高精度一体式浮力调节系统及操作方法与流程

1.本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是一种应用于水下平台的高精度一体式浮力调节系统及操作方法。

背景技术：

2.海洋蕴含着各类丰富资源，是各国争夺的热点，随着对海洋的不断认识，人类对海洋的探索和开发已从浅蓝走向深蓝，一直延伸至马里亚纳海沟。为了更清楚的了解海洋、更好的利用和开发海洋，世界各国开发了各类水下观测或作业设备，其中包括各类载人和无人潜水器。
3.潜水器在下潜、上浮及水下作业过程中浮力或重力会产生动态变化，比如不同深度下海水密度不同会导致潜水在不同深度时的浮力不同；深海环境压力会导致潜水器耐压结构受压缩而使其浮力减小；在取样后会使潜水器重力增加，布放设备后重力减少。为了弥补上述变化引起的剩余浮力，一般在各类潜水器或水下作业平台上设置了浮力调节系统或浮力调节装置。
4.常用的浮力调节系统主要配置浮力调节水舱、浮力调节水泵组、浮力调节阀组及管路系统，且一般采用分体式结构，通过向水舱内注排水改变设备的重力以实现浮力的调节，设置在浮力调节水舱内的浮子式或磁致伸缩式位移传感器可对液位进行监测，间接实现注排水量的监测，但随着水下平台的运动及姿态的变化，水舱内液面会不断变化且不稳定，导致流量控制无法满足高精度控制要求，且上述现有方案中设备多、系统复杂、可靠性低。
5.公开号为cn10621884a中公开了一种水液压浮力调节装置及方法，其将浮力调节水泵组、调节阀及管路设置在耐压舱内，并在耐压舱内设置了第二容器。其主要通过利用双向泵的泵-马达功能的转换，实现对第二容器的注排水，在保证第一容器(耐压舱)排水体积不变的情况改变第二容器的重量实现上浮和下潜，主要解决的技术问题是提供一种可以利用水深压力能的高效浮力调节系统，其解决的问题主要是效率问题。在该方案中其为了保证设备和元件的正常运行，将系统元件布置在舱内的干式环境，并增加第二容器，使系统更为复杂，安装维修不便，并且在该方案中其无法提供精确的注排水量的测量和控制，无法满足水下作业潜器高精度浮力调节的需求。

