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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Handhaben und/oder Untersuchen
einer Materialprobe bei einem vom Atmosphärendruck abweichenden Druck
mit einem Aufnahmeraum für ein Untersuchungsobjekt, mit
einer Halteeinrichtung für das Untersuchungsobjekt, mit
einem Kugelventil zum fluiddichten und druckfesten Abschließen
des Aufnahmeraums, mit einer Kupplung zur fluiddichten und druckfesten
Verbindung mit einem weiteren Behälter und mit Einrichtungen
zum Bewegen des Untersuchungsobjekts im Aufnahmeraum und aus demselben
heraus und zum Einbringen in den weiteren Behälter. Die
Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung.
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In
vielen Fällen ist es erforderlich, Materialproben zu handhaben
oder zu untersuchen, ohne dass diese dabei einer Druckänderung
ausgesetzt werden. Dies sind einerseits Sedimentproben und andere
Proben, die in großer Tiefe eines Binnengewässers,
oder dessen Boden, dem Meer oder dem Meeresboden entnommen werden.
Diese stehen am Entnahmeort unter einem hohen Druck von bis zu einigen
Hundert Bar. Bringt man diese Proben an die Oberfläche
und setzt sie Atmosphärendruck aus, so verändern
sie sich in vielen Fällen. Methanhydrate z. B. zerfallen.
Zellen von lebenden Organis men können beschädigt
werden oder sogar zerplatzen. Das Entsprechende gilt für
Proben, die dem Vakuum ausgesetzt sind, wie es im Weltraum oder
z. B. auf dem Mond vorherrscht, oder die extrem niedrigem Druck ausgesetzt
sind wie z. B. auf dem Mars. Auch diese Proben werden möglicherweise
verändert, wenn sie Atmosphärendruck ausgesetzt
werden.
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Es
ist also in vielen Fällen äußerst wichtig, die
Proben bei dem möglichst unveränderten ursprünglichen
Druck zu handhaben und zu untersuchen, unter dem sie ursprünglich
entnommen wurden. Ebenso treten Aufgaben in der Verfahrenstechnik
auf, bei denen Proben und Messdaten unter Druck in Fluiden zu gewinnen
sind, z. B. bei Fragen der Sequestration von CO2 aus
Rauchgasen.
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Mit
einer Vorrichtung der eingangs genannten Art (
DE 10 2005 006 039 A1 )
können Sedimentkerne, die sich in einem unter Druck stehenden
Autoklavkolbenlot befinden, ohne Druckänderung in eine Untersuchungsvorrichtung übertragen
werden. Dazu werden sie nach Verbindung des Autoklavkolbenlots mit
der Untersuchungsvorrichtung und Öffnen der entsprechenden
Ventile mit Hilfe eines Kolbens ganz oder teilweise von dem Autoklavkolbenlot
in die Untersuchungsvorrichtung übertragen. Die so übertragene
Probe kann aber nur in diese Untersuchungsvorrichtung bei gleichbleibendem
Druck übertragen werden. Eine anschließende Untersuchung
in einer anderen Vorrichtung, ohne dass der Druck zwischenzeitlich
geändert wird, ist nicht möglich. Will man die Probe
an einem entfernten Ort untersuchen, muss das gesamte Autoklavkolbenlot
an den entsprechenden Untersuchungsort verbracht werden, was große Transportprobleme
bedeutet. Diese Transportprobleme sind noch größer,
wenn das Au toklavkolbenlot nacheinander an verschiedene Untersuchungsorte transportiert
werden muss, weil verschiedene Teilproben mit unterschiedlichen
Untersuchungsmethoden und -apparaturen untersucht werden sollen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung
und eines Verfahrens, mit dem die Materialproben besser untersucht
und gehandhabt werden können und mit dem insbesondere eine
druckerhaltende Proben- und/oder Analysenkette realisiert werden
kann.
