CN115479588B - 一种小型走航式连续温盐剖面观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型走航式连续温盐剖面观测系统，涉及海洋监测技术领域。所述小型走航式连续温盐剖面观测系统，包括：无人船；绞盘总成，其设在无人船上，用于收放电缆；排缆器总成，其设在无人船上并靠近绞盘总成位置进行设置，所述排缆器总成用于将电缆整齐有序收放在绞盘总成上；压载器，其安装在电缆自由端；多个耐压舱体，多个所述耐压舱体间隔连接在电缆上并与电缆同轴设置；多个温盐深传感器，多个所述温盐深传感器设在耐压舱体内部并与电缆电性连接。本发明将温盐深传感器与电缆同轴连接，无分支电缆，绞盘收放电缆无障碍；通过放弃旁支缆的连接方式，因主缆无分支，电缆收放时也不会扯断受损，保证电缆的正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及海洋监测技术领域，具体涉及一种小型走航式连续温盐剖面观测系统。
背景技术
海洋温盐深剖面数据测量方式分为两种：定点式测量和走航式测量；上述两种测量方式均可以对海洋中不同深度的温度、盐度等数据进行分布梯度的数据检测。
定点式测量，其多为人工定点投放和收放，好的海况下一天一般也只能做一个点位剖面，而且只能做浅水剖面，获取一条海岸带长度以及宽度数据，其时间跨度长，时效性差。
走航式测量，一个航次可获取一条海岸带的数据，无人船作为载体，把温盐链缠绕绞车绞盘上，通过绞车快速排放以及回收获取数据，效率高，时效性好；因此，走航测量是目前比较主流的海洋温盐深剖面数据测量方式。
温盐链是一种将多个温盐深传感器安装在浮标下面的电缆上，用于测量海洋中不同深度的温度、盐度等数据进行分布梯度的传感器检测链。
目前，温盐链上温盐深传感器与电缆的连接方式以旁支缆的形式连接，所谓的旁支缆是指温盐深传感器通过分支电缆与主电缆连接汇合；也可以理解为旁支缆连接方式类似于树枝，即一个主干枝和分布在主干枝上的多个分枝。
上述旁支缆的连接方式存在以下技术问题：
1.绞盘在收放电缆时，分支电缆与主电缆容易绞在一起，电缆收放困难；
2.分支电缆与主电缆连接位置在电缆收放时，容易扯断受损，影响温盐链的正常工作。
因此，如何如何解决上述技术问题，是目前海洋监测技术领域需要解决的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种小型走航式连续温盐剖面观测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供了以下技术方案：
一种小型走航式连续温盐剖面观测系统，包括：
无人船；
绞盘总成，其设在无人船上，用于收放电缆；
排缆器总成，其设在无人船上并靠近绞盘总成位置进行设置，所述排缆器总成用于将电缆整齐有序收放在绞盘总成上；
压载器，其安装在电缆自由端；
多个耐压舱体，多个所述耐压舱体间隔连接在电缆上并与电缆同轴设置；
多个温盐深传感器，多个所述温盐深传感器设在耐压舱体内部并与电缆电性连接。
优选的，所述耐压舱体两端设有外螺纹，所述电缆绝缘壳与耐压舱体连接位置设有内螺纹，所述耐压舱体两端螺接在其前后连接的两段电缆绝缘壳上。
优选的，所述耐压舱体直径与电缆直径相同，其上贯穿设置流通孔。
优选的，所述压载器包括壳体，所述壳体底部设有垂直尾翼，所述壳体两侧分别间隔排列多个侧翼，所述侧翼上端部横向截面的面积小于侧翼下端部横向截面的面积。
优选的，所述侧翼通过侧翼支架连接在壳体上，其在壳体上的攻击角度可调；为了保证压载器在不同航速下的恒定拉力，侧翼的攻击角度由以下公式进行计算：
Fd＝Fsinα；
F＝1/2(ρV2 SCdsinα)；
其中，Fd为压载器垂直拉力；F为压载器在水中阻力；ρ为海水密度；V为航速；S为侧翼面积；Cd为绕流阻力系数；α为攻击角度。
优选的，所述绞盘总成包括绞盘架，转动连接在绞盘架上的绞盘，以及驱动绞盘转动的绞盘驱动机构。
优选的，所述绞盘驱动机构包括固定在绞盘内圆周壁上的环形大齿轮，固定在绞盘架上的绞盘电机，转动连接在绞盘架上且与绞盘电机驱动轴固定的小齿轮，所述小齿轮与环形大齿轮啮合传动。
