一种全海深海洋环境模拟舱的制作方法

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1.本发明属于海洋环境压力舱技术领域，具体涉及一种全海深海洋环境模拟舱，能够模拟更加真实的深海环境，为研究海洋传感器提供陆地模拟实验室。


背景技术：

2.海水温度、盐度和深度是海洋的重要特性，是海洋水文测量中的最基础参数，现有技术主要是通过由温度传感器、盐度传感器和压力传感器构成的海洋传感器对海水温度、盐度和压力进行测量。目前，海洋传感器都是在陆地常压环境下进行测量的，无法检验在深海压力下的表现。而在实际应用中，海洋传感器在深海压力下会出现性能漂移，影响测量的准确度。基于此，在陆地上建立一套能够模拟海洋真实环境的系统，来精确模拟深海高压环境下的温度、盐度和压力，对于研究海洋传感器在深海下的性能具有重要意义。
3.中国专利201510870663.3公开的一种海洋微生态环境模拟舱，包括在高度方向上分为若干个层流模拟单元的舱体主体，在最上层的层流模拟单元顶部设有一透明壳体，在透明壳体的顶部设有光照强度和方向可人工调节的自然光模拟系统，在舱体主体的外侧设有分别与每个层流模拟单元相连的加液系统、温度控制系统、层流产生系统和增气系统，在每个层流模拟单元的舱体侧壁两侧分别设有一进液口和一控温口，在每个层流模拟单元的舱体侧壁上还分别设有观察口和一端位于舱体主体内侧的传感器，在最下层的层流模拟单元舱体侧壁上设有放液口；在进液口和温控口内侧的舱体主体内侧壁上设有一散流板；所述加液系统包括设于舱体本体外侧上部的配液池和设于每个层流模拟单元舱体外侧的流速泵，所述温度控制系统包括设于每个层流模拟单元舱体外侧的制冷制热系统、冷水循环泵和换热器，所述增气系统包括设于舱体本体外侧下部的储气罐、设于每个层流模拟单元舱体外侧的静态混流器以及控制气体压力和流量的增气控制系统，所述流速泵还组成层流产生系统；所述配液池通过管道与并联设于每个层流模拟单元舱体外侧的加液管相连，每个层流模拟单元的加液管的出口端汇合后依次经设于每个层流模拟单元舱体外部的第一手动阀、第二手动阀、静态混流器、第三手动阀、流速泵、第四手动阀与换热器的物料入口相连通，所述换热器的物料出口通过管道经第五手动阀后分为旁通管路和过滤管路两路，在旁通管路上设有一电动阀，在过滤管路上设有一过滤器，在过滤器两侧的过滤管路上分别设有一电动阀，旁通管路和过滤管路混合后与对应的层流模拟单元的进液口相连通，第一手动阀和第二手动阀之间的管道通过管道经一电动阀与对应层流模拟单元的控温口相连通，所述换热器的介质出口通过管道经一电动阀、冷水循环泵、第六手动阀、制冷制热系统、第七手动阀后与换热器的介质进口相连通；储气罐通过管道经增气控制系统、电动阀、第八手动阀后与最下层层流模拟单元的加液管的汇合端相连通；中国专利201721680229.x公开的一种深海环境模拟装置的压控系统，包括环境模拟舱、高压水泵、直流电机、转速采集单元、电流采集单元、控制单元、pwm调理单元、电机驱动单元、显示单元和通信单元；所述转速采集单元采集所述直流电机的转速信息，输出脉冲信号送入所述控制单元；所述电流采集单元采集所述直流电机的工作电流信息，输出模拟电压信号送入所述控制单元；所述控制
单元对采集的所述转速信息和所述工作电流信息进行处理，输出所述直流电机的pwm调速信号；所述pwm调理单元对所述控制单元输出的所述pwm调速信号进行调理得到想要的输出信号，送入所述电机驱动单元；所述电机驱动单元接收所述pwm调速信号控制所述直流电机的转速；所述直流电机带动所述高压水泵提供给所述环境模拟舱连续可调的压力源；所述控制单元还与所述显示单元相连接，将处理得到的所述直流电机的转速和工作电流送入所述显示单元进行实时显示；所述控制单元通过所述通信单元将计算得到的数据上传给上位机，同时所述上位机将设定的转速值和工作电流值发送给所述控制单元进行存储；所述直流电机选用4对磁极的三相无刷直流电机；所述转速采集单元选用位置传感器检测所述直流电机的位置信号，所述位置传感器的数量为3个，每间隔30
