TWI592629B - 水下厚度測量裝置的運作方法 - Google Patents

Description

水下厚度測量裝置的運作方法

一種水下厚度測量裝置的運作方法，尤指一種透過間歇式機械排程運動以及多點測量的方式，針對水下結構等目標物進行厚度量測及安全監控之水下厚度測量裝置的運作方法。

隨著工業時代的演進及兩次世界大戰的洗禮，海洋相關領域使用的設備已被金屬工業的製品取代。特別是用於水下作業的設備，金屬製的設備雖相較於如木頭等傳統材質具有較耐用的特性，但也因人們對其堅固性放心，時常忽略金屬製的設備必須考量到水中酸鹼值腐蝕或海流侵蝕等物理或化學因素。

因此，隨著設備的老舊，開始出現種種問題後，人們開始考量到腐蝕或海流侵蝕等對於金屬製水下結構的安全性評估。就現有的產業發展而言，許多運用於水下的海洋設備時常會直接影響到水面上作業人員的安全，如離岸風電機或鑽油平台等比比皆是。對於該些設施位於水下固定用之樁管等支撐設備安全性監控日顯重要。

以離岸風電機裝設相關的議題為例，離岸風電機之建置、營運與維護議題正在全球迅速發展，但離岸風場從建置、營運、到維護各個階段仍面臨相當多的技術挑戰。其中以前述提及之結構安全監控(Structural Health Monitoring,SHM)技術為例，離岸工程結構安全監控是取得水下結構受環境外力破壞狀態的關鍵技術，但由於離岸風電機設置之水下環境條件相當嚴苛，必須克服波浪干擾、海流衝擊、能見度不足之嚴峻挑戰。

若以實務上的運用而言，讓技術人員監控水下結構安全性最方便的方式係屬金屬壁厚之監控，透過一般的厚度感測儀器即可得知當前水下結構被侵蝕或是腐蝕之狀況，一但偵測到某些重要結構或部件之厚度薄於一定程度時，便需要相關人員進行維修或替換作業，以確保整個離岸風電機之安全。

傳統的水下厚度測量設備大多數係依照水下待檢測目標物之形狀設計，例如圓柱狀之水下待測目標物就將厚度測量設備設計元中空圓形環抱狀，讓該厚度測量設備得以環抱著該水下待測目標物進行各個部位的厚度檢測，以利監控水下待測目標物之安全性。

但傳統厚度測量設備通常需依照其待測目標物之外型設計其機械結構，在普遍需做安全性監控的水下結構較為巨大的狀況之下，造成傳統厚度測量設備體積龐大、運送不易以及回收困難等缺點，更增加了結構上的複雜度以及成本，泛用性亦隨之大幅降低。此外，為符合感測點密度增大等需求，傳統厚度測量設備上通常需設置非常多個感測器，造成了資料統合處理之困難。

為解決先前技術所提及之問題，本發明提供了一種水下厚度測量裝置的運作方法，首先執行步驟(a)，將一水下厚度測量裝置運至一目標物表面，接著執行步驟(b)，該水下厚度測量裝置啟動其中之至少一貼附 模組，貼附於該目標物表面。

再執行(c)，該水下厚度測量裝置中之每個至少一壓移機構間歇性下壓每個至少一量測模組，同時該水下厚度測量裝置透過複數個移動模組於該目標物表面間歇式移動，最後執行步驟(d)，測量完成，該水下厚度測量裝置發出一訊號通知一回收單位回收。

為使本發明所載之水下厚度測量裝置的運作方法得以運行，本發明另提供了一種水下厚度測量裝置，包含一架體、一中央軌道、至少一壓移機構、至少一量測模組以及複數個移動模組。

