DE2109532B2 - Unterwassermesswindensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft 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.

Aus der Druckschrift »Kieler Meeresforschungen«, Bd. 20, Jg. 1964, Heft 2 ist ein Aufsatz von G. Krause und G.Siedler mit dem Titel »Ein System zur kontinuierlichen Messung physikalischer Größen im Meer« bekanntgeworden, in dem zwei derartige auf dem Meeresgrund positionierte Meßstationen beschrieben sind. Beide Meßstationen haben als Kernstück eine elektromotorisch angetriebene Unterwasserwinde, mit der es möglich ist, eine Meßsonde mit Eigenauftrieb in der Vertikalen zu bewegen. Eine derartige Meßsonde kann bis zu vier Meßsensoren enthalten, mit denen in situ-Messungen verschiedener Meeresparameter durchgeführt werden können. Entscheidend für die elektrische Ausrüstung der Unterwasserwinde ist die Aufgabenstellung, die den Einsatzort der Meßstation bestimmt. Eine elektrisch groß dimensionierte Winde ist beispielsweise dann erforderlich, wenn die Auf- und Abwärts zu bewegende Meßsonde die Wassersäule schnell und häufig durchfahren soll. Sie wird dann zweckmäßigerweise in Küstennähe aufgestellt, so daß der verhältnismäßig hohe Energiebedarf der Winde durch eine Kabelverbindung zur Landstation sichergestellt ist. Ebenso werden hierbei dann auch die ermittelten Meßsignale über eine entsprechende Kabelverbindung auf die Registriergeräte der Landstation gesendet. Entsprechend kleiner dimensioniert ist eine zweite Unterwasserwinde, die die zu steuernde Meßsonde als Parameterfolger arbeiten läßt. Hier genügt als Energiequelle für die Winde eine Batterie, so daß ihr Einsatzort an beliebiger Stelle im freien Meeresgebiet erfolgen kann. Zur Übertragung der Meßsignale von dieser Meßstation kann bei küstennaher Po-

sitionierung eine Kabelverbindung gewählt werden, im freien Meeresgebiet wird zur Fortleituag der Meßsignale eine Sendeboje benutzt. Nachteilig für beide Unterwasserwinden ist, daß ihre Gehäuse auf dem Meeresboden stehen, wodurch die Gefahr der Versandung des gesamten Windensystems infolge bodennaher Strömungen besteht Außerdem besteht bei weichem Untergrund die Gefahr des Einsinkens des Systems. Bei der bekannten Ausführungsform der Meßsonde ist ferner von Nachteil, daß die auf der Wasseroberfläche zugekehrten Seite befindlichen Meßsensoren in einer Ebene auf einem Flansch der Sonde angeordnet sind. Durch diese Anbringung entsteht beim Durchfahren der Wasserschichten vor der Sonde ein Stau. Außerdem ist nicht gewährleistet, daß sowohl bei vertikaler als auch horizontaler Anströmung gleiche Meßverhältnisse gegeben sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Unterwasserraeßwindensystem zu konzipieren, das möglichst weitgehend anwendbar für alle ozeanographischen Meßaufgaben einsetzbar ist und

a) unabhängig von der Jahreszeit, den Wetterverhältnissen und dem Seegang ist,

b) nicht gefährdet durch die Schiffahrt ist,

c) die kontinuierliche ungestörte Erfassung der ozeanographischen Parameter in allen Wasserschichten erlaubt,

d) einen geringen Energieverbrauch hat,

e) Anschlußmöglichkeiten an große schwimmende Meßstationen für meteorologische Messungen im Ozean, bzw. in Küstennähe an Landstationen durch Kabel bietet oder im Einsatz als autarkes Meßsystem mit Funkdatenübertragung verwendbar ist,

f) bei bodennaher Positionierung als Geräteträger für Hochseepegel mit großen Meßgenauigkeiten dient, so daß durch die synoptische Erfassung der ozeanographischen Parameter aus den darüberliegenden Wasserschichten der in die Druckmessung eingehende Dichtewert bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, 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 Kugelbehälters 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.

