DE10164648C1

DE10164648C1 - Rechnergesteuerte Schmelzsonde zur Ermittlung unterschiedlicher Messparameter im Eisbereich

Info

Publication number: DE10164648C1
Application number: DE2001164648
Authority: DE
Inventors: Helmut Tueg; Michael Damm
Original assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Priority date: 2001-12-31
Filing date: 2001-12-31
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2022-01-01

Abstract

Zur Untersuchung der Umgebungsbedingungen von im Eis eingeschlossenen Organismen basieren bekannte Messsonden auf dem Ziehen von Eisbohrkernen, bei dem jedoch eine Vermischung der Fest-Flüssig-Phase erfolgt und eine ortsaufgelöste Parameterdetektion nicht möglich ist. Die erfindungsgemäße Schmelzsonde ermöglicht hingegen die kontinuierliche Erstellung ortsaufgelöster Messprofile für unterschiedliche Messparameter entlang von Eisschichten aller Art. Dazu weist die Schmelzsonde (1) nach der Erfindung, die eine Modifikation der bekannten Schmelzsonde SUSI zum Durchschmelzen von Eisschichten und Durchführen von Messungen im Wasser unterhalb der Eisschicht ist, einen Schmelzkopf (2) auf, in dem zentral ein vertikales Führungsrohr (11) angeordnet ist, das in seinem Stirnbereich (13) verschiedene Messfühler (12) mit sehr kleinen Aufnehmerbereichen zur Erzielung einer hohen Ortsauflösung aufweist. Durch eine vertikale Verschieblichkeit des Führungsrohrs (11) und durch einen über eine nicht mit abgesenkte Schmelzwinde speziell geregelten Schmelzvortrieb ist gewährleistet, dass sich die Messfühler (12) immer im optimalen Schmelzphasenbereich (15) unmittelbar vor dem Schmelzkopf (2) befinden und das gerade noch nicht geschmolzene Eis kontaktieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine rechnergesteuerte Schmelzsonde zur Ermittlung unterschiedlicher Messparameter im Eisbereich mit einem mittels elektrischer Heizpatronen heizbaren Schmelzkopf, der mit verschiedenen Messfühlern zur Detektion der jeweiligen Messparameter und einem Weglän genmesser fest verbunden ist, und mit einer in ihrer Absenkgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zugkraft im Windenseil beim Fieren des Schmelzkopfes regelbaren Schmelzwinde.

In den Polargebieten ist je nach Jahreszeit die Meeresoberfläche auf bis zu 14 Millionen Quadratkilometern mit Eis bedeckt. Trotz rauer Umweltbedingungen, wie niedrige Temperaturen und ein stark variierendes Tageslichtangebot, hat sich im Eis eine hoch spezialisierte Lebensgemeinschaft entwickelt. Sie lebt in den sich beim Gefriervorgang ausbildenden Solekapillaren in der Eismatrix und ist deren stark schwankendem Salzgehalt angepasst. Die Untersuchung der Umgebungsbedingungen dieser Organismen, wie beispielsweise Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentration des Eis-Wasser-Gemisches, das Angebot an anorganischen Nährstoffen sowie der pH-Wert, stellt eine hohe Herausfor derung an die Messtechnik dar. Alle bisher angewandten Verfahren basieren jedoch auf dem Ziehen von Eisbohrkernen, bei dem die Feinstruktur des Eises weitgehend zerstört wird. Für die meisten biologischen und chemischen Untersuchungen müssen die Eisbohrkerne vor der Analyse noch aufgetaut werden, da viele Eigenschaften, beispielsweise die Zusammensetzung der Organismen, die Nährstoffe, der Salzgehalt und das Chlorophyll, nur in der Flüssigphase und nicht im festen Eis gemessen werden können. Sowohl das Ziehen der Eisbohrkerne, bei dem die unterste, stark wasserhaltige Eisbreischicht in das Bohrloch zurückfällt, als auch das spätere Auftauen der Probe führen jedoch zu einer fehlerhaften Zuordnung und Durchmischung der Probe. Ortsaufgelöste Messungen sind somit nicht möglich. Gerade aber ortsaufgelöste in-situ-Messungen bei Durchgang des Messwertaufnehmers durch das Eis sind für die Forschung und die sich daraus ergebenden Anwendungen von besonderem Interesse.

