KR101234832B1 - 해저 인시튜 측정 및 테스트를 위한 기기 프로브 - Google Patents

Abstract

예를 들면 해저와 같은 바다의 해저면의 조사 및/또는 분석에서 사용하기 위한 장치에 사용하는데 적합한 프로브 조립체(1). 장치는 심해 침투 디바이스(10), 및 해저면 테스트 공구(10, 12)를 포함한다. 프로브 조립체(1)는 프로브 조립체를 심해 침투 디바이스에 동작적으로 연결하기 위한 제1 결합 및 프로브 조립체를 해저면 테스트 공구에 동작적으로 연결하기 위한 제2 결합을 포함한다. 프로브 조립체(1)는 공구로부터의 정보를 처리하기 위한 신호 처리 모듈(5), 신호 처리 모듈(5)로부터 데이터의 전송을 위한 데이터 전송 모듈(2), 데이터 전송 모듈(2) 및 신호 처리 모듈(5)을 동작시키기 위한 전원(3) 및 전원(3)에서 데이터 전송 모듈(2) 및 신호 처리 모듈(5)에 선택적으로 연결하기 위한 스위치 모듈(4)을 더 포함한다.

Description

해저 인시튜 측정 및 테스트를 위한 기기 프로브{INSTRUMENTATION PROBE FOR IN SITU MEASUREMENT AND TESTING OF THE SEABED}

본 발명은 예를 들면 해저와 같은 바다의 해저면 토양 특성들을 조사하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

해저의 지질공학, 지구물리 및 지구화학적 특성들을 판정하는 것은 근해탐사 및 이를테면 오일 및 가스전 플랫폼, 정박지, 파이프 및 케이블 부설, 풍력 에너지 및 조력 터빈 탑과 같은 건설 프로젝트들을 위한 부지 평가의 필수적 부분이다. 천부가스(shallow gas)의 검출은 해저 작업동안 지질재해 평가 혹은 부지의 탄화수소 탐사 가능성에 중요한 반면, 토양 특성은 해저 구조물들을 위한 토대의 설계 및 수행에 매우 영향을 미친다.

토양 특성들은 '유선' 시추동, 코일관, 정박 해저 프레임들 및 원격으로 조작되는 해저 플랫폼들을 포함한 각종 수단에 의해 전개되는, 일반적으로 해저 경도계를 사용하여 측정된다. 조사되는 토양 특성들의 타입에 따라 서로 다른 타입들의 장치가 사용되는데, 예를 들면, 표준 원뿔 경도계 테스트는 중간 내지 고 강도 토양에 적합하고, 볼 경도계는 연한 토양들에 적합하고 베인 전단(vane shear) 테스트 및 T-바 테스트는 응집성 토양의 측정에 적합하다. 지구화학적 측정들의 경우, 견인 잠수정 혹은 원격으로 조작되는 운송수단을 통해서, 혹은 수상 베셀(surface vessel)로부터 시추공으로의 유선 전개를 통해서 해저 위에서만 현재 감지장치가 사용된다. 해저의 과학적 조사는 시추공 내로 광범위한 기기 센서들이 배치될 것을 요구하며, 점점 더, 이러한 해저 조사는 더 깊은 곳 및 심해에서 수행되는 경향이 있다.

인시튜 해저 측정장치는 일반적으로 전원공급과 실시간 분석 및 표시를 제공하기 위한 데이터 전송을 위해 하향공(downhole) 프로브와 해저 장치 혹은 수상 베셀간에 유선 전기적 접속들에 의존한다. 심해 상황에서, 이러한 유선 시스템들은 비교적 큰 시추선, 부유 플랫폼 혹은 전용 측량 베셀 -이들 모두는 운영에 비용이 든다- 로부터 흔히 전개된다. 장치를 '일측에 걸쳐' 배치하는 일부 저렴한 방법들이 공지되어 있는데, 이 방법에서 해저 장비는 유압 관련 혹은 배터리 팩에 의해 파워가 공급되나, 이들은 이들의 작동 수심 혹은 해저 침투 깊이에 제한된 용량을 갖는 경향이 있다. 또한, 각 타입의 측정장치는 현재 전용의 단일 목적의 디바이스로서 사용되어 하드웨어 및 취급요건에 있어 거의 일반성이 없는 단점이 있다.

따라서, 다양한 인시튜 측정 디바이스들이 상호교환적으로 연결될 수 있는 표준화된 구성의 '만능' 기기 프로브(UIP)를 제공하는 것이 이점이 있을 것이다. 이러한 UIP 디바이스는 데이터 로깅 및 로깅된 데이터를 원격으로 불러들이기 위한 수단을 인시튜로 제공할 뿐만 아니라 측정 데이터 신호를 실시간으로 전송하는 것이 바람직할 것이다.

다-용도 시추, 샘플링, 테스트 및 측정 능력들을 구비한 휴대 원격 조작되는 해저 플랫폼들의 출현은 지질공학적 요구에 따라 신속하고 상호교환적으로 배치될 수 있는 한 벌의 인시튜 프로브들을 운반하는 적응성을 제공한다. 그러나, 파이프의 개개의 길이들로부터 시추동의 원격 조립에 의존하는 이러한 플랫폼들은 하향공 장치에의 유선 전기적 연결을 사용할 수 없다. 이 경우 하향공 장치는 부착된 배터리 팩에 의해 원격으로 파워가 공급된다.

