NO20090529L - Sensormodul med temperaturkompensering for maling av avstander under vann - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen omfatter en sensormodul, et system og en fremgangsmåte for nøyaktig måling og beregning av avstand mellom to lokasjoner under vann. Dette oppnås ved å måle temperaturen i vannet på ulike lokasjoner og samordne disse verdiene for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelseshastighet i vannet ved bruk av målte vanntemperaturer.

Description

Introduksjon

Den foreliggende oppfinnelsen omfatter en sensormodul, et system og en fremgangsmåte for nøyaktig måling og beregning av avstand mellom lokasjoner under vann.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Måling av korrekte avstander under vann ved hjelp av sonar eller ekkolodd er et velkjent problem, siden lydutbredelseshastigheten under vann er avhengig av flere faktorer som vanntemperatur, saltinnhold, trykk osv. Disse vil variere avhengig av lokasjon, årstid, strømningsforhold etc. Det er vanntemperaturen som har størst påvirkning for måleresultatet.

Eksempelvis kan havbunnen målt på en lokasjon med et ekkolodd vises mange meter under eller over den faktiske dybden på havbunnen. Dette vil kunne både forvirre og skape farlige situasjoner.

Problemet forsterkes ved målinger på store havdyp, eller over store avstander under vann.

Det finnes i dag ulike innretninger for å måle avstander under vann med et måleprinsipp som omfatter utsendelse og mottak av lydbølger. Mange av disse benytter en fast hastighet på 1500 m/s for utbredelse av lydbølger, eller hvor lydhastigheten i vann "settes" manuelt ved å slå opp lydhastigheten i vann ved gitt temperatur.

Imidlertid finnes det noen innretninger som har en temperatursensor innlemmet for å måle temperaturen lokalt i vannet hvor innretningen er plassert. Ulempen ved slike systemer er at en målt vanntemperatur lokalt der hvor for eksempel et ekkolodd befinner seg kan være svært forskjellig fra vanntemperaturen langs den totale utbredelsesbanen til lydbølgene. Dette vil spesielt være tilfellet over store avstander.

Vanntemperatur i vertikal retning forandrer seg med dybden. Varmt vann stiger opp, og kaldt vann synker ned. I tillegg vil sola varme opp overflatevannet.

Vanntemperaturen i horisontal retning vil også kunne variere avhengig av avstander og hvor en foretar målinger. Eksempelvis vil vann nær land ha høyere temperatur enn vann som er lengre fra land.

Avstanden mellom to punkter er gitt ved tid multiplisert med hastighet. Prinsippet for sonar eller ekkolodd er å sende ut pulsede lydbølger under vann, og måle tiden det tar før en mottar de samme reflektere lydbølgene. Avstanden er i dette tilfellet gitt ved tid multiplisert med hastighet, og hvor disse divideres med 2.

Grunnet ulike vannsjikt med forskjellige temperaturer, saltinnhold etc. vil dette som nevnt påvirke hastigheten for utbredelsen av lydbølger, som igjen direkte vil påvirke beregnet avstand.

Dersom en for eksempel på en dybde på 1000 meter benytter 1500 m/s for hastigheten på utbredelse av lydbølger, mens den reelle hastigheten er 1515 m/s vil avviket bli +10 meter. Tilsvarende vil en få et avvik på - 10 meter dersom den reelle lydhastigheten er 1485 m/s.

Det å operere og styre ulike innretninger med høy presisjon under vann med en såpass stor usikkerhet som ±10 meter kan føre til uheldige situasjoner som skade på eller tap av utstyr. Eksempelvis kan nevnes tråleoperasjoner i nærheten av rørledninger eller annet sensitivt utstyr. For å være sikker på at en ikke kommer for nære undervannsinstallasjoner bruker trålere i dag ekstra lang tid på å passere et visst område for å være sikker på at en går klar av slike installasjoner.

Den foreliggende oppfinnelsen løser det nevnte foreliggende problemet ved å måle temperaturer på minst to ulike steder langs banen som lyden vil bre seg for så å samordne disse i en mer nøyaktig beregning av avstander under vann. Dette gjøres ved å overføre reell målt temperatur eller beregnet lydhastighet til en enhet som utfører beregning av dybde. En vil da oppnå større nøyaktigheter ved måling av avstander under vann.

Resultatet er at deteksjon av eksempelvis havbunn eller fiskestimer med ekkolodd eller sonar, og avstandsmålinger vil bli vesentlig mer nøyaktig enn hva som i dag er tilfellet.

