CN109835437A - 一种深海剖面测量浮标 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深海剖面测量浮标，其特征在于：包括壳体、北斗通讯单元、至少一个传感器和外储液单元；所述壳体，为耐压玻璃球造型，其内部为隔档件分割成第I单元和第II单元；所述北斗通讯单元设置于壳体上，用于接收和发送各类信号和测量数据；所述传感器设置于壳体的内侧和/或外侧，用于监测壳体内外的各项数据；所述外储液单元设置于壳体外；提供一种设备简单，下潜深度能达到4500米，定位准确的剖面浮标。

Description

一种深海剖面测量浮标

技术领域

本发明属于深海勘探领域，具体地，涉及一种深海剖面测量浮标。

背景技术

剖面探测浮标能自动沉浮以获得海洋水文要素的剖面沿海流轨迹的分布的漂流浮标。前多采用的声学定位方法在大洋环流调查考察时存在困难，由于声学定位不是“自持”的，它的行为受到声学定位能力的制约，即、此类设备依赖海底固定设置的海底声源声学信号，测量海域受海底固定设置的声源声学信号限制，而大洋环流带的直径往往是数千公里，声学长基线定位无能为力，因此也限制了目前这类主流设备在大洋环流研究中的应用。

此外，在北大西洋，2000米深处的温、盐度关系变化较快，对剖面浮标获取的资料采用延时模式校正十分困难，将自动剖面浮标的观测深度从目前的2000米延伸到更大深度上，获取更深的观测资料非常必要，但是，目前国内开发的剖面探测浮标往往存在下潜深度有限，无法突破2000米的深度，很难满足科学调查的需要，因此，开发大深度深海剖面测量浮标十分有必要。

发明内容

本发明旨在克服上述缺陷，提供一种设备简单，下潜深度能达到4500米，定位准确的剖面浮标。

本发明提供的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：包括壳体、北斗通讯单元、至少一个传感器和外储液单元；

上述壳体，为耐压玻璃球造型，其内部为隔档件分割成第I单元和第II单元；

上述北斗通讯单元设置于壳体上，利用北斗卫星定位系统，用于接收和发送各类信号和测量数据；

信号包括本机的地理位置坐标信号，远程控制端的测量指令、开机或关机指令等等；

测量数据包括洋流数据，水生物数据，水温水压等等各类用于研究海洋的检测数据；

上述传感器设置于壳体的内侧和/或外侧，用于监测壳体内外的各项数据；此类传感器可以为温盐深仪、叶绿素传感器、溶解氧传感器等温度传感器、压力传感器、生物传感器等等。

上述外储液单元设置于壳体外；

其中，上述第I单元内设有驱动设备、超高压微型液压泵、换向阀、内储液单元；

上述驱动设备与超高压微型液压泵电气连接，驱动超高压微型液压泵；

上述超高压微型液压泵第一端与换向阀第一端相连；

上述超高压微型液压泵第二端与内储液单元相连；

上述换向阀第二端与内储液单元相连；

上述换向阀第三端与外储液单元相连；该连通的方式一般需在保证球内环境真空密封的情况下，贯通第II单元来实现。

上述相连的方式一般通过可容液体流通的管路来实现；

该换向阀通过切换能实现超高压微型液压泵、内储液单元和外储液单元之间的两两或三向之间的导通。

上述第II单元内设有供电单元，为剖面测量浮标内的各设备进行电源的供给。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、上述壳体为双层玻璃材质的球体结构，分为内球体和外球体；

上述内球体和外球体之间为真空环境；

上述内球体之内也为真空环境。

优选地，上述壳体为高硼硅玻璃材质的球体结构，具有高强度、耐海水腐蚀等特点；上述玻璃球壳内为气压小于0.5个大气压。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、上述换向阀为电磁换向阀。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、当上述换向阀打开时，内储液单元相连与外储液单元连通，外储液单元在外压的作用下向内储液单元输送液压油；

当上述换向阀关闭时，外储液单元经换向阀、超高压微型液压泵后与内储液单元连通，当超高压微型液压泵未启动的情况下，该管路通畅但不发生储液单元内液体之间的流动(一般此处采用具有单向阀功能的机构，使得管路此时不能连通)。当超高压微型液压泵启动的情况下，该内储液单元内的液体在泵的作用下注入外储液单元内。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、上述内储液单元和/或外储液单元的进出液端设有过滤设备。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、上述超高压微型液压泵与换向阀之间还设有单向阀。从而能避免换向阀打开的情况下，外储液单元内的液体在外压作用下流入内储液单元内。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、上述换向阀与内储液单元之间还设有减速阀或单向阀。

