DE2109532A1 - Unterwassermeßwindensystem - Google Patents

Description

Kiel, den 23. Febr. 1971 ZP/Pr/do AJ 2710 ■

Unterwassermeßwindensystem

Die Erfindung betrifft ein automatisch arbeitendes Unterwassermeßwindensystem zur kontinuierlichen Erfassung ozeanographischer Parameter vom Meeresboden bis zur Oberfläche mit Hilfe von Meßsonden, deren Eigenauftrieb den Stromungsverhältnissen angepaßt, stufenlos veränderlich ist und einer elektromotorischen Unterwasserwinde in Gewässern wie z. B. der Ostsee, Nordsee und des Atlantiks.

Aus der Druckschrift "Kieler Meeresforschungen" Bd. 20, Jahrgang 1964, Heft 2 ist ein Aufsatz von G.Krause und G.Siedler mit dem Titel "Ein System zur kontinuierlichen Messung physikalischer Größen im Meer" bekanntgeworden, in dem zwei derartige auf dem Meeresgrund positionierte Meßstationen beschrieben sind. Beide Meßstationen haben als Kernstück eine elektromotorisch angetriebene Unterwasserwinde, mit der es möglich ist, eine Meßsonde mit Eigenauftrieb in der Vertikalen zu bewegen. Eine derartige Meßsonde kann bis zu vier Meßsensoren enthalten, mit denen in situ-Messungen verschiedener Meeresparameter durchgeführt werden können. Entscheidend für die elektrische Ausrüstung der Unterwasserwinde ist die Aufgabenstellung, die den Einsatzort der Meßstation bestimmt. Eine elektrisch groß dimensionierte Winde ist beispielsweise dann erforderlich, wenn die Auf- und Abwärts zu bewegende Meßsonde die Wassersäule schnell und häufig durchfahren soll. Sie wird dann zweckmäßigerweise in Küstennähe aufgestellt, so daß der verhältnismäßig hohe Energiebedarf der Winde durch eine Kabelverbindung zur Landstation sichergestellt ist. Ebenso werden hierbei dann auch die ermittelten Meßsignale über eine entsprechende Kabelverbindung auf die Registriergeräte der Landstation gesendet. Entsprechend kleiner dimensioniert ist eine zweite Unterwasserwinde, die die zu steuernde Meßsonde als Parameterfolger arbeiten läßt. Hier genügt als Energiequelle

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für die Winde eine Batterie, so daß ihr Einsatzort an beliebiger Stelle im freien Meeresgebiet erfolgen kann. Zur Übertragung der Meßsignale von dieser Meßstation kann bei küstennaher Positionierung eine Kabelverbindung gewählt werden, im freien Meeresgebiet wird zur Fortleitung der Meßsignale eine Sendeboje benutzt. Nachteilig für beide Unterwasserwinden ist, daß ihre Gehäuse auf dem Meeresboden stehen, wodurch die Gefahr der Versandung des gesamten Windensystems infolge bodennaher Strömungen besteht. Außerdem besteht bei weichem Untergrund die Gefahr des Einsinkens des Systems. Bei der bekannten Ausführungsform der Meßsonde ist ferner von Nachteil, daß die auf der Wasseroberfläche zugekehrten Seite befindlichen Meßsensoren in einer Ebene auf einem Flansch der Sonde angeordnet sind. Durch diese Anbringung entsteht beim Durchfahren der Wasserschichten vor der Sonde ein Stau. Außerdem ist nicht gewährleistet, daß sowohl bei vertikaler als auch horizontaler Anströmung gleiche Meßverhältnisse gegeben sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Unterwassermeßwindensystem zu konzipieren, das möglichst weitgehend kompatibel für alle ozeanographischen Meßaufgaben einsetzbar ist, und

a) unabhängig von der Jahreszeit, den Wetterverhältnissen und dem Seegang ist

b) nicht gefährdet durch die Schiffahrt ist

c) die kontinuierliche ungestörte Erfassung der ozeanographischen Parameter in allen Wasserschichten erlaubt

d) einen geringen Energieverbrauch hat

e) Anschlußmöglichkeiten an große schwimmende Meßstationen für meteorologische Messungen im Ozean, bzw. in Küstennähe an Landstationen durch Kabel bietet oder im Einsatz als autarkes Meßsystem mit Funkdatenübertragung verwendbar ist

