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Die Erfindung betrifft eine Unterwasser-Messsonde, insbesondere zur Untersuchung isobarer Sedimentschichten.
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Automatische Tiefseesonden dienen der unbeobachteten Erstellung von vertikalen Messprofilen über lange Messzeiträume. Wichtig für die Messprofilgüte ist eine konstante Absinkgeschwindigkeit der Sonde für einen kontinuierlichen Abstand zwischen den einzelnen Messpunkten. Die Absinkgeschwindigkeit hängt bei großen Tauchtiefen von der Kompressibilität der Sonde ab. Bekannte Sonden berücksichtigen diese jedoch nicht oder halten die Absinkgeschwindigkeit durch einen Hilfsenergie benötigenden Antrieb konstant. Bei einer autarken Tiefseesonde mit einem hilfsenergiefreien Ab- und Auftriebsmodul wird zur Berücksichtigung der Meerwasserkompressibilität eine niederviskose Kompressionsflüssigkeit eingesetzt. Diese ist jedoch schwer abzudichten. Außerdem können sich beim Auftauchen aus großen Tiefen gelöste Gase in der Tiefseesonde ansammeln. Zur Behebung dieser Probleme ist aus der Patentschrift
DE 100 25 547 C1 eine Tiefseesonde bekannt, die einen axial in einer Laufbuchse verschiebbaren Kolben als unteren Abschluss des Auftriebsmoduls zur seedruckabhängigen Volumenveränderung der Kompressionsflüssigkeit aufweist, der über einen Dichtungsring gegen eine eingefüllte Wassermenge abdichtet. Weiterhin sind in die Laufbuchse Entlüftungskanäle integriert, über die eine automatische Entlüftung der angesammelten Gase während des Auftauchens erfolgt.
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Weiter ist aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2015 003 808 U1 eine Vorrichtung zur Erfassung ozeanografischer Daten mittels einer Messboje bekannt, dadurch gekennzeichnet, dass ein handelsübliches Smartphone zur Aufnahme der Messdaten, vorzugsweise von räumlichen Bewegungen in flüssigen Medien installiert ist.
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Die PCT Anmeldung
WO 2011 109 740 A2 offenbart eine Unterwasser-Sensoreinrichtung, welche ein Tauchgehäuse mit einem oder mehreren Gehäusekomponenten, einen oder mehrere Sensoren zur Überwachung und Sammlung von Wassereigenschaften, eine Steuerung zur Steuerung von Operationen des einen oder mehrerer. Sensoren und eine grafische Benutzeroberfläche, die an dem Gehäuse angebracht ist, das die Wasserumweltdaten anzeigt, umfasst. Das Gehäuse weist einen Kanal auf, der sich durch eines der Gehäuseteile erstreckt und mindestens einer der Sensoren ist am Gehäuse befestigt und erstreckt sich in den Kanal des Gehäuses. Die Steuerung ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und mit dem einen oder mehreren Sensoren betriebsmäßig verbunden.
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Weiter ist aus der US Offenlegungsschrift
US 2015 / 0 338 470 A1 ein Batteriemanagementsystem bekannt, das einen Sensor innerhalb der Batterie verwendet, wobei der Sensor die Überwachung und Erkennung verschiedener Ereignisse in der Batterie und die Übertragung eines Signals vom Sensor durch das Batteriegehäuse zu einem Steuer- und Datenerfassungsmodul durch drahtlose Übertragung ermöglicht. Die Erkennung von Schwellenereignissen in der Batterie ermöglicht Abhilfemaßnahmen, um katastrophale Ereignisse zu vermeiden.
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Die japanische Offenlegungsschrift
JP 2013 220 683 A1 offenbart die Möglichkeit einer interaktiven Kommunikation durch die Unterbringung eines Smartphones in einem unterwasserdruckfesten Gefäß. Daten werden von einem GPS-Signalempfangsmodul und einem Kurzstrecken-Funksenderempfänger in einem wasserdruckfesten Gefäß empfangen und über ein unter Wasser ausgedehntes Glasfaserkabel geleitet. Unter Verwendung des Smartphones werden beliebige Daten im umgekehrten Pfad nach oben gesendet.
