DE1773342A1

DE1773342A1 - Druckempfindliche Betaetigungsvorrichtung,insbesondere zur Tiefenregelung eines durch Wasser geschleppten Geraetes

Info

Publication number: DE1773342A1
Application number: DE19681773342
Authority: DE
Inventors: Chapman William Leroy John
Original assignee: Continental Oil Co
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1967-05-03
Filing date: 1968-05-02
Publication date: 1971-08-26
Also published as: FR1573197A; US3435797A; BE714515A; NL6803791A; GB1164218A

Description

5733-68/ Dr. ν. 3/E
US-Ser.No. 635,%1
Filed: May j>, I967

Continental Oil Company
Ponca City, Oklahoma, (V.St.A.)

Druckempfindliche Betätigungsvorrichtung, insbesondere zur Tiefenregelung eines durch Wasser geschleppten Gerätes

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine druckempfindliche Betätigungsvorrichtung, insbesondere jedoch nicht ausschließlich zur Tiefenregelung eines durch Wasser geschleppten Gerätes, z.B. eines seismische Schwingungsaufnehmer enthaltenden Kabels.

Vorrichtungen, durch die ein durch das Wasser geschlepptes Gerät automatisch in einer vorgegebenen Tiefe unter der Wasseroberfläche gehalten wird, sind bekannt (USA-Patentschrift 2,465,696). Ein wichtiges Anwendungsgebiet solcher Vorrichtungen ist die seismische Lagerstättenforschung auf See, bei der ein mit seismischen Schwingungsaifnehmern (Hydrophonen) bestücktes Meßkabel von einem Wasserfahrzeug in einer bestimmten Tiefe durch das Wasser geschleppt wird. 10 9 8 3 5/0598. _aAn _Λ

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Die bekannten Vorrichtungen zur Tiefensteuerung, die gelegentlich auch mit "Otter" bezeichnet werden, enthalten eine druckempfindliche Vorrichtung, die Tauchruder betätigt, welche die gewünschte Tiefenregelung bewirken. Es ist ferner bekannt, als druckempfindliche Betätigungsvorrichtung einen Kolben zu verwenden, dessen eine Seite unter der Einwirkung des Wasserdruckes steht, während auf die andere Seite eine Feder einwirkt. Wenn die druckempfindliche Betätigungsvorrichtung für einen größeren Tiefenbereich einstellbar sein soll, nimmt die dem Wasserdruck entgegenwirkende mechanische Feder jecoch relativ große Abmessungen an. Bei großen Kolbenflächen müssen außerdem die Federkräfte entsprechend groß sein, was schwere Federn mit hoher Federkonstante erfordert.

Es ist ferner bekannt, einen durch eine Membrane gehalterten Kolben und ein unter Druck stehendes Luftpolster zum Erzeugen der Gegenkraft zu verwenden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Kolben instabil ist, wenn er nur durch eine Membrane gehaltert ist, wie noch genauer erläutert werden wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine druckempfindliche Betätigungsvorrichtung zu schaffen, bei der keine Instabilitäten auftreten, die leicht auf verschiedene Druck- bzw. Tiefenwerte einstellbar ist, die einen einfachen Aufbau hat und sich durch eine lange und störungsfreie Lebensdauer auszeichnet.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer druckempfindlichen Betätigungsvorrichtung, insbesondere zur Tiefenregelung eines durch V/asser geschleppten Gerätes, mit einem beweglichen Kolben, der durch eine biegsame Membrane :;iit einer Öffnung eines Gehäuses dient verbunden ist, das eine Luftmenge enthält, die im Betrieb eine Rückstellkraft auf die Innenseite des Kolbens ausübt, dadurch erreicht, daß iiiit den Kolben zusätzlich eine seine Lage stabilisierende und ihn in eine Richtung vorspannende Feder verbunden ist.

Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß der Kolben für jede Druckdifferenz zwischen der Umgebung und der im Gehäuse eingeschlossene::· Luft eine ganz bestimmte, definierte Lage einnimmt und eine genaue Betätigung bzw. Regelung erreicht wird.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der Zeicnnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer druckempfindlichen Betätigungsvorrichtung gen:äß der Erfindung, die mit einem Tauchruder einer durch gestrichelte Linien nur angedeuteten Tieferisteuervorrichtung verbunden ist, und

Fig. 'd eine Schnittansicht der Betätigungsvorrichtung in einer Ebene 2-2 der Fig. 1.

