CN102003932B - 一种水下绳缆长度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种水下绳缆长度测量装置。它包括底座、上底板、前后挡板、左右挡板、支撑架、主动轮、主动轮轴、主动轮轴套、主动轮支承座、惰轮、惰轮轴、锁紧螺母、磁耦合角度传感器、传感器安装支座、支座筋板和压绳机构。本发明采取压紧力可调、惰轮张紧、主轮随动的机械结构，利用磁耦合技术进行主轮转动水下非接触检测，通过转动量的测量解算绳缆收放长度，主要解决深水绳缆长度高精度测量及转轴动密封的问题。可在水深1500～10000米范围内绳缆的缠绕、收放作业过程中动态测量出绳缆的收放长度。

Description

一种水下绳缆长度测量装置

技术领域

本发明涉及的是一种长度测量装置，特别是一种水下绳缆长度测量装置。

背景技术

随着世界经济的快速发展，海洋资源的开发越来越受到各国的重视，其中，海洋油气开采占有很大的比重。在海洋油气开发施工工程中，通常需要进行海底敷设的两个管道的连接作业，这时，则需要测量两管道法兰中心的相对距离及位姿，根据距离、位姿参数在作业船或岸上预制一段适合两管道连接的过渡管段。水下绳缆长度测量装置可以进行海底敷设的两个管道距离的测量，属于水下管道测量技术。

国外公司在水下管道测量中主要有三种方法：潜水员辅助拉绳测量系统、ROV辅助拉绳测量系统和水声测量系统，具体特点如下：

1)潜水员辅助拉绳测量系统

该系统是潜水员在水下用来获得管道尺寸的一个有效方法。它采用一套张紧连接绳测量器连接两个被测管道法兰，测量两管道法兰的距离和相对角度。在每一侧管道法兰处以两个确定的法兰孔固定测量支架，并保证支架位于法兰顶部。拉绳由一个空气浮袋拉紧，提升力一般在1000N到2500N，距离较远采用更大的浮袋。拉绳一侧固定，另一侧将标记夹固定在距离管道法兰端面300mm的拉绳上，用来标记长度，回到作业船上可以测量出拉绳的长度L。拉绳的水平角度和垂直角度可以通过设在支架上的量角器测量。在测量作业时要保证拉绳测量区域没有障碍物。这种测量方法在20m测量范围内长度误差可达±3mm，角度误差可达±0.5°，该系统主要应用在浅水区域。

2)ROV辅助拉绳测量系统

比较典型为挪威NGI公司的Smart Wire ROV辅助拉绳测量系统，该系统与潜水员辅助拉绳测量系统的工作原理相似，由ROV代替潜水员操作，适合大深度作业。ROV携带两个测量装置到水下作业区域，将其定位到两侧的管道上，拉绳张紧后，传感器获取相关参数并通过ROV传送到作业船上的上位机，最终将管道位姿显示在PC界面上。它的长度测量方法为保密状态。这种测量方法在10m测量范围内长度误差为±50mm，测量角度误差为±1°。

3)水声测量系统

它也被广泛用于水下定位与海床的测量。水声测量系统的收发器安装在工作船与被测目标上，一般需要3个以上的基点构成基线阵，因为声信号在水中的速度已知，时间可以测得，所以可以通过测时、测相技术来确定应答器的空间位置。长基线定位系统(LBL)优点是定位精度与水深无关，短基线定位系统(SBL)的优点是系统组成简单便于操作。此种测量方法不受水深的限制，但基阵需要精确定位，长度误差可达200mm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能解决深水绳缆长度高精度测量及转轴动密封问题的水下绳缆长度测量装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括底座、上底板、前后挡板、左右挡板、支撑架、主动轮、主动轮轴、主动轮轴套、主动轮支承座、惰轮、惰轮轴、锁紧螺母、磁耦合角度传感器、传感器安装支座、支座筋板和压绳机构等部件；主动轮安装在主动轮支承座上，主动轮支承座固定在底座上，惰轮通过惰轮轴安装在支撑架上，支撑架固定在底座上，两个压绳机构安装在前后挡板上，被测绳穿过压绳机构，经过惰轮张紧后，从下方绕入主动轮沟槽中；压绳机构通过内部的压缩弹簧给压块提供一个压紧力来压紧缠绕在主动轮上绳缆的两端，压紧力可以通过调节螺钉调节，绳缆的张紧可通过调节两对惰轮在支撑架上的上下位置来实现，调节完成后通过锁紧螺母固定住位置；磁耦合编码器安装在支座上，支座固定在底座上，传感器转子套在主动轮轴上，定子密封在传感器外壳里，定子上的感应电路通过检测耦合磁场变化测量出转子旋转角度，最终转化为绳缆长度。

