NO180248B - Anordning for bestemmelse av vertikal avstand mellom to elementer i ulike höyder - Google Patents

Abstract

Det er beskrevet en anordning for å måle trykk-forskjellen mellom de to endene til i det minste et fleksibelt rer som knytter sammen posisjonene som opptas av to elementer. I en foretrukket utførelse blir signalene som leveres av to. differensialtrykksensorer anordnet ved de respektive av nevnte posisjoner og på hvilke det blir påtrykt trykkene som hersker i to fleksible ror hvor det ene inneholder et fluid med en tetthet større enn tettheten til luft og det andre inneholder luft, og disse to rørene er begge forbundet med de respektive inngangene til de to sensorene, påtrykt en summeringsinnretning. En akkumulator holder de statiske trykkene i begge rørene like. Anordningen er nøyaktig og praktisk talt ufølsom overfor temperaturvariasjoner og akselerasjoner.

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN.

1. Det tekniske område for oppfinnelsen.

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for måling av den vertikale avstand mellom i det minste to elementer. En mulig anvendelse for anordningen i henhold til oppfinnelsen er målingen av variasjonene til den vertikale avstanden mellom en posisjon på en flytende installasjon og et mobilt element. Blant alle de mulige anvendelser av anordningen kan f.eks. nevnes styringen av et antihivsystem for en flytende installasjon, av typen som blir brukt i oljeboringsskip eller ved marine tekniske operasjoner.

2. Beskrivelse av kjent teknikk.

Avstanden mellom to punkter som er bevegelige i forhold til hverandre, kan måles ved at det installeres en materialforbindelse mellom punktene: eksempelvis er en utstrukket ledning eller kjede eller en tannstang mulig å anvende ved korte avstander og for å måle variasjonene til lengden av forbindelsen. Dette er en rimelig løsning, men vanskelig å anvende når avstanden er stor på grunn av deformasjon av vaieren eller ledningen eller kjeden eller et annet medium når installasjonen av en materialforbindelse hindrer driften av de mobile elementene og begrenser deres bevegelsesfrihet.

Avstandsmålinger kan også utføres uten materiell forbindelse ved hjelp av telemetre. Generelt er dette diskontinuerlige målinger utført i tidsintervaller som er adskilt mer eller mindre i avhengighet av variasjons-hastigheten til avstandene som skal måles, ved hjelp av akustiske pulser.

Akustisk telemetri, som består i å måle forplantnings-tiden til akustiske bølger over avstanden det gjelder, er brukt på adskillige områder: posisjonering til sjøs i forhold til nedsenkede punkter, måling av væskenivåer og spesielt vanndybden under et skip ved hjelp av sonarer etc., eller innen fotografering for å justere fokuseringen til et fotoapparat.

Avstandene kan også måles ved hjelp av elektromagnetiske bølger. Anordningene som anvendes, er radar eller radio-altimetre. I området optiske frekvenser er det også kjent laser-telemetre som gir en svært høy nøyaktighet.

De ovenfor nevnte anordninger er generelt dårlig tilpasset de tilfeller hvor det er ønskelig å bestemme en vertikal avstand mellom to punkter som ikke er på den samme vertikale akse og som drives med komplekse bevegelser i forhold til hverandre.

Dette er tilfelle mer spesielt på flytende installasjoner hvor et antiduvesystem opprettholder, i en hovedsakelig konstant høyde i forhold til bunnen til vannmassene, en toppblokk som opplagrer f.eks. boreutstyr. For å kunne være i stand til å styre den korrekte driften av antiduvesystemet er det nødvendig å kjenne nøyaktig høydevariasjonene til den stabiliserte toppblokken, mén også variasjonene i den vertikale avstanden som adskiller blokken fra ethvert punkt relatert til den flytende installasjonen. En slik bevegelses-kompensator er f.eks. beskrevet i US patent nr. 4,421,173.

I fransk patent FR 2,627,857 (= US 4,932,248) som tilhører rettighetshaveren til herværende oppfinnelse, er det beskrevet en anordning for å måle høydevariasjonene til en flytende installasjon. Den vertikale avstand mellom den stabiliserte toppblokken og referansepunktet på den flytende installasjonen kan beregnes på bakgrunn av direkte målinger mellom disse to posisjonene under anvendelse av et telemeter av en egnet type. Men dette er bare mulig dersom telemetrimålingene blir korrigert ved at det tas hensyn til høydevariasjonene til den flytende installasjonen bestemt av en anordning av kjent type for å måle vinkelawikene i forhold til vertikalplanet. Sammenstillingen eller settet kan levere nøyaktige målinger, men kostnadene er vanligvis svært høye.

