冲刷监测装置及海上风电机组基础结构冲刷监测方法
阅读说明：本技术 冲刷监测装置及海上风电机组基础结构冲刷监测方法 (Scouring monitoring device and scouring monitoring method for offshore wind turbine foundation structure ) 是由 黎明 胡新遥 周琳 刘福顺 迟书凯 孟安康 侯孝东 何成龙 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种冲刷监测装置及海上风电机组基础结构冲刷监测方法,其中,冲刷监测装置包括固定壳体、监测组件、控制器和电源件；固定壳体自上至下开设有多个安装槽；监测组件与安装槽一一对应设置,包括压力传感器和监测件；监测件包括浮体外壳,浮体外壳内设有控制模块、电源模块和通信模块,电源模块连接控制模块,控制模块连接通信模块；电源模块与控制模块之间串联有第一继电器,第一继电器处于常开状态；控制模块连接第一继电器,控制模块与第一继电器之间设有或门；控制器分别连接压力传感器和第一继电器,其中控制器并联于第一继电器和或门之间。该冲刷监测装置的监测结果准确可靠,能够长时间稳定工作,并能够及时回传数据。(The invention relates to a scouring monitoring device and a scouring monitoring method for an offshore wind turbine foundation structure, wherein the scouring monitoring device comprises a fixed shell, a monitoring assembly, a controller and a power supply part; the fixed shell is provided with a plurality of mounting grooves from top to bottom; the monitoring components are arranged in one-to-one correspondence with the mounting grooves and comprise pressure sensors and monitoring pieces; the monitoring part comprises a floating body shell, a control module, a power supply module and a communication module are arranged in the floating body shell, the power supply module is connected with the control module, and the control module is connected with the communication module; a first relay is connected in series between the power supply module and the control module and is in a normally open state; the control module is connected with the first relay, and an OR gate is arranged between the control module and the first relay; the controller is respectively connected with the pressure sensor and the first relay, wherein the controller is connected in parallel between the first relay and the OR gate. The monitoring result of the scouring monitoring device is accurate and reliable, the scouring monitoring device can work stably for a long time, and data can be transmitted back in time.)
