CN114940250A - 一种深海自动压力平衡控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深海自动压力平衡控制系统及方法。系统包括增压机构、泄压机构、控制器；增压机构至少包括用于快速增压的储气罐，储气罐的排气端处设有增压口；泄压机构至少包括用于快速泄压的泄压口和用于控制泄压口开闭的泄压阀；控制器与储气罐连接，控制器与泄压阀的控制端连接；储气罐、泄压阀、泄压口依次连接，控制器与设备舱的数据采集端连接；数据采集端至少采集设备舱所处位置的水压值、设备舱内容纳气体的第一气压值。本发明通过增加储气罐、增压泵对储气罐内动态补充气体，使得在平衡舱需要快速调节内部气压压强时储气罐立即响应，当压力出现波动变化时确保探测舱体内外压力平衡，确保舱体支撑架构不被破坏。
Description
技术领域
本发明属于深海探测设备技术领域，尤其是涉及一种深海自动压力平衡控制系统及方法。
背景技术
在于深海探测时，探测舱如声呐仓、换能器会配备深海自动压力平衡装置以及系统，以应对对抗深海水压对处于其中的探测舱压力，为了保证深海探测设备在投放过程中深度由浅到深，外部压力由小增大，及探测设备回收时水压逐渐变小，或在收放过程及探测过程中洋流导致探测设备的沉浮产生的压力变化。当压力出现波动变化时确保探测舱体内外压力平衡，确保舱体支撑架构不被破坏。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种深海自动压力平衡控制系统，能够快速进行内外压力平衡调整，使得探测舱内外压力平衡，使探测舱体轻量化，消减探测舱体壁厚，增加声纳传播的有效性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种深海自动压力平衡控制系统，包括增压机构、泄压机构、控制器；
所述增压机构至少包括用于快速增压的储气罐，所述储气罐的排气端处设有增压口；
所述泄压机构至少包括用于快速泄压的泄压口和用于控制所述泄压口开闭的泄压阀；
所述控制器与所述储气罐连接，所述控制器与所述泄压阀的控制端连接；
所述储气罐、所述泄压阀、所述泄压口依次连接，所述控制器与所述探测舱的数据采集端连接；
所述数据采集端至少采集所述探测舱所处位置的水压值、所述探测舱内容纳气体的第一气压值。
作为本技术方案的优选，所述探测舱上设有水压传感器、气压传感器；
所述水压传感器用于采集所述水压值；
所述气压传感器用于采集所述第一气压值；
所述水压传感器与所述数据采集端连接，所述气压传感器与所述数据采集端连接。
作为本技术方案的优选，所述增压口处设有用于控制所述增压口开闭的增压阀。
作为本技术方案的优选，所述增压机构还包括用于给所述储气罐补充气体的增压泵，所述增压泵与所述储气罐连接，所述增压泵的平衡口处设有充气阀；
所述增压口与平衡口连通，所述泄压口也与所述平衡口连通，所述平衡口与探测舱连接。
作为本技术方案的优选，所述探测舱上还设有加速度传感器，所述水压传感器至少包括第一水压传感器、第二水压传感器；
所述加速度传感器用于采集所述探测舱所处位置的深度；所述第一水压传感器设于所述探测舱顶部，用于采集所述探测舱的顶部水压值；
所述第二水压传感器设于所述探测舱底部，用于采集所述探测舱的底部水压值；
所述加速度传感器与所述数据采集端连接，所述第一水压传感器与所述数据采集端连接，所述第二水压传感器与所述数据采集端连接。
作为本技术方案的优选，所述储气罐上设有第二气压传感器、压力表、安全阀；
所述第二气压传感器用于采集所述储气罐内容纳气体的第二气压值；
所述安全阀用于控制所述储气罐与所述增压泵之间通路的开闭；
所述压力表用于采集所述安全阀处空气的流经气压值。
一种深海自动压力平衡控制方法，至少包括以下步骤：
数据采集步骤，采集所述储气罐和所述探测舱内的实时数据；
平衡判断步骤，根据所述实时数据判断所述探测舱是否处于内外水压平衡状态，若判断结果为否，则进行平衡计算步骤；
所述平衡计算步骤，依据所述实时数据计算所述探测舱达到平衡状态的补差值；
平衡控制步骤，依据所述补差值得到平衡控制方案并下发执行所述控制方案；
