智能线缆传感器
阅读说明：本技术 智能线缆传感器 (Intelligent cable sensor ) 是由 托雷·斯特兰德 于 2018-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于插入编织、编结和/或松弛的线缆内并测量编织、编结和/或松弛的线缆内的张力的传感器装置。该传感器装置包括具有外部壳体表面和内部壳体表面的细长的传感器壳体以及布置在该细长的传感器壳体内部的至少一个压力传感器。外部壳体表面具有围绕传感器壳体的纵向轴线的基本上椭圆或圆形的横截面区域。此外,至少一个压力传感器被构造成允许至少间接地测量施加在外部壳体表面上的压力。本发明还涉及用于系泊一个或多个结构的线缆传感器组件和调节线缆传感器组件中的张力的方法以及线缆传感器组件的用途。(The present invention relates to a sensor device for insertion and measurement of tension in a braided, braided and/or slack cable. The sensor device comprises an elongated sensor housing having an outer housing surface and an inner housing surface and at least one pressure sensor arranged inside the elongated sensor housing. The outer housing surface has a substantially elliptical or circular cross-sectional area about the longitudinal axis of the sensor housing. Furthermore, the at least one pressure sensor is configured to allow at least indirect measurement of the pressure exerted on the outer housing surface. The invention also relates to a cable sensor assembly for mooring one or more structures and a method of adjusting tension in a cable sensor assembly and use of a cable sensor assembly.)
技术领域
本发明涉及一种用于测量并控制线缆中的张力的传感器装置、组件和相应的方法。更具体地，本发明涉及用于诸如系泊绳的重载绳的传感器装置、线缆传感器组件以及在这种组件中调节张力的方法。
背景技术
例如在海上使用中的用于紧固、降低和/或固定物体的线缆的寿命取决于许多因素。通常在海上环境中施加在线缆上的周期性载荷可能会导致线缆的一些部分疲劳。其他因素(例如温度变化)以及处理中的磨损也可能影响线缆的抗疲劳性。
这样的线缆的故障会产生严重的后果。紧固的物体可能会松动，可能剧烈移动并与其他物体或人相撞。特别是在处理大型浮动结构(例如船舶)时，来自拉断线缆的力会杀死或伤害旁观者。
因此，经常检查这种线缆是否有损坏或疲劳的迹象，检查的频率通常由OCIMF(石油公司国际海洋论坛)之类的机构决定，该组织已决定了一系列检查油轮线缆的规则，例如记录使用小时数。
但是，由于线缆的状况不仅仅取决于使用小时数，因此，与所需相比，检查频率可能太低或太高。到目前为止，例如在船上系泊绳的情况下，由船员手动检查绳。如果线缆出现损坏或疲劳的迹象，通常将其换成新的线缆。手动检查非常耗时，容易发生人为错误。另外，手动检查不能揭示线缆过载(即，线缆可能接近断裂)，并且手动检查需要在线缆不处于使用时进行。
为了避免线缆故障可能带来的严重后果，检查频率和时间通常过多。这不可避免地会导致在检查线缆上花费过多的时间，而这些宝贵的时间本来可以花在其他任务上。更不用说可能造成浪费的线缆更换，导致更高的运营成本。
对此问题的一种已知解决方案是将可拆卸传感器放置在线缆上或部分位于线缆内，以测量操作期间作用在线缆上的载荷。
美国专利申请公开第US 2011/0006899号公开了用于测量线缆上的载荷的传感器单元。在一个实施例中，传感器单元可以被布置在线缆(诸如，带)处或至少部分地被布置在其内。传感器单元可以与锚定/系泊结合使用，并且包括被配置为将信息传输到外部装置的传输装置。然后，外部装置可以使用该传输的信息来使操作员观察可能的临界状态。然而，由于在该申请中描述的传感器单元是不对称的并且至少部分地布置在线缆的外部，所以其使用受限。在经过诸如绞盘、钩孔或其他装置等较粗糙的处理的装置上的线缆中，布置在线缆外部的传感器单元可能会干扰该装置并受到损坏。尽管该申请描述了其中传感器单元可从线缆拆卸的实施例，但是仅通过拆卸传感器单元和/或线缆才可能进行拆卸，这极大地使单元的安装复杂化。
因此，需要一种能够减轻背景技术的缺点的解决方案。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种传感器装置，其可以被***并用于测量各种线缆中的张力，特别是诸如系泊绳的重载绳。传感器装置被配置为测量和传输关于线缆的使用的数据，从而减少检查和更换线缆的频率，同时使线缆拉断的风险最小化。
