一种应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置和系统的制作方法

1.本实用新型涉及海洋探测技术领域，尤其涉及一种应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置和系统。


背景技术：

2.在海洋天然气水合物赋存区往往存在强烈的甲烷自然渗漏活动，同时在进行深海钻探或水合物开采作业时，也可能出现海底甲烷泄漏到海水的情况。一方面，甲烷进入海水会因发生氧化反应而改变海水的物理化学性质；如果大量甲烷直接进入海水，会消耗海水中的大量氧气，而海水缺氧势必会加速海洋生物的死亡；如果大量甲烷气体通过海水进入大气，则会加剧全球温室效应。另一方面，大量直接进入海水的甲烷还可能会加速海洋气化，导致海水加速流动、形成气压卷吸，严重危害海面船只及作业平台的安全，甚至强对流的海水会直入空中，影响航空及陆地建筑的安全。因此，在天然气水合物赋存区对海洋垂直剖面水体甲烷含量的监测尤其重要。常规的监测系统缺乏对水体全方位的监测，另外，海底渗漏的甲烷进入水体后，会由于水动力环境变化产生复杂的运移行为，常规的监测系统仅能监测某一水层甲烷含量变化并且缺乏对水动力环境的监测与评估，容易出现对目标海域甲烷扩散、运移规律和水文环境特征的误判等情况。
3.此外，随着现代海洋科学发展，对海洋立体环境的有效监测愈发重要，监控测量海水的温度、盐度、压力和海流特征等相关参数进而获得某一海域的水文资料需要长期的定点监测，现有技术中，多采用海底着陆器(lander)和深海潜标作为长期定点监测手段。海底着陆器(lander)可以获取海底甲烷和水文环境资料，但监测数据无法实现有效的实时回传；深海潜标虽然可以做到定时向地面接收站发送监测数据，但也只能获取某一固定水层的水文环境资料，并且工作性能容易受到恶劣海况的影响。
4.中国专利号：cn201310711235.7，公开了一种潜标数据传送系统，包括球形耐压舱、信号缆、载重物、接收端、压力传感器、启动器、电池包、发射器、存储器、上支持盘、下支撑盘、测量传感器，所述压力传感器位于所述球形耐压舱内部，固定在所述下支撑盘下端。但该专利所公开的技术方案仍存在以下缺陷：第一，载重物与存储器之间通过信号缆连接，而信号缆的抗拉强度、抗流性和硬度远远小于普通钢缆，容易在监测过程中出现断缆情况；第二，压力传感器和测量传感器所监测的位置并不相同，导致采集的数据不可靠；第三，无法同时对目标海域水体的各个水层进行监测；第四，无法为执行监测作业的测量传感器提供相对稳定的工作环境；第五，系统浮力不足；第六，用于固定装置的金属构件容易被海水腐蚀，导致装置分离。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的之一在于提供一种应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置，其能解决现有技术中无法同时对目标水域的各个水层进行实时有效监测以及测量装置容易受海洋或者天气性因素干扰无法长时间停留在海水中的
问题。
6.本实用新型的目的之二在于提供一种应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点系统，其能解决现有技术中无法同时对目标水域的各个水层进行实时有效监测以及测量装置容易被海洋或者天气性因素干扰无法长时间停留在海水中的问题。
7.为了达到上述目的之一，本实用新型所采用的技术方案如下：
8.一种应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置，包括用于潜浮的浮球体、若干用于固定浮球体的水中姿态的固定支架、用于保护固定支架的保护模块、用于监测水体的监测模块、用于采集处理监测数据的数据采集控制模块和用于与外部通信装置连接的第一感应耦合传输器，所述监测模块和第一通信模块沿圆周方向环绕设置在浮球体上，所述数据采集控制模块与浮球体连接，所述监测模块通过数据采集控制模块与第一感应耦合传输器连接，所述浮球体与固定支架连接，所述固定支架与保护模块连接。
9.优选的，所述监测模块包括用于监测海流特征的海流计、用于监测海水温盐度和压力的温盐深仪、用于监测甲烷浓度的甲烷传感器，所述海流计、温盐深仪、甲烷传感器和第一通信模块环绕数据采集控制模块设置，所述海流计、温盐深仪、甲烷传感器均与数据采集控制模块连接。
10.优选的，所述浮球体包括内部设置有容纳腔的保护外壳，所述数据采集控制模块设置在容纳腔中，所述监测模块设置在保护外壳外，所述保护外壳与固定支架连接。
11.优选的，所述保护外壳由玻璃微珠制成。
12.优选的，所述保护模块为牺牲阳极。
13.为了达到上述目的之二，本实用新型所采用的技术方案如下：
