CN102107716A

CN102107716A - 一种大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置

Info

Publication number: CN102107716A
Application number: CN2010105669362A
Authority: CN
Inventors: 谢彬; 杨建民; 胡志强; 张威; 喻西崇; 赵文华; 彭涛
Original assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Center
Current assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Center
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明涉及一种海洋工程领域的FLNG液舱晃荡模型试验监测装置，其包括：多个设置在液舱模型中的电阻式传感器和多个超声波传感器、一电桥、一电源控制箱、一信号放大器、一A/D转换器及一数据存贮分析单元；各个电阻式传感器的探极两端顶抵于液舱模型的底部和顶部，各个探极的上端通过导线连接电桥，电桥将检测信号输入信号放大器将信号放大后，再输入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号输入数据存贮分析单元；各个超声波传感器布设于液舱模型的顶部，各超声波传感器输出的检测数据输入电源控制箱后再输入信号放大器，经信号放大器输入A/D转换器，A/D转换器将超声波传感器输出的模拟信号转换成数字信号，再输入数据存贮分析单元进行分析处理；电源控制箱为各个超声波传感器供电及控制。

Description

一种大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置

技术领域

本发明涉及一种模型试验监测装置，特别是指一种船舶与海洋工程领域使用的大型液化石油天然气船(以下简称FLNG)液舱水池模型试验监测装置。

背景技术

众所周知，石油资源的短缺以及对能源需求的不断增长，导致海上油气田的大规模开发，同时海洋边际气田的开发也提上了日程。为了经济有效地开发海洋边际油气田，国际上提出了FLNG的概念。FLNG船长期泊于作业海域，将经历复杂的海洋环境条件。恶劣的海洋环境条件将引起FLNG船的剧烈运动，从而引起舱内液体的晃荡。舱内液体的晃荡也将导致船体的运动加剧和液舱内壁的破坏。在天然气的开采过程中，FLNG船将经历不同的装载状况与复杂的海洋环境条件，舱内液体的晃荡情况是一个必须考虑的重要方面。

目前，模型试验是研究舱内液体晃荡现象最可靠和最主要的研究手段之一。通过模型试验，可以较为全面的观测到舱内液体的晃荡现象及其对FLNG船体运动的影响，获得较为可靠的试验结果。试验结果可用来校验理论和数值模型的计算精度。舱内液体晃荡监测装置的使用效果在正式投入工程应用前通常都需要由模型试验来验证。

国内外学者针对舱内液体晃荡对侧壁造成的冲击压力开展过一定数量的模型试验研究。在模型试验中，通过在侧壁处布置压力传感器的方式获得冲击压力。限于仪器与设备的不足，对于舱内液体晃荡时的自由液面情况以及晃荡对于船体运动影响的模型试验研究较少。在目前已完成的模型试验中，通常是通过高速摄像机来记录舱内液体的晃荡情况，其不足之处在于：一、只能从感观上对舱内液体的晃荡情况进行分析，无法对晃荡情况进行量化，不利于对舱内液体晃荡的深入研究；二、现有使用高速摄像机的监测手段要求液舱必须透明，而实际中，液舱是不透明的；三、现有使用高速摄像机的监测手段成本太高，不利于实际工程应用；四、高速摄像机安装位置的选取对于水池模型实验而言是一个难点。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种精度更高，成本更低，使用更便捷的大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置。

为达到上述目的，本发明所提供的一种大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于包括：多个设置在液舱模型中的电阻式传感器和多个超声波传感器、一电桥、一电源控制箱、一信号放大器、一A/D转换器及一数据存贮分析单元；各个所述电阻式传感器的探极两端顶抵于所述液舱模型的底部和顶部，各个所述探极的上端通过导线连接所述电桥，将检测信号输入所述电桥，所述电桥再将所述检测信号输入所述信号放大器将信号放大后输入所述A/D转换器，所述A/D转换器将模拟信号转换成数字信号后输入所述数据存贮分析单元；各个所述超声波传感器布设于所述液舱模型的顶部，各个所述超声波传感器输出的检测数据通过信号线输入所述电源控制箱后再输入所述信号放大器，经所述信号放大器放大后输入所述A/D转换器，所述A/D转换器将所述超声波传感器输出的模拟信号转换成数字信号，再输入所述数据存贮分析单元进行分析处理；所述电源控制箱用于为各个所述超声波传感器供电及控制。

