Yeraltısu için Mekanik Sensörler Tasarımı
Büyütülebilir Su Altyapısı için Gerekli
Köprü piers, barajlar, deniz yağı ve gaz platformları, denizaltı boru hatları ve intihar edici temelleri dünyadaki en yüksek verimsiz koşullardan bazılarına maruz kalıyor.Kesin su, değişken baskılar, deniz büyümesi ve dalgalar ve mevcutlardan döngüsel yük, bu varlıkları yorulmaya zorlayan, çatlaklar, çatlaklar, çatlaklara karşı savunmasız hale getirmek, onları on yıllar boyunca doğru bir şekilde yönlendirmek ve insan mühendisliğine doğru bir şekilde sunmak için en iyi bir uygulamadan geçiş yapmak için gerekli olan bir uygulama.
Riskler yüksek.Ücretsiz elementlere göre:0. Amerikan Sivil Mühendisleri Topluluğu[Döneticileri ve alt deniz kabloları) dünya çapında büyüyen, deniz rüzgarlarının sürekli izlenmesi ve ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuarları (NREL) tasarımının yaklaştığı veya çok sayıda kritik sensör sistemi, sualtı rüzgarın yüksek maliyetli olduğu yerdedir.
Subsea Sensör Mühendisliğindeki Temel Zorluklar
Sualtı servisi için mekanik bir sensör tasarlamak, sadece bir karasal cihazdan uzaktır. Çevre aynı anda ele alınması gereken bir bağlantı kısıtlaması getirir, genellikle hassaslık, maliyet veya hizmet yaşamında uzlaşmalar gerektiren.
Hidrostatik Basınç ve Derinlik Seçme
Basınç yaklaşık bir atmosfer tarafından artış gösterir (14.7 psi veya 0.1 MPa) her on metre deniz derinliği için. Birkaç yüz metre derinliğinde, deniz platformları ve alt deniz boru hatları için ortak, sensörler 30 MPa'nın üzerindeki baskılara dayanmalıdır. Bu baskı sadece yapısal bütünlüğü tehdit eder, ancak aynı zamanda algılama elemanlarının mekanik davranışını etkiler. Strain ölçümler, örneğin, substrat veya yapıştırıcı katmanının sıkıştırılması nedeniyle sıfırdan yukarı baskı altında sergilenebilir.
Korozyon ve Malzeme Degradasyon
Seawater, yaklaşık% 3.5 oranında çözülmüş tuzları içeren agresif bir elektrolittir, oksijen, klorürler ve sulfates, galvanic, pitting, crevice ve stres korozyonu çatlakları ile hassastır. Super-duplex paslanmaz çelikler varlığı daha da yerelleştirilebilir (Inconel 625, Hastelloy C-276) ve titanyum (Gdevreksiyon)
Biyofouling ve Sensör Hassasiyeti Üzerine Etkileri
Barnacles, mussels, algler ve tüp solucanlar gün içinde submerged yüzeylere haftalar içinde kolonileştirebilir. Biyofouling fiziksel olarak portları engelleyebilir, mevcut profil sensörlerinin doğruluğunu tek bir dağıtım sezonunda azaltır.
Güç ve Data Transmission Constraints
Su sensörleri sınırlı enerji bütçeleri üzerinde çalışmalıdır. Sert telli güç ve iletişim kabloları sınırsız bant genişliği ve sürekli güç sağlar ancak yükleme karmaşıklığı, trawl hasarları ve önemli maliyet, özellikle de büyük alanları kapsayan dağıtılmış sensör ağları için. Battery-güçlü otonom sensörler dağıtım esnekliği sunar, ancak örnekleme oranı, veri depolama, iletim frekansı ve hizmet hayatı ile ticaret yapmak gerekir. Lityum birincil hücreler (örneğin, Li-SOCl2) yüksek enerji yoğunluğu ve düşük öz-discharge, onları uzun süredir uygun hale getirir.
Çevre Talepleriyle tanışmak için tasarım stratejileri
Yukarıdaki zorluklara ulaşmak için, sensör tasarımcıları kanıtlanmış bir mühendislik taktiklerini kullanıyor, genellikle tek bir sensör paketinde birden fazla yaklaşımı birleştirmektedir.