本发明的水下绳缆长度测量装置，可在水深1500～10000米范围内对钢丝绳、电缆、光缆、软管、线绳等软缆收放的长度进行测量。它包括底座、上底板、前后挡板、左右挡板、支撑架、主动轮、主动轮轴、主动轮轴套、主动轮支承座、惰轮、惰轮轴、锁紧螺母、磁耦合角度传感器、传感器安装支座、支座筋板、压绳机构等部件。首先，将主动轮安装在主动轮支承座上，固定在底座，惰轮通过惰轮轴安装在支撑架上，固定在底座，两个压绳机构安装在前后挡板上，被测绳穿过压绳机构，经过惰轮张紧后，从下方绕入主动轮沟槽中，从而保证始终与主动轮压紧接触，绳缆收放过程中通过摩擦力带动主动轮轴旋转；其次，压绳机构通过内部的压缩弹簧给压块提供一个压紧力来压紧缠绕在主动轮上绳缆的两端，压紧力可以通过调节螺钉调节，绳缆的张紧可通过调节两对惰轮在支撑架上的上下位置来实现，调节完成后通过锁紧螺母固定住位置；最后，磁耦合编码器安装在支座上，支座固定在底座上，传感器转子套在主动轮轴上，浸入水中，定子密封在传感器外壳里，因而是非接触的，将水下很难保证的动密封转化为容易实现的静密封，定子上的感应电路通过检测耦合磁场变化测量出转子旋转角度，最终转化为绳缆长度。

该水下绳缆长度测量装置的具体测量过程如下：

1)缠绕绳缆将待测量的绳缆9从测量装置一侧的压绳机构8，一对惰轮10中穿出后，缠绕在主动轮16的下边缘沟槽中，然后从另一侧的一对惰轮10，压绳机构8穿出，多次拉伸绳缆9调节压绳机构8的调节螺钉8-1到适当位置，以保证绳缆拉伸过程中不费力，在松开时又不滑动。同时调节两对惰轮10的位置得到合适的张紧力，以保证绳缆9始终与主动轮16的下边缘压紧不打滑。

2)测量绳长拉伸绳缆9过程中，绳缆通过摩擦力带动主动轮16同步转动，主动轮16通过平键27传动带动主动轮轴28同步转动，固定在主动轮轴28上的磁耦合角度传感器24的外转子24-7也同步转动，密封在磁耦合角度传感器24中的电路敏感元件通过测量定子24-6上的耦合磁场的变化，将其转化为电信号，并最终经过转换变成可以传输的数字信号，经过水密电缆接头24-1传输到主控制器中。

本发明此水下绳缆长度测量装置与国外及国内相关长度测量装置或传感器的结构不同，它采取压紧力可调、惰轮张紧、主轮随动的机械结构，利用磁耦合技术进行主轮转动水下非接触检测，通过转动量的测量解算绳缆收放长度，主要解决深水绳缆长度高精度测量及转轴动密封的问题。