Sammendrag av oppfinnelsen

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en sensormodul, et system og en fremgangsmåte for nøyaktig måling og beregning av avstand mellom lokasjoner under vann.

Sensormodul en er kjennetegnet ved at den omfatter midler for å måle temperaturer og beregne avstander i vannet, og hvor sensormodulen videre er kjennetegnet ved at den omfatter kommunikasjonsmidler for å kommunisere målte og/eller beregnede verdier til én eller flere enheter for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelseshastighet i vannet ved bruk av de målte

vanntemperaturene.

Systemet er kjennetegnet ved at det omfatter minst to av de nevnte sensormodul ene plassert ved eller i nærheten av hver av nevnte lokasjoner som avstanden skal finnes mellom, og hvor sensormodulene omfatter midler for å måle temperaturer og beregne avstander i vannet ved sine respektive lokasjoner, samt kommunikasjonsmidler for å kommunisere målte og/eller beregnede verdier til én eller flere beregningsenheter som omfatter midler for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelseshastighet i vannet ved de målte temperaturene.

Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at den omfatter bruk av minst to sensormoduler plassert ved eller i nærheten av nevnte lokasjoner, og hvor sensormodulene omfatter midler for å måle temperaturer og beregne avstander i vannet ved sine respektive lokasjoner, samt bruk av kommunikasjonsmidler for å kommunisere målte og/eller beregnede verdier til én eller flere beregningsenheter som omfatter midler for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelses-hastighet i vannet ved de målte temperaturene.

Oppfinnelsen er definert i de selvstendige kravene i det tilhørende kravsettet, og med ytterligere trekk og utførelser slik disse fremkommer i de tilhørende uselvstendige kravene.

Detaljert beskrivelse

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å utvikle systemer som gir større nøyaktighet og mer pålitelig informasjon for bruk i ulike operasjoner som utøves under vann. Løsningen har stor betydning for flere av de operasjoner som foregår under vann, for eksempel innen fiskeri og offshore. Oppfinnelsen vil ha betydning for operasjon av utstyr, detektering av fisk, sleping av redskap for fangst av fisk, skyting av seismikk etc. Andre områder hvor oppfinnelsen med fordel kan benyttes er ved installasjon av f.eks. rørledninger, undervannskabler.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet med henvisning til de vedlagte figurene hvor: Figur 1 viser en sensormodul i henhold til oppfinnelsen; Figur 2 viser et system med flere sensormoduler for å optimalisere avstands og dybdemålinger, og Figur 3 viser et system for praktisk anvendelse av flere sensormoduler for optimalisering av en tråleoperasjon. Figur 1 viser en sensormodul 100 i henhold til oppfinnelsen som er til bruk for nøyaktig måling og beregning av avstand mellom lokasjoner under vann. Sensormodulen 100 omfatter temperatursensor 110, avstandsmålingsmidler 120, og beregningsmidler 130, og er kjennetegnet ved at den ytterligere omfatter kommunikasjonsmidler 140 for å kommunisere målte og/eller beregnede verdier til én eller flere enhet(er) for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelseshastighet i vannet ved bruk av målte vanntemperaturer.

I én utførelse er nevnte enhet for nøyaktig beregning av avstander under vann innlemmet i sensormodulen 100, mens denne enheten i en annen utførelse er innlemmet i andre enheter som sensormodulen 100 kommuniserer med.

Sensormodulen 100 består av en kropp, og er utstyrt med strømforsyningskilde, elektronikk for behandling av data.

Avstandsmålingsmidlene 120 i sensormodulen 100 omfatter sonar og ekkolodd for utsendelse og mottak av lydbølger, og hvor beregningsmidlene 130 er avstands-beregningsmidler.

Sensormodulen 100 kan også fungere som en loggeinnretning for å logge målte temperaturer over tid ved at den ytterligere omfatter midler for å logge målte temperaturer og dybder og eventuelt lokasjon over tid for senere overføring av disse verdiene for samordning med de nevnte midlene for beregning av nøyaktig avstand mellom de nevnte lokasjonene.

I en mer avansert utførelse kan den også omfatte midler for å måle saltinnhold og strømning i vannet for bruk til ytterligere justering for reell lydutbredelseshastighet i vannet.

Sensormodulen kan være av typen enkelt funksjon, multifunksjon, eller multifunksjon hvor den enkelte funksjon kan fjernaktiveres.

I tillegg til at sensormodulen 100 omfatter en temperatursensor for å måle vanntemperaturen kan den også omfatte dybdemåler (trykkmåler), eller høydemåler eller både dybde- og høydemåler.