Robust Material Selection and Korozyon Management
Elektrikli olarak izole edilmiş bir çelik bağlantı ile ilgili temel alaşımların ötesinde, etkili malzeme yönetimi, galvanic uyumluluğuna dikkat eder. Sensörler içinde temas halindeki metaller -örneğin, paslanmaz çelik bağlantı ile titanyum konut - metal veya cam-to-metal veya alüminyum-to-to-to-metalurlu beslemeler basınç sinyalleri olmadan basınç sinyallerinden kaçınmak için kullanılır.
Basınç Ücreti ve Eşitleştirme
Basınç problemine en zarif çözümlerden biri petrol dolu baskı tazminatıdır. Bu tasarımda, sensör konutu kısmen bir dielektrik sıvısı ile doludur (mineral petrol veya silikon yağı) ve esnek bir kobitatör ile mühürlenir - dış baskı yükselir, bu yüzden bu şekilde, kondüktör ve daha hafif bir basınç sağlar.
Gelişmiş sönü ve Encapsulation
Konut eklemlerinde ve bağlantı arabirimleri kritik başarısızlık noktalarıdır. Tüm sensör paketi yedekleme halkaları, metal C-rings veya metal O-rings, ancak algılamak için kablolar için, kablolar veya şarj edilebilir aksesuarlar için, kablolar standarttır. Tüm sensör paketi poliurethane veya epoxy'da yapılandırılır, sadece algılama yüzü açığa çıkarılmalıdır.
Enerji-Efficient System Architecture
Güç tüketimi her alt sistemi indirmenin bir tasarım hedefidir. Low-power mikrokontroller, örnekleme aralıkları ile uyku modları ve verimli sinyal doğrulama devreleri (örneğin, delta-sigma analog-di-dijital dönüştürücüler) genellikle mevcut olduğunda, yerel flaş belleğinde veri depolama, yüksek çözünürlüklü verileri sürekli olarak kaydetmesine izin verir, ancak düşük enerjili telemetri ile sadece özetleme modelleri veya alarmlar ile sabitlenir.
Subsea SHM için Mekanik Sensör Türlerinin İncelenmesi
Her tür mekanik sensör belirli bir ölçüm kapasitesi ve farklı bir sualtı tasarım kısıtlamaları getiriyor.
Strain Gauges: radyatör, Gering Wire ve Fiber Optik Optik
Dayanıklı folyo drenaj ölçümleri - uzmanlaşmış yapıştırıcılarla yapısal üyelere teslim edildi - yerel stres izleme için yaygın olarak kullanılır.Sudansta uygulamaları için ölçümler, koruyucu bir kaplama (poliurethane, silikon veya metal folyo) ile kaplıdır ve yol telleri, fiber Bragg fikstürleri (FBG) üzerine kuruluplar için çeşitli önlemlere eklenir ve bu ölçümler, birincil elektronik basınçlarda otomatik olarak sabitlenebilir.
Uzaklama ve Pozisyon Sensörleri
Linear değişken transformatörler (LVDT) sualtı eklemlerinde eksenel yer değiştirmenin kesin bir ölçüsini sağlar, paslanmaz çelik kablolarla kodlu ve bahar dönüş mekanizmaları kullanılır, baskılı yağ dolu muhafazalara büyük ölçüde duyarlıdır.Indüktör ve magnetostrik lineer olmayanlar için, tüm temassız noktaların aşınması veya çekmeleri gerekenleri kontrol etmek gerekir.Introfikasyonlar genellikle baskılı malzemelerle korumalıdır.Inductive and Magnetostric lineer.Inductive and Magnetostric linear encoders also find application where non-wire encoders with paslanmaz çelik kablolar and streaming processes are used, homed in pressurized oil- completed.
Çevre ve Yapısal Değerlendirme için Basınç Sensörleri
Hidrostatik derinlik ölçmek için ek olarak, basınç sensörleri dalga yükleme, dalgalanma ve deniz yapılarındaki rezonans koşulları gösterir. Piezoresistive baskı transdüsers with silikon MEMS Dias are support for their small scale, high sensitive, and low power. For the highest correct and long-term stability, resonant silikon baskı sensörleri veya kurtz kristal sensörleri kullanılır, ancak daha yüksek maliyetle. algılamak için genellikle deniz suyu ile ayrıdır.
