴적물을 측정하는 데 사용됩니다. 지상 온도 구배의 구성 요소는 다음과 같습니다: ① 프로브, ② 샘플링 튜브로 교체할 수 있는 지지대, ④ 압력 배럴(전자 회로 및 전원 공급 장치 포함), ⑥ 리드 무게; 전원 공급 장치(1.5VD 유형 배터리 8개).
그림 2 XXG-T 지열 경사 측정 시스템
그림 2 XXG-T 지열 경사 측정 시스템
3.2 주요 기술 지표
XXG-T 지열 경사도 감지 시스템의 주요 기술 지표는 표 1에 나와 있습니다.
표 1 XXG-T 지열 경사 측정 시스템의 주요 기술 목표
4 장비 검증
온도 측정 시스템의 연구 개발 및 생산 과정에서 교정은 매우 중요한 링크입니다. 주요 목적은 측정 회로의 안정성과 신뢰성, 측정 소프트웨어 알고리즘이 합리적인지 여부, 측정 정확도의 교정 및 평가를 확인하는 것입니다. 이 작업은 중국 남부 국가 계측 및 테스트 센터에서 수행되었습니다. 중국 남부 국가 계측 및 테스트 센터는 중국 남부 품질 감독 검사 검역 총국에서 설립한 국가 법률 계측 평가 기관입니다. 중심은 국가 측정 표준의 중국 계측 과학 연구소 및 국제 단위계(SI)에 저장된 데이터를 추적할 수 있습니다.
XXG-T 시스템은 중국 남부 국가 계측 및 테스트 센터의 열 실험실에서 교정되었습니다. 실험실의 주변 온도는 25±2T이고 상대 습도는 85% 이하입니다. 사용되는 표준 장비는 PT100 백금 저항 온도계이며 교정의 기술적 기반은 FFR199903 디지털 온도계 교정 방법 문서입니다.
4.1 교정 과정
2005년 5월 26일과 6월 25일에 프로브의 9개 채널이 교정되었습니다. 해저 열 흐름 측정 장비의 작동 특성에 따라 9개 채널 교정 온도 지점은 1.000, 2.000, 3.000, 4.000, 5.000, 6.000, 9.000, 15.000, 21.000T, 9개 온도 지점으로 결정됩니다. 교정 과정에서 먼저 프로브의 9개 서미스터를 적절한 크기의 유리 시험관에 넣습니다. 시험관에 미네랄 오일을 채운 후 서미스터가 달린 시험관을 항온 상자(그림 3)에 넣습니다. 온도 조절 장치의 온도가 1.000T에 도달하고(온도 조절 장치의 온도는 PT100 백금 저항 온도계로 측정됨) 안정화되고 시스템 교정을 시작합니다. 즉, 일정 시간(예: 3분) 동안 온도를 측정합니다. 장비 및 교정 장비 9개의 서미스터로 측정된 온도를 동시에 관찰, 기록, 저장합니다. 각 측정 단계를 완료한 후 측정 전 온도 조절 장치의 온도를 다음 지정 온도 지점까지 올린 후 순차적으로 다음 온도 지점의 교정을 완료합니다.
그림 3 온도 조절기에서 교정을 수행하려는 프로브(왼쪽) 온도 조절기에서 교정을 수행하는 프로브(오른쪽)
4.2 교정 결과
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XXG-T 시스템(측정된 서미스터 저항)-T(계산된 온도 값) 변환 공식에서 사용되는 R은 STEINHART & HART 방정식, 즉
1/T=A입니다. +B(1n R)+C(1n R)^3,
공식에서 T는 각 채널의 온도 값(Kelvin(K) 단위)입니다. 각 채널의 센서(Ω), A, B 및 C는 계산된 계수입니다. 온도 센서 그룹의 각 채널을 계산하는 데 사용되는 계수는 표 2에 나와 있습니다. 측정 시스템은 이러한 매개변수를 사용하여 각 채널의 온도 값을 계산합니다.
표 2 온도 SenSor 그룹의 각 SenSor 계수 목록
계산된 온도와 보정된 각 온도 지점의 표시 값을 비교하면 해당 온도의 보정 값을 얻을 수 있습니다. 각 보정온도점에서의 각 채널의 표시값은 표 3과 같다.
표 3 온도 센서 그룹의 각 교정 온도 지점의 정확한 값 목록
위의 교정 결과를 바탕으로 온도 센서 그룹의 각 센서의 최대 측정 오류는 다음과 같습니다. 각 채널 매개변수를 구성한 후 1.0~6.0T 범위는 5mK보다 좋습니다. 해저 퇴적물의 지열 구배 측정에서 실제로 효과적인 온도 데이터 범위도 1.0~6.0T입니다. 따라서 XXG-T의 측정 정확도는 다음과 같습니다. 시스템은 해저 퇴적물의 지열 구배 측정 요구 사항을 완전히 충족할 수 있습니다.