°
进行放置；所述控制单元选用8位avr微处理器atmega8l。上述专利产品均不能对海洋传感器进行检验和校准。因此，研发设计一种全海深海洋环境模拟舱，在其中研究海洋传感器的检验关键技术和校准核心算法，填补空白。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种全海深温度范围为-5℃至35℃、盐度范围为0-42psu和压力范围为0-120mpa的海洋环境模拟舱，以建立深渊海万米压力和全年温度波动的陆地实验室。
5.为了实现上述目的，本发明涉及的全海深海洋环境模拟舱的主体结构包括控温主槽和控温辅槽、压力控制系统、浸入控温主槽的压力模拟舱以及连接控温主槽和模拟压力舱的耐压盘管；通过控温主槽内液体介质在耐压盘管内的循环，使控温主槽温度和模拟压力舱内部温度最终实现平衡；其中，大压力模拟舱与小压力模拟舱内的液体介质不交流，仅通过耐压盘管交换温度。
6.本发明涉及的全海深海洋环境模拟舱的原理是：压力模拟舱模拟深海高压、温度和盐度环境，控温辅槽对控温主槽进行温度的初步调节，控温主槽对压力模拟舱进行更高精度的调节，通过循环管路使低精度的控温辅槽与高精度的控温主槽内的液体介质进行循环，使得高精度的控温主槽内的温度得到更高精度的控制，再将高精度的控温主槽中的液体介质经过耐压管路注入耐压盘管，液体介质在耐压盘管内流动的过程中，与压力模拟舱内的液体介质进行温度交换，使得压力模拟舱内的温度与高精度的控温主槽的温度达到平衡；通过控温主槽、控温辅槽和压力模拟舱的三级温度控制实现对压力模拟舱内的压力和温度进行高精度控制，控温主槽和压力模拟舱的集成设计能够使压力模拟舱内部在复现深海高压的条件下对温度的控制精度达到
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0.0003℃，从而同时实现对温度、盐度和压力的高精度控制，对于在模拟深海环境下研究温度、盐度和压力的海洋传感器的检验关键技术和校准核心算法具有重要意义。
7.本发明与现有技术相比，在压力模拟舱内布放耐受压力且能够精确测量温度、盐度和压力参数的标准海洋传感器，用以监测压力模拟舱内的环境，再通过控制器精确调整压力模拟舱内的环境参数，实现高分辨率与高精度的模拟全海深压力范围为0-120mpa，温度范围为-5到35℃和盐度范围为0-42psu的深渊海万米压力和全年温度波动的海洋环境，力模拟舱内布放耐压且可以精确测量温度、盐度和压力参数的温盐深标准海洋传感器，用来监测压力模拟舱内的环境，再通过控制器精确调整压力模拟舱内的环境参数，将控温主
槽与控温辅槽结合，控温主槽的温度范围较宽，控温精度要求较高，控温辅槽的温度和控温主槽的温度保持一个恒定值，为控温主槽的控温提供稳定的恒温、恒流量的恒定温度源，控温主槽、控温辅槽和压力模拟舱能够使压力模拟舱的内部温度精度达到
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0.0001℃；其主体结构简单，通过对控温主槽、控温辅槽和压力模拟舱的三级温度控制，及对压力模拟舱的压力和盐度控制，模拟更加真实的深海环境，实现更高精度的温度测量，对于在深海环境下研究温盐深海洋传感器的性能具有重要意义。
附图说明：
8.图1为本发明实施例1的主体结构原理示意图。
9.图2为本发明实施例1涉及的压力模拟舱的主体结构原理示意图。
10.图3为本发明实施例2的主体结构原理示意图。
11.图4为本发明实施例2涉及的压力模拟舱的主体结构原理示意图。
具体实施方式：
12.下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。
13.实施例1：