Titreşim ve Hızölçücüler
Titreşim izleme dengesiz, aşınma, gevşeklik ve yapısal rezonans. Piezoelektrik hızlayıcılar, hızlanması için bir şarj cihazı ile, sağlam ve yaygın olarak kullanılan MEMS kapasitive accelerometreler düşük güç ve dijital çıktı sunar, ancak daha düşük bir sualtı kullanımı için, bir hızlayıcısı, yüksek frekanslı sinyallerin sabit bir şekilde monte edilmesi gerekir.
Inclinometreler ve Tilt Sensörler
Köprü piers, offshore ceketleri veya mooring vakıflarının eğimli, yerleşim veya yapısal verimleme konusunda erken uyarı sağlar. Elektrolimanyeli eğim sensörleri düşük maliyetlidir ve hassastır, ancak dikkatli bir sıcaklık tazminat gerektirir. MEMS inclinometreler, eğimli açılardan çıkarmak için bütünleşik sinyal işleme ile mükemmel bir şekilde bir araya gelmelidir. Uzun vadeli dağıtım için, çift eksenli inclinometreler 0.0° veya daha iyi bir şekilde ayarlanabilir. Bu sensörler, stabil bir referans yüzeyinde monte edilmelidir.
Derinlik ve koruyucu sistemler
Sensör konutları ve ıslak parçalar için malzeme seçimi, doğrudan yaşam boyu, maliyet ve performans etkileyen kritik bir tasarım kararıdır. Titanyum (ASTM Grade 2 veya Grade 5), korozyon direnci, güç ve biyokompatability. Düşük yoğunluk, ağırlama ve zorluk çekmesi için.
PEEK,VPN veya acetal (Delrin) tarafından yapılan metal konutlar, yapısal konutlar ve beslemeler için uygundur, potansiyel olarak iç bileşenleri geometrisini etkiler.
Cathodic koruma (CP) sistemleri, ya da çöpe veya mevcut etkilenmek, deniz suyu maruz kalan herhangi bir metalik konut için gereklidir. Sacrificial anodes (zinc, alüminyum veya magnezyum) son olarak planlanan dağıtım süresine kadar hesaplanan bir kütle ile tasarlanmıştır ve tüketimleri elektriksel olarak sürekli olarak konut ve bitişik yapı ile devam etmelidir ve herhangi bir katlanarak izole edilmelidir.
Antifouling yaklaşımları gelişmeye devam ediyor. Geleneksel bakır veya renkli boyalar birçok yargıda çevresel kısıtlamalara sahiptir. Silikon bazlı foul-dönüş kaplama kaplamaları, organizmaların kolayca uymadığı düşük enerjili yüzey sağlar ve mekanik silinmiş veya basınçlı portlarla birlikte çalışırlar, çünkü optik antifouling filmleri veya periyodik olarak filtrelenmiş su ile birlikte performansları koruyabilir.
Power and Communication System Design
Özerk Operasyon için Batarya Sistemleri
Temel lityum bataryalar, yüksek basınç gemilerine eşit olan ve ortadan kaldırılan bir dolum cihazının, baskıya dayanıklı bir elektrik akımına uygun olarak şarj edilmesi için uygun bir jelde bulunulmalıdır.
Deniz Ortamı'ndan Enerji
Tidal ve okyanus mevcut türbinler, dalga enerji dönüştürücüler ve hatta vortex-indükli vibrasyon enerji toplayıcıları örnek olaylar arasında miliwatt pilleri kandırabilir. Örneğin, küçük bir peror-güdümlü jeneratör, düzenli bir köprüde monte edilebilir. herhangi bir enerji toplayıcısının güvenilirliği, deniz büyümesi ve fırtınası ile fırtınanın hızla azaltılması veya sürekli güçlerin miliwattlarını ortadan kaldırmak için gerekli olan ısı farklılıkları kanıtlanmalıdır.
Underwater Data İletişim
Akustik telemetri, kablosuz alt deniz veri iletimi için en yaygın yöntemdir. Modern akustik modemler ikinci 100 kbps üzerinde aralıklar için birkaç yüz metreden fazla sayıda kabloya kadar veri oranını sağlar. akustik iletim gücü yüksek, bu yüzden veriler genellikle sıkıştırılır veya yerel olarak dağıtılır ve patlamalarda ilerlenir.Inductive modemler, istasyonlar veya yakın eğimli sensör düğümleri için temassız bağlantı sunar.
