水下检测设备的制作方法
【专利摘要】一种用于检测水生环境内的一个或更多个泡泡（270）的存在的水下检测设备（100），包括：包括用于限定区域的下部外围边缘（220）的第一结构（210），所述设备（100）可操作地在所述区域上收集一个或更多个泡泡（270）；第二结构（230），用于将容纳在由下部外围边缘（220）限定的区域内的一个或更多个泡泡（270）空间上集中到检测区（240）中；以及检测装置（240，250），用于检测在操作中通过所述泡泡集中结构（210）集中进入到检测区（240）中的一个或更多个泡泡（270），并且生成表示一个或更多个泡泡（270）穿过检测区（240）的输出信号（S2）。所述设备（100）可选地安装在水生遥控潜水艇（ROV）上。所述设备（100）有利地用于调查水生环境中例如来自石油勘探和/或产品泄露、来自损坏的海底电缆、来自海底气体管道或类似的泄露的一个或更多个泡泡（270）的来源。
【专利说明】水下检测设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及水下检测设备，例如涉及用于检测由水下设施和海底区域引起的泡泡的存在的水下检测设备。而且，本发明涉及使用用于检测泡泡的存在的前述设备的方法。此夕卜，本发明涉及记录在机器可读介质上的软件产品，其中，软件产品在计算硬件上可执行用于实现前述方法。
【背景技术】
[0002]已知的是，泡泡在液体中出现。而且，已知的是，由于有机植物腐烂导致沼气,泡泡在例如在沼泽和水池中的被水覆盖的区域中自然地产生。也许不太理解的是，尽管泡泡也在海洋环境中自然地生成，但鉴于看起来混沌的海洋表面波运动没有注意到泡泡。在海洋环境中，泡泡的形成可以表示海底下面发生的例如沿着构造断层线的地质裂缝、地质过程如热水泉等的各种过程。
[0003]如图1所示，当在海洋环境10中执行气体和/或石油的海底钻探时，钻孔20钻进地质构造30中，地质构造30具有形成海底40的上表面。通常是使用钢衬管50衬着钻孔20。在深水安装中，通常也是使用阀装置60在海底40处盖在衬管50上。由于其表面类似于针叶树的向上锥形形式，阀装置60经常被称为“圣诞树”。空间上邻近钻孔20的地质构造30实质上往往是多孔的，并且不能经受住衬管50内产生的高压，尤其当由钻孔20截取的石油和/或气体储备70处于其生产的早期阶段和处于高内压下时。在来自石油和/或气体储备的生产的后期阶段，往往需要将流体以相当大的压力注入到石油和/或气体储备70中，这引起由衬管50经受的高内压。例如当使用浮油和/或气体生产平台时，阀装置60使得软管能够经由阀装置60附接至衬管50。
[0004]如在2010年墨西哥湾中的深水地平线(De印Water Horizon)事故中经历的，衬管50可能泄露或甚至断裂。这样的断裂可以由制造衬管50所利用的材料中的制造缺陷引起，或可以由衬管50在操作期间被加压超过其设计等级(例如通过施加以产生来自石油和/或气体储备70的较大的生产率的过压)引起。当衬管50断裂时，来自钻孔20的流体泄漏到地质构造30的相邻区域中，并且往往经历钻孔20内的压力降低。最后，来自衬管50中的断裂的流体渗漏到海底40，并且表现为在海底40的广阔区域上的偶然泡的涌现。鉴于海底40处的光可见性往往被颗粒物质模糊，尤其当存在扰乱海底40上的沉积物的活动时，这些偶然泡有时难以使用常规的技术来检测。已知原油在变得降压时出溶泡泡，并且在靠近钻孔20的地质构造30内生成的这样的出溶气可以潜在地扰乱海底40上的颗粒物质，因此导致光学模糊。
[0005]类似的考虑也适于石油和/或气体的水下管道，水下管道在很多年的使用之后，可以形成偶然的缺陷，例如“针孔”，从该“针孔”处可以发生气体泄漏。非常期望检测小的泄露并且在它们发展成导致重大环境危害的主要泄露之前修复它们。然而，在与图1类似的情形中，在光被模糊的条件中检测海底40的广阔的区域上的偶然泄露是潜在要解决的难的技术问题。[0006]根据上文应当理解的是，需要能够在海洋环境10中操作并且在可能导致上述光模糊的颗粒物质的同时存在下检测由海底40的广阔区域引起的泡泡的强力设备。
[0007]US2003/0056568A1公开了一种通过在海底配置本地探针以及在探针附近的水中产生泡并且检测泡，以及估计水中溶解气的浓度，并且与附近海底气体渗漏比较来检测海底气体渗漏的方法。