附图说明

图1是水下绳缆长度测量装置主视图；

图2是水下绳缆长度测量装置左视图；

图3是水下绳缆长度测量装置俯视图；

图4是水下绳缆长度测量装置A-A剖视图；

图5是水下绳缆长度测量装置B-B剖视图；

图6a-图6c是压绳机构三视图；

图7a是压绳机构C-C剖视图，图7b是压绳机构D-D剖视图；

图8是磁耦合角度编码器主视图。

具体实施方式

下面结合图1-8对本发明作进一步描述：

水下绳缆长度测量装置由底座1、前后挡板螺钉2、前后挡板弹簧垫圈3、前挡板4、压绳机构固定螺栓5、压绳机构固定螺母6、压绳机构固定弹簧垫圈7、压绳机构8、绳缆9、惰轮10、支撑架11、上底板安装螺栓12、上底板安装螺母13、上底板安装弹簧垫圈14、上底板15、主动轮16、后挡板17、传感器安装支座18、传感器支座安装螺钉19、传感器支座安装弹簧垫圈20、传感器安装螺栓21、传感器安装螺母22、传感器安装弹簧垫圈23、磁耦合角度传感器24、传感器支座筋板25、紧定螺钉26、平键27、主动轮轴28、主动轮支承座29、支承座安装螺钉30、支承座安装弹簧垫圈31、左右挡板安装螺钉32、左右挡板安装螺母33、左右挡板安装弹簧垫圈34、左挡板35、轴套36、主动轮挡圈37、惰轮轴38、支撑架安装螺钉39、支撑架安装螺母40、支撑架安装弹簧垫圈41、右挡板42、锁紧螺母垫圈43、锁紧螺母44、惰轮挡圈45等零部件组成。压绳机构8由调节螺钉8-1，调节螺母8-2，安装支座8-3，压盖8-4，压盖安装螺钉8-5，压盖安装弹簧垫圈8-6，调节垫块8-7，压缩弹簧8-8，压块8-9组成。磁耦合角度传感器24由水密头电缆接头24-1，密封盖固定螺钉24-2，密封盖24-3，密封O型圈24-4，封装外壳24-5，定子24-6，外转子24-7组成。

该水下绳缆长度测量装置的前挡板4、后挡板17下部通过前后挡板螺钉2、前后挡板弹簧垫圈3固定在底座1上，上边缘通过上底板安装螺栓12、上底板安装螺母13、上底板安装弹簧垫圈14与上底板15连接，左挡板35，右挡板42通过左右挡板安装螺钉32、左右挡板安装螺母33、左右挡板安装弹簧垫圈34与前后挡板4，17连接，从而将整个装置内部封装起来。支撑架11一共有两对，下底面和上底面分别通过支撑架安装螺钉39、支撑架安装螺母40、支撑架安装弹簧垫圈41固定在底座1和上底板15上，对整个装置框架起固定支撑作用。两个主动轮支承座29通过支承座安装螺钉30、支承座安装弹簧垫圈31固定在底座1上，轴套36与支承座29上的阶梯孔过盈配合，主动轮轴28过两轴套36间隙配合，主动轮16安装在主动轮轴28上，主动轮16转动时，通过平键27带动轮轴28转动。主动轴28上安装有两个主动轮挡圈37防止主动轮16左右窜动。两对惰轮10通过惰轮轴38安装在支撑架11的孔中，通过两对锁紧螺母44可以调节两对惰轮10在支撑架11上的位置，从而调节绳缆的张紧程度。前后挡板4，17上通过压绳机构固定螺栓5、压绳机构固定螺母6、压绳机构固定弹簧垫圈7分别安装有一个压绳部件来保证绳缆在测量装置内部的张紧状态。绳缆9从装置一端的压绳机构8中穿过，由一端的惰轮10压紧后，从主动轮16的下边缘沟槽中绕过，再由另一端的惰轮压紧，最终从另一端的压绳机构中穿出来。传感器安装支座18通过传感器支座安装螺钉19、传感器支座安装弹簧垫圈20固定在底座1上，磁耦合角度传感器24通过传感器安装螺栓21、传感器安装螺母22、传感器安装弹簧垫圈23安装在支座上，传感器外转子24-7通过紧定螺钉26固定在主动轮轴28上，主动轮轴28转动时带动外转子24-7转动，角度传感器中感应电路即可测量出转动量。压绳机构8中，压盖8-4通过压盖安装螺钉8-5，压盖安装弹簧垫圈8-6固定在安装支座8-3上，压缩弹簧8-8将压块8-9压在压盖8-4上，调节螺钉8-1通过调节垫块8-7来调整弹簧的压紧力，从而调整绳缆9在装置两端的压紧力。磁耦合角度传感器24中，密封盖24-3通过密封O型圈24-4和8个均布的密封盖固定螺钉24-2将定子24-6和感应电路板密封在装外壳24-5上，测量出的最终信号由连接在水密头电缆接头24-1上的电缆传送到主控制器上，外转子24-7与定子24-6为非接触连接，从而将动密封转化为静密封，能够实现该装置深水测量的功能。

下面给出本发明的优先实施例：

该水下绳缆长度测量装置主要应用在水深1500～10000米范围内进行钢丝绳、电缆、光缆、软管、线绳等软缆缠绕、收放过程中的长度测量或者拉绳测量中长度的测量。在陆地环境中使用时，还可以将磁耦合角度传感器用一般的角度编码器替换，直接与主动轮轴同轴连接即可。对于此设计的实施例中所需缠绕的对象为直径φ3mm～φ6mm的钢丝绳，装置具体形状如图1，图2，图3所示，设计基础参数为：规格(长×宽×高)：208×220×158mm；重量：4kg。其它设计参数为：主动轮16内沟槽直径φ60mm；主动轮轴直径φ15mm，伸出端直径φ10mm；惰轮10内沟槽直径φ30mm；各零件连接螺钉：M5。

