波/潮测试检定系统装置及其应用
技术领域
本发明涉及波/潮测试检定装置技术领域,具体涉及一种脱离海洋环境,在室内模拟波浪、潮汐运动规律,用于多种类波浪浮标、重力加速度传感器以及基于多种测量原理的测波仪、验潮仪和水位计的测试检定装置及其应用。
背景技术
随着海洋技术的不断发展,各国对波、潮测量仪器的测量范围和准确度要求越来越高。波浪、潮汐测试检定装置与方法的创新对这类海洋水文仪器的科学引进、研制、生产和使用具有重要意义。目前,波浪与潮汐/水位检定装置是相分离的,在中国海洋大学2006年1月隋军论文《重力加速度式波浪浮标量值溯源体系研究》一文中介绍了多种关于波浪浮标检定的装置。
滑轮-绳索组合校准装置,由滑轮组、绳索、标尺组成,用人工方法维持有限周期的垂直运动,模拟波浪运动,此方法只可验证浮标是否工作,无法精确定量校准。
摆锤校准法,由滚筒上嵌套一个摆锤,滚筒两边悬吊浮标和平衡物,通过滚筒将摆锤的摆动变换为浮标的垂直正弦运动,此方法周期、幅度均可调整,但校准范围小,弹性阻尼对系统的影响无法消除。
垂直升降式正弦模拟校准装置,由电机、特定传动机构组成,通过将电机的转动变换为链或绳索的垂直正弦运动,带动被校准浮标或加速度计运动,此方法振幅、周期方便调整控制,无水平加速度干扰,弹性阻尼很小可视为无阻尼的垂直正弦运动,但其结构复杂,易磨损部件多,电机负载不均,维护费用较高。在委内瑞拉INTEVEP研究所、美国海洋大气局资料浮标中心(NOAA、NDBC)建有该类装置。
桁架结构校准装置,由电机、绕水平轴旋转的桁架结构以及控制系统组成,波高为旋转直径,波周期为旋转周期,根据桁架结构的不同,分为悬臂梁式、双臂式、单环式、双环式桁架结构校准装置,此方法结构简单,幅度、周期控制方便,可调周期范围较大,但该类装置存在水平加速度干扰,波高受桁架直径的限制。1997年,国内立项了由国家海洋标准计量中心拟定的“波浪浮标检定装置技术方案”,采用双环式桁架结构,用于重力加速度式波浪浮标和重力加速度传感器的检定工作。目前,JBY-1型波浪浮标检定装置已研制成功,且撰写了HYT_089-2005《波浪浮标检定规程》。表1为国内外相似装置的主要技术指标。
表1国内外浮标校准装置技术参数
在潮汐/水位仪的校准和检定方面,国家海洋标准计量中心自主研发了潮汐/水位检定装置。由直径1m,高9.5m的钢结构水塔提供测试环境,将被测仪器放置在水塔内进行整机检定。规程JJG_946-1999《压力验潮仪检定规程》中,可看出该装置主要计量性能指标:潮差测量范围0~8m;潮高鉴别力阈值1mm;潮高示值误差±(10mm~30mm);计时示值误差为24h内±3s。
通过讨论现有波浪、潮汐检定装置的原理和技术能力,难以满足现有测波、验潮仪器的检定需求,主要体现在以下几个方面:
1)、为确保大波高、大潮位差测量数据的准确性,需大幅提升检定装置的测试检定范围,实现波、潮测量仪器的全量程校准以保障实际观测准确度。目前先进的波浪测量仪器的测量范围一般在0.2m~20m,甚至可达到25m,如SBF3-1型波浪浮标测波范围为0.2 m~25m,我国海区内最大观测波高已超过12m,而现有波浪检定装置最大可模拟波高仅为6m。先进的潮位仪测量范围已远远超过10m,如LPB1-1型岸用声学测波仪,我国沿海最大观潮差超过10m,而现有潮汐(水位)检定装置最大可模拟潮差仅为8m。
2)、为满足大质量、大尺寸波浪浮标的整机测试工作,需大幅提升检定装置的载荷能力。需要突破检定装置承载被检仪器的能力,最大限度实现整机校准或多台件同类仪器同步测试,有效提高测试与检定效率。
