CN104266637A - 一种海洋垂直剖面监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：它包括筏式波浪能发电装置、运动控制平台、剖面测量装置、引导缆、动滑轮、重块和配重链；运动控制平台垂直悬挂在筏式波浪能发电装置的正下方，剖面测量装置设置在运动控制平台的正下方，运动控制平台控制剖面测量装置与引导缆啮合或松开，引导缆的一端固定连接在运动控制平台中，引导缆的另一端穿过剖面测量装置的中心轴，并与动滑轮连接；重块通过配重链悬挂在动滑轮下方；筏式波浪能发电装置通过电线为运动控制平台和剖面测量装置供电，运动控制平台控制剖面测量装置沿引导缆作往复运动，剖面测量装置实时测量海洋垂直剖面的各要素。

Description

一种海洋垂直剖面监测装置

技术领域

本发明涉及一种海洋观测及波浪能发电领域的监测装置，特别是关于一种海洋垂直剖面监测装置。

背景技术

近年来气候变化剧烈，恰恰是由大气和海洋共同作用的结果，且受海洋的影响较大，并与海洋所存储热量的多少密切相关。而海洋所存储热量的多少受海流、盐度、深度等的影响，通过量测盐度有助于人们掌握海流和海上降雨量的变化，进而研究其对气候的影响。又如使用自持性漂浮仪所量测的海洋水文参数，可画出海洋的气象图，并用到气象预报的数学模型上来预报如厄尔尼诺等季节性变化的气象现象。因此，海洋温度、盐度、海流等要素的测量具有非常重要的意义。

海洋要素的时空变化与快速变化的大气相比，显得非常慢，这就需要对定点垂直剖面上或多点水平剖面上各海洋要素进行不间断地、长时间(甚至数年)地现场测量。这种测量往往依赖于海上的量测平台和量测仪，相对于纯技术性的量测仪来说，不间断、长时间的量测会更多的依赖于所能提供的可靠量测平台及给量测仪持续供电的能力。以往大多数的海洋剖面参数由船载传感器或潜标分层敷设传感器组来进行测量，这些传统量测方法，耗费大量人力、物力和财力，已不能适应快速发展的海洋量测需求。随着海洋要素量测需求的不断增大，近年来不断研制了一些新型量测平台，如系缆式剖面测量仪。它是一种由测量平台携带传感器沿系缆循环升降的仪器，可对海洋环境要素进行长期、定点、多层面、多参数同步观测，其测量平台的升降运动主要有电机驱动、浮力驱动、波浪驱动等几种形式。目前国外的系缆式剖面测量仪有：美国的McLane锚定式剖面仪(电机驱动式)、Wirewalker剖面测量平台(波浪驱动式)，加拿大的Seahorse剖面测量平台(波浪驱动式)，法国的Yoyo剖面测量平台(浮力驱动式)，德国的EP/CC-Yoyo剖面测量平台(浮力驱动式)等；中国的系缆式剖面测量仪有：国家海洋技术中心的滚轮旋转系缆式垂直剖面测量平台(电机驱动式)，中科院海洋研究所的点式垂直剖面测量系统(波浪驱动式)，中船重工710所的深海定点垂直剖面测量平台(浮力驱动式)。