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Die
erfindungsgemäße Lösung besteht darin,
dass die Einrichtungen zum Bewegen des Untersuchungsobjekts im Aufnahmeraum
und aus demselben heraus und zum Einbringen in den weiteren Behälter
eine erste motorisch angetriebene Teleskop-Gewindespindel zum Bewegen
des Untersuchungsobjekts aufweisen
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Unter „Teleskop-Gewindespindel” ist
dabei eine Einrichtung mit einer Gewindestange oder -spindel und
einer sie umgebenden Röhre zu verstehen. Die in Axialrichtung
umverschiebliche Gewindestange wirkt mit einem Innengewinde zusammen,
das in oder an der Röhre angeordnet ist. Wird die Gewindestange
gedreht, so wird die sie umgebende Röhre teleskopartig
in veränderbarem Ausmaß auf der Gewindespindel
verschoben.
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Die
Einrichtungen zum Bewegen des Untersuchungsobjekts sind dabei nicht
wie beim Stand der Technik ein mit Druck beaufschlagter Kolben,
sondern eine Teleskop-Gewindespindel, mit der das Untersuchungsobjekt
aus der Vorrichtung heraus bewegt werden kann, aber auch in dieselbe
zurückbewegt werden kann. Unter „Untersuchungsobjekt” soll dabei
aber nicht nur eine Materialprobe verstanden werden, sondern auch
eine Untersuchungseinrichtung, mit der Materialproben untersucht
werden können
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung
im Wesentlichen röhrenförmig, wobei die Röhre,
wenn sie kreisförmigen Querschnitt hat, besonders gut für
Anwendungen bei hohen Drücken geeignet ist. Andere Querschnittsformen
(Drei- oder mehreckig, insbesondere quadratisch oder rechteckig,
oder ellipsoid) sind aber ebenfalls möglich.
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Wenn
das Untersuchungsobjekt eine Materialprobe ist, weist die Vorrichtung
zweckmäßigerweise Einrichtungen zur Entnahme der
Probe aus der Halteeinrichtung oder zum Lösen der Halteeinrichtung
auf. Einerseits ist es so möglich, die Probe unter Originaldruck
in einen weiteren Behälter zu verbringen und dann von der
Halteeinrichtung zu lösen, die dann in die Vorrichtung
zurückgefahren werden kann. Anschließend können
dann der weitere Behälter und die Vorrichtung voneinander
getrennt werden, so dass die Materialprobe in dem weiteren Behälter untersucht
oder an andere Orte transportiert werden kann. Soll dagegen die
Probe mit der Halteeinrichtung in den weiteren Behälter
eingebracht werden, wird man Einrichtungen zum Lösen der
Halteeinrichtung vorsehen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Halteeinrichtung
einen an seinem vom Antrieb abgewendeten Ende mit einer Öffnung
versehenen Zylinder und einen darin angeordneten Kolben auf, der über
eine zweite motorisch angetriebene Teleskop-Gewindespindel in Längsrichtung
des Zylinders bewegbar ist. Auf diese Weise ist es möglich,
ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gel oder
eine andere fließfähige Materialprobe aus der Vorrichtung
in einen anderen Behälter einzuführen, damit sie
dort untersucht oder weiter transportiert werden kann. Andererseits
kann aber eine solche Materialprobe auch aus diesem weiteren Behälter entnommen
werden, um z. B. zu einem anderen Behälter für
andere Untersuchungen übertragen zu werden.
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Ist
das zu untersuchende Material nicht fließfähig,
so kann man vorteilhafterweise vorsehen, dass die Halteeinrichtung
eine baggerschaufelartig ausgebildete Greifeinrichtung ist, deren
Position durch die erste Teleskop-Gewindespindel einstellbar ist
und die durch eine zweite Teleskop-Gewindespindel betätigbar
ist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform weist die Halteeinrichtung
einen an einem Ende offenen Behälter auf, der an seinem
gegenüberliegende Ende geschlossen und mit einem ferromagnetischen
Element versehen ist, wobei die Vorrichtung einen Elektromagneten
zum magnetischen Anziehen des ferromagnetischen Elements aufweist.
