一種浮標式的溫鹽傳感器載體裝置

王珍珍 丁森 宋升鋒 劉迎迎 鄭智勇 鄭聰聰 丁一

摘要：表層海水鹽度是海洋水文觀測中十分重要的觀測項目之一， 對其連續觀測數據進行統計分析 ， 可獲得本海域表層海水鹽度狀況及變化規律 ， 對海上防災減災 ， 促進海洋經濟發展有著重要的意義。因此能否獲取可靠的觀測數據就非常重要。文章介紹一種浮標式的溫鹽傳感器載體裝置 ， 由防纏繞固定模塊、浮體配重模塊和防護過濾模塊3部分組成 ， 既能防海水污損 ， 又能減少物理（纏繞、振動、碰撞）因素的影響 ， 大大提高了溫鹽傳感器的使用壽命及觀測數據的連續性和可靠性 ， 并且維護方便 ， 非常適合海洋站使用。

關鍵詞：表層海水鹽度;溫鹽傳感器;浮標式載體裝置

中圖分類號：P7????? 文獻標志碼：A文章編號：1005 9857（2022）03 0068 04

A Buoy Carrier Device for Temperature and Salt SensorsWANGZhenzhen，DING Sen，SONG Shengfeng，LIU Yingying，

ZHENG Zhiyong，ZHENG Congcong，DING Yi

（State Oceanic Administration Beihai Forecast Center，Qingdao 266061，China）

Abstract;Surface seawater salinity is one of the most important items in marine hydrological ob-servation. By statistical analysis of its continuous observation data，the salinity and variation lawof surface seawater in this sea area can be obtained，which is of great significance to marine disas-ter prevention and mitigation，to promote the development of marine economy. Therefore it isimportant to access to reliable observational data. This paper introduced a kind of buoy tempera-ture and salt sensor carrier device. which was composed of three parts： anti-winding fixing mod-ule，floating body counterweight module and protection filter module. It could not only preventseawater fouling，but also reduce the influence of physical （ winding，vibration，collision ）factors，greatly improve the service life of temperature and salt sensor and the continuity and reli-ability of observation，and was convenient to maintain，so it was very suitable for ocean station.Keywords ： Surface salinity，Temperature sensor，Buoy carrier device

0 引言

海水鹽度是海洋水文觀測中十分重要的觀測項目之一，海洋鹽度與海洋溫度、海洋流場一起 ， 構成海洋動力學中最基本的3個要素。其中 ， 海洋鹽度在海洋中尺度現象、海洋溫鹽環流、海氣相互作用和海洋淡水收支平衡等過程起著重要作用 ， 也是研究全球氣候變化及天氣預報模式的重要依據。鹽度的觀測對促進海洋經濟發展、海洋工程建設、海洋防災減災、海洋權益維護、海洋環境保護、海域使用管理、海上執法監察、突發事件應急觀測、新型海洋要素觀測、國防安全等領域都具有十分重要的意義。例如 ，鹽度對漂浮滸苔生理生態的影響[1] ， 以及船舶的吃水與安全行駛 ，并直接影響某些與海水導電性能有關的器材的使用;厄爾尼諾和黑潮[2]及洋流流向等許多海洋現象和過程都與海水鹽度變化有關。因此 ，鹽度要素觀測是海洋觀測工作中一項長期的重要的任務 ， 也是研究海洋許多過程的一個重要指標。所以獲取鹽度準確可靠的觀測數據有著重要意義。

海洋站根據《海濱觀測規范》（GB/T14914-2006）的規定建設溫鹽井[3] ，選用國家海洋技術中心生產的 YZY4-3型溫鹽傳感器 ， 以不同的方式將溫鹽傳感器投放到溫鹽井中 ，獲取觀測海域的鹽度值。

大部分海洋站都選用浮子式載體裝置[4] ， 溫鹽傳感器固定在定做的浮子中間 ， 電纜預留的長度適合最低潮位 ， 通過吊掛系統 ， 溫鹽傳感器在井內隨潮汐自由升降 ， 以觀測海水表面到0.5 m 深度的鹽度[5] ， （每3S采樣一次 ， 連續采樣1 min， 經誤差處理后 ，用整點前1 min的平均值 ，作為該整點的觀測值）。

