DE2718566A1 - Seeboje - Google Patents

Description

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Anmelder: MARINE EXPLORATION LIMITED, Marex House,

High Street. Cowes, Isle of Wight, England

S e e b ο j e

Die Erfindung bezieht sich auf eine Seeboje, bestehend aus mindestens einem Schwimmkörper mit von der Wasserlinie aus nach oben und nach unten weisenden Stangen, Verankerungsmitteln sowie zwischen Schwimmkörper und Verankerungsmitteln verlaufenden Haltemitteln, ferner mit Messeinrichtungen.

Es sind Bojen bekannt, die häufig auch als Messbojen bezeichnet werden, die auf dem Meer oder dem Ozean (meistens in fester Stellung) schwimmen, um meteorologische und/oder Meeres- (oder ozeanographische) Daten zu sammeln, wie z.B. Windgeschwindigkeit und -richtung, Wellenhöhe, Luftdruck, Meerestemperatur, Lufttemperatur, Meereshöhe, Strömungsgeschwindigkeit und -richtung, wobei diese Werte als Funktion der Zeit gemessen werden.

Eine große Anzahl von Bojen für allgemeine Zwecke, wie auch für den besonderen Zweck, Meereswerte zu sammeln, sind schon bekannt. Obwohl jedoch die Mehrzahl der Messbojen im Betrieb beim Sammeln von Werten für eine

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begrenzte Zahl von Parametern brauchbar 1st, 1st es doch nötig, die Bojen dann zu verbessern, wenn viele Parameter gemessen werden sollen, ohne daß die Größe und Kosten der Boje übermäßig erhöht werden und ohne daß gleichzeitig die Stabilität der Boje und ihre Fähigkeit, unter äußerst schlechten Bedingungen zu arbeiten, verringert wird, wie sie z.B. in Gegenden herrschen, in denen häufig schwere Stürme auftreten.

Es können die folgenden Arten von Seebojen zum Sammeln von meteorologischen und ozeanograph" jhen Werten unterschieden werden.

Die Spierenboje besteht aus einem schlanken schwimmenden Rumpf, der eine Länge von bis zu 90 Metern aufweisen kann. Der größte Teil des Rumpfes befindet sich außerhalb der Wellenzone, und diese Boje unterliegt aufgrund ihrer Trägheit kaum oder nur in geringem Maße vertikalen Verlagerungen unter dem Einfluß des Wellenganges. Daher bilden diese Bojen eine stabile Basis, um eine Meßausrüstung anzubringen; sie besitzen jedoch große Nachteile und können aufgrund ihrer großen Länge nur schwer transportiert werden.

Spierenbojen mit relativ kurzer vertikaler Länge (z.B. von fünf bis fünzehn Metern) besitzen diese Nachteile nicht,

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sie sind jedoch unter dem Einfluß von großen Wellen weniger stabil. Unter diesen Bedingungen richten sie sich nur ungenügend auf, so daß sie von vorübergehenden Wellen zur Seite krängen, weshalb sie für die Messung von Windparametern nicht geeignet sind.

Ein ähnlicher Nachteil tritt auf, wenn die Meßvorrichtungen auf oder in einem kugelförmigen Rumpf angebracht werden, der mit einer Spiere versehen ist. Dieser Rumpf wird bei Wellengang in einem großen Maße pendeln. In der Praxis ist er nur brauchbar, um die Wellenhöhe mittels einer die Beschleunigung messenden Vorrichtung in Verbindung mit einem Doppelintegrator zu messen. Eine einfache Kugel weist ein besseres Verhalten auf, kann jedoch ohne einen Mast nicht zum Messen von Windparametern verwendet werden.