此外，本发明的目的是提供可以容易地放置在线缆内或从线缆内移除的传感器装置。
另一个目的是提供一种传感器装置，其可以包括智能线缆传感器组件的一部分，允许对线缆中的张力进行自调节。
其他目的对于本领域技术人员将是显而易见的。
在主要权利要求中阐述并表征了本发明，而从属权利要求描述了本发明的其他特征。
因此，本发明涉及用于测量线缆内的张力的传感器装置，该传感器装置包括：
-具有外部壳体表面和内部壳体表面的细长的传感器壳体，外部壳体表面具有围绕传感器壳体的纵向中心轴线的基本上椭圆或圆形的横截面区域，以及
-布置在细长的传感器壳体内部的至少一个压力传感器，至少一个压力传感器被配置为至少间接地测量施加在外部壳体表面上的压力，在下文中，椭圆形横截面区域被定义为还包括圆形横截面区域。
因此，本发明提供了可以被布置在线缆内的中心的传感器装置，该传感器装置是耐用的并且因此适用于承受重负荷的线缆，但是该传感器装置也可以容易地部署到其中以及从线缆中取出。该线缆可以包括编织线缆，也称为编结线缆，或松弛线缆，在本文中定义为通过将股线缠绕或扭曲在一起而形成的线。这样的编织、编结和/或松弛的线缆通常可以包括诸如系泊绳的重载绳。传感器装置可以具有使其特别适合于***编织、编结和/或松弛的线缆中的形状，其中通过将该装置放置在线缆的股线之间，可以将其***线缆或从线缆中拔出。传感器壳体的细长的形状还可使其特别适合在一旦***后留在编织、编结和/或松弛的线缆内，因为它对线缆的强度影响很小，并且由于在张紧过程中线缆的股线作用在壳体上的径向力较高，因此不会从线缆中滑出。传感器装置的形状可以基本上成形为长椭球形，并且在垂直于壳体纵向方向的中心线C的方向上测量的细长的传感器壳体的最大直径D的至少一部分可以沿壳体纵向长度L的至少一部分恒定。
可以想到，传感器装置也适合于其他种类的细长的物体，例如绳索、缆索、导线、皮带、缆绳或装置可以***其中的任何种类的线缆，或其组合。在现有技术的解决方案中，用于测量线缆内张力的已知传感器装置通常适于与线缆集成，这使得这些现有技术的传感器装置不适合***编织、编结和/或松弛的线缆中。
通过将传感器装置放置在线缆内，该装置可以测量由于在张紧期间线缆的股线的径向运动引起的压缩，从而间接地测量线缆中的张力。围绕中心壳体的纵向中心轴线的外部壳体表面的横截面区域优选为圆形，其中，从***到中心点的距离恒定为360度。但是，其他椭圆形也是可能的，其中从***到中心的距离可能比从***到中心的最短距离长5％到10％，例如5％。
每个传感器应该能够测量由于在张紧线缆期间股线的径向运动而引起的压缩。基于测得的压缩，可以估算/计算线缆中的张力。在本发明的一方面，可以通过布置在细长的传感器壳体的内侧的测力传感器来测量压缩。然而，基于本文中本发明的公开，对于本领域技术人员显而易见的是，也可以使用其他传感器，例如压力计或类似的压力测量装置。在各方面中，可布置一个或多个测力传感器以用于冗余，并比较测量以提高准确性。测力传感器通常可以包括应变仪，例如箔片应变仪或半导体应变仪或本领域已知的其他应变仪。可以使用能够通过预设的初始应力进行校准的应变仪，从而允许这些应变仪在其生命周期内根据需要进行校准。优选地，可以在传感器装置中使用需要少量电力的应变仪。
在本发明的一个方面，细长的传感器壳体可以包括具有杨氏模量E的材料，外部壳体表面的材料和设计可以组合被配置为支持在293开尔文的温度下，在10秒的时段内基本上垂直于外部壳体表面施加超过1000兆帕的平均压力，而不会导致传感器壳体破裂。因此，细长的传感器壳体可以有利地包括线性弹性材料。细长的传感器壳体的抗断裂性也可以通过高载荷的循环来定义，该循环通常可能导致疲劳断裂。在本文中将这种断裂定义为优选通过目测可检测的断裂。传感器装置受到这种压缩的时间段可以例如在10秒-20秒之间。优选地，该材料可以包括至少30GPa的杨氏模量E。具有高杨氏模量的材料可能优选地适合承受高负荷的线缆，而具有较低杨氏模量的材料可能更适合于实现较小的重量并提高较小线缆和承受较低负荷线缆的安全性。优选地，该材料可以包括具有在65GPa-75GPa之间的杨氏模量的铝，用于承受较低张力(例如5吨-50吨)的线缆。对于承受较高载荷的线缆，杨氏模量在105GPa-120GPa之间的包含钛的材料可能更合适，或者对于甚至更高载荷，包含杨氏模量在190GPa-210GPa之间的钢的材料可能更优选。在各方面中，屈服强度可以是选择细长的传感器壳体的材料的重要因素，屈服强度定义为材料开始表现出塑性变形的应力水平。有利地，设计传感器装置因此被配置用于重载操作，例如用于船舶，平台和类似浮动结构的系泊绳。这些线缆通常可能受到10kN至3000kN的张力。细长的传感器壳体可以包括几个部分，其中每个部分的材料可以不同。因此，细长的传感器壳体可以包含诸如硬塑料的、基于聚合物的化合物(例如包括尼龙，PEEK，POM和纤维增强的复合材料)的材料。
在本发明的一个方面，细长的传感器壳体可以包括中间部分，以及可拆卸地连接到中间部分的两个端部部分。中间部分通常可以包括铝，钢或钛，并且端部部分可以包括诸如硬塑料的、基于聚合物的化合物(例如包括尼龙，PEEK，POM和纤维增强的复合材料)的材料。优选地，端部部分可以包括允许从传感器壳体内部发送无线数据信号的塑料材料，而中间部分包括具有足以承受高载荷的强度的材料。
