專利名稱：海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種海洋工程技術領域的測量裝置，具體是一種用于海洋工程模型試驗水池中對半潛式平臺等海洋平臺進行極限海況下上浪和波浪爬升進行觀測的海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統。
背景技術：
隨著世界能源消耗的不斷增長，以及陸上石油天然氣開發的逐漸飽和，人們將油氣開發的領域拓展到海洋。雖然科技的發展和海洋工程的進步使得人類在深海海洋工程的開發中不斷取得進步，但各種各樣的海洋平臺，如半潛式海洋平臺、大型浮式生產儲油卸載系統等海洋油氣生產裝備在極其惡劣的海域使用。由于其系泊系統復雜、管線密集，無法在遭遇臺風、海嘯等惡劣海況的情況下迅速解脫，因此必須承受狂風巨浪的襲擊。目前在海洋平臺的設計研發中必須考慮當遭遇巨浪時，波浪順著平臺立柱等結構爬升至甲板面、甚至橫掃甲板面等惡劣的情況，其產生的荷載和沖擊對于甲板及相關結構的強度和疲勞會帶來復雜的問題。而這種上浪是一種強非線性的現象，通過數值計算等難以得到對工程實際有指導意義的結果，必須通過模型實驗進行測量。而海洋平臺上浪在試驗中是一個瞬時的現象，其準確捕捉和測量存在著較大的困難。在時間長達3小時的試驗中，需要捕捉的較大上浪可能僅有數秒鐘至數十秒鐘，要完整的再現該瞬態過程需要采用數千赫茲以上的采樣頻率。但由于較大上浪的發生極為偶然，甚至是無法預先準確判斷的，因此只能采用兩種方法一種是全程采用數千赫茲的采樣頻率對整個3小時的試驗進行觀測，這樣會造成采集的數據量極為龐大，給數據處理帶來極大的困難。而其中真正對上浪瞬間狀態描述的數據量僅占其中的I %，數據處理中會處理大量的無用的數據。第二種方法是采用人工觀測的方法來采集預計到的上浪現象，該方法必須安排專人長時間仔細觀察，預計到上浪時再進行采集，數據采集的可控性和精確性等大打折扣，且受到人工經驗的影響，并采集的均為斷斷續續的數據，無法與以其他頻率低頻全程采集的運動、載荷數據直接對應。目前在海洋工程試驗中是在海洋平臺的迎浪面安裝一只或數只浪高儀以監測上浪的情況。如《海洋工程水動力學試驗研究》(楊建民、肖龍飛、盛振邦編著，上海交通大學出版社2008年出版，ISBN 978-7-313-05064-9/P. 079) 一書中對于海洋平臺的上浪測量給予了以下描述“為測量模型在風、浪、流作用下的甲板上浪、氣隙或出水情況，還要在模型的一些典型位置(如首部、中部和尾部)安裝布置若干只浪高儀”。這種試驗方法只給出了對于上浪方法的觀測設備的描述，其采集方法仍是與其他運動、載荷等物理量采用相同的較低頻率的采集方式進行采集(< 200Hz)，并未解決高頻捕捉上浪瞬間的試驗技術。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，能適應不同平臺、立柱模型的上浪測量的要求，對于上浪過程自動進行高頻測量。本發明是通過以下技術方案實現的
本發明涉及一種海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，包括上浪探頭裝置、數據采集系統和用于記錄上浪過程的攝錄裝置，其中上浪探頭裝置包括上浪信號探頭、支撐調整裝置和信號解調裝置，其中上浪信號探頭與支撐調整裝置固定連接并活動設置于海浪發生處，其距離靜水面的高度大于等于平臺模型需要監測的上浪水面高度的下限，上浪信號探頭的輸出端與信號解調裝置相連， 信號解調裝置分別與數據采集系統和攝錄裝置相連以發出啟動或者停止的觸發信號。所述的上浪信號探頭包括兩根平行設置且與信號解調裝置連接的導體，其中 上浪探頭高度由支撐調整裝置調節，使得高于上浪水面高度下限的水面波動均可以被捕捉觀測到。所述的觸發信號包括脈沖信號、電平信號、TTL信號或者數字信號。所述的支撐調整裝置包括相互垂直且活動連接的橫向支撐架和縱向支撐架。