技术实现要素：

6.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的高精度一体式浮力调节系统及操作方法，从而可以提高调节精度，简化系统结构，提高工作可靠性。
7.本发明所采用的技术方案如下：
8.一种高精度一体式浮力调节系统，包括水舱，所述水舱的内部注入有水，所述水舱的底部中心位置设置有放水口，所述水舱的顶面配合安装有舱口盖，所述舱口盖内侧中间位置设置有压力传感器和控制器，控制器一旁的舱口盖内侧设置有流量调节阀，所述舱口
盖的内部设置有单向阀和过滤器，所述过滤器的一端连接注水口，过滤器的另一端与流量调节阀连接，所述单向阀的一端连接排出口，单向阀的另一端通过排水管与电机水泵组连接；所述控制器和压力传感器外部的舱口盖内侧通过紧固件固定有安装框架，所述安装框架的底部固定电机水泵组；位于舱口盖外侧还设置有第一水密插件和第二水密插件。
9.作为上述技术方案的进一步改进：
10.所述水舱采用球型结构。
11.所述水舱为耐压结构。
12.所述水舱的顶面为平面，所述平面上设置有密封槽，所述密封槽内安装密封圈。
13.所述舱口盖呈圆盘式结构，舱口盖的外圆周面与水舱的端口外圈平滑过渡。
14.所述舱口盖的结构为：包括盖体，所述盖体内侧与控制器、流量调节阀、压力传感器连接成一体，构成一体式结构，第一水密插件和第二水密插件连接在盖体的外侧，构成一体式结构；盖体的两端开有螺钉孔，螺钉孔内安装大螺钉，将盖体与水舱连接，盖体内侧开有间隔的沉孔，沉孔内安装小螺钉，将安装框架与盖体连接。
15.所述安装框架的截面呈“几”字型结构，所述安装框架上开有多个间隔的通槽。
16.所述放水口上设置有堵头。
17.所述压力传感器集成了温度传感器。
18.一种高精度一体式浮力调节系统的操作方法，包括如下操作步骤：
19.初始状态时，水舱内已预注入了一定量的水；
20.下潜时，控制器控制流量调节阀开启，水舱外部的水在水压作用下经过滤器和流量调节阀自流注入水舱内部，水舱内水量逐渐增多，舱内气压升高，压力传感器采集水舱内的气压和温度，并反馈至控制器，控制器经过计算得出注入水舱的水量，当注水量达到要求后，控制器控制流量调节阀关闭，注水过程完成；
21.上浮时，控制器控制电机水泵组工作，从水舱底部吸水并经单向阀向水舱外排水，水舱内水量减少，根据调节速度的要求，控制器可控制水泵改变转速，实现精确流量的控制；当舱内水被排出后，舱内气压降低，压力传感器采集水舱内的气压和温度，并反馈至控制器，控制器经过计算得出排出的水量；当排水量达到要求后控制器控制电机水泵组停止工作，排水过程完成；
22.维护时，只需松开大螺钉，将整个舱口盖取出即可。
23.本发明的有益效果如下：
24.本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置球形结构的水舱，而且水舱采用的湿式环境，将浮力调节元件均布置在水舱内，设备为空气或低压水环境，不需要承受外界环境的大背压。舱口盖作为一体式结构，系统和结构简单，通过流量调节阀控制注水和水泵排水的方式改变水舱重力，注排水控制精度更高。利用理想气体特性，采用控制舱内气压的方式实现注排水量的精确控制，该方案避免了水舱姿态、液位波动及水舱不规则外形等对液位测量精度的影响，可应用于任何形状、任何姿态下水舱内水量的高精度测量。
附图说明
25.图1为本发明的结构示意图。
26.图2为本发明水舱的结构示意图。
27.图3为本发明舱口盖的结构示意图。
28.其中：1、水舱；2、舱口盖；3、安装框架；4、排水管；5、密封圈；6、大螺钉；7、小螺钉；
29.101、放水口；102、密封槽；
30.201、单向阀；202、第一水密插件；203、第二水密插件；204、压力传感器；205、过滤器；206、流量调节阀；207、注水口；208、控制器；209、盖体；301、电机水泵组。
具体实施方式
31.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
32.如图1、图2和图3所示，本实施例的高精度一体式浮力调节系统，包括水舱1，水舱1的内部注入有水，水舱1的底部中心位置设置有放水口101，水舱1的顶面配合安装有舱口盖2，舱口盖2内侧中间位置设置有压力传感器204和控制器208，控制器208一旁的舱口盖2内侧设置有流量调节阀206，舱口盖2的内部设置有单向阀201和过滤器205，过滤器205的一端连接注水口207，过滤器205的另一端与流量调节阀206连接，单向阀201的一端连接排出口，单向阀201的另一端通过排水管4与电机水泵组301连接；控制器208和压力传感器204外部的舱口盖2内侧通过紧固件固定有安装框架3，安装框架3的底部固定电机水泵组301；位于舱口盖2外侧还设置有第一水密插件202和第二水密插件203。
33.水舱1采用球型结构。
34.水舱1为耐压结构。
35.水舱1的顶面为平面，平面上设置有密封槽102，密封槽102内安装密封圈5。
36.舱口盖2呈圆盘式结构，舱口盖2的外圆周面与水舱1的端口外圈平滑过渡。
37.舱口盖2的结构为：包括盖体209，盖体209内侧与控制器208、流量调节阀206、压力传感器204连接成一体，构成一体式结构，第一水密插件202和第二水密插件203连接在盖体209的外侧，构成一体式结构；盖体209的两端开有螺钉孔，螺钉孔内安装大螺钉6，将盖体209与水舱1连接，盖体209内侧开有间隔的沉孔，沉孔内安装小螺钉7，将安装框架3与盖体209连接。
38.安装框架3的截面呈“几”字型结构，安装框架3上开有多个间隔的通槽。
39.放水口101上设置有堵头。
