一种可消除压力振荡现象的拖曳式温盐深探头

1.本发明涉及海洋环境监测技术领域，特别涉及一种可消除压力振荡现象的拖曳式温盐深探头。


背景技术：

2.在海洋水文调查中，海水温度、盐度和深度是三个最基本的参数。拖曳式温盐深测量探头是一种可以快速测量海水温度、盐度和深度参数的仪器。海水温度由温度传感器测量，盐度由电导率传感器测量，深度由压力传感器测量。
3.目前的拖曳式温盐深探头，都是利用压力传感器测量海水压力，从而计算出海水深度的。在使用压力传感器动态快速测量海水深度剖面时，会存在压力振荡现象，具体表现为压力传感器测得的压力数据存在锯齿形的波动，如图1所示，这种现象会对海水深度数据的准确性产生较大的影响。
4.目前的拖曳式温盐深探头都有一个钢护套，位于探头的前部，钢护套内部是中空的，内部装有配重铅块，这样可以使探头整体的重心位于探头的下部，使探头在下落过程中保持竖直的状态，不至于在海流的作用下产生倒伏或者翻滚，造成测量失败。
5.压力传感器安装在钢护套上部的连接件上，由钢护套保护。钢护套内的配重铅块中间留有一个水流通道，该通道使外部海水与压力传感器相通。探头在海水中下落时，水流通道内充满海水，海水与压力传感器接触，压力传感器测出所处位置的海水压力。
6.造成压力振荡现象的原因是由于探头钢护套的水流通道内部充满海水，探头的下落速度与该通道内海水的排出速度无法同步，也就是由于结构上的缺陷，使得通道内的海水无法顺利及时排出，这样就会在水流通道内和压力传感器的前方产生湍流堆积，该湍流的存在就会对压力传感器造成额外的冲击，使得压力传感器测得的数据出现忽高忽低的波动，无法准确反映探头所处深度的海水压力，从而影响测量数据的准确性。另外，探头下落时，海水通过水流通道的直接冲击也会加剧这种现象。
7.另外，目前的拖曳式温盐深探头的温度传感器和电导率传感器安装在钢护套前端的首端盖上，它们与压力传感器不处于同一平面，中间存在高度差，这样就会造成在同一时刻，温度传感器和电导率传感器测量的数据与压力传感器测量的数据不是同一水层的，这就会造成测量数据的空间差异性，使得获取的数据不能反映真实情况。
8.另外，目前的拖曳式温盐深探头的配重是使用铅块，铅块会对海洋造成一定的污染。