3)、为满足基于不同测量原理的波、潮仪器检定的要求,需拓展检定装置的功能多样性。重点突破测波仪器检定的多功能性,不但要能检定基于加速度原理的浮标或加速度传感器,还要能够检定基于声学、压力、光学原理的波浪测量仪器,从而有效降低测试检定的复杂度以及成本。
4)、为满足波向参数的测试检定能力,需在检定装置中增设波向测试子系统。波向是与波高、波周期同等重要的观测量,而且当前先进的测波仪器都具备波向测量功能。
发明内容
解决的技术问题:本发明提供一种波/潮测试检定系统装置及其应用,用于宽量程、多原理、大尺寸、大重量波浪浮标的测试检定以及多台同类测波仪/验潮仪/水位仪同步测试检定,构建室内波、潮一体化测试检定环境。
技术方案:波/潮测试检定系统装置,包括核心测控系统和关键辅助机构,所述核心测控系统由动力系统和测控系统组成,所述动力系统含永磁同步曳引机、曳引机机座、曳引机减震装置、由半圆型带切口曳引轮构成的复绕式结构曳引轮组、钢丝绳组、配重侧导轨和承载平台侧导轨,永磁同步曳引机固定于曳引机座之上,曳引机减震装置设于曳引机座下方,由半圆型带切口曳引轮构成的复绕式结构曳引轮组位于永磁同步曳引机的下方,钢丝绳组在曳引轮组上复绕后,分别与可变对重承载箱和框架式水上升降承载平台连接;测控系统包括PC机、电源控制柜、变频器、PLC、旋转编码器、张紧弹簧、同步齿轮带和绝对值编码器,PC机与PLC通过通讯端子相连,PLC信号输出端与变频器信号输入端连接,变频器控制信号输出端与永磁同步曳引机连接,变频器状态信号输出端与PLC连接;旋转编码器与永磁同步曳引机同轴连接,其输出信号接入变频器输入端子;同步齿轮带与钢丝绳组平行设置,绝对值编码器与同步齿轮带通过齿轮啮合的方式实现同步升降运动,其输出信号接入PLC输入端;张紧弹簧与同步齿轮带连接安装于同步齿轮带的顶端,以实现绝对值编码器在同步齿轮带上平稳滑动;关键辅助机构分为曳引辅助机构、承载平台和隔离辅助机构,曳引辅助机构包括可变对重块、可变对重块承载箱和随行电缆,可变对重块承载箱内设有对重块装配卡槽,可变对重块设于卡槽内,根据承载平台一侧质量进行调整,使对重侧与其质量和大致相等,随行电缆与框架式水上升降承载平台的电气信号接口连接,用以控制平台升降;承载平台分为水上、水下两部分,水上辅助机构包括框架式水上升降承载平台,用作承载水上和水面测量仪器,框架式水上升降承载平台设有电气信号接口;水下辅助机构包括带有电缆的随行杆、水下升降承载平台,随行杆与水上升降承载平台连接,与位于水上升降承载平台下方的广口储水池共同实现多台件水下被检仪器的同步测试;隔离辅助机构用于隔离干、湿空间,由可滑动挡板、导轨组成,导轨设于可滑动挡板上,方便运送安装被检仪器。
上述可变对重块可根据水上升降承载平台一侧重量调整,保证曳引轮两侧重量大致相等。
上述曳引轮组为由半圆型带切口曳引轮构成的复绕式结构。
上述PLC选用西门子S7-200 CPU226。
上述绝对值编码器为德国奔克公司AWG-05。
上述绝对值编码器与同步齿轮带通过齿轮啮合的方式实现同步升降运动,以反馈水上升降承载平台的位置。
上述波/潮测试检定系统装置在测试检定波浪、潮汐测量仪器中的应用。
有益效果:本发明由于采用了以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明由于设置了广口储水池、水下辅助机构,将波浪、潮汐测量仪器的测试检定工作有机的结合在一起,形成波、潮一体化测试检定系统。2、本发明通过优化动力系统的设计,采用可变对重、特种曳引轮组的设计技巧,使系统垂直升降正弦运动更接近于真实波浪运动规律。3、本发明整体采用可组装模块化设计,便于系统功能扩展,水下辅助机构与水上辅助机构的灵活拼接,实现多台水下被检仪器的同时测试。