通過對浮子式載體裝置使用情況調查研究發現 ，浮子式載體裝置普遍存在4種不足。①潮汐高潮時 ，易受海浪影響 ， 特別是大風大浪的天氣 ， 浮子不停隨浪運動 ， 造成上掛電纜發生纏繞 ， 浮子卡在井壁某處 ， 只能等到再次漲潮時 ， 上漲的海水才使浮子回歸正常 ， 期間就造成溫鹽觀測數據缺失。②潮汐低潮時 ， 浮子遠離電纜固定點 ， 外力作用使浮子、溫鹽傳感器擺動幅度大 ， 浮體易傾斜 ， 造成浮子易卡在井壁某處 ， 這種情況發生概率非常高 ， 極容易造成溫鹽傳感器損壞以及原始數據缺失。③很容易被海水中有水機污染物、無機污染物[6]附著 ，使其不能正常工作 ，平均7 8天就造成溫鹽傳感器測量數值偏離該海區正常值 ， 因此每個月需要對溫鹽傳感器至少維護清理3 4次 ，嚴重影響溫鹽傳感器正常工作。④浮子在溫鹽井中隨浪運動 ， 隨時都會與井壁發生碰撞 ， 極容易造成溫鹽傳感器的損壞 ， 降低溫鹽傳感器的使用壽命。為了應對以上情況 ，海洋站每年都要投入大量人力、物力對溫鹽傳感器進行定期維護保養 ， 甚至更換溫鹽傳感器。因此 ，本研究提出經濟實用的浮標式載體裝置 ， 徹底解決上述問題 ， 以獲得連續性、準確性的觀測數據。浮標式載體裝置的安裝要求和浮子式一樣 ， 溫鹽傳感器固定在定做的浮標中間 ， 電纜預留的長度適合最低潮位 ，溫鹽傳感器在井內隨潮位的變化自由起伏 ， 以觀測海水表面到0.5 m 深度的鹽度。

1 浮標式的載體裝置

浮標式載體裝置由防纏繞固定模塊、浮體配重模塊和防護過濾模塊3部分構成。防纏繞固定模塊：浮標的頂部設置4個等距吊扣 ，采用4根吊繩4點平衡吊掛 ，溫鹽傳感器用螺栓固定在其中兩個吊扣上 ，確保溫鹽傳感器垂直于水中 ， 且均衡受力。浮體配重模塊：在浮體的底部加配重 ， 保證浮體在全配時吃水線在浮體的2/3之處。浮體外壁設置3個導流槽 ，浮體直徑大則槽深 ，其延長線與浮體頂端中心軸線相交（導流槽可以選做 ， 如果所處海域海況很差就需要設計）。不銹鋼護筒與“過濾袋”組成防護過濾模塊 ， “過濾袋”置于網罩中 ， 護筒設計眾多直徑較大的通流孔 ， 使海水暢通無阻地進行交換。浮標式載體裝置技術關鍵就是過濾袋。既要透水性強 ，又要過濾性強 ， 兩者要統一又不能矛盾。過濾性強而透水性差 ， 容易造成過濾網孔的堵塞 ，影響海水暢通交換 ， 鹽度值一天就下降 ， 反之透水性強 ，過濾性差 ，就失去過濾意義 ，并且過濾材質最好是軟的 ，便于操作。

本研究介紹的浮標式載體裝置系統 ， 浮標可選用螺旋電纜[7]吊掛 ， 或者直線電纜吊掛。螺旋電纜具有抗磨損、抗撕裂的特性 ， 且有非常好的彈性 ， 一端固定在溫鹽井頂端 ， 另一端連接在浮標的固定模塊 ， 因浮標上的配重 ， 兩端對浮標起到拉伸作用 ， 減少浮標與井壁碰幢、摩擦。低潮時 ， 電纜可延伸到低潮位置 ，高潮時 ， 螺旋電纜自動回縮 ， 使海面上沒有多余的電纜 ， 并且可以通過電纜回收傳感器 ， 無須再掛接收繩 ，非常適用于直徑較小的溫鹽井。

直線電纜吊掛浮標 ， 預設電纜延伸到低潮位置 ，一端連接溫鹽傳感器 ， 另一端電纜穿過浮標的兩個線孔 ， 固定在溫鹽井頂端 ， 浮標底部的電纜用重錘、滑輪控制 ， 當浮標隨潮汐上漲時 ， 多余的電纜在重錘的作用下 ， 延滑輪下沉到海里。反之 ， 當浮標隨潮汐下降時 ， 多余的電纜則露出海面 ， 浮標沿著電纜隨潮汐自由升降。同樣可以通過電纜回收傳感器 ，無須再掛接收繩。實踐證明 ， 這兩種電纜吊掛方式效果都很好 ， 具體可根據溫鹽井的情況進行選擇。

防纏繞固定模塊：浮體的頂部設置4個吊扣 ，溫鹽傳感器用螺栓固定在其中2個吊扣上 ， 吊扣上4根吊繩采用4點平衡吊掛 ，一個豎直向上的電纜吊掛力 ，另一個垂直向下的浮體重量力 ， 兩個力方向相反。同時海浪的作用力與4根吊繩的向心力方向相反 ， 因此浮標的重心點上受力平衡。所以浮標在井中抗海浪能力特強 ， 不管高潮大浪 ， 還是低潮浮標遠離電纜固定點 ， 浮標都能平穩上下移動。此模塊解決了電纜纏繞、浮體傾斜、傳感器卡在井壁某處等現象 ，解決了原始數據缺失。