데이터 전송의 공지의 대안적 방법은 하향공 장치로부터 어쿠스틱 원격측정을 통해 무선 통신을 제공한다. 측정 프로브로부터 전기적 출력 신호는 시추동을 통해 시추동의 상부에 결합된 수신 마이크로폰으로 전송되는 어쿠스틱 신호로 변환된다. 현재 하향공 어쿠스틱 원격측정은 프로브에서 해저 장치로의 일 방향으로 동작하고, 반대로는 동작하지 못한다.

현 관행에서, 프로브들 및 전송기들은 전개 착수시 수상에서 스위치 온 되며, 원격으로 스위치 오프 혹은 온 될 어떠한 수단도 없다. 이것은 특히 심해 작업들에서 긴 전개 사이클들 동안 연속적으로 장치에 파워를 공급하기에는 배터리 용량이 불충분하기 때문에 중대한 단점이다. 또한, 내장된 데이터 로거(logger)는 데이터 유실을 피하기 위한 충분한 메모리를 갖추지 못할 수 있다. 아마도 수일 동안에 이르는 전체 전개 기간에, 어떤 특정의 프로브는 짧은 간격동안에만 파워 업 될 필요가 있을 수 있다. 인시튜 측정하는데 필요로 될 때에만 프로브가 원격으로 스위치 온 될 수 있다면 대형의 배터리 및 메모리 용량이 있다. 그러므로, 필요할 때만 UIP에 파워 온 및 오프 하는 원격 스위칭 수단을 제공하는 것이 이점이 있을 것이다. 데이터 전송의 현 어쿠스틱 방법들은 마이크로폰이 시추동의 상부에 결합될 것을 요구한다. 이것은 하향의 힘을 인가하면서 시추 파이프의 단부와 공급 척 혹은 앤빌 사이에 마이크로폰 하우징을 개재시킴으로써 간단히 달성된다. 이러한 방법에 있어서는 장치가 하향으로 미는 동안 전송된 데이터를 수신하는 것만이 가능하다. 그러나, 교란(remolded) 토양 강도를 볼 경도계로 측정하는 등의 어떤 경우들에 있어서는, 장치의 상향 이동 동안 데이터를 수신하는 것도 이점이 있을 것이다. 다른 경우들에 있어서는 예를 들면 매운 연한 토양들에서 자신의 무게로 긴 시추동의 있을 수 있는 탈주를 방지하거나 베인 전단 공구를 회전시키기 위해서, 측정하는 중에 공급 척 내에 시추동을 유지하는 것이 이점이 있을 것이다. 이것은 현재 가능하지 않으며 보조 마찰 클램프의 사용을 필요로 한다.

현 관행에서 로깅된 데이터를 불어들이기 위해서는 해저 프로브 조립체를 수상으로 다시 가져와서 프로브를 분해하고 다운로드를 위해서 메모리 모듈을 인터페이스 디바이스에 물리적으로 연결하는 것이 필요하다. 이것은 해저 작업들에 불편한 제한을 둘 수 있고 데이터 복구 및 검증에 현저한 지연을 유발할 수 있다.

본 발명의 목적은 앞에 언급된 단점들 중 하나 이상을 완화시키는 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 면에 따라서, 해저와 같은 바다의 해저면의 조사 및/또는 분석에서 사용하기 위한 장치에 사용하는데 적합한 프로브 조립체로서, 상기 장치는 심해 침투 디바이스, 및 해저면 테스트 공구를 포함하고, 상기 프로브 조립체는 상기 프로브 조립체를 상기 심해 침투 디바이스에 동작적으로 연결하기 위한 제1 결합 및 상기 프로브 조립체를 상기 해저면 테스트 공구에 동작적으로 연결하기 위한 제2 결합을 포함하며, 상기 프로브 조립체는 상기 공구로부터의 정보를 처리하기 위한 신호 처리 모듈, 상기 신호 처리 모듈로부터 데이터의 전송을 위한 데이터 전송 모듈, 상기 데이터 전송 모듈 및 상기 신호 처리 모듈을 동작시키기 위한 전원 및 상기 전원에서 상기 데이터 전송 모듈 및 신호 처리 모듈에 선택적으로 연결하기 위한 스위치 모듈을 더 포함하는 프로브 조립체가 제공된다. 상기 신호 처리 모듈은 상기 공구로부터의 신호들을 데이터로 처리하기 위한 전자장치 모듈 및 상기 데이터를 저장하기 위한 데이터 로깅 모듈을 포함한다. 상기 전송기 모듈은 어쿠스틱 전송기를 포함한다.

바람직하게, 상기 스위치 모듈은 상기 전원을 상기 처리 모듈 및 전송기 모듈에 전기적으로 연결 및 단절시키게 구성된 원격으로 작동시킬 수 있는 디바이스이다. 스위치 모듈은 자계에 응답하는 자기 응답 스위칭 디바이스를 포함할 수 있다.

