עיצוב חיישן מכני עבור ניטור סטריקטל תת-קרקעי

הגידול צריך לתשתיות תת-קרקעיות

מבנים תת-ימיים כגון אבני גשר, סכרים, פלטפורמות שמן וגז offshore, צינורות צוללות, וקרנות טורבינות tidal נחשפים לכמה התנאים הבלתי סלחניים ביותר על פני האדמה.ההתקפה המתמשכת של מלח, לחצים משתנים, צמיחה ימית, ועומס מחזורי מגלים וזרמים הופכים את הנכסים האלה פגיעים לעייפות, סדק, פיסול וכישלון קטסטרופלי.

המאזניים (האגודה האמריקנית למהנדסים אזרחיים) הם גבוהים, חלק משמעותי מהגשרים והסכרים של האומה מתקרבים או מעלים את חיי העיצוב שלהם, ורבים מהאלמנטים הקריטיים שלהם הם מתחת למים שבהם בדיקה חזותית היא בלתי-ממדתית (מתקני אנרגיה מתחום החייאה), צומחת במהירות ברחבי העולם, דורשת ניטור רציף של יסודות תת-קרקעיים וכבלי אנרגיה מילואים (Ralware) מתחום הפחתת חומרים מתחום ה-Fireative Energy, אשר מתחומים אלה, אשר מתחומים חיוניים, אשר כוללים את מערכת אחסון של מערכת אנרגיה מתחום התקני אבטחה (RultiOS-RultiOS-RultiOS-FENFEN) של מערכת אחסון מתחום התקני אבטחה מתחום אבטחה, אשר מתחום אבטחה, אשר מתחום התקני אבטחה מתחום אבטחה מתחום התקני אבטחה מתחום אבטחה מתחום התקני אבטחה, אשר מתחום התקני אבטחה מתחום התקני אבטחה מתחום התקני אבטחה מתחום התקני אבטחה, אשר מתחום התקני אבטחה מתחום התקני אבטחה מתחום התקני אבטחה, אשר מתחום התקני אבטחה מתחום מערכת אנרגיה מתחום התקני אבטחה מתחום התקני אנרגיה מתחום התקני אבטחה מתחום התקני אבטחה מ

אתגרים מימון בהנדסה חושית

עיצוב חיישן מכני עבור שירות תת-ימי הולך הרבה מעבר פשוט חסימת מים מכשיר ארצי.הסביבה מטילה קבוצה של מגבלות קשורות שיש לטפל בו זמנית, לעתים קרובות דורשות פשרות ברגישות, עלות או חיי שירות.

לחץ הידרוסטטי ודירוג

לחץ עולה על ידי בערך אווירה אחת (14.7 psi או 0.1 MPa) עבור כל 10 מטרים של עומק מים ים.במעמקים של כמה מאות מטרים, נפוץ עבור פלטפורמות offshore צינורות תת ים, חיישנים חייבים לעמוד בלחץ מעל 30 MPa. הלחץ הזה לא רק מאיים על שולי המידות מבניות, אלא גם משפיע על ההתנהגות המכנית של אלמנטים רגישים.

קורוזיה ודה-הדרגות חומריות

SeaPT הוא אלקטרוליט אגרסיבי המכיל כ 3.5% מלחים מומסים, חמצן מומס, chlorides, ו sulfates כי להאיץ גליוני, מתפתל, וסטרס corrosion סדק.נוכחות של biofilms ימיים יכול לקדם רכיבים ניקל-רמדומים (Strampon-tos) הם קו ההגנה הראשון של פלדות אל-חלד (L, 904) מציעים תנאים רגישים ל-Crosle) אבל גם תאים Cronic Crontone.

Biofouling ואפקטים שלה על הנדסת חיישנים

אורגניזמים ימיים כולל barnacles, mussels, אצות, ותולעים צינורות מיישבים משטחים מעוותים בתוך ימים עד שבועות. biofouling יכול לחסום את הנמלים לחישה פיזית, להוסיף מסה שמשנהתרת את מקרי התדר רטט קריאה, או ליצור שינויים קשיחים מקומיים המשפיעים על מדידות ניקוי מרחוק, על חיישנים, a diaphragm רעוע עלול להוביל לתגובה או לשגיאות אוויריות (מרכז האנרגיה האירופאית) שבו מופעלות של 15% (EM) כולל חיישנים מופעלות תחת לחץ דם מכני).