I nok en utførelse kan sensormodulen 100 omfatte avstandssensor med en eller flere transpondere, gjerne i kombinasjon med dybdemåler og/eller høydemåler.

En eller flere sensormoduler 100 kan monteres på havbunn, på faste installasjoner under vann, elementer som installeres under vann, samt legemer som slepes eller beveger seg autonomt.

Lydhastighetskorreksjon kan gjøres ved benyttelse av en, to, eller flere sensormoduler 100.

Korreksjonen kan enkelt gjøres ved at temperaturmålingen foretatt av én sensormodul 100 benyttes alene, f.eks. i avstandsmålinger som foretas på samme dyp, hvor det er lite eller ingen strøm. Korreksjon kan også foretas ved at temperaturer målt på to eller flere steder midles, f.eks. temperatur målt i overflaten av en temperatursensor på et skip, og sensormodulen 100 som er festet på et legeme, f.eks. en trål. Korreksjon kan også foretas mer nøyaktig ved at sensormodulene registreringer temperaturene i forskjellige vannsjikt når de senkes (gjerne festet til et utstyr), f.eks. ved skyting av trål vil en på denne måten beregne lydhastigheten på en mer nøyaktig måte.

Behandling og kalibrering av dataene kan enten gjøres i sensormodulene 100, f.eks. ved målinger på ett dyp, eksempelvis ved avstandsmålinger, eller mest vanlig direkte i en mottakerenhet som er en enhet for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelseshastighet i vannet ved bruk av målte vanntemperaturer, eller i utstyr tilknyttet denne, eksempelvis loggeprogrammer for havforskningsformål.

Informasjon fra sensormodulen 100 overføres fortrinnsvis akustisk, men dette kan også gjøres ved hjelp av kabel. Som nevnt kan også registreringer lagres i sensormodulen 100 for senere overføring til en enhet for behandling og beregning. Overføring av data kan dermed skje umiddelbart målingen er foretatt, eller så kan data alternativt samles opp og overføres i blokker.

I de følgende punktene beskrives kort ulike applikasjoner med bruk av den nevnte sensormodulen 100.

Figur 2 viser et system med flere sensormoduler for å optimalisere dybdemålinger. Her kan sensorenhetene 100 sende og motta signaler fra hverandre for å bestemme korrekt avstand korrigert for temperatur.

Temperaturfølere i sensormodulene 100 programmerer avstansmålerne i de samme modulene med riktig lydhastighet enten på det stedet sensormodulen befinner seg, eller midlet, eller ved et beregnet snitt av de sensormoduler som kommuniserer med hverandre.

Sensorenhetene kan i tillegg måle dybde ved at de omfatter ekkolodd. GPS og symmetrisensor kan også innlemmes i et slikt system. Avstanden beregnes ved at lydhastigheten beregnes som beskrevet ved temperaturfølere på sensormoduler på fartøy. Dybdemåling får en fra ekkolodd. Utseilt distanse kan en få fra GPS. Dermed vil en finne avstandsforskjeller mellom fartøy og sensormoduler 100.

Symmetrisensor kan brukes for detektere om åpningen på en trålpose slepes symmetrisk etter et fartøy. En trålpose er i symmetri når den er speilvendt om en linje som går langs trålen, fra midtpunktet på overtelna til enden på trålposen.

I en utførelse kan dette gjøres ved at det symmetrisk på hver side av trålposen monteres sendere/transpondere som sender signaler samtidig til fartøyet. Transponderne kan stå i signalforbindelse med hverandre for å synkronisere sin signalutsendelse til fartøyet. Detektert forskjell i ankomsttid av signaler ved fartøyet vil angi om transponderne har like lang avstand fra fartøyet, og dermed om en trålpose slepes symmetrisk etter et fartøyet. Denne informasjonen kan brukes til å regulere trålvinsjer enten manuelt eller automatisk.

Sensormoduler 100 kan videre omfatte sonar for å måle høyde, og kommunisere måleverdier til et fartøy for videre bearbeiding av mottatte data.

Sensormodulene 100 kan sende hver for seg, eller samlet, temperaturdata og eventuelt andre data akustisk til en hydrofon som kan være montert på et fartøy, og som står i forbindelse med en mottaker/prosesseringsenhet som foretar korrigering av avstandsmålingene basert på korrigert lydhastighet. Basert på tidsforskjeller i overføring av signaler fra de forskjellige sensormodulene til hydrofonen, vil prosessorenheten beregne forskjell i avstander fra fartøyet til de enkelte sensorer.