프로브 조립체는 근 범위 무선 통신 디바이스를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 면에 따라서, 바다의 해저면의 조사 및/또는 분석에 사용하기 위한 장치로서, 상기 장치는 심해 침투 디바이스, 해저면 테스트 공구 및 위에 언급한 프로브 조립체를 포함하며, 상기 프로브 조립체는 상기 심해 침투 디바이스 및 상기 공구에 동작적으로 연결되고, 상기 장치는 상기 프로브 조립체로부터 멀리 떨어져 있는 상기 심해 침투 디바이스의 단부에 수신 마이크로폰을 더 포함하고 이에 상기 심해 침투 디바이스를 통해 어쿠스틱으로 결합된, 장치가 제공된다. 상기 수신 마이크로폰은 해저에서 주위 수압과 등압인 액체로 채워진 인클로저 내에 내장될 수 있다. 상기 수신 마이크로폰은 상기 심해 침투 디바이스에 연관된 구동유닛 내에 또한 내장될 수 있다.

발명의 또 다른 면에 따라서, 위에 언급한 프로브 조립체에 사용하기에 적합한 원격으로 작동가능한 스위치 디바이스로서, 상기 스위치 디바이스는 한 단자는 전원에 연결될 수 있고 다른 단자는 신호처리 모듈 및 데이터 처리모듈에 연결될 수 있는 두 단자를 포함하는 전기 회로 내 구성된 스위치 소자를 포함하고, 상기 스위치 소자는 정규로, 상기 회로가 폐쇄되는 폐쇄 위치 및 상기 회로가 개방되는 개방 위치 중 하나를 채택하게 되며, 상기 스위치는 자계 근처에 있을 때 이 상기 스위치가 개방 위치를 채택하게 상기 자계에 응하는 것인, 스위치 디바이스가 제공된다.

스위치 디바이스는 자기적으로 투명한 하우징, 상기 하우징 내 배치된 전기적으로 절연된 스위치 본체를 포함하고, 상기 스위치 소자는 상기 개방 위치와 상기 폐쇄 위치간에 이동될 수 있는 리드 스위치를 포함한다. 상기 자계는 상기 해저면의 영역 내에 장착된 자석 조립체를 포함한다.

본 발명의 바람직한 형태에서 한 벌의 해저 토양 테스트 공구들과 공동으로, 원격으로 조작되는 스위치 모듈, 배터리 파워 팩 모듈, 데이터 조정, 로깅 및 전송 모듈들을 포함하는 만능 기기 프로브 조립체(UIP)가 제공된다. UIP는 해저 장치로부터 멀리 떨어져 배치된 시추동 혹은 유사한 토양 침투 수단에 연결되도록 되어 있다.

UIP 조립체는 표준 36mm 직경의 원통형 하우징을 포함할 수 있다. 상측단부에서 이것은 유사 크기의 연장 로드들에 혹은 시추 파이프 어댑터에 결합될 수 있다. UIP의 상측단부는 부착된 시추 파이프를 통해 적어도 100m의 거리로 어쿠스틱 데이터 신호를 보낼 수 있는 전송기를 내장할 수도 있다. 어쿠스틱 전송기 모듈 밑에는 배터리 파워 맥 및 원격으로 조작되는 스위치 모듈이 부착된다. 스위치 모듈은 배터리 파워 팩에 전기적으로 직렬로 연결될 수 있고 필요시 전송기 및 프로브 전자장치를 파워 온 및 오프 되게 할 수 있다.

한 형태에서, 스위치 모듈은 '통상 폐쇄' 위치로 결선되고 스위치가 강한 외부 자계 근처에 있을 때 '개방' 위치로 동작하게 자기적으로 투명한 물질의 하우징 내 구성된 자기 스위치를 포함할 수 있다. 외부 자계는 예를 들면 UIP스위치 모듈로부터 측방향으로 최대 200mm 떨어진 별도의 구조체 내 놓여진 희토류 영구자석들에 의해 제공될 수 있다. 스위치 모듈이 UIP의 인접 부품들에 조립될 때, 이의 정격 깊이까지 주위 수압에 대해 밀폐되게 시일링된다.

UIP 조립체는 스위치 모듈에 직결로 부착된 데이터 로깅 모듈 및 전자장치 모듈을 또한 포함할 수 있다. 전자장치 모듈은 다-핀 컨넥터로 전기적으로 종단될 수 있고 연장 튜브에 조립될 수 있다. 연장 튜브의 하측단부는 원뿔 경도계, 볼 경도계, 베인 전단 공구 혹은 가스 센서와 같은, 토양 측정 공구를 부착하도록 구성될 수 있다. 연장 튜브 내에 복수-코어 케이블 및 매칭 컨넥터는 전자장치 모듈을 토양 측정 디바이스에 연결하고 파워를 디바이스에 공급하여 특정 데이터 신호들을 얻기 위해서 제공될 수 있다. 모든 컨넥터들은 UIP 조립체의 정격 깊이에 적합한 수중 타입일 수 있다.

연장 튜브의 길이는 특정 타입의 부착된 토양 테스트 디바이스의 길이에 따라 적당하게 할 수 있다. 따라서, UIP 공구 조립체의 전체 길이는 단일 수단의 공구 보관 및 해저 플랫폼에서의 로봇에 의한 취급에 적합하게 표준화될 수도 있다. 이에 따라, 다양한 토양 테스트 공구들은 접수된 토양 상태들에 따라, 상호교환적으로 배치할 준비를 갖추고 운반될 수 있다.