Power and Data Transmission Constraints

חיישני תת-ימיים חייבים לפעול על תקציבי אנרגיה מוגבלים.כבלי כוח ותקשורת קשיחים מספקים רוחב פס בלתי מוגבל וכוח מתמשך אך מציגים מורכבות ההתקנה, פגיעות לטרף נזק, ועלות משמעותית, במיוחד עבור רשתות חיישן מבוזרות המכסות אזורים גדולים.חיישנים אוטונומיים המופעלים על ידי סוללות מציעים גמישות פריסה אך דורשים עצירות מסחר בין קצב הדגימה, אחסון נתונים, תדירות שידור וחיים בשירות.

אסטרטגיות עיצוב כדי לענות על דרישות סביבתיות

כדי להתמודד עם האתגרים לעיל, מעצבי חיישן מעסיקים קבוצה של טקטיקות הנדסיות מוכחות, לעתים קרובות משלבים גישות מרובות בתוך חבילת חיישן יחיד.

Robust Materials Selection and Corrosion Management

מעבר לבחירה הבסיסית של ⁇ ופולימרים, ניהול חומרים יעיל כולל תשומת לב זהירה תאימות גליונית. מתכות דיסימיlar במגע בתוך חיישן - לדוגמה, דיור טיטניום עם מחבר פלדה אל-חלד - חייב להיות מבודד מבחינה חשמלית באמצעות insulators או משחתות קרביות (zinc או אלומיניום).

פיצויי לחץ ושוויון

אחד הפתרונות האלגנטיים ביותר לבעיה הלחץ הוא פיצוי לחץ מלא שמן.בעיצוב זה, החיישן מלא חלקית נוזל דיאלקטרי (שמן אמין או שמן סיליקון) וחתומה עם מצורף גמיש - לעתים קרובות פעמונים או diaphragm צורך ישירות לחץ חיצוני, כפי שעולה לחץ חיצוני, המחצבה לחץ על נוזל פנימי ושווה עם זה עם זה בצורה כה חדה, הוא מאפשר לחץ על ידי לחץ גבוה כדי למנוע לחץ על ידי לחץ גבוה, כי הם רק לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה, כי הם יכולים להיות מבודדים כדי למנוע לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה, כי הם רק לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה מאוד, כי הוא רק לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה, כי הוא רק לחץ על ידי לחץ גבוה, כי הם רק לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה כדי למנוע לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה מאוד, כי הם רק לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ גבוה מאוד, כי הם רק לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ

אימונים מתקדמים ו-Acapsulation

חותמות סטטיות במפרקי דיור ומממשקי המחבר הם נקודות כשל קריטי. Double O-ring grooves עם טבעות גיבוי, מתכת C-rings, או מתכת O-ring מספקים חותם אדום.עבור כבלים נכנסים החיישן, מגפיים מעוצבים או דחיסות מתאימים עם משטחים מרובים של חותם הם סטנדרטיים.

אדריכלות: Energy-Efficient System Architecture

Minimizing צריכת חשמל היא יעד עיצוב כי חודר כל תת-מערכת. מיקרו-בקרים כוח נמוך, מצבי שינה בין מרווחי דגימה, מעגלים התניה יעילה של אותות (למשל, דלה-sigma אנלוגי-to-to-דיגיטליים) הם סטנדרטיים אחסון נתונים על זיכרון פלאש מקומי מאפשר החיישן לתעד נתונים ברזולוציה גבוהה, אך רק להעביר נתונים סטטיסטיים או באמצעות פרוטוקולים חשמליים קבועים.

סקר מפורט של סוגי חיישן מכני עבור Subsea SHM

כל סוג של חיישן מכני מביא יכולת מדידה מסוימת וקבוצה נפרדת של מגבלות עיצוב תת-ימיות.