在本发明的一方面，细长的传感器壳体在纵向方向上的端部可以是圆形的(rounded)。因此，优选将圆形端部成形为不包括会损坏线缆或使线缆变弱的尖锐的尖端。因此，在本发明的某些方面，端部的尖端可以包括半圆的形状，其半径为1毫米、2毫米、3毫米或4毫米。为了避免线缆上的磨损，细长的传感器壳体可以有利地是光滑的，并且没有可能损坏线缆和/或影响线缆的特性的任何尖锐的突起、边缘、扭结或其他形状。在本发明的一方面，在垂直于壳体纵向方向中心线C的方向上测得的细长的传感器壳体的最大直径D可以沿总纵向长度L的至少15％保持恒定。恒定最大直径D的长度M可更优选地占总长度L的至少5％，例如占总长度L的15％。可替代地，直径可以不是恒定的，使得外部壳体表面包括连续弯曲的形状。外部壳体表面的设计还可以通过以下具有示例性值的参数来定义：
-传感器装置的外表面的纵向长度L在300mm-500mm之间，更优选地在300mm-400mm之间，例如300mm、350mm或400mm。
-传感器装置壳体的外表面的最大直径D在30mm-70mm之间，更优选在30mm-50mm之间，例如30mm、40mm或50mm。
-中间长度M，其定义为沿其中直径D开始朝着壳体终止点变窄的两个平面之间的外部壳体表面的距离，其中M可以在L的15％-90％之间，
-最大直径/长度之间的比率(D/L)为1％-20％，更优选2％-15％，最优选4％-8％，例如5％。
-以下各项之间的角度θ；
-从长度M的端点延伸并垂直于壳体的纵向中心线C的直线，以及
-从长度M的端点延伸到外部壳体表面的最接近端点的直线，其中角度θ至少为70度，优选至少为80度，甚至更优选至少为85度，例如87度。
基于本文中的本发明的公开内容，对于本领域技术人员而言显而易见的是，外表面壳体的设计还可适于某些种类的线缆，注入由(例如)十二条股线编制的重载系泊绳。大直径可能使传感器易于削弱线缆，并且还增加了从线缆作用在传感器上的力，因此，优选小直径的传感器。细长的传感器壳体的中间部分通常能够以恒定的最大直径D延伸长度M，并且可拆卸的端部部分可以从外部壳体表面的终止点延伸到中间部分。可拆卸的端部部分通常也可以形成长度M的一部分，因为中间部分和可拆卸的端部部分之间的连接可以重叠并且形成恒定直径D的一部分。
在本发明的一方面，细长的传感器壳体沿纵向方向的至少一个端部可以通过固定装置可拆卸地连接至传感器壳体，使得至少一个端部的拆卸允许自由接近内部布置的至少一个压力传感器。在某些方面，纵向壳体的仅一个端部可释放地连接。在另外的方面中，两个端部可释放地连接，有利地，这可以允许传感器装置从两个端部拆卸以进入壳体内部的装置，如果纵向壳体的一个端部损坏并且没有打开，则这可能是有益的。可能需要拆卸传感器装置以修理或更换位于传感器壳体内部的装置。在本发明的一些方面，可以通过拆卸传感器壳体来检索已记录的数据。固定装置可以包括螺栓、螺钉、胶水、铰链、硫化橡胶或本领域已知的任何其他固定装置，且它们能够承受使用期间施加在传感器装置上的力。在本发明的一些方面，细长的传感器壳体沿纵向方向的可拆卸端部可以包括具有与传感器壳体不同的杨氏模量的材料，优选地，可拆卸端部的材料具有高于2GPa的杨氏模量。
在本发明的一个方面，外部壳体表面可以包括多个凹槽，其中，每个凹槽可具有适于在传感器装置被中心地***编织、编结和/或松弛的线缆内时接收股线的设计。有利地，由于凹槽被构造成接收线缆的最里面的股线，所以凹槽可以减小在壳体上的局部应力，从而使股线从线缆的径向中心向外伸出，也可以与壳体接触。因此，与壳体接触的更多股线确保了在壳体上的压力更均匀地分布。另外，一旦将传感器装置放置在线缆内，凹槽可以防止传感器装置在纵向轴线上上下滑动。由于不同的线缆可以具有不同的尺寸和股线数，所以可以以适合于特定种类的线缆的相应的角度、间隔、深度和宽度来确定凹槽的尺寸。
在本发明的一方面，传感器装置可以进一步包括布置在传感器壳体内的至少一个温度传感器。至少一个温度传感器可以被配置为至少间接地测量在传感器装置***线缆中的***点处或附近的编织、编结和/或松弛的线缆内的温度。优选地，至少一个温度传感器位于传感器壳体内，使得它可以测量线缆的温度随时间的函数。由于线缆的寿命可能取决于其在不同环境温度下的暴露程度，因此需要收集此数据。温度传感器还可用于校准压力传感器的测量值，因为压力传感器的测量值(例如测力传感器)可能会受到传感器装置壳体的热膨胀的影响。因此，在计算线缆中的张力时，温度测量值可用于补偿热膨胀可能产生的任何影响。
在本发明的一方面，传感器装置还可包括布置在传感器壳体内的数据记录单元，用于记录从至少一个压力传感器中的任何一个接收的数据。优选地，数据记录单元测量压力随时间的函数。因此，将有可能收集该数据并将其与线缆的状况进行比较，这可以为张紧如何影响线缆的寿命提供有价值的见解。当拆卸传感器壳体，通过经由例如USB连接将数据记录单元连接到诸如个人计算机之类的外部装置时，可以直接访问数据记录单元。
在本发明的一方面，传感器装置还可包括布置在传感器壳体内的数据记录单元，用于记录从至少一个压力传感器或至少一个温度传感器或其组合接收的数据。优选地，数据记录单元还测量温度随时间的函数。因此，将有可能收集这些数据并将其与线缆的状况进行比较，从而可以对温度和张力如何影响线缆的寿命提供有价值的见解。