14.一种应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点系统，其特征在于：包括设置在水面的浮标监测机构、设置在海底的锚体和设置在浮标监测机构和锚体之间的监测机构，所述监测机构包括若干如上述的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置和连接在浮标监测机构和锚体之间的包塑钢缆，所述应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置自浮标监测机构至锚体方向依次与包塑钢缆连接；
15.所述包塑钢缆，用于在应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置和浮标监测机构之间进行通信，并提供抗浮拉力；
16.所述浮标监测机构，用于监测水面的环境情况以及与外界进行通信。
17.优选的，所述固定支架包括若干固定支柱、与固定支柱的一端连接的第一连接件和与包塑钢缆连接的第二连接件，所述浮球体通过固定支柱与第一连接件连接，所述第一连接件与第二连接件可拆卸连接。
18.优选的，所述固定支架的数量为两个，分别记为上固定支架和下固定支架，所述浮球体的一端依次通过上固定支架、包塑钢缆与其上方的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置或浮标监测机构连接，所述浮球体的另一端依次通过下固定支架、包塑钢缆与其下方的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置或锚体连接。
19.优选的，所述浮标监测机构包括用于对水面监测数据进行采集以及控制的水面监测模块、用于与包塑钢缆进行通信的第二感应耦合传输器和用于与外界进行通信的通信模块，所述包塑钢缆与第二感应耦合传输器连接，所述第二感应耦合传输器和水面监测模块均与通信模块连接。
20.优选的，所述应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置呈等间距分布在浮标监测机构和锚体之间。
21.相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：通过在浮标监测机构和锚体之间设置若干应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置以实现对目标海域进行分段监测，全方位了解目标水域各个监测层的情况，同时利用锚体提供的恒力和若干应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置之间的浮力或拉力，从而固定应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置的水中姿态并增强应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置的抗流性，降低海洋或者天气性因素对应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置的干扰，以保证应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置能够进行长期有效的监测工作。通过包塑钢缆传输信号，简化水下通信设置，减小事故发生频率，并由浮标监测机构与外界进行交互，实现系统与外界的通信。
附图说明
22.图1为本实用新型中所述的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点系统的结构示意图。
23.图2为本实用新型中所述的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置的结构示意图。
24.图3为本实用新型中所述的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置的俯视图。
25.图中：1-浮标监测机构；11-水面监测模块；12-第二感应耦合传输器；13-通信模块；2-锚体；3-监测机构；31-应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置；311-浮球体；312-固定支架；3121-固定支柱；3122-第一连接件；3123-第二连接件；3124-牺牲阳极；313-监测模块；3131-海流计；3132-温盐深仪；3133-甲烷传感器；3134-第一感应耦合传输器；314-数据采集控制模块；32-包塑钢缆。
具体实施方式
26.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
27.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：
