CN102384015A - 波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统，它由海面机舱、振荡浮子、测量平台、永磁发电机、直流曳引机、铅蓄电池、自动控制装置、无线通讯装置等设备组成。利用海面机舱和振荡浮子的相对运动，将波浪能收集并转化为电能。在自动控制装置控制下完成铅蓄电池的充电和放电。自动控制装置发出指令使直流曳引机正转或反转从而驱动测量平台循环上浮和下潜。测量平台在运动过程中不断测量海洋环境参数，并利用无线通讯装置将测量数据自动上传到岸上的监控中心。本发明可实现系统能源自补给，测量平台速度和位置精确控制以及海洋环境参数测量数据实时上传，与传统的海洋环境监测装置相比，本发明具有极大的优势。

Description

波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统

技术领域

本发明涉及一种海洋环境监测技术领域，特别是涉及一种利用波浪能驱动，并能在近海海域中测量海洋环境参数的波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统。

背景技术

长期、连续、实时的进行海洋环境参数监测对海洋学研究、海洋工程建设以及海上国防安全等人类活动具有重要的作用。以往进行海洋环境参数的测量一般有两种方法,一种由船载仪器进行测量；另一种则采用潜标分层敷设传感器组来进行测量。由船载仪器进行测量的方法需要船舶配合绞车来回多次完成海洋环境参数的监测,若要长期连续观测,则需要耗费大量人力和财力；采用传统潜标测量,一般由蓄电池供电，但由于长期无人值守,能源补给是一大难题。每间隔一段时间都需要人为将潜标收回，并补充电源，测量的持续性无法得到保证。并且潜标测量方法需要分层敷设多个传感器,大大增加了设备成本。这两类传统的测量方法已经不能够满足越来越大的海洋环境参数监测任务的需求。因此，若能够利用海面上无处不在的波浪能来进行能源自补给，循环驱动测量平台的上下运动，连续进行海洋环境参数测量，并将测量数据自动远程上传，是解决目前传统海洋环境参数测量方法不足的一个良好方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由波浪能驱动、测量平台可升降并可实现测量数据的自动远程上传的波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统，它包括海面机舱、发电机旋转轴、曳引机旋转轴、超越离合器、传动索、配重体、定滑轮、振荡浮子、重物锚块、链条、链轮、测量平台、张紧锤、随行电缆、增速齿轮箱、永磁发电机、铅蓄电池、直流曳引机、自动控制装置；所述的海面机舱由相对设置的左侧海面机舱和右侧海面机舱组成，在左侧海面机舱和右侧海面机舱之间形成悬空区，所述的增速齿轮箱、永磁发电机、铅蓄电池、直流曳引机、自动控制装置安装在右侧海面机舱内，所述的发电机旋转轴可旋转的跨接在左侧海面机舱和右侧海面机舱之间，且其一端伸入右侧海面机舱内部与安装在右侧海面机舱内的增速齿轮箱的输入轴连接，增速齿轮箱的输出轴通过皮带轮和皮带与永磁发电机上的传动轴连接，永磁发电机电通过自动控制装置电连接铅蓄电池和直流曳引机，直流曳引机的输出轴连接曳引机旋转轴，曳引机旋转轴可旋转的跨接在左侧海面机舱和右侧海面机舱之间；所述的超越离合器安装于发电机旋转轴上，传动索缠绕于超越离合器上，传动索的一端连接于配重体，传动索的另一端绕经定滑轮连接于振荡浮子，而定滑轮固定安装于重物锚块上；所述的链轮固定在曳引机旋转轴上，链条栓系并缠绕在链轮上，链条下方依次连接着测量平台和张紧锤，测量平台利用随行电缆与铅蓄电池电连接获得电源，并与自动控制装置连接传递测量信号给自动控制装置。

所述的发电机旋转轴和曳引机旋转轴分别水平安装于左侧海面机舱和右侧海面机舱之间，其安装位置高于海面。

所述的自动控制装置的组成包括晶振电路、时钟电路、程序存储器、数据存储器、电压转换电路、电压测量电路、曳引机调压控制器、曳引机正反转开关、充放电开关、RS232接口、A/D转换器、80C552微控制器；所述的晶振电路、时钟电路、程序存储器、数据存储器、电压转换电路、电压测量电路、曳引机调压控制器、曳引机正反转开关、充放电开关、RS232接口、A/D转换器分别与80C552微控制器连接；所述的铅蓄电池通过电压转换电路和电压测量电路连接微控制器； 