在本发明的一个方面，该装置可以进一步包括布置在传感器壳体内的数据传输单元，用于在使用期间将来自数据记录单元的数据，或者通过压力或温度传感器中的任何一个的数据测量传输至外部接收器。数据传输单元还可被配置为在使用期间从外部发送器接收数据信号。优选地，尽管所有内部装置可以具有它们自己的电池或以其他方式共享的电池，但是数据传输单元以及诸如数据记录单元和传感器之类的其他电子部件可以耦接至诸如电池的电源。外部接收器可以被布置在线缆固定至其的结构上。在本发明的一些方面，数据传输单元可以经由导线连接到外部接收器，该导线可以布置在线缆中或在线缆旁边。在本发明的一方面，数据传输单元将数据直接连续地从传感器发送到外部接收器，这有利地允许基于该数据进行实时调整。由于数据的连续发送可能相对耗电，因此在其他方面，传输单元可以被配置为从数据记录单元发送记录的数据。根据所需的电池寿命，存储/记录容量和实时测量的需要，数据能够以间隔1秒、5秒、10秒、20秒、30秒、40秒或50秒或间隔1分钟、2分钟、3分钟、4分钟、5分钟、10分钟、20分钟、30分钟、40分钟或50分钟，或间隔1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时、12小时或24小时进行传输。但是，通常，数据可以以10秒至3分钟的间隔(例如1分钟)进行传输。在其他方面，传输单元可以被配置为以给定间隔发送数据，同时还被配置为如果达到给定参数(例如，线缆中的临界张力)则立即发送数据。传输单元还可以被配置为独立于给定间隔而瞬时发送数据，例如，如果线缆中的张力改变了给定参数，例如，张力变化等于或大于0.5吨、1吨、1.5吨或任何其他给定参数。在一些配置中，传输单元可以被配置为使得其仅在其检测到外部接收器时才发送信号，并且可以被配置为以给定的间隔检测外部接收器。因此，传感器装置可以最小化其电池使用量，这在传感器装置不包括数据记录单元的配置中可能是有利的。数据记录单元和数据传输单元可以分别布置为处理来自传感器的测量数据，以确定是否已经达到上述参数。传感器装置中的装置还可以配置为：如果任何传感器或记录单元出现故障或需要更换，或者电池电量不足，则通过数据传输单元发送信号。
在各方面中，传感器装置可以被配置为向多个外部接收器发送和接收信号，该多个外部接收器可以被布置为使得如果一个外部接收器不能与传感器装置连接，例如，如果外部接收器不工作，则对传感器装置存在冗余。在各方面中，传感器装置可以被配置为发送来自其他传感器装置的信号和接收来自其他传感器装置的信号。因此，如果一个传感器装置不能到达外部接收器，则多个传感器装置可以操作作为节点的网状网络来中继数据信号，从而在传感器装置的系统中提供更大的冗余。
外部接收器可以利用诸如WiFi的无线传输装置和/或通过电子电缆或装置来中继数据信号。例如，布置在船上的外部接收器可以使用船上的供电网络将数据信号从外部接收器传输到例如布置在船的桥楼上的控制单元或系统。
在本发明的一方面，数据传输单元可以包括无线传输装置。在一方面，可以在例如水下环境中使用声传输，例如用于浮动平台的系泊或水产养殖设施。无线传输装置可以包括诸如蓝牙4、蓝牙5、WiFi、LoRa WiMax、ZigBee之类的蓝牙技术，或者其他类似的公知技术或用于在物联网中进行无线传输的组合。优选地，无线传输装置可以包括蓝牙5技术，因为这提供了远距离发射信号的能力，同时具有相对较低的电池消耗。在各方面中，数据传输单元可以包括SIM卡，从而能够经由移动技术网络发送数据信号。
在本发明的一方面，细长的传感器壳体在纵向方向上的至少一个端部可以包括芯股线附接装置，用于将芯股线附接到细长的传感器壳体。有利地，附接到芯股线的至少一个芯股线附接装置可在暴露于高压缩力时防止传感器装置跳出编织、编结和/或松弛的线缆的中心。在一些方面，传感器装置可以在外表面壳体上的不同点处具有几个芯股线附接装置，例如使得传感器装置可以在纵向方向上在细长的传感器壳体的两个端部处附接到两个芯股线。
在本发明的一方面，芯股线附接装置可包括用于将芯股线穿入其中的通孔。有利地，芯股线因此可以附接到传感器装置，而不需要在附接装置处打结或拼接。
在本发明的一方面，细长的传感器壳体在纵向方向上的至少一个端部可以通过固定装置可拆卸地连接到传感器壳体，使得细长的传感器壳体的至少一个端部的拆卸可以允许自由进入内部布置的至少一个压力传感器，并且其中芯股线附接装置可以呈现至少一个芯股线接收通道，该通道延伸到细长的传感器壳体的至少一个可拆卸地连接的端部中，与通道的其余部分相比，通道的端部可呈现具有更大的平均径向直径的端部部分。较大的平均径向直径可优选地使平均径向直径增加多达15％，最优选地增加多达25％，例如增加20％。因此，通道的端部可以包括适合于容纳芯股线的打结或拼接端部的体积或用于将芯股线的端部附接到传感器壳体的其他装置，并且其中，芯股线穿出通道延伸，并到达线缆中带有规则股线的连接点。
在本发明的一方面，通道的端部部分可以是盲孔。
本发明还涉及线缆传感器组件。线缆传感器组件包括：
-编织、编结和/或松弛的线缆，和
-在编织、编结和/或松弛的线缆内居中布置的至少一个传感器装置。
至少一个传感器装置，包括：具有外部壳体表面和内部壳体表面的传感器壳体，以及布置在传感器壳体内部的压力传感器。压力传感器被配置为至少间接地测量施加在外部壳体表面上的压力。此外，外部壳体表面具有垂直于传感器壳体的纵向中心轴线的大致椭圆形或圆形的横截面区域，例如，围绕传感器壳体的纵向轴线旋转对称的设计。
在各方面中，线缆传感器组件可包括第一护套，例如塑料网状护套，其布置在传感器装置与编织、编结和/或松弛的线缆的股线之间。第一护套可增加传感器装置与线缆的股线之间的摩擦，从而防止传感器装置在线缆内的任何打滑，并且还防止在线缆断裂的情况下传感器装置高速甩开。
在各方面中，线缆传感器组件可以包括第二护套，例如帆布，其绕编织、编结和/或松弛的线缆布置，其中传感器装置布置在该线缆中。第二护套可以防止在线缆断裂的情况下高速甩开传感器装置。
