NO801538L - Anordning for i reell tid aa maale av havstroemmer paa dypt vann - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for i reell tid å måle havstrømmer i dype farvann. Kjennskapet til strøm-mer i dype farvann er viktig i forbindelse med oljebrønnborings-teknikker til sjøs, særlig for beregning av påkjenningene på

de nedsenkede konstruksjoner. Hvis operasjon av dykkere eller undervannsfartøyer videre kreves, er det viktig å kjenne hastighetene for strømmene for sikker arbeidsutførelse. En annen anvendelse er i forbindelse med søkningen etter noduler.

Det er kjent å måle hastigheten og retningen av strømmene

ved hjelp av et skruestrømmeter festet til havbunnen ved hjelp av en forankringsline.

i

Ulempene ved denne anordning er at den kun tilveiebringer en punktvis måling, begrenset i nøyaktighet på grunn a<y>frik-

sjonen av skruen og begrenset i dybde på grunn av vanskelig-heten med å tilveiebringe en for lang forankringsline.

i

Det er videre kjent å måle strømmene ved hjelp av en doppler-effekt sonar. Signalene som anvendes oppnås ved volum-gjen-

lyd av de akustiske bølger. Disse anordninger gir hastig-

hetene for strømmene i forskjellige dybdeområder med god nøyaktighet, men har den ulempe at de ikke er i stand til å; anvendes ved dybder som overskrider 1000 meter på grunn av absorpsjonen av de akustiske bølgene og spredningen av strålen utsendt av sonaren.

Anordningen ifølge oppfinnelsen.overvinner disse ulemper ved

å tillate strømmene å bli målt i reell tid ombord i en båt for dybder som er i stand til å overskride 6000 meter med stykker av dybdemåling.iav en tykkelse mellom 5 og 4 0 meter og med en nøyaktighet for hastigheten av strømmene som når 0,15 m/s.

Ifølge et av trekkene ved oppfinnelsen måles strømmene ved

hjelp av et sfærisk formet legeme som har negativ : flyteevne, dvs. tettere enn vann, kalt dykker.

Denne dykker synker til havbunnen og. stiger så igjen til overflaten etter å ha frigjort sin ballast. Dykkeren inne-holder akustiske sendere og mottagere som kommuniserer med båten. Videre er det til stede akustiské reagerende bøyer som reagerer på signaler som kommer fra dykkeren og fra båten. Signalene mottatt ombord i båten anvendes for beregning a<y>posisjonene for dykkeren i relasjon til bøyene og for bestemmelse av strømmene ved forskjellige dybder,

i

<.>!

Dét er tilveiebragt en anordning for måling i reell tid av havstrømmer, eller strømmåler, omfattende.en dykker som slippes fra en båt og synker til havbunnen, idet den driver med strøm-mene, og kjennetegnes ved at N akustiske reagerende bøyer B^, B2 / • • • , ...B^j med N ^. 3 senkes til havbunnen og plasseres geografisk, at båten omfatter midler for å sende akustiske pulser med frekvensen f under styring av en klokke H^, at dykkeren omfatter midler for å motta disse pulser med frek-

vens f såvel som midler for å sende et praktisk talt øye-blikkelig svar med frekvens f£og et svar forsinket med tiden T med frekvens f, idet bøyene B-^, B2, ...B^, ... BN reagerer på pulsene med frekvens f med pulser med frekvensene f^, f2>... f^,...fN, idet. alle disse frekvenser er forskjellige, at båten omfatter midler for å motta på frekvensene f E, f, f^ i-' f^>...fNog midler for å beregne, fra mottagelsestiden av de forskjellige pulsene, koordinatene for dykkeren i relasjon til et system av koordinater bundet til de reagerende bøyer,

og at en datamaskin bestemmer strømmene som en funksjon av dybden.

De ovenfor nevnte og andre formål, trekk og fordeler ved,den foreliggende oppfinnelse vil fremgå -av den etterfølgende beskrivelse.gitt utelukkende i form av en ikke-begrensende illustrasjon i forbindelse med vedlagte tegninger. Fig. 1 er et skjematisk riss av dykkeren som synker til havbunnen og dens posisjon i relasjon til båten og de reagerende bøyer. Fig. 2 viser de sendende og mottagende anordninger i de reagerende bøyer. Fig. 3 viser dé sendende og mottagende anordninger i dykkeren. Figurene 4a og 4b viser de sendende, mottagende og behandlende anordninger i båten.