14.本实施例涉及的全海深海洋环境模拟舱的主体结构包括控温主槽1、控温辅槽2、循环管路3、压力模拟舱4、耐压管路5、控制器6、压力泵7、伺服电缸8和压力控制系统9；控温主槽1与控温辅槽2通过循环管路3连接，控温主槽1的内部设置有压力模拟舱4，控温主槽1与压力模拟舱4通过耐压管路5连通，控温主槽1、控温辅槽2和压力模拟舱4分别与控制器6连接，压力模拟舱4分别与压力泵7和伺服电缸8管路式连接，压力泵7和伺服电缸8分别与压力控制系统9连接。
15.本实施例涉及的控温主槽1与控温辅槽2的主体结构相同，均包括槽体10、万向轮11、恒温槽12、温度传感器13、温控器14和显示器15；槽体10的底部设置有3-6个万向轮11，槽体10的内部上方设置有恒温槽12，恒温槽12的的侧部和底部等间距式设置有温度传感器13，槽体10的内部下方设置有温控器14，恒温槽12与温控器14连接，槽体10的顶部设置有显示器15，显示器15分别与控制器6、温度传感器13和温控器14连接。
16.本实施例涉及的控温主槽1的恒温槽12的内部设置有潜泵16，潜泵16通过循环管路3与控温辅槽2的恒温槽12连接。
17.本实施例涉及的压力模拟舱4的主体结构包括大压力模拟舱40、小压力模拟舱41、连接杆42、压力舱封接口43、压力舱水密接口44、耐压盘管45、耐压盘管水密接口46、标准海洋传感器47、待检测海洋传感器48、导线束49和印制电路板50；中空式结构的大压力模拟舱40的内部设置有小压力模拟舱41，大压力模拟舱40与小压力模拟舱41通过一根连接杆42连接，大压力模拟舱40和小压力模拟舱41上部均对称式设置有两个压力舱封接口43，大压力模拟舱40的底部和小压力模拟舱41的顶部分别设置有压力舱水密接口44，大压力模拟舱40和小压力模拟舱41的内壁均蛇形缠绕有耐压盘管45，大压力模拟舱40和小压力模拟舱41上均设置有两个耐压盘管水密接口46，两个耐压盘管水密接口46一个作为进口，一个作为出口，耐压盘管45与耐压盘管水密接口46连接，小压力模拟舱41的耐压盘管水密接口46延伸到大压力模拟舱40的外部，大压力模拟舱40的内壁等间距式敷设有三个标准海洋传感器
47，小压力模拟舱41的内部设置有一个标准海洋传感器47和三个待检测海洋传感器48，带有耐压外壳的标准海洋传感器47与从外部依次穿过大压力模拟舱40和小压力模拟舱41的带有耐压外壳的导线束49连接，待检测海洋传感器48与位于大压力模拟舱40内的带有保护壳的印制电路板50连接，小压力模拟舱41与印制电路板50的保护壳通过密封圈和螺栓或胶粘剂连接。
18.本实施例涉及的恒温槽12和大压力模拟舱40和小压力模拟舱41的内部装设有液体介质100，液体介质100包括海水、油、防冻液和水，以模拟海洋真实状态。
19.本实施例涉及的控温主槽1的尺寸大于控温辅槽2的尺寸；控温主槽1通过耐压管路5和耐压盘管水密接口46分别与大压力模拟舱40和小压力模拟舱41的耐压盘管45连通，控温主槽1采用磁耦合搅拌技术，控温主槽1的温度范围为-10到45℃，温度波动度≤
±
0.0003℃，水平和垂直均匀度≤0.0005℃，分辨率为0.0001℃，控温辅槽2的温度范围为-15到50℃，温度波动度≤
±
0.003℃，水平和垂直均匀度≤0.005℃，分辨率为0.001℃；控温主槽1与控温辅槽2通过循环管路3连通，实现两个恒温槽12内液体介质100的循环，控温辅槽2能够为控温主槽1的高精度控温提供恒流量、恒温的液体介质100；循环管路3为多层pvc复合管，外加聚氨酯保温层，能够减少液体介质100在输送过程中的冷量损失；压力模拟舱4的整体呈圆柱状结构，能够承受的压力范围为0-160mpa；控制器6采用pid 模糊控制模式，控温精度为
±