所述的縱向支撐架上設有高度調節裝置。所述的橫向支撐架上設有刻度標示。所述的數據采集系統包括高頻數據采集器、分別與其相連的若干測量探頭和同步信號發生器，其中高頻數據采集器與信號解調裝置連接，同步信號發生器與輔助采集系統相連，當高頻數據采集器接收到啟動觸發信號后，啟動測量探頭和同步信號發生器，同步信號發生器向輔助采集系統發出同步信號，由測量探頭測量上浪試驗所需測量的包括關鍵部位的波面升高、波浪沖擊的載荷物理量。所述的數據采集系統用于采集上浪的物理量，如波浪爬升和砰擊，該采集收到觸發信號控制僅采集上浪期間的數秒時間；所述的輔助采集系統用于采集模型的運動、系泊系統的荷載；通過輔助采集系統接收數據采集系統發出的同步信號實現數據采集的統一性。所述的同步信號包括電平信號或者正弦波信號。所述的高頻數據采集器是指采樣頻率為IKhz-IOKhz的采集器。所述的攝錄裝置包括分別與信號解調裝置連接且接收觸發信號的高速攝像機和數碼相機。本發明涉及上述系統的捕捉觀測方法，包括以下步驟I)當發生上浪時，上浪信號探頭浸沒于水中從而導通上浪信號探頭和信號解調裝置的監測回路使得信號解調裝置分別向高頻數據采集器和攝錄裝置發出啟動的觸發信號;2)高頻數據采集器在收到啟動的觸發信號后，啟動測量探頭，采樣頻率達 IKhz-IOKhz,;攝錄裝置中的高速攝像機和數碼相機接收啟動的觸發信號后開啟攝錄上浪過程；3)在步驟2)的同時，同步信號發生器向系統外的輔助采集系統發出同步信號作為采樣的時間同步記錄；當上浪過程結束后，上浪信號探頭離開水面，由于金屬絲之間無水導通而切斷監測回路，信號解調裝置發出停止的觸發信號，高頻數據采集器、高速攝像機和數碼相機在完成工作后動停止，同時，同步信號發生器發出同步信號作為系統外的輔助采集系統停止采樣的時間同步記錄。
有益效果本發明滿足了海洋工程模型試驗的要求，可以廣泛應用于船舶與海洋工程領域 中，具體優點如下1、監測上浪信號的探頭和信號解調裝置組成的數據監測回路對上浪的情況進行 準確的監測，避免人工監測的誤差和失誤。2、帶刻度的橫向支撐架、帶高度調節裝置的縱向支撐架組成的機械部件能靈活調 整探頭的高度和距離平臺上浪位置的間距，調整該裝置捕捉上浪的水位的高度，以調整捕 捉的敏感度，從而適應不同大小尺寸的模型。3、高頻數據采集器采樣頻率達lKhz-lOKhz，設定采樣時間以有效捕捉上浪全過程。4、同步信號發生器會發出同步信號，其頻率和幅值滿足同步要求。
圖1為本發明的結構示意圖。圖2為上浪發生時本發明開始測試示意圖。圖3為上浪結束時本發明停止測試示意圖。圖4為本發明電路簡圖。圖5為橫向支撐架和縱向支撐架的局部具體結構圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例如圖1所示，本實施例包括上浪探頭裝置1、數據采集系統2和用于記錄上浪過 程的攝錄裝置3，其中上浪探頭裝置1包括支撐調整裝置4、上浪信號探頭5和信號解調裝置6，其中 上浪信號探頭5與支撐調整裝置4固定連接并活動設置于海浪發生處，其距離靜水面的高 度大于等于平臺模型16需要監測的上浪水面高度的下限，上浪信號探頭5的輸出端與信號 解調裝置6相連，信號解調裝置6分別與數據采集系統2和攝錄裝置3相連以發出啟動或 者停止的觸發信號。所述的上浪信號探頭5包括兩根平行設置且與信號解調裝置6連接的導體。所述的觸發信號包括脈沖信號、電平信號、TTL信號或者數字信號。如圖5所示，所述的支撐調整裝置4包括相互垂直且活動連接的橫向支撐架7和 縱向支撐架8。所述的活動連接通過可調螺栓組實現，以便動態調整上浪信號探頭的空間位置。所述的橫向支撐架上7設有精確到毫米的刻度標示。所述的縱向支撐架上8設有精確到毫米的刻度標示，并設有高度調節裝置9。