CN103321567A - 随钻测量海冰及河冰厚度的钻具及方法 - Google Patents

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本发明公开了一种随钻测量海冰及河冰厚度的钻具及方法，钻具是由显示器、检测控制单元、直流电机、螺杆钻杆、钻头和电瓶构成，检测控制单元内部集成有PLC控制模块，PLC控制模块可以收集扭矩传感器和激光测距仪测量的数据，并通过检测控制单元上方的显示器显示钻杆钻进的扭矩和冰层的厚度，本发明很好的将钻探机具和随钻测量及自动化检测控制手段结合在一起，在钻进过程中即可获得海冰厚度数据，并通过显示器显示出来，大大提高了海冰及河冰测厚的效率，降低了劳动强度；本发明采用PLC控制模块采集和处理数据，并且可以根据不同区域冰性质不同调节突变值的大小，使得该检测方法在更大区域内具有良好的实用性和适用性。

Description

随钻测量海冰及河冰厚度的钻具及方法
技术领域
本发明涉及一种钻探机具，特别涉及一种是用于海冰及河冰等浅层冰随钻测量厚度的海冰测厚钻具。
背景技术
海冰是极区海域中的重要组成部分，是表面热量收支和海洋热通量共同作用的产物，因此海冰的生长和消融在气候变化中具有重要影响。而海冰厚度是一个重要的气候参数而且必须精确地在全球气候体系的数字模型中体现，它是最难测量的地球物理参数之一。海冰厚度控制海洋和大气之间的热能、湿气、和动量交换来影响全球气候。海冰覆盖的长期变化和它的厚度分布是全球气候变化的灵敏指示。
此外，在寒区的内海海洋工程开发中，海冰对水产养殖、渔业生产、交通运输、油气开采、海洋生态环境及人民的生产生活等构成巨大的威胁。特别在冰情严重年份，海冰会封冻港口和船只、破坏海水养殖、推毁护岸和海洋工程结构物，不仅造成巨大的经济损失和环境污染，还危及人民群众的生命安全。而对海冰的立体监测中，海冰厚度也是最主要的环境参数。
为了监测海冰厚度的变化与分布，人们已经尝试了多种方法。包括声纳法、电磁法、视觉观察法、遥感监测与钻孔测量等。但准确的监测冰厚的变化与空间分布仍然没有很好的方法。钻孔测量海冰厚度是最精确和最可靠的方法，常作为其它海冰厚度测量方法的依据和验证手段。目前，国内外钻孔测量海冰厚度的方法是利用螺杆钻具在海冰上钻孔，待钻穿海冰之后，再下入专用冰尺来测量海冰的厚度，这种方法操作繁琐、效率低，给野外现场工作带来极大的不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种随钻测量海冰及河冰厚度的钻具。
本发明的另一目的是提供一种随钻测量海冰及河冰厚度的方法。
本发明之随钻测量海冰及河冰厚度的钻具是由显示器、检测控制单元、直流电机、螺杆钻杆、钻头和电瓶构成，检测控制单元内部集成有PLC控制模块，PLC控制模块可以收集扭矩传感器和激光测距仪测量的数据，并通过检测控制单元上方的显示器显示钻杆钻进的扭矩和冰层的厚度，显示器一侧设置按钮，可以设定保存测距仪数据时的扭矩值大小；激光测距仪通过激光测距仪安装板用螺钉固定在检测控制单元的一侧；检测控制单元固定在直流电机的上方，直流电机外壳两侧安装有电机手柄，方便钻进过程中人对钻具的把握，直流电机由电瓶通过电线供电，采用电瓶供电是考虑到冰层厚度测量都是在户外及野外地区，供电困难，采用电瓶供电方便携带；电机轴通过花键与扭矩传感器相连，螺杆钻杆通过螺杆钻杆弹簧销与扭矩传感器相连，螺杆钻杆弹簧销可以在螺杆钻杆中伸缩，需要连接时，压下螺杆钻杆弹簧销并将螺杆钻杆上端伸入扭矩传感器下部，当螺杆钻杆弹簧销到达扭矩传感器侧面销孔位置时则弹入销孔，实现螺杆钻杆与扭矩传感器的连接。拆卸时依然将螺杆钻杆弹簧销压下，同时将螺杆钻杆从扭矩传感器中抽出即可；钻头通过钻头弹簧销与螺杆钻杆相连，连接原理同螺杆钻杆与扭矩传感器的连接相同。
本发明之随钻测量海冰及河冰厚度的方法是：
测量的原理是：随钻测量海冰或河冰的厚度，关键在于如何在钻具钻进过程中判断钻具钻穿冰层的瞬间，记录钻具钻入冰层的长度，此长度即为该地冰层的厚度。由于采用钻探机具钻进冰层到钻穿冰层的瞬间，施加在钻杆上的扭矩会发生突变，因此根据这一特点，可以在钻机和钻杆连接处加装扭矩传感器用来实时监测钻杆的状态，当扭矩参数突然发生大的变化时即为钻具钻穿海冰冰层的瞬间。
该方法是：在钻具上加装激光测距仪，在钻机和钻杆连接处加装扭矩传感器，将扭矩传感器以及激光测距仪的数据同步实时的传输至PLC控制器的信号采集模块，当扭矩传感器的数据出现突变，并小于设定值时，PLC控制器保存测距仪的数据，通过程序计算显示在显示器上，使操作者可以直接在显示屏上看到冰层的厚度数据；
所述激光测距仪测量的是激光测距仪距离冰面的高度，而不是直接的冰层厚度，冰层厚度与激光测距仪测量值之间的关系为：
冰层厚度=激光测距仪到传感器底部的距离+钻杆长度-激光测距仪的测量值；将此算法加载在PLC 控制器中，使其自动换算，并将结果显示在液晶屏上，该值即为所测冰层厚度值。