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Aus der Patentschrift
DE 2 109 532 C ist ein automatisch arbeitendes Unterwasser-Messwindensystem zur kontinuierlichen Erfassung ozeanographischer Parameter vom Meeresboden bis zur Oberfläche mit Hilfe einer elektromotorischen Winde und einer oder mehreren mit Eigenauftrieb ausgestatteten und mit dem Kabel der Winde verbundenen Messsonde bzw. Messsonden bekannt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorisch angetriebene Winde in einem mit Eigenauftrieb versehenen Kugelbehälter angeordnet ist, der über einen drehfreien Seilvorläufer mit dem Grundanker durch eine extern lösbare Vorrichtung verbunden ist, dass die Trommel der Winde innerhalb eines der Wasseroberfläche zugekehrten, nach oben offenen und in den Kugelbehälter hineinragenden Zylinders angeordnet ist und mit seinem Antrieb über eine wasserdichte Drehdurchführung verbunden ist, dass die Messsonde einen veränderlichen Auftrieb aufweist und dass die Trommel im Zylinder so angeordnet ist, dass sie selbst um ihren halben Durchmesser von dem Durchmesser des Kurbelbehälters entfernt angebracht ist, so dass die Wirkungslinie der Kraft des tangential auf die Winde auf- bzw. ablaufenden Kabels kein zusätzliches Kippmoment auf das nach allen Seiten bewegliche Gesamtsystem ausübt.
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Weiter ist aus der Offenlegungsschrift
DE 103 10 550 A1 ein Gewässeruntersuchungssystem, enthaltend eine Basisstation einschließlich einer Fernsteuerung und eine schwimmende Untersuchungsvorrichtung, bekannt, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchungsvorrichtung im Wesentlichen mindestens einen unbemannten Schwimmkörper und mindestens einen unbemannten Unterwasserkörper aufweist, die über mindestens eine signal- und energieversorgungstechnische Verbindungseinrichtung miteinander verbunden sind, wobei der Schwimmkörper und/oder der Unterwasserkörper mit der Fernsteuerung über eine körperzugehörige Signalübertragungseinrichtung in Verbindung stehen, über die Signale zum gesteuerten Antrieb mindestens eines der Körper und Signale zur Übermittlung von Daten aus körperzugeordneten Funktions-Einrichtungen übertragen werden, und wobei die Basisstation derart ausgebildet ist, dass die über die Signalübertragungseinrichtung zu einer basisstationszugehörigen Überwachungs- und Auswertungsanlage übertragenen Daten auswertbar sind.
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Nachteil dieser bekannten Lösungen ist die ständige Verbindung der Messsonde mit einer auf der Wasseroberfläche schwimmenden Basisstation oder einer am Gewässergrund verankerten Ankerleine.
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Eine unabhängig arbeitende Messsonde offenbart die Übersetzung der europäischen Patentschrift
DE 60 2004 004 283 T2 durch ein Auftriebsteuerungssystem zum Steuern des Auftriebs eines Unterwasser-Tauchfahrzeuges, wobei das System umfasst: eine Auftriebskammer, welche einen Meerwassereinlass und einen Meerwasserauslass aufweist, eine Stromversorgung, die verwendet wird, um mindestens eine elektrische Komponente des Systems anzutreiben; und ein hydraulisches System zum Pumpen von Meerwasser von der Kammer durch den Auslass, wobei das hydraulische System eine hydraulische Pumpe und einen Druckverstärker umfasst, die hydraulische Pumpe zum Anwenden von Druck auf den Druckverstärker, und den Druckverstärker zum Erhöhen des darauf durch die hydraulische Pumpe angewandten Drucks und zum Anwenden des erhöhten Drucks auf Meerwasser aus der Kammer, um dabei das Meerwasser aus der Kammer herauszupumpen.