Nachdem diese Halteeinrichtung bei Atmosphärendruck montiert
ist, kann sie innerhalb der Vorrichtung auf den gewünschten
Druck (Überdruck oder Unterdruck) gebracht werden. Unter
diesem Druck kann sie dann in einen anderen Behälter oder
eine Vorrichtung eingebracht werden, in der sich z. B. Methanhydrat
in dem offenen Behälter kondensiert. Weist der offene Behälter
genügend Methanhydrat auf, kann er dann in die Vorrichtung
zurückbewegt werden und in einen anderen Behälter
oder eine andere Vorrichtung verbracht werden, damit das angesammelte
Material untersucht werden kann.
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Wie
dies bereits erwähnt wurde, kann das Untersuchungsobjekt
nicht nur eine Materialprobe sein, sondern auch eine Untersuchungseinrichtung, insbesondere
ein mit der Materialprobe in Kontakt zu bringender Sensor oder ein
Sensor, der aus einiger Entfernung eine Materialprobe beobachtet,
wobei insbesondere eine Messlanze vorgesehen sein kann, die in das
zu untersuchende Material eindringt, um dort Untersuchungen anzustellen.
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Dieser
Sensor muss natürlich mit einem elektrischen Kabel mit
der Außenwelt verbunden werden. Dies gilt auch für
den Fall, wo eine Materialprobe mit Hilfe eines Elektromagneten
gehalten werden muss. Ein Problem besteht dabei darin, dass die Vorrichtung
eine beträchtliche Länge haben muss, damit die
Halteeinrichtung genügend weit aus der Vorrichtung herausgefahren
werden kann. Andererseits ist der Aufnahmeraum, in dem nicht nur
die Halteeinrichtung sondern auch die Teleskop-Gewindespindeln und
die Kabelverbindungen untergebracht sind, sehr beengt, wenn die
Vorrichtung für hohe Drücke ausgebildet ist. In
diesem Falle muss der Durchmesser nämlich verhältnismäßig
klein sein, damit die Vorrichtung den hohen Drücken widerstehen
kann und trotzdem handhabbar bleibt. Um trotzdem eine zuverlässige
Kabelverbindung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Kabelverbindungen
zwischen Durchführungen im antriebsseitigem Ende des Aufnahmeraums
und den Meß-/Steuereinrichtungen derselben als Spiralkabel
ausgebildet sind, die in jeweils zwei teleskopartig ineinander geschobenen Röhren
untergebracht sind, von denen eine mit dem oberen Ende des Aufnahmeraums
und die andere mit der Halteeinrichtung verbunden ist. Auf diese Weise
wird das Kabel sicher geführt.
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Vorteilhafterweise
ist wenigstens ein Teil der Wandung des Aufnahmeraums aus für
Röntgenstrahlung durchlässigem Material und/oder
einem amagnetischen Material, das für elekt romagnetische Hochfrequenzwellen
durchlässig ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
ist ein austauschbares Zwischenelement in Höhe der Probe
vorgesehen, das aus einem für Röntgenstrahlung
durchlässigem Material und/oder einem amagnetischen Material
besteht, das für elektromagnetische Hochfrequenzwellen
durchlässig ist. In diesem Fall können Röntgenuntersuchungen
oder z. B. NMR-Untersuchungen an Material durchgeführt
werden, das sich in der Vorrichtung befindet. Ein für Röntgenstrahlung
durchlässiges Material ist z. B. Spezialbronze. Selbstverständlich
können diese Untersuchungen auch außerhalb der
Vorrichtung in dem weiteren Behälter durchgeführt
werden, nachdem die Materialprobe entsprechend übertragen
worden ist.