如为减速阀能用于控制液体的流经速度，从而控制设备的下沉速度。

如为单向阀能用于控制液体在极端情况下，倒流的发生。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、还包括控制单元；

上述控制单元控制各设备的启停。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、上述传感器包括排量传感器、计时传感器、深度传感器；

上述排量传感器，用于统计当前或本次外储液单元/内储液单元的排油量；

当排油量达到设定排油量阈值I时，并通过深度传感器进行综合判断，向控制单元发送信号，控制单元关闭换向阀；即、阻止设备继续下沉。

上述计时传感器，用于统计当前或本次换向阀关闭的时长；

当时长达到设定时间阀值时，向控制单元发送信号，控制单元打开换向阀；即、使设备继续下沉；

上述深度传感器，用于监测深海剖面测量浮标深度；

当深度达到设定深度阀值或深度不再变化时，向控制单元发送信号，控制单元关闭换向阀，同时启动超高压微型液压泵；即、将内储液单元内的液体送入外储液单元内，实现上升的过程；

当排油量达到设定排油量阈值II时，并通过深度传感器进行综合判断，向控制单元发送信号，控制单元关闭超高压微型液压泵。即、不在上升。

进一步地，本发明提供的一种深海剖面测量浮标，还具有这样的特点：即、上述传感器还包括测量传感器，用于海洋相关数据的测量和记录；

上述测量传感器实时/定时进行测量；

或

上述测量传感器在设定的启动条件下，受控制单元的驱动启动测量。

该设定的启动条件可以为设备上升状态下，即、当电磁阀关闭，且驱动设备打开的状态下，进行检测。

或该设定的启动条件可以为设备漂浮状态下，即、设备电磁阀关闭至再次打开期间等等可根据考察的需要进行设定。

此外，本发明还提供了上述深海剖面测量浮标的具体工作模式，其特征在于，其运行方式如下所示：

S1、北斗通讯单元发送位置坐标及设备自检数据到接收终端后，打开换向阀，设备下沉；

S2、通过累积排油量到达设定值后，关闭换向阀，并通过深度传感器进行综合判断，调节到达指定深度；

S3、设备漂流设定的时间后，开启电磁阀，设备继续下沉；

S4、重复步骤S1-S3直至设备到达预定深度或深度不再变化(即、设备触底)后，开启关闭电磁阀，启动驱动设备驱动超高压微型液压泵开始工作，设备上浮；在重复上述步骤S1-S3的过程中，排油量一般指外储液单元的排油量，每次重复的排油量设定值可以为固定的，也可以根据次数进行递增或递减。

S5、当累计排油量到达设定值时，高压微型液压泵停止工作；该排油量一般指内储液单元的排油量，该量值一般设定为外储液单元多次排油量的累计总量的1-1.2倍，此时，设备一般能到达水面。

S6、浮标到达水面后，北斗通讯单元发送位置坐标和测量数据到接收终端。

本发明的作用和效果：

为了实现对深海剖面物理化学环境的测量，本发明提供了一款深海剖面测量仪器采集海洋环境参数。该装置包括球形玻璃耐压壳、直流无刷电机、超高压微型液压泵、超高压电磁换向阀、北斗通讯定位模块、单向阀、调速阀、内油囊、外油囊、测量传感器、控制单元、电池、液压管路及连接件等组成。

在本发明中，通过电机驱动液压泵，将内油囊液压油排到外油囊，增大深海剖面测量仪的排水体积，从而使测量仪从深海向水面运动；若打开换向阀，使液压油在海水压力作用下从外油囊流向内油囊，深海剖面测量仪的排水体积减小，则可持续下沉到深海某一深度。

具体地，目前使用的只能达到2000米深的剖面浮标一般为圆柱状浮标，其在深海中，受到外界海水压力作用下，浮标耐压壳体变形量，若采用圆柱状设计，必然要增大圆柱状耐压壳体的厚度，起重量和成本必然增加，而重量增加导致浮标浮力不足，进而需要更大的内压壳体。而在本发明中，通过研究发现，使用圆球体内压球壳，具有较好的抗压效果，且重量轻，成本低，还可以提供很大的浮力。