如圖4所示，所述的數據采集系統2包括高頻數據采集器10、分別與其相連的若干測量探頭11和同步信號發生器12，其中高頻數據采集器10與信號解調裝置6連接，同步信號發生器12與系統外的輔助采集系統13相連，當高頻數據采集器10接收到啟動觸發信號后，啟動測量探頭11和同步信號發生器12，同步信號發生器12向輔助采集系統13發出同步信號，由測量探頭11測量上浪試驗所需測量的包括關鍵部位的波面升高、波浪沖擊的載荷物理量。所述的數據采集系統2用于采集上浪的物理量，如波浪爬升和砰擊，該采集收到觸發信號控制僅采集上浪期間的數秒時間；所述的輔助采集系統13用于采集模型的運動、 系泊系統的荷載；通過輔助采集系統13接收數據采集系統2發出的同步信號實現數據采集的統一性。所述的同步信號包括電平信號或者正弦波信號。所述的高頻數據采集器10是指采樣頻率為IKhz-IOKhz的采集器。所述的攝錄裝置3包括分別與信號解調裝置連接且接收觸發信號的高速攝像機 14和數碼相機15。如圖2所示，整個系統安裝于海洋平臺模型16上，發生上浪時，上浪信號探頭5浸沒于水中從而導通上浪信號探頭5和信號解調裝置6的監測回路使得信號解調裝置6分別向高頻數據采集器10和攝錄裝置3發出啟動的觸發信號；高頻數據采集器10在收到啟動的觸發信號后，啟動測量探頭11，采樣頻率達IKhz-IOKhz ;同時，同步信號發生器12向系統外的輔助采集系統13發出同步信號，輔助采集系統13使用該信號作為采樣的時間同步記錄；攝錄裝置3中的高速攝像機14和數碼相機15接收啟動的觸發信號后開啟攝錄上浪過程。如圖3所示，當上浪過程結束后，上浪信號探頭5離開水面，由于金屬絲之間無水導通而切斷監測回路，信號解調裝置6發出停止的觸發信號，高頻數據采集器10、高速攝像機14和數碼相機15在完成工作后自動停止，同時，同步信號發生器12發出同步信號，輔助采集系統13使用該信號作為停止采樣的時間同步記錄。如圖4所示，為系統電路簡圖。發生上浪時，上浪信號探頭5導通，驅使信號解調裝置6分別向高頻數據采集器10和攝錄裝置3發出啟動的觸發信號；高頻數據采集器10 在收到啟動的觸發信號后，啟動測量探頭11 ;數據采集器內的同步信號發生器12向系統外的輔助采集系統13發出同步信號，輔助采集系統13使用該信號作為采樣的時間同步記錄。如圖5所示，通過調整所述的支撐調整裝置4中相互垂直且活動連接的橫向支撐架7和縱向支撐架8，以及高度調節裝置9的位置，由于橫向支撐架上7和縱向支撐架上8 均設有精確到毫米的刻度標示，可以方便準確地調整上浪信號探頭5的高度和相對平臺模型16距離，從而調整上浪觀測的上浪高度和距離模型的位置。本裝置可以通過設定探頭相對水面的高度，精確地捕捉每一個超過該高度的波浪在平臺上的上浪過程，其精確度可達毫米級。而以往通過人眼觀察來控制對上浪的觀測，受到觀察人的視力、經驗等限制，其精度最高達到幾個厘米級別，精度相差數十倍。該探頭的采用使得本裝置將以往憑經驗進行的試驗進行了精確的量化采集，提高了試驗的準確性和可靠性。同時系統采用的發出同步信號外輸給另一個采集系統來采集以保持同步性的方法使得該系統可以與任何一個可以對模擬電壓信號進行采集的采集系統保持數據上的同步， 避免的數字信號接口控制給不同系統之間帶來的接口不匹配和響應不及時等問題。
權利要求
1.一種海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，其特征在于，包括上浪探頭裝置、數據采集系統和用于記錄上浪過程的攝錄裝置，其中上浪探頭裝置包括上浪信號探頭、支撐調整裝置和信號解調裝置，其中上浪信號探頭與支撐調整裝置固定連接并活動設置于海浪發生處，其距離靜水面的高度大于等于平臺模型需要監測的上浪水面高度的下限，上浪信號探頭的輸出端與信號解調裝置相連，信號解調裝置分別與數據采集系統和攝錄裝置相連以發出啟動或者停止的觸發信號。
2.根據權利要求I所述的海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，其特征是，所述的上浪信號探頭包括兩根平行設置且與信號解調裝置連接的導體。
