NO172955B - Fremgangsmaate og anordning for maaling av vertikale forskyvninger i fravaer av fast referansepunkt - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for måling av vertikale forskyvninger eller vertikalkomponenten av slike forskyvninger ved fravær av et referansepunkt.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen finner mer spesielt sin anvendelse ved undersøkelser til sjøs, for eksempel forskyvningene til en flytende gjenstand som utsettes for bølgenes bevegelse. Denne type målinger er for eksempel nødvendig når det benyttes skip som av en eller annen grunn er festet eller forbundet med havbunnen og hvor det er ønskelig å fjerne virkningen av hivbevegelsen fra forbindelses-anordningen. Dette er for eksempel tilfelle med skip som understøtter en oljeboringsstreng.

Den enkleste fremgangsmåte til måling av vertikale forskyvninger eller bevegelser er den hvor en line er strukket mellom en fast posisjon i forhold til havbunnen og en posisjon på gjenstanden, og hvor lengden av linen mellom de to punktene måles. Denne fremgangsmåten har imidlertid ulemper fordi linen som må strekkes ut, er meget lang eller den hindrer manøvreringen.

En immateriell forbindelse kan dannes ved hjelp av et akustisk telemetrisystem som omfatter flere transdusere anbrakt i for eksempel en fast posisjon i forhold til havbunnen, og utsendelse av pulser blir mottatt av en eller flere sensorer forbundet med den bevegelige gjenstand. Målingen av variasjonene i forplantningstiden til de akustiske pulser gjør det mulig å beregne avstandsvariasjonene mellom de akustiske bølgesenderne og mottagerne og dermed bevegelsen eller forskyvningen av den bevegelige gjenstand. Men akustiske telemetrimetoder kan bare benyttes til måling av meget langsomme bevegelser på grunn av forplantningstiden til de akustiske bølger som noen ganger er betydelig. En framgangsmåte av denne type anvendt til posisjonering av et skip, er beskrevet i fransk patent nr 2 091 906.

En annen kjent fremgangsmåte til måling av forskyvningene av en gjenstand uten materiell forbindelse med et fast referansepunkt, består i måling av de akselerasjoner som gjenstanden utsettes for langs en eller flere akser som er ortogonale til hverandre, og spesielt langs den vertikale akse, og beregning ved hjelp av integrasjon av bevegelsene til gjenstanden som et resultat av dette. En slik fremgangsmåte som benytter flere kombinerte akselerometere er beskrevet i US patent nr. 4 515 013.

Selv om måling av de vertikale forskyvningene alene utgjør en anvendelse, kan et enkelt akselerometer også tilordnes en plattform forbundet med gjenstanden, idet denne plattformen er stabilisert med hensyn til trim, enten ved hjelp av treghet eller ved pendelopphengning.

Men i alle tilfeller er de målemetoder som benytter akselerometere, forholdsvis kostbare.

Fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen eliminerer de ovennevnte ulemper.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen omfatter måling av de øyeblikkelige variasjoner av det atmosfæriske trykk som er et resultat av gjenstandens vertikale bevegelser, i forhold til et frembrakt referansetrykk, og kjennetegnes særskilt ved at referansetrykket blir oppnådd ved å ta middelverdien av det atmosfæriske trykk i nærheten av gjenstanden.

Fremgangsmåten kan for eksempel omfatte måling av de øyeblikkelige variasjoner av atmosfæretrykket ved hjelp av differensielle trykkmålingsanordninger.

Anordningen for utførelse av fremgangsmåten er kjenne-tegnet ved at den omfatter en differensiell trykksensor som underkastes gjenstandens forskyvninger og som har en første inngang direkte i forbindelse med atmosfæren og en andre inngang i forbindelse med en anordning for demping av atmosfæretrykkets fluktuasjoner, idet den differensielle trykksensor leverer et signal som indikerer gjenstandens forskyvninger.

Dempeanordningen kan for eksempel omfatte en anordning for å absorbere den dynamiske energien i atmosfæretrykkets variasjoner, slik som et rør fylt med fluidum, hvis den ene ende står i forbindelse med atmosfæren og hvis andre ende står i forbindelse med den annen inngang til den differensielle

trykksensor.

Anordningen som arbeider i samsvar med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, er enklere å konstruere, mer robust og mye billigere enn tidligere kjente anordninger, spesielt de som omfatter akselerasjonsmålinger. Den er i tillegg meget følsom og er, når den først er optimalisert, i stand til å detektere høydevariasjoner på et par cm. Hivingen av enhver flytende gjenstand kan dermed detekteres ganske nøyaktig. Den er også meget lett å integrere i en sikkerhetsanordning innrettet for å overvåke den riktige virkemåte for et hydraulisk stabiliseringssystem av den konvensjonelle antihiv-glidetypen.