예를 들면, 하향공 가스 센서 프로브에 사용될 때와 같은 어떤 애플리케이션들에서, 시추수(drilling fluid) 혹은 플러시 워터를 측정 프로브에 연결하는 것이 이점이 있을 수 있다. 이 목적을 위해서 연장 튜브는 UIP 보다 큰 직경을 가지고 UIP의 하측단부에 전자장치 모듈 대신 UIP의 상측단부에 근접하여 시추 파이프 어댑터에 직접 부착할 수 있다. 이에 따라 연장 튜브는 환상의 통로를 형성하기 위한 작은 방사상의 유격을 갖고 UIP를 이의 길이에 걸쳐 에워싼다. 이 통로를 통해서 플러시 워터가 시추동으로부터 연장 튜브(200)의 하측단부에 있는 센서로 펌핑될 수 있다.

다른 변형예에서, UIP 조립체는 정규로 베인 전단 공구 부착물의 베인들을 에워싸지만 베인 공구가 응집성 토양 내에 밀어 넣어질 때 수축하는 외측 보호 튜브를 포함할 수 있다.

발명의 사용의 방법의 일 예에 따라서, 수면 베셀로부터 진수에 앞서, 해저 플랫폼은 각각이 UIP에 조립되는 한 벌의 인시튜 테스트 및 측정 공구들을 구비하여 준비된다. 통상적으로 공구 조립체들은 랙 혹은 메거진에 체계적으로 보관되고 이로부터 조립체들은 원격으로 선택되어 로봇에 의한 장전 메커니즘을 통해 시추공에 배치될 수 있다. 보관 메거진은 UIP의 부품인 스위치 모듈들 근처에 놓여진 영구자석들을 구비한다.

강 자계가 있을 때 공구 조립체 내 스위치는 개방상태로 유지되어 공구는 파워 다운된 상태에 있게 된다. 공구는, 스위치가 강 자계가 없어 폐쇄 상태로 되돌아갔을 때, 개별적 하향공 사용을 위해 메거진으로부터 제거될 동안에만 파워 업 된다. 따라서, 배터리 에너지는 공구가 능동적으로 사용되고 있을 때에만 소모되고, 이렇게 하지 않으면 해저 작업 사이클 전체 기간을 지속하기에는 불충분한 배터리 용량이 될 수 있다.

UIP가 파워 업 될 때는 언제나, 부착된 프로브로부터 측정신호들은 전자장치 모듈에 의해 디지털 데이터 스트림으로 처리되고 이 스트림은 메모리 모듈에 로깅된다. 공구 조립체가 시추동에 부착된 상태에서 데이터 스트림은 UIP 내 어쿠스틱 전송기 및 시추동의 상부에 결합된 수신 마이크로폰에 의해 시추공에서 해저 플랫폼으로 무선으로 전송된다. 해저 플랫폼으로부터 데이터 스트림은 또한, 실시간으로 전기적으로 결선된, 혹은 광섬유 혹은 다른 적합한 수단을 통해 수면 베셀 상의 조작자에게 전달된다.

발명의 또 다른 면에서, UIP 메모리 모듈은 심해 환경에서 수압(hydrostatic pressures)을 견디도록 시일링되고 라디오 혹은 자기 신호들을 전송 및 수신될 수 있게 하는, 무선 통신 디바이스 및 공기 혹은 대안적으로 전자기적으로 투명한 창을 포함할 수 있다. 라디오 신호들은 해수에서 급속히 감쇄되며 해저 라디오 통신은 긴 거리에 대해 현실적이지 않음이 공지되어 있다. 그러나, 짧은 거리들(수십 밀리미터)로 전송하는 것은 가능하다. 자기 유도 통신은 근 범위 수중 데이터 전송을 위한 또 다른 적합한 무선 기술이다. 이 경우 방사 코일은 최대 200kbits/s의 전형적인 데이터 레이트로, 자계를 전송한다. 그러므로, 메모리 모듈이 로봇에 의한 공구 취급 메커니즘에 의해 근접하게 될 수 있는 위치에 유사 통신 디바이스를 해저 장치에 고정함으로써, 양방향 데이터 전송을 수립하는 것이 가능하다.

2.4GHz의 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역에서 동작하는, IEEE802.11 표준에 기초한 것들을 포함하여, 많은 적합한 무선 통신 프로토콜들이 존재한다. 이들은 공통적으로 54Mbit/s까지의 데이터 레이트들을 지원하는, 블루투스 및 에어포트와 같은 상표명들로 알려진 전용 프로토콜들을 포함한다. 해저 장치 상의 고정된 통신 디바이스는 전선, 광섬유에 의해서, 혹은 수단의 조합에 의해 수면 작업 스테이션에 연결될 수 있다. 따라서, 데이터 다운로딩은 해저 상에 있는 동안 UIP 메모리 모듈로부터 원격으로 달성될 수 있다. 대안적으로, UIP가 수상으로 오게 되면, 무선 다운로딩은 통상의 통신 가능 컴퓨터 장치를 사용하여 신속하게 달성될 수 있다.

