CN110726620A - 一种水下设备可压缩系数测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种水下设备可压缩系数测量装置及方法，属于水下设备可压缩系数测量技术领域。本水下设备可压缩系数测量装置，压力釜内设置油囊，排油液压泵的进油端经液压管路连接油箱，出油端经液压管路连接油囊，回油液压泵的进油端经液压管路连接油囊，出油端经液压管路连接油箱，油箱内设置有位移传感器；压力釜上设置有压力传感器、注水口、排水口和泄压阀，压力釜内的底部设置有用于可拆卸连接水下设备的装配部。本发明的有益效果：突破现有测量方法的局限性，无需水下摄像头，待测水下设备在压力釜内固定无动作，无干涉与碰撞风险，简化测量操作。
Description
技术领域
本发明涉及水下设备可压缩系数测量技术领域，特别是涉及一种水下设备可压缩系数测量装置及方法。
背景技术
水下设备(如UUV、剖面浮标、水下滑翔机等)主要通过改变自身重力、浮力来完成不同深度的巡航或悬停作业。而由于水下设备本身结构件存在一定的可压缩性，在不同水深的压缩量不同，将导致自身浮力发生变化。因此，为满足水下设备在预定水深的巡航或悬停任务要求，就需考虑由于设备受水压而导致的体积压缩引起的浮力变化。
目前有一种在实验室调整剖面漂流浮标的方法，其核心思想是基于试验法测出浮标的可压缩系数，从而推导出浮标在目标压力下悬停所需的重量。该方法需要配备水下摄像头、设备工装、刻度尺、重量适中的铁链等工具。在浮标下方固定一铁链，压力釜加压使浮标浮力增大上浮，从而提起铁链，通过水下摄像头观察提起铁链的高度，换算成重量，计算浮标的体积压缩量，过程较为繁琐。浮标在测试过程中上下运动存在以下两点局限性：(1)需预留出浮标运动空间，加之设备本身较大，因此对压力釜内部空间要求较高；(2)浮标在运动过程中存在与压力釜内壁或其他设备干涉、碰撞的风险，影响测量精度或对浮标造成损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下设备可压缩系数测量装置及方法，突破现有测量方法的局限性，无需水下摄像头，待测水下设备在压力釜内固定无动作，无干涉与碰撞风险，简化测量操作。
本发明提供一种水下设备可压缩系数测量装置，包括压力釜、排油液压泵、回油液压泵和油箱，压力釜内设置有由柔性材料制成的油囊，排油液压泵的进油端经液压管路连接油箱，排油液压泵的出油端经液压管路连接油囊，回油液压泵的进油端经液压管路连接油囊，回油液压泵的出油端经液压管路连接油箱，油箱内设置有位移传感器；压力釜上设置有压力传感器，压力传感器的检测部与压力釜内连通；压力釜上设置有注水口，注水口经注水管路与压力釜内连通；压力釜上设置有排水口，排水口经排水管路与压力釜内连通；压力釜上设置有泄压阀，泄压阀经排气管路与压力釜内的顶部连通；压力釜内的底部设置有用于可拆卸连接水下设备的装配部。
优选的，所述压力釜包括筒体和盖体，筒体的顶部开口，开口处可拆卸装配盖体，所述排气管路的末端位于盖体的下表面。
优选的，所述盖体的下表面开设有凹槽，所述排气管路的末端位于凹槽的最深处。
优选的，所述凹槽设置为锥形槽，所述排气管路的末端位于锥形槽的中央位置。
优选的，所述装配部设置为支撑座，支撑座的底部固定连接压力釜内的底部，支撑座的顶部设置有可螺栓连接水下设备的螺栓。
优选的，所述油囊由氟橡胶材料制成。
本发明还提供一种水下设备可压缩系数测量方法，应用上述的水下设备可压缩系数测量装置，包括以下步骤：
步骤A、将水下设备置于压力釜内，水下设备连接压力釜内的装配部后实施步骤A1至步骤A3，
步骤A1、通过注水口向压力釜内注满水，压力釜内的气体经泄压阀排出，待压力釜内注满水后关闭注水口；