此外，目前使用的剖面浮标，一般采用单柱塞液压泵，由电机带动丝杆推动液压缸，实现排吸液压油，在深潜的过程中将需要增大电机的推力和丝杆的截面积，这都不利于整体性能的提升，反而会增加浮标的失效，故而，目前的剖面浮标其深度极限一般均在2000米左右。而本发明中通过电机驱动液压泵的正反转实现液压油的排吸，是为一种液压回路，即、液压油从内油囊排到外油囊和液压油从外油囊排到内油囊所经过的管路不一样，利用这种回路配合电机驱动超高压微型液压泵的方案来使得沉潜深度能突破至4500米的深度，实现了里程碑式的突破。

此外，在本发明中，使用北斗定位和通讯，并使用其短报文通讯功能，短报文通讯功能可以实现接收终端和浮标之间的双向通讯功能。

此外，在本发明中，无刷电机通过控制电机驱动器实现控制，控制器、北斗通讯、温度传感器、气压传感器、电池信号线以及外部的传感器均与控制板相连，通过控制板控制整个功能的运转。

此外，在本发明中，浮标下潜一定深度后，进行一定时间的漂流运动，其下潜深度可以根据需要通过北斗定位通讯进行调整。浮标的测量周期一般为10天一个测量周期，测量周期可根据测量需要进行调整，最小测量周期可以为一天一个剖面。

由此可见，在本发明中的深海剖面测量浮标中，不仅能将深度延伸到更大，其周期性的上浮下潜运动，可以很好的确定两次相邻水面定位的位置，从而可是实现对洋流速度及轨迹的测定。

附图说明

图1、本实施例涉及的深海剖面测量浮标的结构示意图；

图2、本实施例涉及的深海剖面测量浮标的浮力调节原理图；

其中，虚线部分为玻璃浮球耐压壳示意。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例涉及的深海剖面测量装置，包括玻璃耐压球壳体、北斗通讯定位模块、测量传感器(包括如：温盐深仪、叶绿素传感器、溶解氧传感器等)和外油囊；

该壳体，为玻璃耐压球造型，该壳体浮力大，重量轻，耐压性强，其内抽真空，能使本实施例的车辆装置深浅到4500米以下的深度，其内部为固定板分割成上下两个空间；上半部的空间内设有直流无刷电机、超高压微型液压泵、超高压电磁换向阀、单向阀、调速阀、内油囊、控制单元，下半部的空间内设有电池，用于对整个测量仪的用电设备进行供电；

其中，直流无刷电机与超高压微型液压泵电气连接，驱动超高压微型液压泵的启动和停止；

该超高压微型液压泵的第一端与超高压电磁换向阀的第一端通过液压管路相连；该液压管路上设有单向阀，用于阻止油囊内的液压油倒流的情况。

该超高压微型液压泵的第二端与内油囊通过液压管路相连；该液压管路上设有过滤器，用于对流经的油品进行过滤，从而保证管路的通畅性。

该超高压电磁换向阀的第二端与内油囊通过液压管路相连；该液压管路上设有减速阀，从而控制流经液体的流速，进而能够通过流速来控制进液量的同时，还能保持输液的稳定性。

该高压电磁换向阀的第三端发出的液压管路通过穿舱件与设置于壳体外的外油囊相连；

该电机驱动液压泵和电磁换向阀的配合关系如下：通过电机驱动液压泵，将内油囊液压油排到外油囊，增大深海剖面测量仪的排水体积，从而使测量仪从深海向水面运动；若打开电磁换向阀，使液压油在海水压力作用下从外油囊流向内油囊，深海剖面测量仪的排水体积减小，则在深海中下沉。

该北斗通讯定位模块设置于壳体上部，用于接收和发送各类定位等信号和测量数据；

该车辆传感器设置于壳体的内侧和/或外侧，用于监测壳体内外的各项数据。

具体的工作过程为：

在水面时，北斗定位通讯系统工作，发送位置坐标到接收终端，随后打开高压电磁换向阀，外油囊液压油在压力差的作用下开始流入到耐压球壳中的内油囊，深海剖面测量仪排水体积开始减小，净浮力减小，开始下潜，累积排油量到达一定时，电磁换向阀关闭，漂流一段时间后，电磁阀开启，液压油再次从外油囊流向耐压球壳中的内油囊，深海剖面探测装置体积再次减小，深海剖面测量装置继续下潜，当液压油累积排油量达到一定时，电磁阀关闭，如此循环操作，直至深海剖面测量仪到达预定深度后，随后启动耐压舱内直流无刷电机，超高压微型液压泵开始工作，液压油从内油囊流向外油囊，深海剖面测量仪排水体积开始增大，浮力增大，开始上浮。上浮过程中根据搭载的测量传感器对海水的物理化学特性进行测量，排油体积累积到一定时，液压泵停止工作，深海剖面探测仪到达水面，通过北斗再次定位，并发送测量数据，即完成一个周期的测量。