由于不同厚度、不同区域冰层的性质不同，当钻具钻穿冰层瞬间，各种传感器的突变值也不相同，因此为了使该检测方法适应多种环境，还可以在钻机的显示屏上设置传感器限值的大小。
本发明的有益效果是：
1、本发明很好的将钻探机具和随钻测量及自动化检测控制手段结合在一起，在钻进过程中即可获得海冰厚度数据，并通过液晶屏显示出来，大大提高了海冰及河冰测厚的效率，降低了劳动强度。
2、本发明采用PLC控制模块采集和处理数据，并且可以根据不同区域冰性质不同调节突变值的大小，使得该检测方法在更大区域内具有良好的实用性和适用性。
3、本发明结构简单，并且采用电瓶供电，重量轻，方便携带。
附图说明
图1是随钻测量海冰及河冰厚度的钻具立体示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明之随钻测量海冰及河冰厚度的钻具是由显示器1、检测控制单元2、直流电机6、螺杆钻杆10、钻头12和电瓶14构成，检测控制单元2内部集成有PLC控制模块，PLC控制模块可以收集扭矩传感器8和激光测距仪5测量的数据，并通过检测控制单元2上方的显示器1显示钻杆钻进的扭矩和冰层的厚度，显示器1一侧设置按钮，可以设定保存测距仪5数据时的扭矩值大小；激光测距仪5通过激光测距仪安装板4用螺钉固定在检测控制单元2的一侧；检测控制单元2固定在直流电机6的上方，直流电机6外壳两侧安装有电机手柄3，方便钻进过程中人对钻具的把握，直流电机6由电瓶14通过电线13供电，采用电瓶供电是考虑到冰层厚度测量都是在户外及野外地区，供电困难，采用电瓶供电方便携带；电机轴7通过花键与扭矩传感器8相连，螺杆钻杆10通过螺杆钻杆弹簧销9与扭矩传感器8相连，螺杆钻杆弹簧销9可以在螺杆钻杆10中伸缩，需要连接时，压下螺杆钻杆弹簧销9并将螺杆钻杆10上端伸入扭矩传感器8下部，当螺杆钻杆弹簧销9到达扭矩传感器8侧面销孔位置时则弹入销孔，实现螺杆钻杆10与扭矩传感器的连接。拆卸时依然将螺杆钻杆弹簧销9压下，同时将螺杆钻杆10从扭矩传感器8中抽出即可；钻头12通过钻头弹簧销11与螺杆钻杆10相连，连接原理同螺杆钻杆10与扭矩传感器8的连接相同。
本发明之随钻测量海冰及河冰厚度的使用和工作过程如下：
1、首先用电线13将电瓶14和检测控制单元2的接线柱相连，扭矩传感器8套在电机轴7上，将螺杆钻杆弹簧销9压下，同时将螺杆钻杆10插入扭矩传感器8下部，直到螺杆钻杆弹簧销9弹入扭矩传感器8一侧的销孔中；将钻头12上的钻头弹簧销11压下，同时将钻头12插入螺杆钻杆10下部，直到钻头弹簧销11弹入螺杆钻杆10下部一侧的销孔中，这样实现整套钻具的连接。
2、手握电机手柄3将整套钻具竖直立在冰面上，打开电源开关，开始钻进，当在测试区域进行冰层厚度测试第一钻时，冰的扭矩参数并不清楚，因此需要在该地打一个实验钻。手压着钻具钻进，当钻具扭矩突然减小，读取液晶显示屏上方的扭矩数据，并将此数据设定为该地钻进钻穿冰层瞬间的扭矩值，当该钻具钻进时，扭矩传感器8实时监测的钻杆扭矩小于此值时保存并在液晶屏下方显示厚度值。
3、当所测冰层厚度大于1m时，需要多根钻杆相连钻进，由于本发明中设计的钻杆长度均为1m，海冰的厚度为采用的钻杆数减1再加上液晶屏的厚度数据即为实际的冰层厚度。
例如在某地一共采用3根钻杆钻进，若钻穿海冰时液晶屏上显示数据为0.6m，则海冰的厚度为3-1+0.6=2.6m。
数据计算通过检测控制单元2中的PLC进行编程处理。
本发明之随钻测量海冰及河冰厚度的方法是：
测量的原理是：随钻测量海冰或河冰的厚度，关键在于如何在钻具钻进过程中判断钻具钻穿冰层的瞬间，记录钻具钻入冰层的长度，此长度即为该地冰层的厚度。由于采用钻探机具钻进冰层到钻穿冰层的瞬间，施加在钻杆上的扭矩会发生突变，因此根据这一特点，可以在钻机和钻杆连接处加装扭矩传感器用来实时监测钻杆的状态，当扭矩参数突然发生大的变化时即为钻具钻穿海冰冰层的瞬间。
该方法是：在钻具上加装激光测距仪，在钻机和钻杆连接处加装扭矩传感器，将扭矩传感器以及激光测距仪的数据同步实时的传输至PLC控制器的信号采集模块，当扭矩传感器的数据出现突变，并小于设定值时，PLC控制器保存测距仪的数据，通过程序计算显示在显示器上，使操作者可以直接在显示屏上看到冰层的厚度数据；
所述激光测距仪测量的是激光测距仪距离冰面的高度，而不是直接的冰层厚度，冰层厚度与激光测距仪测量值之间的关系为：
冰层厚度=激光测距仪到传感器底部的距离+钻杆长度-激光测距仪的测量值；将此算法加载在PLC 控制器中，使其自动换算，并将结果显示在液晶屏上，该值即为所测冰层厚度值。
由于不同厚度、不同区域冰层的性质不同，当钻具钻穿冰层瞬间，各种传感器的突变值也不相同，因此为了使该检测方法适应多种环境，还可以在钻机的显示屏上设置传感器限值的大小。

