CN111442665A - 温差能驱动的水下监测设备综合试验平台 - Google Patents

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CN111442665A CN202010339426.5A CN202010339426A CN111442665A CN 111442665 A CN111442665 A CN 111442665A CN 202010339426 A CN202010339426 A CN 202010339426A CN 111442665 A CN111442665 A CN 111442665A
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张超逸
陈炳喆
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Abstract

本发明涉及一种温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，属于海洋监测装备的检测技术领域。包括：环境模拟装置，设有装水的容纳腔体，试验时，水下监测设备置于所述容纳腔体内；还设有用于测量所述容纳腔体内水温的测温仪和用于测量所述水下监测设备在容纳腔体内净浮力变化的测力仪；水温调节器，用于调节所述环境模拟装置内水的温度；和控制器，与所述测温仪、测力仪及水温调节器通讯连接，所述控制器接收所述测温仪的温度信号并根据该信号控制水温调节器对所述容纳腔体内的水温进行调节，同时，接收所述测力仪的数据推算水下监测设备的运动状态。在试验过程中，如果遇到需要调试、维修的情况可以直接在实验室进行，节省了大量的时间和运输成本。

Description

温差能驱动的水下监测设备综合试验平台
技术领域
本发明涉及海洋监测装备的检测技术领域，具体地说，涉及一种温差能驱动的水下监测设备综合试验平台。
背景技术
海洋是人类的资源宝库，也是权益维护的战略重地，随着世界人口的增长和工农业生产的发展，用水量也在日益增加。由于人类的生活和生产活动，将大量未经处理的生活污水，工业废水，农业会流水及其他废弃物往往直接排入环境水体，造成海洋污染，水质污染。因此需要对海洋环境进行时刻监测，通过建立海洋环境质量安全监管系统把不同距离的传感器收集到的大量数据信息及时地传递到地面控制中心，从而保证人们对海洋环境的了解，对海洋环境的安全进行监管，以便采取相应措施。
现代海洋监测装备及传感器的发展已充分融合了当代科学技术成就，微电脑、集成电路和储存芯片及高能量电池的发展，促使传感器的体积越来越小，观测数据质量越来越好。另外，串口通信、磁耦合传输、水声通信等技术的应用为多传感器的集成和综合观测创造了前提，集成化、高效率、长时效、全覆盖、数字化、信息化是发展的主要趋势，遥感技术和以无人机动平台为载体的监测技术提高了海洋环境应急和机动监测能力，也是发展的主流方向。由于许多海洋现象的产生及变化属于长周期过程，因此，长期、定点、连续的多要素同步测量技术是研究海洋环境变化规律和实现目标监测警戒的重点。
现有的海洋检测设备中，如公开号为CN110542408A的中国专利文献公开的一种智慧海洋环境质量安全监管系统，包括数据采集基站、数据分析模块、数据传输模块、数据存储模块、GPS全球定位系统、多普勒计程仪、深度计、波浪骑士、流式细胞仪、温盐深仪CTD、声学多普勒流速剖面仪和氨氮传感器；数据采集基站为可移动的水下潜器，GPS全球定位系统、多普勒计程仪、深度计、波浪骑士、流式细胞仪、温盐深仪CTD、声学多普勒流速剖面仪，氨氮传感器均与数据采集基站的数据采集模块通讯连接。该监管系统以剖面仪作为载体，能量供应方式包括太阳能发电和水温差发电。
由于水下移动监测装备在海洋环境中运行时往往面临巨大的挑战，因此，在进行海洋试验之前，往往会在湖泊环境中进行先一步试验，但是在实际运行环境中还是会受到布放、回收、工具、风浪的影响，对样机的调试、维修都很难进行。返回实验室维修又会付出大量的时间运输成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，在对水下监测设备进行试验时，如遇到需要调试、维修的情况可以直接在实验室进行，节省了大量的时间和运输成本。
为了实现上述目的，本发明的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台包括：
环境模拟装置，设有装水的容纳腔体，试验时，水下监测设备置于所述容纳腔体内；还设有用于测量所述容纳腔体内水温的测温仪和用于测量所述水下监测设备在容纳腔体内净浮力变化的测力仪；
水温调节器，用于调节所述环境模拟装置内水的温度；
控制器，与所述测温仪、测力仪及水温调节器通讯连接，所述控制器接收所述测温仪的温度信号并根据该信号控制水温调节器对所述容纳腔体内的水温进行调节，同时，接收所述测力仪的数据推算水下监测设备的运动状态。
上述技术方案中，将水下监测设备放置到装水的容纳腔体内进行试验，可以获取水下监测设备在模拟实际工况下的工作性能。获取水下监测设备在模拟工作环境中的最大净浮力、上升/下降速度、上升/下降加速度和水下深度信息，便于对水下监测设备在相对安全的环境中对实际工作能力进行监测。在试验过程中，如果遇到需要调试、维修的情况可以直接在实验室进行，节省了大量的时间和运输成本。
可选地，在一个实施例中，所述的水温调节器包括风冷式冷水机和设置在所述容纳腔体内的换热导管，所述换热导管的两端分别连接所述水冷箱的进水管和出水管。
可选地，在一个实施例中，所述的换热导管呈螺旋状缠绕，所述的水下监测设备放置于螺旋状换热导管的中间。
可选地，在一个实施例中，所述的容纳腔体内设有将换热导管与水下监测设备分隔开的隔离板；所述的测温仪为安装在所述隔离板内测的若干温度传感器。
可选地，在一个实施例中，所述的容纳腔体的内壁上设有用于固定所述隔离板的环形支撑架。
可选地，在一个实施例中，所述的环形支撑架上或所述的容纳腔体的腔体壁上设有供所述换热导管通过的通孔。
可选地，在一个实施例中，所述的环形支撑架将所述换热导管分隔成若干段，所述的容纳腔体的腔体壁上设有用于连通相邻换热导管的连通管。
可选地，在一个实施例中，所述的容纳腔体的顶部开口处设有上端盖，所述的测力仪为安装在所述上端盖上的拉力传感器；所述的测温仪为固定在所述容器腔体内的若干温度传感器。可在上端盖上设置一安装支架，将拉力传感器悬挂固定在安装支架的底部。
可选地，在一个实施例中，所述的容纳腔体的腔体壁上设有观察窗，底部设有移动支架。
