CN211468701U - 一种浮标精细深度调节系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种浮标精细深度调节系统，包括浮标本体、耐压舱和液压系统模块，耐压舱设于浮标本体内，液压系统模块包括外油囊以及设于耐压舱内的高压柱塞泵、止回阀、两位三通电磁换向阀、调速阀和内油囊，电磁换向阀的P端依次通过止回阀和高压柱塞泵与内油囊相连，内油囊设于高压柱塞泵的上部且利用内油囊油的重力为高压柱塞泵吸油，电磁换向阀的T端通过调速阀与内油囊相连，电磁换向阀的A端与外油囊相连。本实用新型能规避使用定制化的浮标内外油囊的局限性，简化了系统设计并且提高了浮标油囊的通用性和普遍性，可以下潜至更深的深度。

Description

一种浮标精细深度调节系统

技术领域

本实用新型涉及水下浮标控制技术领域，特别涉及到一种大深度水下浮标精细悬浮深度调节系统。

背景技术

水下浮标包含淡水浮标和海洋浮标，其主要用于大范围海洋区域水面和水下不同深度的长期数据监测。剖面浮标按时序控制，自动下潜并在水下定深层漂移，到达预定时间时自动上浮到海面，再通过卫星系统将浮标的当前位置和相关测量数据发送回陆上接收中心供相关研究人员进行分析与研究。

现有大深度浮标以及2000米浮标，其基本的深度调节原理为通过改变内外油囊体积，从而改变整体体积达到调节浮标深度的目的。比如ARGO米6000浮标，采用液压油泵排出液压油，采用电磁阀控制回路开闭，利用真空背压(或油囊的弹簧力)吸回液压油。其浮力调节系统由伺服电机通过丝杆连接柱塞油缸推动液压油注入或抽出油囊的方式实现。

然而，传统的采用丝杆、活塞和油囊组成的深度调节系统存在如下缺点：

(1)、为了获取油囊体积变化，浮标内油囊增加了电位指示。为了提高油泵吸油端的入口压力，增加了大配合间隙的活塞和弹簧，用于在油囊上施加预压力。因此油囊需定制化，无法使用标准化油囊。

(2)、为了便于设备内部丝杆布局，2000米级剖面浮标耐压体为铝合金圆柱筒形，但是随着工作深度增大壁厚也会较大增加，导致浮标耐压体无法提供足够的净浮力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种浮标精细深度调节系统，以解决上述问题。

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种浮标精细深度调节系统，包括浮标本体、耐压舱和液压系统模块，耐压舱设于浮标本体内，所述液压系统模块包括外油囊以及设于耐压舱内的高压柱塞泵、止回阀、电磁换向阀、调速阀和内油囊，所述电磁换向阀为两位三通电磁换向阀，电磁换向阀的P端依次通过止回阀和高压柱塞泵与内油囊相连，内油囊设于高压柱塞泵的上部且利用内油囊油的重力为高压柱塞泵吸油，电磁换向阀的T端通过调速阀与内油囊相连，电磁换向阀的A端与外油囊相连。

进一步的，所述耐压舱为球形结构，耐压舱内部为负压0.8bar的负压环境。

进一步的，还包括压力采集模块、气压与温度检测模块、电机驱动模块、继电器模块和主控系统，主控系统分别与压力采集模块、气压与温度检测模块、电机驱动模块、继电器模块和液压系统模块电连接；压力采集模块包括压力传感器，压力传感器安装于浮标本体的外部；气压与温度检测模块用于检测耐压舱内的实时气压与温度信息；液压系统模块分别与电机驱动模块和继电器模块电连接，电机驱动模块用于驱动高压柱塞泵，继电器模块用于控制电磁换向阀的开合。