40.压力传感器204集成了温度传感器。
41.本实施例的高精度一体式浮力调节系统的操作方法，包括如下操作步骤：
42.初始状态时，水舱1内已预注入了一定量的水；
43.下潜时，控制器208控制流量调节阀206开启，水舱1外部的水在水压作用下经过滤器205和流量调节阀206自流注入水舱1内部，水舱1内水量逐渐增多，舱内气压升高，压力传感器204采集水舱1内的气压和温度，并反馈至控制器208，控制器208经过计算得出注入水舱1的水量，当注水量达到要求后，控制器208控制流量调节阀206关闭，注水过程完成；
44.上浮时，控制器208控制电机水泵组301工作，从水舱1底部吸水并经单向阀201向水舱1外排水，水舱1内水量减少，根据调节速度的要求，控制器208可控制水泵改变转速，实现精确流量的控制；当舱内水被排出后，舱内气压降低，压力传感器204采集水舱1内的气压和温度，并反馈至控制器208，控制器208经过计算得出排出的水量；当排水量达到要求后控制器208控制电机水泵组301停止工作，排水过程完成；
45.维护时，只需松开大螺钉6，将整个舱口盖2取出即可。
46.本发明的具体结构和功能如下：
47.其主要包括水舱1、舱口盖2、安装框架3、电机水泵组301、控制器208、流量调节阀206、单向阀201、压力传感器204、过滤器205、第一水密插件202、第二水密插件203、注水口207和排水管4。
48.其中控制器208、流量调节阀206、压力传感器204均与舱口盖2的盖体209内侧连接为一体，并内置于水舱1的内部，单向阀201和过滤器205内置于舱口盖2的内部。
49.其中电机水泵组301与安装框架3连接为一体，并整体固定于舱口盖2盖体209的内侧端。
50.电机水泵组301的出水口通过排水管4与单向阀201连接，进行排水；
51.流量调节阀206的进口端通过舱口盖2内部流道连接至过滤器205的一端，过滤器205的另一端与注水口207连接。
52.控制器208分别通过电缆与电机水泵组301、流量调节阀206、压力传感器204、第二水密插件203、第一水密插件202连接。
53.舱口盖2与水舱1之间通过大螺钉6连接为一体，安装端面设置了密封圈5，舱口盖2和水舱1构成了一个可耐压的密封水舱。
54.本发明所述的电机水泵组301中的电机为水下电机，并集成了电机驱动器。
55.本发明所述的压力传感器204集成了温度传感器。
56.注水口207设置在舱口盖2的上端，放水口101设置在水舱1的下端中间位置。
57.水舱1为一球型耐压结构。
58.实施例一：
59.一种高精度一体式浮力调节系统的操作方法，采用上述浮力调节系统，通过注水和排水改变浮力调节水舱的重力，实现浮力调节功能。其调节过程为：
60.初始状态时，浮力调节水舱内已预注入了一定量的水。
61.下潜时，控制器208控制流量调节阀206开启，水舱1外部的水在水压作用下经过滤器205和流量调节阀206自流注入水舱1内，水舱1内水量增多。当水注入水舱1后，舱内气压升高，压力传感器204采集水舱内的气压和温度，并反馈至控制器208，根据理想气体方程，控制器经过计算可得出注入水舱1的水量。当注水量达到要求后控制器208控制流量调节阀206关闭，注水过程完成。
62.上浮时，控制器208控制电机水泵组301工作，水泵从水舱1底部吸水并经单向阀201向水舱1外排水，水舱1内水量减少，根据调节速度的要求，控制器208可控制水泵改变转速，实现精确流量的控制。当舱内水被排出后，舱内气压降低，压力传感器204采集水舱1内的气压和温度，并反馈至控制器208，控制器208经过计算可得出排出的水量。当排水量达到要求后控制器208控制电机水泵组301停止工作，排水过程完成。
63.实施例二：
64.一种高精度一体式浮力调节系统的操作方法，采用上述浮力调节装置，通过注水和排水改变浮力调节水舱的重力，实现浮力调节功能，为便于描述这里假设水舱在未注水时舱内容积为v0。
65.其调节过程为：
66.初始状态时，通过注水口207向水舱1内注入一定量的水v1，此时水舱1内气压为p1，温度为t1。
67.下潜时，控制器208控制流量调节阀206开启，水舱1外部的水在水压作用下经过滤器205和流量调节阀206自流注入水舱1内，水舱1内水量增多，重力增大，而水舱1总浮力不变，因此搭载该浮力调节装置的潜水器可实现浮力的减小。此时，舱内气压升高，舱内气压为p2，温度为t2，根据理想气体方程，注水量v2与舱内气压及温度有如下关系：
[0068][0069]
由该式可知，只要控制p2就可以精确控制注水量v2。
[0070]
上浮时，控制器208控制电机水泵组301工作，水泵从水舱底部吸水并经单向阀201向水舱1外排水，水舱1内水量减少，重力减小，而水舱1总浮力不变，因此搭载该浮力调节装置的潜水器可实现浮力的增加。此时，舱内气压降低，舱内气压为p3，温度为t3，同理，此时排水量v3与舱内气压及温度有如下关系：
[0071][0072]
由该式可知，只要控制p3就可以排水量v3。
[0073]
由上述可知，只要通过采集水舱内的气压和温度参数，并对最终的压力进行控制就可实现注排水量的精确控制，根据现有技术具有温度补偿的气压监测传感器可实现气压的高精度监测。
[0074]
采用本发明所述高精度一体式浮力调节装置和操作方法，系统结构简单，可实现模块化安装，使用维护方便，避免了水舱姿态、液位波动及水舱不规则外形等对液位测量精度的影响，可应用于任何形状、任何姿态下的高精度浮力调节。
[0075]
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

