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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Messgrößen und/oder zur Entnahme von Proben unter Wasser, wobei die Anordnung eine Kabel-Winde aufweist, um eine an einem Kabel angeordnete Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung in ein Wasservolumen abzulassen und wieder einzuholen. Insbesondere kann die Anordnung fest auf einem schwimmenden Körper montiert sein, von dem aus die Messeinrichtung abgelassen und wieder eingeholt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Verfahren.
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Es ist bekannt, insbesondere für wissenschaftliche Zwecke Messungen unter der Wasseroberfläche von Meeren vorzunehmen und Wasserproben zu entnehmen. Möglich ist dies aber auch in Seen und fließenden Gewässern. In Meeren werden z.B. Messgrößen wie Temperatur, Dichte, Salzgehalt und elektrische Leitfähigkeit des Wassers gemessen und gleichzeitig möglichst synoptische passende Wasserproben genommen. Die hydrographischen Größen sind in der Regel abhängig von der Tiefe, d.h. dem Abstand von der Wasseroberfläche (in Bezug auf einen mittleren Wasserstand) oder auch in Bezug auf den Meeresboden.
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Abhängig vom Seegang führen Schiffe und andere schwimmende Gegenstände (z. B. Plattformen), auf denen die Winde zum Ablassen und Einholen der Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung montiert ist, mehr oder weniger starke Bewegungen aus, die sich auf die Tiefenposition der Einrichtung im Wasser auswirken. Hebt sich der Teil des schwimmenden Gegenstandes, an dem die Winde oder ein Ausleger mit einer Kabel-Umlenkeinrichtung montiert ist, dann hebt sich auch die Einrichtung, falls dies nicht durch eine entgegengesetzte Kabelbewegung kompensiert wird. Z.B. kann eine Kabelbewegung erwünscht sein, bei der die Einrichtung mit konstanter Geschwindigkeit in das Wasservolumen abgelassen oder im Wasservolumen angehoben wird. Während dem Ablassen oder Anheben können wiederholt oder kontinuierlich Messwerte durch die Messeinrichtung aufgenommen werden, um ein Tiefenprofil der Messgröße oder Messgrößen zu erstellen. Alternativ oder zusätzlich können während der Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit regelmäßig Proben entnommen werden. In all diesen Fällen stört es, wenn sich die Winde, bzw. der Abgangspunkt des Kabels aufgrund des Seeganges hebt und senkt.
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Bezogen auf ein Schiff wird insbesondere zwischen folgenden Arten von Bewegungen unterschieden: Drehbewegungen um die Längsachse des Schiffes werden als Rollen, Drehbewegungen um eine quer zur Längsrichtung und parallel zur Wasseroberfläche verlaufende Achse werden als Stampfen und Drehbewegungen um eine in vertikaler Richtung verlaufende Achse als Gieren bezeichnet. Relevant für die Tiefenposition der Messeinrichtung unter Wasser sind in den meisten Fällen insbesondere das Stampfen und das Rollen, auch abhängig von der Geometrie der Gesamtanordnung. Wird ein Ausleger oder eine andere Umlenkeinrichtung verwendet, von der aus das Kabel mit der daran hängenden Einrichtung im Wesentlichen senkrecht ins Wasser geleitet wird, wirkt das unter Umständen als Hebelarm und verstärkt die Bewegung.
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Im Laufe der Jahre haben die Anforderungen an die zu messenden Parameter in Bezug auf räumliche Auflösung und absolute Genauigkeit zugenommen. Inzwischen ist es möglich und notwendig geworden, Messgrößen mit einer räumlichen Messauflösung zu messen, die kleiner ist als der Hub, der durch die Höhenpositionsänderung z. B. des Schiffs oder der Plattform (insbesondere an einer Messplattform oder einem Geräteträger) mit anhängender Messeinrichtung im Seegang hervorgerufen wird. Die räumliche Auflösung der standardmäßig zu messenden Messgröße in der Ozeanographie soll insbesondere im Zentimeterbereich liegen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Messung von Messgrößen und/oder zur Entnahme von Proben unter Wasser anzugeben, wobei die Anordnung eine Kabel-Winde aufweist, um eine an einem Kabel angeordnete Messeinrichtung in ein Wasservolumen abzulassen und wieder einzuholen, und wobei Auswirkungen einer Bewegung des auf dem Wasser schwimmenden Gegenstandes, an dem die Winde befestigt ist, schnell und vorzeichenrichtig kompensiert werden können. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung von Messgrößen und/oder zur Entnahme von Proben unter Wasser anzugeben, mit dem Auswirkungen einer Bewegung des schwimmenden Gegenstandes schnell und vorzeichenrichtig kompensiert werden können.