5 해상 테스트 상황
5.1 선후 해역 해상 테스트
해상 테스트는 주로 장비의 적용성, 안정성, 압력 및 수밀성을 테스트하는 것입니다. 시스템의 해저온도 측정 작동상태를 확인하고, MTL 지열경사 측정 시스템과 비교 테스트를 진행한다.
선호해역 해상시험 작업 시간은 2005년 8월 23일 5시(GMT), 위치는 19°54.3316′(N), 115°24.7260′(E), 수심 1490m.
준비 작업: 시스템 설치가 완료된 후 시스템이 제대로 작동하는지 확인하기 위해 기기를 간략하게 테스트했습니다. 물에 들어가기 전에 배터리 전원을 확인하고 매개 변수를 설정했습니다. 시스템의 샘플링 속도는 1초로 설정되었으며, 시스템 매개 변수 설정은 그림 4에 나와 있습니다.
그림 4 XXG-T 지열 경사 측정 시스템 소프트웨어 인터페이스
그림 4 XXG-T 지열 경사 측정 시스템 소프트웨어 인터페이스
안전 조치: 시스템 이후 설치 후 테스트 중 느슨해짐을 방지하기 위해 모든 구성 요소를 검사했습니다. 시스템과 PC 사이의 인터페이스에 마개를 삽입하고, 방수를 위해 실리콘을 도포했다.
시스템 설치: MTL 시스템을 비교하기 위해 5개의 MTL 프로브를 강철 창에 서로 다른 각도와 일정 거리로 설치했습니다(그림 5).
해상시험의 운용 과정은 케이블 운용과 유사하며, 핑거 모니터링 장비를 설치해 해저와 해저 사이의 거리를 모니터링한다. 장비를 정상 속도(약 1m/s)(즉, 핑거와 해저 사이의 거리가 150m)로 해저로부터 50m까지 내려간 뒤 5분간 머문 뒤 고속(약 1.6m)으로 해저에 삽입된다. m/s), 약 10분 동안 해저에 머무르며 윈치 작업자는 윈치의 장력과 Pinger와 해저 사이의 거리를 면밀히 모니터링하여 장비가 퇴적물 속에서 안정적으로 유지될 수 있는지 확인했습니다. 10분 후 저속(0.3~0.4m/s)으로 기구를 퇴적물에서 끌어낸 후 윈치의 장력이 감소한 후(기구가 완전히 당겨진 후) 해저에서 70m까지 정상 속도로 끌어당긴 후 테스트가 성공한 후 장치를 해저 퇴적물에 빠르게 삽입한 후 약 3분간 거기에 머물렀다가 빼낸 후 장비를 갑판으로 회수했습니다. 정상 속도로. 복구 후 장비의 USB 포트를 통해 수집된 데이터를 PC로 읽어옵니다.
그림 5 XXG-T 시스템과 MTL 시스템의 설치 대비
5.2 테스트 결과 분석
해상 시험에서 유효한 데이터를 성공적으로 얻었습니다. XXG-T와 MTL 시스템의 테스트 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 두 시스템의 온도 변화 곡선은 프로브 삽입, 안정화, 리프팅, 재삽입, 재삽입 단계의 온도 변화를 명확하게 반영하고 있음을 알 수 있습니다. 그리고 다시 안정화. 그림에서 볼 수 있듯이 XXG-T 시스템의 응답 시간은 MTL 시스템의 응답 시간보다 느립니다. 이는 시스템의 내부 회로 용량의 영향으로 인해 기기의 응답 시간이 증가하기 때문입니다. 그러나 프로브를 해저에 삽입하고 퇴적물의 주변 온도가 평형에 도달하면 측정 데이터가 안정화되므로 이는 측정 결과에 영향을 미치지 않습니다. 또한 탐사선을 퇴적물에 처음 삽입하면 탐사선과 해저 퇴적물 사이의 마찰로 인해 열이 발생하여 퇴적물의 온도가 상승하고 탐사선이 퇴적물에 오랫동안 안정화되면서 결국 마찰열은 소멸됩니다. , 그리고 프로브 바늘은 퇴적물의 온도를 감지합니다. 프로브에 의해 측정된 온도는 안정적인 경향이 있음을 그림 6에서 분명히 볼 수 있습니다. 이는 달성 과정에서 해저 퇴적물의 환경 온도를 반영합니다. 평형.
두 시스템의 각 프로브의 안정점 데이터를 추출하고 선형 회귀 분석을 수행합니다. 분석 결과는 그림 7과 같습니다. 그림을 보면 비슷한 위치에서 두 시스템이 측정한 온도값이 상당히 가깝다는 것을 알 수 있으며, 이는 두 시스템 사이의 체계적 오차가 매우 작다는 것을 보여줍니다. 또한, XXG-T 시스템으로 측정한 온도값의 일변수 선형회귀를 통해 얻은 온도구배값은 105.2mK/m이고, 측정된 온도값의 일변수 선형회귀를 통해 얻은 온도구배값은 105.2mK/m이다. MTL 시스템에 의한 두 시스템의 차이는 완전히 해저퇴적물 지열구배 측정의 오차 범위 내에 있으며, 이는 두 시스템의 측정 정확도와 신뢰성을 상호 검증하며 두 시스템의 매우 우수한 특성을 다시 한번 보여줍니다. 좋은 일관성.