[0008]GB2176604A公开了通过使用安装在管道外部的无源和有源声纳检测系统的气体泄漏的声学检测。
【发明内容】
[0009]本发明设法提供一种可操作地以可靠的方式收集和检测水生环境中的一个或更多个泡泡的改进的设备。
[0010]根据本发明的第一方面，提供了一种如所附权利要求1中所限定的水下检测设备，提供一种用于检测水生环境内的一个或更多个泡泡的存在的水下检测设备，其特征在于，所述设备包括第一结构，所述第一结构包括用于限定区域的下部外围边缘，所述设备可操作地在所述区域上收集所述一个或更多个泡泡；第二结构，所述第二结构用于将容纳在由所述下部外围边缘限定的所述区域内的所述一个或更多个泡泡空间地集中到检测区中；以及检测装置，所述检测装置用于检测在操作中通过所述泡泡集中结构集中进入到所述检测区中的所述一个或更多个泡泡并且生成表示所述一个或更多个泡泡穿过所述检测区的输出信号(S2)。
[0011]本发明具有优势在于，所述水下检测设备可操作地收集水生环境内的潜在广阔区域上的一个或更多个泡泡，并且以对于水生环境内的颗粒污染有效的方式来检测泡泡。
[0012]可选地，所述设备适用于检测下列中的至少一种:一个或更多个气泡、一个或更多个油泡。“油”在此可以被解释为包括广泛的流体烃类材料。
[0013]可选地，在所述水下检测设备中，所述第二结构被实现为用于空间限定体积的基本上截头圆锥形结构，所述一个或更多个泡泡在操作中集中在所述截头圆锥形结构中。
[0014]可选地，在所述水下检测设备中，所述检测装置包括一个或更多个传感器以及信号处理装置，所述一个或更多个传感器用于被动检测由在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡生成的声音，以生成检测信号(Si)，所述信号处理装置用于处理所述检测信号(Si)以生成表示所述检测区内存在和/或不存在所述一个或更多个泡泡的所述输出信号(S2)。
[0015]可选地，在所述水下检测设备中，所述检测装置包括用于在操作中使用询问辐射询问所述检测区的信号源以及用于通过所述询问辐射的发送部分和/或反射部分检测所述检测区中存在的一个或更多个泡泡的一个或更多个传感器。更可选地，在所述水下检测设备中，所述检测装置的所述信号源和所述一个或更多个传感器容置在彼此公共的单元内。更可选地，用于生成所述询问辐射的所述信号源在频率和/或幅度方面是可调节的，以激励所述一个或更多个泡泡中的非线性共振，以及表示所述检测区中存在所述一个或更多个泡泡的所述输出信号S2由所述检测装置根据由于激励所述一个或更多个泡泡中的所述非线性共振而生成的谐波信号分量来生成。
[0016]可选地，所述检测装置包括信号处理单元，用于测量所述询问辐射穿过所述检测区的飞行时间和/或所述检测区的声学阻抗，以确定所述检测区内存在上升的一个或更多个泡泡。
[0017]可选地，所述设备还包括用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡从所述泡泡集中结构到所述检测区的供给的装置，用于使得所述设备能够区分来自所述检测装置的表示所述检测区存在泡泡的信号与表示所述检测区不存在泡泡的信号。更优选地，在所述水下检测设备中，用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡从所述泡泡集中结构到所述检测区的所述供给的所述装置包括下列中的至少一个:
[0018](i)在操作中空间位于所述检测装置下方的致动阀；以及
[0019](ii)致动泡泡收集装置，所述致动泡泡收集装置可操作地将所收集的一个或更多个泡泡从所述致动泡泡收集装置周期性地释放到所述检测区中。
[0020]可选地，在所述水下检测设备中，所述检测区还包括关于其的温度传感器和压力传感器，用于使得所述信号处理装置能够根据它们所测量的非线性共振频率确定所述一个或更多个泡泡的尺寸。
[0021]可选地,所述设备适用于安装在遥控潜水艇(remotely operated vehicle, ROV)上来工作。
[0022]可选地，在所述水下检测设备中，所述检测区设置有用于分析在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡的化学组成的气体分析装置。