有利地，传感器装置可以被设计用于特定种类的线缆，从而给出最优的组件。在本发明的一些方面，组件可以用于系泊。然而，系泊在本文中应被理解为固定至少一个结构与另一物体(通常为浮动结构)之间的线缆。在更具体的方面，这样的浮动结构可以包括船，浮动平台或驳船。然而，本发明在其他方面也可能适合于从浮动结构降低物体，例如通过合适的起重机将海底模块降低至海床。
在本发明的一方面，线缆传感器组件的至少一个传感器装置可以与传感器装置的上述方面中的任何一个相关。
在本发明的一个方面，该组件可以进一步包括：
-布置在第一结构上的第一固定装置，其中，编织、编结和/或松弛的线缆的第一线缆端部被紧固到第一固定装置，且编织、编结和/或松弛的线缆的第二线缆端部被固定到布置在第二结构上的第二固定装置。固定装置可包括诸如系船柱的静态固定装置或能够用绞盘拉的动态固定装置，例如起锚机。在具体示例中，固定装置包括位于陆上结构和浮动结构上的系船柱。替代地，固定装置包括布置在第一结构上的一个绞盘和布置在距第一结构一定距离的第二浮动结构上的系船柱。
在本发明的一方面，该组件还可以包括：至少一个数据接收器，其用于从至少一个传感器装置接收数据信号，以及控制系统，用于处理接收到的数据信号。优选地，数据接收器和控制系统布置在一起，例如在结构之一上。对于本领域技术人员将显而易见的是，线缆传感器组件中的数据接收器可以包括上述外部接收器和外部发送器，数据传输单元被布置为向其发送和接收数据信号。在一些方面，数据接收器和控制系统可以包括便携式系统，例如膝上型计算机，移动电话或其他手持式装置。
在本发明的一个方面，第一固定装置可以包括绞盘装置，该绞盘装置被配置为从使用中的至少一个传感器装置接收与张力有关的数据，并且根据从至少一个传感器装置接收到的与张力有关的数据和预先编程的指令，将其卷进或放出编织、编结和/或松弛的线缆，或者保持静止。或者，如果发现张力令人满意，则绞盘装置可以保持不激活。
有利地，组件可以因此是自调节的，从而能够避免线缆中潜在的危险的高水平的张力。此外，绞盘装置能够调节线缆以实现恒定的期望张力，或者避免重复出现可能会降低线缆的寿命的高水平的张力。
在本发明的一方面，绞盘装置可以包括：
-数据接收器，用于从使用中的至少一个传感器装置接收数据信号，
-绞盘电动机，用于卷进或放出编织、编结和/或松弛的线缆，以改变线缆张力，以及
-控制系统，用于处理接收到的数据信号并控制由电动机设定的卷取操作。
在本发明的一方面，线缆传感器组件可以进一步包括：
-附接到编织、编结和/或松弛的线缆的股线上的至少一根芯股线，
-细长的传感器壳体的沿纵向方向的至少一个端部包括芯股线附接装置，并且其中
-将至少一根芯股线附接到芯股线附接装置，从而将传感器装置固定到编织、编结和/或松弛的线缆。在本发明的一方面，编织、编结和/或松弛的线缆可包括固定地附接到传感器装置的至少一根芯股线。至少一根芯股线可以优选地编织在编织、编结和/或松弛的线缆中或与编织、编结和/或松弛的线缆中的其他股线附接。有利地，芯股线可以是编织、编结和/或松弛的线缆中的附加线缆，并且包括与该线缆中的其他股线不同的材料。芯股线优选地可以被设计成当暴露于高压缩力时防止传感器装置跳出编织、编结和/或松弛的线缆的中心。
此外，本发明涉及根据上述方面中任一项的预测线缆传感器组件中的线缆的至少一个完整性的方法，该方法包括以下步骤：
-至少间接地测量在垂直于传感器壳体的纵向方向上的压力，
-记录使用100个小时或更长时间后压力传感器测得的数据，
-将记录的数据从传感器装置传输到数据接收器，
-在控制系统中处理数据，以及
-基于处理后的数据和预编程的线缆参数，估计编织、编结和/或松弛的线缆的一个或多个完整性。数据可以存储在传感器壳体内或外部存储介质中或它们的组合中。
有利地，因此可以收集关于线缆的使用的统计信息，并用于预测线缆的寿命。记录数据的周期可以由传感器装置中的记录装置的存储容量来确定，并且可以在使用100小时至10000小时的范围内，例如1000小时。在其他方面，记录装置的存储容量足以在线缆的整个生命周期中记录数据，尤其是如果传感器是完全集成的，即在其整个生命周期内仍保留在线缆中。预先编程的线缆参数可以包括与线缆的先前使用及其初始完整性有关的信息，即有关使用小时数以及使用期间承受的张力和/或温度变化的统计数据，线缆中股线的厚度和材料选择，最大工作强度，断裂强度以及随时间张力和温度等参数如何影响线缆的完整性。因此，对线缆完整性的评估将是使用前线缆完整性的函数，以及在使用时其暴露于上述参数如何对其产生影响。还可以通过测量绳索张力是否已超过定义的绳索MBL(最小断裂负荷)的一定百分比，例如绳索MBL的50％、60％、70％，来指示剩余绳索容量的减少。
此外，本发明涉及根据上述方面中的任一项的调节线缆传感器组件中的张力的方法，该方法包括以下步骤：
-至少间接地测量垂直于传感器壳体纵向方向上的压力或压力的任何垂直分量，
-将数据从传感器装置传输到绞盘装置，
-在控制系统中处理数据，以及
-基于预先编程的指令和处理后的数据，确定是否应调整编织、编结和/或松弛的线缆中的张力。
可以根据组件中使用的线缆的类型以及设计承受的张力来设置预编程指令。其他预编程指令可以包括上述预编程的线缆参数，以及与线缆的先前寿命有关的数据，例如，它使用了多长时间，处于何种张力和温度下(这可能有助于估计线缆的状况)以及可能承受的张力有多大，或何时应更换。
此外，本发明涉及将传感器装置***包括至少三股线的编织、编结和/或松弛的线缆中的方法，该方法包括以下步骤：
-将传感器装置***到线缆的股线之间，使得传感器装置在线缆的股线内居中并且沿线缆的纵向方向布置。通过将传感器装置布置在股线的中心内，传感器可测量由于在张紧期间股线的径向运动而引起的压缩。