Fig. 5 viser de forskjellige tidsdiagrammer.

Fig. 1 viser et skjematisk riss av strømmåle-anordningen ifølge oppfinnelsen.

En båt 2 har sluppet en dykker E hvis flyteevne er slik at

dens synkehastighet har en forutbestemt verdi V. Under dens synking driver flytelegemet under virkningen av strømmene som følger en bane R.

N. akustiske reagerende bøyer B-^, B2,...B^,..B^, hvor N 3,

er plassert på havbunnen, og for enkelhets skyld er kun bøyene B-^, B2og B3vist. Før dykkeren slippes, bestemmes de geografiske posisjoner av bøyene ved hjelp av kjente metoder.

rl'""ri''*rNbenevnes som distansene fra dykkeren E til bøyene B-jy.. Bi,..BN, , og ... r!^, .. x r^ vil være distansene fra båten til disse bøyer. Båt-dykker distansen vil være rE. Anordningen ifølge oppfinnelsen muliggjør at distansene r^,.. r^,..r^kan måles under tidsstyringen av en klokke H, ombord i båten 2 og at de suksessive posisjoner av dykkeren kan beregnes i relasjon til et system av koordinater bundet til bøyene. Verdiene av de suksessive koordinater anvendes for beregning av strømmene på forskjellige dybder. Mottagnings/ sendende anordningene montert i alle bøyene er vist skjematisk i fig. 2. Hver av bøyene, slik som B^, omfatter mottagende hydrofoner A^, som oppfanger pulsene med frekvens f som kommer fra dykkeren. Signalene forsterkes selektivt om en frekvens f av en krets 20. De detekterte pulser styrer en modulator slik som en M. forbundet med en generator med frekvens f.. Reaksjonspulsene mates til transducere C.. Så-

ledes reagerer alle bøyene B^,..Bi,..BNpå pulsene fra dyk-' keren eller fra båten med frekvens f med pulser med frekvensene

' f^,..f£,..fN, idet alle disse frekvenser er forskjellige..

■ Fig. 3 viser de sendende og mottagende anordninger i dykkeren. I i De mottagende hydrofoner A,i-l, i oppfanger pulsene med frekvens f i som kommer fra båten. De elektriske signaler som genereres:i passerer gjennom en bryter 30, forsterkes selektivt om en I frekvens f i en enhet f og detekteres av en krets D. De detekterte signaler på utgangen 301 mates til en modulator M^-^I som er forbundet med en generator GE med frekvens fE. Pul-jsene^som reaksjon på denne frekvens fE mates til sendende jtransducere CE. Dykkeren kan også reagere ved pulser med jfrekvens f, utsendt av transducerne Cg.

Pulsen som detekteres ved stedet 301 mates også til en krets !31,.f.eks. en monostabil krets, hvilken forsinker pulsen med Ji ■en tid T. Den forsinkede pulsen på utgangen 300 styrer en ;modulator M30 forbundet med en generator G med frekvens f, log frembringer pulsen som svar på denne frékvens f. For å junngå forstyrrelser mellom sending og mottagning på denne i frekvens f, mates den forsinkede pulsen også ved hjelp av 'kretsen 31 tilbake til bryteren 30 for å åpne denne under;tiden for denne reaksjonen.

i

1 Fig. 4b viser den sendende anordning ombord i båten. En ! i modulator M, som er styrt av klokken H-, som gir utspørrings-'■ gjentagelsen, er koblet til en generator G med frekvens f, ( avgir pulser med denne frekvens på utgangen 402, hvilke på-I ! trykkes de sendende transducere C_JD.