발명의 또 다른 면에 따라서, 해저 시추 플랫폼 내 시추동의 하향 및 상향 이동동안 어쿠스틱 데이터 신호가 수신될 수 있게 하는 개선된 마이크로폰 구성이 제공된다. 회전유닛 및 척 조립체 내 시추동 수밀(water seal)은 시추수가 시추동에 전달될 경로를 제공하면서, 별도의 챔버 내에 마이크로폰 조립체를 포함하도록 되어 있다.

수밀은 시추 파이프가 회전 척에 그립된 동안 시추 파이프의 상부로 하측단부에서 시일링되게 구성된 중공 샤프트를 포함할 수 있다. 수밀 샤프트는 회전 구동유닛을 통해 회전 시일까지 위로 연결되는데, 이것을 일반적으로 워터 커플링 혹은 워터 스위블이라고도 한다. 워터 커플링은 시추수가 수밀 샤프트를 거쳐 회전유닛을 통해 시추동까지 펌핑되는 비-회전 연결점을 제공한다.

소 직경 연결 튜브는 마이크로폰 챔버에서 수밀 샤프트의 구멍을 통해 이어지고 워터 커플링을 통해 연장한다. 연결 튜브는 마이크로폰으로부터의 출력신호를 워터 커플링 상부에 단일-접촉 회전 조인트에 전달하는 와이어를 에워싼다. 마이크로폰 챔버, 연결튜브 및 회전 조인트는 완전히 오일로 채워지고 외부 압력 보정기에의 접속을 통해 주위 상태들 압력과 균형을 맞춘다.

마이크로폰 조립체는 부착된 압전 결정 및 공진 질량을 구비한 면판을 포함할 수 있다. 면판 캠은 수밀 조립체의 하측 요소를 형성하며, 수밀 조립체를 정렬하고 이를 시추 파이프의 상면에 어쿠스틱으로 결합하는 스피곳을 포함한다.

요구되는 어쿠스틱 결합 감도를 제공하기 위해서 마이크로폰 면판은 면판과 회전유닛의 부착 플랜지 사이에 놓여진 탄성 압축 워셔에 의해 회전유닛의 큰 질량으로부터 분리되는 것이 바람직하다.

내장된 마이크로폰이 동작을 위해서, 면판은 고정된 하측 클램프에 의해 시추동이 유지된 상태에서 하향 힘(비트 무게)을 인가함으로써 시추동과 확고하게 접촉하여 가압된다. 탄성 워셔는 축방향으로 압축되고 이 상태에서, 시추동의 상부를 그립하기 위해 회전 척을 작동시킴으로써 고정될 수 있다. 이에 따라 탄성 워셔에 압축 힘은 시추동 내에서 시추동의 상향 혹은 하향 이동에 관계없이 시추동의 상부에 마이크로폰 면판을 접촉한 상태를 유지한다. 시추동의 이동은 회전 척 혹은 고정된 로드 캠프에 의해 언제든 확실하게 제지된다.

토양 테스트 작업 동안 UIP 공구 조립체로부터 측정 데이터를 수신하는 것 외에, 내장된 마이크로폰은 작업자가 해저 상에서의 회전 시추 작업을 원격으로 '청취'할 수 있게 하므로, 절단공정의 해석 및 제어를 위한 또 다른 정보원을 제공한다.

따라서 본 발명은 토양 테스트 장치의 상향, 하양 및 회전 움직임 동안 실시간 데이터 전송을 제공한다.

발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 이하 기술한다.

도 1은 토양 테스트 부착물들의 예들로서 UIP(universal instrument probe)의 확장 부분 단면도이다.

도 2는 가스 프로브 부착물에 있어 내장된 연장 튜브 구성에서의 UIP를 도시한 것이다.

도 3은 UIP 자기 스위치 모듈을 단면으로 도시한 것이다.

도 4는 UIP 전원장치의 원격 스위칭 수단 및 메모리 모듈로부터 무선 데이터 다운로드를 도시한 것이다.

도 5는 회전 구동유닛 내 내장된 수신 마이크로폰의 개략적 구성을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 만능 기기 프로브(UIP)는 위에서부터 아래로 순서대로, 어쿠스틱 전송기 모듈(2), 배터리 파워 팩 모듈(3), 스위치 모듈(4), 및 신호 조정(conditioning) 및 데이터 로깅(logging)을 위한 전자장치 모듈(5)을 포함하는 조립체(1)로서 제공된다. 전송기 모듈(2)은 이의 상측단부를 어댑터 로드(6)에 결합하는 수단을 구비하며, 어댑터 로드(6)는 시추동(7) 혹은 유사한 토양 침투 장치에 연결한다.

전자장치 모듈(5)은 다-핀 컨넥터(8)로 전기적으로 종단되어 있고 연장 튜브(9)에 더 조립될 수 있다. 연장 튜브(9)의 하측단부는 이를테면 원뿔 경도계(10), 볼 경도계(11), 혹은 베인 전단(shear) 공구(12)와 같은 토양 측정 공구를 부착하도록 되어 있다. 연장 튜브(9) 내에 복수-코어 연결 케이블(13) 및 매칭 플러그(14)는 파워를 토양 측정 프로브에 공급하고 측정 데이터 신호들을 수신하기 위해, 전자장치 모듈(5)을 부착된 토양 측정 프로브에 연결한다. 연결 케이블(13)을 꼬임이 없이, UIP 조립체(10)에 토양 측정 프로브의 조립을 용이하게 하기 위해서, 연장 튜브(9)는 바람직하게는 일단부에 우선 스레드(right-handed thread)와 대향 단부에 좌선 스레드를 구비한다. 컨넥터들(8, 14) 및 케이블 조립체(13)는 UIP 조립체(1)의 정격 작업 깊이에 적합한 수중 타입이다.

