結冰厚度傳感器實驗

此次實驗目的是在理論成熟、多次實驗基礎條件下，結冰厚度傳感器及其測報系統是否能在仿真低溫環境下成功使用及穩定工作，這對于驗證空氣、 冰、 水電阻率差異來判斷冰層厚度的理論及后續儀器研制開發的必要性都起著極其重要的作用。

一、 實驗設備：

結冰厚度傳感器兩根， 冰層厚度測報儀兩臺， 直流蓄電池（１２ｖ－２４Ａｈ）兩臺。冰厚測報儀由蓄電池供電。

二、 實驗方法

使冰厚傳感器及其測報儀在低溫下工作，下位機程序設置為每天的整點啟動采集子程序， 而在每天的上午九點半和下午四點半（六月 十一號以后改為上午八點半和下午八點半）與上位機通信，通信時使用串口調試助手軟件保存采集的數據。在安放儀器時記錄下傳感器的入水點刻度位置， 這樣就可以準確判斷出程序和儀器對界面判斷的準確程度。

由于結冰過程是一個周期，可以以一個時間段（幾星期或一個月 ）為一個周期進行試驗 同時需要測試蓄電池在低溫下的使用時間，兩臺蓄電池一個加保溫措施， 一個不加保溫措施來進行比較其使用時間上的區別。

三、 實驗步驟：

１． 儀器的安裝：由于傳感器為棒狀物體， 在冷凍池中無法直立安裝， 可將其先用膠帶固定于木棒上（將傳感器與木棒綁成十字形）， 再將木棒橫在冷凍池的兩側，待冰層厚度足可以將傳感器支撐起來時（冰厚達四五公分時），即可以將木棒和固定膠帶拆除。而將兩臺控制儀放入一個自制的保溫盒內，兩臺蓄電池一個加保溫措施。

２．儀器的調試：將儀器通電后根據面板上的按鈕將其時鐘調整到當前時問即可換到運行狀態投入使用。

３．數據的讀?。好刻斓纳衔缇劈c半和下午四點半（六月十一號以后改為上午八點半和下午八點半）前幾分鐘進入冰庫， 將與儀器連接的串口線連接到電腦的串口上，同時將串口調試助手軟件運行， 對軟件的設黃選擇十六進制顯示并且不讓其自動清空即可。 如果離預設時間太長，則可以通過面板設置將儀器的時間調整到上午九點半和下午四點半的前一分鐘， 等儀器的時間到上午九點半和下午四點半時儀器將自動調用發送程序間數據傳輸到串口調試助手中，等到數據發送完畢（控制儀上的通信指示燈滅后）即可完成數據傳輸。然后將修改的時間調整回來，再將數據保存進行后期數據分析。

3．２實驗數據分析

實驗開始時共安放了兩套系統，運行開始后發現其中一套采集上來的數據發生錯誤，經測試，發現傳感器有問題， 所以這次試驗過程中一直工作的是一套系統。但為了測試蓄電池的工作情況， 所以另～套有問題的傳感器仍讓其一直工作。在變換使用多種比較電阻的情況下， 對實驗數據進行比較分析后，得出如下幾點試驗結論：

Ｉ．經比較分析，發現比較電阻較小時（ＩＯＭ），冰水界面能比較清晰的分辨出來，但空氣和冰的界面只會在入冰點和隨后的幾個點發生跳變， 但是接著又會恢復幾乎在空氣中的電壓值， 如圖３一ｌ所示：

從與電阻絲測量的數據對比分析， 下界面的測量值一般都有３到５公分的誤差，即比電阻絲測量值大３到５公分。 綜合全部數據分析， 可能的一種結果是由于傳感器從冰面沒入水中的部分也有一部分結冰， 如圖３－２所示：

這樣在剛進入水面中的幾個傳感器觸點也會有冰覆著， 所以會導致測量值的增加。電阻絲的測量原理是在電阻絲的下方系上鉛塊，然后將電阻絲和鉛塊都放入水槽中， 當電阻絲被凍在冰層中后，給電阻絲通直流電， 電阻絲受熱融化即可以提起來，而鉛塊被卡在冰層下表面上， 即算出電阻絲移動的距離即可以得出冰厚。此種方法的優點是測量準確，但是所有操作都需人工完成， 自動化程度太低。