现有量测仪的用电功率一般较小，但如要进行长期监测，总的用电量还是很大。而这些量测仪通常使用蓄电池供电，由于其使用时间有限需要定期更换，降低了整个系统的可靠性。鉴于海上交通、运输、装配和更换存在费用昂贵，及这些活动受天气和海况的影响和偏远海域难于到达等特点，使用蓄电池供电并不能很好地满足量测仪用电的长期需求和不间断监测的要求。对于长期无人值守的监测仪，电力供给是一大难题。上述系缆式剖面测量仪，总体来看，不是局限于利用海洋能所发电力之外的电力驱动测量平台垂向运动(如浮力驱动式或电机驱动式)，就是局限于波浪产生抽力/轴力驱使测量平台缓慢下潜(如波浪驱动式)及波浪小时难于有效下潜。对于前者，主要缺陷是测量平台系统总耗电量大，难于做到无人值守，需要大量人力、物力和财力来维护；而对于后者，主要缺陷是由于深潜时下潜速度慢而无法高效地进行海洋垂直剖面要素量测，也由于波浪产生抽力/轴力相对较小而无法驱动量测平台深潜。此外，由于量测仪由蓄电池供电，也难于进行长期无人值守监测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种波浪能供电的无人值守、简单可靠、成本低的海洋垂直剖面监测装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：它包括筏式波浪能发电装置、运动控制平台、剖面测量装置、引导缆、动滑轮、重块和配重链；所述运动控制平台垂直悬挂在所述筏式波浪能发电装置的正下方，所述剖面测量装置设置在所述运动控制平台的正下方，所述运动控制平台控制所述剖面测量装置与所述引导缆啮合或松开，所述引导缆的一端固定连接在所述运动控制平台中，所述引导缆的另一端穿过所述剖面测量装置的中心轴，并与所述动滑轮连接；所述重块通过所述配重链悬挂在所述动滑轮下方；所述筏式波浪能发电装置通过电线为所述运动控制平台和剖面测量装置供电，所述运动控制平台控制所述剖面测量装置沿所述引导缆作往复运动，所述剖面测量装置实时测量海洋垂直剖面的各要素。

所述筏式波浪能发电装置包括两节圆柱型的波浪能采集浮体、一水平铰、两连接部件、两液压缸、四个万向球阀、两单向阀、一稳压蓄能器、一液压马达和一发电机；两所述波浪能采集浮体之间通过所述水平铰铰接在一起，所述水平铰通过两所述连接部件分别与两所述波浪能采集浮体连接，两所述连接部件分别固定连接在两所述波浪能采集浮体的端面中心处；位于两所述波浪能采集浮体之间，在所述连接部件的上下两侧分别设置一所述液压缸，每一所述液压缸的两端均通过所述万向球铰分别与两所述波浪能采集浮体连接；各所述液压缸均通过一所述单向球阀与设置在一所述波浪能采集浮体内的所述稳压蓄能器连接，所述稳压蓄能器依次与所述液压马达和发电机连接，所述液压马达驱动所述发电机发电，所述发电机产生的电能为所述运动控制平台和剖面测量装置供电。

每一所述液压缸的外部均套设一保护套。

所述连接部件采用具有一定刚度的材料制成，具有一定刚度的材料包括钢、合金钢或铸造锌合金。

所述运动控制平台包括长方体钢结构框架、第一蓄电池、电机和电子控制系统；所述长方体钢结构框架通过铁链垂直悬挂于所述水平铰的下方，所述第一蓄电池、电机和电子控制系统固定设置在所述长方体钢结构框架内，所述第一蓄电池通过电线与所述发电机连接，所述第一蓄电池分别与所述电机和电子控制系统连接；所述电机的转轴上安装有转盘，所述引导缆的一端固定连接在所述转盘上。

所述剖面测量装置包括运载器、传感器以及第二蓄电池；所述传感器和第二蓄电池设置在所述运载器中，所述运载器带动所述传感器和第二蓄电池沿海洋垂直方向作往复运动，所述传感器测量压力以及海洋垂直剖面的温度、盐度、深度、海流和营养盐参数。

