溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置製造方法
2023-06-09 20:57:16 1
溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，浮標裝置包括浮標殼體，浮標殼體外部設置有油膜檢測傳感器，浮標殼體內設置有檢測模塊電子設備組件，浮標裝置還包括遠程監控平臺；傳感器為電導式油膜檢測傳感器，檢測模塊電子設備組件產生交流信號向電導式油膜檢測傳感器施以電壓並對信號進行採集處理，油膜檢測傳感器為電導式油膜檢測傳感器，能判斷是否存在油膜汙染的信息，並能對信息進行採集與處理。本實用新型設計構思新穎，結構獨特，目的為溢油事故應急反應指揮決策部門，快速尋找可能的水面油汙染位置並取得汙染數據，為其實施汙染控制提供先進的水面溢油電子信息手段。
【專利說明】溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於海洋環境保護領域，具體涉及一種溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]目前國內外針對水面油膜檢測的傳感技術有多種，主要有紅外、紫外等光學感測浮油幹涉條紋技術，電磁波發射信號與接收信號相位差判別油水濃度技術等。由於相關傳感設備與實際的水上油膜不直接接觸，都屬於無接觸傳感探測，如國內目前進口的紅外、紫外油膜檢測設備。這種設備油膜識別率較低，水面的反光、水生物等都可能被作為油膜而誤報，誤報率30%?40%左右。光學傳感器一般成本較高。因為傳感器不隨水面浮動，受潮差、波浪影響顯著。雨霧會散射吸收光造成傳感器靈敏度變化，鹽霧和海洋氣候也會造成光學器件腐蝕。另外一種是膜電導技術傳感器，基本工作原理是當石油粘住分子膜時，膜受到破壞浸水將電極導通，然後檢測電路判斷出水面油膜的存在。關鍵的「膜」在鹽水環境下易受侵蝕造成使用壽命偏短，浸油後不能重複使用。
[0003]溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置是安裝有油膜傳感器、定位、通信模塊、電源系統並和遠程監控平臺配合使用的用於跟蹤水面油膜位置並同時獲取水面油膜信息的先進電子信息裝置。當發生海上船舶溢油汙染事故後，應急反應人員及時將該浮標裝置或多隻裝置組成的監視系統，用船隻或飛行器投放到溢油或可能被油汙染的水面，依據所獲得的水面溢油漂移方向、擴散範圍和油膜是否存在等數據，為控制汙染的指揮決策人員準確掌握汙染信息服務。該技術屬於海洋環境保護領域。
[0004]水面油膜主要是流和風的合力作用使其在水表面遷移運動，採用衛星定位的漂流浮標能夠比較準確的跟蹤水面油膜。但因為海洋環境複雜，油膜在海面會支離破碎，浮標可能偏離油膜運動方向等，在獲取油膜飄向等信息的同時，真實獲取浮標所處位置的水面油汙染信息非常重要。
[0005]採用具有定位和通信功能的浮標裝置跟蹤水面溢油，目前國內外已有研究、多項專利和產品，但能夠在既獲得位置信息又能夠同時掌握油汙染狀況的設計上，沒有質的突破。
[0006]國內外一般的溢油跟蹤浮標裝置採用的浮標體結構設計基本類似，即採用一個浮子或浮板提供浮力，內置GPS定位，海事衛星或其它通信設備構成。如加拿大的一種產品和國內的幾種專利，均為在一個球形的密閉殼體內裝置有GPS或其它衛星定位儀，海事衛星、北鬥通信衛星或GPRS網絡通信設備。如日本的一個專利採用薄形殼體，內置類似電子設備；但這些產品或專利只能夠用浮標的位置信息給出水面油膜方位的參考並不能夠同時獲取油汙染信息。