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Die Erfindung geht von folgenden Überlegungen aus:
Denkbar ist eine Kompensation der Bewegung des schwimmenden Gegenstandes unter Verwendung eines Modells, das anhand von Messdaten über die bereits ausgeführte Bewegung (meist eine Schwingung) die zukünftige Bewegung des schwimmenden Gegenstandes vorausberechnet. Das Modell berechnet den weiteren Verlauf der Bewegung voraus und es sollen die Auswirkungen auf die Position oder Bewegung der in das Wasser eingetauchten Einrichtung kompensiert werden, indem eine entsprechende Kompensationsbewegung ausgeführt wird. Das Modell berechnet die Bewegung aber nicht in allen Fällen korrekt voraus und dies kann dazu führen, dass die Auswirkungen auf die in das Wasser eingetauchte Einrichtung nicht vollständig kompensiert oder sogar verstärkt werden.
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Mit oder ohne Verwendung eines Modells ist es auch denkbar, dass der Antrieb der Kabel-Winde zur Kompensation der Auswirkungen geregelt wird. Unter Nutzung von kontinuierlich eingehenden Messdaten über die Bewegung des schwimmenden Gegenstandes soll die Antriebsregelung den Antrieb so regeln, dass die in das Wasser eingetauchte Einrichtung möglichst wenig von der Bewegung des schwimmenden Gegenstandes betroffen ist. Regelungen arbeiten aber typischer Weise mit Verzögerungen und benötigen zum Ausregeln von Schwingungen Einschwingzeiten. Dies führt ebenfalls dazu, dass die Bewegung nicht vollständig kompensiert wird oder verstärkt wird. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass sich die Phasen und Frequenzen von Schwingungsbewegungen des schwimmenden Gegenstandes auf See laufend ändern können.
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Die Erfindung schlägt daher vor, die Bewegung des auf dem Wasser schwimmenden Gegenstandes fortlaufend zu messen und entsprechende gemessene Bewegungsinformation für die fortlaufende Steuerung des Antriebs der Winde zu verwenden. Dem liegt wiederum die Erkenntnis zugrunde, dass moderne Bewegungssensoren, die insbesondere alle sechs Freiheitsgrade der Bewegung eines Gegenstandes messen können, die entsprechenden Bewegungsinformationen sehr schnell, d.h. mit vernachlässigbar kleiner Verzögerung, erzeugen und ausgeben können. Durch eine Recheneinrichtung (z.B. einen Computer in Form eines in die Winden-Anordnung und/oder den Bewegungssensor eingebetteten Systems) ist dann lediglich noch fortlaufend die Bewegungskomponente zu berechnen, die sich störend auf das Kabel auswirkt, an welchem die Messeinrichtung unter Wasser aufgehängt ist. Diese Bewegungskomponente kann ebenfalls sehr schnell, ohne erhebliche Zeitverzögerung berechnet werden.
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Die Bewegungskomponente kann daher nahezu verzögerungsfrei für die Steuerung des Antriebssystems der Winde verwendet werden. Die Bewegungskomponente kann auch als signifikante Bewegungskomponente bezeichnet werden, da sie für die Korrektur signifikant ist. Insbesondere kann die Bewegungskomponente in der Art einer Störgrößenaufschaltung der Antriebsteuerung zugeführt werden. Alternativ kann sie von der Antriebsteuerung selbst berechnet werden. Zum Beispiel wird lediglich das Vorzeichen der Bewegungskomponente umgekehrt und zu der Sollbewegung der Winde hinzuaddiert. Dabei ist es unerheblich, ob tatsächlich eine Bewegung des Kabels und damit der Einrichtung unter Wasser stattfinden soll oder nicht. Ist die Sollbewegung zwar gleich Null, bewegt sich aber der schwimmende Gegenstand in störender Weise, wird lediglich die störende Bewegungskomponente mit umgekehrtem Vorzeichen als Sollbewegung des Windenantriebs vorgegeben. Im Ergebnis verharrt die Einrichtung in diesem Fall in konstanter Wassertiefe.
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Für die Zwecke der Erfindung kann dabei davon ausgegangen werden, dass es mit auf dem Markt erhältlichen Kabel-Winden möglich ist, der Steuerung des Windenantriebs eine Sollbewegung vorzugeben, die dann wiederum ohne erhebliche zeitliche Verzögerung in eine Bewegung des Kabels umgesetzt wird. Z.B. sind Windensysteme erhältlich, für die durch einen Computer Sollbewegungen vorgegeben werden, wobei der Computer entsprechende (z. B. statische) Signale an eine Antriebssteuerung der Winde überträgt und somit entsprechende Sollbewegungen vorgibt. Unter der Steuerung der Winde im Sinne einer steuertechnischen Einheit wird in diesem Fall daher nicht eine Einheit verstanden, die die Planung einer Windenbewegung durchführt, sondern eine Einheit, die zumindest einen Antriebsmotor der Winde derart steuert, dass er eine Sollbewegung des Messgerätes am Kabel realisiert.