所述运载器包括一椭圆环柱型抗压密封舱、一机械啮合机构、一上推板和一下推板；所述机械啮合机构设置在所述抗压密封舱内，所述机械啮合机构的外壁与所述抗压密封舱的内壁焊接在一起，所述上推板和下推板平行设置在所述抗压密封舱外，并通过一组设置在所述抗压密封舱内的钢杆连接；沿所述机械啮合机构的中心轴，左右对称设置有两个曲线收缩壁，各所述曲线收缩壁与穿过所述抗压密封舱中心轴的所述引导缆之间均设置一锁紧球；位于所述抗压密封舱内，分别与所述上推板和下推板连接的上推杆和下推杆控制所述锁紧球的位置，当所述锁紧球处于不同位置时，所述机械啮合机构与所述引导缆啮合或松开。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明海洋垂直剖面监测装置由于包括筏式波浪能发电装置、运动控制平台、剖面测量装置、引导缆、动滑轮、重块和配重链，在一定波浪条件下，筏式波浪能发电装置发电并为运动控制平台和剖面测量装置供电，运动控制平台控制剖面测量装置沿引导缆作往复运动，在往复运动过程中，剖面测量装置实时测量海洋垂直剖面的各要素，因此本发明能够依靠波浪能发电并实现无人值守的长期不间断海洋垂直剖面要素的监测。2、本发明由于采用运动控制平台中的电机驱动剖面测量装置中的运载器，运载器带动传感器沿海洋垂直方向作快速往复运动，因此本发明能够高效地进行海洋垂直剖面要素的量测。3、本发明由于采用筏式波浪能发电装置并利用波浪能进行发电，而且波浪能的捕获效率高、简单可靠，不需要进行蓄电池的更换，因此本发明能够减少运行过程中财力、物力和人力的投入，节约海洋垂直剖面要素的监测成本。4、本发明监测到的海洋垂直剖面要素能够为我国海洋环境预报、海洋权益保护、海上资源开发提供技术支撑。基于以上优点，本发明可以广泛应用于海洋垂直剖面要素的监测中。

附图说明

图1是本发明海洋垂直剖面监测装置的总体结构侧视图

图2是筏式波浪能发电装置的剖视图

图3是筏式波浪能发电装置的侧视图

图4是运动控制平台的侧视图

图5是剖面测量装置的剖视图

图6是剖面测量装置的俯视图

图7是运载器的剖视图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明海洋垂直剖面监测装置包括筏式波浪能发电装置1、运动控制平台2、剖面测量装置3、引导缆4、动滑轮5、重块6和配重链7。其中，运动控制平台2垂直悬挂在筏式波浪能发电装置1的正下方，剖面测量装置3设置在运动控制平台2的正下方，运动控制平台2控制剖面测量装置3与引导缆4啮合或松开，引导缆4的一端固定连接在运动控制平台2中，引导缆4的另一端穿过剖面测量装置3的中心轴，并与动滑轮5连接。重块6通过配重链7悬挂在动滑轮5下方。其中，重块6的重量以不影响影响筏式波浪能发电装置1发电为宜。筏式波浪能发电装置1通过电线8为运动控制平台2和剖面测量装置3供电，运动控制平台2控制剖面测量装置3沿引导缆4作往复运动，在往复运动过程中，剖面测量装置3实时测量海洋垂直剖面的各要素。垂直悬挂在剖面测量装置3正下方的重块6用于使整个系统处于竖直状态。

如图2和图3所示，筏式波浪能发电装置1包括两节圆柱型的波浪能采集浮体11、一水平铰12、两连接部件13、两液压缸14、四个万向球阀15、两单向阀16、一稳压蓄能器17、一液压马达18和一发电机19。其中，两波浪能采集浮体11之间通过水平铰12铰接在一起，水平铰12通过两连接部件13分别与两波浪能采集浮体11连接，两连接部件13分别固定连接在两波浪能采集浮体11的端面中心处。位于两波浪能采集浮体11之间，在连接部件13的上下两侧分别设置一液压缸14，每一液压缸14的两端均通过万向球铰15分别与两波浪能采集浮体11连接。各液压缸14均通过一单向球阀16与设置在一波浪能采集浮体11内的稳压蓄能器17连接，稳压蓄能器17依次与液压马达18和发电机19连接，液压马达18驱动发电机19发电，发电机19产生的电能通过电线8为运动控制平台2和剖面测量装置3供电。

上述实施例中，如图2和图3所示，为保护液压缸14不受海水和空气的侵蚀，在每一液压缸14的外部均套设一保护套141。为适应两波浪能采集浮体11之间的相对运动，保护套141采用柔性材料制成，且根据实际需要该柔性材料具有足够的强度、耐久性和防腐性，以便于能够直接在波浪环境中持续正常工作以及应对台风、风暴潮等恶劣天气。