I

Fig. 4a viser den mottagende og behandlende anordning ombord ! i båten. Hydrofonen A mottar pulser fra dykkeren og fra bøyene. De elektriske signaler forsterkes selektivt i en-heten FE og detekteres av kretsen D, hvis utgang 4 føres til

en teller 40. Sistnevnte trigges samtidig som klokken utsender et mottatt signal ved 4. Antallet av disse pulser er da proporsjonalt med tiden som går fra utspørringen til ankomsten og som teller pulsene av en klokke rl^-

Signalene tilført av transducere A_, påtrykkes også selektive

I :

forsterkere f,,...f ,...f„ sentrert om frekvensene f,,.. j_ IN .f^,...f^. Dé filtrerte signaler detekteres av kretsene D og

.påtrykkes tellere 40.1...4 0..i...40.N.

I I

|Alle tellerne trigges også av klokken H, og teller de forskjellige antall pulser av klokken som kommer i mellom inn-til ankomsten av de forskjellige signalene f^, og telleresul-itatene for alle tellerne sendes til en datamaskin 41. Prin-isippet for beregning av dykker-bøye distansene vil bedre for-stås av tidsdiagrammene i fig. 5.

i

På linje a'er vist den positive omhylningskurven av signalet E0(f) sendt av båten med frekvens f. Signalene trigges av klokken H-^og finnes ved punktet 402 i fig. 4b.

'på linje b er det vist det detekterte signalet mottatt av bøyen B., Rn ^(f) ved punktet 22.i(fig. 2).

1

i

På linje c er vist den positive omhylningskurven av signalet sendt av bøyen B^, EB (f^) med frekvens f^ved punktet 21.1liifig. 2. Signalet sendt av denne bøyen og mottatt av hydro-ifonen i båten ved punktet 4.i (fig. 4a) er vist på linje d ved RBB (f).

i

På linje é er det blitt vist signalet R^y, (f) , mottatt av dykkeren ved punktet 300 (fig. 3) og på linje f den positive omhylningskurve av signalet sendt av dykkeren,-' Ei;(f„) med frekvens f •til transducerne C£(fig. 3).

!på linje g er vist signalet mottatt på båten som kommer fra 'dykkeren, RBE(fE) ved punktet 4 (fig. 4b).

'På linje h er vist den positive omhylriingskurve av signalet

'sendt av dykkeren med frekvens, f, EE(f) til transducerne CE(fig. 3

i

,På linje i er vist signalet R_. _, (f.) mottatt av bøyen B. fra

r3 . hs X

dykkeren ved punktet 22.i(fig. 2) og på linje j den positive omhylningskurve av reaksjonssignalet fra bøyen E_ ri . (fX.)ved

.punktet 21. i (fig. 2).

Til sist på linje k er vist det andre signalet mottatt av

■'båten fra bøyen B., R' _. (f.).

1 rJrJ .1

1

ISignalene R_.„ (f„) , R-.^ (f.) og R' _ (f.) mottas ved tidspunk- .

iténe 2t„, 2t' . ogT . , med f . = r! } c og t„ = f/C, idet t„

& 1 1 IX Xj Ij i

•og r1. er distansene fra båten til dykkeren og til bøyen .

B^ og C.er hastigheten i det forplantende medium..

|Til slutt beregnes ti og r-, i kretsen 41 fra forholdene

i t;. = X . - T - t. - t„ og r . = Ct..

x x- i E x x

<:>Kjent forsinkelsestid T tilført av kretsen .31 (fig-. 3) som forsinker den andre, utspørringen av bøyene for således ikke å;forstyrre de mottagende kretser av bøyene eller de i båten, gjengis av datamaskinen 41 fra hukommelsen 46. .Et fast koordinatsystem er definert, idet Oxyz er bundet til I bøyene, hvor Oz er retningen av vertikalen. Fra verdiene r-^,

r~,...r. ,..rM bestemmer datamaskinen 41 -verdiene ved tids-

2 x. N

Ipunktet t av koordinatene for dykkeren, x(t), y(t), og z(t).

i

[Nøyaktigheten av verdiene av koordinatene forbedres- ved å janvende mer enn 3 reagerende bøyer.

