CN110319892A - 一种海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海底测量的技术领域，更具体地，涉及一种海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，包括固定板、连接于外部信号源并发射声波信号的声波发射换能组件、接收所述声波信号并分成至少两路同源声波信号的声波分路组件、接收同源声波信号的声波接收换能组件、接收同源声波信号的声波探针传感组件以及容海底冷泉天然气气泡上升通过的测量通道，声波发射换能组件、声波分路组件、声波接收换能组件均与固定板固定连接，声波分路组件与声波发射换能组件连接。本发明的声波探针传感组件和声波接收换能组件接收的信号可通过接收信号电缆传输至存储器内，并通过分析接收的声波信号特征获取气液两相介质的声速和声衰减并据以计算获得气泡的体积含量。
Description
技术领域
本发明涉及海底测量的技术领域，更具体地，涉及一种海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置。
背景技术
每年通过海底冷泉天然气渗漏释放到海洋水体及大气中的甲烷的数量是非常惊人的，初步的估计为大于10Tg(1012g)每年，而甲烷是强烈的温室效应气体，其温室效应是相同质量二氧化碳的20倍以上，如此巨大数量的甲烷是全球气候变化的一个重要影响因子。因此，对海底冷泉天然气渗漏速率在线原位探测具有重要的经济价值和科学意义。目前，在国内有关海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量装置的研究已经开展起来，中国科学院广州地球化学研究所现已成功研制出两套海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量装置，填补了我国在该领域的空白，然而研制成功的这两套装置由于材料、元器件、耗电量等限制以及装置工作性能稳定性差，很难对海底冷泉渗漏***天然气流量开展长期的多环境的原位在线观测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，不仅能开展长期的海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量，而且还能用于不同水深环境下的海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，包括固定板、连接于外部信号源并发射声波信号的声波发射换能组件、接收所述声波信号并分成至少两路同源声波信号的声波分路组件、接收同源声波信号的声波接收换能组件、接收同源声波信号的声波探针传感组件及容海底冷泉天然气气泡上升通过的测量通道，所述声波发射换能组件、声波分路组件、声波接收换能组件均与固定板固定连接，所述声波分路组件与声波发射换能组件连接，所述声波分路组件、声波接收换能组件分别设于测量通道的两侧，所述声波探针传感组件设于测量通道内部；所述测量通道由多组隔离板环绕形成。
本发明的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，外部信号源发出的信号驱动声波发射换能组件发出声波，声波信号传递至声波分路器，一束声波信号在声波分路器的作用下分成两路频谱特征、能量相同的同源声波信号，两路同源声波信号穿透进入测量通道内分布的气泡，随后声波信号被声波探针传感组件和声波接收换能组件接收，声波探针传感组件和声波接收换能组件接收的信号可通过接收信号电缆传输至存储器内，并通过分析接收的声波信号特征获取气液两相介质的声速和声衰减并据以计算获得气泡的体积含量。本发明采用非接触式的测量方式，克服了现有海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量装置不能长期原位在线观测的不足，能够适用于不同的水深环境，满足不同的测量方式。
进一步地，所述声波发射换能组件包括声波发射换能器、第一固定座以及第一密封端盖，所述第一固定座设有用于安装声波发射换能器的第一密封腔，所述第一密封端盖的一端与第一固定座固定连接，第一密封端盖的另一端设有用于连接第一尼龙管的第一接头，所述第一尼龙管传递声波信号至声波发射换能器。将声波发射换能器设置在第一密封腔内，能够有效防止外界声波信号对声波发射换能器发射信号的干扰；通过第一接头连接驱动电缆，驱动电缆与外部信号源相连接，驱动声波发射换能器发射声波信号；为吸收信号源中的干扰波，本发明在第一密封腔内填充有吸音材料。
进一步地，所述声波分路组件包括声波分路器、第二固定座以及第一传声部，所述第一传声部的一端与第二固定座固定连接，另一端穿过第二固定座与声波分路器连接，且所述第一传声部接收声波发射换能器发射的声波信号。声波发射换能器发射的声波信号经第一传声部传送至声波分路器，由声波分路器分成多路频率相同、能量相同的同源声波信号，以穿透不同高度气泡后被声波接收换能组件接收。