其中，所述实时数据至少包括所述探测舱所处位置的水压值、所述探测舱内容纳气体的第一气压值。
作为本技术方案的优选，所述平衡判断步骤具体包括依据所述第一气压值和所述环境水压值，判断所述探测舱是否处于内外水压平衡状态，若判断结果为否，则执行所述平衡计算步骤。
作为本技术方案的优选，所述补差值包括需要向所述探测舱添加气体的气体填补量、所述探测舱需要泄压的泄压气体量；
当判断所述第一气压值小于所述环境水压值，计算所述气体填补量，并控制开启所述平衡阀、关闭所述充气阀和所述泄压阀，向所述探测舱内输气增压；
当判断所述第一气压值大于所述环境水压值，计算所述泄压气体量，并控制开启所述泄压阀、关闭所述充气阀和所述平衡阀，从所述探测舱内向外泄压。
作为本技术方案的优选，还包括以下步骤：
所述实时数据还包括所述储气罐内的第二气压值；
预补计算步骤，依据所述第二气压值计算所述储气罐达到满气状态的预补气体量；
预补控制步骤，依据所述预补气体量到预补控制方案并下发执行所述预补控制方案。
通过实施上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、系统通过结构设计增加储气罐，通过增压泵对储气罐内动态补充气体，使得在探测舱需要快速调节内部气压压强时储气罐立即响应，保证平衡任务的立即执行，保证水下安全作业。
2、通过在储气罐处设置第二气压传感器、压力表、安全阀，实时监测储气罐中的气体使用情况，当储气罐中的气体缺乏时及时通过增压泵向储气罐中补气。
3、通过压力表和安全阀实时监测增压泵向储气罐的补气情况，确保储气罐中的补气工作精准到位。
4、在探测舱的上下两端设置第一水压传感器、第二水压传感器、加速度传感器，通过顶部水压值、底部水压值与加速度的速度以及加速度方向计算预增压气体量，如此当探测舱处于深海中遭遇洋流时预估探测舱的位置，以便进行预增压工作，进行平稳预增压，提高平衡控制能力。
附图说明
图1为本申请一种深海自动压力平衡控制系统的框图。
图2为本申请一种深海自动压力平衡控制系统的拓扑图。
图3为本申请一种深海自动压力平衡控制系统的流程图。
图4为本申请一种深海自动压力平衡控制系统中探测舱中水压传感器和加速度传感器的安装示意图。
图5为本申请一种深海自动压力平衡控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例和实验数据对本发明做进一步的说明。应理解，本发明的实施例只用于说明本发明而非限制本发明，在不脱离本发明技术思向的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1
现有的自动压力平衡系统一般在探测舱内部气压小于外接环境的水压时通过增压泵对探测舱打入气体进行内外部的对抗，在探测舱内部气压大于外接环境的水压时通过从探测舱泄压维持外部水压和内部气压的对抗。但是由于探测舱处于深海中受到巨大的水压压力时，增压泵工作对探测舱进行增压不一定来得及，从而造成探测舱外部水压过大，内外压力不平和衡，舱体支撑架构被破坏，影响探测舱内设备的正常运行。
如图1所示，包括增压机构、泄压机构、控制器8，其中增压机构和泄压机构通过气体管路1进行联通。
所述增压机构至少包括用于快速增压的储气罐4，所述储气罐4的排气端处设有增压口102；
所述泄压机构至少包括用于快速泄压的泄压口101和用于控制所述泄压口101开闭的泄压阀7；
所述控制器8与所述储气罐4连接，所述控制器8与所述泄压阀7的控制端701连接；
所述储气罐4、所述泄压阀7、所述泄压口101依次连接，所述控制器8与所述探测舱3的数据采集端300连接；
所述数据采集端300至少采集所述探测舱3所处位置的水压值、所述探测舱3内容纳气体的第一气压值。
所述探测舱3上设有水压传感器301、气压传感器302；
所述水压传感器301用于采集所述水压值；
所述气压传感器302用于采集所述第一气压值；
所述水压传感器301与所述数据采集端300连接，所述气压传感器302与所述数据采集端300连接。