优选的，所述排缆器总成包括排缆架，竖直设置且转动连接在排缆架上的丝杆，螺接在丝杆上的螺母，以及固定在螺母上的排缆器，固定在螺母上的排缆器，以及固定在排缆架上并与丝杆连接的排缆电机。
优选的，所述排缆器包括与螺母固定连接的导向支架，转动设置在导向支架上的多组导向轮。
优选的，还包括防跳组件，所述防跳组件包括防跳滚轮、防跳杆和弹性件；所述防跳杆转动连接在排缆架上，所述防跳滚轮固定在防跳杆端部，其滚轮面低接在绞盘缠绕的电缆上，所述弹性件一端连接在排缆架上，另一端连接在防跳杆上。
本发明实施例提供的一种小型走航式连续温盐剖面观测系统，具有以下有益效果：本发明将温盐深传感器与电缆同轴连接，无分支电缆，绞盘收放电缆无障碍；通过放弃旁支缆的连接方式，因主缆无分支，电缆收放时也不会扯断受损，保证电缆的正常工作，提高电缆的使用寿命。
附图说明
图1为本发明角度一的结构示意图；
图2为本发明角度二的结构示意图；
图3为本发明角度三的结构示意图；
图4为本发明图1中A-A方向剖面图；
图5为本发明图1中C-C方向剖面图；
图6为本发明图4中E的局部放大图；
图7为本发明图2中F的局部放大图；
图8为本发明图4中G的局部放大图；
图9为本发明图3中H的局部放大图；
图10为本发明电缆与耐压舱体同轴连接的结构示意图；
图11为本发明图10中电缆绝缘壳与耐压舱体打开后的效果图；
图12为本发明中压载器角度一的结构示意图；
图13为本发明中压载器角度二的结构示意图；
图14为本发明中压载器角度三的结构示意图；
图15为本发明图14中B-B方向剖面图；
图16为本发明中压载器角度四的结构示意图；
图17为本发明图14中I的局部放大图；
图18为本发明图16中J的局部放大图；
图19为本发明中侧翼在水中到受力示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
针对上述背景技术提到的问题，本发明实施例提供了一种小型走航式连续温盐剖面观测系统，以解决上述技术问题，其技术方案如下：
实施例一，参阅图1-图11。
一种小型走航式连续温盐剖面观测系统，包括：
无人船100；本实施例中，所述无人船100为常规现有设计，此处不做具体解释；
绞盘总成200，其设在无人船100上，用于收放电缆500。
排缆器总成300，其设在无人船100上并靠近绞盘总成200位置进行设置，所述排缆器总成300用于将电缆500整齐有序收放在绞盘总成200上。
压载器400，其安装在电缆500自由端；本实施例中，电缆500一端固定在绞盘总成200上，其另一端为自由端，绞盘总成200收放电缆500时，在压载器400的垂直下拉下，可保证电缆500在水中的姿态尽量保持垂直。
多个耐压舱体710，多个所述耐压舱体710间隔连接在电缆500上，其与电缆500同轴设置；本实施例中，所述耐压舱体710为柱形空腔结构，其材质耐压，材质优选铝合金等轻质金属或是碳纤维等其他硬质塑料。
多个温盐深传感器720，多个所述温盐深传感器720设在耐压舱体710内部；电缆500包括电缆芯体510和包裹在电缆芯体510外部的电缆绝缘壳520，本实施例中，电缆芯体510穿过耐压舱体710，并与温盐深传感器720电性连接。
本实施例中，所述耐压舱体710两端设有外螺纹712，所述电缆绝缘壳520与耐压舱体710连接位置设有内螺纹521，所述耐压舱体710两端螺接在其前后连接的两段电缆绝缘壳520上。
耐压舱体710与电缆绝缘壳520螺纹连接，其连接方式强度高，方便进行拆卸和检修温盐深传感器720；耐压舱体710与电缆绝缘壳520之间可安装O性密封圈，提高连接的密封性。
本实施例中，所述耐压舱体710直径与电缆500直径相同；耐压舱体710直径与电缆500的等径设计，可使多层电缆500缠绕在绞盘210上也不会出现鼓包情况，也便于电缆500的整齐有序收卷。
本实施例中，所述耐压舱体710上贯穿设置流通孔711，使海水与耐压舱体710内进行动态交互，提高温盐深传感器720数据检测的精度。
本发明实施例提供的小型走航式连续温盐剖面观测系统的设计原理如下：本发明在电缆500上同轴连接耐压舱体710，并将温盐深传感器720安装在耐压舱体710内，放弃旁支缆的连接方式，绞盘收放电缆无障碍；且因主缆无分支，电缆收放时也不会扯断受损。