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Nachteil dieser Erfindung ist der relativ große Aufwand an Pumpen, Ventilen und Leitungen, die einerseits die Masse des System unnötig erhöhen und entsprechend Bauraum fordern, anderseits ein autark arbeitendes System mit unnötig vielen Fehlerquellen versehen, die das zuverlässige Funktionieren einschränken.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Unterwasser-Messsonde vorzuschlagen, die Überwasser leicht von einer Person hantierbar ist und Unterwasser eine zuverlässige Funktionserfüllung über einen langen Zeitraum gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass eine energieverbrauchende Bluetooth-Schnittstelle automatisch dadurch ein und ausschaltbar ist, indem der Widerstandssensor der Unterwasser-Messsonde den Kontakt der Unterwasser-Messsonde mit Wasser detektiert. Sobald die Sonde ins Wasser abgelassen bzw. geworfen wird, schaltet sich die Bluetooth-Schnittstelle aus Energieeffizienzgründen ab. Zur Datenübertragung mittels der Schnittstelle muss die Unterwasser-Messsonde lediglich aus dem Wasser gehoben und eventuell getrocknet werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere darin, dass zur Anpassung der Unterwasser-Messsonde an die Dichte der Sedimentschichten ein Kolben in oder aus der Unterwasser-Messsonde verfahrbar ist. Der ein- und ausfahrbare Kolben verändert das Verdrängungsvolumen der Unterwasser-Messsonde, womit sich zwangsläufig die Dichte der Unterwasser-Messsonde ändert. Der Antrieb des Kolbens durch einen Getriebemotor mit mechanischer Übersetzung erlaubt den Kolben hysteresefrei zu verfahren und eine genaue Steuerung der Volumenänderung.
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Die Volumenveränderung der Unterwasser-Messsonde von etwa 20 % des Volumens ist ausreichend eine Sinkgeschwindigkeit zu erreichen, die unterschiedliche Dichteschichten des Meeres durchdringen kann und gleichzeitig in beliebiger Tiefe einen Schwebezustand zu erreichen, der eine Langzeit-Untersuchung / Messung der Sedimentschicht erlaubt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 2 wiedergegeben. Eine Unterwasser-Messsonde ist im einsatzfähigen Zustand einer korrosiven Salzwasserumgebung ausgesetzt, in der Datenaufzeichnungen in unterschiedlichen Sedimentschichten, teilweise über einen langen Zeitraum stattfinden. Das Material, aus dem die Unterwasser-Messsonde besteht, muss trotzdem leicht und dennoch widerstandsfähig sein. Vorzugsweise wird die Unterwasser-Messsonde aus Polyoxymethylen (POM) hergestellt, welches sich durch hohe Festigkeit, Härte und Steifigkeit in einem weiten Temperaturbereich auszeichnet.
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Die erfindungsgemäße Messsonde wird nicht durch beispielsweise eine Ankerleine ortsfest gehalten, sondern treibt mit der Strömung der entsprechenden Sedimentschicht. Zur Datenübertragung nach dem Auftauchen muss die Unterwasser-Messsonde geborgen werden. Eine erste Ortung wird mittels des GPS-Senders durchgeführt. Für die konkrete, optische Wahrnehmung weist die erfindungsgemäße Unterwasser-Messsonde eine Blitzlampe auf, die nach dem Auftauchen automatisch aktiviert wird. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 3 beschrieben.
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Um eine Eigenrotation der Unterwasser-Messsonde zu verhindern ist es vorteilhaft, ein Ausgleichsgewicht an die vorzugsweise Unterseite der Unterwasser-Messsonde anzubringen. Somit wird der Masseschwerpunkt aus dem Zentrum der Unterwasser-Messsonde verschoben und sie schwimmt / schwebt stabil. Besonders vorteilhaft ist der Akkumulator des Getriebemotors als Ausgleichsgewicht zu verwenden. Akkumulatoren sind flexibel in ihrer Ausformung und die Gesamtmasse wird durch kein zusätzliches Bauteil unnötig erhöht. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich weitere Ausgleichsgewichte zu verwenden.