所述的微控制器通过RS232接口和通讯线与无线通讯装置连接，将测量的海洋环境参数数据实时传递给岸上的监控中心。

本发明还包括锚定装置；该锚定装置包括海底浮体、锚定定滑轮、锚定重物锚块、锚定传动索，所述的锚定传动索一端与海面机舱底部相连，另一端则绕经锚定定滑轮并系于海底浮体上，锚定定滑轮固定安装在海底锚定重物锚块上。

采用上述方案后，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于本发明设有海面机舱并将相关部件安装在海面机舱内，依靠海面机舱和振荡浮子之间的相对运动，转换和吸收波浪能，并将其转化为电能，实现了整个监测系统的能源自补给，保证该系统能够稳定的长期连续运行。

2、由于本发明的测量平台是通过链条、链轮连接在曳引机旋转轴上，测量平台可在曳引机牵引力和自身重力的作用下循环上浮和下潜，因此利用一个传感器就能够实现某一海洋环境参数的连续垂直剖面测量，节省了人力、物力和财力。

3、由于本发明的自动控制装置可以通过控制曳引机的旋转速度和旋转圈数来精确控制测量平台上浮和下潜的速度以及测量平台在海水中的位置，这也是传统测量方法不能实现的。

4、由于本发明自动控制装置中的微控制器通过RS232接口和通讯线与无线通讯装置连接，通过无线通讯装置可将测量数据在数秒钟之内传递给岸上的监控中心，可真正实现海洋环境参数的实时监测。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明右侧海面机舱的内部结构示意图；

图3是本发明自动控制装置的原理框图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明是一种波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统，它包括海面机舱1、发电机旋转轴2、曳引机旋转轴3、超越离合器4、传动索5、配重体6、定滑轮7、振荡浮子8、重物锚块9、链条91、链轮92、测量平台93、张紧锤94、随行电缆95、增速齿轮箱96、永磁发电机97、铅蓄电池98、直流曳引机99、自动控制装置10、锚定装置20、无线通讯装置30。

所述的海面机舱1由相对设置的左侧海面机舱11和右侧海面机舱12组成。左侧海面机舱11和右侧海面机舱12的重量相等，在海面上保持水平，利用不锈钢金属板将其焊接为一个整体。在左侧海面机舱11和右侧海面机舱12之间形成悬空区，所述的增速齿轮箱96、永磁发电机97、铅蓄电池98、直流曳引机99、自动控制装置10安装在右侧海面机舱12（或左侧海面机舱11）内，所述的发电机旋转轴2可旋转的跨接在左侧海面机舱11和右侧海面机舱12之间，且其一端伸入右侧海面机舱12内部与安装在右侧海面机舱12内的增速齿轮箱96的输入轴连接，增速齿轮箱96的输出轴通过皮带轮961和皮带962与永磁发电机97上的传动轴连接，永磁发电机电97通过自动控制装置10电连接铅蓄电池98和直流曳引机99，直流曳引机99的输出轴连接曳引机旋转轴3，曳引机旋转轴3可旋转的跨接在左侧海面机舱11和右侧海面机舱12之间。发电机旋转轴2在波浪能的作用下旋转，带动永磁发电机97的转子转动，将波浪能转化为电能。

上述的安装于左侧海面机舱11和右侧海面机舱12之间的发电机旋转轴2和曳引机旋转轴3安装位置高于海面。

所述的超越离合器4安装于发电机旋转轴2上，传动索5缠绕于超越离合器4上，传动索5的一端连接于配重体6，传动索5的另一端绕经定滑轮7连接于振荡浮子8，而定滑轮7固定安装于重物锚块9上；所述的链轮92固定在曳引机旋转轴3上，经过防腐处理的链条91栓系并缠绕在链轮92上，链条91下方依次连接着测量平台93和张紧锤94。所述的随行电缆95包括电源线和数据线，测量平台93利用随行电缆95的电源线给温盐深传感器供电。随行电缆95一端进入右侧海面机舱12连接于自动控制装置10上，另一端进入测量平台93内部与温盐深传感器连接，传递测量信号给自动控制装置10，并随着测量平台93上下循环移动。所述的张紧锤94的作用是使得链条92绷紧垂直，并使测量平台93在海水中可快速下潜。随行电缆95需进行防腐、防水以及绝缘处理。

所述的测量平台93在自动控制装置10的控制下循环上浮和下潜。当自动控制装置10发出正转指令时，直流曳引机99带动曳引机旋转轴3正向转动。链条91展开，测量平台93在自身重力和张紧锤94重力的作用下快速下潜。当自动控制装置10发出反转指令时，直流曳引机99带动曳引机旋转轴3反向转动，链条91卷起，测量平台93在直流曳引机99牵引力作用下上浮。