实施例二，参阅图12-图19。
需要说明的是，为了保证温盐链上的温盐深传感器检测到特定深度的海洋数据，一般会在温盐链底部安装压载器，在走航观测过程中为温盐链提供一个竖直向下的稳定拉力，使温盐链在水中的姿态尽量保持垂直，确保温盐链末段稳定，不发生较大幅度的摆动或旋转。
目前，为了提高压载器对温盐链的拉力稳定性，其解决方案一般是通过增加压载器的重量实现；但是，无人船的搭载能力是有限的，一味的增加压载器的重量，会严重降低无人船的搭载能力。
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种压载器，以解决上述技术问题，其技术方案如下：
压载器400，包括壳体，本实施例中，所述壳体外形为流线性，具体为，壳体外形为头部圆形的柱形，或是水滴形；
将壳体设计为流线型，海水流经壳体时，壳体表面主要表现为层流，没有或很少有湍流，可减少压载器移动时的阻力。
所述壳体底部设有垂直尾翼430，设置垂直尾翼430，压载器移动时可抵抗纵向流，避免海流较大时，压载器发生横滚，起到平衡作用。
具体参阅图13，所述壳体两侧分别间隔排列多个侧翼440，所述侧翼440上端部440a横向截面的面积小于侧翼440下端部440b横向截面的面积；也可以理解为侧翼440上端部440a的表面积小于侧翼440下端部440b的表面积。
上述侧翼440的外形结构设计，可保证压载器在水流中移动时，能够产生一个持续向下的力，提高压载器在水中的竖向拉力，其结构设计的构思基于以下原理：
1.当水流经过侧翼440上表面和下表面时，由于下表面路程比上表面长，则水流要在相同时间内通过上下表面，根据S＝VT，下表面流速比上表面大；
2.再根据伯努利定理:由不可压、理想流体沿流管作定常流动时的伯努利定理知，流动速度增加，流体的静压将减小；反之，流动速度减小，流体的静压将增加；但是流体的静压和动压之和，称为总压始终保持不变。
3.在侧翼440上表面和下表面时总压不变的情况下，下表面流速比上表面流速大，则上表面静压比下表面静压大，从而产生压力差，形成向下压力，使压载器获得向下的力。
需要说明的是，在壳体底部设置垂直尾翼430，再配合壳体两侧设计的侧翼440，以及压载器上方连接的缆绳，可从三个维度方向共同避免压载器发生横滚。
本实施例中，所述侧翼440通过侧翼支架441连接在壳体上，其在壳体上的攻击角度可调；需要说明的是，攻击角度是指侧翼440攻击水流的角度，也可理解为侧翼440在壳体上的旋转角度。
本实施例中，侧翼440与壳体的连接方式可以为螺接，在侧翼440的侧翼支架441上设外螺纹，在壳体上设置与侧翼支架441外螺纹配合的螺纹孔，将侧翼支架441螺接在螺纹孔内即可。
本实施例中，侧翼440与壳体的连接方式也可以为插接，再通过螺母442锁紧即可，其具体方式如下(具体参阅图14、图16、图17和图18)：
1.壳体上设置套管443，套管443外周设外螺纹，所述套管443可沿其径向发生弹性形变，或是套管443上沿其轴向设有多个长条孔，在外力作用下，方便套管443沿其径向发生弹性形变；
2.将侧翼440侧翼支架441的头部插接在套管443内，在套管443外周螺接螺母442将套管443沿其径向向内锁紧，对侧翼支架441头部进行固定。
本实施例中，为了保证压载器在不同航速下的恒定拉力，侧翼的攻击角度由以下公式进行计算并调整(侧翼受力示意图参阅图19)：
Fd＝Fsinα；
F＝1/2(ρV2 SCdsinα)；
其中，Fd为压载器垂直拉力；F为压载器在水中阻力；ρ为海水密度；V为航速；S为侧翼面积；Cd为绕流阻力系数；α为攻击角度。
案例举例：
给定压载器拉力Fd为97.2N，水中阻力F为97.2N，海水密度ρ为1080kg/m3，船速V为3m/s，侧翼面积S为0.4m2，绕流阻力系数Cd为0.8；上述公式中只有sinα为变量，则计算出α为30°。
本实施例中，所述壳体包括上壳411和下壳412，所述上壳411和下壳412上下拼接成壳体；所述上壳411和下壳412之间通过螺钉固定。