技术领域
本发明属于水体冲刷监测技术领域，尤其涉及一种冲刷监测装置及海上风电机组基础结构冲刷监测方法。
背景技术
随着对新能源的开发，海上风机获得了长足发展，对于海上风机而言，其自身的安全性非常重要。在海浪的冲刷作用下，海上风机的桩基处会出现冲刷坑，冲刷坑会对桩基基础的稳定性产生影响，同时，海床表面附近夹杂着泥沙的水流不断冲刷桩基基础，会腐蚀破坏桩基基础表面，严重时会造成海上风机的坍塌。
目前，针对海上风电机组基础结构的冲刷监测，通常是采用非接触式冲刷监测装置进行监测。例如：专利CN110133666A公开了一种海上风电桩柱冲刷状态的监测系统与方法，其采用宽带高频声呐装置监测水深随时间变化情况，进而确定海上风电桩柱冲刷腐蚀情况。专利CN108755786A公开了一种海上风电桩基基础的冲刷监测装置，其采用视觉传感器对待检测海床冲刷情况进行监测。然而，非接触式冲刷监测装置通常受环境影响较大，难以获得准确数据。例如：采用声呐的监测方式，在复杂海况下，超声波测距会有较大偏差；采用视觉传感器的监测方式，当海底能见度不足时，即使通过计算机视觉相应技术对视觉信息进行处理，也不能获得准确的冲刷数据。
针对内河桥梁的冲刷监测，目前已有较多的接触式冲刷监测装置，其大多是直接安装在桥梁附近的河床上，从而实时监测冲刷情况。然而，海上风电机组基础结构的冲刷监测与桥梁或河床的冲刷监测存在较大差别，内河的冲刷较为平缓，而相较于内河环境，海洋环境更为恶劣，海上的冲刷情况会严重很多，若直接将冲刷监测装置安装在海上风机附近海床上，冲刷监测装置的维护成本较高，若使用多个监测节点分开安装，在发生严重冲刷时，测量结果可能不准确。因而，直接使用针对内河桥梁的接触式冲刷监测装置对海上风电机组基础结构进行冲刷监测并不可取。而且，由于海上风机的位置较为偏远，海上的环境难以预计，其冲刷情况变化可能短时间出现，也可能在安装后很长一段时间都不会出现，这就要求海上风电机组基础结构的冲刷监测装置具有免维护性，且能够长时间在线监测并及时回传数据，但现有冲刷监测装置无法满足此要求。
因而，如何提供一种监测结果准确可靠、能够长时间稳定工作并及时回传数据的冲刷监测装置，以满足海上风电机组基础结构冲刷监测要求，是当前急需解决的一项技术问题。
发明内容
针对上述的技术问题，本发明提供了一种冲刷监测装置及海上风电机组基础结构冲刷监测方法，该冲刷监测装置的监测结果准确可靠，能够在长时间工作条件下稳定测量冲刷深度，并能够及时回传数据，适合于海上风电机组基础结构的冲刷监测。
本发明提供一种冲刷监测装置，包括：
固定壳体，固定壳体的一侧自上至下开设有多个安装槽；
多组监测组件，监测组件与安装槽一一对应设置，每组监测组件均包括：
压力传感器，安装于安装槽的槽口上边沿处；
监测件，位于安装槽内，包括浮体外壳，浮体外壳内设有控制模块、电源模块和用于与岸基基站通信的通信模块，电源模块连接控制模块以向控制模块供电，控制模块连接通信模块以控制通信模块发送通信数据；电源模块与控制模块之间的供电回路上串联有第一继电器，第一继电器处于常开状态；控制模块连接第一继电器以控制第一继电器，控制模块与第一继电器之间的控制电路上设有或门，或门的输出端连接第一继电器，或门的第一输入端连接控制模块；
控制器，控制器分别连接每组监测组件中的压力传感器和第一继电器，以接收压力传感器监测的压力值并控制第一继电器；其中，控制器与第一继电器的连接方式为：控制器并联于第一继电器和或门的第二输入端之间；
电源件，电源件设置于固定壳体内，电源件向控制器供电。
本技术方案监测结果准确可靠，能够在长时间工作条件下稳定测量冲刷深度，并能够及时回传数据，适合于海上风电机组基础结构的冲刷监测。
在其中一些实施例中，通信模块为GPS通信模块，包括GPS发射器和电连接于GPS发射器的GPS发射天线。本技术方案采用GPS通信模块，可独立于海上风电监测的SCADA系统或CMS系统运行，能够直接将冲刷数据通过卫星通信发送回岸基基站，设置的GPS发射天线有利于加快搜星速度，有利于通信数据的发送。