■ i

'I en foretrukket utførelsesform er N = 4 og dykkeren lagrer

'verdiene r-^(t), r2(t) , r^ (t) og r^ (t) som tilføres datamaskinen 41. Fra verdiene r^(t), r2 (t) og r^ (t) beregnes posis jonene\x(1)(t), y(<1>)(t) ogz(<1>)(t).

i<:>

[Datamaskinen beregner videre fra verdiene r, (t) , r-, (t) , og

.r. (t) posisjonene xv (2} (t) , y (2} ;(t)og z ( 2)' (t) og til sist fra 'verdiene r2 (t) , r3(t) og r ^ (t) beregner den posis jonenex Mt), !y(3) (t) og z(3) (t) .

'De suksessive verdier av x(t), y(t) og z(t) beregnes ved i

: kjente utjevningsmetoder..

i

Fra disse koordinater bestemmer datamaskinen 41.verdiene av komponentene for hastigheten av strømmen i et horisontalt plan

I 've; d . tidspunktet

i

i En foretrukket utførelsesform, for beregning av disse drifter, anvendes den såkalte Rutledge metoden beskrevet i boken med tittel "The Mathematics of Physics and Chemistry" av H. Margenau

• og G.M. Murphy Van Nostrand Company, (19 61) .

Denne Rutledge metoden anvender de suksessive verdier av en

koordinat slik som en x „, x ,, x ., og x ,0 samolet ved I n-2'n-l'^<x>n+l.n+2

i tidsintervaller T^for å beregne ^ for x = xn ved hjelp av

'formelen:

j

Hastighetskomponentene for strømmen funnet som en funksjon

i av tiden blir tilslutt tilført på utgangen av datamaskinen i 41 som en funksjon av dybden h.

i

1 I en foretrukket utførelsesform vil dykkeren som ankommer ved havbunnen berøre.~bunnen og etter frigjøring av sin- ballast stige igjen til overflaten hvor den .kan oppfanges ved hjelp av båten. Beregningene av koordinatene og av strømmene fortset-;ter under stigningen og datamaskinen 41 beregner nye verdier I og strømmer.

i

i

Imidlertid kan denne stigning også finne sted etter en forutbestemt tid ved hjelp av en urverkmekanisme, eller endog mer'foretrukket når en forutbestemt nedsenkning er nådd eller når en forutinnstilt trykkmåler mekanisk setter i funksjon utløs-< n.ingen av ballasten.

i

! " ■

I er> utførelsesform, idet man tar:

- havdybden lik' 6000 m,

størrelsen av-feltet for bøyene lik< 8000 x 8000 m,

I -■' senkningshastigheten for dykkeren lik 0,25 m/s,;

!'-' tykkelsen av stykket av vann for måling lik 25 m, nøyaktigheten av hastigheten av strømmene være 0,15 m/s

.' - idet utspørringsf rekvensen f = 16 kHz, og

I- reaksjonsfrekvensen f. eller f„ = mellom 9 og 12 kHz.

' i E J

Informasjonen om strømmene ved punktet 400 oppnås i alt vesent-lig i reell tid og kan anvendes direkte.

Det er klårt at innenfor oppfinnelsens omfang kan modifikasjoner og forskjellige anordninger foretas enn hva som her er omtalt. Den foreliggende beskrivelse er kun illustrerende idet oppfinnelsen omfatter alle variasjoner av denne.

Claims (1)