进一步地，所述声波分路器包括接收段以及两组一端与接收段连接的分路段，所述分路段对称设于接收段中心线的两侧；所述接收段与传声部的端部连接，所述分路段的另一端与隔离板连接。声波分路器将声波信号分成两路频率相同、能量相同的同源声波信号；两路同源声波信号穿透不同高度的气泡后被声波接收换能组件接收，利用建立的气泡上浮速度和气泡平均密度测量与声波幅度和相位之间的关系确定气泡上浮速度。
进一步地，所述分路段表面安装有第一反射板，且两组分路段分叉处连接有第二反射板。第一反射板和第二反射板的作用是使得分路后的声波沿设计好的路径传播，便于声波接收换能器接收声波信号。
进一步地，所述第一反射板为方形声波反射钢板，所述第二反射板为三角形横截面声波反射钢板。由于超声波测量装置测量的环境是海洋环境，为避免腐蚀，本发明选用钢材料，但不限于钢材料。
进一步地，所述声波接收换能组件包括第一声波接收换能器、第三固定座以及第二密封端盖，所述第三固定座设有用于安装第一声波接收换能器的第二密封腔，所述第三固定座的一端连接有传递同源声波信号至第一声波接收换能器的第二传声部，所述第二传声部的一端通过匹配器与隔离板连接，所述第二密封端盖连接于第三固定座的另一端且第二密封端盖连接有用于连接第二尼龙管的第二接头，所述第二尼龙管传递第一声波接收换能器接收的声波信息。匹配器接收穿透气泡的同源声波信号并经第二传声部通过第二接头与接收电缆连接，将第一声波接收换能器接收的声波信息上传至储存***便于后续分析。
进一步地，所述声波探针传感组件包括设于测量通道内部的超声波探针、接收超声波探头监测的信号的第二声波接收换能器以及与超声波探头固定连接的第四固定座，所述第四固定座一端与隔离板之间连接有第三密封端盖，第四固定座的另一端连接有用于连接第三尼龙管的第三接头，所述第三尼龙管传递第二声波接收换能器接收的声波信息。超声波探针检测测量通道内部的声波信息，并经第三接头外接接收电缆将超声波探针检测的信息上传至储存***便于后续分析。
进一步地，所述声波探针传感组件为多组，多组超声波探针呈多行多列规整排布。通过超声波探针采集的超声波信息可检测多个平面的气泡分布情况，结合第一声波接收换能器检测的气泡上升速度的检测结果，可计算得到测量通道内气泡的体积含量。
进一步地，所述第三密封端盖与第四固定座之间形成有填满油的第三密封腔。由于超声波测量装置往往需要下放到压力较大的海底，在第三密封腔内填满油，以保证其耐压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，采用非接触式的测量方式，克服了现有海底冷泉天然气渗漏原位流量在线测量装置不能长期原位在线观测的不足，且本发明装置结构紧凑、体积小、工作稳定性好，能够适用于不同的水深环境、满足不同的测量方式。
附图说明
图1为海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置的结构示意图I；
图2为海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置的结构示意图II；
图3为海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置的结构示意图III；
图4为声波探针传感组件的结构示意图。
附图中：1-固定板；2-声波发射换能组件；21-声波发射换能器；22-第一固定座；23-第一密封端盖；24-第一尼龙管；25-第一接头；26-第一锥面螺母；3-声波分路组件；31-声波分路器；32-第二固定座；33-第一传声部；34-分路段；35-接收段；36-第一反射板；37-第二反射板；38-支撑杆；4-声波接收换能组件；41-第一声波接收换能器；42-第三固定座；43-第二密封端盖；44-第二传声部；45-匹配器；46-第二尼龙管；47-第二接头；48-固定连接件；49-固定连接座；5-声波探针传感组件；51-超声波探针；52-第二声波接收换能器；53-第四固定座；54-第三密封端盖；55-第四密封端盖；56-第三尼龙管；57-第三接头；58-半锥；59-固定环；6-测量通道；61-隔离板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
实施例一
如图1至图4所示为本发明的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置的实施例，包括固定板1、连接于外部信号源并发射声波信号的声波发射换能组件2、接收声波信号并分成至少两路同源声波信号的声波分路组件3、接收同源声波信号的声波接收换能组件4、接收同源声波信号的声波探针传感组件5及容海底冷泉天然气气泡上升通过的测量通道6，声波发射换能组件2、声波分路组件3、声波接收换能组件4均与固定板1固定连接，声波分路组件3与声波发射换能组件2连接，声波分路组件3、声波接收换能组件4分别设于测量通道6的两侧，声波探针传感组件5设于测量通道6内部。