本实施例中，还包括平衡杆450，所述上壳411和下壳412分别通过螺钉固定在平衡杆450上，所述平衡杆450的两端分别安装有配重块460；将上壳411和下壳412的固定方式设计为螺钉固定，可方便拆卸壳体用以调整平衡杆450两端的配重块460重量。
压载器在水流中实际移动过程中，因无人船航速发生变化或是水流的流动速度增加，都会导致流体的静压将减小，使压载器偏离；通过在壳体内部设计杠杆结构，可根据不同情况，调整平衡杆450的两端部配重块460的重量，使压载器的重量、重心能够通过配重增减或改变配重位置进行调节。
本实施例中，所述壳体顶部设有安装座420，所述安装座420上设有安装孔421；所述安装座420用于将压载器连接在无人船的缆绳上。
需要说明的是，为使压载器重力与拖曳力平衡以保证温盐链拖曳稳定性，需使压载器的重心与拖曳点/安装孔421位置重合，用以保证压载器的重力与拖曳点拉力保持力矩平衡。
本实施例中，所述壳体两侧分别间隔排列4个侧翼440；壳体两侧设计的侧翼440数量可根据实际情况具体设置。
本发明实施例提供的压载器，具有以下有益效果：本发明通过对侧翼进行结构设计，在不增加压载器重量的前提下，可保证压载器在水流中移动时，能够产生一个持续向下的力，提高增加压载器在水中的竖向拉力，确保温盐链末段稳定。
实施例三，参阅图1-图7、图9。
绞盘总成200包括绞盘架230，转动连接在绞盘架230上的绞盘210，以及驱动绞盘210转动的绞盘驱动机构；所述绞盘驱动机构用于驱动绞盘210转动。
本实施例中，绞盘架230主要起支撑和固定绞盘210的作用，其具体结构不做具体限定；所述绞盘架230上安装有转盘底座轴承，绞盘210固定在转盘底座轴承上。
本实施例中，绞盘架230上在电缆500出线位置安装有行程开关，通过设置行程开关控制电缆500收放长度。
本实施例中，所述绞盘驱动机构包括焊接在绞盘210内圆周壁上的环形大齿轮220，固定在绞盘架230上的绞盘电机240，通过轴承转动连接在绞盘架230上且与绞盘电机240驱动轴固定的小齿轮，所述小齿轮与环形大齿轮220啮合传动；其中，各图中小齿轮结构未示出。
绞盘电机240工作，带动小齿轮、环形大齿轮220同步转动，从而实现绞盘210转动；其中，小齿轮为主动齿轮，小齿轮、环形大齿轮220的配合传动，可实现较大的减速比。
实施例四，参阅图1-图7、图9。
排缆器总成300包括排缆架320，竖直设置且通过轴承转动连接在排缆架320上的丝杆330，螺接在丝杆330上的螺母，固定在螺母上的排缆器，以及固定在排缆架320上并与丝杆330连接的排缆电机310；其中，各图中螺母结构未示出。
本实施例中，所述排缆架320为多个倒置的L形杆在顶部焊接固定而成，排缆架320上设置多根竖直固定的导向杆370，排缆器通过线性轴承上下滑动在导向杆370上；排缆架320上还设置行程开关。
本实施例中，所述排缆器包括与螺母固定连接的导向支架340，转动设置在导向支架340上的多组导向轮350；其中，导向支架340主要起固定导向轮350，且带动导向轮350上下移动的作用，其具体结构不做具体限定，只要能满足以上功能即可。
本实施例中，导向轮350设置八组，每组导向轮350对称设置两个，两个导向轮350之间存在电缆500穿过导出的空隙；电缆500自由端从绞盘210上引出，并穿过各组中两个导向轮350之间的空隙，丝杆330和螺母配合传动，驱动排缆器沿丝杆330上下做往复运动，即可将电缆500整齐有序收放在绞盘210上。
本实施例中，排缆架320底部安装有一个贯穿无人船100船底的导向套380，电缆500自由端穿过导向套380并垂直落入水中。
相对应的，电缆500自由端与压载器400连接的上方设置有缓冲圆垫390，缓冲圆垫390的大小、形状与导向套380套孔内壁的大小、形状相配适；非工作状态时，缓冲圆垫390插接在导向套380的套孔内，使压载器400固定无人船100下方，避免压载器400在水流中晃荡。
实施例四，参阅图3和图9。
防跳组件，所述防跳组件包括防跳滚轮610、防跳杆620和弹性件630；