Aus dem Aufsatz "The Antartic Ice Borhole Probe" (Aufsatz, abrufbar unter der WEB-Adresse: robotics.jpl.nasa.gov/~behar/AntWebSite/DrillSite2/documents/ JPLIceProbe.pdf, Stand 18.12.2001) zu der Dissertation "An in situ sampling thermal probe for studying global ice sheets" von J. R. Kelty, University of Nebraska, 1995) ist eine Sonde bekannt, die in ein zuvor mit heißem Wasser gebohrtes Loch in einer Eisscholle abgesenkt werden kann. Zentral in Ihrer Stirnseite weist die bekannte Sonde eine Videokamera als optischen Sensor auf, mit der Informationen aus dem Bohrloch während des Absenkens ortsaufgelöst abrufbar sind. Eine weitergehende Untersuchung des Eises und seiner Inhaltsstoffe an sich ist jedoch bei dieser Sonde, die sich nicht aus eigenem Antrieb heraus durch das Eis voranbewegen kann, nicht vorgesehen.

Dem gegenüber wurden sogenannte "Schmelzsonden" entwickelt, die sich mit Hilfe eines Heizkopfes selbsttätig durch eine Eisschicht durchschmelzen können. Eine derartige Schmelzsonde ist beispielsweise von Aamot bekannt (vgl. US 33907291 A Aufsatz "Instrumented probes for deep glacial investigation", H. W. C. Aamot, Journal of Glaciology, Vol. 7, No. 50, 1968, pp 321-328). Da hier kein Tragseil zur Eisoberfläche verwendet wird, sondern nur eine Datenleitung, sind aufwändige Bahnstabilisierungsmaßnahmen erforder lich. Alle bekannten Sonden weisen ausschließlich hinter dem Schmelzkopf einen Abschnitt mit integrierten oder abwerfbaren Messfühlern auf. Der Schmelzkopf dient ausschließlich dem Aufschmelzen der Absenkbahn der Sonde.

Gleiches gilt auch für den Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht und der von einer Schmelzsonde gebildet wird, wie sie aus "Berichte zur Polarforschung", Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Band 219 (1997), Titel: "Die Expedition ANTARKTIS-XII mit FS "Polarstern" 1995. Bericht vom Fahrtabschnitt ANT-XII/3", Kapitel 6.3, Seiten 106-111, bekannt ist. Die hier beschriebene Durchschmelzsonde "SUSI" (Shuttle Under Shelf Ice) wurde zur Untersuchungen in der Wassersäule unterhalb der mehrere 100 m dicken Schelfeisschicht entwickelt und dient in der Hauptsache als Träger für Messgeräte, die unter dem Schelfeis eingesetzt werden sollen. Eine erste modifizierte Sonde ist direkt mit Messfühlern für Temperatur, Druck, Salzgehalt Strömungsrichtung und -geschwindigkeit ausgerüstet. Die bekannte Sonde ist röhrenförmig aufgebaut und verfügt über einen mittels elektrischer Heizpatronen heizbaren Schmelzkopf zum Durch schmelzen durch die Eisschichten. Der Schmelzkopf ist über ein bis zu 800 m langes Windenseil, das im oberen Bereich des Schmelzkopfes aufgewickelt gelagert ist, und einem Kraftmesser mit einem Dreibein auf der Eisoberfläche verbunden. Die Messdaten der Sonde werden der Stromversorgung des Heizkopfes über ein ebenfalls von der Eisoberfläche kommendes, in der Sonde aufgewickeltes Versorgungskabel aufmoduliert. Die Sonde hängt an dem Windenseil und wird durch eine Schmelzwinde in der Sonde gefiert, wobei sich Windenseil und Versorgungskabel aus der Sonde abwickeln und oberhalb der Sonde allmählich wieder einfrieren. Im Schmelzbetrieb schmilzt die Sonde ein Loch in das Eis, dessen Durchmesser nur minimal größer ist als der Durchmesser des Schmelzkopfes. Da der Schmelzkanal oberhalb der Sonde wieder zufriert, muss sich die Schmelzwinde mit dem Absenkseil sowie das gesamte Versorgungskabel in der Sonde selbst befinden. Die im stromlosen Zustand gebremste Schmelzwinde wird durch einen Mikroprozessor gesteuert und reagiert auf Veränderungen der Zugkraft im Windenseil, die über die Gewichtskraft mittels einer integrierten Kraftmessdose ermittelt werden. Ist die Gewichtskraft zu gering, wird uneffektiv geschmolzen, da sich der Durchmesser des Lochs unnötig erweitert. Ist sie zu groß, erhöht sich durch den ungünstigen Schwerpunkt der Sonde deren Neigung und die Sonde kippt. Dadurch wird eine von der Vertikalbahn abweichende gekrümmte Bahn geschmolzen. Neigung und Schmelzkopftemperatur dienen als Kontrollgrößen beim Regelvorgang der Windengeschwindigkeit. Der Weglängenmesser zur Messung der zurückgelegten Weglänge über das abgewickelte Windenseil dient der Ermittlung der Schelfeisdicke. Nach dem Durchschmelzen ist der Rückweg für die Sonde durch Zufrieren des Bohrlochs versperrt. Die Sonde kann damit nur einmalig, wenn auch im Dauerbetrieb eingesetzt werden. Wartungs- und Reparaturarbeiten an der Sonde sind jedoch nicht durchführ bar.