סטרין גאגס: Foil, Vibrating Wire, ו-Sefi Optic Optic

מדדי זנים עמידים של סייר - מופצים לחברים מבניים עם דבקים מיוחדים - משמשים נרחב עבור ניטור הלחץ המקומי. עבור יישומים תת-ימיים, המד מכוסה ציפוי מגן (polyurethane, סיליקון או מפרש מתכת) ואת החוטים המובילים הם חתומה עם חומרים חשמליים מרובים של גירוי חשמלי על ידי גירוי חשמלי (Ricreatives) הם פחות מחוספסים של מתחים חשמליים).

החלפת וחיישנים

משתנים משתנים משתנים שונים (LVDTs) מספקים מדידה מדויקת של עקירה אקסקלית במפרקים תת-ימיים, פערי הרחבה או פתחי סדק.ה יחסו הנטוע של LVDT הופכת אותו במידה רבה לרגיש ביותר לשינויים בכבלים המושרה לחץ.עבורת (מקלטים עד מטר), מחצני כוח או מקודמים עם פלדות אל-חול ומנגנונים ליניאריים נמצאים בדרך כלל במחסומים מוגנים.

חיישן לחץ להערכה סביבתית ומבנהנית

בנוסף למדידת עומק הידרוסטטי, חיישני הלחץ מצביעים על עומס הגל, הגלידה, ותנאי ההחלמה על מבנים ימיים. Piezoresistive הלחץ טרנסדוקנטים עם סיליקון mMS diaphragms הם לטובת הגודל הקטן שלהם, רגישות גבוהה, וכוח נמוך.עבור הדיוק הגבוה ביותר ויציבות לטווח ארוך, לחץ סיליקון מחדש או חיידקי quartzdia משמשים, למרות עלות גבוהות יותר של מתכתי מתכת מזיקים, בדרך כלל ממטר מתכתי מתכת.

וידוי ופרוטוקולים

ניטור Vibration מזהה חוסר איזון, בעל ללבוש, רופפת, והתחדשות מבנית. Piezoelectric accelerometers, עם תפוקת תשלום פרופורציה להאצה, הם חזקים בשימוש נרחב. meMS capacitive accelerometers מציעים כוח נמוך ופלט דיגיטלי אבל עשוי להיות בעל רוחב פס נמוך יותר.עבור שימוש תת-ימי, accelerometer חייב להיות נוקשה כדי המבנה - רך יהיה אותות טמפרטורה גבוהה יותר.

חיישנים ו-Tilt

ניטור הטיה של קוצים גשר, מעילים offshore, או יסודות mooring מספק אזהרה מוקדמת של scour, התיישבות, או התשואות מבניות. אלקטרוליטי להט חיישנים הם בעלות נמוכה רגישה אבל דורשים פיצוי טמפרטורה זהירה. meMS inclinometers משלב accelerometers עם עיבוד אותות משולב כדי להטות ישירות. עבור פריסה לטווח ארוך, כפול אקסק באטים עם רזולוציה של דיור מדויק או סטנדרטית של חיישנים יציבים.

חומרים ומערכות הגנה ב Depth

בחירה חומרית עבור דיור חיישן וחלקים רטובים היא החלטה עיצובית קריטית המשפיעה ישירות על תוחלת החיים, עלות וביצועים. טיטניום (ASTM דרגה 2 או כיתה 5) מציעה שילוב יוצא דופן של התנגדות קורוזיה, כוח, ו ביו-קופטיות. צפיפות נמוכה שלה מפחיתה את החבוי והאתגרים הטיפוליים. עבור יישומים מוגבלים בתקציב, 316L נירוסטה עם ציפוי פוליקן יכול לספק הגנה נאותה, אך ורקדה מקומית, אך ורקדה, אך ורקדה, אך ורקמת, אך ורקמת, אך ורקמת, בתנאי חמצן חמים, אך ורקדה, אך ורקדה, אך ורקדה, אך ורקדה, אך ורקמת, אך ורק בתנאי חמצן, אך ורקדה.

