CN110398228A - 一种海洋座底设备沉降量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋座底设备沉降量测量技术领域，涉及一种海洋座底设备沉降量测量装置及方法。本发明设计的监测设备能够有效监测海洋座底设备沉降量,并能有效区分设备自重沉降量及因侵蚀淤积产生的位移变化。对设备沉降过程的了解、海洋工程的安全把控、海底监测设备数据的准确性判断都有十分重要的意义。使用的电极为稳定性较高的固态环形参比电极，无需对电极供电，探杆结构简单，设计合理，可与海洋座底设备配搭使用，监测方法清晰明了，监测精度高。

Description

一种海洋座底设备沉降量测量装置及方法

技术领域

本发明属于海洋座底设备沉降量测量技术领域，涉及一种海洋座底设备沉降量测量装置及方法。

背景技术

海洋里蕴藏着丰富的资源，随着对海洋探索需求的增加，一些大型海洋观测装置被放置在海底，这些海洋座底观测设备在海底长期观测过程中，在自重及海水动力等因素作用下发生沉降。这一沉降现象不仅会对观测设备的稳定性造成影响，而且会影响测量结果的准确性。

目前，现有的一些大型海洋座底设备上都带有深度监测及姿态监测仪，通过声学通讯设备实时校正座底设备的形态。利用海床界面以上海水压力的大小即海床界面相较于海面的高度差变化，来反应海洋座底设备的沉降变化。但是现有技术中利用水深数据反演到的沉降变化会受波浪、潮汐的影响，沉积物的侵蚀淤积及装置自身的自重沉降将无法区分，所以获取的沉降数据只是一个集合，不能较好的对沉降量进行区分。目前有研究提出基于基站水位观测的海床基沉降量差分计算方法（专利号：201710831894.2），但是该方法计算较为繁琐且没有装置支撑，也无法将设备的自重沉降及侵蚀沉降量区分开来。

因此，如何对海洋座底设备沉降量进行监测，并对设备的自重沉降及侵蚀沉降进行有效的区分，是现有技术的难点所在。对海洋座底设备沉降量进行有效监测，并对设备的自重沉降及侵蚀淤积产生的位移变化进行有效的区分，对设备沉降过程的了解、海洋工程的安全把控、海底监测设备数据的准确性判断都有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对传统海洋座底设备沉降量测量过程中存在的问题提出一种新型的海洋座底设备沉降量测量装置及方法。

为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：

一种海洋座底设备沉降量测量装置及方法，所述的测量装置包括空心双层电极自然电位探杆和采集装置，所述的空心双层电极自然电位探杆包括空心杆体和双层环形电极，所述空心杆体外表面及内表面均等间距分布着所述环形电极，所述环形电极为稳定性较强的全固态免维护参比电极。所述空心杆体顶部加装顶盖，所述的顶盖在档杆的作用下只能向上打开，向下则为密封；所述空心杆体底部为空心环形底锥。所述双层环形固态参比电极，均由导线通过杆体内部连接至外部采集舱，各电极之间在杆体内部相互无导线连接，采集装置自带电源搭载于座底设备上，可与设置在座底设备内部的总控舱连接。

作为优选,所述环形电极为全固态免维护参比电极，以钛合金为骨架，表面均匀涂抹厚度0.1-1mm的石墨烯，涂抹后置于烤箱中150℃下保持30分钟制得。

作为优选,所述环形电极表面设置有方便固定导线的凸起，导线和凸起之间采用导电银胶粘结。

作为优选，所述空心杆体顶部加装顶盖，顶盖只能单向向上打开，向下密封；所述空心杆体底部为金属空心底锥。

一种海洋座底设备沉降量测量方法，包括如下步骤：

（1）将沉降测量装置的采集舱搭载于座底设备之上，空心双层电极自然电位测量探杆固定在设备底座的防沉降板上，杆体一半位于板上一半在板下，随座底设备布放时插入海底沉积物中。布放过程中杆体顶盖在水流的作用下向上打开但不超过90度，杆体下部插入沉积物过程中，顶盖仍能向上打开排水，完成座底动作后，顶盖在水压的作用下闭合。此时空心杆体内部沉积物不会收到外界水动力条件的干扰而发生侵蚀淤积，只会因海洋座底设备自重产生沉降时，空心杆体中沉积物相对杆体的位置才发生改变，即空心杆体内部测得的沉积物高度差的变化为海洋座底设备因自重而产生的沉降量。

（2）装置布设完成后，空心双层电极自然电位探杆内外表面电极从上到下依次采集相邻两电极间的电势差，电势差存在异常的电极环的位置即为沉积物相对探杆的位置，外表面电极测得从底锥到该位置的高度记为h，内表面电极测得该位置的高度记为H，初始状态下内外电极测得的高度差记为H₀。