在本发明的一方面，该方法可以包括以下步骤：
-沿着编织、编结和/或松弛的线缆确定***点，以及
-在***点处的两根股线之间创建一个开口，该开口的大小足以将传感器装置居中地***股线内，
-其中，沿着编织、编结和/或松弛的线缆识别***点并在两股线之间形成开口的步骤可以在***传感器装置的步骤之前执行。在本发明的一方面，其中传感器装置可以根据上述方面中的任一个，该方法可以进一步包括布置股线以装配在外部壳体表面的凹槽内的步骤。
对于前一种方法，数据可以存储在传感器壳体内或外部存储介质中或它们的组合中。
另外，本发明涉及根据任何上述方面的线缆传感器组件用于执行以下操作中的至少一个的用途：
系泊至少一个浮动结构，
拖曳至少一个浮动结构，
调节帆上至少一条索具线缆，以及
从浮动结构降下海底设施。
在整个说明书和权利要求书中，使用了不同的词语和术语，通过以下参考附图对作为非限制性示例给出的优选形式的实施例的描述，本发明的这些和其他特征的定义将变得清楚，在附图中；
附图说明
图1示出了本发明的一方面，其中示出了传感器装置居中布置在编织线缆内。
图2示出了本发明的一个方面，其中示出了编织线缆以及用于传感器装置的可能的***点。
图3示意性地示出了本发明的一方面，其中传感器装置居中地布置在编织、编结和/或松弛的线缆内，该线缆受到张力，导致径向压缩。
图4示意性地示出了本发明的一方面，其中示出了具有其尺寸的各个方面的传感器装置。
图5示意性地示出了本发明的一方面，其中示出了处于拆卸状态的传感器装置。
图6示意性地示出了本发明的一方面，其中示出了处于组装状态的传感器装置。
图7示意性地示出了本发明的一方面，其中传感器装置的外部壳体表面呈现出多个凹槽。
图8示意性地示出了本发明的一方面，其中示出了包括芯股线附接装置的传感器装置的示例。
图9示意性地示出了本发明的一方面，其中示出了包括芯股线附接装置的传感器装置的另一示例。
图10示意性地示出了本发明的一方面，其中包括线缆和传感器装置的线缆传感器组件布置在两个结构之间。
图11示出了在传感器装置测试期间收集的测量值，其将传感器装置的测得张力与线缆中的实际张力进行了比较。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明构思。
在图1中，示出了本发明的一方面，其中本发明的传感器装置1居中布置在编织线缆2内，如在使用传感器装置1期间的情况。图1中的编织线缆2包括十二个股线18。然而，线缆2可以包括任何数量的股线18，只要传感器装置1可以居中布置在其中即可。
图2还示出了包括12股线的编织线缆2，但是未安装传感器装置1。示出线缆的股线18被拉开，从而在股线18之间提供足以***传感器装置1的开口。当要部署传感器装置1时，必须首先沿线缆识别***点12。***点12可以位于沿着线缆的任何地方，并且通常将根据诸如传感器装置1和传感器装置1被配置成向其发送信号的外部接收单元15之间的距离逐个情况考虑来选择。选择***点12的其他考虑因素可以包括避免对传感器装置1的潜在损坏，即，通过选择其中传感器装置较不易与外部物体碰撞或较不可能与外部物体碰撞的***点。
在***点12处，线缆2的股线18如图2所示的箭头所示分开，例如通过施加外部径向力(即，沿箭头方向)和/或通过纵向压缩线缆2。这些动作提供了所需的足够大的开口，通过该开口传感器装置1可以完全***线缆1的中央。
在一个实施例中，传感器装置1可以呈现布置在外部壳体表面4中的多个凹槽10，如图7所示。在该实施例中，凹槽10优选地成形为适合使用中的特定线缆2的设计。例如，可以关于尺寸、形状、间隔、深度和角度来制造每个凹槽10，以便与周围的股线18的布置和尺寸相适应。在将带有凹槽10的传感器装置1***之后，可以调节传感器装置2和/或股线18，以使股线中的至少一根装配到凹槽10中。
传感器装置1中的数据传输单元13可以被配置为经由导线信号地连接至外部接收器15。在该具体设置中，导线连接到装置1，并且可以在传感器装置1***到导线缆2中之后布置在线缆2的内部和/或沿着线缆2的外部。在替代设置中，传输单元13可以包括内部天线，该内部天线信号地连接到外部接收器15。在一些方面，天线可以被配置为延伸出传感器装置1，或者在***到线缆1中之后安装到传感器装置1上。此外，天线可以从股线18之间伸出以能够更有效地传输数据信号。
图3示意性地示出了在使用过程中作用在线缆2和传感器装置1上的力。线缆张力由两个箭头表示，它们是作用为沿着线缆2的纵向轴线在基本上相反的方向上的两个力。这两个相反的力引起线缆2绕纵向轴线的径向收缩，导致布置在线缆2内部的传感器装置1的压缩。因此，通过直接或间接地测量传感器装置1上的压缩量，可以计算/估计线缆2中的张力。
图4示出了本发明的一方面，其中外部壳体表面4的轮廓图在组装状态下呈现，其垂直于壳体4的纵向轴线。标签D、M、L、C和θ分别表示：
-沿着外部壳体表面4的最厚部分的直径D，
-具有基本恒定直径的传感器外部壳体表面4的长度M，
-传感器外部壳体表面4的总长度L，
-传感器外部壳体表面4沿纵向方向延伸的中心线C，以及
-以下两项之间的夹角θ；
-从长度M的端点延伸并垂直于壳体的纵向中心线C的直线，以及
-从长度M的端点延伸到外部壳体表面的最近端点的直线。
优选地，优化外部壳体表面4的形状以在使用过程中承受线缆2的压缩力，同时对线缆2的正常功能造成最小的干扰，并避免传感器装置1滑出线缆2。因此，外部壳体表面4是细长的，并且绕着由传感器装置1的纵向轴线限定的中心线C旋转对称。如图4至7所示，外部壳体表面4包括细长的圆柱形，其中细长的传感器壳体的端部在纵向方向上为倒圆7、8。