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Das in der Zeichnung dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein hohles Gehäuse I'd praktisch beliebiger Form, die dem Anwendungsgebiet entsprechend gewählt werden kann. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise in einer Tiefensteuervorrichtung 14 verwendet werden, die in Pig. 1 durch gestrichelte Linien schematisch dargestellt ist, und eine im wesentlichen kastenförmige, rechteckige Gestalt haben. Andererseits können auch die untere Wand 16 und/oder die Seitenwände gekrümmt und der Wand der Tiefensteuervorrichtung 14 angepaßt sein. Auf alle Fälle hat das Gehäuse 12 eine Wand 18 mit einer öffnung 20, die dem Druck des die Betätigung bewirkenden Mediums ausgesetzt ist, z.B. dem statischen Wasserdruck, wenn die Vorrichtung zur Tiefenregelung verwendet wird. Die Wände des Gehäuses I'd sollen aus einem verhältnismäßig starren Werkstoff, die Metall, bestehen und sich unter der Einwirkung des Umgebungsdruckes möglichst wenig verformen.

Die öffnung 20 wird durch eine biegsame Membrane 2'd verschlossen, der äußerer Rand durch Befestigungselemente 24 am Rand der öffnung 20 befestigt ist. Der Rand der Membrane 22 ist vorzugsweise außerdem noch mit der Wand 18 verklebt oder anderweitig verbunden, so daß eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet ist.

An entgegengesetzten Seiten der Membrane sind zwei Platten 26, 28 angeordnet, die einen Kolben J>0 bilden. Der

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Durchmesser der durch Befestigungselemente 32 oder dgl. verbundenen und sich als Einheit bewegenden, den Kolben 30 bildenden Platten ist kleiner als der Durchmesser der öffnung 20, so daß sich die Platten durch die öffnung bewegen können. Erforderlichenfalls können auch die Platten 26, 28 mit der Membrane 22 verbunden, z.B. verklebt rein.

Die Platten 26, 28 und die Membrane 22 w·. .. a fluchtende öffnungen auf, durch die eine Betätigungsstange 34 reicht, die mit dem Kolben 30, z.B. durch Muttern 36, 38, fest verbunden ist. Die Stange 34, die sich mit dem Kolben 30 bewegt, ist mit irgend einer Anzeige-, Steuer- oder Regelvorrichtung verbunden, je nachdem für welchen Zweck die Betätigungsvorrichtung bestimmt ist. Wenn die Betätigungsvorrichtung 10 in einer Tiefensteuervorrichtung verwendet wird, ist die Stange 34 z.B. mit einem Querhebel 40 verstiftet, der seinerseits an einer Welle 42 für eine oder mehrere Tauchruder 44 befestigt ist, so daß die Tauchruder durch eine Vertikalbewegung der Stange 34 verstellt werden.

Das Gehäuse 12 enthält eine Luftmenge 46, die auf die Membrane Zd und den Kolben 30 eine Kraft ausübt, die der vom Umgebungsdruck ausgeübten Kraft entgegenwirkt. Der Luftdruck im Gehäuse 12 kann mittels eines Ventils 48, das in der Gehäusewand vorgesehen ist, eingestellt werden. Als Ventil 48 kann beispielsweise ein übliches Autoreifenventil dienen, so daß der Druck im Gehäuse Id mittels eines üblichen

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Aufpumpgerätes eingestellt werden kann.

Das innere Ende der Stange J4 weist eine Bohrung 5ü auf, in der ein Ende einer Zugfeder 50 verankert ist, deren anderes Ende an einem festen Punkt, z.B. einen am Gehäuseboden 16 angebrachten Bügel 54 befestigt ist. Die Feder ist nur so stark, daß sie im ganzen Arbeitsbereich der Vorrichtung 10 dauernd eine Vorspannung für die Membrane 22 liefert.