1. ' l. Anordning for i reell tid å måle havstrømmer, eller strøm-måler, omfattende en dykker som slippes fra en båt og isynker mot havbunnen, idet den driver med strømmene, karakterisert ved at N akustiske reagerende bøyer B^ , :B~,...B.,..B., med N h. 3 senkes til havbunnen og plasseres i.geografisk, at båten omfatter midler for å sende akustiske I <p> ulser med frekvens f under styring av en klokke H^ , at 'dykkeren omfatter midler for å motta disse pulser med frek-!vens f såvel som midler for å sende et praktisk talt øye-blikkelig svar med frekvens fE og et svar f <p> rsinktet med en 'tid T med frekvens f, idet bøyene B-^, , .. •Bi, ..BN reagerer på pulsene med frekvens f med pulser med frekvensene f^ , f2' -* f^,...fN, idet alle disse frekvenser er forskjellige, idet båten omfatter midler for å motta på frekvensene fE, f'^ , f2' -' f^ ,..fN og midler for å beregne fra tidspunktet for mottagelse 'av de forskjellige pulser, koordinatene for dykkeren i rela-'sjon til et system <åvi koordinater bundet til de reagerende bøyer, og at denne datamaskinen bestemmer strømmene som en funksjon av dybden. I 2. Strømmåler som angitt i krav 1, karakteris <;> ert i v e d at de mottagende midler i båten omfatter hydrofoner 'Ag som gir elektriske signaler påtrykket selektive forster-' kere F„, F, , .. F. , .. F.T sentrert på frekvenser f , f,,., f.,.. E l i- • N - e l i . fat disse filtrerte signaler detekteres og påtrykkes tel- ' lere 40, 40.1,..40.i,..40.N, idet alle disse tellere trigges '. av klokken H-^ og stoppes av de mottatte signaler, idet ver-,diene som gis av disse tellere påtrykkes datamaskinen, idet' nevnte datamaskin mottar verdiene av posisjonene for de réa-' gerende bøyene, såvel som verdien av forsinkelsestiden for dykkerens sending på frekvensen f, og at datamaskinen bestemmer verdiene av dykker-bøye distansene r-^ , .. r^, .. rtø. ; 3. Strømmåler som angitt i krav 1, karakterisert -1 v e d at datamaskinen i båten mottar dels verdiene av de geografiske koordinater for bøyene B-^ , B2 , ... B^, ... BN og 1 dels verdiene av reagerende bøye-dykker distansene som en 'funksjon av tiden t, r^ (t) , r2 (t), .y.r^(t), ..rN (t), og at datamaskinen bestemmer verdiene x(t), y(t) og z(t) av de suksessive koordinater for dykkeren i relasjon til et system . av koordinater bundet til bøyene. ;4.. Strømmåler som angitt i krav 3, karakteris, ert !vle d at antallet bøyer er N = 4, at datamaskinen mottar verdiene r, (t) , r~ (t) , r-, (t) og r (t) , og fra verdiene r, (t) , 4(1) (1) (lt :r9(t) og r7(t) beregner verdiene x (t) , y (t) og z' (t), ' fra verdiene r-, (t) , r., (t) og r . (t) beregner verdiene x (2)(t) , y (2) ' (t) og z (2T Mt) 'og fra verdiene r- (t) , r-, (t) og r. (t) be-(3) (3) (3) 1 regner verdiene x (t) , y (t) og z (t) , og at en ut-■jevningsmetode muliggjør at verdiene av x(t) kan oppnås fra de suksessive verdier av x^ (t) , x^ (t) og x^-(t), verdiene av y(t) å bli oppnådd fra suksessive verdier av y^ (f),.

   y^(t) og y ^ (t) og verdiene av z(t) å bli oppnådd fra de suksessive verdier av z'^ (t), z ^ (t) og z'3' (t) i '5. Strømmåler som angitt i krav 1, karakterisert ved at- dykkeren omfatter en ballastutløseranordning som settes i virksomhet ved dykkerens kontakt med havbunnen, hvilket bevirker dykkeren til å stige igjen til overflaten. 1&. Strømmåler som angitt i krav 1, karakt.érisert |v;e d at dykkeren omfatter en ballastutløseranordning som settes i virksomhet ved hjelp av en manometrisk anordning, forutinnstillet til en forutbestemt neddykking og som be-ivirker dykkeren til å stige igjen til overflaten. i ' i ,7. Strømmåler som angitt i krav 1, karakterisert ved at dykkeren omfatter en ballastutløseranordning som settes i virksomhet ved hjelp av en urverkanordning forutinnstillet til en gitt tid og som bevirker dykkeren til å stige til overflaten igjen. <!> i :8. Strømmåler som angitt i krav 3, karakterisert ved at, for beregning av verdiene av x(t), y(t) og z(t), verdiene r (t) , r0 (t) og r-, (t) anvendes under stigningen og 1 z 6 ■ synkningen av dykkeren. i 9. Strømmåler som angitt i krav 3, karakterisert: ve d at datamaskinen mater til en fremviseranordning ver-'diene av de horisontale hastigheter av strømmen ^ og ^ !som en funksjon av dybden. j • . ,