技术交流▏走航式剖面测量系统设计研究 - 走航式声学多普勒流速仪功能

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由于季节变化及24h 内日照的变化，海洋数据参数随着时间和海域的不同也相应变化的。但是在一定的海区，海洋数据参数的变化具有一定的规律。为了摸清温、盐、深的变化规律，水文工作者需要经常出海进行水文测量。以往的测量方法是测量船在海上定点抛锚，停船状态下投放测量仪进行剖面测量。为了提高测量效率，本文提出了一种走航式剖面测量系统的设计，包括收放系统的结构设计、绞车装置液压系统设计、自动控制设计等，该系统在测量船行进过程中重复抛投、回收探测拖体，进行连续的垂直剖面测量，不需要停航抛投，而且全部作业都是自动进行，并进行了相关的航行试验。

一、走航式剖面测量的系统设计及特点

走航式剖面测量系统允许通讯电缆连接的拖体进行自由下坠，下坠过程中采集水体垂直剖面原始数据，并将数据调制后生成的远传数据经通讯电缆发送回测量船，远传数据解调为原始数据后，上位机可获得抛投点的综合水体垂直剖面图。采用上位机控制收放系统执行拖体布放，通过判断拖体下坠深度终止布放，并回收拖体到海面的拖曳位置，拖曳位置设定为海面下3～5m。系统通过执行布放条件，在测量船航行状态下可实现拖体的连续布放。走航式剖面测量系统随着船速的增加测量深度减小，本系统可实现12节航速时测量水深可达300m；停航时测量水深可达4000m。

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走航式剖面测量系统由测量拖体、高强度通讯电缆、收放系统、上位机系统等组成。投放的测量拖体内含传感器及远程数传系统，可根据需求配用多种参数传感器，标准配置为测量CTD数据；投放通讯缆连接测量拖体与收放系统，能满足承受设定载荷和通讯需求；收放系统能实现测量拖体的自由下坠投放、一般控速投放、控速回收，具有缓冲制动功能，配置回转伸缩臂用于将测量拖体自甲板运送至舷外投放及自舷外回收后送回甲板。上位机系统收集各项收放系统状态参数并对收放系统下达各项动作执行指令，采集从测量拖体传来的传感器数据并综合母船状态数据、水体数据和其它相关数据留作科学分析之用。

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⒈收放系统的结构及功能

收放系统是由外导向轮、投放臂、内导向轮、回转机构、排缆机构、卷杨系统、盘式制动器、液压单元、电控柜等组成，可实现测量拖体的自由投放及控速下放和回收。

外导向轮用于最外端的出缆导向，安装机械式感应开关，用于布放过程中的拖体位置控制判断。投放臂由液压油缸驱动，可将投放臂从舷内伸到舷外，投放臂可承受额定载荷垂向和横向的弯矩。内导向轮用于排缆机构到投放臂的出缆导向，安装机械式感应开关，用于收缆防冲顶及放缆余缆保护判断；安装测力销，用于缆绳张力测量功能；安装编码器，可实现计米、计速功能。回转机构由液压马达驱动使投放臂旋转，旋转角度350°，回转机构可承受额定载荷的弯矩和扭矩。排缆机构由导杆、丝杆、排缆框组成，根据卷筒的转速移动排缆框，使卷筒上排缆整齐。丝杆由液压马达驱动，丝杆上安装旋转编码器，用于排缆位置计算。卷扬系统由液压自由轮马达驱动，可执行拖体的自由下坠及控速下放和回收。卷筒安装编码器，用于测量卷筒的转速。卷筒法兰侧安装盘式制动装置，可实现自由下放时的缓冲制动，盘式刹车由制动盘和制动头组成，制动头为碟簧松闸，液压上闸，可实现自由下放时的缓冲制动。液压单元为收放系统提供动力，配置不锈钢油箱及液压附件。电控柜可实现收放系统的本地控制功能，并执行上位机的控制指令。

⒉绞车装置液压原理设计

绞车装置的基本液压原理如图1所示。闭式电比例液压泵2 是用于向收放系统的卷筒提供动力的单元。闭式电比例液压泵2驱动带自由轮功能的马达1旋转，闭式液压泵2和自由轮马达1构成了闭式回路液压系统，卷筒的正反转可通过液压泵的电比例换向阀实现。通过自由轮先导阀5可控制自由轮阀3的阀芯工作位置。当自由轮先导阀5失电时，自由轮马达1处于正常回转工况，液压泵2驱动自由轮马达的回转；当自由轮阀5 得电时，自由轮马达1处于自由轮工况。自由轮马达1 的柱塞依靠内部的弹簧结构缩回，使自由轮马达1 的柱塞工作行程为零，马达输出轴在拖体的作用下处于自由回转状态。

①自由轮马达；②闭式液压泵；③自由轮阀；④冷却器；⑤自由轮先导阀；⑥冲洗阀；⑦溢流阀；⑧液压油箱

图1  收放系统液压原理图

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⒊自动控制设计

自动控制系统完成整个走航式剖面测量系统的通讯与控制，主要包括收放系统电控柜、工控机、上位机。收放系统电控柜与工控机通过一根多芯电缆经分线盒进行通讯，包括收放系统的控制、拖体传感器的数据信号通讯、紧停控制、接地。控制方案如图2所示。

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图2控制方案图

上位机既控制软件系统，该软件利用C#实现走航式剖面测量系统的人机交互界面，人机交互界面如图3所示。软件利用硬件平台提供的接口，实现对拖体传感器的多通道数据采集、数据显示，并可记录原始数据；实现对收放系统进行自动控制、监测收放系统的数据状态，控制收放系统进入自由轮工作模式后，通过判断测量拖体的入水深度、放缆长度、测量拖体距海底的深度进行盘式缓冲制动，制动后开始收缆，将通讯电缆收到测量拖体的拖曳位置。通过系统配置界面设定投放间隔时间、投放次数、投放深度，可实现对拖体进行连续多次投放。

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图3  人机交互界面

二、航行试验

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在水深大于300m的海区、停航状态下，挂上配置CTD传感器的托体，操作控制柜上的本地控制面板，将拖体投放至水面以下5m的投放起始位置。

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将控制权切换至上位机，在上位机控制下，进入定深投放模式，设定投放深度160m，时间间隔1min，循环自由投放3次，船速4节，记录实际投放深度、放缆长度，投放时间；设定投放深度75m，时间间隔1min，循环自由投放3次，船速8节，记录实际投放深度、放缆长度，投放时间；设定投放深度30m，时间间隔1min，循环自由投放3次，船速12节，记录实际投放深度、放缆长度，投放循环时间。

三、结语

⑴走航式剖面测量系统可采集多种水体垂直剖面信息，满足科学家对水体调查的日益增长的需求。

⑵测量船不同的航速，拖体的工作深度也是不一样的。低航速时，拖体的投放深度可以到达较大的深度；而高航速时，受水阻力增大、通讯电缆强度、收放系统功率等因素限制，拖体投放深度也相应减小。因此需要预置不同航速下的相应投放深度值，上位机根据测量船GPS装置的船速来调整拖体的最大投放深度。

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⑶进行航行试验验证，结果表明该走航式剖面测量系统满足设计使用要求，验证了该系统设计的可行性，可为后续设备的研制提供较高的参考价值。

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【作者简介】文/姜海雨，上海劳雷仪器系统有限公司。文章来自《中国设备工程》（2019年第7期（上）），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。

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