Weiterhin werden Bojen mit schwimmenden Rümpfen von zylindrischer Form und mit Abmessungen, die denen eines kleinen Schiffes entsprechen, zum Tragen von meteorologischen Meßausrüstungen verwendet. Bojen dieser Art folgen den Wellen ebenso wie die kugelförmige Boje. Aufgrund ihrer GrOBe sind sie verhältnismäßig stabil und geeignet, Wind-Parameter, wie Geschwindigkeit und Richtung zu messen. Da sie große Abmessungen besitzten (der Rumpf beträgt zwischen 6 und 15 m

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und die Höhe des Rumpfes reicht von 2 bis zu 3 m), können sie nur mit Schwierigkeiten gehandhabt werden und sind aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichtes teuer in der Herstellung.

Alle bekannten Bojen können als Treibbojen oder, indem sie am Meeres- oder Ozeangrund verankert werden, an einem festen Ort angebracht werden. Die von der Meer- oder meteorologischen Meßausrüstung, die von den Bojen getragen werden, gesammelten Werte werden entweder auf der Boje gesammelt und periodisch durch Bedienungspersonal, das die Bojen mit einem Schiff oder Hubschrauber aufsucht, entfernt oder kontinuierlich oder periodisch mittels Radiowellen an Küstenempfänger übermittelt. Dann werden die Bojen nur zur Wartung und für die Energieversorgung aufgesucht.

Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, eine Seeboje von verhältnismäßig kleinen Abmessungen zu schaffen bzw. weiterzuentwickeln, die verhältnismäßig billig herzustellen und leicht zu handhaben ist, im Betrieb den Wellen folgt, aber trotz ihrer geringen Größe genügend stabil ist, um eine genaue Messung von Parametern über der Meeresoberfläche, wie z.B. Windparametern, Lufttemperatur, Luftdruck, Sichtbedingungen und Niederschlag zu ermöglichen.

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Die Lösung 1st bei einer Seeboje der eingangs beschriebenen Art dadurch gegeben, daß vom Im wesentlichen Zylinderform aufweisenden Schwimmkörper ein Mast sich nach oben und ein Kiel sich nach unten erstrecken und daß der Kiel mindestens aus einer Stange, sowie aus einem an der Stange angebrachten Ballastgewicht besteht.

In Ausgestaltung der Erfindung wird der Kielballast gegenüber dem Schwimmkörper und der Stange durch mindestens drei Verspannungen getragen, die unter Drucklast verspannt sind.

Das Durchmesser/Höhen-Verhältnis des Schwimmkörpers kann zwischen 2 und 6 und sollte vorzugsweise zwischen 3 und 4 liegen.

Der Durchmesser des Schwimmkörpers kann zwischen 2 und 4 m und sollte vorzugsweise zwischen 2 und 3 m betragen.

Die Entfernung zwischen dem Ballastgewicht und dem Schwimmkörper beträgt zwischen 1 und 5 mal den Durchmesser des Schwimmkörpers und vorzugsweise zwischen 2 und 4 mal diesem Durchmesser. Das Ballastgewicht kann zwischen 1/3 und 1/7 betragen und beträgt vorzugsweise zwischen 1/4 und 1/6 des Gesamtgewichtes der Boje.

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Der Schwimmkörper kann mit mindestens einem freien Flutschacht versehen sein, der sich zwischen den flachen Enden des Schwimmkörpers erstreckt und geeignet ist, ein wasserdichtes Modul aufzunehmen, das eine elektronische Ausrüstung trägt.

Im Folgenden wird ein Beispiel der Erfindung in seinen Einzelheiten unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung beschrieben; in dieser bedeuten:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Seeboje mit ihrer Verankerung

am Meeresboden und
Fig. 2 einen Teil der Boje gemäß Fig. 1 in einem größeren Maßstab teilweise als Seitenansicht und teilweise im Querschnitt.

Die in Fig. 1 gezeigte Boje besteht aus einem Schwimmkörper 1, einem Mast 2, einem Kiel 3 und Befestigungsmitteln 4, die den Schwimmkörper 1 mit einer Verankerungsleine 5 verbinden. Der Schwimmkörper 1 trägt eine Vielzahl von Moduln 6, die eine elektronische Ausrüstung enthalten. Einzelheiten über die Weise, mit der die Moduln von der Boje getragen werden, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 der Zeichnung beschrieben.