其中該中央軌道設置於該架體上，該至少一壓移機構設置於該軌道上，每一該至少一量測模組與每一該至少一壓移機構連接，而該複數個移動模組個別與該架體連接。

10‧‧‧水下厚度測量裝置

100‧‧‧架體

101‧‧‧關節

200‧‧‧中央軌道

300‧‧‧壓移機構

301‧‧‧壓移動力源

302‧‧‧線性運動機構

303‧‧‧間歇性運動機構

303a‧‧‧間歇性運動機構

303b‧‧‧間歇性運動機構

303c‧‧‧間歇性運動機構

304‧‧‧輪動元件

400‧‧‧量測模組

401‧‧‧感測器

402‧‧‧樣架

403‧‧‧滑動平台

404‧‧‧滑軌

405‧‧‧回彈裝置

500‧‧‧移動模組

600‧‧‧傳動裝置

700‧‧‧移動動力源

800‧‧‧貼附模組

P‧‧‧樁管

(a)~(d)‧‧‧步驟

圖1係本發明實施例之結構示意圖。

圖2係本發明實施例測量機構之局部示意圖。

圖3係本發明實施例線性運動機構之示意圖。

圖4係本發明實施例間歇性運動機構之示意圖。

圖5係本發明實施例線性及間歇性運動機構示意圖。

圖6(a)係本發明實施例貼附於樁管管壁運作示意圖。

圖6(b)係本發明另一實施例貼附於樁管管壁運作示意圖。

圖7係本發明實施例運作方法之流程圖。

為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後： 為更詳細說明圖7中所載有關本實施例中之水下厚度測量裝置的運作方法，係先以圖1~圖6(b)說明本實施例可實際運用之水下厚度測量裝置10。

首先請同時參照圖1及圖2，圖1係本發明實施例之結構示意圖；圖2係本發明實施例測量機構之局部示意圖。如圖1及圖2所示，圖1繪示了本實施例所採用之一種水下厚度測量裝置10，包含架體100、中央軌道200、壓移機構300、量測模組400以及移動模組500。

其中本實施例所述之架體100為矩形中空金屬架，而中央軌道200則為呈現線性形狀之齒凸軌道，中央軌道200則設置於架體100上而壓移機構300則設置於中央軌道200上，量測模組400則與壓移機構300連接，四個移動模組500則個別與該架體連接。

四個移動模組500更透過至少傳動裝置600與移動動力源700連接，本實施例中之移動模組500可以採用輪胎、履帶、萬向輪或其組合來實現，僅依照使用者判斷水下厚度測量裝置10所需之移動路徑而選用，本發明不以此為限。因此在圖1中實施例其四個移動模組500採用輪胎的情況下，傳動裝置600自然為齒輪組與軸承，而移動動力源700為馬達。

此外，本實施例更包含了至少一貼附模組800，設置於架體100或移動模組500上。由於前述提及移動模組500可以採用輪胎、履帶、萬向輪或其組合來實現，因此當所述貼附模組800設置於移動模組500上時，可採用設置於輪胎、履帶表面之貼附磁鐵來實現。

另，本實施例中之貼附模組800係為達到使水下厚度測量裝置10貼附於水下待測目標物為功效之技術皆可，因此貼附模組800亦可採用複數個永久磁鐵、電磁鐵、噴射裝置、螺旋槳或其組合等技術實現。其中噴射裝置及螺旋槳可透過反向噴射或動態平衡達到貼附於水下待測目標物之功效，使厚度測量裝置10得貼附於水下待測目標物即可，本發明不以此為限制。

圖2中展示了中央軌道200、壓移機構300以及量測模組400中部分立體結構運轉之情形。特別要敘明的是，本發明對於壓移機構300及量測模組400的數量並不加以限制，僅本實施例中為方便說明，以單個壓移機構300及單個量測模組400連接的方式演示，實質上本發明不以此為限。本實施例中所述之壓移機構300包含壓移動力源301、線性運動機構302、間歇性運動機構303以及輪動元件304(圖1、2未示，可先參照圖5)。

其中線性運動機構302與壓移動力源301連接，而間歇性運動機構303同線性運動機構302，一起與壓移動力源301連接，所述間歇性運動機構302間歇性下壓輪動元件304(可先參照圖5)。

所述之量測模組400包含感測器401、樣架402、滑動平台403、二滑軌404以及回彈裝置405。其中樣架40支撐並個別與輪動元件304及感測器401連接，滑動平台403則與樣架402連接，回彈裝置405與樣架402連接，而二滑軌404與滑動平台403卡合，且二滑軌404彼此間平行設置於架體100內。本實施例中所述回彈裝置405可為彈簧等彈性恢復元件，本發明不以此為限。

因此，本實施例得以實現間歇性運動之原理係透過壓移動力 源301提供線性運動機構302及間歇性運動機構303轉動，促使樣架402被間歇性下壓，帶動感測器401靠近待測目標物表面後測量，再隨著間歇性運動機構303轉動進一步轉動，令下壓力量消失，回彈裝置405歸復樣架402原本之位置而達成。

為能更進一步瞭解圖2中粗箭頭與細箭頭所示之運動方向，請同時參照圖3~5。圖3係本發明實施例線性運動機構之示意圖；圖4係本發明實施例間歇性運動機構之示意圖；圖5係本發明實施例線性及間歇性運動機構示意圖。