Die Hauptaufgabe der bekannten Sonde SUSI liegt im Transport von Messgeräten durch Schelfeis von bis zu mehreren hundert Metern Stärke. Während des Schmelzbetriebes findet kein Messbetrieb statt. Dieser wird erst aufgenommen, wenn sich die Sonde durch die Eisschicht durchgeschmolzen hat. Ortsaufgelöste Profilmessungen in der Eisschicht können mit der bekannten Sonde nicht durchgeführt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannte Sonde SUSI so weiterzubilden, dass mit dieser ortsaufgelöste Profilmessungen unterschiedlichster Messparameter durch in-situ-Messungen während des Schmelzbetriebes durchführbar sind. Dabei sollen die Mittel der Modifizierung einfach im Aufbau und in der Handhabung sowie robust in der Anwendung und kostengünstig in der Anschaffung und Wartung sein.

Als Lösung hierfür ist bei einer rechnerunterstützten Schmelzsonde der eingangs beschriebenen, gattungsgemäßen Art deshalb vorgesehen, dass die einen lokal eng begrenzten Aufnehmerbereich aufweisenden Messfühler im unmittelbaren Schmelzphasenbereich zentral vor dem Schmelzkopf im Stirnbereich eines axial im Schmelzkopf in einem vorgegebenen Bereich frei verschieblich gelagerten Führungsrohrs angeordnet sind und dass während einer Messwertaufnahme im Schmelzvortrieb die Absenkgeschwindigkeit des Schmelzkopfes in Abhängigkeit von der Erstberührung des Schmelzkopfes mit dem zu schmelzenden Eis unter Vermeidung des vollständigen Aufsetzens über die Schmelzwinde geregelt wird, wobei diese ortsfest angeordnet ist.