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Bei der Sollbewegung handelt es sich insbesondere um die Sollgeschwindigkeit. Vorzugsweise wird daher zur Kompensation der Bewegung des Gegenstandes die Sollgeschwindigkeit modifiziert oder korrigiert. Die Geschwindigkeit ist eine Messgröße, die Bewegungssensoren zur Messung der Bewegung des schwimmenden Gegenstandes bestimmen und ausgeben können. Außerdem ist die Geschwindigkeit eine zeitbasierte Größe und daher enthält sie bereits die für die Ausführung der Sollbewegung erforderliche Zeitinformation. Z.B. wird durch die Sollgeschwindigkeit vorgegeben, dass das Kabel mit einem Geschwindigkeitsbetrag von 0,2 m/s ausgefahren werden soll.
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Alternativ kann die Sollbewegung auch unter fortlaufender Vorgabe einer Sollbeschleunigung vorgegeben werden. Dementsprechend kann daher die Sollbeschleunigung modifiziert oder korrigiert werden, um die Bewegung des Gegenstandes zu kompensieren. Auch die Beschleunigung ist eine zeitbasierte Größe. Allerdings können Ungenauigkeiten bei der Umsetzung der modifizierten oder korrigierten Sollbeschleunigung in die tatsächliche Beschleunigung leichter zu Fehlern bei der Kompensation der störenden Bewegung führen, als es bei Verwendung der Sollgeschwindigkeit der Fall ist.
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Wenn von der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung die Rede ist, kann das entsprechende zu übertragende Signal (insbesondere die modifizierte Sollgeschwindigkeit oder modifizierte Sollbeschleunigung oder die entsprechende Korrektur) in unterschiedlicher Weise so ausgestaltet sein, dass es die Information über die Geschwindigkeit oder Beschleunigung enthält. Geschwindigkeits- oder Beschleunigungswerte können sowohl als analoge Signale oder auch z. B. als diskrete digitale Daten abgebildet und übertragen werden. Insbesondere kann das zu übertragende Signal ein digitales Signal sein, das unmittelbar die Information über die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung enthält. Alternativ kann das zu übertragende Signal ein analoges Signal sein. Z.B. kann ein Frequenzsignal übertragen werden, wobei die Höhe der Frequenz die Größe der Geschwindigkeit bestimmt. Alternativ kann das analoge Signal durch eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom gebildet sein, deren/dessen Größe der Höhe der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung entspricht. Es sind auch andere Arten von Signalen zur Übertragung der Information über die Bewegung möglich, wobei diesen Arten von Signalen gemeinsam ist, dass bereits ein einzelner, zu einem bestimmten Zeitpunkt empfangener Signalwert den momentan gültigen Bewegungswert oder Korrekturwert eindeutig bestimmt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Information über die auszuführende Bewegung oder deren Korrektur durch eine Folge oder ein Kontinuum von Signalen zu übertragen. Z.B. kann eine Folge von Impulsen übertragen werden, wobei jeder Impuls einer Positionsdifferenz oder Wegdifferenz entspricht, um die das Kabel eingefahren oder ausgefahren werden soll. Erst aus der Folge der Impulse ergibt sich die Geschwindigkeit. Wenn die Positionsdifferenz oder Wegdifferenz, der ein Impuls entspricht, klein genug gewählt ist, kann eine z.B. der Übertragung von Frequenzsignalen gleichwertige Signalübertragung realisiert werden.
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Aus der Signal-Übertragungstechnik sind weitere Realisierungen zur Übertragung von Bewegungssignalen bekannt, die in der Praxis ebenfalls verwendet werden können.
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Insbesondere wird vorgeschlagen: Eine Anordnung zur Messung von Messgrößen und/oder Probenentnahme unter Wasser, wobei die Anordnung eine Kabel-Winde aufweist, um eine an einem Kabel angeordnete Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung in ein Wasservolumen abzulassen und wieder einzuholen, und wobei:
- • die Winde zumindest einen Antriebsmotor zum Ausfahren und Einfahren des Kabels und damit zum Ablassen und Einholen der Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung aufweist,
- • der zumindest eine Antriebsmotor eine Steuerung aufweist, die ausgestaltet ist, einen Betrieb des Antriebsmotors zu steuern,
- • die Steuerung
a) einen Sollbewegungs-Eingang aufweist, über den eine Sollbewegung, mit der das Kabel ausgefahren oder eingefahren werden soll, empfangbar ist, oder
b) einen Sollbewegungskorrektur-Eingang aufweist, über den eine Sollbewegungskorrektur zur Korrektur der Sollbewegung des Kabels empfangbar ist,
- • die Anordnung einen Bewegungssensor aufweist, der ausgestaltet ist, eine von Seegang bewirkte Bewegung eines auf dem Wasser schwimmenden Gegenstandes, an dem die Winde befestigt ist, zu messen,
- • der Bewegungssensor einen Signalausgang aufweist, über den ein Sensorsignal ausgebbar ist, das Informationen über die momentane Bewegung des schwimmenden Gegenstandes enthält,
- • die Anordnung eine Recheneinrichtung aufweist, die einen Signaleingang aufweist, der mit dem Signalausgang des Bewegungssensors verbunden ist,
- • die Recheneinrichtung a) mit dem Sollbewegungs-Eingang oder b) mit dem Sollbewegungskorrektur-Eingang verbunden ist,
- • die Recheneinrichtung ausgestaltet ist, aus den über den Signaleingang empfangenen Informationen über die momentane Bewegung des schwimmenden Gegenstandes
a) eine modifizierte Sollbewegung zu berechnen, durch deren Modifikation die von dem Bewegungssensor gemessene Bewegung kompensiert ist, oder
b) eine Sollbewegungskorrektur zu berechnen, durch die die von dem Bewegungssensor gemessene Bewegung kompensiert wird, wenn die Steuerung die Sollbewegung korrigiert.
