CN102607528B - 海洋平台上浪试验捕捉观测系统 - Google Patents

Abstract

一种海洋工程技术领域的海洋平台上浪试验捕捉观测系统，包括：上浪探头装置、数据采集系统和用于记录上浪过程的摄录装置，上浪探头装置包括：上浪信号探头、支撑调整装置和信号解调装置，其中：上浪信号探头与支撑调整装置固定连接并活动设置于海浪发生处，上浪信号探头的输出端与信号解调装置相连，信号解调装置分别与数据采集系统和摄录装置相连以发出启动或者停止的触发信号。本发明监测上浪信号的探头和信号解调装置组成的数据监测回路对上浪的情况进行准确的监测，避免人工监测的误差和失误。横向支撑架、纵向支撑架调整该装置捕捉上浪的水位的高度，以调整捕捉的敏感度，从而适应不同大小尺寸的模型。

Description

海洋平台上浪试验捕捉观测系统

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的测量装置，具体是一种用于海洋工程模型试验水池中对半潜式平台等海洋平台进行极限海况下上浪和波浪爬升进行观测的海洋平台上浪试验捕捉观测系统。

背景技术

随着世界能源消耗的不断增长，以及陆上石油天然气开发的逐渐饱和，人们将油气开发的领域拓展到海洋。虽然科技的发展和海洋工程的进步使得人类在深海海洋工程的开发中不断取得进步，但各种各样的海洋平台，如半潜式海洋平台、大型浮式生产储油卸载系统等海洋油气生产装备在极其恶劣的海域使用。由于其系泊系统复杂、管线密集，无法在遭遇台风、海啸等恶劣海况的情况下迅速解脱，因此必须承受狂风巨浪的袭击。目前在海洋平台的设计研发中必须考虑当遭遇巨浪时，波浪顺着平台立柱等结构爬升至甲板面、甚至横扫甲板面等恶劣的情况，其产生的荷载和冲击对于甲板及相关结构的强度和疲劳会带来复杂的问题。而这种上浪是一种强非线性的现象，通过数值计算等难以得到对工程实际有指导意义的结果，必须通过模型实验进行测量。而海洋平台上浪在试验中是一个瞬时的现象，其准确捕捉和测量存在着较大的困难。在时间长达3小时的试验中，需要捕捉的较大上浪可能仅有数秒钟至数十秒钟，要完整的再现该瞬态过程需要采用数千赫兹以上的采样频率。但由于较大上浪的发生极为偶然，甚至是无法预先准确判断的，因此只能采用两种方法：一种是全程采用数千赫兹的采样频率对整个3小时的试验进行观测，这样会造成采集的数据量极为庞大，给数据处理带来极大的困难。而其中真正对上浪瞬间状态描述的数据量仅占其中的1％，数据处理中会处理大量的无用的数据。第二种方法是采用人工观测的方法来采集预计到的上浪现象，该方法必须安排专人长时间仔细观察，预计到上浪时再进行采集，数据采集的可控性和精确性等大打折扣，且受到人工经验的影响，并采集的均为断断续续的数据，无法与以其他频率低频全程采集的运动、载荷数据直接对应。

目前在海洋工程试验中是在海洋平台的迎浪面安装一只或数只浪高仪以监测上浪的情况。如《海洋工程水动力学试验研究》(杨建民、肖龙飞、盛振邦编著，上海交通大学出版社2008年出版，ISBN 978-7-313-05064-9/P.079)一书中对于海洋平台的上浪测量给予了以下描述“为测量模型在风、浪、流作用下的甲板上浪、气隙或出水情况，还要在模型的一些典型位置(如首部、中部和尾部)安装布置若干只浪高仪”。这种试验方法只给出了对于上浪方法的观测设备的描述，其采集方法仍是与其他运动、载荷等物理量采用相同的较低频率的采集方式进行采集(＜200Hz)，并未解决高频捕捉上浪瞬间的试验技术。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种海洋平台上浪试验捕捉观测系统，能适应不同平台、立柱模型的上浪测量的要求，对于上浪过程自动进行高频测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种海洋平台上浪试验捕捉观测系统，包括：上浪探头装置、数据采集系统和用于记录上浪过程的摄录装置，其中：

