CN107560669A - 海洋内波测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋内波测量装置，沿着锚定的恒张力缆下放测量，包括：外壳、内部压载舱、与所述恒张力缆配合的液压刹车单元、压力测量单元和声学多普勒流速剖面仪、电池、数据硬盘以及整合上述元件的主板；工作时，所述装置由海面沿所述的恒张力缆降至水下特定深度，下降过程中刹车单元控制装置的下降速度；所述的各传感器单元获取水下不同深度流速、压力等数据，根据测量结果计算出海洋内波参数。由于采用上述技术方案，本发明公开了一种海洋内波测量装置，克服了ADCP测量流速剖面的传统测量模式，后者一般安装在海床上、平台上或者锚链上，由于自身位置固定难以精确测量出完整的流速、压力剖面，无法捕捉从海面到海床纵剖面上的全部内波。

Description

海洋内波测量装置

技术领域

本发明涉及一种海洋内波测量装置。涉及专利分类号G01测量；测试G01C测量距离、水准或者方位；勘测；导航；陀螺仪；摄影测量学或视频测量学G01C13/00专门用于露天水源勘测，例如海洋、湖泊、江河或运河。

背景技术

海洋内波和表面波浪不同，最大的振幅发生在水面以下。深水钻井平台遭遇内波流后，很可能产生平台位移、隔水管损毁(例如隔水管遭遇两支流向相反的内波，若流速达到1m/s以上，就会形成很大的剪力)等事故。

深水钻井作业防喷器安装时，曾经多次发生内波流扰动防喷器碰撞水下井口的事故，很容易导致井口密封面受损而报废，因此最好能够实测上游的内波状态，确保在十几分钟对接时间内没有剧烈的内波到达。快速、精准地测量平台作业位置的内波参数，尤其是沿纵向剖面的内波流速分布，是现场指挥决策的重要依据，而现有的沿着平台系泊缆布置长期监测传感器的方法难以满足实际需要。

为提前几个小时预报内波，现有的做法是利用沿着平台系泊锚链离散布置的传感器测量波流实时数据再通过理论模型计算推测上游的内波信息。由于无法直接测量到上游几十公里处的内波信息，平台对即将来临内波的方向、速度、波幅经常出现误判，给作业决策带来困难。现有的布置固定传感器(包括测量电导率、流速、温度和盐度的传感器)测量内波的方法，存在布线困难，数据零散，测量效率低，难以在变动的位置上实现高效测量，无法获得完整的波流剖面等缺点。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种海洋内波测量装置，沿着锚定的恒张力缆下放测量，包括：

外壳、内部压载舱、与所述恒张力缆配合的液压刹车单元、压力测量单元和声学多普勒流速剖面仪；

工作时，所述装置由海面沿所述的恒张力缆降至水下设定深度，下降过程中刹车单元控制装置的下降速度；

所述的传感器单元获取水下不同深度海洋流速和压力，根据测量结果计算得出海洋内波参数和/或内波流速；

结合测量装置的至少包括振动加速度和角加速度的自身运动状态，计算出水下特定深度处内波的剧烈程度。

作为优选的实施方式，所述外壳包括对接的穹顶外壳和固定对接外壳的卡箍。

更进一步的，所述的内部主体包括与所述穹顶外壳直径一致的圆盘构件；

该圆盘构件中部设有供所述恒张力缆通过的通道，组合状态下，该通道的上下两端分别穿过所述的穹顶外壳；所述通道上部设有所述的测速单元，所述通道的底端设有所述的声学多普勒流剖面仪ADCP。

更进一步的，所述的穹顶外壳上开舱孔。

更进一步的，所述的圆盘构件的上下两面分别设有呈中心/旋转对称设置的加强筋，所述的多个加强筋支撑上下两所述的穹顶外壳。

更进一步的，所述的刹车单元为设置在装置上端的减速卡钳；

下落过程中，减速卡钳根据所述测速单元输出的装置下降数据，调节对恒张力缆的夹持力度控制下降速度。

更进一步的，所述的测速单元包括多个带有等间距设置磁钢的测速轮和霍尔传感器；

装置下降过程中，测速轮由所述的恒张力缆带动旋转，所述的霍尔传感器感知监测磁钢在单位时间内经过霍尔传感器的数量，并发出对应的脉冲，通过计量脉冲数，得到装置沿恒张力缆下降的速度。

作为优选的实施方式，所述的卡箍包括三段的弧形卡箍。

所述的穹顶外壳上开有注水孔；

组合状态下，穹顶外壳内部与所述通道之间的空间形成独立的压载水舱。

作为优选的实施方式，所述的加强筋将所述空间分割成多个独立压载水舱。

由于采用上述技术方案，本发明公开了一种海洋内波测量装置，克服了ADCP测量流速剖面的传统测量模式，后者一般安装在海床上、平台上或者系泊锚链上(也有固定在船上的测流ADCP)，由于自身位置固定难以精确测量出完整的流速、压力剖面，无法捕捉从海面到海床纵剖面上的全部内波。