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f) bei bodennaher Positionierung als Geräteträger für Hochseepegel mit großen Meßgenauigkeiten dient, so daß durch die synoptische Erfassung der ozeanographischen Parameter aus den dariiberliegenden V/asserschichten der in die Druckmessung eingehende Dichtewert bestimmt werden kann

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektromotorisch angetriebene Winde 1 direkt durch eine wasserdichte Drehdurchführung 2 mit dem Motor 3 verbunden ist, die ihrerseits ein elektrisches Kabel 4, an dem eine oder mehrere Meßsonden mit Eigenauftrieb befestigt sind, durch Auf- bzw. Abspulen durch die Me ere s schicht en fahren lassen kann, wobei die Winde 1 im Kugelbehälter 6 so angeordnet ist, daß sie selbst um ihren halben Durchmesser 7 von dem Durchmesser 8 des Kugelbehälters entfernt angebracht ist, so daß die Wirkungslinie der Kraft 9 des tangential auf die Winde auf- bzw. ablaufenden Kabels 4 kein zusätzliches Kippmoment auf das nach allen Seiten bewegliche Gesamtsystem ausübt.

Um ein solches Unterwassermeßvindensystem vor dem Einsinken im weichen Untergrund oder vor Versandung durch große bodennahe Strömungen zu schützen, ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Kugelbehälter 6 mit einem entsprechenden Eigenauftrieb versehen und durch einen drehfreien Seilvorläufer 10 vom Grundanker 11 getrennt. Der in der Länge wählbare Seilvorläufer 10 erlaubt die Möglichkeit, das Unterwassermeßwindensystem unabhängig von der Gesamtwassertiefe bis zur vorgesehenen Einsatztiefe im Meer zu verankern d. h., bei einer konstruktiven Auslegung der Festigkeit des Systems für eine Wassertiefe von beispielsweise 400 m, kann die Verankerung in größeren Wassertiefen vorgenommen werden, wenn der Seilvorläufer 10 entsprechend gewählt wird. Zwecks Wiederaufnahme des Meßwindensystems wird die Verbindung zwischen Seilvorläufer und Grundanker durch ein akustisches Auslösesystem 15 getrennt, so daß

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der Kugelbehälter 6 aufgrund seines Eigenauftriebes an die Wasseroberfläche aufschwimmen und von dort an Bord eines Schiffes genommen werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand einer in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsform im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Unterwassermeßwindensystems

Fig. 2 einen Aufriß des Kugelbehälters teilweise im Schnitt

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung der Unterwasserwinde im Kugelbehälter

Fig. 4 einen Aufriß im Schnitt mit einer weiteren Darstellung der Unterwasserwinde im Kugelbehälter gemäß Fig. 2

Fig. 5 eine Meßsonde mit veränderlichem Auftrieb gemäß Fig. 1

Das in Fig. 1 dargestellte Unterwassermeßwindensystem zeigt im einzelnen den Grundanker 11, den Seilvorläuf*er 10, den akμstischen Auslöser 15» die zylinderische Ringkammer 14-, den Kugelbehälter 6, das Kabel 4, sowie die Meßsonde 5 mit Kugelkopf 13 und Sensoren 12. Sowohl aus strömungstechnischen als auch aus statischen Gründen befindet sich ein Teil des Meßsystems im Kugelbehälter 6. Dies sind die Winde 1, der Elektromotor 3, sowie einige Sensoren z. B. Hochseepegel, zusätzlicher Temperaturmesser etc.

Die Energieversorgung sowohl für den Motor 3 als auch für die gesamte Meß- und Steuerelektronik des Systems erfolgt durch die Batterie 17 in der zylindrischen Ringkammer 14.

