CN207601336U - 水下磁场监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水下磁场监测系统，包含：密封外壳，固定安装在水下工程装备上，且该密封外壳内设置有与外部海水连通的压力补偿单元；水下磁场监测装置，设置在密封壳体中，实时采集水下工程装备周围一定区域内的磁场信息，并转换为电信号输出；水上数据处理装置，接收并处理水下磁场监测装置输出的电信号，为相应的观测站或水下工程装备的控制系统提供磁场信息。本实用新型借助水下工程设备固定安装于海底，实现在固定点对一定范围内的海洋磁场的实时稳定监测，且采集到的磁场数据更精确和实时有效。

Description

水下磁场监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种磁场监测系统，具体是指安装在水下工程装备上的磁场监测系统，属于水下探测的技术领域。

背景技术

海洋磁场探测是人类认识和开发海洋的重要手段，通过海洋磁场探测，人类可以发现深藏在海洋区域的地下矿产源、海洋地质构造及地磁场的分布特征。另外，海洋磁场探测在保证航海安全、海洋工程建设以及海军军事作战等方面有着重要意义。最早的磁场探测器已有2000多年的历史，通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航。随着现代科技的进步，磁场感应器的应用越来越广泛，磁场传感技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及和电子设备兼容的方向发展。

现有技术中，海洋（水下）磁场探测仪器按照其发展历史以及应用物理原理，基本分为以下几种：第一代海洋磁力仪，如机械式海洋磁力仪、感应式航空磁力仪等。第二代海洋磁力仪，如磁通门磁力仪（饱和式磁力仪）、质子磁力仪和光泵磁力仪等。20世纪50年代中期出现的光泵磁力仪开始应用于物理工作，是一种高精度、高灵敏度的磁力仪；光泵磁力仪是以某些元素的原子在外磁场中产生的能级分裂现象（塞曼效应）为基础，通过光泵核磁共振技术（利用光作用使原子磁矩达到定向排列的过程）研制而成的，具有灵敏度高、响应频率高，可在快速变化中进行测量的特点。

我国从1964年开始研制第一台光泵磁力仪样机，到2003年已研制成功HC-2000K型航空氦光泵磁力仪，其主要技术性能指标已经达到了国际先进水平。2013年，我国科学院地址与物理研究所自主研发的海底磁场仪在台湾海峡海域进行了海试，投放2台海底磁场仪，并成功回收。2015年6月初，中国海洋大学自主研发的两台海底电磁采集站，搭载“海大号”海洋地质地球物理调查船至南海海域进行深海海试，成功采集和回收数据。

目前，通常用来评价海洋（水下）磁场探测仪器的技术性能指标主要包括：测量范围、灵敏度、分辨率、精度、采样率和工作稳定性等等。以海洋大学研发的海底电磁采集站为例，由电磁数据记录仪、电场传感器、磁场传感器、信标、释放器、方位与CTD记录仪、浮球、锚系和框架等组成。而存在的问题也较为突出，如发射系统需要供电，电流达到1000安培，所以承载水下电流发射器舱体的散热、抗压都是难题。且海试时受海上天气影响，风浪太大，常常不满足海试条件。除此之外，海洋（水下）磁场探测仪器的回收也是一大难点，要是遇到台风等恶劣天气，很多设备就有可能被损坏或丢失；并且由于设备在停留海底观测时因位置无法固定，在观测过程中也容易被渔民误用拖网拖走，同样也会造成损失。因此，现有技术中往往不能满足海洋（水下）磁场探测仪器的稳定工作和收集数据的及时性和准确率。

因此，本实用新型提出一种水下磁场监测系统，其借助在海底已经安装完成的例如油气田等工程装备固定安装于海底，并在装备周围一定范围内监测海底环境中活动目标的磁场和自然因素产生的磁场，实时监测收集水下磁场的变化，为预防水下其他控制系统受到电磁干扰，提供及时的磁场数据；并为自然磁场研究提供实时、准确的数据。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种水下磁场监测系统，借助水下工程设备固定安装于海底，实现在固定点对一定范围内的海洋磁场的实时稳定监测，且采集到的磁场数据更精确和实时有效。