Prinsippet med å måle et vertikalt avvik mellom to punkter ved å måle differensialtrykket i begge endene til et fleksibelt rør fylt med fluid og anordnet mellom disse punktene, er allerede brukt. Spesielt fra US patent nr. 4,397,099 er det kjent en fremgangsmåte og et apparat for måling av høydeforskjellen mellom to punkter ved hjelp av en lignende barometrisk metode. Apparatet omfatter et fleksibelt rør fylt med væske, to piezoelektriske sensorer som måler de relative trykk i de to endene av røret og en elektronisk mikroprosessor-behandlingsenhet innrettet for å beregne høyde-forskjellen ut fra de to sensorenes angivelser.

Problemet som skal løses, er å oppnå god nøyaktighet ved trykkmålingene og god kompensasjon for variasjonene i det statiske trykket til fluidet under påvirkning av temperaturvariasjoner.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Anordningen i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å få frem, med god nøyaktighet, den vertikale avstanden mellom i det minste to punkter i ulike høyder uten hensyn til deres respektive bevegelser, ved hjelp av trykkmålinger.

Ifølge oppfinnelsen omfatter anordningen trykksensor-innretninger for å måle variasjonene i trykkdifferansen mellom de to endene til et fleksibelt rør fylt med et fluid hvis tetthet er forskjellig fra luft, som knytter sammen nevnte punkter i ulike høyder, hvor disse trykkdifferansevariasjonene følger etter hverandre ved vertikale bevegelser av de to posisjonene i forhold til hverandre, og innretninger for å omforme nevnte trykkvariasjoner til vertikale

avstandsvariasj oner.

Anordningen er kjennetegnet ved at den omfatter et andre fleksibelt rør fylt med gass og ved at sensorinnretningene omfatter to differensialsensorer med to innganger, idet den første inngangen måler differansen mellom trykkene som opptrer på den første enden av de to rørene, og den andre differansen mellom trykkene som opptrer ved enden av de to rørene, og anordningen omfatter også balanseringsinnretninger for å opprettholde på en hovedsakelig konstant verdi den statiske trykkdifferansen som hersker mellom de to punktene henholdsvis til det fluidfylte røret og det gassfylte røret.

Balanseringsinnretningen består f.eks. av en membranakkumulator for å adskille fluidet og gassen og som balanserer

variasjonene til deres respektive statiske trykk.

Anordningen kan omfatte et filtreringselement innført mellom det første røret og nevnte membranakkumulator.

Anordningen kan også omfatte innretninger for å summere målesignalene frembragt av de to differensialsensorene.

En første ende av de to fleksible rørene kan være fastgjort i en første posisjon som holdes hovedsakelig høydestabil ved hjelp av et hivkompensasjonssystem tilordnet en flytende installasjon som er utsatt for stigningen, mens den andre enden av de to fleksible rørene er fastgjort i en andre posisjon som er utsatt for hivingen.

Anordningen i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å måle forskjellen i vertikal avstand til to punkter, uten hensyn til deres respektive bevegelser, ved en svært mye lavere kostnad enn ved de tidligere kjente anordninger som er basert på forskjellige prinsipper. Nøyaktigheten er svært god og praktisk talt uavhengig av temperaturvariasjoner og akselerasj oner.

Anvendelsen av to rør hvis innhold er ved det samme statiske trykk og som holdes på likt trykk ved hjelp av balanseringsinnretninger så som en akkumulator, gir god kompensasjon for temperaturpåvirkning. Siden differensialsensorene bare skal måle trykkdifferanser som blir godt kompensert når det gjelder temperatur, kan svært sensitive sensorer anvendes og det oppnås finere og mer nøyaktige målinger.

OMTALE AV TEGNINGENE

Andre egenskaper og fordeler ved anordningen i henhold til oppfinnelsen vil fremgå klart ved å lese beskrivelsen av flere utførelsesformer som er gitt som ikke-begrensende eksempler, med henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Figur 1 viser skjematisk en offshore eller fralands-boreinstallasjon som anordningen i henhold til oppfinnelsen kan brukes på; Figur 2 viser en første utførelse av anordningen; Figur 3 viser en andre utførelse av anordningen; Figur 4 viser en tredje foretrukket utførelse av anordningen; Figurene 5 og 6 viser at de laterale avvikene til de to målepunktene ikke har noen påvirkning på resultatet til målingen av deres vertikale avstand frembragt med anordningen; og Figurene 7 og 8 viser virkningen av de samme laterale avvikene på resultatet av avstandsmålingen frembragt med en konvensjonell utstrukket vaiersensor.

BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSER

Anordningen i henhold til oppfinnelsen kan anvendes, som vi har sett, sammen med et system for å kompensere hivingen til en flytende installasjon så som et skip, under virkningen av bølgebevegelsene til sjøen, og dette systemet gjør det mulig å stabilisere stillingen til et opplagringssett i forhold til sjøbunnen.