Andre trekk og fordeler ved fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse av et utførelseseksempel under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 meget skjematisk viser en boreinstallasjon på en flytende understøttelse, som for eksempel omfatter et system for å forhindre overføring til en borestreng av havbevegelsene, og hvor anordningen ifølge oppfinnelsen kan brukes; Fig. 2 viser skjematisk arrangementet til en første ut- førelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen; Fig. 3 viser en anordning for demping av de øyeblikkelige variasjonene av atmosfæretrykket, av kapillarrør-typen; Fig. 4 viser skjematisk en annen utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen; Fig. 5 viser skjematisk en tredje utførelsesform av an ordningen ifølge oppfinnelsen; og Fig. 6 viser skjematisk et reguleringsorgan som kan utgjøre en del av kretsen på figur 5.

Hivbevegelsenes amplitude avhenger selvsagt av sjøens tilstand. Målinger har vist at det signal som er representativt for denne amplituden, er sammensatt. Det er periodisk og det utgjøres av en hovedkomponent hvis periode hovedsakelig er mellom 5 og 20 sekunder, på hvilken det er overlagret en annen komponent hvis periode er omkring 100 sekunder, som forårsaker at amplitudens middelverdi driver.

En enda langsommere drift som skyldes tidevann påvirker amplitudevariasjonene. Ved vanlig trykk kan en barometrisk gradient i størrelsesorden 1 millibar (1 mB) måles for en amplitudevariasjon på 8 meter.

Som det vil fremgå av det nedenstående, vil måling av variasjonene til atmosfæretrykket gjøre det mulig å oppnå fine indikasjoner på en gjenstands amplitudevariasjoner.

Blant alle de mulige anvendelser kan det for eksempel nevnes måling av det hiv som en flytende installasjon utsettes for, slik som de som brukes ved marine konstruksjoner eller på oljefelter. Måling av hivet til en flytende understøttelse fra hvilken undergrunnen blir gjennomboret gjennom vannlaget, er uunnværlig når det gjelder å regulere de antihiv-systemer som vanligvis brukes eller for å overvåke korrekt drift av disse. En flytende understøttelse for boring på havbunnen 1, slik som vist skjematisk på figur 1, omfatter faktisk meget ofte et system for å forhindre overføring til borestrengen 2 av de hivbevegelser som skyldes dønninger. Skipet bærer et boretårn 3 til hvilket det er festet en understøttelses-anordning for borestrengen som omfatter to taljeblokker 4, 5. Den ene ende av kablene 7 er festet til et festeelement 6 på skipet, og den annen ende på kablene 7 som passerer over trinsene til de to blokkene 4, 5 er viklet på en vinsj 8. Et eventuelt antihiv-system omfatter for eksempel hydrauliske sylindere 9 til hvis stempelstenger det er festet en plattform 10 som omfatter en anordning for å understøtte den første taljeblokken 4. Ved å benytte oljehydrauliske anordninger (ikke vist) er det mulig å kjenne eller kontrollere glide-bevegelsen til sylindernes 9 stempelstenger for å holde den andre taljeblokken 5 og dermed den strengen som er opphengt i denne, ved en hovedsakelig konstant avstand i forhold til bunnen.

En forbedret hiv-kompensasjonsanordning er for eksempel beskrevet i fransk patent nr. 2 575 452.

Måling av det hiv som en flytende anordning blir utsatt for, er først og fremst nyttig når det gjelder å bestemme lengden av den glidebevegelse som antihiv-systemet skal utføre korrekt under alle driftsforhold.

Siden den belastning som understøttes av boretårnet, kan være på flere hundre tonn, er det videre nødvendig å detektere meget hurtig eventuelle driftsuregelmessigheter. Skulle be-lastningen eller rørledningene brekke, er det nødvendig å kunne avbryte tilførselen til høytrykks-sylinderne 9.

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan, på grunn av sin høye følsomhet måle amplituden av hivet med stor nøyaktighet. Hvis den anbringes på en antihiv-sleide, er det mulig umiddelbart å detektere en unormal variasjon av den absolutte høyden til de to taljeblokkene, og om nødvendig, igangsette passende sikkerhetstiltak. Anordningen ifølge oppfinnelsen vil være anordnet inne i skipet, eller utenfor på bevegelige deler.