그림 6 MTL(왼쪽) 및 XXG-T 시스템(오른쪽) 측정 데이터(가로좌표는 시간(s), 세로좌표는 온도(T)를 나타냄)
Fig.6 MTL(1eft) 및 XXG-T(오른쪽)의 측정 데이터(X축은 시간(s), y축은 온도(T)를 나타냄)
그림 7 XXG-T 시스템 및 MTL 시스템 선후해역에서 측정한 지열기울기 비교
▲XXG-T 시스템으로 측정한 퇴적물 온도?XXG-T 측정 데이터의 일변량 선형회귀;●MTL 시스템으로 측정한 퇴적물 온도— — MTL 측정 데이터의 일변량 선형 회귀
그림 7 SHENHU 해역의 XXG-T 시스템과 MTL 시스템 간의 지열 경사 측정 대비
x축은 수심(m), y를 나타냄 축은 온도(T)를 나타냅니다. ▲XXG-T 시스템으로 측정한 퇴적물 온도를 나타냅니다. XXG-T 측정 데이터를 단일 선형 회귀로 표현합니다. ● MTL 시스템으로 측정한 퇴적물 온도를 단일 선형으로 나타냅니다. 회귀 회귀.
6 결론 [1~5]
해상 테스트 결과를 보면 XXG-T 지열경사 측정 시스템이 테스트 과정에서 우수한 기술을 반영하여 개발되었음을 알 수 있다. 특히 독일의 MTL 시스템과 비교했을 때 특성이 일관되게 유지되며 두 시스템이 측정 결과의 신뢰성을 상호 검증합니다. 위 내용에서 다음과 같은 점을 도출할 수 있습니다.
1) XXG-T 시스템에는 9개의 측정 온도 지점이 있으며 각 프로브 사이의 간격은 0.7m로 간격이 작아서 좋습니다. 표면 퇴적물 내부 온도 개선 및 측정 정확도 향상
2) XXG-T 시스템은 중국 남부 국가 계측 및 테스트 센터에서 교정됩니다. 시스템 교정은 신뢰할 수 있고 권위가 있습니다. 또한 장비는 자체 개발되었으며 정기적인 교정에 매우 편리합니다.
3) XXG-T 시스템의 성공적인 개발은 탄탄한 이론적, 실제적 기반을 마련했습니다. 현장 열 흐름 감지 시스템에 대한 현재 연구 및 개발의 기초
4) 해저 지열 흐름 측정은 천연가스 수화물과 해양 석유 및 가스 자원을 조사하는 중요한 방법 중 하나일 뿐만 아니라 따라서 XXG-T 시스템은 해양 지역 조사 및 해양 조사에도 사용할 수 있습니다.
감사의 말씀 XXG-T 시스템의 해상 시험이 순조롭게 진행되고 달성될 수 있었던 것은 'Ocean 4' 선박의 모든 승무원과 조사관 여러분의 전폭적인 지원과 도움이었습니다. 완전한 성공.
참고자료
[1] O. Kapmeyer R. Heinel. 지열 과학 및 그 응용. 베이징: Science Press, 1984
[2] 청두지질연구소 심층탐사 강의노트, 1982
[3] Xu Xing, Shi Xiaobin, Luo Xianhu 등 중국 남부 해저 지열 측정을 위한 데이터 처리 방법 Sea, Modern Geology, 2006, 457 ~464
[4]Fie1aX Company, 온도 구배 프로브 매뉴얼 V1.0
[5]Marion pfender, Heinrich Villinger용 소형 데이터 로거. 심해 퇴적물 온도 경사 측정, 해양 지질학 2002, 186, 557~570
XXG-T 해양 지열 경사 측정 시스템의 개발 및 기술적 특성
Luo Xianhu Xu Xing Zhang Zhigang Chen Zongheng
(광저우 해양 지질 조사소, 광저우, 510760)
요약: 이 논문에서는 자체 개발한 XXG-T 해양 지열 경사도 측정 시스템을 포괄적으로 설명하고 시스템 주요 구성 요소와 기술을 소개합니다. 대상은 SHENHU 해역의 실험실 및 해상 시험 시스템 교정을 설명하고, 해상 시험에서 XXG-T 시스템과 MTL 지열 구배 측정 시스템 간의 측정 결과 대비를 분석하고, 해양에서 XXG-T 시스템의 유용성과 측정 결과 신뢰성을 입증합니다. 지열 경사 측정 조사.
주요 단어：XXG-T 해양 지열 경사 측정 시스템 MTL CalibrationSea 시험