本发明的装置实现了对纵剖面上同一位置的流速和流压测量，即在纵剖面的同一个水深位置同时测出流速和压力，适用更广泛的内波模型的内波参数确定。

本发明装置可以按设定程序，经过减速钳控制，按不同的预设速度自测量船甲板下放的海床，也可以在不同深度的水深位置悬停一段时间测量内波经过时流场各参数的变化历程(该悬停时间一般根据内波周期确定)。

本发明装置在测量内波参数的同时，可以经由内部传感器测量、记录自身的运动状态(主要包括振动加速度和角加速度)，可直接反映水下某深度处内波的剧烈程度。若该装置体积和外形实现标准化，其水下振动状态可以直接作为反映内波强弱的表观数据，将极大利于钻井平台下放作业的决策。此外针对装置的尺寸及重量分布(具体测量时可利用压载水舱调节)，将测量得到的内波参数与装置自身的运动数据对比，能够验证内波与潜浮体作用的分析模型。

本发明的测量装置使用方便，适合在内波传来的上游海域快速布置，测量当地内波参数，再基于内波传播模型，对未来时间点上钻井作业位置的内波状况进行预报。当环绕钻井平台在不同方位上布置多艘测量船同时测量时，就能够全面预报未来时间点的钻井作业位置的内波状况；也可减少测量船数量，采用测量船机动测量的方法实现不同方位的内波预报。本发明的外壳可以实现快速打开和快速关闭密封，利于在甲板上现场操作。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明外部结构示意图

图2为本发明测量装置内部结构示意图

图3为本发明整体结构的立体示意图

图4为本发明测量装置现场实测布置示意图

图5为钻井平台内波预报测量作业布置示意图

图6为本发明的系统模块图

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-5所示：

一种海洋内波测量装置，固定在锚定的恒张力缆上，恒张力缆的上端一般固定在测量船舶上，在本发明的典型实施例中，恒张力缆呈竖直悬垂的状态，通过绞车保持张力，保证测量装置能够沿缆绳顺畅的下降。

装置主要包括外壳和内部的主体构件、控制装置下降/下潜速度的刹车单元2和测速单元3以及必要的测量仪器，尤其是ADCP11和压力传感器10。

为了便于在传感器完成测量后，能够及时打开装置，获得内部数据，作为优选的实施方式，在传感器底部安装压力探头，顶部布置打开位置，更换电池、设置触屏面板数据等。

工作时，所述装置由海面沿所述的恒张力缆降至水下设定深度，下降过程中刹车单元控制装置的下降速度；

所述的诸传感器单元获取水下不同深度海洋流速和压力，根据ADCP11和压力传感器10的测量结果计算得出不同深度的海洋内波参数和/或内波流速。

在实际测量过程中，可如图5所示，在目标(比如钻井平台)周边选定若干个测量点进行检测，根据多个测量点的数据汇总推测出内波的方向。

尤其是，当本发明实施例所述装置体积和外形实现标准化后，其水下振动状态可以直接作为反映内波强弱的表观数据，将极大利于钻井平台下放作业的决策。

为了方便拆卸，简化结构，作为优选的实施方式，所述外壳包括上下对接的穹顶外壳和固定对接外壳的卡箍8。

作为内部固件，所述的内部主体包括与所述穹顶外壳直径一致的圆盘构件4。如图2所示，

该圆盘构件中部设有供所述恒张力缆通过的圆柱通道；

组合状态下，该通道的上下两端分别穿过所述的穹顶外壳；所述通道上部设有所述的测速单元，所述通道的底端延伸至所述穹顶外壳的外部，通道底端设有所述的声学多普勒流剖面仪ADCP。所述的穹顶外壳上设有开舱孔6，(用于布置液晶触摸屏)，在圆盘构件上设有安装压力传感器的开孔5。

在优选的实施例中，开舱孔可设置与内部显示单元屏幕存储对应的矩形，并且在上壳体的背部设置对应的平台，便于在矩形开舱孔内设置连接主板的触屏显示器，便于设置传感器参数，比如采集频率、下放速度等，方便操作人员进行相关设置操作。

为了保证装置的整体强度，所述的圆盘构件的上下两面分别设有呈中心/旋转(根据加强筋数量的不同)对称设置的加强筋，所述的多个加强筋支撑上下两所述的穹顶外壳。

作为优选的实施方式，所述的刹车单2元为设置在装置上端，与所述恒张力缆径向配合的减速卡钳22，如图3所示，卡钳由液压驱动装置21控制行程。

下落过程中，减速卡钳22根据所述测速单元3输出的装置下降数据，调节对恒张力缆的夹持力度控制下降速度。

作为优选的实施方式，所述的测速单元3包括多个带有等间距设置磁钢的测速轮和霍尔传感器；装置下降过程中，测速轮由所述的恒张力缆带动旋转，所述的霍尔传感器感知监测磁钢在单位时间内经过霍尔传感器的数量，并发出对应的脉冲，通过计量脉冲数，得到装置沿恒张力缆下降的速度。