基于上述温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，本发明还提供了一种温差能驱动的剖面仪综合试验平台，其容纳腔体为与剖面仪的外形相适应的圆筒状。通过该试验平台，可以获取剖面仪整体系统在模拟实际工况下的工作性能。可以获取剖面仪在模拟工作环境中的剖面频率、最大净浮力、上升/下降速度、上升/下降加速度和水下深度信息。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
本发明的实验平台集成水温控制、数据采集、实时监测和环境模拟等功能。当水下监测设备出现故障时，可以第一时间发现并停止数据变化，通过环境信息和内部工作状态的实时信息获取，排查故障并维修。减少了在实际工作环境中发生故障的概率，并减少回收和布放成本，减少在运输途中消耗的时间成本。
利用本试验平台，可对水下监测设备各部分功能进行分离试验研究验证。如对温差能俘获热机进行俘能性能试验，对剖面仪控制部分进行控制策略设计并试验验证，对剖面仪腔体结构的水下动力性能进行模拟试验并验证。
附图说明
图1为本发明实施例1中温差能驱动的水下监测设备综合试验平台的结构示意图；
图2为本发明实施例1中换热导管的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
参见图1和图2，本实施例的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，用于对温差能驱动的剖面仪进行试验，包括：环境模拟装置100，水温调节器200和控制器300。
环境模拟装置100包括容纳腔体101，测温仪102、测力仪103和换热导管104。容纳腔体101为与剖面仪的外形相适应的圆筒状。容纳腔体101用于容纳剖面仪并模拟海底水下工作环境，其腔体壁上设有观察窗1011，用来观察腔体内剖面仪的具体状况，底部设有方便移动的移动支架1012，顶部开口处设有上端盖1013，上端盖1013与容纳腔体101之间可拆卸。
本实施例的水温调节器200为风冷式冷水机，换热导管104的两端分别通过进水管201和出水管202连接至风冷式冷水机，换热导管104呈螺旋状缠绕在容纳腔体101内，剖面仪放置于螺旋状换热导管的中间。同时，在容纳腔体101内设有将将剖面仪与换热导管104分隔开的隔离板105，容纳腔体101的内壁上设有用于固定隔离板105的环形支撑架106。为了避免环形支撑架106与换热导管104发生干涉，可在环形支撑架106或容纳腔体101的腔体壁上设置通孔，本实施例为在容纳腔体101的腔体壁上设置通孔，换热导管104被环形支撑架106分为三段：传热支管1041、传热支管1042和传热支管1043，相邻支管之间通过连通管107连通，本实施例的连通管107为软管，穿过容纳腔体101的腔体壁后与对应的换热导管相连。
控制器300通过数据传输线301与测温仪102、测力仪103以及水温调节器200通讯连接。控制器300通过数据传输线301接收测温仪102的数据并分析，通过数据传输线301将下一步指令传输给水温调节器200。水温调节器200主要负责温度控制，接收控制器300传输过来的指令并对其做出反应，调节出水管202的出水温度，以此达到控制容纳腔体101内部的环境温度的目的。
容纳腔体101内部的温度控制方法为：降温时通过控制器300的指令，使水温调节器200的出水口温度为调温范围内的最低温度，在此情况下，循环水路中的温度也为调温范围内的最低温度，循环水路中的低温水通过换热导管104和容纳腔体101中的水进行热量交换，容纳腔体101中的环境温度下降。当控制器300通过测温仪102监测容纳腔体101内部温度接近目标温度时，发出指令使水温调节器200的出水口温度略低于目标温度并维持。由于各换热边界存在一定的换热损失，因此容纳腔体101内温度将达到目标温度并维持。升温时通过控制器300的指令，使水温调节器200的出水口温度为调温范围内的最高温度，在此情况下，循环水路中的温度也为调温范围内的最高温度。循环水路中的高温水通过换热导管104和容纳腔体101中的水进行热量交换，容纳腔体101中的环境温度上升。当控制器300通过测温仪102监测容纳腔体101内部温度接近目标温度时，发出指令使水温调节器200的出水口温度略高于目标温度并维持。由于各换热边界存在一定的换热损失，因此容纳腔体101内温度将最终达到目标温度并维持。采取此控制策略可以使容纳腔体101中的水温最快速的达到目标温度。
控制器300通过数据传输线301接收测力仪103的数据，推算出此时剖面仪的运动状态，并计算出当前剖面仪的运动加速度、运动速度，推算出此时剖面仪所处的近似深度信息，通过运动状态在上升和下降间的循环变化推算出剖面仪的剖面频率。剖面仪处于下降状态时，净浮力向下；处于上升状态时，净浮力向上。因此采用传统方法监测剖面仪净浮力状态时，需要采用刚性结构连接上端盖1013、测力仪103和剖面仪，不便于安装和拆卸。因此在剖面仪放入容纳腔体101配平后，在剖面仪上添加一定的重物提供向下的净浮力，在此基础上增加的净浮力即为下降状态时的净浮力，在此基础上减少的量即为上升状态时的净浮力。采用此种方式可以将剖面仪挂置在测力仪103上，方便拆卸和安装。
本实施例的测温仪102包括固定在隔离板105上的且沿垂直方向间隔布置的若干温度传感器，监测处于腔体内部时剖面仪周围环境温度。本实施例的测力仪103为安装在上端盖1013上的拉力传感器，监测处于腔体内部时剖面仪的净浮力变化。
通过本试验平台，可以获取剖面仪整体系统在模拟实际工况下的工作性能。可以获取剖面仪在模拟工作环境中的剖面频率、最大净浮力、上升/下降速度、上升/下降加速度、水下深度信息，便于对剖面仪在相对安全的环境中对实际工作能力进行监测。
由于本试验平台容纳腔体内部剖面仪绝对位置保持不变，便于通过线缆和外接进行数据交换，在此基础上可以实时获取例如温差能俘获效率、剖面仪内部仪器的当前工作状态、剖面仪内部液压系统当前状态等信息。并且可在剖面仪运行全过程中进行数据监测。
当剖面仪出现故障时，可以第一时间发现并停止数据变化，通过环境信息和内部工作状态的实时信息获取，排查故障并维修。减少了在实际工作环境中发生故障的概率，并减少回收和布放成本，减少在运输途中消耗的时间成本。
实施例2
本实施例的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台的结构除了连通管107的设置外，其余均与实施例1相同。此处不再赘述。
本实施例的连通管107与容纳腔体101的腔体壁一体设置。