步骤A2、排油液压泵向油囊内注入液压油，使压力釜内压力升高，通过压力传感器测得压力釜内的压力P，通过位移传感器测得油箱内的液压油高度变化并换算得到注入液压油常压体积ΔV；
步骤A3、在压力釜内压力升高过程中，存在平衡方程为
V0(1-α样(t)P)+(V釜-V0)(1-α水(t)P)+ΔV2(P)P＝ΔV(1-αΔ(t)P)+ΔV1(P)P (式1.1)
记E(P)＝ΔV1(P)-ΔV2(P)，式1.1可改写为
V0(1-α样(t)P)+(V釜-V0)(1-α水(t)P)＝ΔV(1-αΔ(t)P)+E(P)P (式1.2)
步骤B、压力釜内无水下设备，实施步骤B1至步骤B3，
步骤B1、通过注水口向压力釜内注满水，压力釜内的气体经泄压阀排出，待压力釜内注满水后关闭注水口；
步骤B2、排油液压泵向油囊内注入液压油，使压力釜内压力升高，通过压力传感器测得压力釜内的压力P，通过位移传感器测得油箱内的液压油高度变化并换算得到注入液压油常压体积ΔV；
步骤B3、在压力釜内压力升高过程中，存在平衡方程为
(V釜-V0)(1-α水(t)P)+ΔV2(P)P＝ΔV(1-αΔ(t)P)+ΔV1(P)P (式1.3)
记E(P)＝ΔV1(P)-ΔV2(P)，式1.3可改写为
E(P)＝(V釜-V0)(1-α水(t)P)-ΔV(1-αΔ(t)P) (式1.4)
由式1.2和式1.4，得到α样(t)；
其中，
V0为水下设备常压下体积；
α样(t)为水下设备的可压缩系数；
P为压力釜内的压力；
V釜为压力釜常压下的容积；
α水(t)为水的可压缩系数；
ΔV2(P)为压力釜内固有设施在压力P下的压缩量；
ΔV为注入液压油常压体积；
αΔ(t)为液压油可压缩系数；
ΔV1(P)为压力釜容积在压力P下增量。
与现有技术相比，本发明的水下设备可压缩系数测量装置及方法具有以下特点和优点：
本发明的水下设备可压缩系数测量装置，不需要装配水下摄像头，结构简单，成本投入较低，待测水下设备在压力釜内固定在装配部上，水下设备在压力釜内无动作，无干涉与碰撞风险。本发明的水下设备可压缩系数测量方法，应用本发明的水下设备可压缩系数测量装置，可在实验室环境下测得水下设备在高压环境下的可压缩系数，测量操作简单，测量数据准确，为水下无人运动平台定深巡航和定深悬停工作提供数据基础，具备较高的推广应用价值。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为实施例中水下设备可压缩系数测量装置的剖视图。
具体实施方式
下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例提供一种水下设备可压缩系数测量装置，包括压力釜、压力传感器1、油箱2、回油液压泵3、排油液压泵4、油囊5和泄压阀6等。
压力釜包括筒体8和盖体7，筒体8的顶部开口，筒体8的开口处可拆卸装配盖体7。
盖体7的下表面开设有凹槽，凹槽的形状优选设计为锥形槽，泄压阀6设置在盖体7上，泄压阀6经排气管路13与压力釜内的顶部连通，排气管路13的末端位于锥形槽的中央位置(最深处)。当通过注水口10向压力釜内注水时，压力釜内水面上方的空气可以沿着锥形槽顺利地经排气管路13、泄压阀6排出，避免在压力釜内留存空气，使压力釜内充满水。
压力釜的筒体8侧壁上设置有压力传感器1，压力传感器1的检测部与压力釜内连通。压力传感器1实时检测压力釜内的压力P。
压力釜的筒体8侧壁上设置有注水口10，注水口10经注水管路与压力釜内连通。通过注水口10向压力釜内注水。
压力釜的筒体8侧壁上设置有排水口11，排水口11经排水管路与压力釜内连通。待测量结束后，开启排水口11排出压力釜内的水。