本实施例在实施时，外部信号源发出的信号驱动声波发射换能组件2发出声波，声波信号传递至声波分路器31，一束声波信号在声波分路器31的作用下分成两路频谱特征、能量相同的同源声波信号，两路同源声波信号穿透进入测量通道6内分布的气泡，随后声波信号被声波探针传感组件5和声波接收换能组件4接收，声波探针传感组件5和声波接收换能组件4接收的信号可通过接收信号电缆传输至存储器内，并通过分析接收的声波信号特征获取气液两相介质的声速和声衰减并据以计算获得气泡的体积含量。
如图1至图3所示，声波发射换能组件2包括声波发射换能器21、第一固定座22以及第一密封端盖23，第一固定座22设有用于安装声波发射换能器21的第一密封腔，第一密封端盖23的一端与第一固定座22固定连接，第一密封端盖23的另一端设有用于连接第一尼龙管24的第一接头25，第一尼龙管24传递声波信号至声波发射换能器21。将超声波发射换能器21设置在第一密封腔，能够有效防止外界声波信号对声波发射换能器21发射信号的干扰；为吸收信号源中的干扰波，本实施例在第一密封腔内填充有吸音材料。本实施例中的第一尼龙管24可通过第一锥面螺母26与第一接头25连接固定；本实施例在实施时，通过第一接头25连接驱动电缆，驱动电缆与外部信号源相连接，驱动声波发射换能器21发射声波信号。
如图1至图3所示，声波分路组件3包括声波分路器31、第二固定座32以及第一传声部33，第一传声部33的一端与第二固定座32固定连接，另一端穿过第二固定座32与声波分路器31连接，且第一传声部33接收声波发射换能器21发射的声波信号，声波分路器31可通过锁紧螺钉和垫铁与第二固定座32连接。如此，声波发射换能器21发射的声波信号经第一传声部33传送至声波分路器31，由声波分路器31分成多路频率相同的同源声波信号，以穿透不同高度气泡后被声波接收换能组件4接收，利用建立的气泡上浮速度和气泡平均密度测量与声波幅度和相位之间的关系确定气泡上浮速度。本实施例中，第二固定座32、第一传声部33、第一固定座22、第一密封端盖23间可通过内六角螺钉及螺母或其他固定连接的方式固定连接在一起；第二固定座32与声波分路器31之间可通过固定螺杆等固定方式进行固定连接，固定螺杆与第二固定座32的接触处设置外舌止动垫圈。
其中，声波分路器31包括接收端以及两组一端与接收段35连接的分路段34，分路段34对称设于接收段35中心线的两侧，接收段35与传声部的端部连接，分路段34的另一端与隔离板61连接。本实施例中，为了使得分路后的声波信号沿着设计好的路径传播，便于声波接收换能器接收声波信号，本实施例在分路段34的表面安装有第一反射板36，在两组分路段34分叉处连接第二反射板37，第二反射板37通过支撑杆38与声波分路器31连接，支撑杆38通过固定件与声波分路器31固定连接。由于超声波测量装置测量的环境是海洋环境，为避免腐蚀，本实施例的第一反射板36为方形声波反射钢板、第二反射板37为三角形截面声波反射钢板；但需要说明的是，本实施例的第一反射板36与第二反射板37不限于钢材料制备。
如图1至图3所示，声波接收换能组件4包括第一声波接收换能器41、第三固定座42以及第二密封端盖43，第三固定座42设有用于安装第一声波接收换能器41的第二密封腔，第三固定座42的一端连接有传递同源声波信号至第一声波接收换能器41的第二传声部44，第二传声部44的一端通过匹配器45与隔离板61连接，第二密封端盖43连接于第三固定座42的另一端且第二密封端盖43连接有用于连接第二尼龙管46的第二接头47，第二尼龙管46传递第一声波接收换能器41接收的声波信息。本实施例在实施时，匹配器45接收穿透气泡的同源声波信号并经第二传声部44通过第二接头47与接收电缆连接，将第一声波接收换能器41接收的声波信息上传至储存***便于后续分析。为吸收声波信号中的干扰波，本实施例在第一密封腔内填充有吸音材料。本实施例中，第一声波接收换能器41为两组，两组第二密封端盖43通过固定连接件48与固定连接座49连接，固定连接座49与固定板1之间通过连接杆连接固定，连接杆的两端可连接螺母固定，螺母与固定连接座49的连接处、固定连接座49与固定板1的连接处设有垫片；第一声波接收换能器41为扁平声波接收换能器。
如图4所示，声波探针传感组件5包括设于测量通道6内部的超声波探针51、接收超声波探头监测的信号的第二声波接收换能器52以及与超声波探头固定连接的第四固定座53，第四固定座53一端与隔离板61之间连接有第三密封端盖54，第四固定座53的另一端连接有第四密封端盖55，第四密封端盖55连接有用于连接第三尼龙管56的第三接头57，第三尼龙管56传递第二声波接收换能器52接收的声波信息。本实施例中，第二声波接收换能器52为圆形声波接收换能器，超声波探头一端通过半锥58安装固定在第三密封端盖54上且与第二声波接收换能器52连接，超声波探头另一端通过锁紧螺钉与第四固定座53通过固定环59连接，固定环59可通过六角螺钉和六角螺母固定在隔离板61上；第四固定座53为多组，多组固定座之间通过固定座连接杆连接；第四固定座53将固定环59和固定器通过第三连接杆、六角螺母及止动垫圈固定在一起。本实施例在实施时，超声波探针51检测测量通道6内部的声波信息，并经第三接头57外接接收电缆将超声波探针51检测的信息上传至储存***便于后续分析。本实施例中，声波探针传感组件5为多组，多组超声波探针51呈多行多列规整排布。其中，第三密封端盖54与第四固定座53之间形成有填满油的第三密封腔，超声波测量装置往往需要下放到压力较大的海底，在第三密封腔内填满油，以保证其耐压。