Um ein solches Unterwasser-Meßwindensystem vor dem Einsinken im weichen Untergrund oder vor Versandung durch große bodennahe Strömungen zu schützen, ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Kugelbehälter mit einem entsprechenden Eigenauftrieb versehen und durcli einen drehfreien Seilvorläufer vom Grundanker getrennt. Der in der Länge wählbare Seilvorläufer edaubt die Möglichkeit, das Unterwasser-Meßvöndensystem unabhängig von der Gesamtwassertiefe bis zur vorgesehenen Eihsstztiefe im Meer zu verankern, d. h., bei einer konstruktiven Auslegung der Festigkeit des Systems für eine Wassertiefe von beispielsweise 400 m, kann die Verankerung in größeren Wassertiefen vorgenommen werden, wenn der Seilvorläufer entsprechend gewählt wird. Zwecks Wiederaufnahme des Meßwindensystems wird die Verbindung zwischen Seilvorläufer und Grundanker durch ein akustisches Auslösesystem getrennt, so daß der Kugelbehälter auf Grund seines Eigenauftriebes an die Wasseroberfläche aufschwimmen und von dort an Bord eines Schiffes genommen werden kann. ;

Die Erfindung wird nun an Hand einer in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsform im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht des Unterwasser-Meßwindensystems,

Fig.2 einen Aufriß des Kugelbehälters teilweise im Schnitt,

F i g. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung der Untenvasserwinde im Kugelbehälter,

F i g. 4 einen Aufriß im Schnitt mit einer weiteren Darstellung der Unterwasserwinde im Kugelbehälter gemäß F i g. 2,

F i g. 5 eine Meßsonde mit veränderlichem Auftrieb gemäß F i g. 1.

Das in F i g. 1 dargestellte Unterwasser-Meßwindensystem zeigt im einzelnen den Grundanker 11. den Seilvorläufer 10, den akustischen Auslöser 15, die zylindrische Ringkammer 14, den Kugelbehälter 6, das Kabel 4 sowie die Meßsonde S mit Kugelkopf 13 und Sensoren 12. Sowohl aus strömungstechnischen als auch aus statischen Gründen befindet sich ein Teil des Meßsystems im Kugelbehälter 6. Dies sind die Winde 1, der Elektromotor 3 sowie einige Sensoren, z. B. Hochseepegel und zusätzlicher Temperaturmesser.

Die Energieversorgung sowohl für den Motor 3 als auch für die gesamte Meß- und Steuerelektronik des Systems erfolgt durch die Batterie 17 in der zylindrischen Ringkammer 14.

Gemäß F i g. 2 ist die Windentrommel 1 in einem nach oben offenen und in den Kugelbehälter 6 hineinragenden Zylinder 22 angeordnet. Durch eine wasserdichte Drehdurchführung 2 ist sie antriebsmäßig direkt mit dem Motor 3 verbunden. Zur Durchführung ozeanographischer Messungen wird von dieser Winde ein Kabel 4 auf- und abgespult. An diesem Kabel befinden sich eine oder mehrere Meßsonden 5 mit Eigenauftrieb, die mittels der Winde vertikal die Wasserschichten durchfahren. Da die ozeanographischen Messungen mit diesem System vorzugsweise immer in der Richtung Meeresboden-Wasseroberfläche vorgenommen werden, ist jede einzelne Meßsonde mit ihrer der Wasseroberfläche zugekehrten Seite kugelförmig ausgebildet und mit Sensoren 12 versehen. Gemäß F i g. 1 und 5 sind diese unter einem Raumwinkel von 45" auf dem Kugelkopf 13 angeordnet, daß sowohl bei vertikaler Bewegung der Sonde als auch im stationären Zustand gemessen werden kann. Die Aufgabe der Sensoren 12 kann beispielsweise die Messung von Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit. Stromgeschwindigkeit, Stromrichtung, Trübung, Sauerstoffgehalt und anderes mehr sein.

Die gesamte Meß- und Steuerelektronik ein- trieb versehen. Nach einer Forderung soll gewährleischließlich der Steuerung für die Winde 1 befindet stet sein, daß die zeitlich und räumlich sehr variablen sich weitgehend immer in der obersten Sonde 5, un- Strömungskräfte, die auf das gefierte Kabel 4 und die abhängig von weiteren am Kabel 4 angebrachten Meßsonde 5 wirken, den daraus resultierenden AusSonden. Bei Defekt der Steuerelektronik innerhalb 5 lenkwinkel (umgekehrtes, mathematisches Pendel) dieser Sonde, wird sie durch ein externes Signal an bei vorgegebenen Werten nicht überschreiten läßt, die Wasseroberfläche geschwemmt. Damit ist sicher- Das ist durch eine Veränderung des Auftriebes möggestellt, daß für Wartungs- und Servicearbeiten die Hch, wobei die Größe der Veränderung durch den Sonde ohne Schwierigkeiten an Bord eines Schiffes von der Meßsonde beim Aufwärtsfahren erfaßten geholt werden kann. io Strömungsgeschwindigkeitsmeßwert bestimmt wird.

