一种海洋湍流热通量仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于海洋探测技术领域，具体设及一种海洋端流热通量仪，其能够同 时、同点测量同一运动质点的速度和温度，可W测量海洋中的端流热通量。
【背景技术】
[0002] 国内外成熟的典型海洋观测技术为海洋潜标技术，例如声学多谱勒测速仪 (ADCP)、温盐链等，该些观测技术手段能基本满足对海洋大中尺度动力过程的研究需求， 如：海洋环流、中尺度祸、温盐的粗结构分析等。而海洋端流微结构的观测，对于研究海洋 垂向（按照位密方程，维持海洋子午翻转环流所需的端流祸扩散系数率至少要大于l(T4m2/ S)、物质、能量、动量等的垂向输运起着关键作用。该些垂向输运的定量研究主要体现在端 流动量通量、热通量与端流混合率等关键物理量上，而引起垂向输运的通量驱动机制则是 端流垂向混合技术。
[0003] 对于海洋端流动量通量、热通量的研究是基于对端流混合进行直接观测，该对于 完善海洋模式参数化方案具有十分重要的意义。除此之外，在二氧化碳通量、营养盐通量、 沉积物输送W及微量元素等地球化学物质循环过程中也起着决定性作用。随着海洋科学的 发展，特别是观测技术的进步，使得大气底边界层的动量通量、热通量圧ricet.al.，2004 ; Fairallet.al. 1990]、二氧化碳通量、溶解氧通量等的观测成为可能，且目前已比较成熟。 但是，海洋动量通量、热通量的直接观测，由于受传感器精度、灵敏度及传感器在高压下的 正常工作状态等多种因素的限制，还未见相关技术报道。
[0004]在深海热液区，对于热通量的观测具有非常重要的科学意义，所W，对于海洋热 通量的研究和开发是十分必要的。但目前还没有成熟技术方案来实现深海热液区的热通量 测量。 【实用新型内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种海洋端流热通量仪，其能够同时、同 点测量同一运动质点的速度和温度，利用祸动相关法可直接测量端流热通量。端流热通量 是一能表征热传输的物理量。
[0006] 依据本实用新型的技术方案，所提供的海洋端流热通量仪包括海洋探测快速温度 传感器和声学多普勒=维点式流速仪（ADV)，其中快速温度传感器由探头37、铁合金弯形 管36、锥形管35、第一圆筒管34、内丝扣连接件、外螺丝33、第二圆筒管32、第=圆筒管31) 等由8部分组成，快速温度传感器的耐压外壳采用TC4铁合金椿加工而成，内丝扣连接件设 置于锥形管35与第一圆筒管34之间。
[0007] 进一步地，快速温度传感器的探头37设置在在测量体积体附近，其直径为 1. 8mm(毫米）。
[000引快速温度传感器中各部件之间连接关系如下；探头37插入铁合金管36中，铁合金 管36置入锥形管35中，锥形管35与第一圆筒管34由内丝扣连接件连接，第一圆筒管34 中有外丝扣的一端置入第二圆筒管32的内丝扣中并连接，同时再通过外螺丝33固定第一 圆筒管34和第二圆筒管32,第二圆筒管32的另一端的外丝扣与含有内丝扣的第=圆筒管 31连接。
[0009] 优选地，第一圆筒管34的壁厚为1. 2mm;第S圆筒管31中设置有电路，并与水密 线连接。
[0010] 更进一步地，海洋端流热通量仪包括=维流速测量仪，所述=维流速测量仪内置 姿态传感器（IMU)，W100~250化频率测量单点S维流速，经过数字滤波后输出1~64化 的=维流速数据，可W校正海洋端流热通量仪姿态。
[0011] 此外，海洋端流热通量仪进一步包括4个6000米水深耐压铁合金电池仓，管壁厚 0.8畑1，仓体内径61. 5mm，有效容积长度460mm，可W放2组450Wh裡电池组；电池仓与S维 流速测量仪主机用Y型水密线连接，每根线有2巧，可同时连接4个电池仓。所述快速温 度传感器通过耐压水密线连接=维流速测量仪后盖特制8巧接口，用于数据传输和供电需 求；快速温度传感器和=维流速测量仪（含姿态校正传感器）的测量点是同一点，快速温度 传感器采样信号与=维流速测量仪的采样信号同步，采样频率1-64化可调。
