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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schleppantenne mit einem Drucksensor.
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Schleppantennen verfügen heute bereits über Drucksensoren. Schleppantennen sind schlauchförmige, akustische Antennen, die Schallwellen unter Wasser empfangen. Hierzu weisen die Schleppantennen, in der Regel äquidistant, eine Vielzahl von Wasserschallwandlern, auch als Hydrophone bezeichnet, auf. Die Wasserschallwandler sind in einem Mantel angeordnet. Durch die äquidistante Anordnung wird beispielsweise die Richtungsbildung (beamforming) mit den Schleppantennen optimiert. Üblicherweise sind die Schleppantennen mittels eines Zugseils mit einem Wasserfahrzeug, z.B. einem Schiff oder einem U-Boot, verbunden.
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Typischerweise sind Schleppantennen modular ausgeführt. D.h. eine Schleppantenne weist eine Mehrzahl von in sich geschlossenen Mänteln mit Wasserschallwandlern auf. Diese werden auch als Schleppantennenmodul oder Sektion bezeichnet. Benachbarte Schleppantennenmodule können über eine Kupplung miteinander verbunden werden.
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Nun ist es für die Auswertung der empfangenen Schallwellen vorteilhaft, die (Tauch-) Tiefe zu bestimmen, in der die Schleppantenne die Schallwellen empfangen hat. Dies ist kann beispielsweise für die Richtungsbildung oder die Entfernungsschätzung von Objekten vorteilhaft sein. Hierzu wird in die Kupplung ein Drucksensor integriert. Da die Kupplung nicht von einem Mantel bedeckt ist, hat der Drucksensor hier direkten Kontakt zum Wasser und kann so den Wasserdruck bestimmen und daraus die Tiefe der Schleppantenne im Wasser bestimmen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Drucksensor durch den direkten Kontakt mit Seewasser schnell korrodiert. Da der Drucksensor typischerweise nicht auf der Oberfläche der Kupplung angeordnet, sondern in die Kupplung integriert bzw. mittels eines entsprechenden Formstücks daran angeordnet ist, kann sich auch ein Rohr in der Kupplung bzw. dem Formstück (als Verbindung zwischen der Außenseite der Kupplung bzw. dem Formstück und dem Sensor, damit der Sensor in Kontakt mit dem Wasser gelangt) mit Dreck zusetzen. Sowohl die Korrosion als auch das Verdrecken des Rohrs beeinträchtigen die Druckmessung oder machen diese sogar unmöglich.
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Das Anordnen des Drucksensors innerhalb des Mantels ist nicht möglich, da dieser mit einem Fluid, insbesondere einem Öl, unter Druck gefüllt ist. Der so aufgebaute Druck im Inneren des Mantels verhindert, dass die Schleppantenne bzw. ein Schleppantennenmodul knickt, wodurch Beschädigungen hervorgerufen werden können. Der Druck im Inneren des Mantels bleibt jedoch nicht konstant sondern ändert sich über die Lebensdauer der Schleppantenne. Dieser Effekt wird durch eine langsame, kontinuierliche, Dehnung des Mantels hervorgerufen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Schleppantennen zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele zeigen eine Schleppantenne mit einem Mantel, der mit einem Fluid gefüllt ist. Innerhalb des Mantels sind eine Mehrzahl von Wasserschallwandlern, ein Formstück und ein Abschlusselement angeordnet. Das Formstück bildet in Verbindung mit dem Abschlusselement und dem Mantel einen Raum. Das heißt, das Formstück weist eine Form auf, damit zwischen Mantel und Formstück der Raum entsteht. Hierzu kann das Formstück an seiner Oberfläche eine entsprechende Aussparung, beispielsweise eine Kuhle, aufweisen. Das Fluid innerhalb des Raums weist einen ersten Druck auf und das Fluid außerhalb des Raums weist einen zweiten Druck auf, der größer ist als der erste Druck. Das Abschlusselement verschließt das Formstück um ein unerwünschtes Ein- bzw. Austreten des Fluids in bzw. aus dem Raum zu verhindern. In dem Raum ist ein Drucksensor angeordnet, um einen Druck zu detektieren, der außerhalb des Mantels vorliegt. D.h., der Drucksensor steht in Kontakt zu dem Fluid in dem Raum.
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Idee ist es somit, den Mantel der Schleppantenne bzw. des Schleppantennenmoduls als Membran zu verwenden. Somit steht der Drucksensor nicht mehr in direktem Kontakt mit dem umgebenden Wasser, kann aber dennoch den Wasserdruck zuverlässig bestimmen. Der Druck innerhalb des im Vergleich zur Gesamtlänge der Schleppantenne sehr kleine Raums bleibt konstant bzw. ändert sich nur in einer vernachlässigbaren Größenordnung. So liegt innerhalb des Raums jederzeit in definierter, bekannter Druck vor.