Den anordning som er benevnt 11 på figur 2, omfatter en differensiell trykksensor 12 med en første inngang e2 som åpner seg direkte til atmosfæren, og en annen inngang e2 for tilførsel av et referansetrykk Po. Den differensielle trykkføler måler så trykk-differansen Ap mellom atmosfæretrykket Pa og trykket Po. Denne trykkdifferansen er et mål på det øyeblikkelige høydeavviket h i forhold til høyden Ho som svarer til referansetrykket Po. Det varierer som h . 5P/6H hvor 5P/5H representerer den partielt deriverte av trykk som en funksjon av høyden H. Den avhenger også av innvirkningen fra de meget langsomme variasjoner som kan påvirke det midlere statiske trykk på stedet og den betraktede høyde, som man vil se senere.

Referansetrykket Po som brukes her, er middelverdien (Pa) av atmosfæretrykket som detekteres ved en gitt posisjon på skipet. Denne middelverdien blir oppnådd ved hjelp av en dempeanordning 13 av kjent type som er i stand til i det vesentlige å eliminere de hurtige fluktuasjoner som kan inntreffe i atmosfæretrykket, og som derfor virker som et lavpassfilter. Denne anordningen 13 omfatter for eksempel (figur 3) et kapillarrør 14 viklet på en kjerne 14A som er innspent i et legeme 15. Ved en første ende står kapillarrøret i forbindelse med en sentral boring 16 i hvilken enden av differensialsensoren er festet, for eksempel ved innskruing av dens inngangsside e2. Ved den motsatte ende står kapillarrøret i forbindelse med et hulrom 17 hvor det ytre atmosfæretrykk hersker. Passasjen av luft langs dette kapillarrøret resulterer i hovedsakelig undertrykking av de øyeblikkelige variasjoner av atmosfæretrykket. En dempeanordning av samme type kan også brukes, men hvor fluidet i kapillarrøret er olje.

Trykkdifferansen AP er derfor relatert til den øyeblikkelige høydevariasjonen h i forhold til den midlere høyde H hvor trykket Pa blir målt.

Forskjellige typer industrielle differensialtrykksensorer kan benyttes. De som omfatter et Bourdon-rør av kvarts, de som virker ved måling av bevegelsene til et membran ved hjelp av en Wheatstone-bro, eller ved hjelp av en magnetisk reluktansmåling. Deres følsomhet er meget variabel. De mest følsomme kan ved full skala måle en trykkdifferanse på 1 mB med en nøyaktighet på 0,25% for eksempel. Med deres oppløsning på 0,01 mB er det dermed mulig å måle en teoretisk variasjon av høyden på 8 cm.

Den differensielle trykksensor leverer et signal SE som er proporsjonalt med trykkdifferansen målt mellom dens to innganger e2 og e2.

hvor k er en proporsjonalitets-koeffisient og dermed et signal som mer spesielt er proporsjonalt med høydeavvikene h.

I utførelsesformen på figur 4 er en luftfylt beholder 18 innskutt mellom differensialsensoren og dempeanordningen 13. Ved en første ende kommuniserer den med inngangen e2 til differensialsensoren 12. Ved sin motsatte ende kommuniserer den med et kapillarrør 14 i dempeorganet 13. Beholderens 18 volum Vo er blitt valgt slik at den er meget stor i forhold til de volumvariasjoner dv som skyldes trykkvariasjonene. For eksempel er Vo = 1000 . dv blitt valgt. Dette øker ytterligere i meget betydelig grad den dempeeffekt som tilveiebringes av organet 13 og opprettholder følsomheten til den differensielle trykksensor. Fortrinnsvis er det tilføyet anordninger til utførelsesformen på figur 2 for å minske mulige temperaturvariasjoner. Den enkleste anordning består i å la innsiden av beholderen 18 stå i forbindelse med den ytre atmosfære gjennom dempeorganet 13 for å utbalansere variasjonene til beholderen og dens innhold. En bedre regulering som en funksjon av temperaturen, blir oppnådd ved å varmeisolere den differensielle sensor 12, beholderen 18 og dempeorganet 13.

For også å ta hensyn til virkningen på målingene av de mulige variasjoner på det aktuelle sted og den aktuelle høyde av det midlere statiske trykk og av temperaturen, og for også å gjøre målingene av høydevariasjonen finere, blir utførelses-formen på figur 5 fortrinnsvis benyttet.

Den omfatter differensialsensoren 12, dempeorganet 13 og beholderen 18 i det forenklede skjema på figur 4. Den omfatter videre en første korreksjonssløyfe som innbefatter et barometer 19 innrettet for å måle atmosfæretrykket ved den aktuelle høyde, som varierer som en funksjon av de lokale meteorologiske forhold. Signalet SB som genereres av barometeret, samt signalet SE fra differensialsensoren 12 blir tilført en korreksjonskrets 20 som beregner forholdet SE . SN/SB og frembringer et korrigert signal SEC. Signalet SN representerer det normale atmosfæretrykk ved den aktuelle høyde. Det er her konstant (lik 1013 mB ved havnivå).