压力釜内设置有由柔性材料制成的油囊5，本实施例中的油囊5材料优选氟橡胶。
油箱2内装有液压油，排油液压泵4的进油端经液压管路连接油箱2，排油液压泵4的出油端经液压管路连接油囊5，回油液压泵3的进油端经液压管路连接油囊5，回油液压泵3的出油端经液压管路连接油箱2。油箱2内设置有位移传感器。通过位移传感器测得油箱2内的液压油高度变化并可换算得到进入油囊5内的注入液压油常压体积ΔV。
排油液压泵4可将油箱2内的液压油注入油囊5，回油液压泵3可将油囊5内的液压油排出至油箱2。
油囊5内注入液压油，油囊5膨胀，以使压力釜内压力升高。通过改变油囊5的体积，以改变压力釜内压力。
压力釜筒体8内的底部设置有装配部，装配部用于可拆卸连接待测的水下设备9。本实施例中，装配部设置为支撑座12，支撑座12的底部固定连接压力釜筒体8内的底部，支撑座12的顶部设置有螺栓，通过螺栓以螺栓连接待测的水下设备9。如此，在测量过程中，避免因压力釜内压力变化导致水下设备9漂动，无干涉与碰撞风险。
本实施例还提供一种水下设备可压缩系数测量方法，应用上述的水下设备可压缩系数测量装置，包括以下步骤。
步骤A、将水下设备9置于压力釜的筒体8内，水下设备9连接压力釜内的装配部并在筒体8上关闭盖体7，然后实施步骤A1至步骤A3：
步骤A1、通过注水口10向压力釜内注满水，压力釜内的气体经泄压阀6排出，待压力釜内注满水后关闭注水口10，设置泄压阀6的安全压力；
步骤A2、排油液压泵4向油囊5内注入液压油，使压力釜内压力升高，通过压力传感器1测得压力釜内的压力P，通过位移传感器测得油箱2内的液压油高度变化并换算得到注入液压油常压体积ΔV；
步骤A3、在压力釜内压力升高过程中，存在平衡方程为
V0(1-α样(t)P)+(V釜-V0)(1-α水(t)P)+ΔV2(P)P＝ΔV(1-αΔ(t)P)+ΔV1(P)P (式1.1)
记E(P)＝ΔV1(P)-ΔV2(P)，式1.1可改写为
V0(1-α样(t)P)+(V釜-V0)(1-α水(t)P)＝ΔV(1-αΔ(t)P)+E(P)P (式1.2)
步骤B、压力釜内无水下设备9，筒体8上关闭盖体7，然后实施步骤B1至步骤B3：
步骤B1、通过注水口10向压力釜内注满水，压力釜内的气体经泄压阀6排出，待压力釜内注满水后关闭注水口10，设置泄压阀6的安全压力；
步骤B2、排油液压泵4向油囊5内注入液压油，使压力釜内压力升高，通过压力传感器1测得压力釜内的压力P，通过位移传感器测得油箱2内的液压油高度变化并换算得到注入液压油常压体积ΔV；
步骤B3、在压力釜内压力升高过程中，存在平衡方程为
(V釜-V0)(1-α水(t)P)+ΔV2(P)P＝ΔV(1-αΔ(t)P)+ΔV1(P)P (式1.3)
记E(P)＝ΔV1(P)-ΔV2(P)，式1.3可改写为
E(P)＝(V釜-V0)(1-α水(t)P)-ΔV(1-αΔ(t)P) (式1.4)
由式1.2和式1.4，得到α样(t)；
其中，
V0为水下设备常压下体积；
α样(t)为水下设备的可压缩系数；
P为压力釜内的压力；
V釜为压力釜常压下的容积；
α水(t)为水的可压缩系数；
ΔV2(P)为压力釜内固有设施在压力P下的压缩量；
ΔV为注入液压油常压体积；
αΔ(t)为液压油可压缩系数；
ΔV1(P)为压力釜容积在压力P下增量。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种水下设备可压缩系数测量装置，包括压力釜、排油液压泵、回油液压泵和油箱，其特征在于：
压力釜内设置有由柔性材料制成的油囊，排油液压泵的进油端经液压管路连接油箱，排油液压泵的出油端经液压管路连接油囊，回油液压泵的进油端经液压管路连接油囊，回油液压泵的出油端经液压管路连接油箱，油箱内设置有位移传感器；