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In Ausführungsbeispielen ist der erste Druck so gewählt ist, dass dieser dem Atmosphärendruck während des Einfüllens des Fluids in die Schleppantenne bzw. das Schleppantennenmodul entspricht. Der Druck des ersten Fluids in der Schleppantenne weist demnach abhängig von der Wetterlage und Höhe, in der die Schleppantenne bzw. das Schleppantennenmodul befüllt wird, einen Druck des ersten Fluids zwischen 108000 Pa und 65000 Pa, typischerweise jedoch zwischen 104000 Pa und 75000 Pa, auf. D.h., das Fluid wird ohne Druck in die Schleppantenne bzw. das Schleppantennenmodul eingefüllt und liegt somit auch drucklos im Vergleich zum Umgebungsdruck (d.h. dem Atmosphärendruck) vor. Geringe Abweichungen vom Atmosphärendruck sind fertigungsbedingt natürlich möglich. Der Atmosphärendruck kann während des Befüllens der Schleppantenne bestimmt und der Schleppantenne zugeordnet werden.
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Vorteilhafterweise wird die Schleppantenne bzw. das Schleppantennenmodul jedoch in Höhe des Meeresspiegels bzw. nur mit einer geringen Abweichung hierzu befüllt. Die Abweichung beträgt beispielsweise maximal 1000 m, bevorzugt maximal 500 m, weiter bevorzugt maximal 300 m nach oben oder 200 m, bevorzugt 100m nach unten. Somit entspricht der erste Druck in etwa dem Normaldruck. Der erste Druck liegt dann beispielsweise zwischen 104000 Pa (hoher Luftdruck durch die Wetterlage angenommen) und 88000 Pa (bei 1000m), 93000 Pa (bei 500m) oder 96000 Pa (bei 300m), jeweils unter Berücksichtigung niedrigen Luftdrucks bedingt durch die Wetterlage. Den Druck des Fluids innerhalb des Raums so zu wählen, dass dieser dem Normaldruck entspricht, hat den Vorteil, dass der Drucksensor einfacher rekalibriert werden kann. Durch die Dehnung des Mantels kann auch in dem Raum der Druck des Fluids abnehmen. Zwar ist diese Änderung nur geringfügig und hat nur geringe Auswirkungen auf die Messung. Es ist jedoch immer vorteilhaft, bekannte Fehler bei der Messung trotzdem zu vermeiden. So kann der durch die Druckminderung vorliegende Offset der Messung des Drucksensors durch eine Messung des Drucks bestimmt werden, wenn die Schleppantenne bzw. das Schleppantennenmodul Normaldruck ausgesetzt ist, sich als z.B. über Wasser, d.h. beispielsweise auf dem Schiff, befindet. Der so bestimmte Offset bei der Messung kann dann bei Druckmessungen unter Wasser berücksichtigt werden.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen die Schleppantenne mit einem zweiten Druck, der zumindest 60000 Pa, bevorzugt zumindest 75000 Pa, beispielsweise etwa 80000 Pa größer ist als der erste Druck. So wird effektiv verhindert, dass die Schleppantenne knickt und somit beschädigt werden kann.
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Das Fluid umfasst in Ausführungsbeispielen eine Flüssigkeit, insbesondere ein Öl, beispielsweise ein (Iso-) Paraffinöl. Dies ist vorteilhaft, da Flüssigkeiten inkompressibel sind und somit die Druckmessung optimiert wird. Weiterhin wird auch der Knickschutz verbessert.
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Das Abschlusselement umfasst in Ausführungsbeispielen eine Pressschelle, die den Mantel mit dem Formstück derart verbindet, dass das Fluid innerhalb des Raums von dem Fluid außerhalb des Raums separiert ist. Somit wird sichergestellt, dass das Volumen des Fluids innerhalb des Raums konstant bleibt und sich nicht mit dem Fluid außerhalb des Raums vermischt. Letzteres würde zu einem Druckausgleich führen und somit die Druckmessung beeinflussen. Abhängig von der Positionierung des Formstücks innerhalb des Mantels kann es vorteilhaft sein, dass das Abschlusselement eine weitere Pressschelle umfasst, die den Mantel mit dem Formstück derart verbindet, dass das Fluid innerhalb des Raums von dem Fluid außerhalb des Raums separiert ist. Die erste und die zweite Pressschelle sind dann an gegenüberliegenden Seiten des Raums angeordnet. Als Pressschelle, oder auch Rohrschelle, wird ein Ring bezeichnet, der um den Mantel gelegt wird und festgezogen werden kann, so dass das Formstück und der Mantel fest miteinander verbunden sind.