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Der Anordnung entspricht ein Verfahren zur Messung von Messgrößen und/oder zur Probenentnahme unter Wasser, wobei eine Kabel-Winde verwendet wird, die eine an einem Kabel angeordnete Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung in ein Wasservolumen ablässt und wieder einholt, und wobei:
- • zumindest ein Antriebsmotor der Winde das Kabel ausfährt und einfährt und damit die Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung ablässt und wieder einholt,
- • ein Betrieb des Antriebsmotors von einer Steuerung gesteuert wird,
- • die Steuerung
a) über einen Sollbewegungs-Eingang eine Sollbewegung, mit der das Kabel ausgefahren oder eingefahren werden soll, empfängt, oder
b) über einen Sollbewegungskorrektur-Eingang eine Sollbewegungskorrektur empfängt und unter Verwendung der Sollbewegungskorrektur die Sollbewegung des Kabels korrigiert,
- • ein Bewegungssensor eine von Seegang bewirkte Bewegung eines auf dem Wasser schwimmenden Gegenstandes, an dem die Winde befestigt ist, misst,
- • der Bewegungssensor über einen Signalausgang ein Sensorsignal ausgibt, das Informationen über die momentane Bewegung des schwimmenden Gegenstandes enthält,
- • eine Recheneinrichtung über einen Signaleingang, der mit dem Signalausgang des Bewegungssensors verbunden ist, die Informationen über die momentane Bewegung empfängt,
- • die Recheneinrichtung aus den über den Signaleingang empfangenen Informationen
a) eine modifizierte Sollbewegung berechnet, durch deren Modifikation die von dem Bewegungssensor gemessene Bewegung kompensiert wird, oder
b) eine Sollbewegungskorrektur berechnet, durch die die von dem Bewegungssensor gemessene Bewegung kompensiert wird, wenn die Steuerung die Sollbewegung korrigiert.
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Ausgestaltungen des Verfahrens entsprechen Ausgestaltungen der Anordnung. Wenn im Folgenden daher Ausgestaltungen der Anordnung beschrieben werden, bedeutet dies, dass eine entsprechende Verfahrensweise möglich ist.
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Wie zuvor erwähnt kann die Steuerung einen Sollbewegungs-Eingang oder einen Sollbewegungskorrektur-Eingang aufweisen. Der jeweilige Eingang ermöglicht die Übertragung insbesondere der genannten Signale, die die Information über die Sollbewegung aufweisen. Im Fall des Sollbewegungs-Eingangs empfängt die Steuerung des Antriebsmotors daher Informationen über die Sollbewegung und setzt diese in eine reale Bewegung des Kabels um, indem sie den zumindest einen Antriebsmotor entsprechend steuert. Im Fall des Sollbewegungskorrektur-Eingangs verfügt die Steuerung bereits über Informationen über die Sollbewegung (z.B. über einen optionalen zusätzlichen Sollbewegungs-Eingang, der z.B. mit einem Computer verbunden sein kann, oder auf Basis von in der Steuerung hinterlegten Bewegungsinformation) und empfängt von der Recheneinrichtung lediglich die Informationen über die Sollbewegungskorrektur.
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Bei der nicht modifizierten Sollbewegung kann es sich um eine Bewegung zum Ausfahren des Kabels oder eine Bewegung zum Einfahren des Kabels handeln. Weiterhin kann die nicht modifizierte Sollbewegung auch Null sein. Daher ist es möglich, die Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung über einen längeren Zeitraum an einer Tiefenposition zu halten, indem lediglich Windenbewegungen gemäß der Modifikation der Sollbewegung ausgeführt werden. Entsprechend kann im Fall des Sollbewegungskorrektur-Eingangs eine Sollbewegungskorrektur zur Steuerung übertragen werden, die bei einer Sollruhe (d.h. der Sollbewegung Null des Kabels) in eine reale Bewegung umgesetzt wird.