Mit der modifizierten Schmelzsonde können entlang von Eisschichten kontinuierliche, ortsaufgelöste Messwertprofile in einem Temperaturbereich zwischen -20°C (Eisoberfläche) und 0°C in-situ während des Schmelzbetrie bes erstellt werden. Schmelzbetrieb und Messbetrieb laufen zeitgleich ab. Dazu ist der Kernpunkt der Modifizierung die Ausrüstung des Erstkontaktbe reiches des Schmelzkopfes mit einzelnen Messfühlern, die an der Grenzschicht Eis-Wasser das gerade noch nicht geschmolzene Eis berühren und im Phasengebiet davor messen. Durch diese Anordnung und durch die in ihrem Aufnehmerbereich sehr klein bemessenen Messfühler kann mit der erfindungsgemäßen Schmelzsonde eine hohe räumliche Auflösung im Bereich von ungefähr 1 mm erreicht werden. Da die Aufnahme von Messwertprofilen insbesondere im oberflächennahen Eisbereich von Interesse ist, kann bei der erfindungsgemäßen Sonde auf eine Integration des Windenseils, des Versorgungskabels und der Schmelzwinde in die Schmelzsonde im Bereich des abzusenkenden Schmelzkopfes verzichtet werden, wodurch dieser besonders kompakt und einfach handhabbar ausgebildet ist. Übliche Tiefen zur Aufnahme von Messwertprofilen liegen in einem Schichtdickenbereich von einigen Metern. Für diese Schmelztiefen kann der Nachschub an Windenseil und Versorgungskabel von der Eisoberfläche her erfolgen. Ein Zufrieren des Schmelzloches tritt nicht ein, sodass die Schmelzsonde nach Messabschluss auch wieder eingeholt und erneut eingesetzt werden kann, was besonders kostengünstig ist angesichts der relativ kostenintensiven Messtechnik. Auch ein Neigungssensor kann entfallen, da mit der Schmelzsonde nunmehr eine andere Zielvorstellung als die des Durchschmelzens durch eine Eisschicht verfolgt wird. Dabei wird der Schmelzvortrieb eingestellt über die Stromzufuhr der Heizpatronen. Bei einer großen Energiezufuhr wird ein schnelles Einschmelzen und damit eine relativ geringe Auflösung der Messwerte bewirkt, wohingegen bei einer geringen Energiezufuhr der Schmelzvortrieb ent sprechend gering und damit die Auflösung hoch ist. Eine mikroprozessor geführte Regelung der Heizleistung zur Einhaltung einer vertikalen Schmelzbahn hingegen entfällt.

Bereits weiter oben wurden mögliche Messparameter genannt. Neben den klassischen, wie Temperatur, Salzgehalt und Lichtintensität, sind bei der Untersuchung der im Eis lebenden Organismen auch die Sauerstoff- und die Kohlendioxidkonzentration, sowie der Nährstoffgehalt und der pH-Wert von Interesse. Man kann also zwischen physikalischen und chemischen Mess größen unterscheiden. Ein chemischer Sensor, beispielsweise zur ortsaufge lösten Detektion des Sauerstoffgehalts im Eis, kann jedoch nur in der Flüssigphase messen. Diese Bedingung wird bei der erfindungsgemäßen Schmelzsonde als erster Kernpunkt der Erfindung dadurch umgesetzt, dass der entsprechende Messfühler sich immer unmittelbar an der fest-flüssigen Grenzschicht Eis-Wasser befindet, also die Messwertaufnahme am gerade geschmolzenen Eis stattfindet. Ermöglicht wird dies dadurch, dass die Messfühler in einem Führungsrohr angeordnet sind, das im Schmelzkopf axial frei verschieblich angeordnet ist und aufgrund seiner Schwerkraft immer auf dem Eis in Schmelzrichtung aufsitzt.

Der zweite Kernpunkt der Erfindung betrifft die Steuerung der Schmelzsonde. Bekannt ist, diese über eine Messung der Zugkraft im Seil mittels einer Druckmessdose so zu regeln, dass die Sonde mit dem maximal möglichen Gewicht den Schmelzvorgang unterstützt, ohne jedoch sich zu neigen, wodurch gekrümmte Schmelzbahnen verhindert werden. Bei der erfindungs gemäßen Schmelzsonde wird das Fieren nun in Abhängigkeit von der Erstberührung des Schmelzkopfes geregelt. Der Schmelzkopf wird dabei so abgesenkt, dass die integrierten Messfühler immer im phasenübergehenden Schmelzbereich positioniert sind. Der Regelparameter der Zugkraft im Windenseil wird deshalb so eingestellt, das er in der Regel bei einem Aufsetzen der Schmelzsonde mit ca. 10% ihres Gewichts erreicht wird. Wird er überschritten, weil das Eis unter dem Schmelzkopf zu schmelzen beginnt und die Zugkraft ansteigt, wird Windenseil abgewickelt, bis der vorgegebene Wert wieder erreicht ist. Bei einer Unterschreitung dagegen wird Windenseil aufgewickelt. Die Wertewahl der Zugkraft hängt ab von der Festigkeit des Eises, der gewählten Heizleistung für die Heizpatronen und damit der Schmelzgeschwindigkeit sowie der Ansprech- und Messgeschwindigkeit der eingesetzten Messfühler. Gleichzeitig mit dem Abwickeln des Windenseils erfolgt die Weglängenmessung, die für die Profilmessungen erforderlich ist.