例如CN2188764Y公開了一種水面油膜檢測傳感器，傳感器由浮子和電極構成，浮子由輕質絕緣材料製成，不吸水、不吸油、耐腐蝕並有一定剛性；浮子的結構分為上下兩部分，在浮子的吃水線部位設置不少於兩隻的細小電極，浮子下部浸入水中並產生浮力；浮子上部為錐形，在錐底留有能與水面接觸的平面，該平面與水面之間產生的附著力，可使浮子工作狀態平穩，保證電極位於水與空氣的臨界面而不易跳出水面或浸入水中；電極引出線由浮子內部通過浮子上部的錐頂引出，連接到檢測電路的輸入端；傳感器在水面的工作狀態為自由漂浮，不能用固定的方式與周圍物件連接。該專利技術存在一定缺陷，主要的技術問題是:(I)設備複雜，造價昂貴；(2)雖然在錐底留有能與水面接觸的平面，該平面與水面之間產生的附著力，但是該附著力較小，相對於海上風力較大，不能確保浮子工作狀態平穩，為信號或數據傳遞帶來不穩定性，信號或數據可信度降低。另外，在本研究單位專利I)水面油膜檢測傳感器，專利號(93241074.X) ；2)多浮子碟片式溢油跟蹤浮標，專利號(ZL201010191931.6) ；3)水面油膜採樣裝置，專利號(ZL200910250072.0) ；4)海上溢油漂移路徑及擴散快速預報方法，專利號(ZL201110089491.8)的基礎上，但這些專利均存在上述技術問題。
[0007]有資料顯示可以用幾隻攝像頭裝在浮標頂端像眼睛一樣監視水面油膜，但其高度和光譜適應範圍使得在監視範圍和全天候上存在很大的局限性，但是風浪和油膜很可能粘汙鏡頭失效。即實際提供油膜監測的性能尚存在明顯缺陷。
[0008]隨著我國經濟發展和國家對海洋環境保護的重視，我國海事、海洋、漁業和海洋石油開發等部門，在應對海洋石油汙染的應急反應措施方面，提出了有關這類浮標設備配備的需求，能否在獲取油膜位置的同時，得到準確的油膜信息直接影響到技術和產品的發展。
[0009]本實用新型主要是在溢油跟蹤定位浮標設計上突破現有的技術缺陷，採用電導傳感器解決油膜實時檢測的難題。傳感器置於殼體外用引線與殼體內置的檢測模塊連接，殼體內安裝了衛星定位、衛星或網絡通信、電源、太陽能電池等電子設備，在船隻或岸上用遠程監控平臺獲取油膜位置和汙染程度信息。此獨特的設計構成了一個能夠獲取水面油膜位置信息的同時用傳感器技術檢測並能夠在監控端獲取汙染信息的新式溢油浮標。該浮標與目前現有技術比較，不僅僅能夠向溢油應急指揮部門提供油膜的飄向、位置、遷移速度等信息，在準確獲取油汙染數據方面有創新和突破。本實用新型技術在國內外尚屬首創，具有很強的應用推廣價值。
【發明內容】
[0010]本實用新型的發明人主要研究了電導傳感器在不同水質、環境下的溢油監測能力，研製了一種溢油傳感器，解決了溢油傳感器功耗大、可靠性差的實用性問題。
[0011]本實用新型特點是綜合考慮了海風和海流的水動力特點，改進浮標體外形結構，研發體積小、漂移跟蹤性能良好、具有新型防水結構和防碰撞能力的浮標體。設計了傳感器和漂移浮標體的整體架構，通過集成定位、網絡通訊技術以及監控平臺系統，研製新一代海洋溢油汙染跟蹤監控浮標樣機，進行海上試驗，對海面溢油進行監測、預警。
[0012]本實用新型的目的在於提供一種溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，該浮標在設計上突破現有產品和專利的技術缺陷，能在獲取溢油飄向等位置信息的同時，取得該位置下的水面油汙染信息，為應急反應指揮部門快速尋找水面溢油，準確掌握汙染狀況以實施汙染控制，提供位置和汙染數據。
[0013]本實用新型是一種溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，該浮標包括浮標殼體、電導油膜傳感器，檢測模塊等電子設備和遠程監控平臺等幾個主要部分組成，浮標漂浮於水面隨水流和油膜運動，通過內部的衛星定位裝置獲取海面位置信息，通過電導傳感器接觸水面，在檢測模塊的配合下判斷水面的油汙染狀況並連同位置信息，經通信模塊藉助衛星或GPRS等網絡通信技術與遠程監控平臺聯繫，顯示位置和汙染信息。