[0023]可选地，在所述水下检测设备中，所述信号处理装置可操作地以IkHz至IOMHz的范围内、更优选在IOkHz至5MHz的范围内以及最优选在IOOkHz至IMHz的范围内的频率来激励所述检测装置。
[0024]根据本发明的第二方面，提供了一种使用水下检测设备来检测水生环境内的一个或更多个泡泡的存在的方法，其特征在于，所述方法包括:
[0025](a)使用第一结构收集所述一个或更多个泡泡，所述第一结构包括限定所述设备的区域的下部外围边缘；
[0026](b)使用第二结构将容纳在由所述下部外围边缘限定的所述区域内的所述一个或更多个泡泡空间集中到检测区中；以及
[0027](C)使用检测装置来检测在操作中通过所述第二结构集中到所述检测区中的所述一个或更多个泡泡并且生成表示所述一个或更多个泡泡穿过所述检测区的输出信号(S2)。
[0028]可选地，所述方法包括将所述第二结构实现为用于空间限定体积的基本上截头圆锥形结构，所述一个或更多个泡泡在操作中集中在所述截头圆锥形结构中。
[0029]可选地，所述方法包括使用所述检测装置中的一个或更多个传感器来被动检测由在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡所生成的声音，以生成检测信号(Si)，并且使用信号处理装置来处理所述检测信号(Si)，以生成表示所述检测区内存在和/或不存在所述一个或更多个泡泡的所述输出信号。
[0030]可选地，所述方法包括使用所述检测装置的信号源用于在操作中使用询问辐射来询问所述检测区，并且使用一个或更多个传感器通过所述询问辐射的发送部分和/或反射部分来检测所述检测区中存在的一个或更多个泡泡。更优选地，所述方法包括在频率和/或幅度方面调节用于生成所述询问辐射的所述信号源以激励所述一个或更多个泡泡中的非线性共振，并且根据作为激励所述一个或更多个泡泡中的所述非线性共振结果而生成的谐波信号分量来生成表示所述检测区中存在一个或更多个泡泡的所述输出信号。
[0031]可选地，所述方法还包括使用装置来在操作中周期性地中断所收集的泡泡从泡泡集中结构到所述检测区的供给，以使得所述设备能够区分来自所述检测装置的表示所述检测区存在泡泡的信号与表示所述检测区不存在泡泡的信号。更优选地，所述方法包括将用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡从所述泡泡集中结构到所述检测区的所述供给的所述装置实现为包括下列中的至少一个:
[0032](i)在操作中空间上位于所述检测装置下方的致动阀；以及
[0033](ii)致动泡泡收集装置，所述致动泡泡收集装置可操作地将收集的一个或更多个泡泡从所述致动泡泡收集装置周期性地释放到所述检测区中。
[0034]可选地，所述方法包括关于所述检测区利用温度传感器和压力传感器以使得所述信号处理装置能够根据它们所测量的非线性共振频率来确定所述一个或更多个泡泡的尺寸。
[0035]可选地，所述方法包括将所述设备实现为安装在遥控潜水艇(ROV)上来工作。
[0036]可选地，所述方法包括向所述检测区设置用于分析在操作中穿过所述检测区的所述一个或更多个泡泡的化学组成的气体分析装置。
[0037]可选地，所述方法包括操作所述信号处理装置以便以在IkHz至IOMHz的范围内、更优选在IOkHz至5MHz的范围内以及最优选在IOOkHz至IMHz的范围内的频率来激励所述检测装置。
[0038]根据本发明的第三方面，提供了一种记录在机器可读数据存储介质上的软件产品，其特征在于，所述软件产品在计算硬件上可执行用于实现根据本发明的第二方面所述的方法。
[0039]应当理解的是，在不超出如由所附权利要求所定义的本发明的范围的情况下，本发明的特征易于以各种组合被组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]现将参照下面的附图仅通过示例来描述本发明的实施方式，其中:
[0041]图1是本发明的实施方式适于在其中操作的水生环境的图示；
[0042]图2是根据本发明的设备的示例的图示；
[0043]图3是在图2的设备中使用的传感器装置的图示；
[0044]图4是在图2的设备中使用的可替换的传感器装置的图示；
[0045]图5是图2的设备的颈部区的图示；
[0046]图6是传感器装置的可选配置的图示，其中，一个或更多个声换能器可操作地将声学辐射发射到颈部区中，流体流过该颈部区，例如在颈部区中潜在包括一个或更多个泡泡；