Bezüglich der Anordnung der Messfühler kann bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schmelzsonde vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Führungsrohr als Keramik-Kapillarrohr mit einer wählbaren Anzahl von Aufnahmedurchführungen für die Messfühler ausgebildet ist und durch einen Halterring in einer zentralen Bohrung im Heizkopf axial in einem Bereich von 1 cm vor der Oberfläche des Heizkopfes geführt wird. Die Verwendung von Keramikmaterial für das Führungsrohr gewährleistet dessen mechanische und thermische Stabilität sowie elektrische Isolierung. Außerdem können die Messfühler über die integrierten Aufnahmedurchführungen hochgenau posi tioniert werden. Die Aufnahmedurchführungen werden herstellerseitig als Kapillaren mit wählbarem Durchmesser ausgebildet. Typischerweise sind vier Aufnahmedurchführungen in einem Keramik-Kapillarrohr angeordnet, die beispielsweise durch Ausbrennen von bei der Keramik-Sinterung eingelegten brennbaren Fäden hergestellt werden. Es können aber auch zwei oder sechs oder mehr Aufnahmedurchführungen vorgesehen sein, wobei sich ent sprechend auch der Durchmesser des Keramik-Kapillarrohres ändern kann. Vorteilhaft ist eine Anordnung von vier Aufnahmedurchführungen bzw. Messfühlern in einem Quadrat, das die vorderste "Spitze" des Schmelzkopfes (die relativ rund ist) umgibt. Dabei kann es sich um vier verschiedene Messfühler oder auch beispielsweise um paarweise redundante Messfühler handeln. Durch den Haltering wird das Keramik-Kapillarrohr daran gehindert, aus dem Schmelzkopf nach unten herauszufallen. Es kann dadurch insbesondere maximal bis zu 1 cm aus dem Kupferblock des Schmelzkopfes herausragen, wobei dieser Wert über eine entsprechende Anordnung des Halterings am Keramik-Kapillarrohr einstellbar ist, oder es wird durch die Schmelzfront in die Durchgangsbohrung im Kupferblock hineingedrückt, je nachdem, mit welcher Geschwindigkeit geschmolzen wird und die gesamte Sonde durch das Eis nach unten wandert. Der Haltering wird an einer vorgegebenen Stelle mit dem Keramik-Kapillarrohr beispielsweise durch zwei Innensechskantschrauben verbunden und liegt im untersten Ausfahrpunkt des Keramik-Kapillarrohrs auf einem Anschlag an der Oberseite des Heizkopfes auf. Ein zweiter Anschlag ist nicht erforderlich, da das Keramik-Kapillarrohr nur wenig in die Durchgangsbohrung im Heizkopf hineingedrückt werden kann. Durch die dabei verbleibende Führungslänge im Heizkopf wird ein Heraus rutschen des Keramik-Kapillarrohrs nach oben verhindert.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schmelzsonde kann vorgesehen sein, dass der Heizkopf auf der dem Schmelzphasenbereich gegenüberliegenden Seite mit einem zylindrischen Rohr als Außenhülle abgedichtet ist. Dieses Rohr dient insbesondere der Führung der Schmelzsonde im Eiskanal und kann auch durch entsprechend vorgesehene Bohrungen im unteren Teil zur Vergrößerung der Abtriebskraft geflutet werden, was insbesondere bei größeren Eisdicken, beispielsweise 2 m, von Vorteil ist. Die Kabeldurchführungen sind wasserdicht. Die Messfühler leitungen sind isoliert und damit ebenfalls wasserfest. Wird das Rohr aus Acrylglas gefertigt, kann zudem noch in einfacher Weise das Innere der Schmelzsonde überprüft werden. Im Kopfbereich des Rohres kann dann ein Deckel aufgeschraubt werden, der eine Durchgangsbohrung für das Versor gungskabel und einen Aufnahmehaken für das Windenseil, das bevorzugt aus hoch zugfestem Kevlar hergestellt ist, aufweist.

Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schema tischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Konstruktionsdarstellung der Schmelzsonde im Bereich des Schmelzkopfes,

Fig. 2 eine Detailansicht des Führungsrohrs und

Fig. 3 eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Schmelzsonde.