Kalibrasyon, Bakım ve Güvenilirlik Yönetimi
En sağlam sensör bile, malzeme yaşlanması, korozyon etkileri ve biyofouling nedeniyle zaman içinde sürüklenecektir.In-situtuybration checks using a reference standard (e.g., a calibrated baskı kaynağı veya bilinen bir yerinden) İdeal ancak sık sık sık pratik bir alternatif kırmızıdan uzak sensörlerin kullanımıdır - tek bir yerde üç sensör başarısız bir birim tespit etmek ve izole etmek için üç boyutlu bir paket sağlar.
Bakım planlaması, batarya yedekleri için tanımlanmış aralıkları, antifouling kaplama yenileme, mühür denetim ve kalibrasyon doğrulamayı içerecektir.Adisyon maliyetinin pahalı olduğu derinliklerde, servis olmadan 5 ila 10 yıl boyunca tasarım hayatı yaygın bir hedeftir. Durum tabanlı bakım, veri anomalileri tarafından tetiklenen (örneğin, beklenmedik sıfır sürüklenme veya yükselen güç tüketimi), hizmet aralıklarını genişletebilir ve beklenmedik başarısızlıkları engelleyebilir.
Başarısızlık Modu, Etkileri ve Kritik Analiz (FMECA) ile ilgili tasarım sürecinin standart bir parçasıdır. Her başarısızlık modu -söylece, bağlantı korozyonu, batarya kısa, bir algılama portunın aşılanması - ağırlık ve olasılık için değerlendiriliyor ve majördün yaşam testlerinin ısıtılması, baskılı tuz su banyolarının tahmin edilebilir yaşam sürelerine güven sağlar.
Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar
Malzemeler, elektronik ve veri analizi sualtı sensör performansının sınırlarını zorlamaya devam ediyor.
Kendini -Healing ve Adaptive Materials
Araştırmacılar, beton ve konteynükleri iyileştirme ajanları veya dinamik kovalent tahvilleri aracılığıyla iyileştirecek polimer kaplamaları geliştiriyorlar.Bu kaplamalar sensör konutları üzerindeki koruyucu tabakaların etkili ömrünü dramatik bir şekilde uzatabilir. Self-healing elastomeric mühürler de zamanla su riskini azaltabilir.
Dağıtılmış Sensing ve Akıllı Ağlar
Ayrık nokta sensörleri yerine, fiber optik algılamayı dağıtmış (Brillouin ve Rayleigh saçılma), alt hat veya yapısal bir üyenin tüm uzunluğu boyunca su ve sıcaklık ölçütünü ölçebilir ve yerelleştirilmiş olayları tespit etmek için özellikle değerlidir.
Yapay Zeka ve Data Fusion
Tarihsel veriler üzerinde eğitilmiş makine öğrenme algoritmaları, normal operasyonel varyasyon ve tek bir sensörden daha yüksek güven ile ayırt edilebilir. Düşük güçteki mikro kontroller, sensör türlerinden yararlanarak, bir anomali tespit edildiğinde, bir AI tabanlı teşhis sistemi normal operasyonel varyasyon ve gelişmekte olan hataların arasında ayrımcılığa yol açabilir.Inboard işlemesi düşük güçte bir mikro kontrol cihazının kendisini birden fazla sensör türünden (strain, vibrasyon, basınç, sıcaklık), bir AI tabanlı bir teşhis sistemi, normal operasyonel varyasyon ve gelişmekte olan hataların arasında fark eder.
Özerk Bir İşbirlikçi ve Müdahale
Özerk sualtı araçları (AUVs) ve uzaktan işletilen araçlar (ROVs) giderek inşaat veya kampanyalar sırasında geçici yüksek çözünürlükte olan fırsatların bir aracı ile kablosuz güç aktarımı ve yüksek hızlı veri yükü için bir araçla donatılması için tasarlanmıştır.Bu, inşaat veya kampanyalar sırasında geçici yüksek çözünürlükte bir şekilde optimize etmek, kalıcı olarak yüklü sensörler tamamlamak için fırsatlar yaratıyor.
Sonuç: Mühendislik Her Derinliğe Bağlanabilir
Sualtı yapısal izleme için mekanik sensörler, her mühürü test edecek bir disiplindir, her bir ortak ve her bileşende başarı ölçülmelidir, ancak sensörün dünyadaki en düşmanlı ortamlardaki dinamik, korrosive ve biyolojik saldırıları tahmin etmelidir.Her bir şekilde güvenilir alt deniz algılama veya bant genişliğine ihtiyaç duyacaktır.