CN113074654A - 海上风电结构局部冲刷监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海上风电结构局部冲刷监测装置及方法。该装置包括：升降机构：包括伺服电机、升降绳及滑轮，升降绳一端与伺服电机连接，另一端穿过滑轮；重力检测杆：与升降绳穿过滑轮的一端连接，所述重力检测杆沿海水深度方向插入海水中；泥沙传感器：用于测量泥沙的浓度；超声波测距仪：设置于重力检测杆插入海水中的一端，用于测量冲刷坑的半径；控制器：所述控制器连接：升降机构：用于控制升降绳的升降；泥沙传感器和超声波测距仪：用于采泥沙密度数据和超声波测距时间，并结合泥沙密度修正超声波传播速度，结合超声波测距时间计算超声波测距数据。该方法可进行冲刷深度和宽度的计算。该系统和方法可提高风电结构冲刷监测的精度。

Description

海上风电结构局部冲刷监测装置及方法

技术领域

本发明涉及风电结构监测技术领域，具体涉及一种海上风电结构局部冲刷监测装置。

背景技术

海上风电场所处环境条件复杂，风机基础承受风、浪、流等环境载荷的影响。冲刷是海洋结构物常见的现象，在海洋动力作用下，桩基周围会出现冲刷坑，进而削弱桩基的承载力，降低基础自振频率，影响结构疲劳寿命，因此对桩基周围冲刷规模进行实时监测是十分有必要的。

根据监测装置与待测海床的相对位置关系，目前对水上建筑物的局部冲刷监测装置可大致分为埋入式、接触式和非接触式三类。

埋入式局部冲刷深度监测装置将传感器装置埋入建筑物周围的海床，根据水土的比热容不同，水中和土下的受力情况不同，不同冲刷深度磁感应的强弱等变化等原理测量冲刷深度。例如专利CN01134633.7公开，在土层中由上向下按固定间隔埋设多个发报器，发报器随着土层冲刷逐一发生移动向上漂浮，发报器内的震动感应器侦测到震动后发出不同编码的无线电信号，由信号接收机接收后读码得到实时冲刷深度。这类传感器虽然可以比较准确地感知海床高程的变化，但存在很多缺点，比如：将传感器埋入海床涉及的水下开挖、打桩等水下作业工程量较大；埋入海床的传感器锚固强度有限，在汛期容易被连根拔起，丧失监测能力；单套埋入式局部冲刷深度监测装置仅能对单点的冲刷深度进行测量，如需对建筑物周围进行大面积的冲刷深度监测或者冲刷宽度监测，则需安装多套装置，经济投入显著增大。

接触式局部冲刷深度监测装置通过建筑物上的支架固定冲刷深度测量装置，装置底部与海床表面接触。当海床的冲刷深度增大时，因为重力原因测量装置底部随之下滑，通过观察杆下滑长度、绳的长度变化、结连滑动变阻器的电阻变化等方法对冲刷深度进行实时监测。接触式冲刷深度监测装置整体测量精度较高，其缺点主要有：难以监测海床因淤积而抬升的过程；单套接触式局部冲刷深度测量装置仅能对单点的冲刷深度进行监测；接触式监测装置需要将测量仪器与海床接触，极容易带来局部扰动的同时不可避免地会造成测量误差。

非接触式冲刷深度监测装置在建筑物上架设支架，支架上安装冲刷深度测量装置，通过超声波测距仪等传感器测量局部冲刷深度。其优点是可以通过在支架上安装多个传感器并使用旋转支架测量多个测点的冲刷深度，提高监测效率，但仍然存在多个关键缺陷，比如：超声波在水中的传播速度受温度、泥沙浓度等因素影响，根据时间乘速度计算得到的冲刷深度自然存在一定的误差、由于支架为悬臂梁结构，长度越大，稳定性越差，容易因摆动而引起测量误差。