上述实施例中，连接部件13采用钢、合金钢或铸造锌合金等具有一定刚度的材料制成。

上述实施例中，如图4所示，运动控制平台2包括长方体钢结构框架21、第一蓄电池22、电机23和电子控制系统24。长方体钢结构框架21通过铁链10垂直悬挂于筏式波浪能发电装置1中水平铰12的下方。第一蓄电池22、电机23和电子控制系统24固定设置在长方体钢结构框架21内，第一蓄电池22通过电线8与筏式波浪能发电装置1中的发电机19连接，第一蓄电池22分别与电机23和电子控制系统24连接。电机23的转轴231上安装有转盘232，引导缆4的一端固定连接在转盘232上。

上述实施例中，如图5和图6所示，剖面测量装置3包括运载器31、传感器32以及第二蓄电池33。传感器32和第二蓄电池33设置在运载器31中，运载器31带动传感器32和第二蓄电池33沿海洋垂直方向作往复运动，传感器32测量压力以及海洋垂直剖面的温度、盐度、深度、海流和营养盐等参数。

如图5和图6所示，运载器31包括一椭圆环柱型抗压密封舱311、一机械啮合机构312、一上推板313和一下推板314。其中，机械啮合机构312设置在抗压密封舱311内，其外壁3121与抗压密封舱311的内壁焊接在一起，上推板313和下推板314平行设置在抗压密封舱311外，并通过一组设置在抗压密封舱311内的钢杆连接。如图7所示，沿机械啮合机构312的中心轴，左右对称设置有两个曲线收缩壁3122，各曲线收缩壁3122与穿过抗压密封舱311中心轴的引导缆4之间均设置一锁紧球3123。位于抗压密封舱311内，分别与上推板313和下推板314连接的上推杆3131和下推杆3141控制锁紧球3123的位置，当锁紧球3123处于不同位置时，机械啮合机构312与引导缆4啮合或松开。

本发明波浪能供电的海洋垂直剖面监测仪的具体工作过程包括筏式波浪发电装置1的发电过程和海洋垂直剖面要素的测量过程。

筏式波浪发电装置1的发电过程为：将本发明海洋垂直剖面监测仪置于需要测量海洋垂直剖面要素的海域，其中筏式波浪能发电装置1垂直于波峰线方向布置，当波浪过来时，由于两波浪能采集浮体11处在不同的波浪位置，因此两波浪能采集浮体11会发生相对转动。此时，液压缸14的活塞杆142均会沿液压缸14的轴向运动，当其中一活塞杆142向其所在的液压缸14的前端运动时，与该液压缸14连接的单向球阀16会关闭，与另一液压缸14连接的单向球阀16会开启，另一液压缸14将高压油经与其连接的单向球阀16压入稳压蓄能器17中，高压油经稳压蓄能器17进入液压马达18，液压马达18驱动发电机19发电，发电机19产生的电能通过电线8为运动控制平台2和剖面测量装置3供电。由于波浪能源源不断，因此筏式波浪发电装置1可以持续不断地为本发明海洋垂直剖面监测仪供电。