上浪探头装置包括：上浪信号探头、支撑调整装置和信号解调装置，其中：上浪信号探头与支撑调整装置固定连接并活动设置于海浪发生处，其距离静水面的高度大于等于平台模型需要监测的上浪水面高度的下限，上浪信号探头的输出端与信号解调装置相连，信号解调装置分别与数据采集系统和摄录装置相连以发出启动或者停止的触发信号。

所述的上浪信号探头包括：两根平行设置且与信号解调装置连接的导体，其中：上浪探头高度由支撑调整装置调节，使得高于上浪水面高度下限的水面波动均可以被捕捉观测到。

所述的触发信号包括：脉冲信号、电平信号、TTL信号或者数字信号。

所述的支撑调整装置包括：相互垂直且活动连接的横向支撑架和纵向支撑架。

所述的纵向支撑架上设有高度调节装置。

所述的横向支撑架上设有刻度标示。

所述的数据采集系统包括：高频数据采集器、分别与其相连的若干测量探头和同步信号发生器，其中：高频数据采集器与信号解调装置连接，同步信号发生器与辅助采集系统相连，当高频数据采集器接收到启动触发信号后，启动测量探头和同步信号发生器，同步信号发生器向辅助采集系统发出同步信号，由测量探头测量上浪试验所需测量的包括：关键部位的波面升高、波浪冲击的载荷物理量。

所述的数据采集系统用于采集上浪的物理量，如波浪爬升和砰击，该采集收到触发信号控制仅采集上浪期间的数秒时间；所述的辅助采集系统用于采集模型的运动、系泊系统的荷载；通过辅助采集系统接收数据采集系统发出的同步信号实现数据采集的统一性。

所述的同步信号包括：电平信号或者正弦波信号。

所述的高频数据采集器是指：采样频率为1Khz-10Khz的采集器。

所述的摄录装置包括：分别与信号解调装置连接且接收触发信号的高速摄像机和数码相机。

本发明涉及上述系统的捕捉观测方法，包括以下步骤：

1)当发生上浪时，上浪信号探头浸没于水中从而导通上浪信号探头和信号解调装置的监测回路使得信号解调装置分别向高频数据采集器和摄录装置发出启动的触发信号；

2)高频数据采集器在收到启动的触发信号后，启动测量探头，采样频率达1Khz-10Khz，；摄录装置中的高速摄像机和数码相机接收启动的触发信号后开启摄录上浪过程；

3)在步骤2)的同时，同步信号发生器向系统外的辅助采集系统发出同步信号作为采样的时间同步记录；

当上浪过程结束后，上浪信号探头离开水面，由于金属丝之间无水导通而切断监测回路，信号解调装置发出停止的触发信号，高频数据采集器、高速摄像机和数码相机在完成工作后动停止，同时，同步信号发生器发出同步信号作为系统外的辅助采集系统停止采样的时间同步记录。

有益效果

本发明满足了海洋工程模型试验的要求，可以广泛应用于船舶与海洋工程领域中，具体优点如下：

1、监测上浪信号的探头和信号解调装置组成的数据监测回路对上浪的情况进行准确的监测，避免人工监测的误差和失误。

2、带刻度的横向支撑架、带高度调节装置的纵向支撑架组成的机械部件能灵活调整探头的高度和距离平台上浪位置的间距，调整该装置捕捉上浪的水位的高度，以调整捕捉的敏感度，从而适应不同大小尺寸的模型。

3、高频数据采集器采样频率达1Khz-10Khz，设定采样时间以有效捕捉上浪全过程。

4、同步信号发生器会发出同步信号，其频率和幅值满足同步要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为上浪发生时本发明开始测试示意图。

