[发明专利]基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置及方法

说明书

本发明属于海底环境观测技术领域和海洋工程地质技术领域，涉及一种基于自然电位测量海底边界层原位实时监测装置及方法。本发明采用的观测装置是自然电位测量探杆，其电极为稳定性较高的固态环形参比电极，无需对电极供电，不受电极极化影响；测量的是海水与海底沉积物两种不同物质因自然电位产生的电势差值，通过两电极间电势差的大小来确定海床界面，反映海床面上下物质浓度的变化；且探杆结构简单，监测方法清晰明了，监测精度高。

技术领域

本发明属于海底环境观测技术领域和海洋工程地质技术领域，涉及一种基于自然电位测量海底边界层原位实时监测装置及方法。

背景技术

海底边界层不是一个固定的单相的层面，是指海床界面上下一定范围内因水动力与海床相互作用而产生的一个区域，该区域既包含受扰动的水流又包括海床以下受到扰动的沉积层。这个层位内频繁发生着能量的传输及海水与海床的物质交换，正是由于这种动力过程的存在，使得研究海底边界层可以较好的描述海底沉积物的侵蚀淤积过程，对海床的侵蚀淤积演化过程有重要的研究意义。

目前对于海底边界层原位监测的方式主要靠声、光、电三方面的技术进行实现，当前光学、声学的方式只能在海床之上观测海床面及海床面以上的变化，无法对海床下部的沉积物进行较好的观测，用电阻率测量的方法可以实现这种对海床上下部分都进行监测的功能，如深海海底边界层动态观测装置和方法（专利号：CN201810276805.7）。上述的监测方式虽然可以实现海床下部分的观测，但其监测频率及周期仍然受到电池容量的限制，且没有解决电极在水中发生极化的问题无法精确测量水中悬沉积物浓度，另外没能建立起海床上下边界层变化与测量参数间的关系。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了海底边界层原位长期观测方法的新思路，基于不同环境场自然电位差异的原理，利用自然电位测量探杆，无需电池供电不会产生极化现象，既能监测到水中沉积物浓度，还能识别海床界面以下沉积物的孔隙度，真正意义上的实现海底边界层实时的长期原位观测。

为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：

一种基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测装置,包括自然电位测量探杆和主控装置,所述自然电位测量探杆中部为杆体,杆体顶部设置有采集舱，杆体底部设置有高强度的锥尖，方便杆体插入海床，沿杆体长度方向等距预留有多个用于放置环形固体参比电极的凹槽,凹槽对应各个固体参比电极的放置,所述主控装置包括放置在采集舱内部的采集仪及数据传输设备，采集仪输入端通过线路电性连接环形固体参比电极，输出端通过线路电性连接数据传输设备。各个固体参比电极之间相互是不连接的，采集舱内有电路板，电路板上有分别控制各个电极的单独开关。全固态免维护参比电极导电性能高、使用时不会出现极化现象，所述的全固态免维护参比电极在使用时无需供电。杆体为非导体材料制成且具有较大的强度，中间预留通道走线；所述环形电极为稳定性较好的固态参比电极，沿所述杆体长度方向由非导体密封材料，等间距固定在所述杆体的预留凹槽内。

作为优选,所述环形固体参比电极，制作时以钛合金为骨架，表面均匀涂抹石墨烯材料，石墨烯厚度在0.1-1mm之间，涂抹后置于烤箱中在150℃高温下维持30分钟左右即可。

作为优选,所述采集舱内还设有电路板，采集仪内含高精度电压表且自带数据处理及存储功能，采集仪有两种方式均可：自容式（频率预先设定好，程序控制）或实时传输式（频率实时设定，远程控制），多个环形固体参比电极分别连接电压表并通过电路板上的开关单独控制。

作为优选,所述采集舱顶部和侧面设有方便提拉或固定的挂钩。

利用所述装置基于自然电位测量的海底边界层原位实时监测方法，包括如下步骤：

1）将两个固体参比电极分别放入预监测区清澈海水与海床沉积物中，得到自然电位的差值作为参考值V；测量时电压表正极连接清澈海水中的固态参比电极，负极连接所述海床沉积物中的固态参比电极；