海洋垂直剖面要素的测量过程为：初始状态下，剖面测量装置3位于运动控制平台2下方，且机械啮合机构312处于啮合状态。在运动控制平台2中的电子控制系统24的控制下，电机23启动，将啮合于引导缆4上的剖面测量装置3快速向海底传送。当剖面测量装置3到达动滑轮6处，下推板314受力向上运动，通过下推杆3141将锁紧球3123向上推动，从而松开引导缆4，使机械啮合机构312与引导缆4解除啮合状态。同时，传感器32将采集到的压力信号传输至电子控制系统24，电子控制系统24控制关闭电机23。解除啮合状态的剖面测量装置3开始沿着引导缆4自由上浮，上浮过程中，剖面测量装置3同时测量海洋垂直剖面要素。当剖面测量装置3自由上浮至运动控制平台2时，上推板313受力向下运动，通过上推杆3131将锁紧球3123向下推动，使机械啮合机构312与引导缆4重新啮合，回到初始状态，至此完成一个完整的海洋垂直剖面要素测量过程。由于筏式波浪发电装置1可以持续不断地为本发明海洋垂直剖面监测仪供电，因此可以实现无人值守的长期不间断海洋垂直剖面要素的监测。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的材料、结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：它包括筏式波浪能发电装置、运动控制平台、剖面测量装置、引导缆、动滑轮、重块和配重链；所述运动控制平台垂直悬挂在所述筏式波浪能发电装置的正下方，所述剖面测量装置设置在所述运动控制平台的正下方，所述运动控制平台控制所述剖面测量装置与所述引导缆啮合或松开，所述引导缆的一端固定连接在所述运动控制平台中，所述引导缆的另一端穿过所述剖面测量装置的中心轴，并与所述动滑轮连接；所述重块通过所述配重链悬挂在所述动滑轮下方；所述筏式波浪能发电装置通过电线为所述运动控制平台和剖面测量装置供电，所述运动控制平台控制所述剖面测量装置沿所述引导缆作往复运动，所述剖面测量装置实时测量海洋垂直剖面的各要素。

2.如权利要求1所述的一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：所述筏式波浪能发电装置包括两节圆柱型的波浪能采集浮体、一水平铰、两连接部件、两液压缸、四个万向球阀、两单向阀、一稳压蓄能器、一液压马达和一发电机；两所述波浪能采集浮体之间通过所述水平铰铰接在一起，所述水平铰通过两所述连接部件分别与两所述波浪能采集浮体连接，两所述连接部件分别固定连接在两所述波浪能采集浮体的端面中心处；位于两所述波浪能采集浮体之间，在所述连接部件的上下两侧分别设置一所述液压缸，每一所述液压缸的两端均通过所述万向球铰分别与两所述波浪能采集浮体连接；各所述液压缸均通过一所述单向球阀与设置在一所述波浪能采集浮体内的所述稳压蓄能器连接，所述稳压蓄能器依次与所述液压马达和发电机连接，所述液压马达驱动所述发电机发电，所述发电机产生的电能为所述运动控制平台和剖面测量装置供电。

3.如权利要求2所述的一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：每一所述液压缸的外部均套设一保护套。

4.如权利要求2所述的一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：所述连接部件采用具有一定刚度的材料制成，具有一定刚度的材料包括钢、合金钢或铸造锌合金。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：所述运动控制平台包括长方体钢结构框架、第一蓄电池、电机和电子控制系统；所述长方体钢结构框架通过铁链垂直悬挂于所述水平铰的下方，所述第一蓄电池、电机和电子控制系统固定设置在所述长方体钢结构框架内，所述第一蓄电池通过电线与所述发电机连接，所述第一蓄电池分别与所述电机和电子控制系统连接；所述电机的转轴上安装有转盘，所述引导缆的一端固定连接在所述转盘上。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：所述剖面测量装置包括运载器、传感器以及第二蓄电池；所述传感器和第二蓄电池设置在所述运载器中，所述运载器带动所述传感器和第二蓄电池沿海洋垂直方向作往复运动，所述传感器测量压力以及海洋垂直剖面的温度、盐度、深度、海流和营养盐参数。

7.如权利要求6所述的一种海洋垂直剖面监测装置，其特征在于：所述运载器包括一椭圆环柱型抗压密封舱、一机械啮合机构、一上推板和一下推板；所述机械啮合机构设置在所述抗压密封舱内，所述机械啮合机构的外壁与所述抗压密封舱的内壁焊接在一起，所述上推板和下推板平行设置在所述抗压密封舱外，并通过一组设置在所述抗压密封舱内的钢杆连接；沿所述机械啮合机构的中心轴，左右对称设置有两个曲线收缩壁，各所述曲线收缩壁与穿过所述抗压密封舱中心轴的所述引导缆之间均设置一锁紧球；位于所述抗压密封舱内，分别与所述上推板和下推板连接的上推杆和下推杆控制所述锁紧球的位置，当所述锁紧球处于不同位置时，所述机械啮合机构与所述引导缆啮合或松开。