[0012] 优选地，快速温度传感器和=维流速测量仪外壳由TC4铁合金加工而成，由316不 诱钢支架将ADV和快速温度传感器固定在支架上，并保证快速温度传感器探头位于S维流 速测量仪测量点上；外支架形成的园柱绕流对流场的影响在测量点要忽略不计。
[0013] 更优选地，上述海洋端流热通量仪可W同点观测热通量、动量通量、端动能耗散率 和热耗散率，且可W工作在1-5000米水下。
[0014] 本实用新型的海洋端流热通量仪利用声学多普勒=维点式流速测量仪和快速温 度传感器实现了海表W下端流热通量的直接测量。利用ADV自身的电池和存储器进行自容 式测量，本发明设计的端流热通量仪可W集成在潜标上工作，不需要船舶在测量区域停靠， 消除了船舶对测量的影响，并且能够长期、全天侯测量。本实用新型的优点是：
[0015] 1.通过同时、同点采集高频、高精度速度和温度信号，首次实现测量水下端流热通 量的时间序列。
[0016] 2.可W在1 - 5000米海深进行观测。
【附图说明】
[0017] 附图1为依据本实用新型的海洋端流热通量仪传感器和测量点示意图；
[0018] 附图2为端流热通量观测仪示意图；
[0019] 附图3为快速温度传感器外结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部 的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。另外地，不应当将本实用新型 的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
[0021] 本实用新型所提出海洋端流热通量仪，利用快速温度传感器和=维流速测量仪 (优选声学多普勒S维点式流速仪，ADV)，并通过ADV姿态数据校正流速数据，由垂向速度 脉动和温度脉动的协方差测量海洋垂向端流热通量的方法，实现了海表W下端流热通量的 测量。其工作原理如下：
[0022] 原始流速数据（U，V，W)是相对于ADV坐标系的，需要进行坐标变换即使ADV坐标 系（x*，y*，z*)转换为自然坐标系（x，y，z);在自然坐标系中，Z轴与竖直方向重合，X轴指 向地理北极，坐标原点和ADV重屯、重合；利用ADV自带的罗经测量巧-Z*平面相对于X-Z平 面与Z轴为交线的夹角a，利用水平仪测量x*-y*平面相对于x-y平面与X轴为交线的夹 角0和x*-y*平面相对于x-y平面与y轴为交线的夹角丫，则自然坐标系下的流速数据 (Ul,V。Wi)可W表示为： '"1fcos a sin a OY1 0 0丫cosy 0 sin^Yu''
[002引 V! = -sina cosa 0 0饼s f3sin/? 0 1 0 v 0 0 I i^O -sin片cosyS八-sm y 0 cosy人H'/
[0024] 因海洋中的低频波动可W影响ADV,导致ADV附加了S维平动速度（u。，V。，w。)，实 际的测点的流速为（111-11。，￥1-￥。，'\￥1-'\￥。）；然后求得各真实速度的脉动值11'，￥'，'\￥'，单位 (m/s)。
[0025] 根据祸动相关法，海洋端流热通量Ft可W表示为：;
[0026] 式中Ft是测量点的端流热通量（W/m2)，Cp为海水的定压比热容（J/kg/K)，P是海 水密度化g/m3)，W'是海水垂向速度的脉动值（m/s)，r是测量点的温度脉动值化)，上划 线表示时间序列的平均。其它方向的热通量类似可W得到。
[0027] 当同一运动质点的温度和速度同时被观测到时，流场测的速度信号与温度场的温 度信号具有很好的互相关性，说明观测到的速度与温度信号，基本上是同时、同点对同一运 动质点观测的测量。由于实际观测的粒子较大，不是理想中的质点，该样S维速度信号与温 度信号的互相关最大值不是在零点，而是有一点延迟。
[002引海洋端流热通量仪包括快速温度传感器，快速温度传感器在测量体积块的附近只 有1. 8mm直径，且为细长结构不会干扰流场。其中，由8部分（探头37、铁合金弯形管36、 锥形管35、第一圆筒管34、设置于锥形管35与第一圆筒管34之间的内丝扣连接件、外螺 丝33、第二圆筒管32、第=圆筒管31)组成快速温度传感器。快速温度传感器具体连接关 系如下：探头37插入铁合金管36中，铁合金管36置入锥形管35中，第一圆筒管34,壁厚 1. 2mm，锥形管35与第一