图3为上浪结束时本发明停止测试示意图。

图4为本发明电路简图。

图5为横向支撑架和纵向支撑架的局部具体结构图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：上浪探头装置1、数据采集系统2和用于记录上浪过程的摄录装置3，其中：

上浪探头装置1包括：支撑调整装置4、上浪信号探头5和信号解调装置6，其中：上浪信号探头5与支撑调整装置4固定连接并活动设置于海浪发生处，其距离静水面的高度大于等于平台模型16需要监测的上浪水面高度的下限，上浪信号探头5的输出端与信号解调装置6相连，信号解调装置6分别与数据采集系统2和摄录装置3相连以发出启动或者停止的触发信号。

所述的上浪信号探头5包括：两根平行设置且与信号解调装置6连接的导体。

所述的触发信号包括：脉冲信号、电平信号、TTL信号或者数字信号。

如图5所示，所述的支撑调整装置4包括：相互垂直且活动连接的横向支撑架7和纵向支撑架8。

所述的活动连接通过可调螺栓组实现，以便动态调整上浪信号探头的空间位置。

所述的横向支撑架上7设有精确到毫米的刻度标示。

所述的纵向支撑架上8设有精确到毫米的刻度标示，并设有高度调节装置9。

如图4所示，所述的数据采集系统2包括：高频数据采集器10、分别与其相连的若干测量探头11和同步信号发生器12，其中：高频数据采集器10与信号解调装置6连接，同步信号发生器12与系统外的辅助采集系统13相连，当高频数据采集器10接收到启动触发信号后，启动测量探头11和同步信号发生器12，同步信号发生器12向辅助采集系统13发出同步信号，由测量探头11测量上浪试验所需测量的包括：关键部位的波面升高、波浪冲击的载荷物理量。

所述的数据采集系统2用于采集上浪的物理量，如波浪爬升和砰击，该采集收到触发信号控制仅采集上浪期间的数秒时间；所述的辅助采集系统13用于采集模型的运动、系泊系统的荷载；通过辅助采集系统13接收数据采集系统2发出的同步信号实现数据采集的统一性。

所述的同步信号包括：电平信号或者正弦波信号。

所述的高频数据采集器10是指：采样频率为1Khz-10Khz的采集器。

所述的摄录装置3包括：分别与信号解调装置连接且接收触发信号的高速摄像机14和数码相机15。

如图2所示，整个系统安装于海洋平台模型16上，发生上浪时，上浪信号探头5浸没于水中从而导通上浪信号探头5和信号解调装置6的监测回路使得信号解调装置6分别向高频数据采集器10和摄录装置3发出启动的触发信号；高频数据采集器10在收到启动的触发信号后，启动测量探头11，采样频率达1Khz-10Khz；同时，同步信号发生器12向系统外的辅助采集系统13发出同步信号，辅助采集系统13使用该信号作为采样的时间同步记录；摄录装置3中的高速摄像机14和数码相机15接收启动的触发信号后开启摄录上浪过程。

如图3所示，当上浪过程结束后，上浪信号探头5离开水面，由于金属丝之间无水导通而切断监测回路，信号解调装置6发出停止的触发信号，高频数据采集器10、高速摄像机14和数码相机15在完成工作后自动停止，同时，同步信号发生器12发出同步信号，辅助采集系统13使用该信号作为停止采样的时间同步记录。

如图4所示，为系统电路简图。发生上浪时，上浪信号探头5导通，驱使信号解调装置6分别向高频数据采集器10和摄录装置3发出启动的触发信号；高频数据采集器10在收到启动的触发信号后，启动测量探头11；数据采集器内的同步信号发生器12向系统外的辅助采集系统13发出同步信号，辅助采集系统13使用该信号作为采样的时间同步记录。

如图5所示，通过调整所述的支撑调整装置4中相互垂直且活动连接的横向支撑架7和纵向支撑架8，以及高度调节装置9的位置，由于横向支撑架上7和纵向支撑架上8均设有精确到毫米的刻度标示，可以方便准确地调整上浪信号探头5的高度和相对平台模型16距离，从而调整上浪观测的上浪高度和距离模型的位置。