细长的传感器壳体在纵向方向7、8上的端部的曲率优选地不是线性的，而是倒圆的，使得来自边缘或尖锐点对线缆2的损坏最小。因此，细长的传感器壳体在纵向方向上的端部可以包括半径为1毫米、2毫米、3毫米或4毫米的半圆形状。该曲率还被布置成承受剪切力，同时防止传感器装置1在压缩下从线缆2的中心跳出。
此外，细长的传感器壳体3的设计与制造它的材料相结合使得传感器装置1能够承受使用期间可能出现的极限力。股线18的压缩可以导致在293°K上基本上垂直地施加到外部壳体表面4上的平均压力超过1000MPa。因此，细长的传感器壳体3优选地包括钢、铝或钛材料。因此，该材料的杨氏模量E至少应为30GPa，例如对于承受较低张力(例如5至50吨)的线缆，应在65GPa至75GPa之间。对于承受较高载荷的线缆，杨氏模量在105GPa至120GPa之间的含钛材料更合适，或者，对于更高载荷，含杨氏模量在190GPa-210GPa之间的钢的材料更合适。细长的传感器壳体3优选地被设计成在经受这些机械力的同时应对从273°到320°开尔文范围内的温度变化。也可以设想更大的允许温度范围。
取决于线缆2的尺寸，以及在什么条件下使用线缆，传感器装置1的长度L可以为300mm至500mm。同样地，取决于线缆2的尺寸及其用途，传感器装置1可具有30mm至70mm的最大直径D，例如30mm、40mm、50mm、60mm或70mm。最大直径/长度D/L之间的关系可优选在2％-8％之间，例如5％。
如上所述，传感器壳体3的外表面4具有最大直径D。该最大直径D优选地对于沿着外部壳体表面4的径向居中的纵向轴线测量的长度M是恒定的或接近恒定的。此外，长度M至少为外部壳体表面4的总纵向长度L的5％，例如为15％。最佳长度M取决于要在其中使用传感器装置1的特定线缆2。替代地，直径可以不是恒定的，使得外部壳体表面包括连续弯曲的形状并且M为0％。还应该注意的是，恒定的最大直径D的测量就像在外部壳体表面4上不存在凹槽10一样。角度θ优选地至少为85°，例如87°。
可以针对某种类型的线缆2设计具有不同尺寸的传感器装置1的其他变型和组合。然而，由于它们太多并且基于本文中本发明的公开对于本领域技术人员而言将是显而易见的，因此本文中将不对其进行进一步解释或说明。在现实和代表性条件下进行的准确测试可能会揭示D、M、L、C和θ的最佳值。
图5示出了传感器装置1，其中细长的传感器壳体3分为三个部分，两个端部部分27、28和中间部分26。这些部分在图5a、5b和5c中以不同的图形透视图示出。不同的部分可通过固定装置9拆卸，固定装置9在图5b中示例为用于容纳螺钉等的圆柱体。端部部分27，28可以包括与中间部分不同的材料，优选地是具有的杨氏模量比中间部分26低的材料，例如至少2GPa的杨氏模量。
图5a以两个不同的角度示出了第一端部部分27；垂直于纵向轴线的剖视图以及纵向轴线的剖视图。在垂直视图中，内部壳体表面5以钉线示出，其从第一端部部分27的边缘延伸一段距离。尽管在图5a中未示出，但是第一端部部分27还包括用于附接至中间部分26的固定装置9。第一端部部分27和中间部分26还可包括诸如传感器单元的装置。
图5b以三个不同的视角示出了中间部分26；
-垂直于纵向轴线，
-沿纵向轴线的横截面，以及
-三维地从侧面角度。
在垂直视图中，内部壳体表面5以钉线示出，该钉线通过中间部分26从边缘延伸到边缘。横截面视图和三维视图示出了用于附接到端部部分27、28的固定装置9。尽管在图5b中未示出，但是中间部分26也可以包括诸如传感器单元的组件。
图5c呈现了传感器的内部组件，在第二部分28内用虚线示意性地示出。压力传感器6和温度传感器11分别记录压缩和温度，并且信息由数据记录单元13记录。数据记录单元13优选地包括一些处理能力，以估计线缆2中的张力以及确定例如由于线缆2中的过大张力而需要将一个或多个信号立即发送到发送单元14。否则，在将数据发送到发送单元14之前，记录单元13可以将从传感器5，6接收的数据存储一定时间。通常，有关过度张力的数据会暂时存储并可以覆写，而存储在较长时间范围内收集的数据。传输单元14可以包括无线连接和/或用于无线传输的天线，并且被配置为将数据发送到外部接收器15。此外，优选地，在细长的传感器壳体3的内部还包括用于为传感器装置1的内部装置供电的电源29(例如电池)。用于数据传输的连接装置，例如USB端口或类似物，也可以包括在细长的传感器壳体3的内部。当传感器装置1处于拆卸状态时，可以使用用于数据传输的连接装置，例如用于从数据记录单元13传输数据和/或用于配置/重新配置内部装置。
应当注意，尽管外部壳体表面4是旋转对称的，但是内部壳体表面5可以包括不同的形状、体积和空腔。内部壳体表面5的形状由诸如传感器装置1承受外部压力的强度要求，内部装置的空间和布置要求之类的考虑决定。如图5b所示，中间部分26的横截面具有变化的壁厚，使得壁的较厚部分可以容纳固定装置9。中间部分26的运动场形状的内部纵向中空部分在控制壳体的偏转方向上，即在载荷测量装置例如应变仪的方向上的偏转可能是有利的。
图5中的布置是示意性的并且仅出于说明性目的，内部容积的许多变化和内部装置的不同配置是可能的，并且基于本文中本发明的公开对于本领域技术人员将是显而易见的。
