CN112572739A - 一种浮力调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮力调节装置，包括安装于水密舱内的密封罐、内油囊、一级齿轮泵、二级柱塞泵、过滤器、单向阀、电磁阀、溢流阀、回流齿轮泵、压力传感器、温度传感器和安装在水密舱外直接和海水接触的外油囊。其中，内油囊安装于密封罐内，压力传感器和温度传感器可以同时测量密封罐的压力和温度；一级齿轮泵和二级柱塞泵串联，输入端接内油囊，输出端通过过滤器和单向阀接外油囊；溢流阀一端接入一级齿轮泵和二级柱塞泵之间，另一端接入内油囊；回流泵输入端通过电磁阀接入外油囊，输出端接内油囊。本发明通过测量密封罐内压力和温度的变化得到内油囊的体积变化量，从而实现了对浮力的精确调节。

Description

一种浮力调节装置

技术领域

本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种浮力调节装置。

背景技术

水下滑翔机是一种不依靠推进装置，通过浮力变化驱动水平翼产生水动力，改变重心调整姿态实现水下滑翔的一种水下无人机。它可以长时间、长距离在宽广水域做深浅自如的水下运动。浮力调节装置是水下滑翔机的核心部件，最常用的一种方法是通过往位于水下滑翔机机体外部的外油囊注油和排油改变外油囊体积从而调节整机浮力，而注油量和排油量的控制精度是影响浮力调节系统整体精度和实用性的重点与难点。

目前方法之一是使用流量计来测量注油量和排油量，但是由于压力波动及流量计存在的累计误差，降低了油量的控制精度。另一种方法是设计一种活塞式内油囊，通过位移传感器测量活塞位移从而得到油量变化，此种方法结构复杂，存在运行阻力大、容易漏油等问题。还有的方法是使用可伸缩的波纹管式内油囊，通过位移传感器测量波纹管油囊底部位移得到油量变化，此方法在内油囊油量较少时测量误差较大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种浮力调节装置，通过测量装有内油囊的密封罐内空气的压力和温度变化，得到了内油囊精确的体积变化量，从而得到了浮力调节系统内外油囊油量变化的精确值，实现了高精度的浮力调节。

本发明的技术解决方案是：一种浮力调节装置，该装置包括安装于水密舱内的压力传感器、内油囊、密封罐、一级齿轮泵、溢流阀、二级柱塞泵、过滤器、单向阀、电磁阀、回流齿轮泵、温度传感器和安装在水密舱外直接和海水接触的外油囊；

其中，内油囊安装于密封罐内，压力传感器和温度传感器分别用于测量密封罐的压力和温度；一级齿轮泵和二级柱塞泵串联，输入端接内油囊，输出端通过过滤器和单向阀接外油囊；溢流阀一端接入一级齿轮泵和二级柱塞泵之间，另一端接入内油囊；回流齿轮泵输入端通过电磁阀接入外油囊，输出端接内油囊；

当一级齿轮泵和二级柱塞泵运转、电磁阀关闭、回流齿轮泵关闭时，液压油从内油囊通过一级齿轮泵、二级柱塞泵、过滤器和单向阀进入外油囊，随着外油囊体积变大，浮力增加；当一级齿轮泵运转，二级柱塞泵入口压力高于设定压力时，溢流阀打开，多余的液压油回流至内油囊，从而保持二级柱塞泵入口压力稳定；

当一级齿轮泵和二级柱塞泵关闭、电磁阀打开、回流齿轮泵运转时，液压油从外油囊通过电磁阀、回流齿轮泵进入内油囊，随着外油囊体积变小，浮力减小。、根据权利要求所述的一种浮力调节装置，其特征在于所述设定压力的为二级柱塞泵的最大允许输入压力。