30.在本实用新型中，所述包塑钢缆32是通过对钢缆进行外层包塑处理形成的，其较传统的钢缆具有更好的缓震、抗压和耐腐蚀性能；所述浮球体311的保护外壳具有抗压和耐腐蚀功能，其整体呈球状，从而增强其抗流性，所述玻璃微珠由硼硅酸盐原料加工而成，粒度为10-250微米，壁厚1-2微米。该产品具有质轻、低导热、较高的强度、良好的化学稳定性等优点，其表面经过特殊处理具有亲油憎水性能，在本实施例中，保护外壳由玻璃微珠制成，可大大减轻浮球体311的基重，替代及节省更多的生产用树脂，降低产品成本，并通过其韧性、耐腐蚀性和绝缘性，在不降低浮球体311的刚度的同时，增强其韧性，可以有效减少保护外壳的收缩率以及被水下的高压挤压变形。
31.如图1-3所示，一种应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点系统，包括设置在水面的浮标监测机构1、设置在海底的锚体2和设置在浮标监测机构1和锚体2之间的监测机构3，所述监测机构3包括若干用于进行分段监测的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31和连接在浮标监测机构1和锚体2之间的包塑钢缆32，所述应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31自浮标监测机构1至锚体2方向依次与包塑钢缆32连接；所述包塑钢缆32，用于在应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31和浮标监测机构1之间进行通信，并提供系统的抗浮拉力；所述浮标监测机构1，用于监测水面的环境情况以及与外界进行通信。其中，所述环境情况包括表层海水数据和大气数据等，以及警示临近航行的船只。具体的，如图1所示，所述包塑钢缆32的一端与锚体2连接，另一端与浮标监测机构1连接，所述应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31可以根据监测需求，按预设间距或者呈等间距分布在浮标监测机构1和锚体2之间，进行监测时，利用锚体2提供的恒力和若干应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31在水中产生的拉力和浮力，以使应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31之间的间距处于动态平衡、应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31的姿态相对稳定并具有较强的抗流性，以保证应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31能够持续在预定的海域开展监测作业，并提高监测数据的精度。
32.优选的，所述浮标监测机构1包括用于对水面监测数据进行采集以及控制的水面监测模块11、用于与包塑钢缆32进行通信的第二感应耦合传输器12和用于与外界进行通信的通信模块13，所述包塑钢缆32与第二感应耦合传输器12连接，第二感应耦合传输器12和水面监测模块11均与通信模块13连接。具体的，所述应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31中的第一感应耦合传输器3134将应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31的数据采集控制模块314内部的数据由电信号转化为磁信号，传递到包塑钢缆32上，根据电磁感应原理，包塑钢缆32上会产生一定的电信号(磁生电)，电流在包塑钢缆32上进行传递，传递期间包塑钢缆32的磁场会发生变化，以使浮标监测机构1的第二感应耦合传输器12感应到包塑钢缆32上产生的磁变化(电生磁)，然后第二感应耦合模块12再将磁信号化为电信号并解析为数据，再由通信模块13发送至卫星或者附近船只等外界数据接收处。
33.在本实施例中，浮标监测机构1主要包括：数据采集控制器(即水面监测模块11)、第二感应耦合传输器12(s9感应耦合模块主机)、铱星通信模块(即通信模块13，铱星rudics)和供电电池组等部分，投入使用后，供电电池组为各个模块进行供电，数据采集控制器对水面监测数据进行采集以及控制，第二感应耦合传输器12通过包塑钢缆32获取位于水下的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31传输处理的监测数据，然后铱星通
信模块将所有的监测数据经卫星发送至目的地(研究所或者工作船只上)，实际上，铱星通信模块结合卫星通信，可以将监测数据发送至地球上任意地点。