[0047]图7是用于图2中的设备的传感器装置的换能器的环形装置的图示；以及
[0048]图8是图2的设备连同用于将设备输送到使用位置的水生潜水艇的图示。
[0049]在附图中，下划线数字用于表示下划线数字被定位在其上的条目或下划线数字与其邻近的条目。非下划线数字涉及由将非下划线数字连接至条目的线所标识的条目。当数字是非下划线的并且附加相关联的箭头时，非下划线数字用于标识箭头指向的通用条目。【具体实施方式】
[0050]超声波泡泡检测是已知的，并且即使当可以导致光学模糊的特定物质同时存在时也提供检测泡泡的益处。液体中的泡泡通常可以包括永久气体和水汽的混合，并且可以随着时标近似稳定,其中，如果由于表面张力和围绕泡泡的液体中的压力而引起的泡泡的气体组分的分压使压缩压力平衡，则可以忽略溶解和浮力。所施加的声场即所施加的超声波辐射能够将泡泡驱动成非线性振荡，非线性振荡在小的幅度处接近于单自由度振荡器的运动。
[0051]从而，泡泡能够振荡并且具有如由公式I (Eq.1)所定义的共振Uci的固有频率:
【权利要求】
1.一种用于检测水生环境(10)内的一个或更多个泡泡(270)的存在的水下检测设备(100)，其特征在于，所述设备(100)包括:第一结构(210)，所述第一结构(210)包括用于限定区域的下部外围边缘(220)，所述设备(100)可操作地在所述区域上收集所述一个或更多个泡泡(270);第二结构(230)，所述第二结构(230)用于将容纳在由所述下部外围边缘(220)限定的所述区域内的所述一个或更多个泡泡(270)空间上集中到检测区(240)中；以及检测装置(240，250)，所述检测装置(240，250)用于检测在操作中通过泡泡集中结构(210)所集中进入到所述检测区(240)中的所述一个或更多个泡泡(270)，并且生成表示所述一个或更多个泡泡(270)穿过所述检测区(240)的输出信号(S2)。
2.根据权利要求1所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述设备(100)适用于检测下列中的至少一个:一个或更多个气泡(270)、一个或更多个油泡(270)。
3.根据权利要求1或2所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述第二结构(230)被实现为用于空间上限定体积的基本上截头圆锥形结构，所述一个或更多个泡泡(270)在操作中集中在所述截头圆锥形结构中。
4.根据权利要求1、2或3所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测装置(240，250)包括一个或更多个传感器(260，300)以及信号处理装置(280)，所述一个或更多个传感器(260，300 )用于被动检测由在操作中穿过所述检测区(240 )的所述一个或更多个泡泡(270)生成的声音，以生成检测信号(SI)，所述信号处理装置(280)处理所述检测信号(SI)，以生成表示所述检测区(240)内存在和/或不存在所述一个或更多个泡泡(270)的所述输出信号(S2)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测装置(240，250)包括用于在操作中使用询问辐射来询问所述检测区(240)的信号源(380)以及用于通过所述询问辐射的`发送部分和/或反射部分来检测所述检测区(240)中存在的一个或更多个泡泡(270)的一个或更多个传感器。
6.根据权利要求5所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测装置(24，250)的所述信号源(380 )和所述一个或更多个传感器容置在彼此公共的单元内。
7.根据权利要求5所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测装置(240，250，280)包括信号处理单元(280)，用于测量所述询问辐射穿过所述检测区(240)的飞行时间和/或所述检测区(240)的声学阻抗，以确定所述检测区(240)内存在上升的一个或更多个泡泡(270)。