密封罐中充入一定压力的气体。

所述一定压力的取值范围是：0.1-0.15Mpa。

所述密封罐为金属材质。

所述内油囊和外油囊均为橡胶材质，可以随内部油量的变化而体积发生变化。

上述浮力调节装置还包括控制器，根据内油囊的油量变化实时对一级齿轮泵、二级柱塞泵、电磁阀和回流齿轮泵进行控制，控制进入外油囊的油量，实现浮力的调节。

任意时刻内油囊内油量变化通过如下方法计算得到：

S1、由压力传感器和温度传感器测得当前时刻油箱壳体内气体的压力p₂和温度T₂；

S2、计算当前时刻相对于初始状态注油前的油箱壳体内油囊外的气体体积变化ΔV，计算公式为：

ΔV＝V₂-V₀＝(p₀T₂/p₂T₀-1)/V₀

其中，T₀、p₀、V₀分别为初始状态下油箱壳体内气体的压力、温度和体积；

S3、当前时刻相对于初始状态注油前油囊内油量变化即为-ΔV。

所述初始状态下油箱壳体内气体的体积采用如下方法得到：

S1.1、由压力传感器和温度传感器测得初始状态下油箱壳体内气体的压力p₀和温度T₀；

S1.2、向油囊内注入体积为X的油，得知注油前后油囊内的空气体积变化量为-X；

S1.3、由压力传感器和温度传感器测得注油后油箱壳体内空气的压力p₁和温度T₁；

S1.4、根据下列公式，计算得到初始状态油箱壳体内油囊外的气体体积V₀：

V₀＝(p₀T₁/p₁T₀-1)/(-X)。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过使用高精度压力传感器和高精度温度传感器测量密封罐的压力和温度，利用理想气体状态方程，可以精确的得到内油囊的体积变化量，从而得到了浮力调节系统内外油囊油量变化的精确值，实现了浮力的高精度调节。

(2)、本发明通过使用压力传感器和温度传感器获得内油囊的体积变化量，没有机械运动部件，结构简单，可靠性高。

附图说明

图1为本发明实施例的高精度浮力调节系统的原理框图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括压力传感器1、内油囊2、密封罐3、一级齿轮泵4、溢流阀5、二级柱塞泵6、过滤器7、单向阀8、电磁阀10、回流齿轮泵11、温度传感器12、外油囊9、控制器。其中除外油囊9外，其余部件均安装于水密舱内，外油囊9安装于水密舱外，直接和海水接触。内油囊2和外油囊9均为橡胶材质，可以随内部油量的变化而体积发生变化。密封罐3为金属材质，将内油囊2装入后，罐内空气为密封状态，不会发生泄漏。

内油囊2安装于密封罐3内，压力传感器1和温度传感器12可以同时测量密封罐3的压力和温度；一级齿轮泵4和二级柱塞泵6串联，输入端接内油囊2，输出端通过过滤器7和单向阀8接外油囊9；溢流阀5一端接入一级齿轮泵4和二级柱塞泵6之间，另一端接入内油囊2；回流齿轮泵11输入端通过电磁阀10接入外油囊9，输出端接内油囊2。

增加浮力过程即将内油囊2的油排至外油囊9的过程，一级齿轮泵4和二级柱塞泵6运转，电磁阀10关闭，回流齿轮泵11关闭，液压油从内油囊2通过一级齿轮泵4、二级柱塞泵6、过滤器7和单向阀8进入外油囊9。随着外油囊9体积变大，浮力增加。当一级齿轮泵4运转，二级柱塞泵6入口压力高于设定压力时，溢流阀5打开，多余的液压油回流至内油囊2。

减小浮力过程即将外油囊9的油排至内油囊2的过程，一级齿轮泵4和二级柱塞泵6关闭，电磁阀10打开，回流齿轮泵11运转，液压油从外油囊9通过电磁阀10、回流齿轮泵11进入内油囊2。随着外油囊9体积变小，浮力减小。

控制器根据内油囊2的体积变化实时对一级齿轮泵、二级柱塞泵、电磁阀和回流齿轮泵进行控制，能够精确控制进入外油囊的油量，实现了浮力的高精度调节。

根据理想气体状态方程：

pV＝nRT (s1)

p为气体压强，V为气体体积，n为气体物质的量，R为比例常数，T为气体的热力学温度，对于内油箱里的气体，排油前有等式p_前V_前＝nRT_前，排油后有等式p_后V_后＝nRT_后，则可以推导出下列等式：

V_后＝p_前V_前T_后/P_后T_前 (s2)

V_后-V_前＝(p_前T_后/p_后T_前-1)V_后 (s3)

V_前＝(p_前T_后/p_后T_前-1)/(V_后-V_前) (s4)

p_前、p_后、T_前、T_后为通过压力传感器8和温度传感器6采集得到的已知量，故根据公式(s3)只须得到排油前的气体体积V_前，即可得到排油前后的气体体积变化量V_后-V_前。