为实现上述目的，本实用新型提供一种水下磁场监测系统，包含：密封外壳，固定安装在水下工程装备上，且该密封外壳内设置有与外部海水连通的压力补偿单元；水下磁场监测装置，设置在密封壳体中，实时采集水下工程装备周围一定区域内的磁场信息，并转换为电信号输出；水上数据处理装置，接收并处理水下磁场监测装置输出的电信号，为相应的观测站或水下工程装备的控制系统提供磁场信息。

所述的水下工程装备为水下油田钻采设备，或水下气田钻采设备。

所述的水下磁场监测装置包含：磁场监测单元，其包含：光泵磁力仪，采集水下工程装备周围一定区域内的磁场信息，并转换为电信号输出；放大器，与光泵磁力仪通过信号线连接，将接收到的电信号进行放大处理；通讯单元，与放大器通过信号线连接，将接收到的放大后的电信号传输至水上数据处理装置。

所述的水下磁场监测装置还包含：电源单元，分别与光泵磁力仪、放大器以及通讯单元连接，提供工作电源。

所述的水上数据处理装置包含：数据接收器，通过通讯电缆与通讯单元连接，接收通讯单元输出的电信号；数据处理器，与数据接收器通过信号线连接，对接收到的电信号进行数据处理，得到磁场信息数据，对水下工程装备的工作状态进行实时监控并及时提示异常状态。

所述的水上数据处理装置还包含：数据发送器，与数据处理器通过信号线连接，将接收到的磁场信息数据发送至观测站或水下工程装备的控制系统，并实现远程参数设置。

所述的密封外壳采用耐海水腐蚀的钢材10CrMoAl制成。

所述的压力补偿单元的壳体采用弹性材料制成，并通过其上设置的接口与外部海水连通。

在所述的密封外壳的内部，以及压力补偿单元的外部设置有绝缘补偿液。

综上所述，本实用新型提供的水下磁场监测系统，借助水下工程设备固定安装于海底，实现在固定点对一定范围内的海洋磁场的实时稳定监测，既可监测由天然磁场源产生的海洋磁场，也可监测由人工源产生的海洋磁场，使得采集到的磁场数据更为精确和实时有效。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型的实施例，或是现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术中所需要使用的附图进行简单介绍。

图1为本实用新型中的水下磁场监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型中的密封外壳的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合图1～图2，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，为本实用新型所提供的水下磁场监测系统，包含：密封外壳3，固定安装在水下工程装备上，且如图2所示，该密封外壳3内设置有与外部海水连通的压力补偿单元31；水下磁场监测装置1，设置在密封壳体3中，实时采集水下工程装备周围一定区域内的磁场信息，并转换为电信号输出；水上数据处理装置2，接收并处理水下磁场监测装置1输出的电信号，为相应的观测站或水下工程装备的控制系统提供磁场信息。

在本实用新型的优选实施例中，所述的水下工程装备具体包括：水下油田钻采设备，或水下气田钻采设备等。

所述的水下磁场监测装置1包含：磁场监测单元1-1，其包含：光泵磁力仪1-1-1，采集水下工程装备周围一定区域内的磁场信息，并转换为电信号输出；该光泵磁力仪1-1-1具有性能优异、灵敏度高，可连续测量，输出灵活的优点，由于其采集到的磁场信息数据能实时输出，且自身具有多种类的数据传输接口，可极为方便的完成数据信息的传输；放大器1-1-2，与光泵磁力仪1-1-1通过信号线连接，将接收到的电信号进行放大处理；通讯单元1-2，与磁场监测单元1-1的放大器1-1-2通过信号线连接，将接收到的放大后的电信号传输至水上数据处理装置2。