２． 采用比較大電阻（１8０Ｍ）后． 冰和空氣的分壓數據能有一定的差別，如圖：

即冰中的電壓值相比于空氣中電壓值來講稍大， 與儀器的分壓原理一致。但是在入冰幾個點的電壓值較大， 形成一個小尖峰。 如果按照儀器的分壓原理來講， 則可能是入冰的一部分冰面的電導率與靠下部分的冰面的電導率不同導致的。 可以在下次試驗過程中在不同深度的冰面中凍入導線然后用兆歐表測量其電阻即可驗證。也有一種

可能是以為傳感器和冰層結合不緊密導致，即由于儀器的熱脹冷縮導致傳感器和冰層在冰面靠下部分結合不緊密， 導致傳感器的觸點與冰層有間隙，則等效出來的電阻也較大， 從而分壓較小。

３．改用３００Ｍ電阻，從界面判別上說，和１８０Ｍ電阻比較沒有太明顯的區別，如圖３－４：

４．曾經以為結冰點的電壓突變是由于入冰點附近由于保溫材料的泡沫顆粒附著所至。 為驗證， 現在冰面上加過一公分的自來水。 對取回來的數據分析發現：入冰點的電壓突變依然存在，但是在冰層中的原來

電壓較低部分的電壓值出現波動。 如圖：

出現上述現象的原因是加水期間會影響冰層中的溫度場， 使得下界面發生反復。從這方面來看， 有利于野外的測量， 由于野外會有降雪融雪的影響， 會引起溫度場的變化，使得即時大氣溫度不變的情況下冰的下界面都會發生反復的變化。實驗結果表明電導式冰厚測量儀是能夠反映該因素引起的冰厚變化的。

５．不同比較電阻值的數據綜合：

１）．１０Ｍ比較電阻：

２）． １８０Ｍ比較電阻

３）． ３００Ｍ比較電阻

從上圖可以反映幾種現象：

（１）． 加水一公分后， 入冰點的峰值會前移一公分， 表明了儀器對上界面的判斷還是準確可靠的。

（２）． 從比較電阻情況發現一個現象，就是在每次更換比較電阻以后，如果在短時間內把時鐘調節到整點， 則采集回來的數據會在空氣中出現較大的分壓值。 因為分壓值較平穩， 可能是電路的原因導致的。

（３）．每天下午四點左右為冰凍實驗室的除霜時間， 期間會導致冰庫內溫度的回升，從而會使傳感器露在空氣中的部分有水汽附著， 這就會使空氣的觸點間也會有較小的電阻產生。 因為水器的附著不均勻， 所以產生的等效電阻值也會不同， 這就會在空氣中的部分產生不規則的分壓值。

４）．又在原來的基礎上加過三公分左右的水后， 測回的數據如下圖：

從上圖可以看出， 傳感器還是可以較準確和靈敏的反應出上界面的變化。

５）．６００Ｍ比較電阻：

加水后（５月 ３１目下午和６月 １日上午兩次加水）出現了一個現象就是入冰點的突

３８變峰值不僅變得越來越大， 而且寬度也越來越大， 在６月４ 號認為冰已經完全凍結后的突變處寬度已經達到接近１ ５ｃｍ。 為驗證是否由于電阻值的過大而導致的寬度增大，將比較電阻值換回１０Ｍ后的曲線圖如下：

從圖中可以看出， 寬度仍然沒有縮短， 這種現象如果用傳感器和冰層結合不緊密地假設來解釋， 可能是加水后由于溫度影響使靠近上冰面的一部分觸點和冰面的結合更加充分， 從而使先前由于熱脹冷縮原因形成的大阻值變小而使分壓值抬高。

３．３實驗數據總結

１． 通過將近三周的冰凍試驗， 傳感器對界面的區分還是可靠的， 但是由于對冰的結冰過程以及不同冰層厚度的電導率原始試驗數據掌握的不足，導致對冰層中出現的先高后底現象的解釋理論根據不足， 這需要在今后的實驗中予以解決。

２．傳感器的外形和制作工藝需要根據南極實驗效果和竇銀科的建議予以進一步的改進。 例如觸點的形狀和選材、 公共端的放置位置及形狀問題以及傳感器的外形都需要近一步改進。

３． 加水后溫度場的變化對冰層的影響是以前沒有發現的現象， 需要在下次試驗中進一步的跟蹤實驗。

４． 軟件的不靈活性在實驗中的不足也體現出來， 可將采集數據的靈活設置：如在冰的開始凍結過程， 或在加水后的一段時間內需要頻繁采集的時刻就需要將采集的間隔加快。 而冰層厚度變化緩慢和外界條件惡略而不宣讀數的環境下，則可將采集間隔設長。 這都需要在軟件中實現。