如圖3所示，圖3描繪出了圖2中線性運動機構302與中央軌道200間的關係。本實施例中線性運動機構302為欠齒齒輪，該欠齒齒輪與以齒凸軌道實現的中央軌道200間歇性咬合，達到如圖3中虛線箭頭方向間歇性線性移動之目的。由於本實施例中壓移動力源301係與該量測模組400中之滑動平台403連接，因此線性運動機構302於中央軌道200上間歇性線性移動時會帶動整個量測模組400一併間歇性移動，達到線性多點測量之功效。

接著如圖4所示，圖4中展示了多種間歇性運動機構303，本實施例中採用的係為凸輪(即圖4最右側之間歇性運動機構303)。由於間歇性運動機構303欲達到之功效係透過轉動的力量達到間歇性下壓之機械運動，因此其機構更可採用間歇性運動機構303a方案之棘輪、間歇性運動機構303b方案之日內瓦輪以及間歇性運動機構303c方案之卵形凸輪，僅依照使用者需求而定，本發明不以此為限。

因此如圖5所示，本實施例中作為線性運動機構302之欠齒齒輪與作為間歇性運動機構303之凸輪疊合並共同與壓移動力源301連接；隨著 壓移動力源301提供的旋轉動力及旋轉方向，可以有效地控制整個量測模組400間歇性線性移動之方向，此外再透過間歇性運動機構303於轉動時半徑有變化地機械下壓輪動元件304，使輪動元件304帶動樣架402及感測器401貼近待測目標物表面，並透過感測器401上之探頭以超音波非破壞檢測的方式監測水下待測目標物結構腐蝕或侵蝕狀態。本實施例中之感測器401係採用超音波感測器，除此之外所述感測器401亦可利用脈衝式渦電流感測器來實現，脈衝式渦電流感測器可透過低頻脈衝方波檢測金屬板厚達10毫米之內的變化，有效達到感測器401所要求之感測精度。

而所述超音波係利用音波震動導入水下待測目標物內部，以檢測表面或內部缺陷，其基本原理是利用壓電材料探頭震動產生超音波，並經由耦合件傳入待測工件，當音波傳至不同介質時，音波會產生反射或折射，藉由分析反射或透射訊號便可檢測出壁厚、或其內部瑕疵位置。

為有效控制本實施例水下厚度測量裝置10之運動模式，壓移動力源301及移動動力源700更可與一控制器(圖未示)連接，所述該控制器可由具水密之抗壓槽密封於架體100中，再與壓移動力源301及移動動力源700連接。本實施例中壓移動力源301及移動動力源700可為伺服馬達，而控制器可為可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等，用以控制水下厚度測量裝置10之運動排程。

接著請同時參照圖6(a)及圖6(b)，圖6(a)係本發明實施例貼附於樁管管壁運作示意圖；圖6(b)係本發明另一實施例貼附於樁管管壁運作示意圖。本實施例舉以常見之水下待測目標物樁管P(Pipe)之壁厚測量監控為例，實際上樁管P可為單樁(Monopile)結構，其直徑為3~5公尺且其水 深為20公尺以內。當本實施例水下厚度測量裝置10欲運至水下作業時，該水下厚度測量裝置10更可拆卸地與一水下無人載具(remotely operated underwater vehicle,ROV)連接，也就是透過水下無人載具將水下厚度測量裝置10運至待測目標物之表面指定之位置後放開，使水下厚度測量裝置10貼附於水下待測目標物表面後，開始進行排程中之檢測間歇性運動。

因此，圖6(a)中演示了本實施例水下厚度測量裝置10於一般樁管P表面進行厚度測量時之情況，並透過圖2及圖5中展示之間歇性運動結構，當感測器401被樣架402帶動下壓並貼近樁管P之表面時，進行厚度測量，並將該測量點之位置及測量到之厚度資料儲存。

另，考慮到有時樁管P之圓弧弧度較大時，圖6(b)中所載另一實施例水下厚度測量裝置10之架體100上設有複數個關節101，可協助水下厚度測量裝置10之架體100曲折，緊貼並適應水下待測目標物表面之起伏變化，更進一步提升了其量測之能力；所述關節101亦可透過樞紐、球型關節等結構來達成，本發明不以此為限制。此外，如水下厚度測量裝置10之作業環境海流較為強勁時，更可在架體100外設置導流罩(圖未示)，防止水下厚度測量裝置10從水下待測目標物表面脫落等情事發生。前述導流罩之外型設計可設計為仿生結構，如等足目(Isopoda)水中節肢動物的紡錘狀外殼一般，本發明不以此為限。