[0014]本實用新型具體的技術方案如下:溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，其特徵在於:所述浮標裝置包括浮標殼體，所述浮標殼體外部設置有油膜檢測傳感器，所述浮標殼體內設置有檢測模塊電子設備組件，所述浮標裝置還包括遠程監控平臺；
[0015]所述浮標殼體是由兩個半球形殼體通過螺栓緊固而成的球形密閉殼體，所述油膜檢測傳感器為固定在殼體外面的電導式油膜檢測傳感器，所述檢測模塊電子設備組件產生交流信號向所述電導式油膜檢測傳感器施以電壓並對信號進行採集處理，所述檢測模塊電子設備組件由衛星定位系統、無線通信裝置和電源組成，所述遠端監控平臺包括網絡通信系統和計算機系統，所述網絡通信系統配有電子地圖軟體，所述計算機系統能夠顯示浮標位置和汙染信息；所述浮標殼體採用非金屬材料製成，所述非金屬材料為玻璃鋼、碳纖維或工程塑料製成，以避免定位和無線通訊裝置受到電磁屏蔽；所述油膜檢測傳感器為電導式油膜檢測傳感器，所述電導式油膜檢測傳感器為1-100隻，其中每隻具有電極的個數為2-10個；所述檢測模塊電子設備組件產生的交流信號是正弦波、方波或三角波，所述交流信號向所述電導式油膜檢測傳感器施以電壓，所述電導式油膜檢測傳感器能判斷是否存在油膜汙染的信息，並能對所述信息進行採集與處理，檢測模塊電子設備組件用模擬電路、數字電路和微處理器搭建而成。
[0016]優選所述浮標殼體為球形，適應不同的風或水流的阻力，殼體的大小取決於傳感器、電子設備的功耗和重量。
[0017]所述電導式油膜檢測傳感器為30隻，其中每隻具有電極的個數為4個；
[0018]優選遠程監控平臺是配有電子海圖、遙感地圖、電子地圖和監控軟體的計算機裝置，並由網絡通信系統組成，平臺通過伺服器、網際網路、衛星通信獲取浮標終端位置和報警信息，並進行監控與顯示。
[0019]優選浮標殼體外面還裝有被動反光標誌，便於飛機和/或船隻在海上搜尋。
[0020]優選所述衛星定位系統為GPS衛星定位或北鬥衛星定位；所述無線通信裝置為海事衛星通信或GPRS網絡通信。
[0021]本發明還提供一種所述裝置的使用方法，將所述浮標裝置置於目標海域，調整好所述浮標殼體附屬設置的油膜檢測傳感器和所述檢測模塊電子設備組件，並調整好遠程監控平臺；進行溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染狀況。
[0022]優選所述油膜檢測傳感器為固定在殼體外面的電導式油膜檢測傳感器，所述檢測模塊電子設備組件產生交流信號向所述電導式油膜檢測傳感器施以電壓並對信號進行採集處理，所述電導式油膜檢測傳感器是基於水與油之間存在幾個數量級的電導率介電常數差異來鑑別水面浮油。
[0023]所述浮標殼體的主要作用是為油膜傳感器等電子設備提供浮力；浮標殼體採用非金屬材料製成，例如玻璃鋼、工程塑料，可以根據設計採用球形或其它形狀；浮標殼體的其它作用是密閉，以保證殼體內電子設備工作正常；該殼體大小和形狀取決於對水流和風的適應性和電子設備重量、功耗。
[0024]所述電導傳感器由電極組成，置於殼體之外與水面接觸；可以根據實際情況，一個浮標配備幾支電導傳感器以保障油膜檢測可靠性；電極安裝在一個保護罩內，當電極接觸水，電導增大，遇到油膜後電導減小。
[0025]所述檢測模塊為模擬或數字電子裝置，或單片機、微計算機裝置；裝置為傳感器電極提供交流電壓並對信號進行濾波、統計、報警信號處理；電壓、電流大小和波形根據檢測靈敏度、電極壽命而定。電導傳感器是基於水與油之間存在幾個數量級的電導率介電常數差異來鑑別水面浮油。其優點是價格相對較低，靈敏度高。