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Die o.g. Fälle a) und b) stellen Alternativen dar, d.h. in dem Fall a) ist der Sollbewegungs-Eingang der Sollbewegung vorhanden und in dem Fall b) ist der Sollbewegungskorrektur-Eingang der Steuerung vorhanden. Dementsprechend berechnet die Recheneinrichtung im Fall a) die modifizierte Sollbewegung und im Fall b) die Sollbewegungskorrektur. Dies schließt wie erwähnt nicht aus, dass die Steuerung im Fall b) auch einen zusätzlichen Sollbewegungs-Eingang aufweist.
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In besonderer Ausgestaltung ist der Bewegungssensor ausgestaltet, mit den Informationen über die momentane Bewegung Richtungsinformationen über die Richtung der Bewegung auszugeben, die der schwimmende Gegenstand ausführt und die der Bewegungssensor gemessen hat. Dabei berechnet die Recheneinheit aus den Richtungsinformationen die Geschwindigkeitskomponente, mit der sich die Bewegung auf das Ausfahren oder Einfahren des Kabels durch den Antriebsmotor oder auf das ruhende Kabel auswirkt. Insbesondere kann die Geschwindigkeitskomponente in senkrechter Richtung am Kabelabgangspunkt (dem Punkt, von dem aus sich das Kabel geradlinig in das Wasser hinein erstreckt) berechnet werden. Die Recheneinrichtung erzeugt dann die entsprechende Sollbewegung oder Sollbewegungskorrektur und gibt das entsprechende Signal an die Steuerung aus.
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Wenn die Steuerung den Sollbewegungskorrektur-Eingang aufweist, über den eine Sollbewegungskorrektur zur Korrektur der Sollbewegung des Kabels empfangbar ist, weist die Steuerung insbesondere eine Addiereinrichtung auf, die ausgestaltet ist, die Sollbewegungskorrektur und die Sollbewegung zu addieren, um die Sollbewegung zu korrigieren. Auf die vorzeichenrichtige Addition der Sollbewegungskorrektur und der Sollbewegung wurde bereits eingegangen.
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Die drei wesentlichen Einrichtungen der Anordnung, die eine Korrektur der Bewegung ermöglichen, nämlich der Bewegungssensor, die Recheneinrichtung und die Steuerung, können jeweils separate bautechnische Einheiten sein. Alternativ können zumindest zwei der drei Einrichtungen Teil einer gemeinsamen bautechnischen Einheit sein. Zum Beispiel kann die Recheneinrichtung in ein Gehäuse der Steuerung integriert sein. Es ist auch möglich, dass die Funktionen der Recheneinrichtung und der Steuerung von einem gemeinsamen Computer ausgeführt werden, der zum Beispiel gemäß einem Computerprogramm (das heißt Software) arbeitet. Im Fall a) wird bei Ablauf des Computerprogramms zunächst die modifizierte Sollbewegung berechnet. Im Fall b) wird die Sollbewegungskorrektur berechnet. In beiden Fällen kann zumindest innerhalb der Software eine Schnittstelle identifiziert werden, an der die modifizierte Sollbewegung vorliegt bzw. die Sollbewegungskorrektur vorliegt und die jeweilige berechnete Größe zur Weiterverarbeitung zur Verfügung steht. Wie bereits zuvor erwähnt kann der Sollbewegungs-Eingang oder der Sollbewegungskorrektur-Eingang der Steuerung aber auch eine physikalische bzw. elektrische Schnittstelle sein, über die ein physikalisches/elektrisches Signal von der Steuerung empfangen wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Bewegungssensor Teil der gerätetechnischen Einheit der Steuerung sein, zum Beispiel in ein Gehäuse der Steuerung integriert sein.
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Zum Umfang der Erfindung gehört auch der schwimmende Gegenstand, z.B. ein Schiff, auf dem und/oder in dem die Kabel-Winde, der Bewegungssensor und die Recheneinrichtung montiert sind. Optional kann der schwimmende Gegenstand einen Ausleger aufweisen, über dessen Umlenkeinrichtung das Kabel umgelenkt wird. Z.B. kann der Ausleger drehbar sein, sodass die Umlenkeinrichtung bei Bedarf in eine Position seitlich des Decks und damit über die Wasseroberfläche bewegt werden kann. Wenn die Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung wieder soweit eingeholt worden ist, dass sie sich oberhalb des Niveaus der Wasseroberfläche und insbesondere oberhalb des Niveaus des Decks befindet, kann die Einrichtung durch Bewegung des Auslegers auf Deck oder unter Deck verbracht werden.