所述防跳杆620通过套筒或轴承转动连接在排缆架320上，所述防跳滚轮610固定在防跳杆620端部，其滚轮面低接在绞盘210缠绕的电缆500上，所述弹性件630一端连接在排缆架320上，另一端连接在防跳杆620上。
本实施例中，所述弹性件630可选用气弹簧630或弹簧。
通过设置防跳组件，在弹性件630弹力的作用下，防跳滚轮610始终低接在绞盘210缠绕的电缆500上，防止绞盘210滚动过程中，电缆500随意跳动。
本发明实施例提供的小型走航式连续温盐剖面观测系统的使用方法如下：
一、排缆工作：
1、绞盘电机240收到指令顺时针旋转，驱动绞盘210将电缆500全部排出；
2、电缆500在压载器400重力作用下，通过排缆器总成300上的导向轮350引出；
3、排缆电机310驱动排缆器总成300跟随绞盘210向下运动；
4、压载器400通过侧翼440给电缆500提供斜下方的拉动力，多个温盐深传感器720将检测到的连续温盐剖面数据通过电缆500传输至水面。
二、收缆工作原理：
1、绞盘电机240收到指令逆时针旋转，驱动绞盘210将电缆500全部收回；
2、排缆电机310驱动排缆器总成300跟随绞盘210向上运动，排缆架320上的行程开关检测到压载器400移动至预定位置，排缆电机310停止工作；缓冲圆垫390插到导向套380从而使压载器400固定无人船100下方。
本发明实施例提供的一种小型走航式连续温盐剖面观测系统，具有以下有益效果：本发明将温盐深传感器与电缆同轴连接，无分支电缆，绞盘收放电缆无障碍；通过放弃旁支缆的连接方式，因主缆无分支，电缆收放时也不会扯断受损，保证电缆的正常工作，提高电缆的使用寿命。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种小型走航式连续温盐剖面观测系统，其特征在于，包括：
无人船；
绞盘总成，其设在无人船上，用于收放电缆；
排缆器总成，其设在无人船上并靠近绞盘总成位置进行设置，所述排缆器总成用于将电缆整齐有序收放在绞盘总成上；
压载器，其安装在电缆自由端；
多个耐压舱体，多个所述耐压舱体间隔连接在电缆上并与电缆同轴设置；
多个温盐深传感器，多个所述温盐深传感器设在耐压舱体内部并与电缆电性连接；
所述压载器包括壳体，所述壳体底部设有垂直尾翼，所述壳体两侧分别间隔排列多个侧翼，所述侧翼上端部横向截面的面积小于侧翼下端部横向截面的面积；
所述侧翼通过侧翼支架连接在壳体上，其在壳体上的攻击角度可调；为了保证压载器在不同航速下的恒定拉力，侧翼的攻击角度由以下公式进行计算：
Fd＝Fsinα；
F＝0.5*(ρV2 SCdsinα)；
其中，Fd为压载器垂直拉力；F为压载器在水中阻力；ρ为海水密度；V为航速；S为侧翼面积；Cd为绕流阻力系数；α为攻击角度；
所述排缆器总成包括排缆架，竖直设置且转动连接在排缆架上的丝杆，螺接在丝杆上的螺母，固定在螺母上的排缆器，以及固定在排缆架上并与丝杆连接的排缆电机；
所述排缆器包括与螺母固定连接的导向支架，转动设置在导向支架上的多组导向轮；
还包括防跳组件，所述防跳组件包括防跳滚轮、防跳杆和弹性件；所述防跳杆转动连接在排缆架上，所述防跳滚轮固定在防跳杆端部，其滚轮面低接在绞盘缠绕的电缆上，所述弹性件一端连接在排缆架上，另一端连接在防跳杆上。
2.根据权利要求1所述的小型走航式连续温盐剖面观测系统，其特征在于，所述耐压舱体两端设有外螺纹，所述电缆绝缘壳与耐压舱体连接位置设有内螺纹，所述耐压舱体两端螺接在其前后连接的两段电缆绝缘壳上。
3.根据权利要求1所述的小型走航式连续温盐剖面观测系统，其特征在于，所述耐压舱体直径与电缆直径相同，其上贯穿设置流通孔。
4.根据权利要求1所述的小型走航式连续温盐剖面观测系统，其特征在于，所述绞盘总成包括绞盘架，转动连接在绞盘架上的绞盘，以及驱动绞盘转动的绞盘驱动机构。
5.根据权利要求4所述的小型走航式连续温盐剖面观测系统，其特征在于，所述绞盘驱动机构包括固定在绞盘内圆周壁上的环形大齿轮，固定在绞盘架上的绞盘电机，转动连接在绞盘架上且与绞盘电机驱动轴固定的小齿轮，所述小齿轮与环形大齿轮啮合传动。
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