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Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Messsonde werden in der 1 angegeben. Es zeigt 1 ein Kugelgehäuse 1, einen Getriebemotor 2, der einen Kolben 10 in einem Zylinder 9 bewegt, als Halbschnitt-Darstellung. Diese Kolbeneinrichtung mit Getriebemotor kann auch komplett im Kugelgehäuse integriert sein. Im Kugelgehäuse 1 enthalten ist des Weiteren ein Drucksensor 7, ein Akku 6, ein Wasser-Widerstandssensor 11, der den Kontakt der Unterwassermesssonde mit Wasser detektiert, ein Temperatursensor 12 für das Umgebungsmedium, eine CPU 5, ein Datenspeichermedium 4 sowie ein 6-dimensionaler Beschleunigungssensor 3 für drei Hauptachsen sowie drei Rotationsrichtungen. Das System verfügt über einen GPS Sensor 15, welcher die letzte Position vor dem Eintauchen registriert. Mittels Auswertung des Beschleunigungssensors 3 kann mit einer akzeptierbaren Abweichung über Trägheitsnavigation die Position unter Wasser mit Fehlerberechnung bestimmt werden. Über ein Kommunikationsmodul 8 kann die Unterwasser-Messsonde ausgelesen und programmiert werden, ohne das System dabei öffnen zu müssen. Dazu ist das Kugelgehäuse aus POM hergestellt. Die Ausgleichsmasse 14 sichert den Massenschwerpunkt des Systems, damit dieses nicht ungehindert im Raum rotiert.
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Das beschriebene System hat eine Größe von ca. 21 cm im Durchmesser. Das Gewicht beträgt aufgrund des Volumens etwas über ca. 4850 g. Dadurch ist das System schwerer als das verdrängte Medium und sinkt ab. Das Auf- und Absteigen, sowie das Tarieren des Systems wird über die Kolbeneinrichtung (Verdrängungsvolumen) gesteuert.
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Im oberen Bereich ist eine Blitzlampe 16 vorgesehen, wodurch das System zur Bergung an der Oberfläche optisch wahrnehmbar ist. Vorab wird mittels eines Funksignales des GPS Sensors 15 die GPS Position nach dem Auftauchen abgesendet.
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Das Kommunikationsmodul 8 verfügt über eine wasserdichte Kabelschnittstelle und über eine Bluetooth Schnittstelle, die bei Wasserkontakt über den WasserWiderstandssensor 11, der den Kontakt der Unterwassermesssonde mit Wasser detektiert, stromlos geschaltet wird. Sobald das System ins Wasser geworfen wird, schaltet sich dieser Stromverbraucher aus. Nach einer Bergung schaltet sich dieses Modul wieder ein und steht zum Auslesen und Programmieren zur Verfügung.
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Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Unterwasser-Messsonde wird folgendes Einsatzbeispiel beschrieben:
- Aufgrund der Fähigkeiten des beschriebenen Systems bestehen Messmöglichkeiten, die bislang nicht möglich und auch wissenschaftlich noch nicht publiziert sind. Alleine die Fähigkeit des Systems sich in vorbestimmten Dichten neutral zu tarieren, ermöglicht Langzeitmessungen innerhalb definierter Grenzschichten, die Erkenntnisse über deren Verhalten, Strömung und Auswirkung geben. Ein sehr großer Hauptnutzen besteht für die Marine in der Minenjagd und der Vorbeugung zur Verschlickung und Versandung von Hafen- und Kaianlagen. In der Minenjagd könnten nicht nur Prognosen über die Einschwemmung von Grundminen getroffen werden. Es wäre möglich, die Effektivität von Sonaranlagen und deren Frequenzen zu testen, beziehungsweise einzustellen. Dadurch, dass das System eine definierte Schicht innerhalb der Schwebstoffe einnehmen kann, kann überprüft werden, wann ein Minenjäger dieses Ziel auch noch sicher orten kann um Minen überhaupt detektieren zu können.