UIP 조립체(1)는 바람직하게는 표준 36mm 직경의 원통형 하우징 형태이다. 다수의 모듈들은 통상의 타입이거나, Geotech AB에서 제작한 무선 원뿔 경도계 테스트 시스템의 일부를 이루는 것으로서, 어쿠스틱 전송기 모듈(2), 배터리 파워 팩 모듈(3) 및 전자장치 모듈(5)을 포함하여, 심해 작업을 위한 현존의 제품들의 개조들이다.

어댑터 로드(6) 및/또는 연장 튜브(9)의 길이는 필요하다면 특정 타입의 부착된 토양 테스트 프로브의 길이에 따라 구성될 수 있다. 이에 따라 UIP 및 프로브 조립체의 전체 길이는 단일 수단의 공구 보관 및 해저 플랫폼에서 로봇에 의한 취급에 적합하게 표준화될 수도 있다.

다른 실시예를 도시한 도 2를 참조하면, 연장 튜브(9)는 어댑터 로드(6)에 직접 부착한다. 이 구성에서 연장 튜브(9)는 UIP 조립체(10)를 에워싸며 하측단부에서 가스 센서(15)와 같은 대안적 측정 공구들을 부착하도록 되어 있다. 연장 튜브(9)의 내 직경은 UIP 조립체(1)의 외 직경보다 커서, 환상의 통로(16)를 형성한다. 시추수 혹은 플러시 워터는 시추동(7)으로부터 어댑터(6) 내 상호연결 통로들(17)을 통해 환상의 통로(16)를 거쳐 연장 튜브(9)를 통해 흘러 센서(15) 근처의 연장 튜브(9)의 하측단부에서 방출하게 할 수 있다.

도 3을 참조하면, 스위치 모듈(4)은 단부 특징을 배터리 하우징(3) 및 전자장치 모듈(5)에의 기밀 접속에 적합하게 한, 이를테면 'Nitronic 50'과 같은 바람직하게는 고 강도 스테인레스 합금인 자기적으로 투명한 물질로부터 구성되는 구조적 하우징(18)을 포함한다. 예를 들면 유리로 충전된 PTFR인 전기적 절연물질로 구성되는 스위치 본체(9)는 하우징(18) 내에 느슨하게 수용되고 동심으로 배치된다. 스위치 본체(19)는 이를테면 Assemtech Europe 제품 번호 8602-0551-020와 같은 유리 리드 스위치(20)가 놓여지며 대칭축에 평행하나 이로부터 오프셋된 관통공을 갖 는다. 리드 스위치(20)의 공통 리드(21)는 스위치 본체(19)의 일 단부의 중앙에 놓여지는 공통 단자(22)에 연결된다. 스위치 본체(19)의 대향 단부에 리드 스위치(20)의 통상 폐쇄 리드(23)는 역시 중앙에 놓여진 통상 폐쇄 단자(24)에 연결된다. 리드 스위치(20)의 통상 개방 리드(25)는 연결되지 않은 상태에 있고 자기 안테나처럼 작용하게 자체가 접어 젖혀진다. 절연 슬리브(26)는 한 쌍의 스위치 리드들을 분리시킨다. 땜납 버튼(27)은 바람직하게는 리드들(21, 23)을 단자들(22, 24)에 각각 결합하여, 배터리 팩(3) 및 전자장치 모듈(5)에 적합한 전기적 접촉들을 형성한다.

스위치 모듈(4)의 변형예에서, 스위치 본체(19)는 건전지 배터리의 표준 치수들로 만들어질 수 있다. 이 경우 스위치 조립체는 전원 모듈(3)의 케이스가 비자성 물질로 구성된다면, 전원모듈(3) 내 직렬로 배열되는 배터리들 중 하나로 대치될 수도 있다.

도 4는 UIP 내에서 원격 파워 스위칭의 바람직한 방식을 도시한 것이다. UIP 조립체(1)를 내장한 공구 조립체(28)는 통상시에는 자기 조립체(30)를 구비하는 공구 랙 혹은 매거진(29) 내에 보유된다. 자기 조립체(30)는 비자성 케이스(31), 및 UIP 스위치 모듈(4) 부근에 강한 자계(33)를 생성하게 놓여진 다수의 희토류 영구자석들(32)을 포함한다. 단일의 자석 조립체(30)는 복수의 인접한 공구 조립체들을 작동시키는데 사용될 수 있다. 자석들은 공구 조립체(28) 내에 스위치 모듈(4)의 서로 다른 위치들을 수용하기 위해 케이스(31) 내에 서로 다른 높이들로 그룹으로 나뉘어 질 수 있다. 공구 조립체(28) 내 스위치 모듈(4)이 자석 조립체(30) 근처에 있는 동안에, 스위치 모듈(4)은 개방된 상태로 자기적으로 작동된 상태에 놓이게 된다. 이에 따라 배터리 파워 팩(3)은 전기적으로 분리되고 전송기 모듈(2) 및 전자장치 모듈(5)은 비활성화된 상태에 놓이게 된다.