所述电阻式传感器由探极、固定模块及铆钉组成，所述固定模块用有机玻璃做成块形，并分别固定于所述液舱模型的顶部和底部，在所述固定模块的两边平行镶嵌两根所述探极，所述探极的端部直接由不锈钢细管固定在所述固定模块两端。

所述电阻式传感器的两个探极为同种导电材料制成，并且保持平行，每个所述探极的上下大小形状相同，其测量精度达到0.1mm。

所述超声波传感器由超声波发射与接收器、定时电路和控制电路组成。

所述电桥由两个桥臂组成，两个桥臂间用电流表相连接，二所述桥臂其中之一为测量电阻，另一个为标准电阻。

所述信号放大器由非反向放大器、偏置电压生成器以及反向放大器构成，所述非反向放大器用于接收输入信号，所述偏置电压生成器用于生成通过与输入信号不同的路径输入到所述非反向放大器的偏置电压，并且调整所述非反向放大器的输出偏移电压，所述反向放大器串联连接于所述非反向放大器的随后级中，并能补偿因制造参数引起的所述偏置电压生成器的特性变化。

所述A/D转换器为双积分A/D转换器。

所述数据存贮分析单元为内置有数据分析软件的计算机。

采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：舱内液体晃荡过程中，液面情况可以实时地传输到计算机系统进行处理，并通过分析系统形成图像，从而有效模拟舱内液体的晃荡情况；与传统监测手段相比，本发明可以得到试验过程中舱内液体晃荡时的量化数据，可以为数值研究提供试验依据；电阻式浪高仪原理与超声波探测技术的应用起到相互校核相互补充的作用；电阻式浪高仪的应用可以节约装置的经济成本；与传统监测手段相比，本发明对监测对象的限制求较低，可方便使用于多种形式的液舱。能解决以往在人工水池中完成FLNG船液舱晃荡模型试验时存在的上述不足，电阻式传感器与所述的超声波传感器的联合使用，保证了较高的精度要求，同时电阻式传感器与超声波传感器的测量结果互为补充且互相校核，保证了试验数据的可靠性。对监测对象要求较低，适用范围较广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的液舱示意图

图3是本发明的电阻式传感器结构示意图

图4是本发明的超声波传感器电路图

图5是本发明的电桥电路图

图6是本发明的信号放大器电路图

图7是本发明的双积分A/D转换器原理图

具体实施方式

现举以下实施例并结合附图对本发明的结构及功效进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明包括多个设置在液舱模型100中的电阻式传感器1和多个超声波传感器2、一电桥3、一电源控制箱4、一信号放大器5、一A/D转换器6及一数据存贮分析单元7。各个电阻式传感器1的探极两端顶抵于液舱模型100的底部和顶部，各个探极的上端通过导线连接电桥3，由电桥3输出的信号通过信号放大器5将信号放大后输入A/D转换器6，经A/D转换器6将模拟信号转换成数字信后输入数据存贮分析单元7。各个超声波传感器2布设于液舱模型100的顶部，各个超声波传感器2输出的检测数据通过信号线输入电源控制箱4后再输入信号放大器5，经信号放大器5放大后输入A/D转换器6中，由A/D转换器6将超声波传感器2输出的模拟信号转换成数字信号，再输入数据存贮分析单元7进行分析处理。其中电源控制箱4用于为各个超声波传感器2供电及控制。

本发明中电阻式传感器1和超声波传感器2设置的数量依据液舱的长宽来设置。在本实施例中，由于液舱模型100的纵向长度比横向长度大，故沿液舱模型100的纵向分别安装了四个超声波传感器2和三个电阻式传感器1(如图2所示)，以便更为准确地获取舱内液体的晃荡信息。

