深海热液原位探测技术研究及其原型系统集成

论文摘要

本论文开展了对深海热液温度和pH值原位探测的研究工作,为此分别研制了深海热液原位多点温度探测系统和长期原位pH值探测系统。原位多点温度探测系统具备九路测温通道,能获知热液烟囱形成过程的温度参数;长期原位pH值探测系统具备pH探测电极自校正的功能,能实现深海热液pH值的长期原位探测。论文针对pH探测电极不能长时间直接用于深海热液的pH值探测,提出了采用深海流体控制技术在海底实现pH探测电极自校正的技术措施。为了解决深海流体控制技术中耐高压的问题,采用压力补偿的方式设计了一种在深海高压环境下能自适应压力变化的流体控制系统,从而为实现深海热液pH值的长期原位探测提供了坚实的技术支持。针对两种深海热液原位探测系统的实现过程,论文对其机电集成技术进行了全面的研究,其中,对深海热液pH值探测的探头研制解决了pH探测电极自校正过程中的换液问题。为了验证所研制的两种原位探测系统的可靠性,论文最后对两种系统的海试进行了介绍。本论文的主要内容分为六章:第一章以国内外大量文献作为基础,通过介绍热液成矿、热液羽状流以及热液环境中的生命现象的研究概况,引出了对深海热液活动的几种探测方式的介绍,其中重点介绍了深海热液原位探测的特点、内容、研究现状以及关键技术。最后,提出了本文研究的目的、意义和主要内容。第二章分析了深海热液原位多点温度探测系统和长期原位pH值探测系统的探测原理,重点介绍了热电偶的冷端补偿原理和pH探测电极的自校正原理,并在此基础上提出了采用深海流体控制技术在海底实现pH探测电极自校正的技术措施。第三章对深海热液长期原位pH值探测系统的流体控制技术进行了理论与实验研究。采用压力补偿的方式,设计了一种在深海高压环境中能自适应压力变化的流体控制系统,从而解决了深海流体控制技术中耐高压的问题。考虑在海水中下降与上升的实际过程,对该流体控制系统进行了单向阀保护。为了确知该流体控制系统的动态性能,采用功率键合图法对其进行了建模与仿真,仿真结果表明:该流体控制系统即使通过压力补偿的方式能实现内外压平衡,但不能无限地应用于高压环境下,而且在排水时,系统会发生振动现象。为了验证流体控制系统压力补偿措施的可靠性,对该流体控制系统进行了由简到繁的定性的高压实验,实验结果表明该流体控制系统能够应用于高压环境,而且单向阀保护措施是可靠的。第四章对两种深海热液原位探测系统所涉及的机电集成技术进行了全面的研究,包括能量供给技术、控制技术、封装技术、探头技术以及数据采集技术等。其中,在能量供给技术中,研制了一种七十节电池的供能装置并测试了其放电能力,测试结果表明此能量可供系统工作2月之余;在控制技术中,研制与开发了深海热液长期原位pH值探测系统的主控电路板及其相应的软件,并进行了联调实验,实验结果表明研制的主控系统达到了预期的功能;在封装技术中,探讨了深海机电设备封装技术的一些共性问题,并给出了深海高压容器的设计规则;在探头技术中,为了解决pH探测电极自校正过程中的换液问题,采用结构参数仿真的方法对深海热液长期原位pH值探测系统的pH探测腔进行了设计,并对其进行了换液效果的实验测试,测试结果表明该pH探测腔具有很好的换液效果,从而为深海热液探测中涉及换液过程的探头研制提供了可以借鉴的经验;在数据采集技术中,探讨了针对pH和温度探测的前向测量通道。第五章首先介绍了深海热液原位多点温度探测系统的海试实验,实验结果表明所研制的系统在机电集成方面是可靠的。海试获得了大量的温度数据,为进一步的科学研究提供了原始的数据。其次,本章对深海热液长期原位pH值探测系统的高压实验进行了详细的介绍,实验结果表明研制的深海流体控制系统以及所采用的各种机电集成技术经受住了高压的考验,从而为该系统的海试打下了坚实的基础。最后,本章对深海热液长期原位pH值探测系统的海试进行了介绍,海试亦获得大量有价值的数据,从而再次表明研制的该套系统具有较高的可靠性。第六章对全文内容进行了总结,并为今后的研究工作提出了一些建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 人类对深海热液活动研究的概述
• 1.2 深海热液探测方式简介
• 1.3 深海热液原位探测概述
• 1.3.1 深海热液原位探测的特点与内容
• 1.3.2 深海热液原位探测的研究现状
• 1.3.3 深海热液原位探测的关键技术
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 课题研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 深海热液原位探测系统的探测原理
• 2.1 引言
• 2.2 深海热液原位多点温度探测系统的探测原理
• 2.3 深海热液长期原位pH值探测系统的探测原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 面向深海热液pH值原位探测的流体控制技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 深海热液长期原位pH值探测系统的流体控制系统的设计
• 3.2.1 采用单向阀配合泵工作的流体控制系统
• 3.2.2 采用二位三通阀配合泵工作的流体控制系统
• 3.2.3 采用二位二通阀配合泵工作的流体控制系统
• 3.3 流体控制系统的压力补偿
• 3.3.1 流体控制系统压力补偿的结构及原理
• 3.3.2 压力补偿过程的建模
• 3.4 流体控制系统在海水中升降过程的压力保护
• 3.5 基于功率键合图的流体控制系统的动态性能研究
• 3.5.1 流体控制系统键合图的绘制
• 3.5.2 流体控制系统数学模型的建立
• 3.5.2.1 标准液通道吸水过程的数学模型
• 3.5.2.2 标准液通道排水过程的数学模型
• 3.5.3 流体控制系统的仿真与动态性能分析
• 3.6 流体控制系统的高压验证实验
• 3.6.1 单个元器件的耐压测试
• 3.6.1.1 二位二通阀的耐压测试
• 3.6.1.2 泵的耐压测试
• 3.6.2 泵和阀组成的小系统的耐压测试
• 3.6.3 带有单向阀保护的流体控制系统的耐压测试
• 3.7 本章小结
• 第四章 深海热液原位探测系统的机电集成技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 深海热液原位探测系统的能量供给技术
• 4.3 深海热液原位探测系统的主控技术
• 4.3.1 主控系统的硬件电路设计
• 4.3.2 主控系统的软件开发
• 4.3.3 主控系统的联调实验
• 4.4 深海热液原位探测系统的封装技术
• 4.5 深海热液原位探测系统的探头技术
• 4.5.1 pH探测腔的基本结构
• 4.5.2 pH探测腔的结构参数仿真
• 4.5.3 pH探测腔换液效果的实验测试
• 4.6 深海热液原位探测系统的数据采集技术
• 4.7 深海热液原位探测系统的实现
• 4.8 本章小结
• 第五章 深海热液原位探测系统的实验研究
• 5.1 深海热液原位多点温度探测系统的实验研究
• 5.2 深海热液长期原位pH值探测系统的实验研究
• 5.2.1 实验室高压实验
• 5.2.2 海试实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 论文创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 项目来源
• 攻读博士学位期间获得的科研成果及奖励
• 致谢