技术实现要素：

9.为解决上述技术问题，本发明提供了一种可消除压力振荡现象的拖曳式温盐深探头，以达到消除压力振荡现象和测量数据的空间差异性，提高测量准确性的目的。
10.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种可消除压力振荡现象的拖曳式温盐深探头，包括依次连接的配重头、耐压舱
和尾杆，所述耐压舱内前端安装有传感器安装端盖，所述传感器安装端盖上安装有压力传感器、温度传感器和电导率传感器；所述配重头内部为中空结构，所述压力传感器、温度传感器和电导率传感器位于配重头的内部空腔内，所述配重头的壳体上由下到上沿圆周方向依次均匀开设有入水孔、中间孔和导流孔，所述入水孔、中间孔和导流孔的数量均为6个，且所述中间孔和导流孔位于同一直线上，所述入水孔与中间孔和导流孔在圆周方向上有30
°
夹角。
11.上述方案中，所述导流孔为斜孔，且所述导流孔的中轴线与配重头的中轴线之间的夹角为33.75
°
，可以提高配重头内海水流出的速度，防止湍流堆积。
12.上述方案中，所述压力传感器位于所述传感器安装端盖的中心，所述温度传感器和电导率传感器分布于压力传感器的两侧。
13.上述方案中，所述配重头的最前端为平台结构，用于在探头下落时产生一定的阻力，起到调节探头下落速度的作用。
14.上述方案中，所述中间孔为条形孔，且所述中间孔的横截面积大于入水孔和导流孔的横截面积，用于配重头内外海水充分交换。
15.上述方案中，所述配重头为316l不锈钢材质，不含铅块，对海水无污染。
16.上述方案中，所述配重头的壳体上端设置有内螺纹，用于将配重头与传感器安装端盖相连接。
17.上述方案中，所述耐压舱内部安装有数据采集和处理电路板、供电电池和磁开关。
18.通过上述技术方案，本发明提供的一种可消除压力振荡现象的拖曳式温盐深探头具有如下有益效果：1、本发明在配重头的壳体上开设三排孔，其中，入水孔围绕配重头前端圆周排列，用于引导海水进入配重头内，中间孔用于配重头内外海水充分交换，导流孔用于引导配重头内部海水排出并起到消除湍流的作用，避免对压力传感器造成额外的冲击，有利于提高测量数据的准确性。
19.2、本发明的中间孔和导流孔位于同一直线上，且入水孔与中间孔和导流孔在圆周方向上有30
°
夹角，可以保证在探头下落过程中，配重头内部海水流场的稳定性，避免由于缆绳的释放产生的探头旋转而造成的内部湍流；并且可以保证配重头内部流体在到达压力传感器处时速度接近为零，保证外部水流不会对压力传感器产生额外的冲击，避免压力数据的失真。
20.3、本发明的温度传感器、电导率传感器和压力传感器均布置在传感器安装端盖上，三者处于同一平面，保证了三者测量的数据均为同一水层，有利于提高测量数据的真实性。
21.4、本发明的导流孔为斜孔，且导流孔的中轴线与配重头的中轴线之间的夹角为33.75
°
，斜孔可以提高配重头内海水流出的速度，防止湍流堆积。
22.5、本发明的配重头的最前端为平台结构，并不是完全圆锥形状，平台结构用于在探头下落时产生一定的阻力，起到调节探头下落速度的作用。
23.6、本发明的压力传感器位于所述传感器安装端盖的中心，由于配重头前端中心处没有入水孔，因此，海水不会对压力传感器产生额外的直接冲击，这就进一步消除了产生压力振荡现象的可能。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
25.图1为现有的拖曳式温盐深探头测得的压力数据曲线图；图2为本发明实施例所公开的拖曳式温盐深探头结构示意图；图3为本发明实施例所公开的传感器安装端盖平面示意图；图4为本发明实施例所公开的配重头整体结构示意图；图5为本发明实施例所公开的入水孔排列图；图6为本发明实施例所公开的配重头剖视图；图7为本发明实施例及对比例的仿真模拟流场结果图，（a）为实施例1，（b）-(l)分别为对比例1至对比例11。
26.图中，1、配重头；2、耐压舱；3、尾杆；4、传感器安装端盖；5、压力传感器；6、温度传感器；7、电导率传感器；8、入水孔；9、中间孔；10、导流孔；11、平台结构；12、内螺纹。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