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Die Kabel-Winde weist zumindest einen Antriebsmotor auf. Insbesondere können mehrere Antriebsmotoren vorhanden sein, z.B. ein Antriebsmotor für das eigentliche Ablassen und Einholen der am Kabel hängenden Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung und ein weiterer Antriebsmotor für das Abwickeln des Kabels von einer Trommel oder das Aufwickeln des Kabels auf der Trommel. Optional können noch weitere Motoren vorgesehen sein. Insgesamt ist die Steuerung aber in jedem Fall dazu in der Lage, das Ablassen und Einholen der Einrichtung durch Ausfahren und Einfahren des Kabels zu bewirken.
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In den meisten Fällen wird das Kabel ausgehend von der Winde nicht unmittelbar vertikal in das Wasser ausgefahren. Auch wenn kein Ausleger vorhanden ist, kann es zumindest eine Umlenkeinrichtung geben, über die das Kabel geführt ist. Dies bedeutet, dass sich das Kabel beim Ausfahren, von der Winde aus betrachtet, zunächst über eine Wegstrecke hinweg bewegt, die nicht vertikal verläuft. Die Recheneinrichtung ist daher insbesondere ausgestaltet, aus den Informationen über die momentane Bewegung des schwimmenden Gegenstandes durch eine Vektorberechnung eine Bewegungskomponente der Bewegung zu berechnen, die sich auf eine Tiefenposition der Messeinrichtung und/oder Probenentnahmeeinrichtung in dem Wasservolumen auswirkt. Z.B. bei einfacher Umlenkung des Kabels ohne Übersetzung, wie es z.B. bei einem Flaschenzug der Fall ist, wirkt sich die vertikale Bewegungskomponente des schwimmenden Gegenstandes unmittelbar in Längsrichtung der Kabelrichtung an der Winde aus. Hinzukommen können aber noch Korrekturen aufgrund der konkreten geometrischen Anordnung und der auftretenden Bewegung vorgenommen werden. Befindet sich z.B. die Umlenkeinrichtung seitlich der Längsachse des Schiffes und rollt das Schiff um seine Längsachse, dann hebt oder senkt dies die Umlenkeinrichtung relativ zur Winde, z. B. wenn sich die Winde unmittelbar über der Längsachse befindet oder sogar auf der Längsachse befindet. In jedem Fall ist für die Korrektur der Sollbewegung des Kabels die Bewegungskomponente des schwimmenden Gegenstandes in vertikaler Richtung an dem Kabelabgangspunkt (s.o.) zu ermitteln.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1a schematisch eine Seitenansicht eines schwimmenden Gegenstandes, z.B. eines Schiffes, mit einer ersten Ausführungsform (die Steuerung empfängt ein bereits korrigiertes Sollbewegungssignal) einer Anordnung zur Messung von Messgrößen unter Wasser,
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1b schematisch eine Seitenansicht eines schwimmenden Gegenstandes, z.B. eines Schiffes, mit einer zweiten Ausführungsform (die Steuerung empfängt ein Sollbewegungskorrektursignal) einer Anordnung zur Messung von Messgrößen unter Wasser,
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2 den schwimmenden Gegenstand aus 1 mit einem Teil der Anordnung zur Messung von Messgrößen, wobei zwei Bewegungspositionen des Gegenstandes und die Auswirkungen auf die Tiefenposition der Messeinrichtung im Wasservolumen dargestellt sind, und
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3 eine Vektordarstellung zur Erläuterung der für die Tiefenposition der Messeinrichtung relevanten Bewegungskomponente.
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Der in 1a, 1b und 2 dargestellte schwimmende Gegenstand 1, z.B. ein Forschungsschiff, weist z.B. auf Deck eine Kabel-Winde 6 auf, die fest mit dem Gegenstand verbunden ist. Die Kabel-Winde 6 hat eine Kabeltrommel 5 und zumindest einen Antriebsmotor 4, der eine Drehbewegung der Kabeltrommel 5 antreibt, wodurch das auf der Kabeltrommel 5 aufgewickelte Kabel 7 ausgefahren oder eingefahren werden kann. Das Kabel 7 wird über eine Umlenkeinrichtung 8 seitlich der Außenbegrenzungen des Rumpfes von Gegenstand 1 umgelenkt, sodass das Kabel 7 sich vertikal ins Wasservolumen hineinerstreckt, wenn an dem Kabel 7 eine Messeinrichtung 10 aufgehängt ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Probenentnahmeeinrichtung an dem Kabel 7 aufgehängt sein. Wie der geradlinige Pfeil mit divergierenden Pfeilspitzen an den entgegengesetzten Enden oberhalb der dargestellten Messeinrichtung 10 andeutet, führt die Drehbewegung der Kabeltrommel 5 zu einer Aufwärtsbewegung oder Abwärtsbewegung der Messeinrichtung 10 innerhalb des Wasservolumens, dessen Wasseroberfläche seitlich des Rumpfes von Gegenstand 1 durch gewellte Linien angedeutet ist.