Gemäß Fig. 2 wird die Winde 1 durch den Motor 3 angetrieben. Durch eine wasserdichte Drehdurchführung 2 ist sie direkt mit diesem verbunden. Zur Durchführung ozeanographischer Messungen

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wird von dieser Winde ein Kabel 4- auf- und abgespült. An diesem Kabel befinden sich eine oder mehrere Meßsonden 5 mit Eigenauftrieb, die mittels der Winde vertikal die Wasserschichten durchfahren. Da die ozeanographischen Messungen mit diesem System vorzugsweise immer in der Richtung Meeresboden-Wasseroberfläche vorgenommen werden, ist jede einzelne Meßsonde mit ihrer der Wasseroberfläche zugekehrten Seite kugelförmig ausgebildet und mit Sensoren 12 versehen. Gemäß Fig. 1 und 5 sind diese unter einem Raumwinkel von 4-5° auf dem Kugelkopf 13 angeordnet, daß sowohl bei vertikaler Bewegung der Sonde als auch im stationären Zustand gemessen werden kann. Die Aufgabe der Sensoren 12 kann beispielsweise die Messungen von Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit, Stromgeschwindigkeit, Stromrichtung, Trübung, Sauerstoffgehalt und anderes mehr sein.

Die gesamte Meß- und Steuerelektronik einschließlich der Steuerung für die Winde 1 befindet sich weitgehend immer in der obersten Sonde 5» unabhängig von weiteren am Kabel 4- angebrachten Sonden» Bei Defekt der Steuerelektronik innerhalb dieser Sonde, wird sie durch ein externes Signal an die Wasseroberfläche geschwemmt. Damit ist sichergestellt, daß für Wartungsund Servicearbeiten die Sonde ohne Schwierigkeiten an Bord eines Schiffes geholt werden kann.

Die Energieversorgung der Meßsonden 5 mit Gleichspannung erfolgt über isolierte elektrische Leiter im Kabel 4-, die über Schleifringe 16 durch die wasserdichte Drehdurchführung 2 mit den Batterien 17 in der zylindrischen Ringkammer 14- verbunden sind.

Die Meßwertübertragung der von den Meßsensoren 12 ermittelten Daten erfolgt ebenfalls über das Kabel 4·. Hierzu wird die Stahlärmierung des Kabels benutzt, die isoliert vom Meerwasser, sich unter der äußeren Kunststoffummantelung befindet und den tragen-

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den Anteil des Kabels bildet. Die Meßdaten, die im Zeitmultiplexverfahren in Form eines Impulstelegramms an der Sonde 5 durch eine wasserdichte Steckverbindung auf die Stahlarmierung übertragen werden, werden durch induktive Auskopplung an der Winde von dem Kabel 4- wieder abgenommen. Das geschieht dadurch, daß das Kabel 4 durch eine Spule 18 geführt wird, und wobei durch Schließung des Stromkreises durch das Meerwasser ein Rückleiter zur Meßsonde 5 und ein Transformator entsteht. Für den galvanischen Übergang Kabel/Meerv/asser wird der Kunststoffmantel des Kabels 4 an seinem Ende abgesetzt und an der Winde 1 angeschlossen. Das Kabel 4 ist dadurch mit der metallischen Winde 1 derart elektrisch leitend verbunden, daß sie für das Meerwasser als Elektrode wirkt.

Schließlich zeigen die Figuren 5 und 4 die erfindungsgemaße Anordnung der Winde 1 im Kugelbehälter 6. Damit das auf die Winde auf- bzw. ablaufende Kabel 4 mit der daran befestigten Sonde nicht zusätzlich ein Kippmoment auf das nach allen Seiten bewegliche System ausübt, ist die Winde um ihren halben Durchmesser 7 vom Durchmesser 8 des Kugelbehälters versetzt angeordnet. Dadurch wird die tangential in der Wirkungslinie des Kabels 4 angreifende Kraft 9 kompensiert und das System bleibt im Gleichgewicht.