在本实用新型的优选实施例中，所述的光泵磁力仪1-1-1选用G-882海洋铯光泵磁力仪进行磁场监测，通过RS-232输出接口与放大器1-1-2连接。该G-882海洋铯光泵磁力仪将具有极高分辨率性能的铯光泵技术组合到小成本、小型化的磁力仪设备中，适合在浅水或深水中进行专业磁力调查，是现有的性能价格比最高的全功能海洋磁力仪，其工作温度为-35℃～50℃，采用O型圈密封实现水密性，最大工作深度可达2750m，信号输出采用RS-232接口，9600波特率。

进一步，所述的水下磁场监测装置1还包含：电源单元1-3，分别与磁场监测单元1-1的光泵磁力仪1-1-1、放大器1-1-2、以及通讯单元1-2连接，为其提供工作电源。

在本实用新型的优选实施例中，所述的电源单元1-3中设置有交直流转换模块，具有交直流转换功能，在将交流电转换为直流电后，以直流供电方式为光泵磁力仪1-1-1、放大器1-1-2以及通讯单元1-2提供工作电源。

在本实用新型的优选实施例中，所述的电源单元1-3也可直接采用水下工程装备自身配备的供电系统，以实现对整个水下磁场监测装置1的供电。

所述的水上数据处理装置2包含：数据接收器2-1，通过通讯电缆与通讯单元1-2连接，接收通讯单元1-2输出的电信号；数据处理器2-2，与数据接收器2-1通过信号线连接，对接收到的电信号进行数据识别、数据查询、数据修正等的数据处理，得到磁场信息数据，对水下工程装备的工作状态进行实时监控并及时提示异常状态；数据发送器2-3，与数据处理器2-2通过信号线连接，将接收到的磁场信息数据发送至观测站或水下工程装备的控制系统，并实现远程参数设置。

在本实用新型的优选实施例中，所述的通讯电缆也可直接采用水下工程装备自身配备的通讯电缆，以实现磁场监测装置1至水上数据处理装置2的数据传输。

在本实用新型的优选实施例中，所述的数据发送器2-3与观测站或水下工程装备的控制系统之间，可采用电缆通信、或光纤通信、或蜂窝移动通信、或微波通信、或卫星通信等，传输的磁场信息数据的内容、格式、频次以及速率均需要满足海洋数据传输的要求。

在本实用新型的优选实施例中，数据发送器2-3可将采集到的磁场信息数据发送至水下油田钻采设备的控制系统，使其能够及时收到周围磁场异常信息的反馈，并迅速控制以调整水下油田钻采设备的作业状态，有效避免因受到电磁干扰而导致的设备失效的故障，减少相应情况带来的损失。

在本实用新型的优选实施例中，数据发送器2-3可将采集到的磁场信息数据发送至相关的研究机构进行处理研究，为人类更进一步的了解海洋、发现海洋的奥秘提供更丰富的素材。

鉴于本实用新型中所述的水下磁场监测装置1是应用于深海水下的高压强工况，为确保其不受到海水压力破坏和海水侵蚀而造成装置失效，因此需要对设置在其外部的密封外壳3进行特殊设计。

首先，所述的密封外壳3采用耐海水腐蚀的钢材（例如10CrMoAl）制成，提高其耐海水腐蚀性。

其次，如图2所示，由于深海水下的压强较高，而考虑到制造成本，以及装置需要尽可能的轻便，因此密封外壳3的壳体壁厚不可能完全按照其实际所需承受的压强而对应制造，否则将大大提高成本，并且导致装置及其笨重。基于上述，本实用新型考虑在密封外壳3的内部设置与外部海水连通的压力补偿单元31，从而有效减小密封外壳3的壳体壁厚。