为了保证检测的准确性，本实施例可在第一固定座22、第二固定座32、第三固定座42以及第四固定座53的两端面均设置用于安装密封圈的密封沟槽。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，包括固定板(1)、连接于外部信号源并发射声波信号的声波发射换能组件(2)、接收所述声波信号并分成至少两路同源声波信号的声波分路组件(3)、接收同源声波信号的声波接收换能组件(4)、接收同源声波信号的声波探针传感组件(5)以及容海底冷泉天然气气泡上升通过的测量通道(6)，所述声波发射换能组件(2)、声波分路组件(3)、声波接收换能组件(4)均与固定板(1)固定连接，所述声波分路组件(3)与声波发射换能组件(2)连接，所述声波分路组件(3)、声波接收换能组件(4)分别设于测量通道(6)的两侧，所述声波探针传感组件(5)设于测量通道(6)内部；所述测量通道(6)由多组隔离板(61)环绕形成。
2.根据权利要求1所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述声波发射换能组件(2)包括声波发射换能器(21)、第一固定座(22)以及第一密封端盖(23)，所述第一固定座(22)设有用于安装声波发射换能器(21)的第一密封腔，所述第一密封端盖(23)的一端与第一固定座(22)固定连接，第一密封端盖(23)的另一端设有用于连接第一尼龙管(24)的第一接头(25)，所述第一尼龙管(24)传递声波信号至声波发射换能器(21)。
3.根据权利要求2所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述声波分路组件(3)包括声波分路器(31)、第二固定座(32)以及第一传声部(33)，所述第一传声部(33)的一端与第二固定座(32)固定连接，另一端穿过第二固定座(32)与声波分路器(31)连接，且所述第一传声部(33)接收声波发射换能器(21)发射的声波信号。
4.根据权利要求3所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述声波分路器(31)包括接收段(35)以及两组一端与接收段(35)连接的分路段(34)，所述分路段(34)对称设于接收段(35)中心线的两侧；所述接收段(35)与传声部的端部连接，所述分路段(34)的另一端与隔离板(61)连接。
5.根据权利要求4所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述分路段(34)表面安装有第一反射板(36)，且两组分路段(34)分叉处连接有第二反射板(37)。
6.根据权利要求5所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述第一反射板(36)为方形声波反射钢板，所述第二反射板(37)为三角形横截面声波反射钢板。
7.根据权利要求1至6任一项所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述声波接收换能组件(4)包括第一声波接收换能器(41)、第三固定座(42)以及第二密封端盖(43)，所述第三固定座(42)设有用于安装第一声波接收换能器(41)的第二密封腔，所述第三固定座(42)的一端连接有传递同源声波信号至第一声波接收换能器(41)的第二传声部(44)，所述第二传声部(44)的一端通过匹配器(45)与隔离板(61)连接，所述第二密封端盖(43)连接于第三固定座(42)的另一端且第二密封端盖(43)连接有用于连接第二尼龙管(46)的第二接头(47)，所述第二尼龙管(46)传递第一声波接收换能器(41)接收的声波信息。
8.根据权利要求7所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述声波探针传感组件(5)包括设于测量通道(6)内部的超声波探针(51)、接收超声波探头监测的信号的第二声波接收换能器(52)以及与超声波探头固定连接的第四固定座(53)，所述第四固定座(53)一端与隔离板(61)之间连接有第三密封端盖(54)，第四固定座(53)的另一端连接有用于连接第三尼龙管(56)的第三接头(57)，所述第三尼龙管(56)传递第二声波接收换能器(52)接收的声波信息。
9.根据权利要求8所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述声波探针传感组件(5)为多组，多组超声波探针(51)呈多行多列规整排布。
10.根据权利要求8所述的海底渗漏气泡体积含量的超声波测量装置，其特征在于，所述第三密封端盖(54)与第四固定座(53)之间形成有填满油的第三密封腔。
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