本装置可以通过设定探头相对水面的高度，精确地捕捉每一个超过该高度的波浪在平台上的上浪过程，其精确度可达毫米级。而以往通过人眼观察来控制对上浪的观测，受到观察人的视力、经验等限制，其精度最高达到几个厘米级别，精度相差数十倍。该探头的采用使得本装置将以往凭经验进行的试验进行了精确的量化采集，提高了试验的准确性和可靠性。同时系统采用的发出同步信号外输给另一个采集系统来采集以保持同步性的方法使得该系统可以与任何一个可以对模拟电压信号进行采集的采集系统保持数据上的同步，避免的数字信号接口控制给不同系统之间带来的接口不匹配和响应不及时等问题。

Claims (7)

1.一种海洋平台上浪试验捕捉观测系统，其特征在于，包括：上浪探头装置、数据采集系统和用于记录上浪过程的摄录装置，其中：

上浪探头装置包括：上浪信号探头、支撑调整装置和信号解调装置，其中：上浪信号探头与支撑调整装置固定连接并活动设置于海浪发生处，其距离静水面的高度大于等于平台模型需要监测的上浪水面高度的下限，上浪信号探头的输出端与信号解调装置相连，信号解调装置分别与数据采集系统和摄录装置相连以发出启动或者停止的触发信号；

所述的支撑调整装置包括：相互垂直且活动连接的横向支撑架和纵向支撑架，其中：纵向支撑架上设有高度调节装置；所述的横向支撑架上设有刻度标示。

2.根据权利要求1所述的海洋平台上浪试验捕捉观测系统，其特征是，所述的上浪信号探头包括：两根平行设置且与信号解调装置连接的导体。

3.根据权利要求1所述的海洋平台上浪试验捕捉观测系统，其特征是，所述的触发信号包括：脉冲信号、电平信号、TTL信号或者数字信号。

4.根据权利要求1所述的海洋平台上浪试验捕捉观测系统，其特征是，所述的数据采集系统包括：高频数据采集器、分别与其相连的若干测量探头和同步信号发生器，其中：高频数据采集器与信号解调装置连接，同步信号发生器与辅助采集系统相连，当高频数据采集器接收到启动触发信号后，启动测量探头和同步信号发生器，同步信号发生器向辅助采集系统发出同步信号，由测量探头测量上浪试验所需测量的包括:关键部位的波面升高、波浪冲击的载荷物理量。

5.根据权利要求4所述的海洋平台上浪试验捕捉观测系统，其特征是，所述的数据采集系统用于采集上浪的物理量，如波浪爬升和砰击，该采集收到触发信号控制仅采集上浪期间的数秒时间；所述的辅助采集系统用于采集模型的运动、系泊系统的荷载；通过辅助采集系统接收数据采集系统发出的同步信号实现数据采集的统一性。

6.根据权利要求1所述的海洋平台上浪试验捕捉观测系统，其特征是，所述的摄录装置包括：分别与信号解调装置连接且接收触发信号的高速摄像机和数码相机。

7.一种使用如上述任一权利要求所述系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)当发生上浪时，上浪信号探头浸没于水中从而导通上浪信号探头和信号解调装置的监测回路使得信号解调装置分别向高频数据采集器和摄录装置发出启动的触发信号；

2)高频数据采集器在收到启动的触发信号后，启动测量探头，采样频率达1Khz-10Khz，摄录装置中的高速摄像机和数码相机接收启动的触发信号后开启摄录上浪过程；

3)在步骤2)的同时，同步信号发生器向系统外的辅助采集系统发出同步信号作为采样的时间同步记录；

当上浪过程结束后，上浪信号探头离开水面，由于金属丝之间无水导通而切断监测回路，信号解调装置发出停止的触发信号，高频数据采集器、高速摄像机和数码相机在完成工作后自动停止，同时，同步信号发生器发出同步信号作为系统外的辅助采集系统停止采样的时间同步记录。

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