本发明设计一种深海自动压力平衡控制系统，通过结构设计增加储气罐4，通过增压泵2对储气罐4内动态补充气体，使得在探测舱3需要快速调节内部气压压强时储气罐4立即响应，使得舱体壁厚减薄的同时，保证舱体在水下要承受外部的压力而不被损坏。
正常平衡状态下，充气阀5开启、平衡阀6关闭、泄压阀7关闭。
所述探测舱3上设有水压传感器301和气压传感器302。通过水压传感器301实时采集所述探测舱3所处环境的水压值；通过水压传感器301实时采集所述探测舱3内部的第一气压值。通过对比水压值和第一气压值，分析探测舱3是否处于内外压力平衡状态，当水压值大于第一气压值时，控制泄压阀7和充气阀5关闭、开启平衡阀6，储气罐4中的气体在压强作用下向探测舱3流动，增强探测舱3中的内部的第一气压值，使得第一气压值等于环境中的水压值，控制关闭探测舱3。此时，探测舱3内外部受到的压力处于平衡状态，使得探测舱3不受外部强大的水压压力而损伤。
在气体补充流动方向上前后依次连接增压泵2、探测舱3，所述气体管路1在与所述增压泵2连接处之后设有充气阀5，所述气体管路1的泄气端101设有泄压阀7，其特征在于，所述增压泵2和所述探测舱3之间设置有储气罐4，所述储气罐4与所述气体管路1连接处设有平衡阀6，所述探测舱3上设有水压传感器301和第一气压传感器302。
增压口102处设有用于控制所述增压口102开闭的增压阀6。所述增压机构还包括用于给所述储气罐4补充气体的增压泵2，所述增压泵2与所述储气罐4连接，所述增压泵2的平衡口103处设有充气阀5；
所述增压口102与平衡口103连通，所述泄压口101也与所述平衡口103连通，所述平衡口103通过管道与探测舱3连接。
所述储气罐4上设有第二气压传感器401、压力表402、安全阀403；
所述第二气压传感器401用于采集所述储气罐4内容纳气体的第二气压值；
所述安全阀403用于控制所述储气罐4与所述增压泵2之间通路的开闭；
所述压力表402用于采集所述安全阀403处空气的流经气压值。
储气罐4上设有第二气压传感器401、压力表402、安全阀403。在所述储气罐4向探测舱3充气后罐内气体流失，通过实施采集储气气压传感器401的数据、压力表402的数据，控制开启充气阀5，启动增压泵2向储气罐4补气，以便下次需要压力平衡时，储气罐4内有足够的气体输入探测舱3，使得探测舱3受到的内外压力平衡。
实施例2
基于实施例1，与实施例1不同之处在于：
所述探测舱3上还设有加速度传感器303，所述水压传感器301至少包括第一水压传感器301a、第二水压传感器301b；
所述加速度传感器303用于采集所述探测舱3所处位置的深度；所述第一水压传感器301a设于所述探测舱3顶部，用于采集所述探测舱3的顶部水压值；
所述第二水压传感器301b设于所述探测舱3底部，用于采集所述探测舱3的底部水压值。
当处于深海中较深的位置时，可能会遭遇洋流，洋流会造成探测舱大范围的位移，大范围的位移改变使得周围水压发生巨大变化，需要平衡巨大的水压压力改变量，此时增压泵工作对探测舱进行增压不一定来得及，从而造成探测舱和外界的平衡关系打破，造成放置在探测舱中的设备属于极端环境压力中，强大的水压会施与探测舱3舱体强大的压力，如果探测舱3受到损伤，势必会对放置在探测舱3中的设备造成损伤。
由于第一气压值为探测舱3内部的平均气压值，而探测舱3底部环境的底部水压值对应的气压值肯定大于所述第一气压值，故增加探测舱3顶部环境的顶部水压值，依据底部水压值、顶部水压值与第一气压值，计算探测舱3所受内外压力。
同时，由于深海洋流的存在，增加加速度数据来进一步优化控制。
所述加速度传感器303与所述数据采集端300连接，所述第一水压传感器301a与所述数据采集端300连接，所述第二水压传感器301b与所述数据采集端300连接。
所述平衡水压传感器301设于所述探测舱3底部，所述探测舱3上还设有加速度传感器303。设于探测舱3顶部的第一水压传感器301a实时监测顶部水压值。设于探测舱3底部的所述第二水压传感器301b实时监测底部水压值，由于第一气压值为探测舱3内部的平均气压值，而底部环境水压值对应的气压值的深度要低于平均气压值所处的深度，即探测舱3还需继续下降后才能到达与底部环境水压值测量点的位置。通过顶部水压值和底部水压值结合加速度数据，可以算出，通过加速度值和加速度方向计算预计到达平衡状态位置时的预计时间，并在计算在预计时间内平衡气压需要补充的气体，控制平衡阀6的开闭量，平缓的进行压力平衡。