4、本发明采用新颖的曳引升降测控方法,提出了一种高效灵活的、多功能集成的波、潮测试检定的新方法和新体制,可有效解决实际应用中的多种类波、潮测量仪器全参数的测试检定瓶颈问题。5、本发明根据现有海洋波浪、潮汐检定规程,结合波浪、潮汐运行规律,设计动力系统、测控系统和关键辅助机构,提出了全新的巧妙设计,可满足装置大载荷,大量程设计要求,测控系统可满足系统精确测控需要,关键辅助机构可有效增加系统的多功能性、可维性和灵活性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图,图中PC机(1)、电源控制柜(2)、变频器(3)、PLC(4)、永磁同步曳引机(5)、曳引机机座(6)、曳引机减震装置(7)、特种曳引轮组(8)、钢丝绳组(9)、可变对重块(10)、可变对重块承载箱(11)、配重侧导轨(12)、广口储水池(13)、旋转编码器(14)、张紧弹簧(15)、同步齿轮带(16)、承载平台侧导轨(17)、绝对值编码器(18)、水上升降承载平台(19)、随行电缆(20)、随行杆(21)、水下升降承载平台(22)、可滑动挡板(23)、导轨(24);
图2为测试检定重力测波装置俯视图,图中可变对重块承载箱(11)、配重侧导轨(12)、承载平台侧导轨(17)、水上升降承载平台(19)、可滑动挡板(23)、导轨(24)、挡板导轨(25);
图3为测试检定气介式测波、验潮装置和水下验潮仪、水位计装置俯视图,图中可变对重块承载箱(11)、配重侧导轨(12)、广口储水池(13)、承载平台侧导轨(17)、水上升降承载平台(19)、可滑动挡板(23)、导轨(24)、挡板导轨(25);
图4为波浪浮标检测流程图;
图5为水下验潮仪检测流程图;
图6为气介式测波仪检测流程图;
图7为气介式验潮仪检测流程图。
具体实施方式
实施例1:
一种新型波/潮测试检定系统,包括核心测控系统和关键辅助机构两大部分。核心测控系统由动力系统和测控系统组成,动力系统含永磁同步曳引机5、曳引机机座6、曳引机减震装置7、由半圆型带切口曳引轮构成的复绕式结构曳引轮组8、钢丝绳组9、配重侧导轨12和承载平台侧导轨17,永磁同步曳引机5固定于曳引机座6之上,通过曳引机减震装置7与承载壁连接,由半圆型带切口曳引轮构成的复绕式结构曳引轮组8位于永磁同步曳引机5的斜下方,中国电梯2006年9月17卷17期54-55页《复绕式曳引机及导向轮等安装》一文中指出复绕式结构的绕绳方式,半圆型带切口槽型在曳引行业已成专业术语,钢丝绳组9在特种曳引轮组上复绕后,分别与可变对重承载箱11和框架式水上升降承载平台19连接;测控系统含PC机1、电源控制柜2、变频器3、PLC 4、旋转编码器14、张紧弹簧15、同步齿轮带16和绝对值编码器18,PC机1与PLC 4通过通讯端子相连,实时监测和控制PLC 4的运行情况,并进行检定结果分析,本装置中PLC选用西门子S7-200 CPU226,PLC 4信号输出端与变频器3信号输入端连接,变频器3控制信号输出端与永磁同步曳引机5连接,变频器3状态信号输出端与PLC 4连接;旋转编码器14与永磁同步曳引机5同轴连接,旋转编码器14将永磁同步曳引机5转速信号接入变频器3组成速度内反馈,绝对值编码器18(型号德国奔克公司AWG-05)将承载平台位置信号接入PLC 