Die Fig. 1 zeigt den unteren Teil einer Schmelzsonde 1 nach der Erfindung mit einem Schmelzkopf 2. Dieser besteht aus einer gut wärmeleitenden, korrosionsfesten Kupferhalbkugel 3 mit einem Durchmesser von 120 mm, in die gleichmäßig auf einem Kreis mit 26 mm Radius verteilt sechs Bohrungen 4 mit einer Tiefe von 56 mm zur Aufnahme von Heizpatronen 5 eingebracht sind. Durch das relativ hohe Gewicht der Kupferhalbkugel 3 wird der Druck des aufliegenden Schmelzkopfes 2 erhöht, sodass im Schmelzbetrieb die Schmelz energie mit höherem Wirkungsgrad abgegeben wird. Die elektrischen Heizpatronen 5 sind hoch leistungsfähig (bei 220 V Versorgungsspannung 400 W pro Patrone) und mit einer Wärmeleitpaste in die Bohrungen 4 eingepasst. Durch eine entsprechende Verschaltung kann eine Leistung von 600 W erreicht werden. Zur Kontrolle der Arbeitstemperatur des Schmelz kopfes 2 ist in einer 3 mm - Bohrung zwischen zwei Heizpatronen 4 ein Wider standsthermometer integriert (in der Fig. 1 nicht weiter dargestellt). Nach oben wird die Kupferhalbkugel 3 von einem Schutzkopf 6 wasserdicht abgeschlossen, der eine mit einem O-Ring 7 versehene zylindrische Aufnahme 8 für ein zylindrisches Rohr 9 als Außenhülle des unteren Teils der Schmelz sonde 1 aufweist. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist das zylindrische Rohr 9 aus Acrylglas und weist bei einer Wandstärke von 2 mm einen Durchmesser von 94 mm und eine Länge von 575 mm auf. Durch die Abdichtung, bevorzugt über O-Ringe, und die wasserdichten Kabeldurchführungen kann das zylindrische Rohr 9 im Schmelzbetrieb geflutet werden.

In der vertikalen Achsenmitte des Schmelzkopfes 2 ist eine zentrale Durch gangsbohrung 10 zur vertikal frei verschieblichen Aufnahme eines Führungs rohres 11 angeordnet. Diese hat im Bereich der Kupferhalbkugel 3 einen Durchmesser von 6 mm. Das Führungsrohr 11 besteht aus einer zylindrischen Al₂O₃-Keramik mit einem Durchmesser von 5 mm und weist kapillare Aufnahmedurchführungen 18 (vgl. hierzu Fig. 2) zur Aufnahme von Mess fühlern 12 in einem Stirnbereich 13 auf. Das Führungsrohr 11 tritt im Zentrum 14 des Schmelzkopfes 2 nach außen und ragt damit im Schmelzbetrieb in den unmittelbaren Schmelzphasenbereich 15 zentral vor dem Schmelzkopf 2. Zur vertikalen Führung des Führungsrohrs 11 ist dieses mit einem Haltering 16 an einer vorgegebenen Stelle fest verbunden. Der Haltering 16 läuft in einer zentralen Bohrung 17 im Schutzkopf 6, die einen Durchmesser von 18 mm aufweist. Durch die Arretierung des Halterings 16 auf dem Führungsrohr 11 ist damit der maximale Überstand des Führungsrohres 11 aus dem Schmelzkopf 2 heraus festgelegt. Minimal kann das Führungsrohr 11 im Schmelzbetrieb in die Kupferhalbkugel 3 durch die Schmelzfront etwas hineingedrückt werden, was in der Regel im Schmelzbetrieb auftritt. Durch die vertikale Verschieb lichkeit des Führungsrohres 11 in einem Bereich von beispielsweise 1 cm ist im Messbetrieb, der zeitgleich mit dem Schmelzbetrieb abläuft, sicher gewährleistet, dass Höhenschwankungen beim Absenken des Schmelzkopfes 2 kompensiert werden und das stirnseitige Ende des Führungsrohres 11 mit den Messfühlern 12 immer unmittelbar in den Schmelzphasenbereich Eis- Wasser zentral vor dem Schmelzkopf 2 hineinragt, wo optimale Messbedin gungen herrschen.