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Der zumindest eine Antriebsmotor 4 wird durch eine Steuerung 3 gesteuert, die wie in 1a und 1b dargestellt in die Winde 6 integriert sein kann. Ferner ist ein Bewegungssensor 2 fest mit dem Gegenstand 1 verbunden, sodass der Bewegungssensor 2 Bewegungen des Gegenstandes 1 mit ausführt. Dies ermöglicht es ihm, die Bewegungen des Gegenstandes 1 zu messen. Z.B. misst der Bewegungssensor 2 sämtliche sechs möglichen Freiheitsgrade der Bewegung. Er ist über eine Signalverbindung mit einer Recheneinrichtung 9 verbunden, wie ein Pfeil zwischen dem Bewegungssensor 2 und der Recheneinrichtung 9 andeutet. Der Beginn des Pfeils entspricht einem Signalausgang des Bewegungssensors 2 und das Ende des Pfeils mit der Pfeilspitze entspricht einem Signaleingang der Recheneinrichtung 9. Der Bewegungssensors 2 und die Recheneinrichtung 9 können Teile einer gemeinsamen Einheit 15 bilden.
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Die Recheneinrichtung 9 ist über eine weitere Signalverbindung mit der Steuerung 3 verbunden, wie ebenfalls durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Beginn dieses Pfeils entspricht einem weiteren Signalausgang, der ein Signalausgang der Recheneinrichtung ist. Das Ende des Pfeils mit der Pfeilspitze entspricht einem Eingang der Steuerung 3. Im Fall der 1a ist der Eingang der Steuerung 3 ein Sollbewegungs-Eingang zum Empfangen der bereits korrigierten Sollbewegung, im Fall der 1b ein Sollbewegungskorrektur-Eingang.
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Im Ausführungsbeispiel der 1a weist die Recheneinrichtung 9 einen optionalen weiteren Signal-Eingang auf, über den sie das noch unkorrigierte Sollbewegungssignal von einer Einstelleinrichtung 12 empfangen kann und z. B. mittels eines Addierers mit dem Korrektursignal addieren kann. Bei der Einstelleinrichtung, die die unkorrigierte Sollbewegung vorgibt, kann es sich um eine beliebige geeignete Einrichtung handeln, zum Beispiel um einen Computer oder um eine manuelle Bedieneinrichtung, wie zum Beispiel einen Hebel. Alternativ kann z. B. die Recheneinrichtung 9 die unkorrigierte Sollbewegung selbst erzeugen.
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Im Ausführungsbeispiel der 1b weist die Steuerung 3 einen weiteren Signal-Eingang auf, über den sie das noch unkorrigierte Sollbewegungssignal von einer Einstelleinrichtung 12 empfängt. Bei der Einstelleinrichtung, die die unkorrigierte Sollbewegung vorgibt, kann es sich um eine beliebige geeignete Einrichtung handeln, zum Beispiel um einen Computer oder um eine manuelle Bedieneinrichtung, wie zum Beispiel einen Hebel. Die Steuerung 3 weist im Ausführungsbeispiel der 1b einen Addierer 13 auf, der das Sollbewegungskorrektursignal zu dem unkorrigierten Sollbewegungssignal hinzu addiert, so dass die Sollbewegung korrigiert wird.
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Wenn sich der Gegenstand 1 nicht relativ zum Wasservolumen bewegt, kann der Antriebsmotor 4 gesteuert durch die Steuerung 3 das Kabel 7 ausfahren oder einfahren, sodass die Messeinrichtung 10 in eine gewünschte Tiefenposition unter der Wasseroberfläche gebracht werden kann und/oder ein gewünschter Tiefenbereich des Wasservolumens optional entsprechend einer vorgegebenen Sollgeschwindigkeit von der Messeinrichtung 10 durchfahren werden kann. Die Messeinrichtung 10 weist z.B. mehrere Messgeräte auf, um entsprechende physikalische Größen wie Salzgehalt und Temperatur des Wassers zu messen. Alternativ oder zusätzlich kann sie Proben nehmen. Optional erhält die Steuerung Sollbewegungs-Signale über ihren Sollbewegungs-Eingang von der Recheneinrichtung 9, um das Ausfahren und Einfahren des Kabels 7 auszuführen.
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Wenn jedoch der schwimmende Gegenstand 1 sich wie in 2 angedeutet relativ zum Wasservolumen bewegt, kann dies Auswirkungen auf die Tiefenposition der Messeinrichtung 10 haben. In dem dargestellten Beispiel führt der Gegenstand 1 eine Rollbewegung um eine senkrecht zur Figurenebene durch den Drehpunkt M verlaufende Drehachse aus. Eine dementsprechend gedrehte Position des Gegenstandes 1 mit der Winde 6 ist durch gestrichelte Linien dargestellt. Dadurch erhält das Kabel 7 einen anderen Verlauf in seinem Abschnitt zwischen der Kabeltrommel 5 und der Umlenkeinrichtung 8. Aus Sicht der Kabeltrommel 5 jenseits der Umlenkeinrichtung 8 stimmt die Richtung der Erstreckung des Kabels 7 zwar noch mit der Richtung vor der Ausführung der Bewegung überein und ist lediglich parallel versetzt worden. Die Umlenkeinrichtung 8 hat sich jedoch gesenkt und daher hat sich auch die Messeinrichtung 10 nach unten bewegt, d.h. nimmt nicht mehr dieselbe Tiefenposition wie zuvor ein.