4组成位置外反馈,速度内反馈与位置外反馈共同构成速度-位置双反馈控制系统,提高整个系统速度控制精度;同步齿轮带16与钢丝绳组9平行设置,绝对值编码器18与同步齿轮带通过齿轮啮合的方式实现同步升降运动,张紧弹簧15与同步齿轮带连接并设于同步齿轮带16的顶端,保证绝对值编码器18在同步齿轮带16上平稳滑动;关键辅助机构分为曳引辅助机构、承载平台和隔离辅助机构,曳引辅助机构含可变对重块10、可变对重块承载箱11和随行电缆20,可变对重块承载箱11内设有不同对重块10装配卡槽,可变对重块10设于卡槽内,根据承载平台一侧质量进行调整,使对重侧与其质量和大致相等,随行电缆20与框架式水上升降承载平台19的电气接口连接,随行电缆所收集传输的信号包括:绝对值编码器的位置信号、被检仪器通讯信号以及被检仪器所需电源;承载平台分为水上、水下两部分,水上辅助机构含框架式水上升降承载平台19,框架式水上升降承载平台19设有电气信号接口,电气信号接口与随行电缆20相连,用作承载水上和水面测量仪器,水下辅助机构含带有电缆的随行杆21、水下升降承载平台22,随行杆21与水上升降承载平台19连接,与位于水上升降承载平台正下方的广口储水池13共同实现多台件水下被检仪器的同步测试;隔离辅助机构用于隔离干、湿空间,增强核心测控系统的可靠性和维护性,由可滑动挡板23、导轨24组成,导轨24铺设于可滑动挡板23上,导轨车可在导轨24上移动,导轨车用于运输安装送被检仪器,也可采用其他方式运输安装被检仪器。
实施例2
如图4,波浪浮标的测试检定:
1、测试检定人员先检查送检波浪浮标外观,初步通电检测是否工作正常。
2、测试检定人员进入PC机1监控系统,设置通讯参数,进入波浪浮标测试检定子系统录入送检浮标基本信息及技术参数。
3、测试检定人员初始化系统,即将水上升降承载平台19降至最底层,滑动挡板23将广口储水池13盖上。
4、由两名以上人员协助,通过滑动挡板23上的导轨25,将送检浮标安装在水上升降承载平台19上,接通电源和通讯端口。
5、测试检定人员设定测试检定的流程序列,规程HYT_089-2005《波浪浮标检定规程》中,针对JBY-1型波浪浮标检定装置,设置1、3、6m各设定7个波周期,本发明同样按此规律进行设定,并设定每个检定点运行的周期数,形成测试检定流程序列。
6、测试检定人员设定结束后,运行系统,将设定的控制参数按照流程序列将控制参数传给PLC 4,PLC4接收到PC1机命令后,开始运行,通过模拟量控制变频器3,由变频器3控制永磁同步曳引机5运转拖动框架式水上升降承载平台19做周期性上下正弦运动。并通过旋转编码器14、绝对值编码器18组成的速度-位置双反馈控制方式,提高系统速度控制精度。在检定过程中,PLC4实时采集变频器3频率反馈信息、绝对值编码器18位置反馈信息,将反馈信息及内部计时,存入其内部寄存器。PC机1监控系统每隔200ms读取PLC 4内部寄存器,将框架式水上升降承载平台19的运行位置、速度、周期信息存入数据库。
7、测试检定人员在测试检定过程中遇到紧急情况,可通过监控系统和外部应急开关,抱闸装置启动,停止系统运行。
8、流程序列运行完毕,测试检定人员操作监控系统读取被检浮标的测量值,并显示存储。
9、测试检定人员打印测试检定结果。
实施例3
如图5,水下验潮仪的测试检定:
1、测试检定人员先检查送检压力验潮仪外观,初步通电检测是否工作正常。
2、测试检定人员进入PC机1监控系统,设置通讯参数,进入验潮仪测试检定子系统录入送检压力验潮仪基本信息及技术参数。
3、测试检定人员设置测试检定系统参数,将水上升降承载平台19升至15m处,可滑动挡板23将广口储水池13盖上。
4、测试检定人员根据同时测试检定的压力验潮仪的台数,选取不同的带有随行电缆的随行杆21,并将被检压力验潮仪装在水下升降承载平台22上。
5、由两名以上人员协助通过滑动挡板23上的导轨25,将带有水下承载平台22的随行杆21挂接在水上升降承载平台19上,接通电源和通讯端口,打开可滑动挡板23。