技术特征：

1.一种高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：包括水舱(1)，所述水舱(1)的内部注入有水，所述水舱(1)的底部中心位置设置有放水口(101)，所述水舱(1)的顶面配合安装有舱口盖(2)，所述舱口盖(2)内侧中间位置设置有压力传感器(204)和控制器(208)，控制器(208)一旁的舱口盖(2)内侧设置有流量调节阀(206)，所述舱口盖(2)的内部设置有单向阀(201)和过滤器(205)，所述过滤器(205)的一端连接注水口(207)，过滤器(205)的另一端与流量调节阀(206)连接，所述单向阀(201)的一端连接排出口，单向阀(201)的另一端通过排水管(4)与电机水泵组(301)连接；所述控制器(208)和压力传感器(204)外部的舱口盖(2)内侧通过紧固件固定有安装框架(3)，所述安装框架(3)的底部固定电机水泵组(301)；位于舱口盖(2)外侧还设置有第一水密插件(202)和第二水密插件(203)。2.如权利要求1所述的高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：所述水舱(1)采用球型结构。3.如权利要求1所述的高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：所述水舱(1)为耐压结构。4.如权利要求1所述的高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：所述水舱(1)的顶面为平面，所述平面上设置有密封槽(102)，所述密封槽(102)内安装密封圈(5)。5.如权利要求1所述的高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：所述舱口盖(2)呈圆盘式结构，舱口盖(2)的外圆周面与水舱(1)的端口外圈平滑过渡。6.如权利要求1所述的高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：所述舱口盖(2)的结构为：包括盖体(209)，所述盖体(209)内侧与控制器(208)、流量调节阀(206)、压力传感器(204)连接成一体，构成一体式结构，第一水密插件(202)和第二水密插件(203)连接在盖体(209)的外侧，构成一体式结构；盖体(209)的两端开有螺钉孔，螺钉孔内安装大螺钉(6)，将盖体(209)与水舱(1)连接，盖体(209)内侧开有间隔的沉孔，沉孔内安装小螺钉(7)，将安装框架(3)与盖体(209)连接。7.如权利要求1所述的高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：所述安装框架(3)的截面呈“几”字型结构，所述安装框架(3)上开有多个间隔的通槽。8.如权利要求1所述的高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：所述放水口(101)上设置有堵头。9.如权利要求1所述的高精度一体式浮力调节系统，其特征在于：所述压力传感器(204)集成了温度传感器。10.一种高精度一体式浮力调节系统的操作方法，其特征在于：包括如下操作步骤：初始状态时，水舱(1)内已预注入了一定量的水；下潜时，控制器(208)控制流量调节阀(206)开启，水舱(1)外部的水在水压作用下经过滤器(205)和流量调节阀(206)自流注入水舱(1)内部，水舱(1)内水量逐渐增多，舱内气压升高，压力传感器(204)采集水舱(1)内的气压和温度，并反馈至控制器(208)，控制器(208)经过计算得出注入水舱(1)的水量，当注水量达到要求后，控制器(208)控制流量调节阀(206)关闭，注水过程完成；上浮时，控制器(208)控制电机水泵组(301)工作，从水舱(1)底部吸水并经单向阀(201)向水舱(1)外排水，水舱(1)内水量减少，根据调节速度的要求，控制器(208)可控制水泵改变转速，实现精确流量的控制；当舱内水被排出后，舱内气压降低，压力传感器(204)采
集水舱(1)内的气压和温度，并反馈至控制器(208)，控制器(208)经过计算得出排出的水量；当排水量达到要求后控制器(208)控制电机水泵组(301)停止工作，排水过程完成；维护时，只需松开大螺钉(6)，将整个舱口盖(2)取出即可。

技术总结

高精度一体式浮力调节系统及操作方法，包括水舱，所述水舱的内部注入有水，所述水舱的底部中心位置设置有放水口，所述水舱的顶面配合安装有舱口盖，所述舱口盖内侧中间位置设置有压力传感器和控制器，控制器一旁的舱口盖内侧设置有流量调节阀，所述舱口盖的内部设置有单向阀和过滤器，所述过滤器的一端连接注水口，过滤器的另一端与流量调节阀连接，所述单向阀的一端连接排出口，单向阀的另一端通过排水管与电机水泵组连接；所述控制器和压力传感器外部的舱口盖内侧通过紧固件固定有安装框架，所述安装框架的底部固定电机水泵组；位于舱口盖外侧还设置有第一水密插件和第二水密插件。调节精度高，简化系统结构，提高工作可靠性。性。性。