In der Fig. 2 ist in der Perspektive das Führungsrohr 11, insbesondere in der Ausführungsform eines Keramik-Kapillarrohres, mit den Messfühlern 12 und dem Haltering 16 zur Höhenseinstellung des Führungsrohrs 11 dargestellt. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist das Führungsrohr 11 mit vier Aufnahme durchführungen 18 versehen, die kapillar ausgebildet sind und einen Durch messer von ungefähr 1 mm aufweisen. In die Aufnahmedurchführungen 18 sind im Stirnbereich 13 des Führungsrohrs 11 vier Messfühler 12 mit einem lokal eng begrenzten Aufnehmerbereich eingebracht. So kann eine hoch genaue Ortsauflösung der detektierten Messdaten von 1 mm und weniger zentral vor der Schmelzsonde im unmittelbaren Schmelzphasenbereich erreicht werden. Über Messdatenleitungen 19, die in einem isolierten und wasserdicht durchgeführten Kabel 20 zusammengefasst werden, werden die Messdaten einer zentralen Auswertungsstation zugeleitet.

Neben den Profilmessungen mit den Messfühlern sind noch eine Reihe von weiteren Messungen im Schmelzbetrieb durchzuführen. Die zusätzliche Messung der Schmelzkopftemperatur zur Regelung des Schmelzvortriebs kann mittels eines Widerstandsensors erfolgen, der in die Zusatzbohrung zwischen den Heizpatronen eingebracht wird. Zur Steuerung der Schmelz sonde ist deren Auflagekraft auf dem Eis, beispielsweise mittels einer Kraftmessdose in der Schmelzwinde zur Ermittlung einer elastischen Verfor mung unter Belastung zu messen. Weiterhin muss zur Erstellung der Messprofile die zurückgelegte Weglänge gemessen werden. Die Wegmessung kann optisch über einen inkrementalen Längengeber zur Detektion der Rota tion des Windenrads erfolgen.

Als Messfühler 12 können die unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene relevante Messgrößen eingesetzt werden. Interessante Para meter sind beispielsweise der pH-Wert, die CO₂-Konzentration, die Spurenstoff-Konzentration, der Salzgehalt und die Lichtintensität. Relevant für die Erstellung eines Meereisprofils sind die ortsaufgelöste Messung der Temperatur zur Überwachung anderer Messfühler, beispielsweise mit einem Thermoelement 21, und des Sauerstoffgehalts, beispielsweise mit einer Optode 22. Diese besteht aus einer einzigen Glasfaser, an deren im Mess gebiet positionierten Spitze ein in Silikon immobilisierter, sauerstoffsensitiver Fluoreszenzfarbstoff aufgebracht ist. Das andere Ende des Lichtwellenleiters wird mit einem Messgerät verbunden, das eine blaue Leuchtdiode zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffes aufweist. Das Emissionslicht ändert sich proportional zur herrschenden Sauerstoffkonzentration und wird wiederum über die Glasfaser einem Detektor zugeführt. Die beiden anderen Aufnahmedurchführungen 18 können dann noch mit gleichen Messfühlern zur Redundanz oder mit anderen Messfühlern für die oben genannten Parametern bestückt sein.

In der Fig. 3 ist eine Gesamtansicht der Schmelzsonde 1 nach der Erfindung dargestellt. Im unteren Teil ist der Schmelzkopf 2 mit dem aufgesetzten zylindrischen Rohr 9 aus durchsichtigem Acrylglas zu erkennen. An einem Deckel 23 ist das Windenseil 24, beispielsweise 1 mm Kevlar-Leine, befestigt und das Versorgungskabel 25 und das Datenkabel 26 durchgeführt. Das Windenseil 24 führt zur Schmelzwinde 27 im oberen Teil der Schmelzsonde 1, die ebenfalls zum Schutz vor Kälte in einem weiteren zylindrischen Rohr 28 aus Acrylglas (Durchmesser 94 mm) angeordnet ist. Die Schmelzwinde besteht im Wesentlichen aus einem Antriebsmotor 29 mit Antriebswelle 30, Getriebe 31 und Kupplung 32, der Ansteuerelektronik 33, dem Kraft- und dem Wegsensor 34, 35 und der Abwicklung 36 mit der Windenseil 24. Diese Elemente sind in der Fig. 3 nur angedeutet. Aufgehängt ist die Schmelzsonde über eine Öse 37 am weiteren zylindrischen Rohr 28 in einem besonders stabilen Dreibeingestell 38, das im Einsatzfall der Schmelzsonde 1 nach der Erfindung auf der Meereisoberfläche aufgestellt wird.