Die Energieversorgung der Meßsonden 5 mit Ih F i g. 5 ist eine derartige Sonde erfindungsgemäß

Gleichspannung erfolgt über isolierte elektrische Lei- dargestellt.

ter im Kabel 4, die über Schleifringe 16 durch die Demnach besteht der Sondenkörper 5 aus einem

wasserdichte Drehdurchführung 2 mit den Batterien oberen festen Auftriebsteil 19, der gewährleistet, daß

17 in der zylindrischen Ringkammer 14 verbunden 15 die Meßsonde auch im Notfall schwimmfähig bleibt, sind. Der untere Teil stellt den veränderlichen Auftrieb in

Die Meßwertübertragung der von den Meßsenso- Form eines Volumens 20 dar, das mit Gas, vorzugs-

ren 12 ermittelten Daten erfolgt ebenfalls über das weise Ethan, gefüllt ist, das bei allen im Meerwasser

Kabel 4. Hierzu wird die Stahlarmierung des Kabels vorkommenden Temperaturen absolute Unlöslichkeit

benutzt, die isoliert vom Meerwasser, sich unter der 20 im Wasser zeigt und für die vorgesehene Anwendung

äußeren Kunststoffummantelung befindet und den besonders gut geeignet ist.

tragenden Anteil des Kabels bildet. Die Meßdaten, Die stufenlose Veränderung des Auftriebes wird die im Zeitmultiplexverfahren in Form eines Impuls- dadurch erreicht, daß das im Volumen 20 unter nortelegramms an der Sonde 5 durch eine wasserdichte malern Luftdruck befindliche Gas unmittelbar unter Steckverbindung auf die Stahlarmierung übertragen 25 der Wasseroberfläche durch öffnen des sich unten an werden, werden durch induktive Auskopplung an der dem Sondenkörper befindlichen Magnetventils 21, Winde von dem Kabel 4 wieder abgenommen. Das bedingt durch den hydrostatischen Druck, beim Abgeschieht dadurch, daß das Kabel 4 durch eine Spule wärtsfahren der Sonde, nach dem bekannten Gasge-

18 geführt wird, und wobei durch Schließung des setz von Boyle-Mariotte (p. V= R.T = const), Stromkreises durch das Meerwasser ein Rückleiter 30 komprimiert wird. Die hierfür benötigte Energie wird zur Meßsonde 5 und ein Transformator entsteht. Für von der elektromotorischen Winde 1 aufgebracht. In den galvanischen Übergang Kabel/Meerwasser wird dem Volumen 20 befinden sich der hydrostatische der Kunststoffmantel des Kabels 4 an seinem Ende Druck und der Gasdruck stets im Gleichgewicht. Soabgesetzt und an der Windel angeschlossen. Das lange beim Abwärtsfahren das Ventil 10 geöffnet ist, Kabel 4 ist dadurch mit der metallischen Winde 1 35 nimmt das Gasvolumen durch den steigenden Druck, derart elektrisch leitend verbunden, daß sie für das entsprechend dem Gasgesetz ab und damit auch der Meerwasser als Elektrode wirkt. Restauftrieb des Sondenkörpers 5, wobei die Masse

Schließlich zeigen die Fig.3 und4 die Anordnung des Sondenkörpers im Wasser stets konstant bleibt

der Winde 1 im Kugelbehälter 6. Damit das auf die Bei einer von der Strömungsgeschwindigkeit abhän-

Winde auf- bzw. ablaufende Kabel 4 mit der daran 40 gigen Wassertiefe wird das Ventil 21 geschlossen,

befestigten Sonde 5 nicht zusätzlich ein Kippmoment Von diesem Zeitpunkt bleibt der Restauftrieb unver-

auf das nach allen Seiten bewegliche System ausübt, änderlich. Die Gehäusewandstärken des Sondenkör-

ist die Winde um ihren halben Durchmesser? vom pers5 sind entsprechend den Drücken die innen-

Durchmesser 8 des Kugelbehälters versetzt angeord- und außen auftreten ausgelegt

net Dadurch wird die tangential in der Wirkungsli- 45 Ergibt sich die Notwendigkeit, daß der Wert des

nie des Kabels 4 angreifende Kraft 9 kompensiert Auftriebes auf Grund einer Veränderung der Strö-

und das System bleibt im Gleichgewicht. _{mung geändert werden muß} ^ _das j| _tventil

Wie eingangs dargelegt ist die Meßsonde 5 mit 21 unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche wie-

emem festen Eigenauftneb ausgestattet der ausreicht der geöffnet wobei das expandierende Gas auf

die Sonde bei entsprechender Drehnchtung der 50 Grund des geringeren AußendVucks das sich im Vo-