[0026]所述殼體內電子設備包括GPS或其它衛星定位、海事或北鬥等其它衛星定位通信模塊或裝置；包括天線定位和通信天線和電源系統。
[0027]所述遠程監控平臺是計算機和海圖、遙感圖等電子地圖支持下的浮標數據顯示監控終端，以伺服器管理、無線網絡形式與浮標的通信設備連接；當浮標採用海事衛星或北鬥衛星通信時，也可以直接用相應的衛星通信設備與監控平臺連接，便於遠海使用。
[0028]除了上述主要技術方案外，本實用新型溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，還包括浮標殼體提供的表面積輔助安裝定向反光標誌，便於人員識別和夜間飛機和船隻對浮標的搜尋。
[0029]本實用新型優點及功效在於:該設計構思新穎，結構獨特，不僅能比現有技術的溢油跟蹤浮標在獲取真實汙染信息上具有優勢，而且製作方便，使用靈活，能為船舶、石油鑽探平臺等溢油事故應急反應指揮決策部門，提供可靠的溢油跟蹤和實時獲取汙染信息高科技手段。本實用新型設計構思新穎，結構獨特，目的為溢油事故應急反應指揮決策部門，快速尋找可能的水面油汙染位置並取得汙染數據，為其實施汙染控制提供先進的水面溢油電子信息手段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為本實用新型的側視示意圖；
[0031]圖2為本實用新型的俯視示意圖；
[0032]圖3為本實用新型的密封殼體內電子設備原理圖；
[0033]圖4浮標系統集成方案設計構架圖
[0034]圖中符號及標號說明如下:
[0035]I殼體，2傳感器，3傳感器支架，4電纜連接器，5檢測模塊電子設備組件，6蓄電池，7定向反光標誌。
【具體實施方式】
[0036]如圖1、圖2所示，本實用新型溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，該浮標包括:浮標殼體I，傳感器2，傳感器支架3，電纜連接器4，檢測模塊電子設備組件5，蓄電池6,定向反光標誌7。
[0037]如圖3、所示，本實用新型溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，該浮標還包括:殼體內的檢測模塊等電子設備。
[0038]浮標殼體I採用玻璃鋼、工程塑料等耐壓、防水、耐環境影響性強的材料，其體積大小滿足提供電子設備、傳感器的浮力，殼體厚度l-10mm。
[0039]傳感器2形狀可以是片形、圓形、球形或其它形狀，保護外殼材料為玻璃鋼、PVC等重量輕的材料並表面開數個不小於I毫米孔，電極固定在保護外殼內，數量不少於2個並位於水面，從保護外殼上引出導線與浮標殼體內的檢測模塊連接。電導傳感器是基於水與油之間存在幾個數量級的電導率介電常數差異來鑑別水面浮油。
[0040]傳感器支架3其大小和形狀取決於傳感器外殼直徑，用不鏽鋼或工程塑料製成，用螺栓與浮標殼固定。
[0041]電纜連接器4是一種防水接頭，規格保證電纜穿入殼體時的水密性。
[0042]檢測模塊等電子設備5選用通用模塊，規格保證向電導傳感器提供交流電壓和對油膜的檢測，保證浮標的衛星定位和數據無線與遠程監控平臺連通。
[0043]蓄電池6根據供電時間選用鉛酸電池或鋰電池。
[0044]定向反光標誌7工藝用超微玻璃珠塗敷或用成品定向反光材料粘附浮標殼表面，顏色根據用戶需要選擇，材料要求有耐侯性並且粘結牢固。
[0045]所述浮標殼體內的電子設備圖3，可依用戶對浮標的性能需要配置，例如傳感器檢測模塊、GPS跟蹤定位儀，GPRS網絡通信模塊，海事衛星或銥星或北鬥通信衛星設備；採用鋰離子或鉛酸充電電池或其它一次性電池供電。