在其中一些实施例中，监测件还包括设置于浮体外壳内的配重，配重与GPS发射天线位于相对的两侧，能够使监测件在海面漂浮时GPS发射天线始终位于浮体外壳的顶部，有利于保证信号连接稳定。
在其中一些实施例中，控制模块和控制器均为单片机，功耗低且性能可靠。
在其中一些实施例中，冲刷监测装置还包括一一对应安装于每一安装槽附近的电磁铁，电磁铁磁吸附连接监测件；电源件向电磁铁供电，控制器控制电源件与电磁铁之间供电回路的通断。本技术方案通过设置的电磁铁磁吸附连接监测件，能够在将冲刷监测装置打设于海床的过程中，避免监测件从安装槽中脱出。
在其中一些实施例中，浮体外壳不具有磁性，监测件还包括连接部，连接部一端卡接于浮体外壳，另一端伸出于浮体外壳外并嵌有耐腐蚀铁片。
在其中一些实施例中，安装槽由内至外呈斜向上设置，有利于监测件从安装槽中浮出。
在其中一些实施例中，固定壳体的底部呈楔形，能够随海上风电机组桩基一起打设于海床中，节省了安装成本和时间。
除此，本发明还提供了一种海上风电机组基础结构冲刷监测方法，其采用上述冲刷监测装置进行监测，包括如下步骤：
将冲刷监测装置固定于海上风电机组桩基的下部侧壁，冲刷监测装置随海上风电机组桩基一并打设于海床中；
每组监测组件中的压力传感器实时监测其所在深度处海床的压力值并传输至控制器；当海床冲刷至一深度时，位于该深度处的监测组件中的压力传感器监测到的压力值变小，当控制器接收到的压力值小于设定压力阈值时，控制器控制与该深度处的压力传感器同组的监测件的第一继电器闭合，以使该监测件的电源模块向其控制模块供电，该监测件在其浮体外壳的浮力作用下从其所在的安装槽内浮出，当该监测件浮至海面时，该监测件的控制模块控制其通信模块向岸基基站发送通信数据。
在其中一些实施例中，在将冲刷监测装置打设于海床的过程中，还包括通过控制器控制电源件与电磁铁之间的供电回路导通，以使电磁铁磁吸附连接监测件；当冲刷监测装置打设到位后，还包括通过控制器控制电源件与电磁铁之间的供电回路断开，以释放监测件。
基于上述技术方案，本发明提供的冲刷监测装置不易受环境影响，监测数据更准确，而且，监测稳定性好，不会在强冲刷作用下出现测量错误；其安装后无需定时或不定时的检修，维护成本低，能够长时间稳定工作并及时回传数据，能够满足海上风电机组基础结构的冲刷监测要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的冲刷监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的冲刷监测装置中监测件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的冲刷监测装置的电路图；
图4为本发明实施例提供的海上风电机组基础结构冲刷监测方法的流程框图。
图中：
1、海上风电机组桩基；2、固定壳体；21、安装槽；3、监测组件；31、压力传感器；32、监测件；321、浮体外壳；322、控制模块；323、电源模块；324、通信模块；3241、GPS发射器；3242、电缆；3243、GPS发射天线；325、第一继电器；326、配重；327、连接部；328、耐腐蚀铁片；329、或门；4、控制器；5、电源件；6、电磁铁；7、第二继电器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图1和图2所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明的描述中，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发明中的具体含义。