此设计的实施例中的水下绳缆长度测量装置由底座1、前后挡板螺钉2、前后挡板弹簧垫圈3、前挡板4、压绳机构固定螺栓5、压绳机构固定螺母6、压绳机构固定弹簧垫圈7、压绳机构8、绳缆9、惰轮10、支撑架11、上底板安装螺栓12、上底板安装螺母13、上底板安装弹簧垫圈14、上底板15、主动轮16、后挡板17、传感器安装支座18、传感器支座安装螺钉19、传感器支座安装弹簧垫圈20、传感器安装螺栓21、传感器安装螺母22、传感器安装弹簧垫圈23、磁耦合角度传感器24、传感器支座筋板25、紧定螺钉26、平键27、主动轮轴28、主动轮支承座29、支承座安装螺钉30、支承座安装弹簧垫圈31、左右挡板安装螺钉32、左右挡板安装螺母33、左右挡板安装弹簧垫圈34、左挡板35、轴套36、主动轮挡圈37、惰轮轴38、支撑架安装螺钉39、支撑架安装螺母40、支撑架安装弹簧垫圈41、右挡板42、锁紧螺母垫圈43、锁紧螺母44、惰轮挡圈45等零部件组成。

该水下绳缆长度测量装置可在水深1500～10000米范围内绳缆的缠绕、收放作业过程中动态测量出绳缆的收放长度。

Claims (3)

1.一种水下绳缆长度测量装置，它包括底座、上底板、前后挡板、左右挡板、支撑架、主动轮、主动轮轴、主动轮轴套、主动轮支承座、惰轮、惰轮轴、锁紧螺母、磁耦合角度传感器、传感器安装支座、支座筋板和压绳机构；其特征是：主动轮安装在主动轮支承座上，主动轮支承座固定在底座上，惰轮通过惰轮轴安装在支撑架上，支撑架固定在底座上，两个压绳机构安装在前后挡板上，被测绳穿过压绳机构，经过惰轮张紧后，从下方绕入主动轮沟槽中；压绳机构通过内部的压缩弹簧给压块提供一个压紧力来压紧缠绕在主动轮上绳缆的两端，压紧力通过调节螺钉调节，绳缆的张紧通过调节两对惰轮在支撑架上的上下位置来实现，调节完成后通过锁紧螺母固定住位置；磁耦合角度传感器安装在传感器安装支座上，传感器安装支座固定在底座上，传感器转子套在主动轮轴上，定子密封在传感器外壳里，定子上的感应电路通过检测耦合磁场变化测量出转子旋转角度，最终转化为绳缆长度。

2.根据权利要求1所述的水下绳缆长度测量装置，其特征是：压绳机构(8)由调节螺钉(8-1)、调节螺母(8-2)、安装支座(8-3)、压盖(8-4)、压盖安装螺钉(8-5)、压盖安装弹簧垫圈(8-6)、调节垫块(8-7)、压缩弹簧(8-8)和压块(8-9)组成；压盖(8-4)通过压盖安装螺钉(8-5)、压盖安装弹簧垫圈(8-6)固定在安装支座(8-3)上，压缩弹簧(8-8)将压块(8-9)压在压盖(8-4)上，调节螺钉(8-1)通过调节垫块(8-7)来调整弹簧的压紧力，从而调整绳缆(9)在装置两端的压紧力。

3.根据权利要求1或2所述的水下绳缆长度测量装置，其特征是：磁耦合角度传感器(24)由水密头电缆接头(24-1)、密封盖固定螺钉(24-2)、密封盖(24-3)、密封O型圈(24-4)、封装外壳(24-5)、定子(24-6)和外转子(24-7)组成，密封盖(24-3)通过密封O型圈(24-4)和8个均布的密封盖固定螺钉(24-2)将定子(24-6)和感应电路板密封在封装外壳(24-5)上，测量出的最终信号由连接在水密头电缆接头(24-1)上的电缆传送到主控制器上，外转子(24-7)与定子(24-6)为非接触连接。

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