综上所述，现有技术中的局部冲刷监测装置通常单套设备仅能对单点的冲刷深度进行监测，不能监测周边的冲刷状况或冲刷半径等信息；其次，现有的接触式冲刷监测装置与部分填埋式冲刷监测装置虽然结构简单易操作，但是不能监测回淤现象，导致结果存在一定误差；最后，现有的非接触式局部冲刷深度监测装置未考虑声波传播速度随水流条件的变化，误差较大。上述缺陷影响了海上风电机组等水上建筑物局部冲刷的监测，由此制约了其健康监测与维护水平的提升。

发明内容

本发明的目的在于至少解决前述技术问题之一，实现有效地测量海上风电结构周围局部冲刷的深度、宽度以及回淤过程。

为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案：

一种海上风电结构局部冲刷监测装置，包括：

升降机构：设置于作业平台上，包括伺服电机、升降绳及滑轮，升降绳一端与伺服电机连接，另一端穿过滑轮，伺服电机包括编码器；

重力检测杆：与升降绳穿过滑轮的一端连接，所述重力检测杆沿海水深度方向插入海水中，升降端动作过程中，其朝向海底的一端可与海床接触；

泥沙传感器：设置于重力检测杆插入海水中的一端，用于测量泥沙的浓度；

超声波测距仪：设置于重力检测杆插入海水中的一端，所述超声波测距仪沿平行海床的方向设置，用于测量冲刷坑的半径；

控制器：所述控制器连接：

升降机构：用于控制升降绳的升降，采集编码器的数据，以计算重力检测杆的升降距离；

泥沙传感器和超声波测距仪：用于采泥沙密度数据和超声波测距时间，并结合泥沙密度修正超声波传播速度，结合超声波测距时间计算超声波测距数据。

本发明一些实施例中，进一步包括压电传感器：设置于重力检测杆插入海水中的一端；所述控制器采集压电传感器的数据，并根据压电传感器数据的变化，控制升降机构工作。

本发明一些实施例中，所述控制器进一步计算压电传感器测量值与海床深度比值，当压电传感器测量值与海床深度比值超过比值阈值时，向上调整升降绳

本发明一些实施例中，重力检测杆为空心杆，泥沙传感器与控制器的连接线、超声波测距仪与控制器的连接线均经空心杆穿过。

本发明一些实施例中，进一步包括温度传感器，安装在重力检测杆上，所述控制器与温度传感器连接，采集温度传感器的数据，根据温度传感器和泥沙传感器的检测数据修正超声波传播速度。

本发明一些实施例中，风电机构包括固定在海底的风机筒，所述监测装置进一步包括保护管，固定在风机筒的外壁；保护管靠近海底的一端与海床间隔设置，所述重力检测杆经保护管穿出。

本发明一些实施例中，进一步提供一种海上风电结构局部冲刷监测方法，包括以下步骤：

S1：深度监测

调整升降机构使重力检测杆与海床表面接触，获取海床初始深度；

调整升降绳，根据编码器数据计算重力检测杆的升降数据，计算更新海床深度；

S2：宽度监测

读取超声波测距仪数据；

读取泥沙密度及测距时间，结合泥沙密度调节超声波传播速度，计算超声波测距仪数据；

根据超声波测距仪数据，计算冲刷坑半径，判定冲刷坑大小。

本发明一些实施例中，进一步包括以下步骤：

深度监测过程中，计算超声波测距仪数据时，进一步结合泥沙密度和温度传感器的数据和泥沙密度调节超声波传播速度。

本发明一些实施例中，进一步包括以下步骤：

设定比值阈值；

计算海床深度过程中，所述控制器进一步计算压电传感器测量值与海床深度比值，当压电传感器测量值与海床深度比值超过比值阈值时，向上调整升降绳，并读取重力检测杆的高度监测数据。