34.优选的，所述应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31包括浮球体311、若干固定支架312、监测模块313和数据采集控制模块314，所述监测模块313沿圆周方向环绕设置在浮球体311上，所述数据采集控制模块314与浮球体311连接，所述监测模块313与数据采集控制模块314连接，所述浮球体311通过固定支架312与包塑钢缆32连接。具体的，所述浮球体311包括内部设置有容纳腔的保护外壳，数据采集控制模块314设置在容纳腔中，所述监测模块313设置在保护外壳外。在本实施例中，所述保护外壳由玻璃微珠制成，利用其憎水性能和低密度特性，使得保护外壳质轻，即外壳受到的重力小且浮力大，并且隔水效果好，避免容纳腔中的数据采集控制模块314受到海水的侵扰；另外，设置在保护外壳外监测模块313所监测到的数据经过rs232接口与容纳腔中的数据采集控制模块314相连；优选的，所述固定支架312包括若干固定支柱3121、与固定支柱3121的一端连接的第一连接件3122和与包塑钢缆32连接的第二连接件3123，所述浮球体311通过固定支柱3121与第一连接件3122连接，所述第一连接件3122与第二连接件3123可拆卸连接。在本实施例中，如图2-3所示，所述固定支柱3121的数量为4个，4个固定支柱3121的另一端沿圆周方向环绕设置浮球体311上，优选的，4个固定支柱3121呈等间距分布，并且固定支柱3121之间设置有加强筋类结构，以使得固定支柱3121之间形成稳固的结构，同时固定支柱3121的一端与第一连接件3122连接，其中第一连接件3122和第二连接件3123都是卸扣螺母，所述固定支柱3121和第一连接件3122可以为一个构件或者两个独立的构件通过焊接或者螺栓等连接在一起。优选的，所述固定支柱3121和第一连接件3122均设置有保护模块，具体的，所述保护模块为牺牲阳极3124，所述牺牲阳极3124由化学性质较为活泼的金属制成，例如金属锌，牺牲阳极3124的腐蚀对固定支架312提供保护，即牺牲阳极3124优先离解，从而抑制固定支架312的腐蚀，避免固定支架312在监测过程中被海水腐蚀，导致应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31脱落。
35.如图2所示，优选的，所述固定支架312的数量为两个，分别记为上固定支架和下固定支架，所述浮球体311的一端依次通过上固定支架、包塑钢缆32与其上方的浮球体311或浮标监测机构1连接，所述浮球体311的另一端依次通过下固定支架、包塑钢缆32与其下方的浮球体311或锚体2连接，从而将浮球体311轴向固定起来，保证应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点系统在水中的姿态和抗流性，从而保障监测作业的正常开展。
36.优选的，所述监测模块313包括但不限于用于监测海流的海流计3131、用于监测海水温盐度和压力的温盐深仪3132和用于监测甲烷浓度的甲烷传感器3133，所述第一通信模块包括用于与包塑钢缆32进行通信的第一感应耦合传输器3134，所述海流计3131、温盐深仪3132、甲烷传感器3133和第一感应耦合传输器3134环绕数据采集控制模块314设置，所述海流计3131、温盐深仪3132、甲烷传感器3133均与数据采集控制模块314连接，所述数据采集控制模块314通过第一感应耦合传输器3134与包塑钢缆32连接，即数据采集控制模块314通过第一感应耦合传输器3134将信号传输至包塑钢缆32上。具体的，所述数据采集控制模块314设置在上固定支架和下固定支架之间轴线上，海流计3131、温盐深仪3132、甲烷传感器3133和第一感应耦合传输器3134环绕数据采集控制模块314设置，并且海流计3131、温盐深仪3132、甲烷传感器3133和第一感应耦合传输器3134中的任意相邻的两个之间的弧度相
等，从而减少布线长度，避免应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31在深海中出现短路、断路等问题，同时降低监测数据在传输过程中的损耗和失真的概率，并且通过均匀分布海流计3131、温盐深仪3132、甲烷传感器3133和第一感应耦合传输器3134以使应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31整体的重量均匀分布，有利于限定应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31的水中姿态，并且充分利用浮球体311的空间容量。