דיור לא-מטאלי עשוי PEEK, PTFE, או acetal (Delrin) מתאימים יישומים בלחץ נמוך אבל להיות יותר ויותר תואמים לעומק, עלול להשפיע על הגיאומטריה של רכיבים פנימיים. Ceramics כגון alumina או zirconia הם לא אינרטי וקשה אבל מתפתל, הגבלת השימוש שלהם ל-phragms להאכילs ולא מבנים.

מערכות הגנה קטוודיות (CP) או aodeificial או נוכחיות מתרשם, חיוניות לכל דיור מתכתי שנחשפו למים. acrificial anodes (zinc, אלומיניום, או מגנזיום) נועדו עם מסה מחושבת כדי להחזיק מעמד הפריסה המיועד, וצריכתם יכולה להיות במעקב באמצעות מדידות מתח. CP חייבת להיות רציפה עם הדיור והמבנה הסמוך, והם צריכים להיות מבודדים מכל ציפוי הנוכחי יכול להיות ממגן מגן.

גישות נגדיות ממשיכות להתפתח.צבעים מסורתיים מבוססי נחושת או tin יש מגבלות סביבתיות בתחומים רבים. ציפויים מבוססי סיליקון דלים מחוסנים מספקים משטח אנרגיה נמוך כי אורגניזמים לא יכולים לדבוק בקלות, והם עובדים טוב בשילוב עם מגנים מכניים או רטט קולי.עבור חיישנים עם חלונות אופטיים או יציאות לחץ, סרטים מחוספים או סרטי שטף מחזוריים עם ביצועים מסוננים בין שירות מופרע.

מערכת חשמל ותקשורת

סוללות מערכות למבצע אוטונומי

סוללות ליתיום ראשוני מציעות נחיתות אנרגיה עד 700 Wh / L, המאפשר פריסות מרובות שנים עם תקציבי כוח זהירים.חבילה הסוללה חייבת להיות שוכנו בכלי לחץ או, ביעילות רבה יותר, מחסנית מלאה שמן המפצה שמן המשווה לחץ ומבטלת את הצורך בכלי לחץ כבדים.

אנרגיה מאווירה

טורבינות Tidal ואוקיאנוס, ממירי אנרגיה גל ואפילו מקציני אנרגיה רטט מושרה יכול לזרז סוללות טעינה בין אירועי דגימה.לדוגמה, גנרטור קטן המונע על ידי דחף על פירע גשר יכול לייצר כמה וואטים בזרימת תפוקה צנועה.ה גנרטורים הירואלקטריים (TEGs) לנצל את ההבדלים בין קרקעית הים המיועד לייצר במהירות של כוח קקטוס, אך צריך להפחית במהירות את עוצמת השמש.

תקשורת נתונים תת-קרקעית

טלמטארי אקוסטית היא השיטה הנפוצה ביותר להעברת נתונים אלחוטית תת-ימיים. מודמים אקוסטיים מודרניים להשיג שיעורי נתונים מכמה מאות ביטים לשנייה ליותר מ -100 kbps על פני טווחים של מאות מטרים עד כמה קילומטרים.צריכת החשמל של שידור אקוסטי גבוה, כך שהנתונים בדרך כלל דחוסים או מצופים באופן מקומי ומעבירים בהתפרצויות.

קלבריה, תחזוקה וניהול אחריות

אפילו החיישן החזק ביותר יסחף לאורך זמן בשל הזדקנות חומרית, אפקטים קורוזיה, ו biofouling. in-situ calibration בדיקות באמצעות תקן התייחסות (למשל, מקור לחץ calibrated או עקירה ידועה) הם אידיאליים אך לעתים קרובות לא מעשי. חלופה מעשית היא השימוש בחיישנים מחוסנים - 3 במיקום יחיד מאפשר משולש הצבעה כדי לזהות תוכנית מדידה או יחידת קירור (גם).

תכנון תחזוקה צריך לכלול מרווחים מוגדרים עבור החלפת סוללות, התחדשות ציפוי, בדיקת חותם, אימות calibration. עבור חיישנים מותקנים בעומקים שבהם התערבות היא יקרה, חיי עיצוב של 5 עד 10 שנים ללא servicing הוא מטרה נפוצה.מצב מבוסס תחזוקה, מופעל על ידי anomalies נתונים (למשל, אפס סחף או צריכת חשמל עולה), יכול להאריך מרווחי שירות ולמנוע כישלונות בלתי צפויים.