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Der Mast 2 und der Kiel 3 sind jeweils mit dem Schwimmkörper 1 mittels einer Vielzahl (mindestens 3) von Spannseilen 7 verstrebt, die an dem Schwimmkörper und an dem Kiel und dem Mast auf eine an sich bekannte Weise befestigt sind und daher nicht weiter beschrieben werden müssen. Dasselbe trifft für die Spannmittel zu, die für das Spannen der Spannseile verwendet werden.

Die Spitze des Mastes 2 trägt eine Antenne 8, ein Windgeschwindigkeitsmeßgerät 9 und einen Windrichtungsmesser 10. Alle diese Teile sind von bekannter Konstruktion und sind daher nicht im einzelnen beschrieben. Die Meßgeräte 9 und 10 und die anderen Meßvorrichtungen (nicht dargestellt) stehen mit der elektronischen Ausrüstung in einem der Moduln über wasserdichte elektrische Kabel und Kupplungen (nicht dargestellt) in elektrischer Verbindung.

Der Kiel 3 der Boje besteht aus einer Stange 11 und einem Ballastgewicht 12. Der Kiel kann entweder aus zwei getrennten Teilen oder die Stange und das Ballastgewicht können aus einem Stück bestehen.

Der Kiel 3 besteht nur aus der Stange und dem Ballastgewicht. Besondere Stabilisierungsmittel, z.B. in Form von

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horizontalen Scheiben zur Verhinderung von vertikalen Bewegungen der Boje, oder in Form von sich vertikal erstreckenden Platten zur Verhinderung von Pendelbewegungen der Boje sind nicht erforderlich. Es wurde beobachtet, daß diese Mittel die vertikale Stellung der Boje in unerwünschter Weise beeinflussen, wenn sie der Wasserströmung ausgesetzt ist, weil die festgemachte Boje dann durch die Kraft der Festmacheleine und durch die von der Wasserströmung auf die Stabilisierungsmittel ausgeübte Kraft belastet wird und deshalb krängen würde. Dadurch würde sich die Stellung der Windmeßgeräte 9 und 10 in unvorteilhafter Weise ändern, weil dann Werte gemessen würden, die nicht den herrschenden Windverhältnissen entsprächen.

Damit die erfindungsgemäße Boje an Liegeplätze gebracht werden kann, bei denen ein beträchtlicher Wellengang zu erwarten ist, sind die Abmessungen der Boje sorgfältig gewählt worden, um die Empfindlichkeit der Boje auf von dem Wellengang herrührende Pendelbewegungen zu verringern. Andernfalls würden diese Bewegungen die Meßergebnisse, insbesondere der Meßgeräte ungünstig beeinflussen, die von dem Mast der Boje in verhältnismäßig großer Entfernung über der Wasserlinie getragen werden.

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Das Verhältnis Durchmesser zu Höhe (D/H) des Schwimmkörpers muß zwischen 2 und 6 liegen. Das genaue Verhältnis hängt von der bestimmten Wellenart des Meeres oder Ozeans ab, in dem die Boje verwendet wird. Im allgemeinen wurden gute Ergebnisse mit einem D/H Verhältnis zwischen 3 und 4 erzielt.

Dasselbe gilt für das L/D Verhältnis, das die Beziehung zwischen der Entfernung L, in der der Schwerpunkt des Ballastgewichtes 12 von der Seite des Schwimmkörpers entfernt ist, die dem Ballastgewicht 12 gegenüberliegt und dem Durchmesser D des gesamten Teiles 1 anzeigt. Dieses Verhältnis muß zwischen 1 und 5 liegen. Das genaue Verhältnis hängt von der Wellenart des Liegeplatzes ab, an dem die Boje verwendet wird. Eine gute Stabilität wird mit einem L/D Verhältnis zwischen 2 und 4 erzielt.