En flytende opplagring for boring i sjøbunnen 1 så som det som er vist skjematisk på figur 1, består i virkeligheten svært ofte av et system for å forhindre transmisjonen av hivbevegelser på grunn av stigningen over til en borestreng 2. Skipet bærer et boretårn 3 til hvilket det er fastgjort en montasje som opplagrer borestrengen og som omfatter to blokker 4 og 5. Til et fastgjøringselement 6 på skipet er det festet enden av kabler 7 som passerer over skivene til de to blokkene 4 og 5 og er viklet på en vinsj 8. Et antihivsystem omfatter f.eks. jekker 9 hvis stenger er fastgjort til en plattform 10 som har opplagringsinnretninger for kroneblokken 4. Olje-pneumatiske innretninger (ikke vist) gjør det mulig å kjenne eller styre glidningen til stengene til jekkene 9 for å opprettholde kroneblokken 4, og således strengen som henger ned fra denne, i en hovedsakelig konstant høyde i forhold til sjøbunnen. En forbedret hivkompensasjonsanordning er beskrevet eksempelvis i fransk patent 2 575 452.

Prinsippet for vertikal avstandsmåling i samsvar med oppfinnelsen består hovedsakelig i å knytte sammen de to posisjonene mellom hvilke det er ønskelig å foreta målingene ved hjelp av et fleksibelt rør som i det minste er så langt som den største avstanden som kan adskille dem i praksis under målingene som skal utføres, og ved å måle variasjonene til trykket som utøves på en fluidsøyle inneholdt i det fleksible røret når den vertikale avstanden varierer.

I det angitte brukseksempel er en av posisjonene valgt å være kroneblokken 4. Den andre posisjonen er av hensikts-messige grunner valgt å være på plattformen 10 eller på boretårnet 3.

Den enkleste utførelsen (figur 2) av anordningen i henhold til oppfinnelsen består av én enkelt trykksensor 11 som er forbundet med den laveste enden av et fleksibelt rør 12, som knytter sammen de to valgte posisjonene A og B. Røret 12 er fylt av et fluid som har en tetthet som er forskjellig fra, og fortrinnsvis større enn, tettheten til luft. Det statiske trykket Ps som opptrer inne i røret, er kjent fra en forutgående måling hvor de to endene til røret er plassert i den samme høyden.

Trykksensoren 11 måler derfor overtrykket dp ved basisen av fluidsøylen inneholdt i røret når dette knytter de to posisjonene A og B sammen. Dette overtrykk skyldes fluidmassen inneholdt i røret. Dersom p, h, g angir respektivt den spesifikke massen til fluidet, den vertikale avstanden mellom punktene A og B og gravitasjonsakselera-sjonen, kan overtrykket dp uttrykkes ved ligningen:

Dersom røret har forbindelse med atmosfæren med den øvre delen, måler trykksensoren overtrykket dp i forhold til atmosfæretrykket.

Bedre resultater oppnås ved anvendelse av to trykksensorer lia og 11b anordnet i respektive posisjoner A og B (figur 3) og ved summering av trykkene til de to trykksensorene. Når røret beveger seg for å følge variasjonene til avstandene AB, blir i virkeligheten fluidet inne i røret utsatt for akselerasjoner. Den nedre sensoren lia måler et momentant trykk PiA = Ps + pgh + Pa, hvor Ps angir, som det vil gjenkalles, det statiske trykket til fluidet og Pa overtrykket som skyldes den momentane akselerasjon. Den øvre sensoren 11b måler et trykk PiB = Ps - Pa, idet virkningen av akselera-sjonen er motsatt den som måles ved den andre enden av røret 12. Ved å summere trykkene PiA og PiB

blir måleforstyrrelsene som skyldes akselerasjonene eliminert. Summeringen blir utført i en summeringsinnretning 13 som adderer målesignalene som leveres av de to sensorene lia og 11b. Med kjent statisk trykk Ps kan verdien av overtrykket pgh og derved den vertikale avstanden h utledes. Måling av differansen til de to signalene PiA og PiB er også mulig

Denne er uavhengig av det statiske trykket Ps, men blir forstyrret av virkningene av akselerasjonene Pa.

I den foretrukne utførelse (figur 4), blir to differensialtrykksensorer 14 og 15 brukt, hvilke sensorer har to innganger og er anordnet i respektive posisjoner A og B.

De to endene til røret 12 fylt med fluid ved et statisk trykk Ps er forbundet med en første inngang elf til de respektive to sensorer 14 og 15. Mellom de andre respektive innganger e2 til de to sensorene 14 og 15 er det forbundet et andre rør 16 fylt med luft med et statisk trykk Ps som er identisk med trykket til fluidet til det andre røret 12. Toppendene til begge rørene 12 og 16 er plassert i forbindelse med hverandre ved hjelp av de respektive to rør 17 og 18, og de motstående rom 19 og 20 til en akkumulator 21 av kjent type. En fleksibel membran 22 sørger for permanent balansering av trykkene i begge rommene 19 og 20 og således balansering av de statiske trykkene i begge rørene 12 og 16.

