基于流控技術(shù)的深海熱液化學(xué)長期測量原位自校正平臺研究.pdf

1、自從1977年在Galápagos群島海域發(fā)現(xiàn)了熱液活動(dòng)以來，熱液研究就成為國際海洋研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。熱液巨大的化學(xué)量和溫度梯度特征使原位測量成為熱液探測的主要手段。原位電化學(xué)傳感器由于成本和測量精度方面的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在熱液的探測活動(dòng)中，例如pH，H2，H2S和S2-等化學(xué)電極。化學(xué)電極的漂移特性嚴(yán)重影響到了原位數(shù)據(jù)的實(shí)用價(jià)值，是化學(xué)電極在高溫、強(qiáng)腐蝕性的熱液流體中進(jìn)行長期測量的重要障礙。原位標(biāo)定能準(zhǔn)確反映化學(xué)電極的工作性能，克服電極信

2、號漂移給準(zhǔn)確性帶來的影響，提高原位長期測量數(shù)據(jù)的使用價(jià)值。研制利用標(biāo)準(zhǔn)溶液對化學(xué)電極進(jìn)行原位標(biāo)定的儀器是迫切需要的。本論文對原位化學(xué)測量的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究和分析，設(shè)計(jì)了基于流控技術(shù)的深海熱液化學(xué)測量原位自校正平臺，并實(shí)驗(yàn)證明了原位標(biāo)定的有效性。
　　 本文對深海原位標(biāo)定所涉及的流動(dòng)控制系統(tǒng)和探頭腔進(jìn)行了研究。首先根據(jù)作業(yè)要求的不同，設(shè)計(jì)了分別應(yīng)用于深海熱液原位長期觀測和原位在線探測的流動(dòng)控制系統(tǒng)。然后根據(jù)熱液流體高溫、強(qiáng)腐

3、蝕的特性研制了集成在原位長期觀測探頭腔中的小型傳感器腔和耐高溫電磁閥。傳感器腔通過壓縮多孔Viton密封件的方式來密封多種金屬電極和熱電偶，腔體內(nèi)容積只有1.03mL，具有較高的溶液替換效率。沖洗實(shí)驗(yàn)表明大流速能提高傳感器腔的溶液替換速度，但受到化學(xué)電極響應(yīng)速度的制約將最大系統(tǒng)流速定為10ml/min。耐高溫電磁閥采用Viton閥座-鈦合金錐形閥芯接觸密封結(jié)構(gòu)，通過有限元分析和密封實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，選定了60°錐角閥芯

4、結(jié)構(gòu)。高溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)證明原位長期觀測探頭腔能對高達(dá)100℃的熱液流體展開探測。設(shè)計(jì)了一種適用于原位在線探測的探頭腔，具有34cm的細(xì)長探頭端，適合在機(jī)械手操作下對高達(dá)150℃熱液生物區(qū)進(jìn)行小尺度的精細(xì)測量。
　　 通過數(shù)值計(jì)算和仿真得到典型熱液噴口附近的溫度場分布，為探頭腔的安全布放位置提供依據(jù)。熱液溫度場梯度主要取決于熱液噴口的初始溫度和流速。采用仿真方法獲得處于熱液噴口上方的探頭腔表面流體的溫度梯度和速度梯度，然后利用傳熱學(xué)方

5、法計(jì)算出兩個(gè)探頭腔內(nèi)部的瞬態(tài)傳熱過程。由于傳感器的數(shù)值穩(wěn)定性受到溫度變化的影響，探頭腔需要在同外界熱液達(dá)到熱平衡后開始運(yùn)行。電磁鐵溫度上升超過線圈的絕緣等級會(huì)導(dǎo)致探頭腔中的電磁閥失效，因此利用數(shù)值計(jì)算得出電磁閥的在不同環(huán)境溫度下的最長工作時(shí)間和最短休眠時(shí)間，為系統(tǒng)海底長期工作探測和標(biāo)定時(shí)序安排提供參考。
　　 將傳感器原位在線探測技術(shù)和基于流動(dòng)控制的原位標(biāo)定技術(shù)結(jié)合起來，形成了兩套深海原位化學(xué)探測系統(tǒng)，即深海熱液原位長期觀測系統(tǒng)

6、和原位在線探測系統(tǒng)。原位長期觀測系統(tǒng)適用于獲取熱液化學(xué)長期連續(xù)的變化，原位在線探測系統(tǒng)適用于獲取熱液化學(xué)在空間上的分布梯度。自校正平臺作為一個(gè)多種化學(xué)電極通用的原位標(biāo)定平臺為化學(xué)電極在深海長期測量提供原位校正的功能。通過低功耗設(shè)計(jì)，原位長期觀測系統(tǒng)可對低于100℃的熱液流體展開1-6個(gè)月的長期化學(xué)觀測，獲取熱液化學(xué)隨時(shí)間變化的規(guī)律。通過海底觀測網(wǎng)提供電力和通訊，可以在深海展開長期、連續(xù)和直接的觀測，使科學(xué)家實(shí)時(shí)監(jiān)測海底環(huán)境的變化。原位在