Die obigen Verhältnisse machen es möglich, eine Boje mit kleinen Abmessungen zu verwenden, ohne daß ihre Stabilität ungünstig beeinflußt wird. Ein Schwimmkörperdurchmesser zwischen 2 und 4 Metern (vorzugsweise zwischen 2 und 3 Metern) kann verwendet werden, der die Konstruktion einer festen Boje mit Abmessungen ermöglicht, die für leichten Transport und Handhabung klein genug sind.

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's Ballastgewicht muß zwischen 1/3 und 1/7 (vorzugsweise zwischen 1/4 und 1/6) des Gesamtgewichtes der Boje betragen.

Um einem Krängen der festgemachten Boje unter dem Einfluß der Wasserströmung entgegenzuwirken, muß das L/A Verhältnis zwischen 10 und 20 (vorzugsweise zwischen 13 und 16) liegen. Wie oben erwähnt, gibt L die Entfernung zwischen dem Schwerpunkt des Ballastgewichtes 12 und dem Ende des Bojenteiles 1, das dem Ballastgewicht gegenüberliegt, wieder. A entspricht der Entfernung zwischen dem Befestigungsmittel 4 für die Verankerungsieine 5 und dom Umfang des Endes der Boje 1, das dem Mittel 4 gegenüberliegt.

Die Verankerungsleine 5 ist mittels einer Drehkupplung 13 mit der Spannleine 14 verbunden, die sich zwischen einem Gewichtsteil 15 und einer Unterwasserboje 16 erstreckt.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten der Art und Weise, mit der die Moduln 4 von dem Schwimmkörper 1 getragen werden.

Der Schwimmkörper 1 ist eine feste hohle Metallkonstruktion, die sogar bei Sturm auf der Wasseroberfläche schwimmen kann. Das Innere 17 ist zweckmäßigerweise mit einem Kunstharzschaum gefüllt, dessen Poren mit einem Gas bzw. Luft

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gefüllt sind. Der Schwimmkörper kann aus Metall oder verstärktem Kunstharz gefertigt sein.

Zwischen der Endseite 19 und der Endseite 20 des zylindrischen Schwimmkörpers 1 befindet sich ein freier Flutschacht 18, der aus einem röhrenförmigen Teil (das einen kreisförmigen Querschnitt besitzen kann) besteht. In dem Flutschacht 18 hängt ein Modul 4, das mit dem Schwimmkörper auf an sich bekannte Weise verbunden ist. Das Modul 4 besteht aus einem wasserdichten Behälter 21, der an seiner Oberfläche mit einem Hebegriff 22 versehen ist, und der zur Schwimmfähigkeit der Boje beiträgt. Von dem Behälter 21 wird die elektronische Ausrüstung (nicht gezeigt) aufgenommen, die die Meßvorrichtung betätigt, die mit dem auf dem unteren Ende des Behälters 21 befestigten Meßfühler 23 zusammenwirkt. Durch das obere Ende 19 des Behälters 21 geht abgedichtet ein elektrisches Kabel 24 und führt zu der Antenne 8 (siehe Fig. 1).

Die für den Betrieb der elektronischen Ausrüstung benötigte Energie kann von beliebiger Form sein, so z.B. in Form von Batterien, die in den verschiedenen Moduln angeordnet sind, oder von einem getrennten Modul aufgenommen werden, das über elektrische Kabel mit den Moduln verbunden ist, die die elektrische Ausrüstung enthalten.

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Obwohl das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eine Antenne zum Senden der gesammelten Werte an einen sich entweder an Land oder einem sich in der Nähe befindlichen Schiff befindlichen Empfänger besitzt, ist es offensichtlich, daß die Werte auch in digitaler oder analoger Form auf Band in den Moduln aufbewahrt werden können und periodisch gesammelt werden können, indem die Moduln durch Moduln, die einen neuen Bandvorrat enthalten, ersetzt werden.