（3）每间隔一定时间（以采集仪提前设置的采集频率为准）重复测量步骤（2），获得长期监测数据即可得到杆体内外表面测得的沉积物的高度差，杆体外表面沉积物高度差变化为∆h，杆体内部沉积物高度差变化为∆H；杆体外表面测得的∆h为设备在自重及侵蚀淤积作用下发生的垂直方向上位置的变化量，∆H则为海洋座底设备因自重而产生的沉降量，所以∆h-∆H为海洋座底设备在除自重影响之外的条件下设备在垂直方向上产生的位移变化。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1.本发明设计的监测装置能够有效监测海洋座底设备沉降量,并能区分设备自重沉降量及因侵蚀而产生的位移变化。对设备沉降过程的了解、海洋工程的安全把控、海底监测设备数据的准确性判断都有十分重要的意义。

2.使用的电极为稳定性较高的固态环形参比电极，无需对电极供电，不会产生极化现象；探杆结构简单，设计合理，监测方法清晰明了，监测精度高，可与其他设备配搭使用

附图说明

图1为空心双层电极自然电位探杆沉降量测量装置示意图。

图2为本发明原位监测示意图。

图3为实施例1顶盖结构示意图。

图4和图5为实施例2中的两种顶盖结构示意图。

各附图标记为：1中空杆体，2环形电极，3空心环形底锥，4导线，5采集舱，6顶盖，7挡杆，8转动轴,9弹力绳,10活动部，h外表面沉积物高度,H内表面沉积物高度，H₀初始内外沉积物高度差。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例1

如图1所示，测量装置包括空心双层电极自然电位探杆和采集装置，空心双层电极自然电位探杆包括空心杆体1和双层环形电极2。空心杆体1外表面及内表面均等间距分布着环形电极2，环形电极2为稳定性较强的全固态免维护参比电极。

全固态免维护参比电极是以钛合金为骨架，表面均匀涂抹厚度0.1-1mm的石墨烯，涂抹后置于烤箱中150℃下保持30分钟制得。使用时无需对电极供电，装置工作时长不受电池或者外接电源的影响，有效降低装置的故障概率，降低了维修频率。

空心杆体1顶部加装顶盖6，为了防止顶盖打开幅度过大，无法在海水压力作用下闭合，需要在顶盖开合处设置限位机构，使得顶盖打开后角度不超过90°。本实施例中顶盖6在档杆7的作用下只能向上打开，向下则为密封。

加工时需先做模具，将电极环、线路连接好，通过整体注塑将导线封装在杆体内部。顶盖可加装限位弹簧。

为满足以上设计要求，本实施例设计顶盖结构剖面图如图3所示。使用转动轴8连接挡板7与顶盖6，挡板7剖面设计为倒立的T形，凸出部分可限制顶盖开口不超过90度；另外使用弹力绳9或者弹簧，一端连接至挡板7，另一端连接到顶盖6的外边缘部位，可使在设备座底后，顶盖受力保持闭合。

由于环形电极2均匀分布在空心双层电极自然电位探杆的内表面及外表面，各个环形电极2之间互不连接，每个环形电极2都连接一根独立的导线4，环形电极2在制作时，为了方便固定导线4，其表面预留凸起，用导电银胶将导线胶黏固定在凸起处。本实施例各导线是从电位探杆的中空壁中伸出，也就是从顶盖6的边缘部分伸出，顶盖6位于中部。如图3。

为了使得中空杆体1顺利插入海底沉积物中，中空杆体1底部为空心环形底锥3，为了保证强度，底锥3可采用金属材料，如不锈钢。双层环形固态参比电极2，均由导线4通过杆体内部连接至外部采集舱5，各电极之间在杆体内部相互无导线连接，采集装置自带电源搭载于座底设备上，可与其总控舱连接。

结合图2所示，该装置的安装和监测过程如下。

（1）将沉降测量装置的采集舱5搭载于座底设备之上，空心双层电极自然电位测量探杆固定在设备底座的防沉降板上，杆体一半位于板上一半在板下（优选例，方便数据处理），随设备布放时插入海底沉积物中。布放过程中杆体顶盖在水流的作用下向上打开，杆体下部插入沉积物过程中，顶盖仍能向上打开排水，完成座底动作后，顶盖6在水压及弹力绳9的作用下闭合。此时空心杆体内部沉积物不会收到外界水动力条件的干扰而发生侵蚀淤积，只会在海洋座底设备因自重产生沉降时，空心杆体中沉积物相对杆体的位置才发生改变，即空心杆体内部测得的沉积物高度差的变化为海洋座底设备因自重而产生的沉降量。