Wie eingangs dargelegt, ist die Meßsonde 5 mit einem festen Eigenauftrieb ausgestattet, der ausreicht die Sonde bei entsprechender Drehrichtung der 'winde bis an die Wasseroberfläche aufschwimmen zu lassen. Es ist auch bekannt, daß die Winde erheblich mehr Energie benötigt, wenn die Sonde entgegen ihrem aufwärts gerichteten Eigenauftrieb abwärts bewegt werden soll. Um diese Energie möglichst klein zu halten, ist die Sonde noch zusätzlich mit einem veränderlichen Auftrieb versehen. Nach einer Forderung soll gewährleistet sein, daß die zeitlich und räumlich sehr variablen Strömungskräfte, die auf das gefierte Kabel 4 und die Meßsonde 5 wirken, den daraus resultierenden

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Auslenkwinkel (umgekehrtes, mathematisches Pendel) bei vorgegebenen Verten nicht überschreiten läßt. Das ist durch eine Veränderung des Auftriebes möglich, wobei die Größe der Veränderung durch den von der Meßsonde beim Aufwärtsfahren erfaßten Strömungsgeschwindigkeitsmeßwert bestimmt wird. In Fig. 5 ist eine derartige Sonde erfindungsgemäß dargestellt.

Demnach besteht der Sondenkörper 5 aus einem oberen festen Auftriebsteil 19» der gewährleistet, daß die Meßsonde auch im Notfall schwimmfähig bleibt. Der untere Teil stellt den veränderlichen Auftrieb in Form eines Volumens 20 dar, das mit Gas, vorzugsweise-Ethan gefüllt ist, das bei allen im Meerwasser vorkommenden Temperaturen absolute Unlöslichkeit im Wasser zeigt und für die vorgesehene Anwendung besonders gut geeignet ist.

Die stufenlose Veränderung des Auftriebes wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das im Volumen 20 unter normalen Luftdruck befindliche Gas unmittelbar unter der Wasseroberfläche durch öffnen des sich unten an dem Sondenkörper befindlichen Magnetventils 21, bedingt durch den hydrostatischen Druck, beim Abwärtsfahren der Sonde, nach dem bekannten Gasgesetz von Boyle-Mariotte (p-V = R-T = const.), komprimiert wird. Die hierfür benötigte Energie wird von der elektromotorischen Winde 1 aufgebracht. In dem Volumen 20 befinden sich der hydrostatische Druck und der Gasdruck stets im Gleichgewicht. Solange beim Abwärtsfahren das Ventil 20 geöffnet ist, nimmt das Gasvolumen durch den steigenden Druck, entsprechend dem Gasgesetz ab und damit auch der Restauftrieb des Sondenkörpers 5» wobei die Masse des Sondenkörpers im Wasser stets konstant bleibt. Bei einer von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Wassertiefe wird das Ventil 21 geschlossen. Von diesem Zeitpunkt bleibt der Restauftrieb unveränderlich. Die Gehäusewandstärken des Sondenkörpers 5 sind entsprechend den Drücken, die innen- und außen auftreten ausgelegt.

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Ergibt sich die Notwendigkeit, daß der V'ert des Auftriebes aufgrund einer Veränderung der Strömung geändert werden muß, wird das Magnetventil 21 unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche wieder geöffnet, wobei das expandierende Gas aufgrund des geringeren Außendrucks das sich im Volumen 20 befindliche Wasser herausdrückt, so daß sich der oben beschriebene Vorgang wiederholen kann. Durch das Gasgesetz bedingt, xvird der Schließvorgang des Ventils in Wassertiefen bis ca. 100 m stattfinden, da bis zu dieser Tiefe das Gasvolumen bereits auf 1/10 des anfänglichen Volumens herabgesetzt ist.