如附图1-图3所示，本发明实施例提供了一种冲刷监测装置，包括固定壳体2、监测组件3、控制器4和电源件5；其中，固定壳体2的一侧自上至下开设有多个安装槽21；监测组件3为多组，监测组件3与安装槽21一一对应设置，每组监测组件3均包括安装于安装槽21的槽口上边沿处的压力传感器31和位于安装槽21内的监测件32；监测件32包括浮体外壳321，浮体外壳321内设有控制模块322、电源模块323和用于与岸基基站通信的通信模块324，电源模块323连接控制模块322以向控制模块322供电，控制模块322连接通信模块324以控制通信模块324发送通信数据；电源模块323与控制模块322之间的供电回路上串联有第一继电器325，第一继电器325处于常开状态；控制模块322连接第一继电器325以控制第一继电器325，控制模块322与第一继电器325之间的控制电路上设有或门329，或门329的输出端连接第一继电器325，或门329的第一输入端连接控制模块322；控制器4分别连接每组监测组件3中的压力传感器31和第一继电器325，以接收压力传感器31监测的压力值并控制第一继电器325，其中，控制器4与第一继电器325的连接方式为：控制器4并联于第一继电器325和或门329的第二输入端之间；电源件5设置于固定壳体2内，电源件5向控制器4供电。
上述冲刷监测装置的工作原理如下：监测组件3可通过固定壳体2连接于海上风电机组桩基1下部侧壁以随海上风电机组桩基1一起打设于海床中与海床相接触，初始时监测组件3中监测件32内的控制模块322不上电以避免能耗，当海床冲刷到某一深度后，位于该深度处的监测组件3中的压力传感器31可监测到海床压力值变小，进而控制器4控制该监测组件3中监测件32的第一继电器325闭合，使监测件32内的电源模块323与控制模块322之间的供电回路导通，控制模块322上电，同时，由于海床被冲刷使该深度处的安装槽21开放，监测件32在其浮体外壳321提供的浮力作用下可上浮至海面，监测件32内的控制模块322可控制通信模块324发送通信数据，实现数据的及时回传。需要说明的是，在监测件32上浮过程中，监测件32的第一继电器325会断开与控制器4的连接，由于监测件32的第一继电器325通过或门329分别连接控制器4和监测件32的控制模块322，当监测件32断开与控制器4的连接后，监测件32的控制模块322能够继续控制第一继电器325保持闭合状态，从而保证监测件32内的控制模块322始终处于上电状态。
上述冲刷监测装置，通过设置的固定壳体2可使多组监测组件3随海上风电机组桩基1一起打设于海床中与海床相接触，为接触式冲刷监测装置，不易受环境影响，监测数据更准确，而且，监测稳定性好，不会在强冲刷作用下出现测量错误。同时，该冲刷监测装置中，当海床冲刷至一深度后，该深度对应的监测件32可上浮至海面，并通过通信模块324发送通信数据至岸基基站，能够实现数据的及时回传。此外，该冲刷监测装置仅采用了压力传感器31一种传感器，无需设置较多传感器，在复杂的海洋环境上，减少了出现故障的可能性，其安装后无需定时或不定时的检修，且监测件32内的控制模块322仅在海床冲刷至其对应深度后才会上电，整个冲刷监测装置能够保持极低的待机功耗，能够长时间稳定工作，能够满足海上风电机组基础结构的冲刷监测要求。
针对固定壳体2，详细说明如下：
如图1所示，本实施例中，固定壳体2的底部呈楔形，便于随海上风电机组桩基1一起打设于海床中，节省了安装成本和时间。需要说明的是，固定壳体2可以焊接于海上风电机组桩基1，也可以独立安装。
进一步的，如图1所示，本实施例中，安装槽21由内至外呈斜向上设置，以便于监测件32从安装槽21中浮出。
针对监测件32，详细说明如下：
如图2和图3所示，监测件32中，控制模块322优选为单片机，例如MSP430。采用单片机作为控制模块322，功耗低且性能可靠。
如图2和图3所示，监测件32中，电源模块323优选为5V锂电池。
如图2所示，监测件32中，通信模块324优选为GPS通信模块，包括GPS发射器3241和通过电缆3242连接于GPS发射器3241的GPS发射天线3243。采用GPS通信模块，可独立于海上风电监测的SCADA系统或CMS系统运行，能够直接将冲刷数据通过卫星通信发送回岸基基站，设置的GPS发射天线3243有利于加快搜星速度，有利于通信数据的发送。需要说明的是，GPS通信模块通过单片机供电即可，无需连接其他供电设备。
进一步的，如图2所示，监测件32还包括设置于浮体外壳321内的配重326，配重326与GPS发射天线3243位于相对的两侧，以使监测件32在海面漂浮时GPS发射天线3243始终位于浮体外壳321的顶部，以保证信号连接稳定。