本发明一些实施例中，所述方法进一步包括：

设定超声波测距阈值；

计算冲刷坑半径过程中，当超声波测距仪测量数据小于阈值时，向上调整重力检测杆，至超声波测距仪测量数据大于阈值，读取超声波测量仪数据，计算冲刷坑半径。

较现有技术相比，本发明的有益效果在于：

提供了一种测量海上风电结构局部冲刷的复合式监测装置，可以解决现有技术中接触式监测装置难以监测海床因淤积而抬升的过程的问题、单套冲刷监测装置仅能监测单点冲刷深度的问题、以及监测装置对局部海床造成干扰影响测量精度的问题，可以解决传统接触式冲刷监测装置不能监测冲刷坑回淤状况导致冲刷深度监测出现误差，提高风电结构冲刷监测的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为海上风电结构局部冲刷监测装置结构示意图；

图2为海上风电结构局部冲刷监测装置控制逻辑图；

图3为水深和压电传感器读数关系图；

图4为力检测杆埋入泥沙中时压电传感器作用示意图；

图5为超声波测距仪测量示意图；

图6为超声波测距仪测量示意图；

图7为深度监测方法流程图；

图8为冲刷坑宽度监测方法流程图；

以上个图中：

1-工作业平台；

2-海平面；

3-海床；

4-升降绳；

5-滑轮；

6-重力检测杆；

7-泥沙传感器；

8-超声波测距仪；

9-控制器；

10-温度传感器；

11-压电传感器；

12-固定钢架；

13-风机筒；

14-伺服电机。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

本发明提供一种海上风电结构局部冲刷监测装置，用于监测海底冲刷结构。例如，可用于海上风机系统。风机系统安装在海床3上，部分位于海平面以下，海床3的过渡冲刷可能会影响风机的正常工作。该系统可检测海上风机筒13安装位置的冲刷情况，辅助保证风机的维护和正常工作。

监测装置的结构参考图1，包括：

升降机构：设置于作业平台1上，作业平台1位于海平面2以上，包括伺服电机14、升降绳4及滑轮5，升降绳4一端与伺服电机14连接，另一端穿过滑5轮；伺服电机14包括编码器，升降绳4动作时，编码器的数值发生变化；

重力检测杆6：与升降绳4穿过滑轮5的一端连接，所述重力检测杆6沿海水深度方向插入海水中，插入到海床3以下，升降端动作过程中，其朝向海底的一端可与海床3接触；

泥沙传感器7：设置于重力检测杆6插入海水中的一端，用于检测泥沙的浓度；

超声波测距仪8：设置于重力检测杆6插入海水中的一端，所述超声波测距仪8沿平行海床的方向设置，用于测量冲刷坑的半径；

控制器9：所述控制器9设置在作业平台1上，其连接：

升降机构：用于控制升降绳4的升降，采集编码器的数据，以计算重力检测杆6的升降距离；

泥沙传感器7和超声波测距仪8：用于采泥沙密度数据和超声波测距时间，并结合泥沙密度修正超声波传播速度，结合超声波测距时间计算超声波测距数据。

升降机构工作时，可控制重力检测杆6的上升和下降，当重力检测杆6下降至与海床3接触时，此时的深度可以反馈海床3的深度。海床3深度的变化可以体现风机结构冲刷情况。重力检测杆6的升降数据可结合编码器的数据而计算获得，伺服电机14中有伺服电机编码器，用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速，根据伺服电机转角与滚轮直径换算可以得到重力检测杆的位移量，从而得到冲刷深度。

具体的说，光电式旋转编码器按其编码分类，有输出格雷码的绝对式旋转编码器和输出多列脉冲信号的增量式旋转编码器。考虑到绝对编码器无需断电记忆，无需一直计数也能随时读取位置具有较强的抗干扰性；而增量式编码器在掉电后测量装置有位移的情况下，电机重新启动后无法找到基准位置，因此本发明采用多圈绝对式光电旋转编码器。采用绝对式旋转编码器后，电机正转，编码器计数增加；电机反转，编码器计数减小，只要开机上电，就可以从并行输出的编码中确认其角度的绝对位移，从而得到测量装置的绝对位移。