所述的锚定装置20包括海底浮体201、锚定定滑轮202、锚定重物锚块203、锚定传动索204。所述的锚定传动索204一端与海面机舱1底部相连，另一端则绕经锚定定滑轮202并系于海底浮体201上，锚定定滑轮202固定安装在海底锚定重物锚块204上。在本实施例中，锚定装置20有两组，分别与左侧海面机舱11和右侧海面机舱12连接。所述的海底浮体201漂浮于海水之中，其下端连接有锚定传动索204。所述的锚定传动索204绕经固定在锚定重物锚块203上的锚定定滑轮202，然后连接到海面机舱1上。当涨潮时，海面机舱1的浮力增大，锚定传动索204上拉力增大，使海底浮体201位置下降，而海面机舱1位置随海水上升。当退潮时，海面机舱1的浮力减小，锚定传动索204上拉力减小，海底浮体201位置上升，海面机舱1位置随海水下降。利用海底浮体201可使得海面机舱1在潮起潮落以及有较大风浪的情况下，仍可漂浮于海面上，有效的收集海面波浪能以及保证发电机旋转轴2、曳引机旋转轴3及海面机舱1内部的装置设备不受海水长期浸泡。

如图3参考图2所示，所述的自动控制装置10的组成包括晶振电路101、时钟电路102、程序存储器103、数据存储器104、电压转换电路105、电压测量电路106、曳引机调压控制器107、曳引机正反转开关108、充放电开关109、RS232接口110、A/D转换器111、80C552微控制器112。所述的晶振电路101、时钟电路102、程序存储器103、数据存储器104、电压转换电路105、电压测量电路106、曳引机调压控制器107、曳引机正反转开关108、充放电开关109、RS232接口110、A/D转换器111分别与80C552微控制器112连接。所述的微控制器112通过RS232接口110和通讯线40与无线通讯装置30连接，将测量的海洋环境参数数据实时传递给岸上的监控中心。

80C552微控制器112是一种51单片机，为整个自动控制装置的核心部分，控制系统命令的执行、数据的存储与传送以及控制外围电路等。晶振电路101为12MHZ晶振，为80C552微控制器112提供外部晶振频率。时钟电路102采用DS12887芯片，记录具体采样时间。程序存储器103采用27C512芯片，存储系统的程序代码。数据存储器104采用62256芯片，采集的海洋环境参数数据可暂时保存在该芯片中。

电压转换电路105将铅蓄电池98的24V直流电压转为5V直流电压，为整个自动控制装置供电。电压测量电路106用于测量铅蓄电池98的端电压，获得的电压值提供给80C552微控制器112，经过程序计算后驱动充放电开关109，控制铅蓄电池98的充放电过程。80C552微控制器112按照程序指令来驱动曳引机正反转开关108，控制直流曳引机99的正转或反转。曳引机调压控制器107根据指令调节供给直流曳引机99的端电压，通过端电压的变化来调整直流曳引机99的旋转速度，从而有效控制测量平台93上浮或下潜的速度。

所述的无线通讯装置30利用通讯线40与RS232接口110连接。RS232接口110采用芯片MAX232，连接到80C552微控制器112上。A/D转换器111将通过随行电缆95（如图1所示）获得的测量信号转化为数字信号，通过无线通讯装置30将数据远程传递到岸上的监控中心，实现海洋环境参数的实时测量。

 

本发明的工作原理：

如图1、图2所示，左侧海面机舱11和右侧海面机舱12漂浮于海面上，由于海面机舱1本身体积较大、重量较重，上下波动幅度较小。而振荡浮子8的体积和重量相对较小，随波浪运动幅度较大。因此，可利用海面机舱1和振荡浮子8随波浪的相对运动来吸收波浪能。具体过程为：当波浪下降时，振荡浮子8随着波浪向下运动，与其下方相连的传动索5也向下运动，传动索5缠绕在超越离合器4上，此时超越离合器4分离，故传动索5不能作用于发电机旋转轴2上，传动索5下方的配重体6依靠自身重力收卷传动索5。当波浪上升时，振荡浮子8在浮力作用下向上运动，同时拉动传动索5向上运动，此时超越离合器闭合，在传动索5带动下使得发电机旋转轴转动，振荡浮子8的波浪能转化为发电机旋转轴的机械能。当振荡浮子8随着波浪不断上下运动时，可带动发电机旋转轴2不断的单方向旋转。