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Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE

1.!Automatiseh arbeitendes Unterwasser-Meßwindensystem zur —''kontinuierlichen Erfassung ozeanographischer Parameter vom Meeresboden bis zur Oberfläche mit Hilfe von Meßsonden und einer elektromotorischen Winde, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromotorisch angetriebene Winde (1) direkt durch eine wasserdichte Drehdurchführung (2) mit dem Motor (3) verbunden ist, die ihrerseits ein elektrisches Kabel (4), an dem eine oder mehrere Meßsonden (5) mit Eigenauftrieb befestigt sind, durch Auf- bzw. Abspulen durch die Meeresschichten fahren lassen kann, wobei die Winde (1) im Kugelbehälter (6) so angeordnet ist, daß sie selbst um ihren halben Durchmesser (7) von dem Durchmesser (8) des Kugelbehälters entfernt angebracht ist, so daß die Wirkungslinie der Kraft (9) des tangential auf die Winde auf- bzw. ablaufenden Kabels (4-) kein zusätzliches Kippmoment auf das nach allen Seiten bewegliche Gesamtsystem ausübt.

2. Unterwassermeßwindensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) kugelförmig ist, einen Eigen- ' auftrieb aufweist und sich durch einen drehfreien Seilvorläufer (10) vom Grundanker (11) durch ein akustisches Auslösesystem (15) trennen läßt.

3. Unterwassermeßwindensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Meßsonde (5) mit ihrer, der Wasseroberfläche zugekehrte Seite kugelförmig ausgebildet und mit Sensoren (12) bestückt ist, die unter einem Raumwinkel von 4-5° auf dem Kugelkopf (13) angeordnet sind, daß bei dieser besonderen Anordnung der Sensoren sowohl bei vertikaler Bewegung der Sonde,als auch in stationären Zustand gemessen werden kann.

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4. Unterwassermeßwindensystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Energieversorgung (17) des Systems in einer zylindrischen Ringkammer (14) untergebracht ist.

5. Unterwassermeßwindensystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Winde (1), als auch der Windenantrieb sowie einige Sensoren im Kugelbehälter untergebracht sind.

6. Unterwassermeßwindensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Meß- und Steuerelektronik einschlieSlich der Windensteuerung immer in der obersten Sonde angeordnet ist, so daß bei Defekt der Steuerelektronik die Sonde (5) durch ein externes Signal an die Wasseroberfläche aufschwimmen kann, damit die Sonde dann zwecks Wartung ohne Schwierigkeiten an Bord eines Schiffes genommen werden kann.

7. Unterwassermeßwindensystem nach den Ansprüchen 1, 3 "und dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung der Meßsonde^ (5) mit Gleichspannung über isolierte elektrische

Leiter im Kabel (4) erfolgt, die über Schleifringe (16) durch die wasserdichte Drehdurchführung (2) mit den Batterien (17) verbunden sind.

8. Unterwassermeßwindensystem nach den Ansprüchen 1 und 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß die im Zeitmultiplexverfahren über die isolierte Stahlarmierung des Kabels (4) übertragenen Meßdaten der Sonde (5) an der Unterwasserwinde durch induktive Ankopplung (18) nach dem Transformator Prinzip abgenommen werden.

9. Meßsonde mit veränderlichem Auftrieb, dadurch gekennzeichnet, daß einem festen Auftriebsteil (19) ein Volumen (20)

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hinzugefügt wird, das unter normalen Luftdruck mit einem ■ im Meerwasser unlöslichen Gas gefüllt ist und das durch den von außen wirkenden hydrostatischen Druck verändert werden'· kann, wobei die Hasse des Sondenkörpers gegenüber dem Medium Meerwasser konstant bleibt.

10. Meßsonde nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die unten am Sondengehäuse (5) befindliche Einströmöffnung zum Volumen (20) durch wählbare Stellgrößen, beispielsweise durch die Stromgeschi\*indigkeit, ein Magnetventil (21) betätigt wird, das unmittelbar unter der Wasseroberfläche geöffnet und beim Abwärtsfahren der Sonde in vorher bestimmbaren Wassertiefen geschlossen wird.

11. Meßsonde nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Abwärtsfahren der Sonde (5) in das Gas hineingesteckte potentielle Energie beim öffnen des Magnetventils (21) unmittelbar unter der Wasseroberfläche durch !Expansion wieder frei wird und das sich im Volumen (20) befindliche Meerwasser herausdrückt.

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