实施例2
如图5所示，实施例2为基于实施例1之上的方法，一种深海自动压力平衡控制方法，至少包括以下步骤：
至少包括以下步骤：
数据采集步骤，采集所述储气罐4和所述探测舱3内的实时数据；其中，所述实时数据包括所述探测舱3内的第一气压值、所述探测舱3所处水体环境中的环境水压值。
平衡判断步骤，根据所述实时数据判断所述探测舱3是否处于内外水压平衡状态，若判断结果为否，则进行平衡计算步骤；其中当所述水压传感器301装置的位置位为所述探测舱3中心点处，则当实时水压传感器301测到的所述水压值等于所述第一气压值时认为探测舱3处于内外压力平衡状态。所述平衡计算步骤，依据所述实时数据计算所述探测舱3达到平衡状态的补差值；依据第一气压值和所述水压值，判断所述探测舱3是否处于内外压力平衡状态，若判断结果为否，则计算所述探测舱3达到平衡状态的补差数据。其中，补差数据包括需要向所述探测舱3添加气体的气体填补量、所述探测舱3需要泄压的泄压气体量。当判断所述第一气压值大于所述水压值，计算所述泄压气体量，并控制开启所述泄压阀7、关闭所述充气阀5和所述平衡阀6，从所述探测舱3内向外泄压。
平衡控制步骤，依据所述补差值得到平衡控制方案并下发执行所述控制方案；
其中，所述实时数据至少包括所述探测舱3所处位置的水压值、所述探测舱3内容纳气体的第一气压值。
进一步的，还包括以下步骤：
所述实时数据还包括所述储气罐4内所述第二气压传感器401检测的储气气压值。
预补计算步骤，依据所述实时数据计算所述储气罐4达到满气状态的预补数据。
预补控制步骤，依据所述预补数据得到预补控制方案并下发执行所述预补控制方案。
当所述储气气压值小于预设储气气压值时，开启所述充气阀5，启动所述增压泵2对所述储气罐4充气。当实时的所述储气气压值等于预设储气气压值时或所述压力表402检测的实时压力值等于预设压力值时，停止所述增压泵2工作同时关闭充气阀5。其中预设压力值为所述储气罐4中存够足够气体后检测到的压力值。
所述平衡计算步骤还包括平衡优化步骤：
所述探测舱3上还设有加速度传感器303，所述水压传感器301至少包括第一水压传感器301a、第二水压传感器301b；
所述加速度传感器303用于采集所述探测舱3所处位置的深度；所述第一水压传感器301a设于所述探测舱3顶部，用于采集所述探测舱3的顶部水压值；
所述第二水压传感器301b设于所述探测舱3底部，用于采集所述探测舱3的底部水压值；
所述加速度传感器303与所述数据采集端300连接，所述第一水压传感器301a与所述数据采集端300连接，所述第二水压传感器301b与所述数据采集端300连接。
所述实时数据还包括所述底部水压值、所述顶部水压值、所述探测舱3受洋流影响发生的加速度数据。所述加速度数据包括加速度的加速度量和加速度的方向数据。
所述平衡优化步骤，依据所述底部水压值、所述加速度数据、所述第一气压值得到预判气体填补量，根据所述气体填补量控制调节所述平衡阀6的气体通过量。
平衡控制步骤，依据所述补差数据得到平衡控制方案并下发执行所述控制方案。
Claims (10)
1.一种深海自动压力平衡控制系统，其特征在于，包括增压机构、泄压机构、控制器(8)；
所述增压机构至少包括用于快速增压的储气罐(4)，所述储气罐(4)的排气端处设有增压口(102)；
所述泄压机构至少包括用于快速泄压的泄压口(101)和用于控制所述泄压口(101)开闭的泄压阀(7)；
所述控制器(8)与所述储气罐(4)连接，所述控制器(8)与所述泄压阀(7)的控制端(701)连接；
所述储气罐(4)、所述泄压阀(7)、所述泄压口(101)依次连接，所述控制器(8)与所述探测舱(3)的数据采集端(300)连接；
所述数据采集端(300)至少采集所述探测舱(3)所处位置的水压值、所述探测舱(3)内容纳气体的第一气压值。
2.根据权利要求1所述的一种深海自动压力平衡控制方法，其特征在于，所述探测舱(3)上设有水压传感器(301)、气压传感器(302)；