ניתוח של אמינות באמצעות מצב כישלון, אפקטים וניתוח קריטי (FMECA) הוא חלק סטנדרטי של תהליך העיצוב עבור חיישני תת ים קריטיים.כל מצב כשל - דליפה, קורוזיון מחבר, סוללה קצר, רעוע של נמל רגיש - הוא נבדק עבור חומרה והסתברות, ומדדי מיגנציה משולבים לתוך העיצוב.

טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

חדשנות בחומרים, אלקטרוניקה וניתוח נתונים ממשיכה לדחוף את הגבולות של ביצועי חיישן תת-ימי.

חומרי ההולכה וההתאמה

חוקרים מפתחים ציפויים פולימרים שיכולים לרפא שריטות וזרמים באמצעות מיקרו-capsules של סוכני ריפוי או אג"ח דינמי קוהנדסה. ציפויים כאלה יכולים להרחיב באופן דרמטי את החיים האפקטיביים של שכבות הגנה על חפיסות.טימות אלסטומריות עצמיות הן גם בפיתוח, אשר יכול להפחית את הסיכון של מים בהתקפה לאורך זמן.

רשתות חכמות וחכמים

במקום חיישנים נקודתיים דיסקרטיים, חישה אופטית מבוזרת (Brillouin ו Rayleighפיזור) יכול למדוד מתח וטמפרטורה לאורך כל אורך של צינור תת-מעורר או חבר מבני.מערכות אלה מספקות כיסוי מתמשך והם בעלי ערך במיוחד עבור זיהוי אירועים מקומיים כגון דליפות או השפעה נזק. בשילוב עם קצה תהליך נתונים מקומי ולהעביר רק תכונות רלוונטיות, אלה להפחית את ההסתמכות על תקשורת גבוהה ומאפשרים על תקשורת אמיתית.

בינה מלאכותית ו-Data Fusion

אלגוריתמי למידת מכונות המוכשרים על נתונים היסטוריים יכולים לזהות דפוסים עדינים של עייפות סדקים, התקדמות פיסול או השפלה כבל. על ידי ניצול נתונים מטיפוסי חיישן מרובים (אימון, רטט, לחץ, טמפרטורה), מערכת אבחון המבוססת על בינה מלאכותית יכולה להבחין בין וריאציות תפעוליות נורמליות ופיתוח תקלות עם ביטחון גבוה יותר מאשר כל חיישן בודד לבד.על עיבוד מיקרובקר בעוצמה נמוכה מאפשר החיישן עצמו לקבל החלטות כגון הדגימה כאשר הוא מזהה קצב זיהוי.

חלוקה אוטונומית והתערבות

כלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) וכלי רכב המופעלים מרחוק (ROVs) משמשים יותר ויותר לפרוס, לבדוק, לשחזר את אבני החיישן. כמה פלטפורמות חיישן נועדו להיות מעוגן עם רכב להעברת חשמל אלחוטית והנתונים במהירות גבוהה מעומס.התכנסות זו של ניידות וחישה יוצרת הזדמנויות עבור ניטור אינטנסיבי זמני במהלך בנייה או תיקון קמפיינים, משלימים חיישנים מותקנים לצמיתות.

מסקנה: תלות הנדסית בכל עומק

תכנון חיישנים מכניים עבור ניטור מבני תת-קרקעי הוא משמעת הדורשת מיומנות במדעי החומרים, עיצוב מכני, אלקטרוניקה וביולוגיה ימית.המהנדס צריך לצפות לא רק את העומסים הסטטיים של לחץ עצום, אלא גם את התקיפות הדינמיות, האקורוזיביות והביולוגיות שיבחנו כל חותם, כל רכיב, ורק את יעילותם של תאים חיוניים, אלא גם ביכולת של החיישן לספק נתונים עקביים, מדויקים על פני שנים של תאים של תאים הזנחה ותחומיים, כמו גם על פני כדור הארץ, אשר יהיו יותר ויותר חזקים.