0.0005℃，分别控制控温主槽1、控温辅槽2和压力模拟舱4的液体介质100的温度，以及压力模拟舱4的压力和盐度，控制器6实时监测压力模拟舱4和恒温槽12的温度、盐度和压力状态，对恒温槽12、显示器15、标准海洋传感器47和待检测海洋传感器48进行联网监控，自动采集压力模拟舱4和恒温槽12的温度、盐度和压力数据，以及待检测海洋传感器48的温度、盐度和压力数据，进行数据处理和存储，实现远程监控，控制器6分别与控温主槽1和控温辅槽2的显示器15以及导线束49连接；压力泵7与大压力模拟舱40的压力舱水密接口44连接，对大压力模拟舱40的压力进行控制；伺服电缸8与和小压力模拟舱41的压力舱水密接口44连接，对小压力模拟舱41的压力进行更高精度的控制；恒温槽12的内壁材质为耐腐蚀材料，包括钛合金和不锈钢；温度传感器13为热敏电阻、pt100铂电阻或液体温度传感器，控温主槽1的温度传感器13的控温精度为
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0.01℃至
±
0.0003℃，控温辅槽2的温度传感器13的控温精度为
±
0.1℃至
±
0.003℃；温控器14的分辨率为十万分之一，控温精度为万分之一；显示器15能够显示温度、盐度和压力数值；大压力模拟舱40和小压力模拟舱41的材质为耐压材料，包括钛合金壳体和不锈钢，大压力模拟舱40的尺寸大于小压力模拟舱41的尺寸，大压力模拟舱40内径为100-2000mm，高度为200-2000mm，小压力模拟舱41内径为20-1000mm，高度为100-1000mm，大压力模拟舱40和小压力模拟舱41内部的压力相近，使得小压力模拟舱41的舱体壁厚减小，能够减小成本与温度平衡时间；耐压盘管45内的液体介质100与恒温槽12内的液体介质100在潜泵16的作用下进行循环，通过液体介质100的循环交流实现大压力模拟舱40和小压力模拟舱41内外液体介质100的温度平衡；耐压盘管水密接口46能够同时设置在大压力模拟舱40和小压力模拟舱41的顶部或底部，也能够在顶部或底部各设置一个；标准海洋传感器47是经过校定的且带有耐压外壳的用来精确监测所处环境温度、盐度和压力参数的传感器，大压力模拟舱40中的标准海洋传感器47不受压力影响；待检测海洋传感器48是被检测的温度、盐度和压力传感器；印制电路板50上集成有电路模块、通讯模块和电源模块，对待检测海洋传感器48进行实时数据测量，并对数据进行存储，
印制电路板50的保护壳不受应力影响。
20.本实施例涉及的全海深海洋环境模拟舱使用时，压力模拟舱4置于控温主槽1内的液体介质100中，通过潜泵16将控温主槽1内的液体介质100打入耐压盘管45内，液体介质100从一个耐压盘管水密接口46进入耐压盘管45盘转后从另一个耐压盘管水密接口46出来，对大压力模拟舱40和小压力模拟舱41内的液体介质100进行高精度控温，确保大压力模拟舱40和小压力模拟舱41内液体介质100稳定后的温度波动度≤
±
0.0003℃；每次改变的大压力模拟舱40和小压力模拟舱41内的压力和盐度时，控温主槽1内的液体介质100都会在耐压盘管45内循环设定的时间段，在新压力和盐度状态下，实现大压力模拟舱40和小压力模拟舱41内外的温度平衡。
21.实施例2：
22.本实施例涉及的全海深海洋环境模拟舱的主体结构与实施例1的主体结构相同，不同之处在于压力传递方式，大压力模拟舱40与小压力模拟舱41通过两根连接杆42连接；小压力模拟舱41的顶部取消了压力舱水密接口44，增设了压力膜片200，压力膜片200与大压力模拟舱40内的液体介质100接触；伺服电缸8的一端与大压力模拟舱40的压力舱水密接口44管路式连接，另一端与压力泵7连接，压力泵7再与压力控制系统9连接；压力控制系统9通过压力泵7和伺服电缸8控制大压力模拟舱40的压力，大压力模拟舱40内的液体介质100受压后，将压力通过压力膜片200传递到小压力模拟舱41内的液体介质100中，从而改变小压力模拟舱40内的压力，小压力模拟舱40内的标准海洋传感器47能够精确感知压力的变化，实现精准测量。