[0046]所述溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置系統原理框架圖圖4，當實施了本溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置設計後，該裝置作為一種能夠檢測水面油汙染的溢油跟蹤定位浮標設備，可以在發生溢油事故後從飛機或船隻上投入到水面，依照其良好的隨水表面流和風的運動特性，跟隨水錶油膜運動並由殼體內的電子設備發出準確的溢油位置和電導傳感器檢測到的水面油汙染信息。
[0047]當實施了本溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置輔助設計後，夜間通過飛機和船隻的探照燈照射，浮標表面的定向反光標誌被動發光，有利於對浮標的搜尋。
[0048]如圖5-6所示，浮標終端接收GPS衛星的定位信號，並將解析過的實時位置信息(位置、速度、時間等)通過無線通訊系統(衛星網絡或GSM網絡)傳送至監控平臺。監控中心建立數據處理及網絡伺服器功能，對數據進行處理，並將處理後的數據通過網際網路傳輸到終端用戶的計算機。
[0049]跟蹤浮標採用海事通信衛星系統，便於與國際海事組織、國內水運行業的通信系統兼容、可靠性高、運行費用較低。報警浮標採用成本低的GSM通信網絡，共同採用公共網絡技術，數據信息傳輸範圍限制性少。上述溢油跟蹤監測浮標系統技術指標如下表I所示:
[0050]表I溢油跟蹤監測浮標系統技術指標
[0051]
【權利要求】
1.溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，其特徵在於:所述浮標裝置包括浮標殼體，所述浮標殼體外部設置有油膜檢測傳感器，所述浮標殼體內設置有檢測模塊電子設備組件，所述浮標裝置還包括遠程監控平臺， 所述浮標殼體是由兩個半球形殼體通過螺栓緊固而成的球形密閉殼體，所述油膜檢測傳感器為固定在殼體外面的電導式油膜檢測傳感器，所述檢測模塊電子設備組件產生交流信號向所述電導式油膜檢測傳感器施以電壓並對信號進行採集處理，所述檢測模塊電子設備組件由衛星定位系統、無線通信裝置和電源組成，所述遠端監控平臺包括網絡通信系統和計算機系統，所述網絡通信系統配有電子地圖軟體，所述計算機系統能夠顯示浮標位置和汙染信息；所述浮標殼體採用玻璃鋼、碳纖維或工程塑料製成，以避免定位和無線通訊裝置受到電磁屏蔽；所述油膜檢測傳感器為電導式油膜檢測傳感器，所述電導式油膜檢測傳感器為30隻，其中每隻具有電極的個數為4個。
2.根據權利要求1所述的溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，其特徵在於:所述浮標殼體為球形。
3.根據權利要求1所述的溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，其特徵在於:遠程監控平臺是配有電子海圖、遙感地圖、電子地圖和監控軟體的計算機裝置，並由網絡通信系統組成。
4.根據權利要求1或2所述的溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，其特徵在於:浮標殼體外面還裝有被動反光標誌，便於飛機和/或船隻在海上搜尋。
5.根據權利要求1或2或3所述的溢油跟蹤定位實時監測水面油膜汙染浮標裝置，其特徵在於:所述衛星定位系統為GPS衛星定位或北鬥衛星定位；所述無線通信裝置為海事衛星通信或GPRS網絡通信。
【文檔編號】B63B22/24GK203528754SQ201320630839
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年10月14日
【發明者】俞沅, 申偉, 劉春玲, 李濤, 田玉軍, 侯鈺, 張衛 申請人:交通運輸部水運科學研究所