在将编码器旋转圈数转化为测量装置精确定位进行监测的过程中，绝对式编码器的输出为格雷码，通过格雷码译码器转换为二进制编码，编码器的角位置由二进制数唯一确定。假设机械放大倍数为a,测量装置的位移为x，编码器中两个相邻的透光孔中心相距的弧长是l,那么转过多少个透光孔，即二进制变化的变化量y＝x*n/l，反之根据二进制编码变化、编码器透光孔弧长和机械放大倍数即可得到测量装置的位移。

超声波测距仪8的测量方向为与重力检测杆6相垂直的方向，可以测量冲刷坑的径向宽度，这一点与现有技术中超声波测距仪8的安装方式和作用是不同的。具体的说，超声波测距仪8发射高频信号，信号遇到冲刷坑时经反射后由超声波测距仪8接收，得到超声波测距仪8发出和接收信号之间的时间差。该时间差反应了超声波的传播时间，根据该时间，结合超声波的传播速度，可以计算超声波的传播距离，该距离反映了冲刷坑的宽度。由于泥沙的密度影响超声波的传播速度，本发明将根据泥沙密度数据修正超声波传播速度，采用修正后的速度结合超声波测距时间计算超声波测距数据。

更进一步的，由于温度也将影响超声波的传播速度，在本发明一些实施例中，进一步包括温度传感器10，安装在重力检测杆6上，所述控制器与温度传感器10连接，采集温度传感器的数据，并结合温度传感数据、泥沙密度数据，修正超声波传播速度，采用修正后的速度计算超声波的传播距离。

在具体的监测过程中，在控制器9的控制下，升降机构按某固定步长逐渐上拉重力检测杆6，每到达一个位置，利用超声波测距仪8获取一个半径数据，直到重力检测杆6的底部高于整个冲刷坑。由此，可以对冲刷坑在各深度的冲刷半径进行测量，传输线缆将所述距离值传输给所述控制器9，最后控制器9对冲刷坑的分布情况进行数据模拟，以达到监测海上风机冲刷坑的深度及冲刷坑分布状况的目的。

更进一步的，本发明一些实施例中，进一步包括压电传感器11，设置于重力检测杆6插入海水中一侧的最底端；控制器9采集压电传感器11的数据，并根据压电传感器11数据的变化，控制升降机构工作。压电传感器11的测量数据反应的为重力检测杆6插入海床3过程中受到的阻力，根据其信号可判断风机周围的海床以及淤泥坑是否存在回淤现象。具体的说，压电传感器11用来将所感测到的压力变化转换为相对应的电子信号，并通过传输线传输至控制器9。因为桩侧在土中与水中所受压力不同，所以根据压电传感器11的变化可知重力检测杆6目前所在位置是否存在回淤现象，如果存在回淤现象，则需要控制重力检测杆6上移。同理，如果重力检测杆6对周围海床造成了局部扰动，杆较深的插入海床中，根据压电传感器11的变化同样可以控制重力检测杆6上移，读出正确的冲刷深度。

本发明一些实施例中，控制器9进一步计算压电传感器11测量值与海床深度比值，当压电传感器11测量值与海床深度比值超过比值阈值时，向上调整升降绳4。

更进一步的，本发明一些实施例中，重力检测杆6为空心杆，为中空的不锈钢杆体，泥沙传感器7与控制器9的连接线、超声波测距仪8与控制器9的连接线、温度传感器10与控制器9的连接线均经空心杆穿过。

更进一步的，为了对监测装置进行防护，本发明一些实施例中，监测装置进一步包括保护管15，固定在风机筒13的外壁；保护管15通过固定钢架12固定了风机筒13的外表面。保护管15靠近海床3的一端与海床3间隔设置，即不与海床3接触，重力检测杆6经保护15管穿出。

该监测装置，压电传感器11、温度传感器10、超声波测距仪8等构成数据采集系统，控制器9连接风机内部的数据采集与监控系统，系统以每天一次的频率定时进行测量采集，计算风机冲刷状态数据，将计算结果存储在控制器磁盘中，并通过网线将所测冲刷深度与宽度数据接入风机内部的数据采集与监控系统(SCADA)。