Et dempeelement 2 3 er innskutt i kanalen eller røret 17. Dette virker som et lavpassfilter for å eliminere de dynamiske trykkvariasjonene som påføres rommet 19. Tilstedeværelsen av dette elementet 23 rettferdiggjøres i praksis bare dersom trykksensorene blir brukt med en tilstrekkelig hurtig respons og/eller dersom trykktapene i røret 12 er tilstrekkelig lave.

Den første sensoren 14 måler på sine innganger ex og e2 de respektive trykk

- p og p' angir de respektive spesifikke masser til fluidet og luften i rørene 12 og 16, og - Pa og Pa', de momentane overtrykk som skyldes akselerasj onene. Sensoren 14 vil frembringe et signal VS1 som er proporsjonalt med Den andre sensoren 15, som måler ved sine respektive innganger e-^ og e2 trykkene gir et signal Vs2 som er proporsjonalt med

Signalene som leveres av de to sensorene 14 og 15 blir også påtrykt en summeringsinnretning 13 som derfor frembringer et signal som er proporsjonalt med

Av dette signalet kan den effektive vertikale avstanden mellom de to posisjonene A og B avledes ved ethvert tidspunkt. Anordningen er praktisk talt ufølsom for akselerasjons-virkninger. I tillegg resulterer den permanente balansering av de statiske trykkene i begge rørene 12 og 16 som tilveiebringes av akkumulatoren 21, i at anordningen blir praktisk talt ufølsom også for temperaturvariasjoner.

I en variant av den forutgående utførelse kommuniserer rommet 20 til akkumulatoren som inneholder luft, med det eksterne medium og derfor er det statiske trykket Ps i dette tilfelle lik atmosfæretrykket.

Uten å forlate rammen for oppfinnelsen kan akkumulatoren 21 erstattes av enhver egnet innretning for å balansere de respektive statiske trykk i de to rørene eller til og med bringe de øvre endene til begge rørene 12 og 16 til forbindelse med atmosfæren.

Det er undersøkt eksperimentelt at de vertikale avstands-målingene utført ved anvendelse av anordningen i henhold til oppfinnelsen ikke på noen måte ble påvirket av de laterale avvik til de to måleposisjonene i forhold til hverandre. Det kan sees av figurene 5 og 6 at den vertikale avstanden h mellom de to punktene A og B som ble utsatt for hivbevegelser av konstant amplitude, ikke endres selv om linjen AB er vertikal (figur 5) eller den har et avvik på 4 3° i forhold til vertikalplanet (figur 6). Under identiske forhold resulterer et vinkelawik på 43° i en vesentlig variasjon (d) i den vertikale avstanden h . mellom to punkter A og B dersom en konvensjonell strukket vaiersensor blir brukt for målingen.

Claims (5)

1. Anordning for å bestemme den vertikale avstanden mellom i det minste to posisjoner som befinner seg i ulike høyder på bakgrunn av trykkmå1inger, hvilken anordning omfatter trykk-sensorinnretninger for å måle variasjonene til trykkdifferansen mellom de to endene til et fleksibelt rør fylt med et fluid hvis tetthet er forskjellig fra tettheten til luft, som binder sammen de to posisjonene med ulike høyder, hvor disse trykkdifferansevariasjoner følger etter hverandre ved vertikale bevegelser av de to posisjoner i forhold til hverandre, og innretninger for å omforme trykkdifferansevariasjonene til vertikale avstandsvariasjoner, karakterisert ved at anordningen videre omfatter et andre fleksibelt rør fylt med gass og at trykksensorinnretningene omfatter to differensialsensorer med to innganger, idet den første måler differansen mellom trykket i den første enden til de to rørene, og den andre differansen mellom trykket i den andre enden av de to rørene, og anordningen omfatter også balanseringsinnretninger for å opprettholde på en hovedsakelig konstant verdi den statiske trykkdifferansen som hersker mellom de to punktene henholdsvis til det fluidfylte røret og det gassfylte røret.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at balanserings-innretningene omfatter en membranakkumulator for å adskille fluidet og gassen og å balansere variasjonene til deres respektive statiske trykk.

3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter innretninger for å summere målesignalene frembragt av de to sensorene.

4. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at den omfatter et filtreringselement innskutt mellom nevnte første rør og membran-akkumulatoren.

5. Anordning som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at den første ende av de to fleksible rørene er fastgjort i en første posisjon som holdes i hovedsak i stabil høyde av et hivkompensasjonssystem tilordnet en flytende installasjon som utsettes for stigningen mens den andre enden av de to fleksible rørene er fastgjort i en andre posisjon som utsettes for hivingen.