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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Messung der Impedanz eines Mediums entlang einer Meßstrecke,
wobei das Medium entweder Meereswasser oder ein Sediment am
Meeresboden oder auch eine Mischung dieser Stoffe ist.
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In jüngster Zeit ist das Interesse am Meeresboden
gewachsen, sei es aus wissenschaftlichen Gründen, sei es für
die Erzprospektion, sei es für die Endlagerung von Abfällen.
Im letzteren Fall müssen die Abfälle in torpedoähnliche
Behälter eingeschlossen werden, die dann auf den Meeresboden an
geeigneten Stellen hinabgelassen werden. Das Gewicht und die
Form der Behälter werden so gewählt, daß hohe
Endgeschwindigkeiten und damit eine große Eindringtiefe des Behälters in das
Sediment am Meeresboden in einer Tiefe von bis zu 5 oder 6 km
erreicht wird.
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Entscheidend für dieses Konzept ist, daß das Loch, das
beim Eindringen des Behälters in das Sediment entsteht,
oberhalb des Behälters sich wieder verfüllt und zur Abdichtung des
Behälters beiträgt. Dieses Erfordernis ist unverzichtbar, da
über einen Zeitraum von mehreren hundert Jahren der Behälter
unweigerlich undicht wird. Falls dies geschieht, darf kein
Material aus dem Behälter ausgewaschen werden und an die
Oberseite des Sediments gelangen. Der Verschluß dieses Lochs ist
also für derartige Untersuchungen von entscheidender
Bedeutung.
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Das Verfüllen des Lochs hängt ab von den
geotechnischen Daten des Meeresbodens, insbesondere der
Sedimentschicht, in die der Behälter eindringt.
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Aufgrund der großen Seetiefe von bis zu 6000 m kann
das Eindringen des Behälters in die Sedimentschicht kaum mit
einer Unterwasserkamera unmittelbar verfolgt werden. In jedem
Fall würde eine solche Unterwasserkamera nur die Situation an
der Sedimentoberfläche offenbaren, nicht aber im Inneren der
Sedimentschicht. Auch eine Probebohrung im Lochbereich nach
dem Eindringen des Behälters würde keine zuverlässigen
Ergebnisse liefern, da man nicht sicher ist, daß die Probebohrung
entlang der Lochachse niedergebracht wird. Dies gilt
insbesondere, da man nicht sicher weiß, ob der Behälter genau
senkrecht in das Sediment eingedrungen ist. Es ist daher
notwendig, am hinteren Ende des Behälters eine Meßvorrichtung zu
befestigen, die gewisse physikalische Eigenschaften des
Lochbereichs mißt. Diese Vorrichtung muß entlang des Lochs, durch
das der Behälter in die Sedimentschicht eingedrungen ist,
verlaufen und die Impedanzmeßdaten über eine Antenne mittels
akustischer Signale an einen Empfänger an der Wasseroberfläche
übertragen.
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Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Vorrichtung
zur Messung gewisser physikalischer Daten des Mediums oberhalb
des Behälters anzugeben, wobei dieses Medium entweder
Meerwasser oder ein Sediment oder eine Mischung beider ist.
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Erfindungsgemäß enthält die Vorrichtung eine Antenne,
die entlang der Meßstrecke verläuft, einen elektrischen
Signalgenerator, der die Antenne speist, und einen Meßkreis zur
Messung der Antennenimpedanz, wobei die Antenne aus einem
zentralen Kern, einer Vielzahl von um den Kern gewundenen
elektrischen Drähten, einer dieser Drähte umgebenden
Isolierschicht und einer Serie von elektrisch leitenden
Litzenabschnitte begrenzter Länge besteht, die um diese Isolierschicht
herum und in gleichmäßigen Längsabständen voneinander
angeordnet sind, wobei die Abschnitte abwechselnd in geradzahlige und
ungeradzahlige Abschnitte eingeteilt werden und wobei jeder
geradzahlige Litzenabschnitt an je einen der Drähte
angeschlossen ist, während alle ungeradzahligen Litzenabschnitte
gemeinsam an einen anderen dieser Drähte angeschlossen sind,
wobei der Generator und der Meßkreis einem programmierbaren
Multiplexschalter zugeordnet sind, der zyklisch Speise- und
Meßkreise zwischen je zwei den geradzahligen Litzenabschnitten
zugeordneten Drähten herstellen kann, während die
ungeradzahligen Litzenabschnitte über den gemeinsamen Leiter dauernd an
Erde liegen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Antenne an einen torpedoähnlichen Behälter angeschlossen,
der durch Schwerkraft in das Sediment am Meeresboden
eindringen soll; in diesem Fall befinden sich der Generator, der
Meßkreis und der Multiplexschalter in dem Behälter, während
das freie Ende der Antenne mit einem Auftriebskörper versehen
ist. Ein Akustiksender ist auch in dem Behälter untergebracht.
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Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels mithilfe der Zeichnungen
erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Antenne für die
erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Fig. 2 zeigt das Impedanzmeßprinzip, auf dem die
Antenne beruht.