基于上述原理分析，任意时刻内油囊2内油量变化通过如下方法计算得到：

S1、由压力传感器8和温度传感器6测得当前时刻油箱壳体3内气体的压力p₂和温度T₂；

S2、计算当前时刻相对于初始状态注油前的油箱壳体3内油囊4外的气体体积变化ΔV，计算公式为：

ΔV＝V₂-V₀＝(p₀T₂/p₂T₀-1)/V₀

其中，T₀、p₀、V₀分别为初始状态下油箱壳体3内气体的压力、温度和体积。

S3、当前时刻相对于初始状态注油前油囊2内油量变化即为-ΔV。

所述初始状态下油箱壳体3内气体的体积采用如下方法得到：

S1.1、由压力传感器8和温度传感器6测得初始状态下油箱壳体3内气体的压力p₀和温度T₀；

S1.2、向油囊4内注入体积为X的油，得知注油前后油囊4内的空气体积变化量为-X；

S1.3、由压力传感器8和温度传感器6测得注油后油箱壳体3内空气的压力p₁和温度T₁；

S1.4、根据下列公式，计算得到初始状态油箱壳体3内油囊4外的气体体积V₀：

V₀＝(p₀T₁/p₁T₀-1)/(-X)。

实践中，可以多次重复上述步骤，采集多组压力温度数值，将计算结果取平均值，提高计算结果精度。

本发明已将较佳实施例公开如上，凡是未脱离本发明技术方案的原理，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种浮力调节装置，其特征在于包括安装于水密舱内的压力传感器(1)、内油囊(2)、密封罐(3)、一级齿轮泵(4)、溢流阀(5)、二级柱塞泵(6)、过滤器(7)、单向阀(8)、电磁阀(10)、回流齿轮泵(11)、温度传感器(12)和安装在水密舱外直接和海水接触的外油囊(9)；

其中，内油囊(2)安装于密封罐(3)内，压力传感器(1)和温度传感器(12)分别用于测量密封罐(3)的压力和温度；一级齿轮泵(4)和二级柱塞泵(6)串联，输入端接内油囊(2)，输出端通过过滤器(7)和单向阀(8)接外油囊(9)；溢流阀(5)一端接入一级齿轮泵(4)和二级柱塞泵(6)之间，另一端接入内油囊(2)；回流齿轮泵(11)输入端通过电磁阀(10)接入外油囊(9)，输出端接内油囊(2)；

当一级齿轮泵(4)和二级柱塞泵(6)运转、电磁阀(10)关闭、回流齿轮泵(11)关闭时，液压油从内油囊(2)通过一级齿轮泵(4)、二级柱塞泵(6)、过滤器(7)和单向阀(8)进入外油囊(9)，随着外油囊(9)体积变大，浮力增加；当一级齿轮泵(4)运转，二级柱塞泵(6)入口压力高于设定压力时，溢流阀(5)打开，多余的液压油回流至内油囊(2)，从而保持二级柱塞泵(6)入口压力稳定；

当一级齿轮泵(4)和二级柱塞泵(6)关闭、电磁阀(10)打开、回流齿轮泵(11)运转时，液压油从外油囊(9)通过电磁阀(10)、回流齿轮泵(11)进入内油囊(2)，随着外油囊(9)体积变小，浮力减小。

2.根据权利要求1所述的一种浮力调节装置，其特征在于所述设定压力的为二级柱塞泵(6)的最大允许输入压力。

3.根据权利要求1所述的一种高精度浮力调节装置，其特征在于：密封罐(3)中充入一定压力的气体。

4.根据权利要求3所述的一种高精度浮力调节装置，其特征在于：所述一定压力的取值范围是：0.1-0.15Mpa。

5.根据权利要求1所述的一种高精度浮力调节装置，其特征在于：所述密封罐(3)为金属材质。

6.根据权利要求1所述的一种高精度浮力调节装置，其特征在于：所述内油囊(2)和外油囊(9)均为橡胶材质，可以随内部油量的变化而体积发生变化。

7.根据权利要求1所述的一种浮力调节装置，其特征在于还包括控制器，根据内油囊(2)的油量变化实时对一级齿轮泵、二级柱塞泵、电磁阀和回流齿轮泵进行控制，控制进入外油囊(9)的油量，实现浮力的调节。

8.权利要求7所述内油箱的一种浮力调节装置，其特征在于任意时刻内油囊(2)内油量变化通过如下方法计算得到：

S1、由压力传感器(8)和温度传感器(6)测得当前时刻油箱壳体(3)内气体的压力p₂和温度T₂；

S2、计算当前时刻相对于初始状态注油前的油箱壳体(3)内油囊(4)外的气体体积变化ΔV，计算公式为：

ΔV＝V₂-V₀＝(p₀T₂/p₂T₀-1)/V₀

其中，T₀、p₀、V₀分别为初始状态下油箱壳体(3)内气体的压力、温度和体积；

S3、当前时刻相对于初始状态注油前油囊(2)内油量变化即为-ΔV。

9.权利要求8所述的一种浮力调节装置，其特征在于所述初始状态下油箱壳体(3)内气体的体积采用如下方法得到：

S1.1、由压力传感器(8)和温度传感器(6)测得初始状态下油箱壳体(3)内气体的压力p₀和温度T₀；

S1.2、向油囊(4)内注入体积为X的油，得知注油前后油囊(4)内的空气体积变化量为-X；

S1.3、由压力传感器(8)和温度传感器(6)测得注油后油箱壳体(3)内空气的压力p₁和温度T₁；

S1.4、根据下列公式，计算得到初始状态油箱壳体(3)内油囊(4)外的气体体积V₀：

V₀＝(p₀T₁/p₁T₀-1)/(-X)。

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