针对控制器4，需要说明的是，如图3所示，控制器4也优选为单片机，例如MSP430。采用单片机作为控制器4，功耗低且性能可靠。还需要说明的是，图3中仅示出了控制器4与一组监测组件3中的压力传感器31和第一继电器325的控制连接，实际中，控制器4可连接控制多组监测组件3中的压力传感器31和第一继电器325。
针对电源件5，需要说明的是，如图1和图3所示，电源件5优选为12V蓄电池，由于装置的供电需求不同，装置内设计了直流-直流转换电路，通过LM7805芯片完成12V直流至5V直流转换功能。
此外，在将冲刷监测装置打设于海床的过程中，为了避免监测件32从安装槽21中脱出，如图1和图3所示，冲刷监测装置还包括一一对应安装于每一安装槽21附近的电磁铁6，电磁铁6磁吸附连接监测件32；电源件5向电磁铁6供电，控制器4控制电源件5与电磁铁6之间供电回路的通断。在将冲刷监测装置打设于海床的过程中，通过控制器4控制电源件5与电磁铁6之间的供电回路导通，以利用电磁铁6磁吸附连接监测件32，避免监测件32从安装槽21中脱出，安装到位后，通过控制器4控制电源件5与电磁铁6之间的供电回路断开，以释放监测件32，由于海床泥沙的作用，释放后监测件32的相对位置不会有太大的变化。需要说明的是，如图3所示，本实施例中，控制器4控制电源件5与电磁铁6之间供电回路通断的具体控制方式为：电源件5与电磁铁6之间串联第二继电器7，控制器4(即MSP430单片机)通过ULN2003芯片连接第二继电器7以控制第二继电器7的开闭。还需要说明的是，图3中仅示出了控制器4与一个电磁铁6的控制连接，实际中，控制器4可连接控制多个电磁铁6。
为了便于监测件32与电磁铁6的磁吸附连接，如图2所示，本实施例中，浮体外壳321不具有磁性，监测件32还包括连接部327，连接部327一端卡接于浮体外壳321以固定连接浮体外壳321，另一端伸出于浮体外壳321外并嵌有耐腐蚀铁片328以磁吸附连接于电磁铁6。
基于上述的冲刷监测装置，如图4所示，本发明实施例还提供了一种海上风电机组基础结构冲刷监测方法，其采用上述冲刷监测装置进行监测，包括如下步骤：
S1、将冲刷监测装置固定于海上风电机组桩基1的下部侧壁，冲刷监测装置随海上风电机组桩基1一并打设于海床中；
S2、每组监测组件3中的压力传感器31实时监测其所在深度处海床的压力值并传输至控制器4；当海床冲刷至一深度时，位于该深度处的监测组件3中的压力传感器31监测到的压力值变小，当控制器4接收到的压力值小于设定压力阈值时，控制器4控制与该深度处的压力传感器31同组的监测件32的第一继电器325闭合，以使该监测件32的电源模块323向其控制模块322供电，该监测件32在其浮体外壳321的浮力作用下从其所在的安装槽21内浮出，当该监测件32浮至海面时，该监测件32的控制模块322控制其通信模块324向岸基基站发送通信数据。
在一些实施例中，在将冲刷监测装置打设于海床的过程中，还包括通过控制器4控制电源件5与电磁铁6之间的供电回路导通，以使电磁铁6磁吸附连接监测件32；当冲刷监测装置打设到位后，还包括通过控制器4控制电源件5与电磁铁6之间的供电回路断开，以释放监测件32。
通过对本发明冲刷监测装置及海上风电机组基础结构冲刷监测方法的多个实施例的说明，可以看到本发明提供的冲刷监测装置及海上风电机组基础结构冲刷监测方法至少具有以下一种或多种优点：
1、该冲刷监测装置不易受环境影响，监测数据更准确，而且，监测稳定性好，不会在强冲刷作用下出现测量错误；
2、该冲刷监测装置安装后无需定时或不定时的检修，维护成本低，能够长时间稳定工作并及时回传数据，能够满足海上风电机组基础结构的冲刷监测要求；
3、该冲刷监测装置采用GPS通信模块，可独立于海上风电监测的SCADA系统或CMS系统运行，直接将冲刷数据通过卫星通信发送回岸基基站，适用于海上风电机组基础结构的冲刷监测。
最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
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