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Fig. 3 zeigt schematisch einen
Wechselspannungsgenerator, einen Meßkreis und einen Multiplexschalter, die der
Antenne zugeordnet und im Behälter untergebracht sind.
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Fig. 1 zeigt den oberen Teil eines torpedoförmigen
Behälters 1, der an eine Antenne 2 über eine Klammer 3 und
einen Bolzen 4 mechanisch gekoppelt ist. Die elektrische
Verbindung erfolgt über einen wasserdichten Vielfachstecker 5.
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Das obere Ende der Antenne 2 ist an einen
Auftriebskörper 6 über einen Schwenkschäkel 7 angekoppelt, der eine
freie Kelativdrehung zwischen Auftriebskörper 6 und Antenne 2
erlaubt. Der Auftriebskörper soll außerhalb der
Sedimentschicht bleiben. Er besteht aus einem Metallschaum und besitzt
im wesentlichen Konusform mit einem größten Durchmesser von
etwa 200 mm und einer Länge von 1,3 m.
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Die Antenne besteht aus mehreren übereinanderliegenden
Schichten, die zunehmend von unten nach oben in Fig. 1
entfernt wurden, damit man den Aufbau erkennen kann.
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Die Antenne 2 besitzt einen zentralen Kern von
Kreisquerschnitt mit einem Durchmesser von etwa 7,9 mm. Dieser Kern
muß alle auftretenden Zugspannungen aufnehmen können. Um
diesen
Kern sind vierzehn elektrische isolierte Drähte 9
spiralförmig herumgewunden. Die Antenne besteht aus 25
Längsabschnitten, die je eine Elektrode wie z.B. 10 oder 11
aufweisen. Diese Abschnitte können in geradzahlige und
ungeradzahlige Abschnitte eingeteilt werden, wobei die ungeradzahligen
Abschnitte Schutzelektroden zur Verringerung von die
Meßergebnisse verfälschenden Randeffekten bilden.
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Jeder der zwölf geradzahligen Abschnitte ist einem
eigenen der Drähte 9 zugeordnet, und das Ende dieses Drahtes
ist in Höhe des entsprechenden Abschnitts geschnitten und
abisoliert. Ein weiterer Draht, oder aus
Zuverlässigkeitsgründen zwei Drähte parallel, ist mit allen ungeradzahligen
Elektroden verbunden.
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In Fig. 1 ist im oberen Antennenbereich nur der Kern 8
zu sehen. Dann folgt ein Teil, in dem die vierzehn Drähte 9 zu
sehen sind, die um den Kern herum gewickelt sind. In diesen
Teil sieht man ein abisoliertes Ende 12 eines solchen Drahts,
das an die Elektrode des entsprechenden Abschnitts
angeschlossen werden soll. Im nächstfolgenden Teil sieht man die Antenne
nach dem nächsten Verfahrensschritt ihrer Herstellung,
demgemäß ein Isolierband um die Gesamtheit der Drähte 9 überlappend
aufgewickelt wird. Die freien Enden der Drähte, die die
verschiedenen Elektroden kontaktieren sollen, dringen durch diese
Schicht 13 aus Isolierband hindurch. Im untersten Teil der
Antenne sieht man die Elektroden 10 und 11, die aus Litzen von
Aluminiumdrähten bestehen. Diese Litzen sind an die
zugeordneten Drahtenden 12 angeschweißt. Die axiale Länge der
Elektroden kann beispielsweise 1430 mm betragen, und der Abstand
zwischen zwei benachbarten Elektroden etwa 10 mm.
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Will man ungleichmäßige Durchmesser entlang der Länge
aufgrund der nach unten zunehmenden Zahl von Drähten
vermeiden, können Platzhalter ähnlichen Durchmessers in die Schicht
aus Drähten hinter die jeweiligen Drahtenden wie 12 eingelegt
werden. Schließlich wird der Vielfachstecker 5 an die unteren
Enden der Drähte 9 angeschlossen, und beide Enden der Antenne
2 werden mit einer gegossenen Endarmatur 14 bzw. 15 versehen,
an die der Auftriebskörper 6 bzw. der Behälter 1 angekoppelt
werden kann.
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Nachfolgend wird das Meßprinzip unter Bezugnahme auf
Fig. 2 erläutert. In dieser Figur werden die Elektroden durch
Platten symbolisch dargestellt. Wie oben erwähnt, wirken die
ungeradzahligen Elektroden 11, 11', 11" als Schutzelektroden
und sind alle an eine Erdleitung 16 angeschlossen, während die
Impedanzmessung des die Elektroden umgebenden Mediums durch
Verwendung von jeweils zwei benachbarten geradzahligen
Elektroden wie z.B. die Elektroden 10, 10' erfolgt. Hierzu wird
eine dieser beiden geradzahligen Elektroden, die dann als
Speiseelektrode wirkt, an einen Wechselspannungsgenerator 17
angeschlossen, während die benachbarte geradzahlige Elektrode
10', die dann als Meßelektrode wirkt, an ein Strommeßgerät 18
angeschlossen wird. Die zu messende Impedanz des die Antenne
12 umgebenden Mediums ist durch einen Widerstand 19 symbolisch
dargestellt. Störimpedanzen in Richtung auf die
Schutzelektroden sind durch Widerstände 19a und 19b angedeutet.