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Vorteilhafterweise
ist der weitere Behälter als Transportbehälter
ausgebildet und mit einem Kugelventil zum fluiddichten und druckfesten
Abschließen seines Aufnahmeraums versehen. In diesem Falle kann
mit der Vorrichtung die Materialprobe in den Transportbehälter übertragen
werden und an einen anderen Ort verbracht werden, wo die Probe untersucht
werden kann. Auf diese Weise lässt sich eine druckerhaltende
Transport- und/oder Analysekette bilden.
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Der
weitere Behälter kann selbstverständlich nicht
nur als Transportbehälter ausgebildet sein, sondern kann
auch als Mess- und Untersuchungsvorrichtung ausgebildet sein. Diese
weiteren Behälter sind miteinander kombinierbar, wobei
das Material mit der Vorrichtung von einem zum anderen Behälter beliebig übertragen
werden kann.
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In
vielen Fällen ist es wichtig, die Probe nicht nur auf ihrem
ursprünglichen Druck zu halten, sondern auch auf der ursprünglichen
Temperatur. In diesem Falle ist zweckmäßi gerweise
vorgesehen, dass die Vorrichtung und/oder der weitere Behälter
mit einer Temperiereinrichtung versehen ist.
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Zweckmäßigerweise
sind Einrichtungen zum Beaufschlagen mit Überdruck/Unterdruck
vorgesehen. Dadurch kann nicht nur das Volumen zwischen den beiden
Kupplungsteilen von Vorrichtung und weiteren Behälter auf
den gewünschten Druck gebracht werden, bevor die Ventile
zur Vorrichtung und zum weiteren Behälter geöffnet
werden. Vielmehr kann auch der weitere Behälter auf den
Druck gebracht werden, der in der Vorrichtung herrscht, bevor die Probe übertragen
wird. Auch innerhalb der Vorrichtung können Druckausgleichsleitungen
vorgesehen sein, um z. B. Druckveränderungen zu vermeiden, wenn
Material aus der Vorrichtung herausgedrückt wird oder in
sie hineingesaugt wird.
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In
vielen Fällen ist es wichtig, eine Positionsbestimmung
der Halteeinrichtung vorzunehmen, insbesondere festzustellen, wann
die Halteeinrichtung ihre „Nulllage” erreicht
hat. Hierzu ist zweckmäßigerweise vorgesehen,
dass die Vorrichtung einen Permanentmagneten und einen Hallsensor
für die Positionsbestimmung der Halteeinrichtung aufweist.
Der Hallsensor ist dabei zweckmäßigerweise stationär angeordnet,
während der Permanentmagnet an einem mit der Halteeinrichtung
beweglichen Teil angeordnet ist, insbesondere am Ende der Teleskopröhre, die
mit der Halteeinrichtung verbunden ist. Nach Bestimmung der Nulllage
kann die weitere Position über die Proportionalität
zwischen Fahrweg und Steigung des Gewindes der Gewindespindel, insbesondere
einer Trapezwelle multipliziert mit der Umdrehungszahl ermittelt
werden.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform des
Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass mit der Vorrichtung Materialproben
nacheinander in unterschiedliche Mess- und/oder Analyseapparaturen eingebracht
und aus diesen nach Durchführung der Messungen wieder entnommen
werden.
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Insbesondere
wird aber durch die Erfindung erreicht, dass mit der Vorrichtung
eine druckerhaltende Proben- und/oder Analysekette realisiert werden kann.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung und mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren sind wie erwähnt vielfältige Untersuchungen
möglich. Man kann z. B. „verknäulte” Enzyme
durch hohen Druck strecken und sie dann bei diesem hohen Druck mit kristallographischen
Methoden untersuchen. Untersuchungen können auch bei hohen
Temperaturen durchgeführt werden, um so Lagerstättenprozesse und
petrologische Prozesse zu untersuchen. Durch eine in die Materialprobe
eindringende Messlanze kann z. B. Porenflüssigkeit aus
einem sedimentären Feststoff entnommen werden. Andererseits
können z. B. mit einer solchen Messlanze die Temperatur oder
chemische Parameter gemessen werden. Eine optische Beobachtung ist
z. B. möglich, wenn eine CCD-Kamera an dem Sensor vorgesehen
ist.