所述的压力补偿单元31的壳体采用弹性材料（例如橡胶）制成，并通过其上设置的接口32与外部海水连通。

进一步，在所述的密封外壳3的内部，以及压力补偿单元31的外部设置有绝缘补偿液33，即整个水下磁场监测装置1浸设在绝缘补偿液33中。

由于压力补偿单元31固定设置在密封外壳3的内部，且其与外部海水连通，当将内部设置有水下磁场监测装置1的密封外壳3安装在水下工作时，由密封外壳3承受一部分的海水压力作用，同时由压力补偿单元31补偿承受另一部分的海水压力作用，并且该压力补偿单元31在受到海水压力时，能够通过其弹性壳体自动弹性调节其体积，最终达到与外部海水压力平衡的状态，有效防止海水压力过强对密封外壳3的不良影响。

综上所述，本实用新型提供的水下磁场监测系统，可借助水下工程设备固定安装于海底，并与其共享用于数据传输的通讯电缆和供电系统等，实现在固定点对一定范围内的海洋磁场变化的实时稳定监测，既可监测由天然磁场源产生的海洋磁场，也可监测由人工源产生的海洋磁场，使得采集到的磁场数据更为精确和实时有效。

并且，本实用新型提供的水下磁场监测系统，实时采集到的磁场数据信息具有以下多重作用：

1、监测活动目标的磁场，并提供给相关机构或设备进行分析研究判断；

2、监测水下钻采设备周围活动目标的磁场，提供给水上控制系统进行分析报警，及时采取相关措施避免磁场对水下设备通讯灵敏度的影响；

3、对地震海啸等地壳运动形成的自然磁场进行监测，并提供给相关方进行研究分析；

4、对特定的地下磁场进行监测，并将数据用于对地下矿物分布，地质结构等研究分析。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种水下磁场监测系统，其特征在于，包含：

密封外壳，固定安装在水下工程装备上，且该密封外壳内设置有与外部海水连通的压力补偿单元；

水下磁场监测装置，设置在密封壳体中，实时采集水下工程装备周围一定区域内的磁场信息，并转换为电信号输出；

水上数据处理装置，接收并处理水下磁场监测装置输出的电信号，为相应的观测站或水下工程装备的控制系统提供磁场信息。

2.如权利要求1所述的水下磁场监测系统，其特征在于，所述的水下工程装备为水下油田钻采设备，或水下气田钻采设备。

3.如权利要求1所述的水下磁场监测系统，其特征在于，所述的水下磁场监测装置包含：

磁场监测单元，其包含：光泵磁力仪，采集水下工程装备周围一定区域内的磁场信息，并转换为电信号输出；放大器，与光泵磁力仪通过信号线连接，将接收到的电信号进行放大处理；

通讯单元，与放大器通过信号线连接，将接收到的放大后的电信号传输至水上数据处理装置。

4.如权利要求3所述的水下磁场监测系统，其特征在于，所述的水下磁场监测装置还包含：电源单元，分别与光泵磁力仪、放大器以及通讯单元连接，提供工作电源。

5.如权利要求3所述的水下磁场监测系统，其特征在于，所述的水上数据处理装置包含：

数据接收器，通过通讯电缆与通讯单元连接，接收通讯单元输出的电信号；

数据处理器，与数据接收器通过信号线连接，对接收到的电信号进行数据处理，得到磁场信息数据，对水下工程装备的工作状态进行实时监控并及时提示异常状态。

6.如权利要求5所述的水下磁场监测系统，其特征在于，所述的水上数据处理装置还包含：数据发送器，与数据处理器通过信号线连接，将接收到的磁场信息数据发送至观测站或水下工程装备的控制系统，并实现远程参数设置。

7.如权利要求1所述的水下磁场监测系统，其特征在于，所述的密封外壳采用耐海水腐蚀的钢材10CrMoAl制成。

8.如权利要求1所述的水下磁场监测系统，其特征在于，所述的压力补偿单元的壳体采用弹性材料制成，并通过其上设置的接口与外部海水连通。

9.如权利要求1所述的水下磁场监测系统，其特征在于，在所述的密封外壳的内部，以及压力补偿单元的外部设置有绝缘补偿液。