도 4를 참조하면, 전자장치 모듈(5)은 외부 안테나(34)에 전기적으로 접속되는 제1 내부 라디오 주파수 통신 디바이스를 포함한다. 안테나(34)는 실질적으로 손상에 대해 보호되도록 모듈(5)의 하우징 상의 외측 홈 내에 시일링된다. 제2 라디오 통신 디바이스(35)는 로봇에 의한 공구 취급 메커니즘에 의해 전자장치 모듈(5)이 매우 근접하게 될 수 있는 해저 장치 상의 고정된 위치에 제공된다. 이에 따라 무선 양방향 데이터 전송은 모듈(5) 내 제1 라디오 통신 디바이스와 제2 라디오 통신 디바이스(35) 간에, 그리고 수상 베셀 상의 원격 조작자 스테이션에의 유선 혹은 광학 링크(36)를 통해서 수립된다.

수상 베셀로부터 해저 장비의 배치에 앞서, 각각의 공구 조립체(28)는 전원 모듈(3)에 새로운 한 세트의 배터리들을 채우고 공구 메거진(29)에 수작업으로 장전된다. 해저에서, 선택된 공구 조립체(28)는 하향공 작업을 위해 로봇에 의한 제어 하에 메거진(29)으로부터 제거될 수 있고, 자계(33)로부터 이와 같이 제거되었을 때, 스위치 모듈(4)은 통상 폐쇄 상태로 되돌아가고, 전송기 모듈(2) 및 전자장치 모듈(5)을 활성화한다. 일단 공구 조립체(28)가 메거진(29)으로 복귀되면 파워는 다시 스위치 오프 되고, 이에 따라 장기간의 해저 개별동안 다수회 공구 사용을 위해서 충분한 배터리 에너지를 유지한다. UIP 어셈블리(1)가 활성화될 때마다, 부착된 토양 측정 공구로부터의 데이터 스트림은 전송기 모듈(2)에 의해 어쿠스틱으 로 전송된다. 어쿠스틱 데이터 신호는 시추동 위로 해서 수신 마이크로폰으로 전해지고 수신 마이크로폰은 이를 전기신호를 변환한다. 데이터 스트림은 또한 모듈(5)에 전기적으로 로깅되고 공구 조립체(28)가 메거진(29) 내 복귀되기 전에 통신 디바이스(35)를 통해 다운로드될 수도 있다.

도 5를 참조하면 발명의 또 다른 면은 척(39)을 통해 시추동(7)을 하강하고, 회전하고 상승시키는 상부 구동유닛(38) 내 내장된 압전기 마이크로폰 조립체(37)를 제공한다. 마이크로폰 조립체(37)는 구동유닛(38)의 중심을 통과하는 수밀(water seal) 샤프트 조립체(41) 내의 별도의 챔버(40)를 점유한다. 마이크로폰 면판(42)은 수밀 샤프트 조립체(41)의 하측 요소를 형성하며, 마이크로폰 조립체(41)를 정렬시키고 이를 시추동(7)의 상측 단부(44)에 어쿠스틱으로 결합하는 스피곳(43)을 포함한다. 탄성 압축 워셔(43)는 면판(42)과 구동유닛(38)의 부착 플랜지(46) 사이에 배치된다.

소 직경의 연결 튜브(47)는 마이크로폰 챔버(40)로부터 수밀 샤프트 조립체(41)의 구멍을 통해 연장한다. 연결 튜브(47)는 마이크로폰(37)에서 수밀 샤프트 조립체(41)의 상부에 부착된 단일-접촉 회전 조인트(49)까지의 와이어(48)를 에워싼다. 연결 튜브(47)는 챔버(40) 및 회전 조인트(49)에의 입구에서 주변이 시일링된다. 챔버(40), 연결 튜브(47) 및 회전 조인트(49)는 오일로 채워지고 외부 압력 보정기에의 접속을 통해 주변 상태 압력과 균형을 맞춘다.

수밀 샤프트 조립체(41), 면판(42) 및 스피곳(43)은 외부 펌프로부터 압력 하에 시추동(7)으로 시추수가 공급되게 하는 상호연결 통로들(50)을 구비한다. O- 링 시일(51)은 스피곳(43)과 시추동(7)간의 조인트에서의 유체 누설을 방지한다.

내장된 마이크로폰 어셈블리(37)의 동작을 위해서, 고정된 하측 클램프에 의해 시추동(7)이 축방향으로 구속된 중에 상부 구동유닛(38)으로 하향의 힘(비트 무게)을 인가함으로써 면판(42)은 시추동(7)에 견고한 접촉으로 가압된다. 탄성 워서(45)는 축방향으로 압축되고, 이 상태에서 시추동(7)의 상부를 그립하기 위해 회전 척(39)을 작동시킴으로써 고정된다. 이에 따라 탄성 워셔(45)에 압축력은 시추동(7)의 상향 혹은 하향 이동에 관계없이 면판(42)과 시추동(7)과의 접촉 상태를 유지한다. 하향공 프로브 조립체로부터의 측정 데이터 스트림은 시추동(7)을 통해 어쿠스틱으로 전송되고 마이크로폰 조립체(37)에 의해 수신된다. 마이크로폰(37)으로부터 전기적 출력신호는 회전 조인트(49)를 통해 와이어(48)에 의해 전달되고 이어서 수상 베셀 상의 조작 스테이션에 실시간으로 전송된다.