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Nicht
nur statische Untersuchungen sind möglich, sondern auch
dynamische Vorgänge können untersucht werden.
Man kann z. B. eine Materialprobe in einen Behälter oder
in eine Untersuchungsvorrichtung verbringen, in der sich eine weitere
Substanz befindet, die dann mit der Materialprobe reagiert oder
eine Anordnung für kontrollierte hydrodynamische oder thermodynamische
Prozessbedingungen. All dies kann, was der wesentliche Punkt der Erfindung
ist, unter gleichbleibenden Druck, auch sehr hohem Druck, und gegebenenfalls
bei gleichbleibender wahlweise hoher oder niedriger Temperatur stattfinden.
Es können so theoretische Berechnungen von dynamischen
Vorgängen kontrolliert oder aber durch Messungen in für
Messungen bisher nicht zugänglichen Bereichen ergänzt
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bspw.
beschrieben. Es zeigen:
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1 Eine
Gesamtansicht der Vorrichtung der Erfindung;
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2 Schematisch
das Prinzip der Teleskop-Gewindespindel der Erfindung;
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3 Eine
Einzelheit des Antriebs;
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4 Eine
erste Halteeinrichtung für eine Materialprobe;
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5 Eine
zweite Halteeinrichtung für eine Materialprobe;
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6 Eine
dritte Halteeinrichtung für eine Materialprobe;
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7 Ein
Kabel, das in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden kann;
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8 Ein
Sensorelement der Erfindung; und
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9 Eine
Detaildarstellung des antriebsseitigen Teils der Vorrichtung.
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Die
in 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung
weist ein Druckrohr 1 auf, an dessen einem (in der Figur
oberen) Ende ein Antrieb 2 vorgesehen ist. Der im Druckrohr 1 befindliche
Aufnahmeraum kann unten durch ein Kugelventil 3 abgesperrt werden.
Die Halteeinrichtung für das Untersuchungsobjekt kann dabei
bis in den Bereich 4 zurückbewegt werden oder
in einen weiteren Behälter 5 eingebracht werden,
mit dem die Materialprobe transportiert werden kann oder wo sie
untersucht werden kann. Sowohl die Vorrichtung 1 an ihrem
in 1 unteren Ende als auch der weitere Behälter 5 sind
mit druckdichten Kupplungen 6 versehen, mit denen diese
beiden Elemente miteinander verbunden werden können. Der
Behälter 5 ist weiter mit einem druck- und fluiddichten
Verschluss versehen, der in 1 nicht gezeigt
ist.
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Das
Prinzip des Antriebs der Halteeinrichtung 7 für
das Untersuchungsobjekt ist in 2 gezeigt.
Im Druckrohr 1 ist verschieblich ein Teleskoprohr 8 angeordnet,
das mit der Halteeinrichtung 7 verbunden ist. Das Teleskoprohr 8 weist
im oberen Bereich ein Führungselement 9 mit einem
Innengewinde auf. Dieses Führungselement 9 ist
durch Schienen 10 oder dergleichen im Innern des Druckrohrs 1 gegen
Verdrehung gesichert. Die Verdrehsicherung erfolgt bei einer anderen
Ausführungsform durch teleskopisch ineinander gleitende
Kabelröhren. Das Führungselement 9 und
das Teleskoprohr 8 sind aber in Längsrichtung
des Rohrs 1 verschiebbar. Durch einen Motor 11 wird
eine Gewindespindel 12 angetrieben, die mit der Mutter
des Führungselements 9 zusammenwirkt. Dreht sich
die Gewindespindel 12, so wird das Füh rungselement 9 und
damit auch die Halteeinrichtung 7 nach unten oder nach
oben bewegt.