为了便于装置的组合和拆卸，作为优选的实施方式，所述的卡箍8包括三段的弧形卡箍，通过固定螺栓81固定所述的穹顶外壳。

作为优选的实施方式，所述的穹顶外壳上开有注水孔9，组合状态下，穹顶外壳内部与所述通道之间的空间形成独立的压载水舱。

作为优选的实施方式，所述的加强筋将所述空间分割成多个独立压载水舱，减少了内部压载水的自由界面，保证了装置在下降过程的稳定性。

作为优选的实施例，如图6所示，本发明的电控系统采用基于ARM架构单片机/处理器的技术方案。

与所述传感器单元中温度、压力、振动加速度以及角加速度传感器分别连接的信号调节整理(滤波等功能)模块，模数转换模块ADC将获取的模拟信号转换成数字信号后传输至系统单片机；

同时，设置与单片机相连接，作为控制单元的ARM处理器，传感器根据单片机传输的温度、压力、振动加速度和角加速度，以及由与其连接，感知下降速度的陀螺仪模块和霍尔传感器模块传输的下降速度，发出相应双路控制信号，一路信号经过电流输出模块传输电压伺服阀，传输至减速钳液压系统，另一路信号传输至电机控制的液压泵，共同控制减速钳的开关，达到控制装置下降至特定高度的目的。

ARM处理器与ADCP流速仪连接，获取不同海洋深度对应的流速数据。

同时ARM处理器，还连接移动硬盘，作为数据存储单元，备份相应的数据。通过以太网接口与外部PC连接，以传输数据和调试系统参数。

ARM处理还与液晶屏控制器和触摸屏控制器连接，在液晶屏上输出特定信号，也可利用触摸功能调节不同的显示内容，也可通过触摸屏设置对应参数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋内波测量装置，设置于锚定的恒张力缆上，工作过程中沿恒张力缆运动，变换工作深度，其特征在于包括：

外壳、内部压载舱、与所述恒张力缆配合的液压刹车单元、压力测量单元和声学多普勒流速剖面仪；

工作时，所述装置由海面沿所述的恒张力缆降至水下设定深度，下降过程中刹车单元控制装置的下降速度；

所述的传感器单元获取水下不同深度海洋流速和压力，根据测量结果计算得出海洋内波参数和/或内波流速；

结合测量装置的至少包括振动加速度和角加速度的自身运动状态，计算出水下特定深度处内波的剧烈程度。

2.根据权利要求1所述的海洋内波测量装置，其特征还在于：所述外壳包括对接的穹顶外壳和固定对接外壳的卡箍。

3.根据权利要求2所述的海洋内波测量装置，其特征还在于：所述的内部主体包括与所述穹顶外壳直径一致的圆盘构件；

该圆盘构件中部设有供所述恒张力缆通过的圆柱通道；

组合状态下，该通道的上下两端分别穿过所述的穹顶外壳；所述通道上部设有所述的测速单元，所述通道的底端延伸至所述穹顶外壳的外部，通道底端设有所述的声学多普勒流剖面仪ADCP。

4.根据权利要求2所述的海洋内波测量装置，其特征还在于：所述的穹顶外壳上设有开舱孔。

5.根据权利要求2所述的海洋内波测量装置，其特征还在于：所述的圆盘构件的上下两面分别设有呈中心/旋转对称设置的加强筋，所述的多个加强筋支撑上下两所述的穹顶外壳。

6.根据权利要求2-5任一所述的海洋内波测量装置，其特征还在于所述的刹车单元为设置在装置上端，与所述恒张力缆径向配合的减速卡钳；

下落过程中，减速卡钳根据所述测速单元输出的装置下降数据，调节对恒张力缆的夹持力度控制下降速度。

7.根据权利要求6所述的海洋内波测量装置，其特征还在于所述的测速单元包括多个带有等间距设置磁钢的测速轮和霍尔传感器；

装置下降过程中，测速轮由所述的恒张力缆带动旋转，所述的霍尔传感器感知监测磁钢在单位时间内经过霍尔传感器的数量，并发出对应的脉冲，通过计量脉冲数，得到装置沿恒张力缆下降的速度。

8.根据权利要求6所述的海洋内波测量装置，其特征还在于所述的卡箍包括三段的弧形卡箍。

9.根据权利要求5所述的海洋内波测量装置，其特征还在于所述的穹顶外壳上开有注水孔；

组合状态下，穹顶外壳内部与所述通道之间的空间形成独立的压载水舱。

10.根据权利要求1所述的海洋内波测量装置，其特征还在于所述的加强筋将所述空间分割成多个独立压载水舱。