Claims (10)

1.一种温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，包括：
环境模拟装置，设有装水的容纳腔体，试验时，水下监测设备置于所述容纳腔体内；还设有用于测量所述容纳腔体内水温的测温仪和用于测量所述水下监测设备在容纳腔体内净浮力变化的测力仪；
水温调节器，用于调节所述环境模拟装置内水的温度；
控制器，与所述测温仪、测力仪及水温调节器通讯连接，所述控制器接收所述测温仪的温度信号并根据该信号控制水温调节器对所述容纳腔体内的水温进行调节，同时，接收所述测力仪的数据推算水下监测设备的运动状态。
2.根据权利要求1所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的水温调节器包括风冷式冷水机和设置在所述容纳腔体内的换热导管，所述换热导管的两端分别连接所述水冷箱的进水管和出水管。
3.根据权利要求2所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的换热导管呈螺旋状缠绕，所述的水下监测设备放置于螺旋状换热导管的中间。
4.根据权利要求3所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的容纳腔体内设有将换热导管与水下监测设备分隔开的隔离板；所述的测温仪为安装在所述隔离板内测的若干温度传感器。
5.根据权利要求4所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的容纳腔体的内壁上设有用于固定所述隔离板的环形支撑架。
6.根据权利要求5所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的环形支撑架上或所述的容纳腔体的腔体壁上设有供所述换热导管通过的通孔。
7.根据权利要求5所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的环形支撑架将所述换热导管分隔成若干段，所述的容纳腔体的腔体壁上设有用于连通相邻换热导管的连通管。
8.根据权利要求1所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的容纳腔体的顶部开口处设有上端盖，所述的测力仪为安装在所述上端盖上的拉力传感器；所述的测温仪为固定在所述容器腔体内的若干温度传感器。
9.根据权利要求1所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的容纳腔体的腔体壁上设有观察窗，底部设有移动支架。
10.一种温差能驱动的剖面仪综合试验平台，采用权利要求1-9中任一权利要求所述的温差能驱动的水下监测设备综合试验平台，其特征在于，所述的容纳腔体为与剖面仪的外形相适应的圆筒状。
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