In vorteilhafter Weise ermöglicht die Art der Befestigung des Meßfühlers 23 die Messung von Unterwasser-Parametern. Falls erwünscht, können weitere Meßfühler am oberen Ende der Moduln zur Messung von Parametern über der Wasserlinie befestigt werden. Meßfühler, die auf der Boje selbst (wie z.B. die Meßfühler 9 und 10 in Fig. 1) oder in einiger Entfernung von der Boje befestigt sind, sind mit einem Modul mittels elektrischer Kabel zur Übermittlung der gemessenen Werte an dieses Modul verbunden.

Eine billige Konstruktion der Boje, die von einer beträchtlichen Gewichtsverringerung der Boje begleitet ist und gleichzeitig ihren leichten Transport und Aufbewahrung ermöglicht, wird dadurch erzielt, daß der Mast 2 und/oder Kiel 3 auf dem Schwimmkörper 1 auf die in Fig. 2 der Zeichnung dargestellte Weise befestigt wird.

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Das untere Ende 20 des Schwimmkörpers 1 besitzt einen Sitz 25, der mit ihm (z.B. durch Schweißen) verbunden ist. Dieser Sitz 25 enthält ein napfförmiges Teil 26 aus einem dehnbaren Stoff (z.B. Gummi). Das obere Ende der Spiere 11 paßt in das napfförmige Teil 26 und wird durch die von den Spannstücken 27 in den Spannseilen 28, mittels derer der Kiel 3 mit dem Schwimmkörper 1 verspannt ist, ausgehende Zugspannung in den Napf gepreßt.

Alternativ wird der Mast 2 mit dem Schwimmkörper 1 mittels eines dehnbaren Napfes 29 in Berührung gehalten, der sich zwischen einem auf das obere Ende 19 des Schwimmkörpers 1 geschweißten Stift 30 und einem Sitz 31 befindet, den das untere Ende des Mastes 2 bildet. Spannstücke 32 in den Spannseilen 33 zwingen das untere Ende des Mastes 2 auf den Schwimmkörper 1.

Die Last zwischen dem oberen Ende 19 und dem unteren Ende 20 des Schwimmkörpers wird von Versteifungsplatten (nicht dargestellt) aufgenommen, die sich in dem Inneren des Schwimmkörpers 1 befinden.

In vorteilhafter Weise verhindern die dehnbaren Näpfe 26 und 29, daß der Schwimmkörper durch Biegemomente belastet

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wird die in Stärke und Richtung veränderlich sind und von seitlichen Lasten stammen, die auf den Mast 2 und den Kiel 3 einwirken. Die feste Befestigung des Mastes und des Kiels auf dem Schwimmkörper 1 würde nachteilige, komplizierte und schwere Konstruktionen erforderlich machen, um einen Ausfall aufgrund Ermüdung dieser Befestigungen zu verhindern, die von den auf letztere einwirkenden abwechselnden Belastungen stammen. Die vorliegende Lösung verhindert diesen Nachteil und führt zu einer Bojenkonstruktion mit den obenerwähnten Vorteilen.

Es ist offensichtlich, daß die beiden wahlweisen Befestigungsmöglichkeiten der Spiere und des Mastes in Fig. 2 nur als Beispiel dargestellt sind. Jede andere Konstruktion, die verhindert, daß die Kupplung zwischen dem Schwimmkörper und dem Mast und/oder Kiel durch Biegemomente belastet wird, wird gute Ergebnisse erzielen. Im allgemeinen wird dies dadurch erreicht, daß dehnbare Mittel zwischen den Schwimmkörper und das untere Ende des Mastes (und/oder das obere Ende des Kieles) gelegt werden. Falls erwünscht, kann ein Stift oder Bolzen seitlich durch den Sitz 25, den dehnbaren Napf 26 und das obere Teil der Spiere 11 geführt werden, solange dieser Stift (oder Bolzen) genügend Spiel hat, um

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zu verhindern, daß er Last zwischen der Spiere und dem

Sitz überträgt. Die Verwendung eines solchen Stiftes (oder Bolzens) kann bei der Anbringung der Spiere an den Schwimmkörper nützlich sein.