如图3所示，每个电阻式传感器1由两根探极11、两对固定模块12以及若干铆钉13组成。固定模块12用有机玻璃做成块形，并分别用铆钉13固定于液舱模型100的顶部和底部。两根探极11平行镶嵌在固定模块12的两边，探极11的端部直接由不锈钢细管固定在固定模块12两端。两根探极11的导电体为同一种导电材料，并且保持平行安装，而且每个探极11的上下大小形状一致。不锈钢丝的直径通常取在0.1～0.5mm。本实施例给予液舱横摇运动，通过测量两个探极11之间的水电阻随着探极11入水深度的变化来达到测量舱内液体晃荡的目的。电阻式传感器1的二根探极11所获得液面晃荡幅值变化的物理信号连接到电桥3，以便进行信号的后处理。

如图4所示，超声波传感器2由超声波发射与接收器21、定时电路22和控制电路23组成。超声波发射与接收器21的工作原理为：超声波发射器内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波。如果没加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换成电信号，从而形成超声波接收器。本发明中采用反射法来获取液面特征信息，本发明的工作原理为：超声波发射器发出高频超声波脉冲，超声通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射，反射回波被超声波接收器接收，转换成电信号；超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到液体表面的距离成正比，从而可得到舱内液体晃荡时的自由液面情况。其中产生超声波的方法是通过电路产生激励电信号传给超声波发射器(具有压电效应的晶体)，使其振动从而产生超声波；而接收反射回来的超声波的时候，这个压电晶体又会受到反射回来的声波的压力而产生电信号并传送给信号处理电路进行一系列的处理，超声波信号最终传入到存贮分析单元形成图像供实验人员观察判断。

如图5所示，电桥3由两个桥臂31组成，两个桥臂31间用电流表G相连接，每一桥臂31的两个电阻其中之一为测量电阻，另一个为标准电阻。当测量电阻和标准电阻相同时，电流等于零，这时标准电阻的读数即为被测阻值。电阻式传感器1获得的物理信号经过电桥3的处理可得到电阻式传感器1所测得的电阻值，然后将数据输入信号放大器5中进行信号的放大。

如图6所示，信号放大器5为一集成电路模块，其具备非反向放大器、偏置电压生成器以及反向放大器的功能，非反向放大器用于接收输入信号，偏置电压生成器用于生成通过与输入信号不同的路径输入到非反向放大器的偏置电压，并且调整非反向放大器的输出偏移电压；反向放大器串联连接于非反向放大器的随后级中，并且具有可以补偿因制造参数引起的偏置电压生成器的特性变化的特性。电阻式传感器1和超声波传感器2的电信号均输入到信号放大器5中进行信号的放大处理。本实施例中信号放大器5采用的是MMCD-16A型集成芯片，但并不以此为限，还可以采用本领域任何公知的可以实现相同功能的其它集成芯片或电路。

如图7所示，为本发明的A/D转换器6，本实施例中采用的是双积分A/D转换器，由基准电压源61、模拟开关62、积分器63和比较器64组成。由信号放大器5放大后的物理信号经过A/D转换器6后转变成便于存贮与分析的二进制数字信号。采用双积分式A/D转换器，其抗干扰能力强，转换精度高。

数据存贮分析单元7由计算机和数据分析软件构成。试验中的物理信号均通过A/D转换器6转换成二进制数字信号后存贮于数据存贮分析单元7的计算机中，并且通过数据分析软件对试验数据进行实时的分析。所得到试验数据经分析软件处理后在显示终端上形成图像以供实验操作人员观察分析。待实验操作人员确认试验数据正确无误后进行数据存盘以供后续研究。

下面具体说明本实施例装置的制作和安装过程：在试验前，先根据人工水池的尺度、FLNG船的实际尺度、试验工况的具体情况和试验的经济性选择合适的模型缩尺比，得到FLNG船模的具体尺寸，从而得到液舱模型100的具体尺寸。根据液舱模型100的尺寸、试验工况的具体情况，得到电阻式传感器1的主要尺寸及材料属性。根据试验中各个装置的安装位置确定数据线9的各段长度，数据线9的材料属性根据用途予以确定。