28.实施例1本发明提供了一种可消除压力振荡现象的拖曳式温盐深探头，如图2所示，包括依次连接的配重头1、耐压舱2和尾杆3。其中，配重头1的作用是使探头的整体重心处于下部，使探头工作时始终保持竖直状态。配重头1由316l不锈钢制成，不含铅块，对海水无污染。
29.耐压舱2内部安装数据采集和处理电路板、供电电池组、磁开关等部件。耐压舱2内前端安装有传感器安装端盖4，如图3所示，传感器安装端盖4上安装有压力传感器5、温度传感器6和电导率传感器7；三者处于同一平面，保证三者测量的数据均为同一水层。其中，压力传感器5位于传感器安装端盖4的中心，温度传感器6和电导率传感器7分布于压力传感器5的两侧，由于配重头1前端中心处没有入水孔8，因此，海水不会对压力传感器5产生额外的直接冲击，这就进一步消除了产生压力振荡现象的可能。
30.尾杆3上绕有一定长度的缆绳，工作时，随着探头的不断下落，缆绳逐渐释放直至释放完毕。工作结束后，探头通过缆绳被回收。
31.配重头1内部为中空结构，压力传感器5、温度传感器6和电导率传感器7位于配重头1的内部空腔内。如图4所示，配重头1的壳体上由下到上沿圆周方向依次均匀开设有入水孔8、中间孔9和导流孔10，入水孔8、中间孔9和导流孔10的数量均为6个，其中，入水孔8用于引导海水进入配重头1，如图5所示，入水孔8围绕配重头1前端四周排列，配重头1中间不开孔，以消除探头下落时海水对传感器的直接冲击；中间孔9在配重头1中部均匀排列，用于配重头1内外海水充分交换；导流孔10在配重头1后部均匀排列，用于引导配重头1内部海水排出并起到消除湍流的作用。
32.特别的，中间孔9和导流孔10位于同一直线上，入水孔8与中间孔9和导流孔10不处于同一直线上，而是在圆周方向上有30
°
夹角。由于探头尾杆3上绕有缆绳，缆绳在探头下落过程中会逐渐释放，缆绳的释放反过来会对探头产生一定的扭矩，导致探头在下落过程中
会有轻微的旋转，因此，将入水孔8与中间孔9、导流孔10之间设计有30
°
的错位，可以更好的保证探配重头1内部流场的稳定性，同时可以保证配重头1内部流体在到达压力传感器5处时速度接近为零，保证外部水流不会对压力传感器5产生额外的冲击，造成压力数据的失真。
33.本实施例中，如图6所示，导流孔10为斜孔，且导流孔10的中轴线与配重头1的中轴线之间的夹角为33.75
°
。斜孔可以提高配重头1内海水流出的速度，防止湍流堆积。
34.配重头1的最前端并不是完全圆锥形状，而是平台结构11，用于在探头下落时产生一定的阻力，起到调节探头下落速度的作用。
35.本实施例中，中间孔9为条形孔，且中间孔9的横截面积大于入水孔8和导流孔10的横截面积，用于配重头1内外海水充分交换。
36.配重头1的壳体上端设置有内螺纹12，用于将配重头1与传感器安装端盖4相连接。传感器安装端盖4的另一端与耐压舱2相连。
37.仿真模拟：本发明针对入水孔8、中间孔9和导流孔10的数量设置了多组对比例，具体组合情况见表1。
38.表1不同对比例的入水孔8、中间孔9和导流孔10的数量本发明还设置了对比例10，将入水孔8、中间孔9、导流孔10开设在同一直线上。
39.本发明还设置了对比例11，将导流孔10设置为无倾斜角，即导流孔10中轴线与配重头1中轴线之间的角度为90
°
。
40.针对上述实施例1以及对比例1-11，采用流体力学fluent方法模拟内部流场情况，模型仿真域为配重头1腔内流场，经仿真软件模拟计算后，实施例1以及对比例1-11的流场仿真结果如图7中（a）-（l）所示。
41.从流场仿真结果可以看出，在探头下落过程中，外部水流进入配重头1内部时，对比例1-11不合理的结构设计会使得水流与配重头1内壁以及传感器发生撞击，水流会在配重头1内部形成撞击束，这会影响水流顺利流出，从而产生湍流，造成湍流堆积，产生压力振
荡现象。
42.本发明实施例1的优势在于海水进入配重头1后没有出现明显的撞击现象，这使得海水可以与温度传感器6和电导率传感器7更加及时充分的接触，提高数据获取的实时性，进而提高数据的准确性。另外，可以看到本发明实施例1中，水流在接近压力传感器5的位置时速度趋于静止，同时没有相对较为强烈的湍流存在，接近静止的水流不会对压力传感器5造成额外冲击，从而产生额外的压力，影响压力传感器5的测量准确性，因此，本发明实施例1的结构具有更加合理的内部流场，更有利于海水进行快速充分的交换，并消除压力振荡现象。
43.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。