（2）装置布设完成后，空心双层电极自然电位探杆内外表面电极从上到下依次采集相邻两电极间的电势差，电势差存在异常的电极环的位置即为沉积物相对探杆的位置，外表面电极测得从底锥到该位置的高度记为h，内表面电极测得该位置的高度记为H，初始状态下内外电极测得的高度差记为H₀。

（3）根据采集仪预设的采集频率，重复测量步骤（2），即可得到杆体内外表面测得的沉积物的高度差，杆体外表面沉积物高度差变化为∆h，杆体内部沉积物高度差变化为∆H；杆体外表面测得的∆h为设备在自重及侵蚀淤积作用下发生的垂直方向上位置的变化量，∆H则为海洋座底设备因自重而产生的沉降量，所以∆h-∆H为海洋座底设备在除自重影响之外的条件下设备在垂直方向上产生的沉降变化。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，顶盖有一部分是固定的，另一部分是活动的。顶盖位置抬高，高出导线与空心杆体的连接处，导线另一端需从顶盖6留孔的地方伸出，然后所有导线收拢包裹在一起后连接采集舱5。

为了实现顶盖6的功能，可以采用如下结构（不仅限于此，只要是限制顶盖6只能往上打开，且具有限位结构的顶盖都在本发明保护范围内，顶盖结构还可以有其他变化形式）：顶盖6一半是固定的，记为固定部，固定部位置走线；另一半是活动的，记为活动部10，活动部10也就是顶盖的活动开合部位，用于在装置下降过程中排出海水，装置插入海底沉积物中后盖合密封。

导线4可以在中空杆体1内收拢后再穿过固定部留孔处（需要在导线穿过固定部的位置增加弹性密封垫），如图4。

导线4也可以在穿出空心杆之后在收拢包裹成一根导线集合，此时固定部需要对应每根导线留孔，并在留孔位置设置密封垫等密封结构，如图5。

活动部10是顶盖的一部分，活动部10与顶盖连接处铰接，图4和图5中采用角度限位块的方式，即顶盖与活动部连接地方的连接板略高于活动部，且长度略长，使得活动部打开的最大角度为锐角，这样不至于活动部打开幅度过大而无法在海水压力下自动闭合。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种海洋底座设备沉降量测量装置,其特征在于,所述测量装置包括空心双层电极自然电位探杆以及安装在海洋底座设备上的采集舱，采集舱内设有采集装置和线路板,所述双层电极自然电位探杆包括空心杆体和多个环形电极,所述环形电极等距分布在空心杆体内表面及外表面；所述空心杆体上部设置有向上单开且装有限位结构的顶盖，空心杆体底部设有空心环形底锥；所述多个环形电极均由导线单独连接装有对应开关的线路板，线路板另一侧连接采集仪输入端，采集仪输出端电性连接总控舱。

2.根据权利要求1所述的海洋底座设备沉降量测量装置,其特征在于,所述环形电极为全固态免维护参比电极，以钛合金为骨架，表面均匀涂抹厚度0.1-1mm的石墨烯，涂抹后置于烤箱中150℃下保持30分钟制得。

3.根据权利要求2所述的海洋底座设备沉降量测量装置,其特征在于,所述环形电极表面设置有方便固定导线的凸起，导线和凸起之间采用导电银胶粘结。

4.根据权利要求1所述的海洋底座设备沉降量测量装置,其特征在于,所述各导线通过整体注塑封装在杆体内部，顶盖加装有限位弹簧。

5.根据权利要求1或2所述的海洋底座设备沉降量测量装置,其特征在于,所述空心杆体内表面及外表面上的环形电极内外等高对应分布。

6.一种利用权利要求1-4任意一项所述装置测量海洋座底设备沉降量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将测量装置的采集舱固定在海洋座底设备上，空心双层电极自然电位测量探杆竖直固定在设备底座的防沉降板上，使得顶盖位置高于防沉降板；

（2）设备座底后，依次测量空心杆体内表面相邻两环形电极的电势差及空心杆体外表面相邻两环形电极的电势差,分别得出空心杆体内外电势差存在异常的环形电极的位置,记为杆体内外沉积物相对杆体的位置；

（3）依照采集仪提前设置的采集频率，重复测量步骤（2），得到杆体内外表面测得的沉积物高度差，进而得到海洋座底设备因自重而产生的沉降量和海洋座底设备在除自重影响之外的条件下设备在垂直方向上产生的位移变化量。

7.根据权利要求6所述的测量海洋座底设备沉降量的方法，其特征在于，所述步骤（1）中位于防沉降板上方和下方的环形电极各占一半。

8.根据权利要求6所述的测量海洋座底设备沉降量的方法，其特征在于，所述步骤（2）中沉积物的相对位置以底锥位置为基准获得。