이 명세서에서 임의의 종래 기술에의 참조는 이 종래 기술이 호주에서 공통의 일반적인 지식의 일부를 이룬다고 하는 인정 혹은 어떤 형태의 암시가 아니며, 이것으로서 취해져서는 안 된다.

명세서 및 다음의 청구들 전체에 걸쳐, 상황이 다른 것을 요구하지 않는 한, "포함하다"라는 단어는 개시된 정수 혹은 단계 혹은 일군의 정수들 혹은 단계들의 포함을 의미하는 것으로 이해될 것이며 그러나 어떤 다른 정수 혹은 단계 혹은 일군의 정수들 혹은 단계들을 배제하진 않는다.

마지막으로, 발명의 면들 중 어느 면에서 발명의 개념은 전술한 설명의 일반성이 첨부된 도면들의 특이성으로 교체되지 않게 많은 서로 다른 구조들에 포함될 수 있음을 알 것이다. 각종의 변경들, 수정들 및/또는 추가들은 발명의 정신 혹은 범위 내에서 다양한 구조들 및 부분들의 배열들에 포함될 수도 있다.

Claims (12)

1. 해저와 같은 바다의 해저면의 조사 또는 분석에서 사용하기 위한 장치에 사용하기 위한 프로브 조립체로서, 상기 장치는 심해 침투 디바이스, 및 해저면 테스트 공구를 포함하고, 상기 프로브 조립체는 상기 프로브 조립체를 상기 심해 침투 디바이스에 동작적으로 연결하기 위한 제1 결합 및 상기 프로브 조립체를 상기 해저면 테스트 공구에 동작적으로 연결하기 위한 제2 결합을 포함하며, 상기 프로브 조립체는 상기 공구로부터의 정보를 처리하기 위한 신호 처리 모듈, 상기 신호 처리 모듈로부터 데이터의 전송을 위한 데이터 전송 모듈, 상기 데이터 전송 모듈 및 상기 신호 처리 모듈을 동작시키기 위한 전원 및 상기 전원에서 상기 데이터 전송 모듈 및 신호 처리 모듈에 선택적으로 연결하기 위한 스위치 모듈을 더 포함하는, 프로브 조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 처리 모듈은 상기 공구로부터의 신호들을 데이터로 처리하기 위한 전자장치 모듈 및 상기 데이터를 저장하기 위한 데이터 로깅 모듈을 포함하는, 프로브 조립체.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 데이터 전송 모듈은 어쿠스틱 전송기를 포함하는, 프로브 조립체.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위치 모듈은 상기 전원을 상기 신호 처리 모듈 및 데이터 전송 모듈에 전기적으로 연결 및 단절시키게 구성된 원격으로 작동가능한 디바이스인, 프로브 조립체.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 근 범위 무선 통신 디바이스를 더 포함하는, 프로브 조립체.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위치 모듈은 자계에 응하는 자기 응답 스위칭 디바이스를 포함하는, 프로브 조립체.
7. 바다의 해저면의 조사 또는 분석에 사용하기 위한 장치로서, 상기 장치는 심해 침투 디바이스, 해저면 테스트 공구 및 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 프로브 조립체를 포함하며, 상기 프로브 조립체는 상기 심해 침투 디바이스 및 상기 공구에 동작적으로 연결되고, 상기 장치는 상기 프로브 조립체로부터 멀리 떨어져 있는 상기 심해 침투 디바이스의 단부에 수신 마이크로폰을 더 포함하고 이에 상기 심해 침투 디바이스를 통해 어쿠스틱으로 결합된, 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 수신 마이크로폰은 해저에서 주위 수압과 등압인 액체로 채워진 인클로저 내에 내장된, 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 수신 마이크로폰은 상기 심해 침투 디바이스에 연관된 구동유닛 내에 또한 내장된, 장치.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 프로브 조립체에 사용하는 원격으로 작동가능한 스위치 디바이스로서, 상기 스위치 디바이스는 한 단자는 전원에 연결될 수 있고 다른 단자는 신호처리 모듈 및 데이터 처리모듈에 연결될 수 있는 두 단자를 포함하는 전기 회로 내 구성된 스위치 소자를 포함하고, 상기 스위치 소자는 정규로, 상기 회로가 폐쇄되는 폐쇄 위치 및 상기 회로가 개방되는 개방위치 중 하나를 채택하게 되며, 상기 스위치는 자계 근처에 있을 때 이 상기 스위치가 개방 위치를 채택하게 상기 자계에 응하는 것인, 스위치 디바이스.
11. 제 10 항에 있어서, 자기적으로 투명한 하우징, 상기 하우징 내 배치된 전기적으로 절연된 스위치 본체를 포함하고, 상기 스위치 소자는 상기 개방 위치와 상기 폐쇄 위치간에 이동될 수 있는 리드 스위치를 포함하는, 스위치 디바이스.
12. 제 10 항에 따른 스위치 디바이스로서, 상기 자계는 상기 해저면의 영역 내에 장착된 자석 조립체를 포함하는, 스위치 디바이스.

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