37.进一步的，在海流计3131、温盐深仪3132、甲烷传感器3133和数据采集控制模块314均通过电池进行供电，其中，数据采集控制模块314通过供电模块(外部电池仓)进行供电，海流计3131和温盐深仪3132均自带有电池进行自供电，所述甲烷传感器3133由数据采集控制模块314进行供电，并且数据采集控制模块314控制甲烷传感器3133处于启动和关闭之间其中一种状态。投入使用后，可设定在某一时刻(例如初始时刻00:00)数据采集控制模块314控制甲烷传感器3133上电启动，每隔一段时间(例如1min)保存一组甲烷数据(不发送)，直至到一段时间后，例如06:30，取该工作周期结尾的5组甲烷数据(06:25-06:30)、1组温盐深数据(06:25)、1组单点海流(06:25)数据一起打包回传。即每天甲烷传感器3133上电工作6.5小时，系统每天在工作结尾回传5组甲烷、1组温盐深数据和1组单点海流的数据，其余数据内部保存。其中，数据采集控制模块314主要是控制甲烷传感器3133的通断电，通过控制甲烷传感器3133的工作时间来实现节约电量，有效延长整个系统在水下的监测时间；另外，由于温盐深、单点海流计是自带电池供电且可以提前设定工作模式，暂时不用考虑通断电控制。进一步的，数据采集控制模块314还用于控制第一感应耦合传输器3134的通断电，在本实施例中，浮标监测机构1相当于主机，应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31相当于从机，具体工作过程如下：06:29，从机中的第一感应耦合传输器3134上电启动，开启感应耦合通信窗口；06:30，主机中的第二感应耦合传输器12上电启动，第一感应耦合传输器3134和第二感应耦合传输器12开始交互通信，06:50，数据传输完成，关闭感应耦合通信窗口并断电，此时从机传输过来的数据储存到主机中。然后开启铱星传输工作窗口，主机的铱星通信模块上电并开始向卫星传输数据，07：00，数据传输完成，关闭铱星通信传输窗口并断电，进一步节约电量。
38.在本实施例中，将应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点系统投放到指定水域，锚体2在重力的作用下下沉至海底，应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31的浮球体311在海水的浮力作用下潜浮在水中，浮标监测机构1漂浮在水面上，在该过程中，如图1所示，锚体2向应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31和浮标监测机构1提供恒力，以抵抗水流的冲击，从而固定在监测水域，系统中的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31沿锚体2和浮标监测机构1之间的包塑钢缆32按预定的间距分布在包塑钢缆32上，其中应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31之间的间距可根据实际需要监测层的间距等参数进行设定，以使得应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点系统能够对目标水域的各个监测层进行监测，监测过程中，浮球体311在其上下两端的上固定支架和下固定支架的作用下，保持一个相对稳定的姿态，使得监测模块313在相对稳定的环境进行监测工作，具体的，海流计3131获取其所在的监测层的水流情况，温盐深仪3132获取其所在的监测层的水温、盐度和深度，甲烷传感器3133获取其所在的监测层的甲烷含量，以使得工作人员在外界能够结合水流、水温、盐度、深度和甲烷含量来判断该观测层的水合物含量，进一步的，每个应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31分别监测一个观测层，工
作人员可通过由多个应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31组成的应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点系统全面获取每个观测层的真实数据，并且可根据获取的数据模拟出立体全面的关于该水域的水体甲烷含量的模型，从而准确地判断目标水域海底甲烷泄漏、溶解及运移扩散情况。
39.当监测模块313中的海流计3131、温盐深仪3132、甲烷传感器3133采集的数据经数据采集控制模块314处理，再传输至监测模块313中的第一感应耦合传输器3134，第一感应耦合传输器3134将获得的电信号转化为磁信号，传递到包塑钢缆32上，根据电磁感应(磁生电)原理，包塑钢缆32上会产生微弱的电信号，浮标监测机构1的第二感应耦合传输器12会感应到包塑钢缆32上由各个应用于电磁耦合传输锚系的甲烷监测节点装置31产生的微弱的磁变化(电生磁原理)，然后第二感应耦合模块再将磁信号转化为电信号进而解析为数据，再由通信模块13发送至外界，从而在无通信电缆的条件下，实现水下通信，达到简化系统构件，降低事故发生概率的目的。
40.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。