6、测试检定人员设定测试检定的流程序列,规程JJG_946-1999《压力验潮仪检定规程》中,针对水塔式验潮仪/水位仪检定装置,设置1~8m之间8个潮高测试检定点,往返测试检定,本发明同样按此规律进行设定,但最大测试检定范围为15m,通过设定潮高、测试检定点个数,并设定每个测试检定点稳定时间,形成测试检定流程序列。
7、测试检定人员设定结束后,运行系统,将设定的控制参数按照流程序列顺序将控制参数传给PLC 4,PLC4接收到PC1机命令后,开始运行,通过模拟量控制变频器3,由变频器3控制永磁同步曳引机5运转拖动框架式水上升降承载平台19做上下运动,框架式水上升降承载平台19带动水下升降承载平台22在广口储水池13中运动。并通过旋转编码器14、绝对值编码器18组成的速度-位置双反馈控制方式,提高系统速度控制精度。在测试检定过程中,PLC4实时采集变频器3频率反馈信息、绝对值编码器18位置反馈信息进行精确控制,并在每个测试检定点上将绝对值编码器位置信息及内部计时信息存在内部寄存器中,PC机1监控系统读取PLC 4内部寄存器,将水下升降承载平台22每个测试检定点上的运行位置以及计时信息存入数据库。
8、测试检定人员在测试检定过程中遇到紧急情况,可通过监控系统和外部应急开关,抱闸装置启动,停止系统运行。
9、PC机1在流程序列运行过程中,在固定测试检定点上读取被检压力验潮仪的测量值,并显示存储。
10、测试检定人员打印测试检定结果。
实施例4
如图6,气介式测波仪的测试检定:
1、测试检定人员先检查气介式测波仪外观,初步通电检测是否工作正常。
2、测试检定人员进入PC机1监控系统,设置通讯参数,进入测波仪测试检定子系统录入气介式测波仪基本信息及技术参数。
3、测试检定人员初始化系统,即将水上升降承载平台19降至距离底层1m处,可滑动挡板23将广口储水池13盖上。
4、将气介式测波仪安装在水上升降承载平台19上,接通电源和通讯端口,打开可滑动挡板23.
5、测试检定人员设定测试检定的流程序列。
6、测试检定人员设定结束后,运行系统,将设定的控制参数按照流程序列将控制参数传给PLC 4,PLC4接收到PC1机命令后,开始运行,通过模拟量控制变频器3,由变频器3控制永磁同步曳引机5运转拖动框架式水上升降承载平台19做周期性上下正弦运动。并通过旋转编码器14、绝对值编码器18组成的速度-位置双反馈控制方式,提高系统速度控制精度。在检定过程中,PLC4实时采集变频器3频率反馈信息、绝对值编码器18位置反馈信息,将反馈信息及内部计时,存入其内部寄存器。PC机1监控系统每隔200ms读取PLC 4内部寄存器,将框架式水上升降承载平台19的运行位置、速度、周期信息存入数据库。
7、测试检定人员在测试检定过程中遇到紧急情况,可通过监控系统和外部应急开关,抱闸装置启动,停止系统运行。
8、流程序列运行完毕,测试检定人员操作监控系统读取被检浮标的测量值,并显示存储。
9、测试检定人员打印测试检定结果。
实施例5
如图7,气介式验潮仪的测试检定:
1、测试检定人员先检查气介式验潮仪外观,初步通电检测是否工作正常。
2、测试检定人员进入PC机1监控系统,设置通讯参数,进入验潮仪测试检定子系统录入气介式验潮仪基本信息及技术参数。
3、测试检定人员设置测试检定系统参数,将水上升降承载平台19升至距离底层1m处,可滑动挡板23将广口储水池13盖上。
4、测试检定人员根据同时测试检定的气介式验潮仪的台数,选取不同的水下承载平台22,将其挂接在水上升降承载平台19上,并将被检气介式验潮仪固定于水下升降承载平台22内,接通电源和通讯端口,打开可滑动挡板23。
6、测试检定人员设定测试检定的流程序列,设定潮高、测试检定点个数,并设定每个测试检定点稳定时间,形成测试检定流程序列。