Systemet kan brukes til styring av vinsjer. En bruker da to eller flere sensormoduler 100 og en symmetrisensor. Vinsjene styres manuelt på informasjon fra symmetrisensor og/eller avstand mellom sensormoduler 100 og/eller avstandsforskjeller mellom fartøy og sensormoduler og/eller dybde- og/eller høydeinformasjon fra sensormodulene 100. Ved å ha automatisk styring av vinsjene vil en få et enkelt trålstyringssystem.

Figur 3 viser et system for praktisk anvendelse av oppfinnelsen ved bruk av flere sensormoduler 100 for optimalisering av en tråleoperasjon. Viktige aspekter for optimal styring av en trål er tilstrebing av optimal trålgeometri og tauehastighet under hele trålhalet, også ved endringer av kurs, motorturtall, propeller pitch, vinsjer og endring av vinkler på tråldører og loddanordning. Det sier seg selv at dette er en komplisert prosess som krever nøyaktig informasjon.

Oppfinnelsen gjør det mulig å tilpasse styringsparametrene, nevnt ovenfor, til hverandre. Trålens geometri endres ved endrede bunnforhold, endrede tråldyp, fart og retning på undervannsstrømmer, fyllingsgrad osv.

Endring i hver av styringsparametrene gjør det ikke mulig å få til en optimal trålgeometri. Kun kombinasjon av endringer i to eller flere parametere samtidig, avhengig av forholdene, gjør det mulig å oppnå optimal trålgeometri, posisjonering av trålen og korrekt tauehastighet (trålens hastighet gjennom sjøen).

Sensormodulene 100 er plassert på tråldør og ved åpningen til trålposen. Sensormodulene sender et signal til en transponder 210 som vil svare med å sende et signal tilbake. Tiden dette signalet tar vil bli målt. Vanntemperaturen vil også bli målt. Et slikt system vil sørge for nøyaktig måling og beregning av avstander mellom tråldører og åpningen på trålposen. Dette vil igjen kunne gi optimal informasjon for styring av vinsjer, motor og propeller på skip, og også til undervannsmoduler som styring av en trålepose.

Et slikt totalsystem vil innbefatte et flertall sensorenheter 100, ekkolodd, vinsjdata, sonar, trålsonar, GPS, vindmåler samt bølgemåler. Alle disse variablene vil koordineres for optimal og effektiv styring av trål.

Nok en anvendelse av fremgangsmåten og systemet er å feste minst to sensorenheter 100 til en seismisk kabel, på ulike fra hverandre plasserte lokasjoner, for å bestemme den nøyaktige avstanden mellom dem og dermed profilen som streamerkabelen til enhver tid har. I og med at en streamerkabel kan være flere km lang kan der være gunstig å korrigere for ulike hastighetsprofiler i vannet.

En annen anvendelse er oppdatering av bunnkart ved bruk av korrigerte dybde/høyde informasjoner fra sensormoduler 100. Ved bruk av den oppfinneriske fremgangsmåten og systemet kan en lage temperaturprofiler basert på tidspunkt og strømningsforhold. Det er velkjent at tidspunktet og årstiden som en foretar målinger vil kunne påvirke lydhastighetsutbredelsen i vann. Golfstrømmen bringer med seg varmere vann enn det som er i Nordsjøen. Vanntemperaturen i nærheten av Golfstrømmen vil derfor variere. Dette kan videreutvikles slik at en innlemmer informasjon om temperatur og strømningsforhold, slik at en kan utarbeide fangskart.

I et større oppsett kan det tenkes at et flertall båter innenfor et større område innrapporterer sine lokale oppdateringer av bunnkartet til en felles database, slik at et større område effektivt oppdateres.

En fagmann på området vil innse at det finnes andre typer anvendelser av oppfinnelsen uten å avvike fra omfaget slik dette er definert i kravsettet.

Claims (19)

1. Sensormodul (100) til bruk for nøyaktig måling og beregning av avstand mellom lokasjoner under vann, omfattende temperatursensor (110), avstandsmålingsmidler (120), og beregningsmidler (130), og hvor sensormodulen (100) er karakterisert ved at den ytterligere omfatter kommunikasjonsmidler (140) for å kommunisere målte og/eller beregnede verdier til én eller flere enhet(er) for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelseshastighet i vannet ved bruk av målte vanntemperaturer.

2. Sensormodul (100) i henhold til krav 1, karakterisert ved at avstandsmålingsmidlene (120) omfatter sonar og ekkolodd for utsendelse og mottak av lydbølger, og hvor beregningsmidlene (130) er avstands-beregningsmidler.