进一步的，所述主控系统包括单片机、储存模块和电源管理模块，存储模块用于存储浮标本体运行期间采集的所有数据，电源管理模块用于分配不同电路子系统电压。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型能规避使用定制化的浮标内外油囊的局限性，简化了系统设计并且提高了浮标油囊的通用性和普遍性。本实用新型避免使用丝杆结构，进而可以采用抗压效果更好，壁厚更薄的圆形浮标外部结构，从而提高了浮标的下潜工作深度，实现悬浮至大深度的目标。本实用新型包含有实时反馈机制，能否实现精确的悬浮深度控制。

附图说明

图1为本实用新型所述的液压系统模块的结构示意图。

图2为本实用新型所述的浮标精细深度调节方法的流程图。

图3为本实用新型所述的浮标精细深度调节系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

参见图1～和图3，本实用新型所述的一种浮标精细深度调节系统，包括浮标本体、耐压舱300和液压系统模块，耐压舱300设于浮标本体内。液压系统模块包括外油囊200以及设于耐压舱300内的高压柱塞泵101、止回阀102、电磁换向阀103、调速阀104和内油囊100。高压柱塞泵101为微型超高压油泵。电磁换向阀103为两位三通电磁换向阀103，电磁换向阀103的P端依次通过止回阀102和高压柱塞泵101与内油囊100相连。内油囊100设于高压柱塞泵101的上部且利用内油囊100油的重力为高压柱塞泵101吸油。电磁换向阀103的T端通过调速阀104与内油囊100相连，电磁换向阀103的A端与外油囊200相连。

本系统采用高吸程柱塞油泵，且将内油囊至于油泵上部，利用内油囊油的重力为油泵吸油，不需要额外的气泵为油泵提供吸油压力，节省耐压结构内部空间，且降低功耗。管路内设有调速阀，保证浮标在任意深度打开电磁阀时，液压油从外油囊流回内油囊的流速基本固定，保证内油囊的安全，且为控制系统的控制程序提供截止时间参考值。

在液压系统中，液压油分别存储在耐压结构的内油囊100和外油囊200中，内油囊100处在耐压结构的内部真空环境中，因此绝对压力接近于零(实际抽真空至约0.2bar左右)。内油囊100的液压油通过液压泵增压至与海水压力相同后排入外油囊200中，增加外油囊200的排水体积，从而实现剖面浮标的上浮。而浮标需要下潜时连通内、外油囊200之间的管路，外油囊200的液压油在大气压的作用下自动压回处于接近真空状态的内油囊100中。液压管路的开、闭由电磁阀进行控制，而回油油路的流量采用止回阀控制。

耐压舱300为球形结构，耐压舱300内部为负压0.8bar的负压环境。

还包括压力采集模块、气压与温度检测模块、电机驱动模块、继电器模块和主控系统。主控系统分别与压力采集模块、气压与温度检测模块、电机驱动模块、继电器模块和液压系统模块电连接。压力采集模块包括压力传感器和数据传输协议。压力传感器安装于浮标本体的外部，直接与海水接触。压力传感器用于采集浮标所处深度水层的压力值，按照传输协议发送给主控系统进行进一步分析。气压与温度检测模块包括温度传感器和压力传感器，用于检测耐压舱300内的实时气压与温度信息，然后根据理想气体状态方程

由压力变化换算舱内气体体积的变化，进而推算出内油囊100容积的变化。考虑到耐压舱300内气体所占空间形状复杂，油囊容积变化与气体体积变化关系需要测定，因此需要通过试验给出内油囊100容积与舱内气体体积的对应曲线，从而建立V_油囊～V_气体～P、T的关系。液压系统模块分别与电机驱动模块和继电器模块电连接，电机驱动模块用于驱动高压柱塞泵101，继电器模块用于控制电磁换向阀103的开合。

液压系统模块为主要执行系统，接收主控芯片的控制命令，调节内外油囊的油量，从而调节浮标的外部总体积，实现浮标精确的深度控制。其中高压柱塞泵主要负责将内油囊的液压油泵出外油囊。电磁阀主要负责通断系统中另一条外油囊至内油囊的液压回路。

主控系统包括单片机、储存模块和电源管理模块。单片机控制浮标所有功能，存储模块用于存储浮标本体运行期间采集的所有数据，电源管理模块用于分配不同电路子系统电压。电机驱动模块负责驱动高压泵的运转。