压力釜上设置有压力传感器，压力传感器的检测部与压力釜内连通；
压力釜上设置有注水口，注水口经注水管路与压力釜内连通；
压力釜上设置有排水口，排水口经排水管路与压力釜内连通；
压力釜上设置有泄压阀，泄压阀经排气管路与压力釜内的顶部连通；
压力釜内的底部设置有用于可拆卸连接水下设备的装配部。
2.根据权利要求1所述的水下设备可压缩系数测量装置，其特征在于：所述压力釜包括筒体和盖体，筒体的顶部开口，开口处可拆卸装配盖体，所述排气管路的末端位于盖体的下表面。
3.根据权利要求2所述的水下设备可压缩系数测量装置，其特征在于：所述盖体的下表面开设有凹槽，所述排气管路的末端位于凹槽的最深处。
4.根据权利要求3所述的水下设备可压缩系数测量装置，其特征在于：所述凹槽设置为锥形槽，所述排气管路的末端位于锥形槽的中央位置。
5.根据权利要求1所述的水下设备可压缩系数测量装置，其特征在于：所述装配部设置为支撑座，支撑座的底部固定连接压力釜内的底部，支撑座的顶部设置有可螺栓连接水下设备的螺栓。
6.根据权利要求1所述的水下设备可压缩系数测量装置，其特征在于：所述油囊由氟橡胶材料制成。
7.一种水下设备可压缩系数测量方法，应用权利要求1至6任一项所述的水下设备可压缩系数测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、将水下设备置于压力釜内，水下设备连接压力釜内的装配部后实施步骤A1至步骤A3，
步骤A1、通过注水口向压力釜内注满水，压力釜内的气体经泄压阀排出，待压力釜内注满水后关闭注水口；
步骤A2、排油液压泵向油囊内注入液压油，使压力釜内压力升高，通过压力传感器测得压力釜内的压力P，通过位移传感器测得油箱内的液压油高度变化并换算得到注入液压油常压体积ΔV；
步骤A3、在压力釜内压力升高过程中，存在平衡方程为
V0(1-α样(t)P)+(V釜-V0)(1-α水(t)P)+ΔV2(P)P＝ΔV(1-αΔ(t)P)+ΔV1(P)P (式1.1)
记E(P)＝ΔV1(P)-ΔV2(P)，式1.1可改写为
V0(1-α样(t)P)+(V釜-V0)(1-α水(t)P)＝ΔV(1-αΔ(t)P)+E(P)P (式1.2)
步骤B、压力釜内无水下设备，实施步骤B1至步骤B3，
步骤B1、通过注水口向压力釜内注满水，压力釜内的气体经泄压阀排出，待压力釜内注满水后关闭注水口；
步骤B2、排油液压泵向油囊内注入液压油，使压力釜内压力升高，通过压力传感器测得压力釜内的压力P，通过位移传感器测得油箱内的液压油高度变化并换算得到注入液压油常压体积ΔV；
步骤B3、在压力釜内压力升高过程中，存在平衡方程为
(V釜-V0)(1-α水(t)P)+ΔV2(P)P＝ΔV(1-αΔ(t)P)+ΔV1(P)P (式1.3)
记E(P)＝ΔV1(P)-ΔV2(P)，式1.3可改写为
E(P)＝(V釜-V0)(1-α水(t)P)-ΔV(1-αΔ(t)P) (式1.4)
由式1.2和式1.4，得到α样(t)；
其中，
V0为水下设备常压下体积；
α样(t)为水下设备的可压缩系数；
P为压力釜内的压力；
V釜为压力釜常压下的容积；
α水(t)为水的可压缩系数；
ΔV2(P)为压力釜内固有设施在压力P下的压缩量；
ΔV为注入液压油常压体积；
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ΔV1(P)为压力釜容积在压力P下增量。
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