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In weiteren Ausführungsbeispielen weist das Abschlusselement eine Absperreinheit auf. Die Absperreinheit kann einen ersten, geöffneten, Zustand und einen zweiten, geschlossenen Zustand aufweisen. Das Formstück weist nunmehr eine Öffnung auf, so dass das Fluid innerhalb des Raums und das Fluid außerhalb des Raums bei geöffneter Absperreinheit in Kontakt sind und bei geschlossener Absperreinheit voneinander separiert sind. Das heißt in anderen Worten, dass durch die Öffnung in dem Formstück ein Austausch des Fluids innerhalb des Raums stattfinden kann. Ist die Absperreinheit geschlossen, wird dieser Austausch jedoch unterbunden. Ein solches Formstück erleichtert das Befüllen des Mantels mit dem Fluid. Als Absperreinheit eignet sich jeder Mechanismus, der zunächst einen Druckausgleich durch die Öffnung, durch eine Betätigung jedoch die Öffnung verschließt. Die Betätigung sollte vorteilhafterweise von außerhalb der Schleppantenne erfolgen können, beispielsweise durch Druckeinwirkung, elektrisch oder durch steuerbare Naturkräfte (z.B. magnetisch). Typischerweise ist es nicht notwendig, dass die Absperreinheit auch von außerhalb der Schleppantenne wieder geöffnet werden kann. D.h., die Absperreinheit kann die Öffnung irreversibel verschließen. Als Absperreinheit kann ein Bolzen o.ä. verwendet werden. Details werden unten bezüglich des entsprechenden Herstellungsverfahrens erläutert.
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Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Schleppantenne mit folgenden Schritten offenbart: Bereitstellen eines Mantels, einer Mehrzahl von Wasserschallwandlern, einem Formstück und eines Abschlusselements; Anordnen der Mehrzahl von Wasserschallwandlern und des Formstücks in dem Mantel, so dass sich zwischen dem Formstück und dem Mantel ein Raum ausbildet; Anordnen eines Drucksensors in dem Raum; Befüllen des Mantels mit einem Fluid derart, dass auch der Raum mit dem Fluid gefüllt ist; Verschließen des Raums mittels des Abschlusselements; Druckbefüllen des Mantels mit dem Fluid, so dass das Fluid außerhalb des Raums einen höheren Druck aufweist als innerhalb des Raums. Das heißt, es erfolgt ein zweistufiges Befüllen des Mantels mit dem Fluid. Zunächst wird der Mantel mit dem Fluid drucklos befüllt. Der Raum füllt sich, beispielsweise durch die Öffnung in dem Formstück, durch die das Fluid innerhalb des Raums und außerhalb des Raums in Kontakt stehen oder durch einen Spalt zwischen Mantel und Formstück, der entsteht, wenn die Pressschellen noch geöffnet sind.
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Nach dem ersten Befüllen wird der Raum durch das Abschlusselement verschlossen. Das Verschließen des Raums kann das Anbringen von einer oder mehreren Pressschellen umfassen. Weist das Formstück jedoch die Öffnung auf, durch die das Fluid innerhalb des Raums und außerhalb des Raums in Kontakt stehen, können die Pressschellen bereits vor dem ersten Befüllen des Mantels mit dem Fluid angebracht sein. In diesem Fall umfasst das Verschließen des Raums mittels des Abschlusselements das Schließen einer Absperreinheit. Die Absperreinheit rastet vorteilhafterweise ein und verschließt so zuverlässig die Öffnung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Schleppantenne in einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2: eine schematische Schnittdarstellung des Abschnitts der Schleppantenne in einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
- 3: eine schematische Schnittdarstellung des Abschnitts der Schleppantenne in einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Schleppantenne 20. Die Schleppantenne 20 umfasst einen Mantel 22, der mit einem Fluid 24, 24' gefüllt ist. Die Bereiche der Schleppantenne, die mit dem Fluid gefüllt sind, sind gepunktet dargestellt. Die unterschiedliche Dichte der Punkte deutet einen unterschiedlichen Druck des Fluids 24 innerhalb des Mantels an. Dies wird nachfolgend genauer beschrieben.