所述水压传感器(301)用于采集所述水压值；
所述气压传感器(302)用于采集所述第一气压值；
所述水压传感器(301)与所述数据采集端(300)连接，所述气压传感器(302)与所述数据采集端(300)连接。
3.根据权利要求1所述的一种深海自动压力平衡控制方法，其特征在于，所述增压口(102)处设有用于控制所述增压口(102)开闭的增压阀(6)。
4.根据权利要求3所述的一种深海自动压力平衡控制系统，其特征在于，所述增压机构还包括用于给所述储气罐(4)补充气体的增压泵(2)，所述增压泵(2)与所述储气罐(4)连接，所述增压泵(2)的平衡口(103)处设有充气阀(5)；
所述增压口(102)与平衡口(103)连通，所述泄压口(101)也与所述平衡口(103)连通，所述平衡口(103)与探测舱(3)连接。
5.根据权利要求1所述的一种深海自动压力平衡控制系统，其特征在于，所述探测舱(3)上还设有加速度传感器(303)，所述水压传感器(301)至少包括第一水压传感器(301a)、第二水压传感器(301b)；
所述加速度传感器(303)用于采集所述探测舱(3)所处位置的深度；所述第一水压传感器(301a)设于所述探测舱(3)顶部，用于采集所述探测舱(3)的顶部水压值；
所述第二水压传感器(301b)设于所述探测舱(3)底部，用于采集所述探测舱(3)的底部水压值；
所述加速度传感器(303)与所述数据采集端(300)连接，所述第一水压传感器(301a)与所述数据采集端(300)连接，所述第二水压传感器(301b)与所述数据采集端(300)连接。
6.根据权利要求4所述的一种深海自动压力平衡控制系统，其特征在于，所述储气罐(4)上设有第二气压传感器(401)、压力表(402)、安全阀(403)；
所述第二气压传感器(401)用于采集所述储气罐(4)内容纳气体的第二气压值；
所述安全阀(403)用于控制所述储气罐(4)与所述增压泵(2)之间通路的开闭；
所述压力表(402)用于采集所述安全阀(403)处空气的流经气压值。
7.一种深海自动压力平衡控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
数据采集步骤，采集所述储气罐(4)和所述平衡舱(3)内的实时数据；
平衡判断步骤，根据所述实时数据判断所述平衡舱(3)是否处于内外水压平衡状态，若判断结果为否，则进行平衡计算步骤；
所述平衡计算步骤，依据所述实时数据计算所述平衡舱(3)达到平衡状态的补差值；
平衡控制步骤，依据所述补差值得到平衡控制方案并下发执行所述控制方案；其中，所述实时数据至少包括所述探测舱(3)所处位置的水压值、所述探测舱(3)内容纳气体的第一气压值。
8.根据权利要求7所述的一种深海自动压力平衡控制方法，其特征在于，所述平衡判断步骤具体包括依据所述第一气压值和所述环境水压值，判断所述平衡舱(3)是否处于内外水压平衡状态，若判断结果为否，则执行所述平衡计算步骤。
9.根据权利要求8所述的一种深海自动压力平衡控制方法，其特征在于，所述补差值包括需要向所述平衡舱(3)添加气体的气体填补量、所述平衡舱(3)需要泄压的泄压气体量；
当判断所述内部气压值小于所述环境水压值，计算所述气体填补量，并控制开启所述平衡阀(6)、关闭所述充气阀(5)和所述泄压阀(7)，向所述平衡舱(3)内输气增压；
当判断所述内部气压值大于所述环境水压值，计算所述泄压气体量，并控制开启所述泄压阀(7)、关闭所述充气阀(5)和所述平衡阀(6)，从所述平衡舱(3)内向外泄压。
10.根据权利要求5所述的一种深海自动压力平衡控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
所述实时数据还包括所述储气罐(4)内的第二气压值；
预补计算步骤，依据所述第二气压值计算所述储气罐(4)达到满气状态的预补气体量；
预补控制步骤，依据所述预补气体量到预补控制方案并下发执行所述预补控制方案。
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