3.根據權利要求I所述的海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，其特征是，所述的觸發信號包括脈沖信號、電平信號、TTL信號或者數字信號。
4.根據權利要求I所述的海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，其特征是，所述的支撐調整裝置包括相互垂直且活動連接的橫向支撐架和縱向支撐架，其中縱向支撐架上設有高度調節裝置；所述的橫向支撐架上設有刻度標示。
5.根據權利要求I所述的海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，其特征是，所述的數據采集系統包括高頻數據采集器、分別與其相連的若干測量探頭和同步信號發生器，其中高頻數據采集器與信號解調裝置連接，同步信號發生器與輔助采集系統相連，當高頻數據采集器接收到啟動觸發信號后，啟動測量探頭和同步信號發生器，同步信號發生器向輔助采集系統發出同步信號，由測量探頭測量上浪試驗所需測量的包括關鍵部位的波面升高、波浪沖擊的載荷物理量。
6.根據權利要求5所述的海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，其特征是，所述的數據采集系統用于采集上浪的物理量，如波浪爬升和砰擊，該采集收到觸發信號控制僅采集上浪期間的數秒時間；所述的輔助采集系統用于采集模型的運動、系泊系統的荷載；通過輔助采集系統接收數據采集系統發出的同步信號實現數據采集的統一性。
7.根據權利要求I所述的海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，其特征是，所述的攝錄裝置包括分別與信號解調裝置連接且接收觸發信號的高速攝像機和數碼相機。
8.一種使用如上述任一權利要求所述系統的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)當發生上浪時，上浪信號探頭浸沒于水中從而導通上浪信號探頭和信號解調裝置的監測回路使得信號解調裝置分別向高頻數據采集器和攝錄裝置發出啟動的觸發信號；2)高頻數據采集器在收到啟動的觸發信號后，啟動測量探頭，采樣頻率達 IKhz-IOKhz,;攝錄裝置中的高速攝像機和數碼相機接收啟動的觸發信號后開啟攝錄上浪過程；3)在步驟2)的同時，同步信號發生器向系統外的輔助采集系統發出同步信號作為采樣的時間同步記錄；當上浪過程結束后，上浪信號探頭離開水面，由于金屬絲之間無水導通而切斷監測回路，信號解調裝置發出停止的觸發信號，高頻數據采集器、高速攝像機和數碼相機在完成工作后自動停止，同時，同步信號發生器發出同步信號作為系統外的輔助采集系統停止采樣的時間同步記錄。
全文摘要
一種海洋工程技術領域的海洋平臺上浪試驗捕捉觀測系統，包括上浪探頭裝置、數據采集系統和用于記錄上浪過程的攝錄裝置，上浪探頭裝置包括上浪信號探頭、支撐調整裝置和信號解調裝置，其中上浪信號探頭與支撐調整裝置固定連接并活動設置于海浪發生處，上浪信號探頭的輸出端與信號解調裝置相連，信號解調裝置分別與數據采集系統和攝錄裝置相連以發出啟動或者停止的觸發信號。本發明監測上浪信號的探頭和信號解調裝置組成的數據監測回路對上浪的情況進行準確的監測，避免人工監測的誤差和失誤。橫向支撐架、縱向支撐架調整該裝置捕捉上浪的水位的高度，以調整捕捉的敏感度，從而適應不同大小尺寸的模型。
文檔編號G01C11/00GK102607528SQ20121003985
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者單鐵兵, 呂海寧, 張海濱, 張磊, 彭濤, 李小平, 楊建民, 沈玉稿, 童波 申請人:上海交通大學, 中國船舶工業集團公司第七〇八研究所