藉由前述水下厚度測量裝置10之結構說明，請參照圖7，圖7係本發明實施例運作方法之流程圖。如圖7所示，本實施例更提供了一種水下厚度測量裝置的運作方法，主要包含：(a)將一水下厚度測量裝置運至一目標物表面；(b)該水下厚度測量裝置啟動其中之至少一貼附模組，貼附於 該目標物表面；(c)該水下厚度測量裝置中之每個至少一壓移機構間歇性下壓每個至少一量測模組，同時該水下厚度測量裝置透過複數個移動模組於該目標物表面間歇式移動；以及(d)測量完成，該水下厚度測量裝置發出一訊號通知一回收單位回收等步驟。

首先執行步驟(a)，將一水下厚度測量裝置運至一目標物表面。本實施例中將水下厚度測量裝置10運送至如樁管P等目標物表面的方式係採用所述水下無人載具(remotely operated underwater vehicle,ROV)運輸，採用水下無人載具運輸的好處在於，其上可設置攝影機，也可以搭載各型感測器，在能見度較差之水下待測目標物表面更可以透過聲納或是光學方法監視與記錄水下待測目標物表面之狀態，以達到在最佳狀態下運送該水下厚度測量裝置10。

當然步驟(a)中，運輸水下厚度測量裝置10亦不以水下無人載具為限，亦可利用導管或是纜繩等方式運輸，本發明不以此為限。

接著執行步驟(b)，該水下厚度測量裝置啟動其中之至少一貼附模組，貼附於該目標物表面。其詳細之作用原理可參照圖6(a)、圖6(b)之示意，步驟(b)中之貼附模組800如前所述可採用永久磁鐵、電磁鐵、噴射裝置、螺旋槳或其組合等方案，本發明不以此為限。

執行步驟(c)，該水下厚度測量裝置中之每個至少一壓移機構間歇性下壓每個至少一量測模組，同時該水下厚度測量裝置透過複數個移動模組於該目標物表面間歇式移動。本實施例步驟(c)中，該壓移機構300中之壓移動力源301及與複數個移動模組500間接連接之移動動力源700更與如前所述之控制器(圖未示)連接，且壓移機構300於中央軌道200上線性移 動。其中，所述之控制器中預設有該水下厚度測量裝置10於水下目標物表面之運動測量資料，並以所述之運動測量資料控制壓移機構300及複數個移動模組500的間歇式移動。

本實施例中之運動測量資料配合前述運動測量資料及水下厚度測量裝置10之結構，可達到於該目標物表面間歇式移動之測量密度為每平方公尺測量1~400點，以及測量頻率為每分鐘測量1~30點的方式運行，僅依照使用者需求調整並排程，本發明不以此為限。因此，本實施例為達到此測量密度及測量頻率，圖5中之線性運動機構302及間歇性運動機構303存在一定的設計關係，每分鐘測量1~30點之測量頻率可藉由調整壓移動力源301之轉速由每分鐘1~30轉獲得；而測量密度為每平方公尺測量1~400點之數值則仰賴作為欠齒齒輪之線性運動機構302上欠齒之設計獲得，其中在最高密度每平方公尺測量400點時，相當於每50毫米就需設置一個測量點，因此線性運動機構302及間歇性運動機構303如基圓、節圓、周節、節徑及中央軌道200之節線等幾何輪廓設計必須符合一定的條件，才能調節至使用者想要之測量密度，本發明不以此為限。

而當量測模組400被壓移機構300移動並下壓貼近該目標物表面於一定的測量距離內時，會偵測該目標物之壁厚、或其內部瑕疵位置，並轉換為一採集資料儲存。本實施例中，所述壁厚係指目標物於該點之體壁厚度，材料性質或瑕疵係指目標物體壁是否有發生氧化、腐蝕或侵蝕所形成密度不同之化合物，本發明不以此為限。

所述量測模組400被壓移機構300移動並下壓貼近該目標物表面於一定的測量距離內時，係以不與該目標物表面碰觸為原則，本實施 例中之該測量距離為2毫米之內；此外，本實施例中量測模組400中之感測器401其探頭之精度可達小於或等於1毫米以內之誤差，可謂相當精準。