8.根据权利要求5所述的水下检测设备(100)，其特征在于，用于生成所述询问辐射的所述信号源在频率和/或幅度方面是可调节的，以激励所述一个或更多个泡泡(270)中的非线性共振，并且表示所述检测区(240)中存在所述一个或更多个泡泡(270)的所述输出信号(S2 )由所述检测装置(240，250 )根据由于激励所述一个或更多个泡泡(270 )中的所述非线性共振而生成的谐波信号分量来生成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述设备(100)还包括用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡(270)从所述泡泡集中结构(210)到所述检测区(240)的供给的装置(300)，以使得所述设备(100)能够区分来自所述检测装置(240，250)的表示所述检测区(240)存在泡泡(270)的信号与表示所述检测区(240)不存在泡泡(270)的信号。
10.根据权利要求9所述的水下检测设备(100)，其特征在于，用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡(270)从所述第一结构(210)到所述检测区(240)的所述供给的所述装置包括下列中的至少一个: (i)在操作中空间上位于所述检测装置(240，250)下方的致动阀(300);以及 (ii)致动泡泡收集装置，所述致动泡泡收集装置可操作地将收集的一个或更多个泡泡(270)从所述致动泡泡收集装置周期性地释放到所述检测区(240)中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测区(240 )还包括关于其的温度传感器和压力传感器，用于使所述信号处理装置(280 )能够根据它们所测量的非线性共振频率来确定所述一个或更多个泡泡(270)的尺寸。
12.根据前述权利要求中任一项所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述设备(100)适用于安装在遥控潜水艇(ROV)上来工作。
13.根据前述权利要求中任一项所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述检测区(240)设置有用于分析在操作中穿过所述检测区(240)的所述一个或更多个泡泡(270)的组成的气体分析装置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的水下检测设备(100)，其特征在于，所述信号处理装置(280)可操作地以IkHz至IOMHz的范围内、更优选在IOkHz至5MHz的范围内以及最优选在IOOkHz至IMHz的范围内的频率来激励所述检测装置(240，250)。
15.一种使用水下检测设备(100)来检测水生环境(10)内的一个或更多个泡泡(270)的存在的方法，其特征在于，所述方法包括: (a)使用第一结构(210)收集所述一个或更多个泡泡(270)，所述第一结构(210)包括限定所述设备(100)的区域的下部外围边缘(220)； (b)使用第二结构(230)将容纳在由所述下部外围边缘(220)限定的所述区域内的所述一个或更多个泡泡(270)空间上集中到检测区(240)中；以及 (c)使用检测装置(240，250)检测在操作中通过所述第二结构(210)集中到所述检测区(240)中的所述一个或更多个泡泡(270)并且生成表示所述一个或更多个泡泡(270)穿过所述检测区(240)的输出信号(S2)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用信号处理装置(280)检测下列中的至少一个:一个或更多个气泡(270)、一个或更多个油泡(270)。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述方法包括将所述第二结构(230)实现为用于空间限定体积的基本上截头圆锥形结构，所述一个或更多个泡泡(270)在操作中集中在所述截头圆锥形结构中。