Die Arbeitsweise der beschriebenerJBetätigungsvorrichtung wird in Verbindung mit der in Fig. 1 schematisch dargestellten Tiefensteuervorrichtung 14 beschrieben, da solche Tiefensteuervorrichtungen das bevorzugte Anwendungsgebiet der vorliegenden Betätigungsvorrichtung darstellen. Wie bereits erwähnt wurde, ist die Verwendung der vorliegenden Vorrichtung Jedoch nicht auf solche Tiefensteuervorrichtungen beschränkt, die vorliegende Vorrichtung kann vielmehr z.B. auch zur Anzeige der Höhe eines Luftfahrzeuges oder des Druckes einer Flüssigkeit oder eines Gases verwendet werden.

Bei Verwendung in oinem Tiefensteuergerät wirkt im Betrieb auf die Wand 18 des Gehäuses 12 der von der Tiefe abhängige statische Druck des Wassers ein, durch das die Vorrichtung geschleppt wird. Der Druck der Luft 46 im Gehäuse I'd wird vor Inbetriebnahme auf einen Wort eingestellt, der im wesentlichen gleich dem statischen Wasserdruck in der vorgesehenen Arbeitstiefe der Tiefensteuervorrichtung ist.

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Der Zweck der vorliegenden Betätigungsvorrichtung besteht darin, das Tauchruder 44 so zu verstellen, daß das Tiefensteuergerät 14 in der gewünschten Soll-Tiefe gehalten oder bei Abweichungen auf diese zurückgesteuert wird.

Es sei angenommen, daß das Tauchruder 44 waagerecht stehen muß, wenn sich das Tiefensteuergerät auf der einzuhaltenden Soll-Tiefe befindet, und daß der Luftdruck im Gehäuse Vd vor der Inbetriebnahme auf den Wert des statischen Wasserdruckes in der Soll-Tiefe eingestellt worden ist. Wenn sich das Tiefensteuergerät im Wasser, jedoch oberhalb der Soll-Tiefe befindet, ist der Luftdruck im Gehäuse Vd dann größer als der statische Wasserdruck und die Betätigungsstange 34 wird durch den auf die Membrane 'dd und den Kolben j50 einwirkenden Druckunterschied nach außen bewegt. Die Verbindung zwischen der Stange j54 und dem Tauchruder 44 ist selbstverständlich so ausgelegt, daß das Tauchruder 44 unter diesen Umständen seine Tauchstellung einnimmt, in der es das Tiefensteuergerät abzusenken strebt. Wenn die Vorrichtung dabei unter die Soll-Tiefe gelangt, wird der statische Wasserdruck größer als der Luftdruck im Gehäuse 12, die Betätigungsstange j54 wird in das Gehäuse hinein bewegt und das Tauchruder 44 nimmt seine Auftauchstellung ein, in der die Tiefensteuervorrichtung nach oben gesteuert wird.

Es hat sich gezeigt, daß der nicht unterstützte Teil der Membrane 'd2 zwischen dem Außenrand des Kolbens J>Q und

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dem Rand der öffnung HO verschiedene Stellungen einnehmen kann, wie bei 56 und 58 gestrichelt dargestellt ist, wenn auf den Kolben keine Vorspannung einwirkt. Dieser unerwünschte Effekt rührt vermutlich daher, daß an der Membrane im Betrieb kleine Druckunterschiede auftreten können. Auf alle Fälle verursachen diese zufälligen Verformungen des nicht unterstützten Teiles der Membrane 22, unabhängig von der Erklärung ihrer Ursache, beim Betrieb der Betätigungsvorrichtung eine Art von Hystereseeffekt. Dies bedeutet aber, daß für einen bestimmten statischen Druck eine Reihe möglicher Lagen für die Membrane oder für eine bestimmte Lage der Membrane eine Anzahl verschiedener statischer Drücke existieren. Der .unerwünschte Hystereseeffekt wird bei der vorliegenden Vorrichtung durch eine Vorspannung, z.B. die Vorspannungsfeder 50, beseitigt. Die Größe der durch die Feder 50 erzeugten Vorspannungskraft ist so bemessen, daß auf den entgegengesetzten Seiten der Membrane im ganzen Arbeitsbereich der Betätigungsvorrichtung 10 ein Druckunterschied herrscht. Bei Verwendung der Feder 50 ist daher der nichtunterstützte Teil der Membrane H2 im ganzen Arbeitsbereich der Betätigungsvorrichtung nach außen gewölbt, wie durch die gestrichelten Linien 56 angedeutet ist. Die gewährleistet, daß der Kolben 30 für jeden Wert des auf seine Außenseite und die Außenseite der Membrane einwirkenden statischen Druckes eine genau definierte Lage

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einnimmt und dementsprechend eine genaue Steuerung der Lage des Kolbens sichergestellt ist.