本實施例中，透過步驟(c)中所載方式得到之採集資料更包含定位資料及時間資料，詳細記錄了量測模組400中之感測器401於何時量測目標物表面於何定位點之狀態。以本實施例而言，步驟(c)中可運作之水中環境，其海流速度大約快至2節(knot)都可正常運作，若增設導流罩等部件則可承受更快更強之海流。

最後執行步驟(d)，測量完成，該水下厚度測量裝置發出一訊號通知一回收單位回收。當水下厚度測量裝置10依照排程測量完待測目標物上所指定之範圍後，該水下厚度測量裝置可透過前述之控制器以聲納或光學儀器等方式發出訊號通知如水下作業潛艇、水上作業船或是岸上控制中心等回收單位釋出水下無人載具等設備回收水下厚度測量裝置10。

其中，水下厚度測量裝置10所發出之訊號可依據施用硬體種類差異分為有線通信訊號或無線通信訊號，而在有線通信訊號的情況下通常係指水下厚度測量裝置10利用纜線等設備連接，因此不需要水下無人載具予以運回；相對的，若採用無線通信訊號則可利用水下無人載具等設備予以回收。

本實施例中，所述之有線通信訊號可以為光纖通信訊號，而所述之無線通信訊號可為以聲納等儀器發出之水聲通信訊號或如藍光或綠光打出之水下無線光通信訊號，本發明不以此為限。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單 的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。

(a)~(d)‧‧‧步驟

Claims (15)

1. 一種水下厚度測量裝置的運作方法，包含：(a)將一水下厚度測量裝置運至一目標物表面；(b)該水下厚度測量裝置啟動其中之至少一貼附模組，貼附於該目標物表面；(c)該水下厚度測量裝置中之每個至少一壓移機構間歇性下壓每個至少一量測模組，同時該水下厚度測量裝置透過複數個移動模組於該目標物表面間歇式移動；以及(d)測量完成，該水下厚度測量裝置發出一訊號通知一回收單位回收。
2. 如請求項1所述之水下厚度測量裝置的運作方法，步驟(a)中將水下厚度測量裝置運至該目標物表面的方法為透過一水下無人載具(remotely operated underwater vehicle,ROV)將該水下厚度測量裝置載運。
3. 如請求項1所述之水下厚度測量裝置的運作方法，步驟(b)之該至少一貼附模組為永久磁鐵、電磁鐵或其組合。
4. 如請求項1所述之水下厚度測量裝置的運作方法，步驟(b)之該至少一貼附模組為噴射裝置、螺旋槳或其組合。
5. 如請求項1所述之水下厚度測量裝置的運作方法，步驟(c)中每一該至少一壓移機構中之一壓移動力源及與該複數個移動模組連接之一移動動力源更與一控制器連接，且每一該至少一壓移機構於一中央軌道上線性移動。
6. 如請求項5所述之水下厚度測量裝置的運作方法，其中該控制器預設該水下厚度測量裝置於該目標物表面之一運動測量資料，並以該運動測量資 料控制每一該至少一壓移機構及該複數個移動模組的間歇式移動。
7. 如請求項1所述之水下厚度測量裝置的運作方法，其中每一該至少一量測模組被每一該至少一壓移機構移動並下壓貼近該目標物表面於一測量距離內時，偵測該目標物之壁厚、材料性質或瑕疵，並轉換為一採集資料儲存。
8. 如請求項7所述之水下厚度測量裝置的運作方法，其中該測量距離為2毫米。
9. 如請求項7所述之水下厚度測量裝置的運作方法，其中該採集資料更包含一定位資料及一時間資料。
10. 如請求項6所述之水下厚度測量裝置的運作方法，其中該運動測量資料使該水下厚度測量裝置於該目標物表面間歇式移動之測量密度為每平方公尺測量1~400點。
11. 如請求項6所述之水下厚度測量裝置的運作方法，其中該運動測量資料使該水下厚度測量裝置於該目標物表面間歇式移動之測量頻率為每分鐘測量1~30點。
12. 如請求項1所述之水下厚度測量裝置的運作方法，步驟(d)中之該訊號為一有線通信訊號或一無線通信訊號。
13. 如請求項12所述之水下厚度測量裝置的運作方法，其中該有線通信訊號為光纖通信訊號。
14. 如請求項12所述之水下厚度測量裝置的運作方法，其中該無線通信訊號為水聲通信訊號或水下無線光通信訊號。
15. 如請求項1所述之水下厚度測量裝置的運作方法，步驟(d)中之該回收單 位為水下作業潛艇、水上作業船或岸上控制中心。