功能/作用介紹：海底沉積物的熱導(dǎo)率測(cè)試方法通常有兩種，一種是原位測(cè)量，如利用自身帶有脈沖加熱功能的LISTER型地?zé)崽结樤谏詈：５字苯訙y(cè)量，另一種是室內(nèi)測(cè)量，即利用采樣設(shè)備把海底柱狀樣品取上來，在室內(nèi)測(cè)量熱導(dǎo)率。前者在測(cè)量過程中，通常要求插入海底沉積物中的探針與作業(yè)船之間保持穩(wěn)定二十五分鐘左右，作業(yè)難度很大，測(cè)量設(shè)備極易損壞;后者是在實(shí)驗(yàn)室完成熱導(dǎo)率的測(cè)量，這樣作業(yè)船只要完成沉積物地溫梯度的測(cè)量，就可以極大地降低探針的水下作業(yè)時(shí)間，設(shè)備損耗的風(fēng)險(xiǎn)也可以大大降低，并且對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法測(cè)量獲得的熱導(dǎo)率基本一致。但是如果利用一套熱導(dǎo)率設(shè)備測(cè)量一根4m長(zhǎng)的柱狀沉積物樣品，需用時(shí)一周，效率很低。由于現(xiàn)階段這類高精度熱導(dǎo)率測(cè)量設(shè)備主要依賴國(guó)外進(jìn)口，雖然采用多臺(tái)套設(shè)備同時(shí)工作，可以縮短測(cè)量時(shí)間，提高效率，但是購(gòu)置費(fèi)用非常昂貴。如何提高室內(nèi)的測(cè)量效率，及時(shí)給海洋油氣勘探提供高精度、高質(zhì)量的地?zé)釁?shù)資料是一個(gè)迫切需要解決的技術(shù)問題。
中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開發(fā)的多通道熱導(dǎo)率測(cè)試儀，是基于非穩(wěn)態(tài)線熱源法原理來實(shí)現(xiàn)海底沉積物的熱物理性質(zhì)測(cè)量的，整個(gè)儀器系統(tǒng)包含高精度溫度測(cè)控、快速多通道測(cè)控、測(cè)量對(duì)象熱物理性質(zhì)解算、測(cè)量精度評(píng)價(jià)和儀器內(nèi)檢等核心技術(shù)，擁有1項(xiàng)發(fā)明專利、1項(xiàng)軟件著作權(quán)、1項(xiàng)實(shí)用新型專利。
多通道熱導(dǎo)率測(cè)試儀主要技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：
1)測(cè)量通道：8個(gè);
2)適用范圍：測(cè)量在常溫下(0～45℃)進(jìn)行;
3)測(cè)量范圍：0.10～12.00 W/m·K;
4)測(cè)量精度：?jiǎn)未螠y(cè)量精度優(yōu)于±5%，重復(fù)測(cè)量精度優(yōu)于±3%;
5)樣品加熱時(shí)間長(zhǎng)度、樣品加熱量強(qiáng)度、測(cè)量時(shí)間間隔可調(diào);
6)具有環(huán)境溫度漂移檢測(cè)功能,開始測(cè)量溫度漂移范圍可調(diào);
7)具有與PC機(jī)USB通信的能力;
8)系統(tǒng)電源：AC220V/50Hz。
多通道熱導(dǎo)率測(cè)試儀的基本工作流程是：首先檢測(cè)環(huán)境和樣品之間的溫度是否達(dá)到相對(duì)平衡;然后再激發(fā)熱脈沖能量，測(cè)量并記錄熱衰減過程中樣品的溫度變化數(shù)據(jù);最后根據(jù)溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)求算沉積物的熱導(dǎo)率值。
利用多通道熱導(dǎo)率測(cè)試儀可以測(cè)量海底物質(zhì)的熱物性，結(jié)合盆地演化認(rèn)識(shí)和數(shù)值手段,獲得各烴源層所經(jīng)歷的溫度史，借助有機(jī)質(zhì)成熟模型，揭示有機(jī)質(zhì)的成熟歷史，從而指導(dǎo)油氣的勘探開發(fā)。發(fā)展海底地?zé)釡y(cè)量的相關(guān)技術(shù)，可為我國(guó)海上油氣勘探作技術(shù)儲(chǔ)備。海底熱流值也是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)天然氣水合物資源潛力的重要依據(jù)。
主要性能及特色
教學(xué)性：(30分)根據(jù)多通道熱導(dǎo)率測(cè)試儀的工作原理和硬軟件結(jié)構(gòu)組成特征，該儀器可以開展以下實(shí)驗(yàn)：
1) 誤差的估計(jì)
2) 誤差的消除方法
3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
4) 測(cè)量讀數(shù)的處理
5) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法
6) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的列表表示法
7) 圖線表示法
8) 數(shù)據(jù)的線性化處理
9) 測(cè)量誤差的表示方法
10) 熱敏電阻的電阻溫度特性和測(cè)溫原理;
11) 熱敏電阻測(cè)量溫度
12) 惠斯通電橋的原理和使用方法
13) 測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)和曲線擬合
14) 高精度恒流源電路
15) 多路選擇器的設(shè)計(jì)
16) 電加熱及其測(cè)量
17) 數(shù)字濾波器應(yīng)用
18) 非穩(wěn)態(tài)線熱源法測(cè)量原理
19) 穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)傳熱的加熱方式
20) 海底沉積物導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定
21) 測(cè)溫儀器的定標(biāo)檢驗(yàn)
該裝置系統(tǒng)完整，有配套的使用說明書，可用于熱學(xué)、電工電子、測(cè)試技術(shù)、傳感器技術(shù)、油氣資源勘查、數(shù)學(xué)建模、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、巖石熱物理性等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含種類多，可以針對(duì)單門課程做基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也可以做擴(kuò)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)。儀器還能用于科學(xué)研究及油氣勘探生產(chǎn)。