Der Arbeitsbereich kann als der Tiefenbereich definiert werden, indem die Tiefensteuervorrichtung gehalten wird. Wenn man beispielsweise einen Kolben 30, der einen Durchmesser von etwa 76 mm hat, in einer druckempfindlichen Betätigungsvorrichtung für ein Tiefensteuergtiät verwendet, wird dieses Gerät mit einer Abweichung von t ο,ό m auf der Solltiefe gehalten, die z.B. 9m betragen kann. Die Feder ist in diesem Falle so bemessen, daß sie eine Kraft von etwa 2,3 kp auf den Kolben 30 ausübt, wenn eich das Tiefensteuergerät auf der Soll-Tiefe befindet; der oben erwähnte Hystereseeffekt wird dadurch völlig beseitigt.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Zugfeder 50, die eine nach innen gerichtete Kraft auf den Kolben 30 ausübt, können selbstverständlich eine Druckfeder oder eine an einer anderen Stelle angeordnete Zugfeder verwendet werden, die eine nach außen gerichtete Kraft auf den Kolben 30 ausüben. In diesem Falle ist der nicht unterstützte Teil der Membrane '<L'd im Arbeitsbereich des Gerätes dann nach innen gewölbt, wie durch die gestricheltL-en Linien 58 dargestellt ist.

Die flexible Membrane d'd kann, je nach Anwendungszweck der Vorrichtung, aus den verschiedensten Werkstoffen bestehen. Wenn die Vorrichtung in einem Tiefensteuergerät verwendet wird und mit Seewasser in Berührung kommt, sind

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elastomere Werkstoffe, wie Neopren, geeignet.

Die beschriebene Vorrichtung spricht rasch und genau auf Druckunterschiede am Kolben an, ist leicht herzustellen und zu reparieren und hat eine lange Lebensdauer.

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Claims

ratentansprüche

1. Druckempfindliche Betätigungsvorrichtung, insbesondere zur Tiefenregelung eines durch Wasser geschleppten Gerätes, mit einem beweglichen Kolben, der durch eine biegsame Membrane mit einer öffnung eines Gehäuses dicht verbunden ist, das eine Luftmenge enthält, die im Betrieb eine Rückstellkraft auf die Innenseite des Kolbens ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kolben eine lagestabilisierende und ihn in eine Richtung vorspannende Feder (50) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Membrane (22) aus einem elastomeren Werkstoff besteht.

j5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (30) zwei starre Platten (26, 28) enthält, die an entgegengesetzten Seiten des mittleren Teiles der Membrane (22) befestigt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (Id) mit einem Ventil (48) zur Einstellung des Luftdruckes im Gehäuse versehen ist.

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5. Vorrichtung nach eine:;! aer vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß mit dem Kolben (^c) eine Zugfeder (30) verbunden ißt, die eine in da::: Innere des Gehäuse.-; (12) gerichtete Kraft aui' den Kolber: ausübt und so bCTiessen ist, daß sich der nicht unterstützte Teil (56) der !-ien.brane bezüglich des Gehäuses nach auPen wölbt.

6. Vorrichtung naci: einetn der vornergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kclöer. (J/Q) mit einem Tauciiruder (44) einer Vorrichtung (14) zur Regelung der Tiefe eines durch das '..'asser geschleppten Gerätes verbunder: ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge- 1-r. 2 η η ζ e i c h η e t, daß der Kolben (30) i.'iit einer :i;:lcensta:"-gs (^4) verbunder, ist, die über ein Gelenkgetriebe ('■;·-■, K'd) mit de,Ti Tauenruder (44) gekuppelt ist.

In Betracht gezogene

Druckschriften: USA-Patentschrift 2,465,69ο,

ältere Anmeldung C 4^ 6^7 IXb/42c

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