Anordningen omfatter også en annen, (valgfri) reguleringssløyfe for en enda bedre korreksjon av tempera-turens innvirkning på variasjonsmålingene, og som kompletterer den reguleringsanordningen som er nevnt i beskrivelsen av utførelsesformen på figur 4 (ventilering og isolering av beholderen 18). Denne andre sløyfen omfatter et lavpassfilter 21 for å trekke ut den meget lavfrekvente komponenten SEC fra signalet SEC som frembringes av kretsen 20. Den representerer driften av signalet SEC spesielt som en funksjon av temperaturen i beholderen 18. Signalet SEC blir tilført en reguleringskrets 22 som påfører en passende regulering på beholderen 18. Sistnevnte kan omfatte elektriske varme-motstander, og i dette tilfelle tilfører reguleringskretsen om nødvendig, en variasjon av temperaturen for å kansellere differansen.

Beholderen 18 kan også være forsynt med et rør 23 (figur 6) i hvilket et stempel 24 glir på tettende måte. I dette tilfellet styrer reguleringskretsen bevegelsen av stempelet i sylinderen 23 for å variere det totale volumet til beholderen 18 og kompensere for den målte variasjon av temperaturen. Disse reguleringseksemplene er ikke begrensende.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for måling av vertikale forskyvninger av en gjenstand eller den vertikale komponent av dens forskyvninger i fravær av et fast referansepunkt, omfattende måling av de øyeblikkelige variasjonene til atmosfæretrykket som er et resultat av gjenstandens vertikale bevegelser, i forhold til et frembrakt referansetrykk, karakterisert ved at referansetrykket blir oppnådd ved å ta middelverdien av atmosfæretrykket i nærheten av gjenstanden.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at målingen av atmosfæretrykkets øyeblikkelige variasjoner blir frembrakt ved hjelp av en differensiell trykkmålingsanordning (12).

3. Anordning for måling av vertikale forskyvninger av en gjenstand eller vertikalkomponenten av dens forskyvninger i fravær av et fast referansepunkt, karakterisert ved en differensiell trykksensor (12) som underkastes gjenstandens forskyvninger og som har en første inngang (e2) direkte i forbindelse med atmosfæren og en andre inngang (e2) i forbindelse med en anordning (13) for demping av atmosfæretrykkets fluktuasjoner, idet den differensielle trykksensor (12) leverer et signal (SE) som indikerer gjenstandens forskyvninger.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at dempeanordningen (13) omfatter en anordning for absorbering av den dynamiske energien i atmosfæretrykkets variasjoner.

5. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at dempeanordningen omfatter et kapillarrør (14) hvis ene ende står i forbindelse med atmosfæren og hvis andre ende står i forbindelse med den andre inngang (e2) til den differensielle trykksensor (12).

6. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at den annen inngang (e2) til den differensielle trykksensor (12) står i forbindelse med et gassvolum som holdes på et likt trykk med det referansetrykk som frembringes ved hjelp av dempeanordningen (13).

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at gassvolumet holdes i en beholder (18) forsynt med anordninger for å gjøre referansetrykket hovedsakelig uavhengig av temperaturvariasjoner.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved en anordning for å korrigere referansetrykk-variasjoner som skyldes langsomme variasjoner av atmosfæretrykket.

9. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved en første reguleringssløyfe som omfatter en anordning (19) for måling av referansetrykket og en anordning (20) for korrigering av det signal (SE) som leveres av den differensielle trykksensor (12) som en funksjon av det signal som frembringes av måleanordningen (19).

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved en andre reguleringssløyfe for å korrigere innvirkningen av temperaturvariasjoner på målingene, omfattende et lavpassfilter (21) for fra det signal (SE) som leveres av den differensielle sensor (12), å trekke ut de meget lavfrekvente komponenter, samt en anordning (22) for å kompensere for variasjonene i referansetrykket.

11. Anordning ifølge krav 3 og 9, karakterisert ved at kompensasjonsanordningen (22) omfatter en anordning for å variere temperaturen til gassvolumet som holdes ved samme trykk som referansetrykket.

12. Anordning ifølge krav 3 og 9, karakterisert ved at kompensasjonsanordningen (22) omfatter midler (23, 24) for å variere volumet til den beholder som inneholder nevnte gassvolum ved samme trykk som referansetrykket.

13. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at gjenstanden er en under-støttelsesanordning forbundet med et flytende fartøy ved hjelp av et antihiv-system innrettet for å befri understøttelses-anordningen fra påvirkningen av de vertikale forskyvninger som det flytende fartøy underkastes.