图6示意性地示出了本发明的另一个实施例，其中，细长的传感器壳体3的中间部分26比图5所示的实施例中的更长，并且两个可拆卸的端部部分27、28具有基本相似的长度。固定装置9布置成横跨图6中用钉线示出的两个可拆卸部分27、28和中间部分26。尽管不限于图6所示的示例，典型的固定装置9优选地包括如下布置，其中：螺丝拧入可拆卸部件26、27、28之间的螺纹孔中，可通过螺钉拧紧装置，在细长的传感器壳体一个端部部分上的凹槽中沿外部传感器壳体4的纵向方向拧入螺钉。在其他构造中，固定装置9可包括构造成彼此接合的可拆卸部分27、28和中间部分26上的螺纹，从而允许将可拆卸端部部分27、28拧到中间部分26上。
中间部分26在某些方面可以具有恒定的直径D，从而形成圆柱形状，而可拆卸的端部部分27，28朝向它们各自在细长的传感器壳体3的纵向轴线上的终止点逐渐变细。中间部分26通常可以包括构造成承受高载荷的材料，例如钢、铝和/或钛。可拆卸的端部部分27，28可以包括对高载荷具有相对较低的抵抗力的材料，而是由塑料或其他材料形成，从而允许信号通过可拆卸的端部部分27，28无线传输。因此，可能优选的是将天线至少朝向每个可拆卸的端部部分27、28放置，甚至更优选地，天线延伸到可拆卸的端部部分27、28中。
图7示意性地示出了呈现多个凹槽10的外部壳体表面4。凹槽10的数量及其相对于传感器装置1的纵向轴线的角度
图8示出了具有芯股线附接装置33的传感器装置1，该芯股线附接装置33包括在纵向方向上在细长的传感器壳体3的两个端部27、28上的通孔。穿过孔的钉线示出了如何将至少一根芯股线34穿过芯股线附接装置33。在一些方面，一根芯股线34可以穿过两个芯股线附接装置33，但是也可以带有多个芯股线34，或者只有一个芯股线附接装置33和一个相应的芯股线34。
图9示出了芯股线附接装置33的另一方面，其中，细长的传感器壳体3的沿纵向方向的端部27，28可移除地连接。取下壳体的端部27、28后，将芯股线34穿过通道并在其端部打结或拼接，或用附接装置固定，从而产生一个打结或拼接的端部，其直径大于其穿过的凹槽的直径，从而将壳体端部27、28附接到芯股线34的端部。芯股线附接装置33的通道33a的最内侧部分包括较大的平均径向直径，以容纳芯股线34的打结或拼接的端部。较大的平均径向直径可优选地使平均径向直径增加多达15％，最优选地增加25％，例如增加20％。然后将细长的传感器壳体的沿纵向方向的端部27，28重新附接到传感器壳体3上，并且因此将传感器装置1附接到芯股线34上。
图10示意性地示出了线缆传感器组件17，其中，线缆2的第一端部21固定到布置在第一结构19上的绞盘装置18。线缆2的第二端部22固定到支柱，诸如布置在第二结构22上的系船柱。第一结构19可以是浮动结构，例如船，而第二结构可以例如是坞站22。传感器装置1***线缆2中，用于测量线缆2中的张力。在图10中，传感器装置1包括无线传输装置16，以将数据信号24发送到安装在绞盘装置18上的数据接收器15。
绞盘装置18中的绞盘电动机25连接至鼓、起锚机或类似物，以将线缆2卷进或放出。绞盘电动机25可以是由控制系统23控制的电动机，该控制系统23被布置为处理来自传感器装置1的数据信号24。控制系统23还被布置成基于接收到的数据信号24来计算/估计线缆2中的张力，并且来确定电动机25是否应当通过将线缆2卷进或放出执行任何调节。控制系统23优选地还包括数据记录装置，使得可以存储关于特定线缆2的使用的信息以供以后使用。此外，控制系统23被配置为分析关于线缆2的先前使用的数据，并且使用该信息来确定特定线缆2应承受多少张力或何时更换线缆。控制系统23还可以连接到设置在绞盘装置18上的警报器或信号装置，和/或它可以连接到外部装置，例如移动电话，PC，船的船桥上的控制系统或类似装置。
在部署线缆传感器组件17之前，应设置传感器装置1的配置，例如数据信号的传输频率。然后随着将传感器装置1在预定的***点12处***线缆2中开始线缆传感器组件17的部署。优选地，控制系统23被一组指令预编程，并且被馈送有关于线缆2的数据，诸如先前的使用和最大张力极限。然后将线缆2从绞盘装置18中放出，并将第二端部21固定到第二结构22上。绞盘装置18将线缆调节到期望的张力状态，这也可以由操作员根据视觉估计来执行，或者可以由控制系统中预编程的参数来限制。随着线缆2被拉紧，传感器装置1开始发送关于压力和/或温度的信号。然后在绞盘装置18中处理这些信号，使线缆2达到所需的张力。然后，传感器装置1将以设定的间隔或在必要时发送信号，并且绞盘装置18将相应地调节线缆2中的张力。
图11示出在传感器装置的测试期间收集的测量值，其中，将具有传感器装置的线缆放置在线缆张紧装置中，并在x轴上呈现的时间段内，以y轴上的千克为单位承受特定的张力。然后，由外部标记单元在标有“原绳索”的实线所示的线缆张紧装置中测量实际施加的张力，并将其与在标有“计算的绳索张力”的钉线所示的由线缆中传感器装置测量的张力进行比较。如图所示，为了验证传感器装置在每个周期读取的精确的线缆张力值具有重复和可预测的结果，对线缆传感器组件进行循环测试。将传感器***同一条线缆内几个不同位置的线缆中，以验证传感器针对该线缆产生重复的和精确的张力值的能力，而与传感器在线缆上的轴向和旋转位置无关。该图清楚地示出了传感器装置通过压缩间接测量张力的精度。
在前面的描述中，已经参考说明性实施例描述了根据本发明的组件的各个方面。为了说明的目的，阐述了具体的数字，系统和配置，以便提供对装置及其工作的透彻理解。然而，该描述并非旨在以限制性的意义来解释。对于所公开的主题所属领域的技术人员而言显而易见的是，说明性实施例以及装置的其他实施例的各种修改和变化被认为落入本发明的范围内。
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