本发明一些实施例中，进一步提供一种海上风电结构局部冲刷监测方法。该方法包括海床深度测量方法及冲刷坑宽度测量方法。该方法包括以下步骤：

(1)深度测量

调整升降机构使重力检测杆6与海床表面接触，获取海床初始深度；

调整升降绳4，根据编码器数据计算重力检测杆6的升降数据，计算更新海床深度。

具体的说，首先提升测量装置，直至重力检测杆6其末端与海床3面平齐，该深度为海床3初始深度，将当前表示绝对位置的二进制编码数写入相对零点寄存器，并写入到一行非易失性EEPROM中，使其即使掉电也不会丢失。每次开机之后，首先将EEPROM中的数据读到相对零点寄存器中，随时调整重力检测杆6的位置，使其末端与海床3面齐平；将每次光电编码器的二进制读数与相对零点寄存器的值进行相减，根据得到的差计算实际冲刷深度。该方法监测效率高。

更进一步的，压电传感器11可用于辅助深度的检测，用于辅助判断是否存在冲刷坑回淤的问题。如下图3所示，a点之前为随着水深增加的压力值的变化，a点之后突变，为进入泥沙层后随着深度增加的压力值的变化。

在正常情况下，水对测量装置造成的压力与水深是成一定比例的，如果重力检测杆6上压电传感器11的读数与该处水深的比值超出正常范围，则说明冲刷坑中存在泥土回淤或者由于重力检测杆6的局部扰动导致杆插入泥沙中。这种压力变化转化为电信号，由传输线传输到控制器9，控制器9控制伺服电机14向上牵引重力检测杆6。直至重力检测杆6的位置高于回淤泥土的高度，压电传感器11仅受到水压力，此时压力值与水深比值恢复正常，再根据伺服电机编码器读取得到冲刷深度数据更为准确可靠。

为解决有效解决以上问题，本发明一些实施例中，进一步包括以下步骤：

设定比值阈值；

计算海床深度过程中，控制器9进一步计算压电传感器11测量值与海床深度比值，当压电传感器11测量值与海床深度比值超过比值阈值时，向上调整升降绳4。

若存在深度变浅，则证明因为冲刷坑回淤或者监测装置造成的局部扰动导致重力检测杆插入到泥沙中。当重力检测杆6的一侧会埋入泥沙中，周围泥沙的压力使压电传感器11的输出发生变化，该变化转化为电信号通过传输线缆传输至控制装置，控制装置驱动牵引装置上拉重力检测杆，直至压电传感器11的数值恢复正常范围，读出此时的冲刷深度。

(2)宽度测量

读取超声波测距仪8数据；

读取泥沙密度，结合超声波传播速度、测距时间，计算超声波测距仪数据；

根据超声波测距仪数据，计算冲刷坑半径，判定冲刷坑大小。

更进一步的，在一些实施例中，计算超声波测距仪8数据时，进一步结合温度传感器10监测的海水温度数据和泥沙密度调节超声波传播速度。

具体的，本发明中，超声测距仪8为横向设置，由超声波测距仪8发射高频信号，信号经反射后由超声波测距仪8接收，得到超声波测距仪发出和接收信号之间的时间差。该时间差为超声信号发出至遇到障碍物反射回的时间，障碍物即为冲刷坑的侧壁。

本发明进一步考虑的海底环境中对超声波传播速度的影响因素，例如，若泥沙密度过大将会降低超声波的传播速度。本发明考虑了泥沙密度和海水温度修正因子，用于修正超声波的传播速度。采用修正后的超声波传播速度与超声波的传播时长相乘，计算得距离，该距离可反应冲刷坑的尺寸，距离越大，冲刷坑尺寸越大，反之，越小。

本发明一些实施例中，考虑到冲刷对环境造成局部扰动，形成小的凹坑，此时测得半径是小凹坑的半径，不是冲刷半径，此时不能准确的监测冲刷坑的半径，因此，在计算冲刷坑半径的过程中，方法进一步包括：