18.根据权利要求15、16或17所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用所述检测装置(240，250)中的一个或更多个传感器(300)来被动检测由在操作中穿过所述检测区(240)的所述一个或更多个泡泡(270)生成的声音，以生成检测信号(SI)，并且使用信号处理装置(280)处理所述检测信号(SI)，以生成表示所述检测区(240)内存在和/或不存在所述一个或更多个泡泡(270)的所述输出信号(S2)。
19.根据权利要求15、16、17或18所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用所述检测装置(240，250)的信号源(380)在操作中使用相应的询问辐射来询问所述检测区(240)，并且使用一个或更多个传感器通过所述询问辐射的发送部分和/或反射部分来检测所述检测区(240)中存在的一个或更多个泡泡(270)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用所述检测装置(240，250，280)中的信号处理单元(280)来测量所述询问辐射穿过所述检测区(240)的飞行时间和/或所述检测区(240)的声学阻抗，以确定所述检测区(240)内存在上升的一个或更多个泡泡(270)。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包括在频率和/或幅度方面调节用于生成所述询问辐射的所述信号源，以激励所述一个或更多个泡泡(270)中的非线性共振，并且根据表示所述检测区(240)中存在所述一个或更多个泡泡(270)的所述信号(SI)来确定由于激励所述一个或更多个泡泡(270 )中的所述非线性共振而生成的谐波信号分量，用于生成所述输出信号(S2)以提供所述输出信号(S2)。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用装置(300)在操作中周期性地中断所收集的泡泡(270)从泡泡集中结构(210)到所述检测区(240)的供给，以使得设备(100)能够区分来自所述检测装置(240，250)的表示所述检测区(240)存在泡泡(270)的信号与表示所述检测区(240)不存在泡泡(270)的信号。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法包括将用于在操作中周期性地中断所收集的泡泡(270)从所述第二结构(210)到所述检测区(240)的所述供给的所述装置实现为包括下列中的至少一个: (i)在操作中空间上位于所述检测装置(240，250)下方的致动阀(300);以及 (ii)致动泡泡收集装置，所述致动泡泡收集装置可操作地将收集的一个或更多个泡泡(270)从所述致动泡泡收集装置周期性地释放到所述检测区(240)中。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括关于所述检测区(240)利用温度传感器和压力`传感器使得所述信号处理装置(280)能够根据它们所测量的非线性共振频率来确定所述一个或更多个泡泡(270)的尺寸。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括将所述设备(100)实现为安装在遥控潜水艇(ROV)上来工作。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括向所述检测区(240)设置用于分析在操作中穿过所述检测区(240)的所述一个或更多个泡泡(270)的组成的气体分析装置。
27.根据权利要求15至26中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括操作所述信号处理装置(280)，以便以IkHz至IOMHz的范围内、更优选在IOkHz至5MHz的范围内以及最优选在IOOkHz至IMHz的范围内的频率来激励所述检测装置(240，250)。
28.—种记录在机器可读数据存储介质上的软件产品，其特征在于，所述软件产品在计算硬件(280)上可执行，用于实现根据权利要求15至27中任一项所述的方法。
【文档编号】G01M3/24GK103782147SQ201280038431
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年7月18日 优先权日:2011年8月2日
【发明者】弗兰克·托雷·塞特 申请人:纳克斯公司