Claims (10)

1.一种深海剖面测量浮标，其特征在于：包括圆球形耐压壳体、北斗通讯单元、至少一个传感器和外储液单元；

所述圆球形耐压壳体，为耐压耐海水腐蚀玻璃球造型，其内部为隔档件分割成第I单元和第II单元；

所述北斗通讯单元设置于壳体上，用于接收和发送各类信号和测量数据；

所述传感器设置于壳体的内侧和/或外侧，用于监测壳体内外的各项数据；

所述外储液单元设置于壳体外；

其中，所述第I单元内设有驱动设备、超高压微型液压泵、换向阀、内储液单元；

所述驱动设备与超高压微型液压泵电气连接，驱动超高压微型液压泵；

所述超高压微型液压泵第一端与换向阀第一端相连；

所述超高压微型液压泵第二端与内储液单元相连；

所述换向阀第二端与内储液单元相连；

所述换向阀第三端与外储液单元相连；

所述第II单元内设有供电单元，为剖面测量浮标内的各设备进行电源的供给。

2.如权利要求1所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：

所述壳体为高硼硅玻璃材质的球体结构；

所述玻璃球壳内为气压小于0.5个大气压。

3.如权利要求1所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：

当所述换向阀打开时，内储液单元相连与外储液单元连通，外储液单元在外压的作用下向内储液单元输送液压油；

当所述换向阀关闭时，外储液单元经换向阀、超高压微型液压泵后与内储液单元相连。

4.如权利要求1所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：

所述内储液单元和/或外储液单元的进出液端设有过滤设备。

5.如权利要求1所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：

所述超高压微型液压泵与换向阀之间还设有单向阀。

6.如权利要求1所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：

所述换向阀与内储液单元之间还设有减速阀或单向阀。

7.如权利要求1-6任一所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：

还包括控制单元；

所述控制单元控制各设备的启停。

8.如权利要求7所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：

所述传感器包括排量传感器、计时传感器、深度传感器；

所述排量传感器，用于统计当前或本次外储液单元/内储液单元的排油量；

当排油量达到设定排油量阈值I时，并通过深度传感器进行综合判断，向控制单元发送信号，控制单元关闭换向阀；

所述计时传感器，用于统计当前或本次换向阀关闭的时长；

当时长达到设定时间阀值时，向控制单元发送信号，控制单元打开换向阀；所述深度传感器，用于监测深海剖面测量浮标深度；

当时当深度达到设定深度阀值或深度不再变化时，向控制单元发送信号，控制单元关闭换向阀，同时启动超高压微型液压泵；

当排油量达到设定排油量阈值II时，并通过深度传感器进行综合判断，向控制单元发送信号，控制单元关闭超高压微型液压泵。

9.如权利要求1所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于：

所述传感器还包括测量传感器，用于海洋相关数据的测量和记录；

所述测量传感器实时/指定的阶段进行测量；

或

所述测量传感器在设定的启动条件下，受控制单元的驱动启动测量。

10.如权利要求1-9任一所述的一种深海剖面测量浮标，其特征在于，其运行方式如下所示：

S1、北斗通讯单元发送位置坐标及设备自检数据到接收终端后，打开换向阀，设备下沉；

S2、通过累积排油量到达设定值后，关闭换向阀，并通过深度传感器进行综合判断，调节到达指定深度；

S3、设备漂流设定的时间后，开启电磁阀，设备继续下沉；

S4、重复步骤S1-S3直至设备到达预定深度或深度不再变化后，开启关闭电磁阀，启动驱动设备驱动超高压微型液压泵开始工作，设备上浮；

S5、当累计排油量到达设定值时，高压微型液压泵停止工作；

S6、浮标到达水面后，北斗通讯单元发送位置坐标和测量数据到接收终端。