发电机旋转轴2伸入到右侧海面机舱12内部，直接（或通过联轴器）连接到增速齿轮箱96上，增速齿轮箱96将发电机旋转轴2的转速提高到永磁发电机97额定转速附近，并通过皮带轮961带动永磁发电机97发电。永磁发电机97发出的电能向铅蓄电池98充电。自动控制装置10根据检测得到的铅蓄电池98的端电压大小来控制铅蓄电池98充电、放电。

当铅蓄电池98的端电压在工作电压附近时可驱动直流曳引机99转动。自动控制装置发出正转指令时，直流曳引机99正向转动，此时直流曳引机99旋转轴也跟着正向转动。由于链轮92安装于直流曳引机99旋转轴上，将缠绕在链轮92上的链条91展开，测量平台93在其自身以及张紧锤94的重力作用下下潜。当自动控制装置10发出反转指令时，直流曳引机99反向转动，此时直流曳引机99旋转轴也反向转动，链轮92将链条91卷起，测量平台10在直流曳引机99的牵引力作用下上浮。通过控制直流曳引机99的供给电压可控制其旋转速度，而且根据微控制器计算可确定旋转圈数，因此该系统可以精确控制测量平台93上浮和下潜的速度以及测量平台93的位置。在测量平台93下潜和上浮过程中均能进行海洋环境参数的测量，并利用随行电缆95将测量信号传递给自动控制装置10。

参考图3所示，自动控制装置10获得测量信号后，利用A/D转化器111将其转化为数字信号，即能将测量数据保存于数据存储器104中，也能通过RS232接口110将测量数据远程传递到监控中心，实现海洋环境参数的实时测量。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，海面机舱的结构与形状可有多种，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统，其特征在于：它包括海面机舱、发电机旋转轴、曳引机旋转轴、超越离合器、传动索、配重体、定滑轮、振荡浮子、重物锚块、链条、链轮、测量平台、张紧锤、随行电缆、增速齿轮箱、永磁发电机、铅蓄电池、直流曳引机、自动控制装置；所述的海面机舱由相对设置的左侧海面机舱和右侧海面机舱组成，在左侧海面机舱和右侧海面机舱之间形成悬空区，所述的增速齿轮箱、永磁发电机、铅蓄电池、直流曳引机、自动控制装置安装在右侧海面机舱内，所述的发电机旋转轴可旋转的跨接在左侧海面机舱和右侧海面机舱之间，且其一端伸入右侧海面机舱内部与安装在右侧海面机舱内的增速齿轮箱的输入轴连接，增速齿轮箱的输出轴通过皮带轮和皮带与永磁发电机上的传动轴连接，永磁发电机电通过自动控制装置电连接铅蓄电池和直流曳引机，直流曳引机的输出轴连接曳引机旋转轴，曳引机旋转轴可旋转的跨接在左侧海面机舱和右侧海面机舱之间；所述的超越离合器安装于发电机旋转轴上，传动索缠绕于超越离合器上，传动索的一端连接于配重体，传动索的另一端绕经定滑轮连接于振荡浮子，而定滑轮固定安装于重物锚块上；所述的链轮固定在曳引机旋转轴上，链条栓系并缠绕在链轮上，链条下方依次连接着测量平台和张紧锤，测量平台利用随行电缆与铅蓄电池电连接获得电源，并与自动控制装置连接传递测量信号给自动控制装置。

2.根据权利要求1所述的波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统，其特征在于：所述的发电机旋转轴和曳引机旋转轴分别水平安装于左侧海面机舱和右侧海面机舱之间，其安装位置高于海面。

3.根据权利要求1所述的波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统，其特征在于：所述的自动控制装置的组成包括晶振电路、时钟电路、程序存储器、数据存储器、电压转换电路、电压测量电路、曳引机调压控制器、曳引机正反转开关、充放电开关、RS232接口、A/D转换器、80C552微控制器；所述的晶振电路、时钟电路、程序存储器、数据存储器、电压转换电路、电压测量电路、曳引机调压控制器、曳引机正反转开关、充放电开关、RS232接口、A/D转换器分别与80C552微控制器连接；所述的铅蓄电池通过电压转换电路和电压测量电路连接微控制器。

4.根据权利要求3所述的波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统，其特征在于：所述的微控制器通过RS232接口和通讯线与无线通讯装置连接，将测量的海洋环境参数数据实时传递给岸上的监控中心。

5.根据权利要求1所述的波浪能驱动的曳引式海洋环境自动监测系统，其特征在于：它还包括锚定装置；该锚定装置包括海底浮体、锚定定滑轮、锚定重物锚块、锚定传动索，所述的锚定传动索一端与海面机舱底部相连，另一端则绕经锚定定滑轮并系于海底浮体上，锚定定滑轮固定安装在海底锚定重物锚块上。

Images