Darüber hinaus ist die Verwendung der Boje der Erfindung nicht auf die Weise beschränkt, mit der sie am Meer- oder Ozeangrund festgemacht ist. Es können andere Verankerungssysteme wie das in Fig. 1 gezeigte verwendet werden. Falls erwünscht, kann die Boje auch frei schwimmen.

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Claims (15)

Patentansprüche

1.; Seeboje bestehend aus mindestens einem Schwimmkörper mit von der Wasserlinie aus nach oben und nach unten weisenden Stangen, Verankerungsmitteln sowie zwischen Schwimmkörper und Verankerungsmittel verlaufenden Haltemitteln, ferner mit Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß vom im wesentlichen Zylinderform aufweisenden Schwimmkörper (1) ein Mast (2) sich nach oben und ein Kiel (3) sich nach unten erstrecken und daß der Kiel (3) mindestens aus einer Stange (11) sowie aus einem an der Stange (11) angebrachten Ballastgewicht (12) be s teht.

2. Seeboje nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ballastgewicht (12) gegenüber dem Schwimmkörper (1) und der Stange (11) durch mindestens drei Verankerungen (7) verspannt ist.

3. Seeboje gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesser/Höhe-Verhältnis zwischen 2 und 6 liegt.

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4. Seeboje gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesser/Höhe-Verhältnis zwischen 3 und 4 liegt.

5. Seeboje gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Schwimmkörpers (1) zwischen 2 und 4 Metern beträgt.

6. Seeboje gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Schwimmkörpers (1) zwischen 2 und Metern beträgt.

7. Seeboje gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zwischen dem Ballastgewicht (12) und dem Schwimmkörper (1) zwischen 1 und 5 mal den Durchmesser des Schwimmkörpers (1) und das Verhältnis des Ballastgewichtes (12) zu dem Gesamtgewicht zwischen 1/3 und 1/7 beträgt.

8. Seeboje gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zwischen Ballastgewicht und Schwimmkörper 2 und 4 mal den Durchmesser des Schwimmkörpers (1) und das Verhältnis des Ballastes (12) zum Gesamtgewicht zwischen 1/4 und 1/6 beträgt.

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9. Seeboje gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (4) besitzt, um die Boje an einer Verankerungsleine (5) zu befestigen, die in der Nähe des Umfanges des Schwimmkörpers (1) und an dessen dem Kiel zugewandten Ende befestigt sind, und wobei das Verhältnis zwischen den Entfernungen, in denen das Ballastgewicht (12) und die Befestigungsmittel (4) von dem Schwimmkörper (1) entfernt sind, zwischen 10 und 20 beträgt.

10. Seeboje gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Entfernungen, in denen das Ballastgewicht (12) und die Befestigungsmittel (4) von dem Schwimmkörper (1) entfernt sind, zwischen 13 und 16 beträgt.

11. Seeboje gemäß einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein freier Flutschacht (18) in dem Schwimmkörper (1) angeordnet ist, wobei sich der Flutschacht (18) zwischen den entgegengesetzten Enden des Schwimmkörpers (1) erstreckt und geeignet ist, ein wasserdichtes Modul (4), das eine elektronische Ausrüstung enthält, aufzunehmen.

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12. Seeboje gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Flutschächte (18) einen zylindrischen Querschnitt besitzen.

13. Seeboje gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Mastes (2) oder der Stange (11) , das zum Schwimmkörper (1) gerichtet ist, den Schwimmkörper (1) über dehnbare Mittel (26) berührt.

14. Seeboje gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dehnbaren Mittel (26) einen Sitz (25) umfassen, der mit einem in ihn eingesetzten Stift zusammenwirkt und eine Schicht aus einem dehnbaren Stoff umfaßt, die zwischen dem Stift und den inneren Wänden des Sitzes (25) angeordnet ist.

15. Modul zum Einsetzen in den freien Flutschacht (18) der Boje des Anspruches 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul (4) eine elektronische Ausrüstung enthält, an seinem einen Ende Mittel zur Handhabung besitzt und mindestens einen an seiner anderen Seite befestigten Meßfühler (23) trägt.

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