一种浮标精细深度调节方法，包括如下步骤：

步骤一、主控系统设置浮标的总质量，浮标整体最小体积(外油囊空、内油囊满油)。记录当前状态气压与温度值，根据理想气体公式计算耐压舱内初始状态体积。

步骤二、系统获取目标悬浮深度。主控系统计算浮标保持悬浮状态所需要维持的密度，根据密度计算浮标所要保持的整体体积，最后计算内油囊和外油囊的油量。

步骤三、气压与温度检测模块检测当前耐压舱内的气压与温度值，根据理想气体公式计算当前舱内的气体体积，结合初始状态体积，计算当前内油囊的油量，再计算外油囊的油量(总油量-内油囊油量)，最后得出外油囊油量的变化。

步骤四、当外油囊油量需要增大时，主控系统通过电机驱动模块控制高压柱塞泵进行泵油；反之，通过继电器模块打开电磁换向阀，通过耐压舱内外压差(舱外为海水压力，舱内接近真空状态)，将外油囊中的由压入内油囊。

步骤五、通过压力检测模块检测外部的实时压力，计算浮标的实时深度。通过实时深度检测确定浮标的稳定悬浮状态，下潜状态和上升状态。

步骤六、当主控系统判断浮标为稳定悬浮状态后，把当前深度与步骤二设定的悬浮深度进行对比，若两者相等则深度调节成功，若不相等，则继续重复步骤二至步骤六。

经过大量采样数据证明，海水的密度与深度存在函数关系，浮标上浮下潜的原理也是通过改变自身体积(本质也为改变密度)的方法实现。结合以上两点，得出深度和浮标密度的关系。控制算法应用这一原理可实现用户设定某一深度值，系统根据深度值计算此深度下海水密度(即浮标密度)，液压系统通过调节浮标内外油囊油量改变浮标外部体积来到达先前计算密度。在次密度下，浮标自然漂浮至目标深度。

本实用新型采用了新液压系统，使浮标完全能够使用符合设计要求的标准油囊，从而提高了浮标普适性；且简化了内部结构，不拘泥于圆柱形浮标外形，因此能够采用壁厚更薄，耐压强度更大的圆形结构，从而可以下潜至更深的深度。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种浮标精细深度调节系统，包括浮标本体、耐压舱和液压系统模块，耐压舱设于浮标本体内，其特征在于：所述液压系统模块包括外油囊以及设于耐压舱内的高压柱塞泵、止回阀、电磁换向阀、调速阀和内油囊，所述电磁换向阀为两位三通电磁换向阀，电磁换向阀的P端依次通过止回阀和高压柱塞泵与内油囊相连，内油囊设于高压柱塞泵的上部且利用内油囊油的重力为高压柱塞泵吸油，电磁换向阀的T端通过调速阀与内油囊相连，电磁换向阀的A端与外油囊相连。

2.根据权利要求1所述的浮标精细深度调节系统，其特征在于：所述耐压舱为球形结构，耐压舱内部为负压0.8bar的负压环境。

3.根据权利要求1所述的浮标精细深度调节系统，其特征在于：还包括压力采集模块、气压与温度检测模块、电机驱动模块、继电器模块和主控系统，主控系统分别与压力采集模块、气压与温度检测模块、电机驱动模块、继电器模块和液压系统模块电连接；压力采集模块包括压力传感器，压力传感器安装于浮标本体的外部；气压与温度检测模块用于检测耐压舱内的实时气压与温度信息；液压系统模块分别与电机驱动模块和继电器模块电连接，电机驱动模块用于驱动高压柱塞泵，继电器模块用于控制电磁换向阀的开合。

4.根据权利要求3所述的浮标精细深度调节系统，其特征在于：所述主控系统包括单片机、储存模块和电源管理模块，存储模块用于存储浮标本体运行期间采集的所有数据，电源管理模块用于分配不同电路子系统电压。

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