科學(xué)性：(15分)熱導(dǎo)率測(cè)量方法分為穩(wěn)態(tài)測(cè)試和非穩(wěn)態(tài)測(cè)試，穩(wěn)態(tài)測(cè)量法精度高，但耗時(shí)長(zhǎng)、造價(jià)貴，測(cè)量過程中需要將樣品加工成巖餅或圓盤，不適合海底沉積物的熱導(dǎo)率測(cè)量。非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法測(cè)量快速、造價(jià)低廉，通過合理的設(shè)計(jì)，同樣能夠使儀器達(dá)到較高的精度。
經(jīng)過對(duì)各種非穩(wěn)態(tài)方法的熱導(dǎo)率測(cè)量模型進(jìn)行比較后，選擇了中心線熱源法。中心線熱源法有幾種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停簡(jiǎn)翁结樏}沖加熱、雙探針持續(xù)加熱和單探針持續(xù)加熱，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和研究基礎(chǔ)，選擇在海底沉積物測(cè)量中應(yīng)用單探針持續(xù)加熱的理論模型，該方法理論模型較為簡(jiǎn)單，首先檢測(cè)環(huán)境和樣品之間溫度是否達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定;達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，激發(fā)熱脈沖能量，測(cè)量并記錄熱衰減過程中樣品的溫度;根據(jù)溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)，求算沉積物的熱導(dǎo)率值。該方法測(cè)量速度快，精度較高，適用于固體、粉末、生物組織、液體、氣體的熱導(dǎo)率。
儀器科學(xué)性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1)研發(fā)了海底沉積物熱導(dǎo)率測(cè)量主機(jī)系統(tǒng)，包含：高精度高靈敏度的環(huán)境溫度檢測(cè)技術(shù)、測(cè)量探針結(jié)構(gòu)技術(shù)、多通道的熱脈沖控制與激發(fā)技術(shù)、多通道的高精度溫度測(cè)量技術(shù)以及外圍計(jì)算機(jī)的通訊控制、命令傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
2)研究了測(cè)量算法：中心線源法的二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)平面徑向熱流模型;建立根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)求算沉積物熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)的計(jì)算技術(shù)和多通道測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法。
3)測(cè)量精度評(píng)價(jià)和儀器內(nèi)檢：建立了一套高精度溫度校驗(yàn)、熱導(dǎo)率測(cè)量的標(biāo)定規(guī)程。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)定，分析統(tǒng)計(jì)測(cè)量復(fù)現(xiàn)率;與國(guó)外同工作原理的設(shè)備進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，評(píng)估了研發(fā)設(shè)備的測(cè)量精度。
4)儀器通過了國(guó)家級(jí)計(jì)量認(rèn)證單位(國(guó)家海洋計(jì)量站)的技術(shù)質(zhì)量認(rèn)證，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到、部分超過國(guó)際代表性儀器設(shè)備。
創(chuàng)新性：(20分)1)環(huán)境溫度檢測(cè)技術(shù)：確定了沉積物熱導(dǎo)率測(cè)量所需要的平衡溫度檢測(cè)方法;構(gòu)建了環(huán)境溫度漂移數(shù)學(xué)模型，建立了環(huán)境溫度平衡的邊界條件參數(shù)。
2)測(cè)量探針構(gòu)建技術(shù)：研發(fā)了測(cè)量探針的結(jié)構(gòu)，所研制的探針滿足發(fā)射熱脈沖和接收高精度溫度測(cè)量的需要。
3)熱脈沖控制與激發(fā)技術(shù)：開展了高精度熱脈沖的激發(fā)時(shí)序與脈寬控制研究;完成了高精度恒流源設(shè)計(jì)制作。
4)熱導(dǎo)率測(cè)量算法：完成了熱導(dǎo)率測(cè)量算法的研究及應(yīng)用;開展了相關(guān)影響因素的分析研究。
啟發(fā)性：(15分)多通道熱導(dǎo)率測(cè)試儀可實(shí)時(shí)顯示被測(cè)樣品的熱導(dǎo)率數(shù)值，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含基礎(chǔ)、擴(kuò)展、研究等不同層面，涉及機(jī)械、電子、地?zé)釋W(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域，可以充分激發(fā)學(xué)生對(duì)多學(xué)科交叉的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生研究興趣，拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，有利于學(xué)生的全面發(fā)展。
實(shí)用性：(20分)多通道熱導(dǎo)率測(cè)試儀采用模塊化設(shè)計(jì)理念，人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，易學(xué)易用，解決了長(zhǎng)期以來我們?cè)谑褂眠M(jìn)口設(shè)備過程中存在著工作效率低，設(shè)備維護(hù)成本高，技術(shù)上受制于人等問題，提高了海底地?zé)釁?shù)測(cè)試的工作效率，可廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研和油氣資源勘探生產(chǎn)。
作品名稱：多通道熱導(dǎo)率測(cè)試儀
完成單位：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)