3. Sensormodul (100) i henhold til krav 1, karakterisert ved at nevnte enhet for nøyaktig beregning av avstander under vann er innlemmet i sensormodulen (100).

4. Sensormodul (100) i henhold til krav 1, karakterisert ved at sensormodulen (100) ytterligere omfatter midler for å logge målte temperaturer og dybder over tid for senere samordning med midlene for beregning av nøyaktig avstand mellom de nevnte lokasjonene.

5. Sensormodul (100) i henhold til krav 1, karakterisert ved at sensormodulen (100) ytterligere omfatter midler for å måle saltinnhold og strømning i vannet for bruk til ytterligere justering for reell lydutbredelseshastighet i vannet.

6. Sensormodul (100) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det er en multifunksjonsmodul som kan fjernaktiveres.

7. System for nøyaktig måling og beregning av avstander mellom lokasjoner under vann, karakterisert ved at systemet omfatter minst to sensormoduler (100) plassert ved eller i nærheten av hver av nevnte lokasjoner, og hvor sensormodulene (100) omfatter midler for å måle temperaturer og beregne avstander i vannet ved sine respektive lokasjoner, samt kommunikasjonsmidler for å kommunisere målte og/eller beregnede verdier til én eller flere beregningsenheter (140) som omfatter midler for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelseshastighet i vannet ved de målte temperaturene.

8. System i henhold til krav 7, karakterisert ved at minst én sensormodul (100) er montert eller forbundet til et fartøy.

9. System i henhold til krav 7, karakterisert ved at den nevnte beregningsenheten (140) er en separat enhet montert eller forbundet til et fartøy.

10. System i henhold til krav 7, karakterisert ved at den nevnte beregningsenheten (140) omfatter midler for å motta informasjon om avstand ved de nevnte lokasjonene hvor sensormodulene (100) befinner seg.

11. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at minst én sensormodul (100) er en multifunksjonsmodul som kan fjernaktiveres.

12. System i henhold til et av de foregående kravene, karakterisert ved at det ytterligere omfatter flere enn to sensormoduler (100) plassert ved ulike lokasjoner for å beregne et sett med nøyaktige avstander mellom lokasjonene.

13. System i henhold til krav 12, karakterisert ved at det ytterligere omfatter midler for nøyaktig posisjonering av utstyr som brukes under vann basert på nøyaktig beregning av avstander under vann.

14. Fremgangsmåte for nøyaktig måling og beregning av avstander mellom lokasjoner under vann, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter bruk av minst to sensormoduler (100) plassert ved eller i nærheten av nevnte lokasjoner, og hvor sensormodulene (100) omfatter midler for å måle temperaturer og beregne avstander i vannet ved sine respektive lokasjoner, samt bruk av kommunikasjonsmidler for å kommunisere målte og/eller beregnede verdier til én eller flere beregningsenheter (140) som omfatter midler for nøyaktig beregning av avstander under vann ved å benytte reell lydutbredelses-hastighet i vannet ved de målte temperaturene.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, karakterisert ved at de nevnte sensorenhetene (100) er festet til hver sin tråldør på en trålpose for å bestemme den nøyaktige avstanden mellom åpningen på trålposen.

16. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, karakterisert ved å feste minst to sensorenheter (100) til en seismisk kabel, på ulike fra hverandre plasserte lokasjoner, for å bestemme den nøyaktige avstanden mellom dem og dermed profilen som streamerkabelen til enhver tid har.

17. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, karakterisert ved at en av sensorenhetene (100) holdes i ro ved overflaten av vannet, mens den andre sensorenheten som omfatter temperatursensor gradvis slippes vertikalt ned mot bunnen for å logge temperaturprofiler i ulike vannsjikt som den passerer fra overflaten til bunnen, og hvor denne informasjonen brukes til å beregne den reelle vanndybden.

18. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, karakterisert ved at målingene og beregningene som utføres angir reelle vanndybder som logges i en database omfattende lokasjon, reell målt vanndybde, tidspunkt og strømningsforhold, og hvor denne informasjonen kan brukes for å oppdatere eksisterende bunnkart enten i sanntid eller i ettertid.

19. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, karakterisert ved at et flertall beregningsenheter (140) beregner reelle vanndybder samtidig på ulike lokasjoner i et større område, og hvor disse målingene meldes inn til en felles database, slik at bunnkart for et større område effektivt kan oppdateres med reell vanndybde.