Winde bis an die Wasseroberflache aufschwimmen lumen 20 befindliche Wasser herausdrückt, so daß

zu lassen. Es ,st auch bekannt, daß die Winde erheb- sich der oben beschriebene Vorgang wiederholen

hch mehr Energie benoügt, wenn die Sonde entgegen kann. Durch das Gasgesetz bedingt wird der

ihrem aufwärts geachteten Eigenauftneb abwärts be- Schließvorgang des Ventils in Wassertiefen bis etwa

wegt werden soll. ₅₅ loOm stattfinden da bis zu dieser Tiefe Has Gasvo-

Um diese Energie möglichst klein zu halten, ist die lumen bereits „?«/?<£ a?f£g fch Jn Volumens S-

Sonde noch zusatzlich mit emem veränderlichen Auf- abgesetzt ist. «""""guuicu

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromotorisch angetriebene Winde (1) in einem mit Eigenauftrieb versehenen Kugelbehälter (6) angeordnet ist, der über einen drehfreien Seüvorläufer (10) mit dem Grundanker (11) durch eine extern lösbare Vorrichtung (15) verbunden ist, daß die Trommel der Winde (1) innerhalb eines der Wasseroberfläche zugekehrten, nach oben offenen und in den Kugelbehälter (6) hineinragenden Zylinders (22) angeordnet ist und mit seinem Antrieb über eine wasserdichte Drehdurchführung verbunden ist, daß die Meßsonde (S) einen veränderlichen Auftrieb aufweist und daß die Trommel im Zylinder (22) so angeordnet ist, daß sie selbst um ihren halben Durchmesser (7) von dem Durchmesser (8) des Kugelbehälters entfernt angebracht ist, so daß die Wirkungslinie der Kraft (9) des tangential auf die Winde auf- bzw. ablaufenden Kabels (4) kein zusätzliches Kippmoment auf das nach allen Seiten bewegliche Gesamtsystem ausübt.

2. Unterwasser-Meßwindensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Wasseroberfläche zugekehrte Seite jeder einzelnen Meßsonde (5) kugelförmig ausgebildet und mit Sensoren (12) bestückt ist, die unter einem Raumwinkel von 45° auf dem Kugelkopf (13) angeordnet sind, so daß bei dieser besonderen Anordnung der Sensoren (12) sowohl bei vertikaler Bewegung der Sonde (5) als auch im stationären Zustand gemessen werden kann.

3. Unterwasser-Meßwindensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelbehälter (6) in seinem unteren Bereich von einer zylindrischen Ringkammer (14) umgeben ist, die die gesamte Energieversorgung (17) des Systems aufnimmt.

4. Unterwasser-Meßwindensystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Meß- und Steuerelektronik einschließlich der Windensteuerung immer in der obersten Sonde angeordnet ist, so daß bei Defekt der Steuerelektronik die Sonde (5) durch ein externes Signal an die Wasseroberfläche aufschwimmen kann, damit die Sonde dann zwecks Wartung ohne Schwierigkeiten an Bord eines Schiffes genommen werden kann.

5. Unterwasser-Meßwindensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung der Meßsonde(n) (5) mit Gleichspannung über isolierte elektrische Leiter im Kabel (4) erfolgt, die über Schleifringe (16) durch die wasserdichte Drehdurchführung (2) mit den Batterien (17) verbunden sind.

6. Unterwasser-Meßwindensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zeitmultiplexverfahren über die isolierte Stahlarmierung des Kabels (4) übertragenen Meßdaten der Sonde (S) an der Unterwasserwinde durch induktive Ankopplung (18) nach dem Transformator-Prinzip abgenommen werdeil·

7. Unterwasser-Meßwindensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (S) sich aus einem oben festen Auftriebsteil (19) und einem nach unten anschließenden veränderbaren Auftriebsteil (20) zusammensetzt, wobei letzterer durch den von außen wirkenden hydrostatischen Druck verändert werden kann und mit einem im Meerwasser unlöslichen Gas gefüllt ist

8. Unterwasser-Meßwindensystem nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß die unten am Sondengehäuse (5) befindliche, durch ein Magnetventil (21) verschließbare Einströmöffnung zum veränderbaren Auftriebsteil (20) durch wählbare Stellgrößen, beispielsweise durch die Stromgeschwindigkeit, betätigt wird, wobei das Magnetventil (21) unmittelbar unter der Wasseroberfläche geöffnet und beim Abwärtsfahren der Sonde in vorher bestimmbare Wassertiefen geschlossen wird.