浮體配重模塊：浮體外壁設置3個導流槽 ，其延長線與浮體頂端中心軸線相交 ， 浮標在平衡狀態下 ，導流槽的作用可忽略不計 ， 當潮汐變化時 ， 進入導流槽的海水形成“三角支架”的作用 ， 浮標在水中的穩定性得到提高。且浮體橫截面積減小 ， 浮標能更好地切入水中 ， 平穩地上下移動（如果海況不是很差 ，浮體可不做3條導流槽）。浮體的底部加配重 ，浮標在豎立狀態 ， 重心和接觸點的距離最小 ， 即重心最低 ，上輕下重的物體在水中比較穩定。配重對浮標的穩定性非常重要 ， 這樣的浮體配重模塊配置 ，使浮體有了很好的平衡性 ， 受海況影響較小 ， 溫鹽傳感器在井中能平穩地上下移動 ，解決了浮體前后左右擺動易卡在井壁上的問題 ， 同時解決了原始數據缺失的問題。

防護過濾模塊：海水對傳感器的污損主要表現為海洋生物 ， 海水中沉積物附著在傳感器上 ， 造成傳感器觸點與海水接觸不良 ， 使測量數值偏離該海區正常值 ，每月最少需要人工清理3～4次 ，一年最少就是36次 ，才能保證溫鹽傳感器的正常使用。特別是到了夏季 ， 海域生物生長茂盛 ， 藻類等海洋生物容易附著在溫鹽傳感器上。同時降雨量大 ， 河流帶來大量有機廢液和生活污水 ，更縮短清理溫鹽傳感器的周期。本研究選用傳統的過濾法 ， 在溫鹽傳感器套上“過濾袋”對海水進行過濾處理 ， 阻斷了海洋生物、沉積物與溫鹽傳感器的接觸 ， 過濾網外邊套上護筒 ， 護筒既保護了過濾網 ， 也隔絕了溫鹽傳感器與外界的直接碰觸 ， 杜絕了與井壁的摩擦、碰撞。防護過濾模塊解決了溫鹽傳感器維護清理周期過短、易損壞的問題 ， 同時解決了清理溫鹽傳感器帶來的經濟問題 ， 提高了觀測數據的質量 ， 解決了觀測數據的準確性問題。

2 使用效果

2021年3月進行模擬實驗 ， 連續實驗30天 ，效果非常穩定。在溫鹽井實驗期間 ， 出現過大風大浪天氣 ，多次出現4級海況 ，浮標式載體裝置的3個模塊功能運行良好 ， 電纜沒有發生纏繞 ， 傳感器沒有卡在井壁 ，鹽度值不是波浪式的起伏不定 ， 延長了傳感器的清理時間 ， 減少損壞概率 ， 獲得原始數據完整準確。本研究介紹的浮標式溫鹽傳感器載體裝置三大模塊 ，解決了溫鹽傳感器振動、碰撞、電纜纏繞、海水污損問題 ， 避免了頻繁地清理溫鹽傳感器 ，提高了溫鹽傳感器的使用壽命 ， 同時提高了觀測數據連續性與準確性。

3 浮標安裝裝置不確定性分析

本研究介紹的浮標由防纏繞固定模塊、浮體配重模塊、防護過濾模塊3個部分構成 ，其尺寸（圖1）存在不確定性 ， 可根據溫鹽井的大小設計 ， 合適最好。本研究的防護過濾模塊可能存在不確定性。為提高溫鹽傳感器的觀測效果 ， 對海水進行過濾 ，而海水水質會影響過濾效果 ， 過濾模塊可以去除水中的懸浮物、大顆粒物質 ， 有效降低微生物附著在傳感器上概率 ， 保護傳感器觸點 ， 獲取正常的觀測數值 ，且不會對海洋生物造成影響 ， 危害生態系統。如果海水中懸浮物物質比較多 ， 或者其他原因的影響 ，可能就影響其過濾效果 ， 使觀測數值變小。如黃河入海口淺海海域泥沙等懸浮物較多 ， 海水渾濁 ，其過濾效果就存在不確定性 ， 效果就需要根據實際應用中得到驗證。

4 總結

本研究從實際出發 ， 通過對浮子式載體裝置及獲取觀測數據的調研分析 ， 而設計由防纏繞固定模塊、浮體配重模塊、防護過濾模塊構成的浮標式載體裝置。這種浮標式的溫鹽傳感器載體裝置解決了物理因素對傳感器的影響。特別是防護過濾模塊解決了溫鹽傳感器維護周期過短和傳感器易損壞的問題。其質量價值、經濟價值、社會價值都是質的飛躍 ， 實踐證明 ， 每項模塊功能都能獨立使用。物理因素對溫鹽傳感器的影響 ， 是各海洋站普遍存在的問題 ，本研究介紹的各項模塊裝置 ， 在目前現狀下 ，非常適合在海洋站中得到推廣 ， 以解決溫鹽傳感器載體普遍存在的問題。因為發展海洋觀測 ，獲取準確的觀測數據 ， 是建設海洋大數據平臺 ， 推動智慧海洋經濟的重要基礎 ， 是促進沿海地區經濟新突破的重要保證。

參考文獻

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