Claims (3)

1.一种随钻测量海冰及河冰厚度的钻具，特征在于：是由显示器（1）、检测控制单元（2）、直流电机（6）、螺杆钻杆（10）、钻头（12）和电瓶（14）构成，检测控制单元（2）内部集成有PLC控制模块，PLC控制模块可以收集扭矩传感器（8）和激光测距仪（5）测量的数据，并通过检测控制单元（2）上方的显示器（1）显示钻杆钻进的扭矩和冰层的厚度，显示器（1）一侧设置按钮，能设定保存测距仪（5）数据时的扭矩值大小；激光测距仪（5）通过激光测距仪安装板（4）用螺钉固定在检测控制单元（2）的一侧；检测控制单元（2）固定在直流电机（6）的上方，直流电机（6）外壳两侧安装有电机手柄（3），直流电机（6）由电瓶（14）通过电线（13）供电；电机轴（7）通过花键与扭矩传感器（8）相连，螺杆钻杆（10）通过螺杆钻杆弹簧销（9）与扭矩传感器8相连，钻头（12）通过钻头弹簧销（11）与螺杆钻杆（10）相连。
2.一种随钻测量海冰及河冰厚度的方法，该方法是：在钻具上加装激光测距仪，在钻机和钻杆连接处加装扭矩传感器，将扭矩传感器以及激光测距仪的数据同步实时的传输至PLC控制器的信号采集模块，当扭矩传感器的数据出现突变，并小于设定值时，PLC控制器保存测距仪的数据，通过程序计算显示在显示器上，使操作者可以直接在显示屏上看到冰层的厚度数据。
3.根据权利要求2所述的一种随钻测量海冰及河冰厚度的方法，特征在于：所述激光测距仪测量的是激光测距仪距离冰面的高度，而不是直接的冰层厚度，冰层厚度与激光测距仪测量值之间的关系为：
冰层厚度=激光测距仪到传感器底部的距离+钻杆长度-激光测距仪的测量值；将此算法加载在PLC 控制器中，使其自动换算，并将结果显示在液晶屏上，该值即为所测冰层厚度值。
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