Der Schmelzvortrieb des Schmelzkopfes 2 wird über die Schmelzwinde 27 so gesteuert, dass der Schmelzkopf 2 immer gerade das Eis berührt. Dadurch ist sicher gewährleistet, dass sich das Führungsrohr 11 mit den Messfühlern 12 immer im optimalen Messgebiet, dem Schmelzphasengebiet unmittelbar zentral vor dem Schmelzkopf 2 liegt. Bei Absenkschwankungen sorgt die vertikale Verschiebbarkeit des Führungsrohrs 11 im Schmelzkopf 2 dafür, dass trotzdem die Messfühler 12 die Eisschicht im Phasenübergang berühren, da das Führungsrohr 11 immer Kontakt zur Eisschicht hat.

Bezugszeichenliste

1

Schmelzsonde

2

Schmelzkopf

3

Kupferhalbkugel

4

Bohrung

5

Heizpatrone

6

Schutzkopf

7

O-Ring

8

zylindrische Aufnahme

9

zylindrisches Rohr

10

zentrale Durchgangsbohrung

11

Führungsrohr

12

Messfühler

13

Stirnbereich

14

Zentrum

15

Schmelzphasenbereich

16

Haltering

17

zentrale Bohrung

18

Aufnahmedurchführung

19

Messdatenleitung

20

Kabel

21

Thermoelement

22

Optode

23

Deckel

24

Windenseil

25

Versorgungskabel

26

Datenkabel

27

Schmelzwinde

28

zylindrisches Rohr

29

Antriebsmotor

30

Antriebswelle

31

Getriebe

32

Kupplung

33

Ansteuerelektronik

34

Kraftsensor

35

Wegsensor

36

Abwicklung

37

Öse

38

Dreibeingestell

Claims

1. Rechnergesteuerte Schmelzsonde zur Ermittlung unterschiedlicher Mess parameter im Eisbereich mit einem mittels elektrischer Heizpatronen heizbaren Schmelzkopf, der mit verschiedenen Messfühlern zur Detektion der jeweiligen Messparameter und einem Weglängenmesser fest verbunden ist, und mit einer in ihrer Absenkgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zugkraft im Windenseil beim Fieren des Schmelzkopfes regelbaren Schmelzwinde, dadurch gekennzeichnet, dass die einen lokal eng begrenzten Aufnehmerbereich aufweisenden Messfühler (12) im unmittelbaren Schmelzphasenbereich (15) zentral vor dem Schmelz kopf (2) im Stirnbereich (13) eines axial im Schmelzkopf (2) in einem vorgege benen Bereich frei verschieblich gelagerten Führungsrohrs (11) angeordnet sind und dass während einer Messwertaufnahme im Schmelzvortrieb die Absenkgeschwindigkeit des Schmelzkopfes (2) in Abhängigkeit von der Erstberührung des Schmelzkopfes (2) mit dem zu schmelzenden Eis unter Vermeidung des vollständigen Aufsetzens über die Schmelzwinde geregelt wird, wobei diese ortsfest angeordnet ist.

2. Rechnergesteuerte Schmelzsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsrohr (11) als Keramik-Kapillarrohr mit einer wählbaren Anzahl von Aufnahmedurchführungen (18) für die Messfühler (12) ausgebildet ist und durch einen Haltering (16) in einer zentralen Durchgangsbohrung (10) im Heiz kopf (2) axial in einem Bereich von bis zu 1 cm vor der Oberfläche des Heizkopfes (2) geführt wird.

3. Rechnergesteuerte Schmelzsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkopf (2) auf der dem Schmelzphasenbereich (15) gegenüberliegenden Seite mit einem zylindrischen Rohr (9) als Außenhülle abgedichtet ist.