设定超声波测距阈值，该阈值为一个相对较小的值；

计算冲刷坑半径过程中，当超声波测距仪测量数据小于阈值时，说明重力检测杆6造成了小范围局部扰动，向上调整重力检测杆6，至超声波测距仪8测量数据大阈值，读取超声波测量仪8数据，计算冲刷坑半径。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电结构局部冲刷监测装置，其特征在于，包括：

升降机构：设置于作业平台上，包括伺服电机、升降绳及滑轮，升降绳一端与伺服电机连接，另一端穿过滑轮，所述伺服电机包括编码器；

重力检测杆：与升降绳穿过滑轮的一端连接，所述重力检测杆沿海水深度方向插入海水中，升降端动作过程中，其朝向海底的一端可与海床接触；

泥沙传感器：设置于重力检测杆插入海水中的一端，用于测量泥沙的浓度；

超声波测距仪：设置于重力检测杆插入海水中的一端，所述超声波测距仪沿平行海床的方向设置，用于测量冲刷坑的半径；

控制器：所述控制器连接：

升降机构：用于控制升降绳的升降，采集编码器的数据，以计算重力检测杆的升降距离；

泥沙传感器和超声波测距仪：用于采泥沙密度数据和超声波测距时间，并结合泥沙密度修正超声波传播速度，结合超声波测距时间计算超声波测距数据。

2.如权利要求1所述的海上风电结构局部冲刷监测装置，其特征在于，进一步包括压电传感器：设置于重力检测杆插入海水中的一端；所述控制器采集压电传感器的数据，并根据压电传感器数据的变化，控制升降机构工作。

3.如权利要求2所述的海上风电结构局部冲刷监测装置，其特征在于，所述控制器进一步计算压电传感器测量值与海床深度比值，当压电传感器测量值与海床深度比值超过比值阈值时，向上调整升降绳。

4.如权利要求1所述的海上风电结构局部冲刷监测装置，其特征在于，所述重力检测杆为空心杆，泥沙传感器与控制器的连接线、超声波测距仪与控制器的连接线均经空心杆穿过。

5.如权利要求1所述的海上风电结构局部冲刷监测装置，其特征在于，进一步包括温度传感器，安装在重力检测杆上，所述控制器与温度传感器连接，采集温度传感器的数据，根据温度传感器和泥沙传感器的检测数据修正超声波传播速度。

6.如权利要求1所述的海上风电结构局部冲刷监测装置，其特征在于，所述风电机构包括固定在海底的风机筒，所述监测装置进一步包括保护管，固定在风机筒的外壁；所述保护管靠近海底的一端与海床间隔设置，所述重力检测杆经保护管穿出。

7.一种海上风电结构局部冲刷监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：深度监测

调整升降机构使重力检测杆与海床表面接触，获取海床初始深度；

调整升降绳，根据编码器数据计算重力检测杆的升降数据，计算更新海床深度；

S2：宽度监测

读取超声波测距仪数据；

读取泥沙密度及测距时间，结合泥沙密度调节超声波传播速度，计算超声波测距仪数据；

根据超声波测距仪数据，计算冲刷坑半径，判定冲刷坑大小。

8.如权利要求7所述的海上风电结构局部冲刷监测方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

深度监测过程中，计算超声波测距仪数据时，进一步结合泥沙密度和温度传感器的数据和泥沙密度调节超声波传播速度。

9.如权利要求7或8所述的海上风电结构局部冲刷监测方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

设定比值阈值；

计算海床深度过程中，所述控制器进一步计算压电传感器测量值与海床深度比值，当压电传感器测量值与海床深度比值超过比值阈值时，向上调整升降绳，并读取重力检测杆的高度监测数据。

10.如权利要求7所述的海上风电结构局部冲刷监测方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

设定距离阈值；

计算冲刷坑半径过程中，当超声波测距仪测量数据小于所设置的距离阈值时，向上调整重力检测杆，至超声波测距仪测量数据大于阈值，读取超声波测量仪数据，计算冲刷坑半径。

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