7、测试检定人员设定结束后,运行系统,将设定的控制参数按照流程序列顺序将控制参数传给PLC 4,PLC4接收到PC1机命令后,开始运行,通过模拟量控制变频器3,由变频器3控制永磁同步曳引机5运转拖动框架式水上升降承载平台19做上下运动,框架式水上升降承载平台19带动水下升降承载平台22在广口储水池13中运动。并通过旋转编码器14、绝对值编码器18组成的速度-位置双反馈控制方式,提高系统速度控制精度。在测试检定过程中,PLC4实时采集变频器3频率反馈信息、绝对值编码器18位置反馈信息进行精确控制,并在每个测试检定点上将绝对值编码器位置信息及内部计时信息存在内部寄存器中,PC机1监控系统读取PLC 4内部寄存器,将水下升降承载平台22每个测试检定点上的运行位置以及计时信息存入数据库。
8、测试检定人员在测试检定过程中遇到紧急情况,可通过监控系统和外部应急开关,抱闸装置启动,停止系统运行。
9、PC机1在流程序列运行过程中,在固定测试检定点上读取被检压力验潮仪的测量值,并显示存储。
10、测试检定人员打印测试检定结果。
实施例6
波/潮测试检定系统装置,包括核心测控系统和关键辅助机构,所述核心测控系统由动力系统和测控系统组成,所述动力系统含永磁同步曳引机5、曳引机机座6、曳引机减震装置7、由半圆型带切口曳引轮构成的复绕式结构曳引轮组8、钢丝绳组9、配重侧导轨12和承载平台侧导轨17,永磁同步曳引机5固定于曳引机座6之上,曳引机减震装置7设于曳引机座6下方,由半圆型带切口曳引轮构成的复绕式结构曳引轮组8位于永磁同步曳引机5的下方,构成复绕式结构,钢丝绳组9在特种曳引轮组8上复绕后,分别与可变对重承载箱11和框架式水上升降承载平台19连接;测控系统包括PC机1、电源控制柜2、变频器3、PLC 4、旋转编码器14、张紧弹簧15、同步齿轮带16和绝对值编码器18,PC机1与PLC 4通过通讯端子相连,PLC 4信号输出端与变频器3信号输入端连接,变频器3控制信号输出端与永磁同步曳引机5连接,变频器3状态信号输出端与PLC 4连接;旋转编码器14与永磁同步曳引机5同轴连接,其输出信号接入变频器3输入端子;同步齿轮带16与钢丝绳组9平行设置,绝对值编码器18与同步齿轮带16通过齿轮啮合的方式实现同步升降运动,其输出信号接入PLC 4输入端;张紧弹簧15与同步齿轮带16连接安装于同步齿轮带16的顶端,以实现绝对值编码器18在同步齿轮带16上平稳滑动;关键辅助机构分为曳引辅助机构、承载平台和隔离辅助机构,曳引辅助机构包括可变对重块10、可变对重块承载箱11和随行电缆20,可变对重块承载箱11内设有对重块装配卡槽,可变对重块10设于卡槽内,根据承载平台一侧质量进行调整,使对重侧与其质量和大致相等,随行电缆20与框架式水上升降承载平台19的电气信号接口连接,用以控制平台升降;承载平台分为水上、水下两部分,水上辅助机构包括框架式水上升降承载平台19,用作承载水上和水面测量仪器,框架式水上升降承载平台19设有电气信号接口;水下辅助机构包括带有电缆的随行杆21、水下升降承载平台22,随行杆21与水上升降承载平台19连接,与位于水上升降承载平台19下方的广口储水池13共同实现多台件水下被检仪器的同步测试;隔离辅助机构用于隔离干、湿空间,由可滑动挡板23、导轨24组成,导轨24设于可滑动挡板23上,方便运送安装被检仪器。设备所用产品型号与上述实施例相同。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案,凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。