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Innerhalb des Mantels 22 ist eine Mehrzahl von Wasserschallwandlern angeordnet. In dem gezeigten Abschnitt sind dies die Wasserschallwandler 26 und 26'. Weiterhin ist innerhalb des Mantels 22 ein Formstück 28 angeordnet. Das Formstück 28 kann rotationsymmetrisch sein. Es kann beispielsweise mittig eine Bohrung aufweisen, durch die sich das Fluid in dem Mantel verteilen kann. Das Formstück 28 ist so geformt, dass dasselbe in Verbindung mit einem Abschlusselement und dem Mantel 22 einen Raum 32 bildet. Als Abschlusselement sind in 1 zwei Pressschellen 30, 30' gezeigt, die den Mantel 22 fest mit dem Formstück 28 verbinden. Durch die Pressschellen ist es möglich, den Schlauch bei noch nicht festgezogenen Pressschellen ohne externen Druck mit dem Fluid zu befüllen. Das Fluid kann sich dadurch, dass die Pressschellen noch nicht festgezogen sind, auch zwischen Formstück 28 und Mantel 22 verteilen, so dass sich auch der Raum 32 mit dem Fluid füllt. Durch das Festziehen der Pressschellen wird das Fluid 24' innerhalb des Raums von dem Fluid 24 außerhalb des Raums separiert. So kann das Fluid nach dem Festziehen der Pressschellen mit Druck in den Mantel gefüllt werden, ohne in den Raum zu gelangen.
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Innerhalb des Raums 32 weist das Fluid 24' dann einen ersten Druck auf und außerhalb des Raums 32 weist das Fluid 24 einen zweiten Druck auf, der größer ist als der erste Druck. Es sei jedoch angemerkt, dass das Fluid 24' innerhalb des Raums 32 vorteilhafterweise dasselbe Fluid ist, dass sich auch außerhalb des Raums 32 in dem Mantel 22 befindet. In dem Raum 32 ist ferner ein Drucksensor 34 angeordnet, um einen Druck zu detektieren, der außerhalb des Mantels vorliegt. So wird die Schleppantenne 22 typischerweise von einem Wasserfahrzeug, beispielsweise einem Schiff oder einem U-Boot, durch das Wasser gezogen. Zur korrekten Wasserschallmessung mittels der Wasserschallwandler ist es vorteilhaft, die Tiefe zu bestimmen, in der sich die Schleppantenne im Wasser befindet. Dies kann mittels des Drucksensors 34 erfolgen.
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2 zeigt den Ausschnitt des Wasserschallwandlers 20 in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Drucksensor 34 nicht unmittelbar in dem Raum angeordnet ist, sondern innerhalb einer Bohrung 36 in dem Formstück.
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3 zeigt den Ausschnitt des Wasserschallwandlers 20 in einem dritten Ausführungsbeispiel. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Bohrung 36 in dem Formstück den Raum 32 dem restlichen inneren des Mantels verbindet. D.h., die Bohrung durchdringt das Formstück vollständig, so dass eine Öffnung 40 in dem Formstück entsteht. Durch die Öffnung 40 und die Bohrung 36 kann das Fluid 24' innerhalb des Raums sich mit dem Fluid 24 außerhalb des Raums vermischen. Das Abschlusselement weist nunmehr als Absperreinheit einen Bolzen 38 auf. Der Bolzen ist derart relativ zu der Öffnung angeordnet, dass der Bolzen 38 in einem geöffneten Zustand den Kontakt des Fluids 24' innerhalb des Raums mit dem Fluid 24 außerhalb des Raums 32 ermöglicht. In einem geschlossenen Zustand ist das Fluid 24' innerhalb des Raums jedoch von dem Fluid 24 außerhalb des Raums 32 separiert.
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Somit ist es möglich, das Formstück 28 bereits vor dem Befüllen des Mantels 22 mit dem Fluid mittels der Pressschellen 30, 30' fest mit dem Mantel 22 zu verbinden. Ist der Mantel ohne externen Druck mit dem Fluid gefüllt, kann der Bolzen geschlossen werden und unter Druck weiteres Fluid in den Mantel gefüllt werden, ohne dass sich das Fluid 24' innerhalb des Raums 32 mit dem restlichen Fluid 24 vermischt. Die Druckdifferenz bleibt insoweit bestehen.
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Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material weisen die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Schleppantenne
- 22
- Mantel
- 24
- Fluid
- 26
- Wasserschallwandler
- 28
- Formstück
- 30
- Pressschelle
- 32
- Raum
- 34
- Drucksensor
- 36
- Bohrung
- 38
- Absperreinheit (Bolzen)
- 40
- Öffnung in dem Formstück