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3 zeigt
eine Ausführungsform, in der zwei solche Gewindespindeln
vorgesehen sind. In diesem Falle sind zwei Motore 11 vorgesehen,
die über Getriebe 13 und Kardanwellen 14 mit
den entsprechenden Gewindestangen 12 verbunden sind, so
dass dieselben einigermaßen nahe an der Achse des Rohrs 1 angeordnet
sein können.
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In 4 ist
eine erste Halterung für eine Materialprobe gezeigt, die
flüssig oder zumindestens fließfähig
ist. Es handelt sich dabei um einen Zylinder 15, der mit
einer ersten Teleskop-Gewindespindel, die mit dem Teil 16 verbunden
ist, in der Höhe verfahren werden kann. Mit der zweiten
Teleskop-Gewindespindel wird ein Element 17 in senkrechter
Richtung bewegt, so dass der Kolben 18 des Zylinders 15 bewegt
werden kann, um Material aus dem Zylinder 15 herauszubewegen
oder in denselben hineinzusaugen.
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5 zeigt
das entsprechende Element 16 zum Bewegen der Halteeinrichtung
in Längsrichtung des Druckrohrs 1 und das Element 17 zum
Betätigen der Halteeinrichtung, die in diesem Falle aus
Baggerschaufeln 18 besteht.
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Die
Ausführungsform der 6 ist ein
an einer Seite offener rohrförmiger Behälter 19,
der am geschlossenen Ende 20 ein ferromagnetisches Element
aufweist, mit dem die Vorrichtung 19 innerhalb der erfindungsgemäßen
Vorrichtung durch einen Elektromagneten 30 gehalten werden
kann. Nach Abschalten des Elektromagnets löst sich dann
der Behälter 19. Er kann dazu verwendet werden,
um in eine andere Vor richtung eingebracht zu werden, nachdem man
z. B. ein Methanhydrat innerhalb des Behälters 19 kondensieren
lässt.
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7 zeigt
einen spiralförmig aus mehreren Litzen aufgebauten elektrischen
Leiter 21, der innerhalb von zwei teleskopartig verschachtelten
Röhren angeordnet wird, von denen eine ortsfest mit dem Druckrohr 1 und
die andere mit der Halteeinrichtung 7 verbunden ist, um
das Kabel 21 zu führen. Das Kabel 21 ist
dabei vorteilhafterweise fluiddicht und druckfest vergossen oder
mit einem Steckverbinder versehen.
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8 zeigt
ein Untersuchungsobjekt in Form eines Sensorelements, das einerseits
eine Messlanze 22 aufweist, die in eine Probe eingeführt
werden kann, um dort Temperaturmessungen vorzunehmen, Porenfluid
zu entnehmen oder ähnliche Untersuchungen durchzuführen.
Außerdem kann eine Probe durch ein durchsichtiges Fenster 23 mit
Hilfe einer Kamera 24, bevorzugt eine CCD-Kamera, beobachtet
werden. Der übrige Raum des Sensorelements kann z. B. bei 25 mit Öl
gefüllt sein, damit das Sensorelement nicht kollabiert,
wenn es erhöhten Drucken ausgesetzt wird. Bei 21 ist
die Kabelverbindung angedeutet wobei ggfs. Miniatur-Unterwasserstecker zum
Einsatz kommen.
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9 zeigt
schließlich im Detail Einzelheiten einer anderen Ausführungsform.
Es ist dort das antriebsseitige Ende des Druckrohrs 1 gezeigt.
Beweglich zusammen mit der Halteeinrichtung ist ein daran montierter
Permanentmagnet 26 vorgesehen, der mit einem Hallsensor 27 zusammenwirkt,
um die „Nullstellung” der Halteeinrichtung 7 zu
melden. Andere Ausführungsformen für die Signale
an die Steuerelektronik im PC sind ebenfalls möglich. In
der Fig. ist weiter eine Kabelführungsröhre 28 gezeigt.
Mit den Handgriffen 29 kann die Vorrichtung getragen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0004]