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Um die Blindwiderstände aufgrund der Kapazitäten
zwischen der Elektrode und dem Seewasser möglichst zu verringern,
die in Reihe mit den zu messenden Widerständen liegen würden,
ist es günstig, die Betriebsfrequenz so hoch wie möglich zu
wählen. Der Skineffekt und das Erfordernis eines Induktors
hoher Qualität beschränken jedoch die höchstzulässige Frequenz
auf Werte unter 100 Khz.
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Vorzugsweise verwendet man einen
Wechselspannungsgenerator mit konstanter Spannung, da die Störimpedanzen zu dem zu
messenden Widerstand 19 parallel liegen und somit die Messung
im Strommeßgerät 18 nicht beeinträchtigen.
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Fig. 3 zeigt schematisch den Wechselspannungsgenerator
17, das Strommeßgerät 18 und Schaltmittel, mit denen der
Generator und das Meßgerät zyklisch an ein beliebiges Paar
benachbarter geradzahliger Elektroden angeschlossen werden kann. Die
in Fig. 3 gezeigte Schaltung ist innerhalb des Behälters 1
(Fig. 1) angeordnet und an die Antenne über den
Vielfachstekker 5 angeschlossen. Die verschiedenen Kontakte dieses
Stekkers sind in Fig. 3 auf der rechten Seite gezeigt und mit den
Bezugszeichen 19 bis 31 versehen. Die Kontakte 19 bis 28 sind
an die geradzahligen Elektroden wie z.B. 10, 10'
angeschlossen, während der Kontakt 29 als Erdkontakt mit allen
ungeradzahligen Elektroden 11, 11' verbunden ist; zwei weitere
Kontakte 30 und 31 sind permanent mit den beiden dem
Auftriebskörper 6 nächstliegenden geradzahligen Elektroden verbunden,
von denen angenommen wird, daß sie in jedem Fall oberhalb des
Sediments im Wasser bleiben und damit als Bezugs- oder
Vergleichselemente dienen.Die Kapazität zwischen Speiseelektrode
und Schutzelektrode der Antenne wird mit einer Induktivität 37
in Resonanz gebracht. Dadurch wird der gemessene Impedanzwert
rein ohmisch. Trimmkondensatoren und Trimmwiderstände 32 und
33 sind weiter vorgesehen, um Unsymmetrien zwischen den
verschiedenen Paaren von Elektroden auszugleichen.
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Zwei Schaltkontakte werden gemeinsam geschlossen, um
eine Schaltung gemäß Fig. 2 zu realisieren. Diese
Schaltkontakte sind Reed-Relais. Ihre programmierbare Steuerung erfolgt
in einer Steuereinheit, die im unteren Teil von Fig. 3 zu
sehen ist und das Bezugszeichen 36 trägt. Diese Steuereinheit
arbeitet zyklisch, so daß das Meßgerät 18 nacheinander für
alle geradzahligen Elektrodenpaare die Differenz zwischen dem
in der ausgewählten Meßelektrode aufgrund der ausgewählten
Speiseelektrode fließenden Stroms und des Stroms mißt, der von
der Elektrode 30 zur Elektrode 31 fließt (der Bezugsstrom in
Meerwasser oberhalb des Sediments). Die Impedanzwerte können
daraus abgeleitet werden. Diese Ergebnisse werden in einem
Speicher (nicht dargestellt) gespeichert und, falls gewünscht,
über einen (nicht dargestellten) akustischen Sender zur
Wasseroberfläche übermittelt.
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Es könnte wünschenswert sein, in die Antenne 2 selbst
kleine Untersetzungstransformatoren zwischen jeden Draht 9 und
die entsprechende Elektrode 10, 11 in Höhe des Drahtendes 12
einzufügen. Ein Untersetzungsverhältnis von 7:1 führt zu einem
Impedanztransformationsverhältnis von 49:1, so daß der
Meerwasserwiderstand von 0,2Ω auf eine äquivalenten Lastwiderstand
von knapp 10Ω transformiert wird. Ein aus 42 Windungen
bestehender Spartransformator mit einem Abgriff nach sechs
Windungen führt zu einer Primärinduktivität von etwa 1,2 mH und ist
andererseits noch klein genug, um in das Antennenkabel ohne
große Schwierigkeiten integriert zu werden.
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Es kann weiter vorteilhaft sein, falls galvanische,
elektrolytische und Oberflächenverschmutzungseffekte zu
befürchten sind, die Elektroden der Antenne gegen Meerwasser
mithilfe eines um die Elektroden gewickelten Isolierbandes zu
schützen. Dies führt jedoch zu Störkapazitäten von etwa 400 pF
in Reihe mit jeder Elektrode und erfordert eine komplexe
konjugierte Abstimmung der Schwingkreise.