各种装置、仪器和设备制作备齐后，便进行安装。先在液舱模型顶部确定12个超声波传感器的安装位置，并根据超声波传感器的尺寸在液舱模型顶部进行打孔，然后将超声波传感器的安装在相应部位并加以固定。在液舱顶部和底部分别确定4个电阻式传感器的安装位置，并根据探极的直径尺寸在液舱顶部进行射孔，将固定模块安装于相应的位置，并安装探极。待安装结束后，对液舱顶部进行水密性处理，将液舱模型安装于FLNG船模中。同时在计算机内安装好计算机实时分析软件和图像处理分析软件。

用数据线将各个装置进行连接。待安装结束后，测试连接线路，如果线路连接正确，则进行下一步的操作。

所有仪器装置安装完毕后，需要进行调试。调试过程要分别对超声波传感器系统以及电阻式传感器系统进行采零处理，测试其测量误差并确定其测量零点。调试完毕，各仪器装置均能正常工作，便可安工况及试验技术要求进行试验。本实施例对FLNG船横摇运动中液舱内的自由液面晃荡情况进行监测，在各试验装置接通电源并处于待命状态的情况下，给予船体一定程度的横摇运动，同时数据存贮分析单元进行数据的采集，获得试验数据后利用图像处理软件进行成像处理，从而便于实验人员对试验过程进行直观监控，确保试验结果的有效性。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims

1.一种大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于包括：多个设置在液舱模型中的电阻式传感器和多个超声波传感器、一电桥、一电源控制箱、一信号放大器、一A/D转换器及一数据存贮分析单元；各个所述电阻式传感器的探极两端顶抵于所述液舱模型的底部和顶部，各个所述探极的上端通过导线连接所述电桥，将检测信号输入所述电桥，所述电桥再将所述检测信号输入所述信号放大器将信号放大后输入所述A/D转换器，所述A/D转换器将模拟信号转换成数字信号后输入所述数据存贮分析单元；各个所述超声波传感器布设于所述液舱模型的顶部，各个所述超声波传感器输出的检测数据通过信号线输入所述电源控制箱后再输入所述信号放大器，经所述信号放大器放大后输入所述A/D转换器，所述A/D转换器将所述超声波传感器输出的模拟信号转换成数字信号，再输入所述数据存贮分析单元进行分析处理；所述电源控制箱为各个所述超声波传感器供电及控制。

2.如权利要求1所述的大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于：所述电阻式传感器由探极、固定模块及铆钉组成，所述固定模块用有机玻璃做成块形，并分别固定于所述液舱模型的顶部和底部，在所述固定模块的两边平行镶嵌两根所述探极，所述探极的端部直接由不锈钢细管固定在所述固定模块两端。

3.如权利要求2所述的大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于：所述电阻式传感器的两个探极为同种导电材料制成，并且保持平行，每个所述探极的上下大小形状相同，其测量精度达到0.1mm。

4.如权利要求1或2或3所述的大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于：所述超声波传感器由超声波发射与接收器、定时电路和控制电路组成。

5.如上述任一权利要求所述的大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于：所述电桥由两个桥臂组成，两个桥臂间用电流表相连接，二所述桥臂其中之一为测量电阻，另一个为标准电阻。

6.如上述任一权利要求所述的大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于：所述信号放大器由非反向放大器、偏置电压生成器以及反向放大器构成，所述非反向放大器用于接收输入信号，所述偏置电压生成器用于生成通过与输入信号不同的路径输入到所述非反向放大器的偏置电压，并且调整所述非反向放大器的输出偏移电压，所述反向放大器串联连接于所述非反向放大器的随后级中，并能补偿因制造参数引起的所述偏置电压生成器的特性变化。

7.如上述任一权利要求所述的大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于：所述A/D转换器为双积分A/D转换器。

8.如上述任一权利要求所述的大型液化石油天然气船液舱水池试验监测装置，其特征在于：所述数据存贮分析单元为内置有数据分析软件的计算机。