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3 veranschaulicht vergrößert und nicht maßstäblich zu der Darstellung in 2 die von dem Bewegungssensor 2 und die von der Messeinrichtung 10 ausgeführten Bewegungen. Während sich der Bewegungssensor 2 nach schräg rechts oben bewegt hat (Vektor A), hat sich die Messeinrichtung 10 wegen des größeren Abstandes zur Drehachse durch Punkt M um einen Bewegungsvektor B größerer Länge als Vektor A nach links unten bewegt. Dieser Bewegungsvektor B lässt sich durch Vektorzerlegung in einen in vertikaler Richtung nach unten verlaufenden Vektor C und einen in horizontaler Richtung nach links verlaufenden Vektor D zerlegen. Relevant ist für die Tiefenposition lediglich der Bewegungsvektor C.
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Der Bewegungssensor 2 misst die Bewegung und gibt über seinen Signalausgang fortlaufend (kontinuierlich, z. B. analog, oder wiederholt, z. B. digital mit ausreichender Taktrate, vorzugsweise das 10-fache der höchsten seegangsbedingten Bewegungsfrequenzen) Informationen über seine momentane Bewegung und damit die Bewegung des schwimmenden Gegenstandes 1 aus. Diese Informationen werden über den Signaleingang von der Recheneinrichtung 9 empfangen. Unter Berücksichtigung der Geometrie der Anordnung, insbesondere in dem in 2 und 3 dargestellten Fall der Abstände von der Drehachse, berechnet die Recheneinrichtung 9 aus den über den Signaleingang empfangenen Informationen entweder eine modifizierte Sollbewegung, durch deren Modifikation die von dem Bewegungssensor 9 gemessene Bewegung kompensiert wird, oder eine Sollbewegungskorrektur, durch die die von dem Bewegungssensor 9 gemessene Bewegung kompensiert wird, wenn die Steuerung 3 die Sollbewegung korrigiert (wie im Fall der 1). Die Recheneinrichtung überträgt das Ergebnis der Berechnung wiederum fortlaufend (insbesondere kontinuierlich, z. B. analog, oder wiederholt, z. B. digital mit ausreichender Taktrate, vorzugsweise das 10-fache der höchsten seegangsbedingten Bewegungsfrequenzen) zu der Steuerung 3, welche entweder die modifizierte Sollbewegung realisiert oder zunächst eine Sollbewegungskorrektur vornimmt und dann die korrigierte Sollbewegung realisiert, indem die Steuerung 3 den zumindest einen Antriebsmotor 4 entsprechend ansteuert.
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Im Fall des Ausführungsbeispiels von 2 und 3 berechnet die Berechnungseinrichtung 9 aus den Bewegungsinformationen, die dem Bewegungsvektor A entsprechen, die Bewegungskomponente C des Bewegungsvektors B. Dabei können die in 3 dargestellten Vektoren auch als Geschwindigkeitsvektoren der momentanen Bewegung aufgefasst werden. In diesem Fall berechnet die Berechnungseinrichtung 9 zu dem dargestellten Bewegungszeitpunkt den Korrekturvektor der Bewegung, indem sie den Bewegungsvektor C ermittelt, das Vorzeichen des Bewegungsvektors C umkehrt und zur Modifikation der Sollbewegung verwendet oder entsprechende Informationen darüber als Sollbewegungskorrektur ausgibt.
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Da sowohl die Messung der Bewegung durch den Bewegungssensor 2, die Berechnungen der Berechnungseinrichtung 9 als auch die Steuerungsaktion der Steuerung 3 mit vernachlässigbar kleiner Zeitverzögerung ausgeführt werden, kann die Bewegung des Kabels 7 in Echtzeit korrigiert werden. Dies schließt den Fall mit ein, dass die nicht modifizierte oder unkorrigierte Sollbewegung Null ist. Es kann aber auch eine gewünschte Sollbewegung des Kabels 7 und damit der Messeinrichtung 10 korrigiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- schwimmender Gegenstand
- 2
- Bewegungssensor
- 3
- Steuerung
- 4
- Antriebsmotor
- 5
- Kabeltrommel
- 6
- Kabel-Winde
- 7
- Kabel
- 8
- Umlenkeinrichtung
- 9
- Recheneinrichtung
- 10
- Messeinrichtung
- 12
- Einstelleinrichtung
- 13
- Addierer
- A, B, C
- Bewegungsvektoren
- M
- Drehpunkt
