LU87124A1 - Vorrichtung zur messung der impedanz eines mediums entlang einer messstrecke - Google Patents

Description

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VORRICHTUNG ZUR MESSUNG DER IMPEDANZ EINES MEDIUMS ENTLANG EINER MESS-STRECKE

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.

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.

Entscheidend für dieses Konzept ist, daß das Loch, das beim Eindringen des Behälters in das Sediment entsteht, oberhalb des Behälters sich wieder verfüllt und zür Abdich-tung 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.

Das Verfüllen des Loches hängt ab von den geotechnischen Daten l - 2 - t des Meeresbodens, insbesondere der Sedimentschicht, in die der Behälter eindringt.

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 Stiuation 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 ge- wisse 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.

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.

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 Isolier- - 3 -

Schicht herum und in gleichmäßigen Längsabständen voneinander angeordnet sind, 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 hersteilen kann, während die ungeradzahligen Litzenabschnitte über den gemeinsamen Leiter dauernd an Erde liegen.

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.

Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mithilfe der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Antenne für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt das Impedanzmeßprinzip, auf dem die Antenne beruht.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Wechselspannungsgenerator, einen Meßkreis und einen Multiplexschalter, die der Antenne zugeordnet und im Behälter untergebracht sind.

Fig. 1 zeigt den oberen Teil eines torpedoförmigen Behälters 1, an eine Antenne 2 über eine Klammer 3 und einen Bolzen 4 - 4 - mechanisch gekoppelt ist. Die elektrische Verbindung erfolgt über einen wasserdichten Vielfachstecker 5.

Das obere Ende der Antenne 2 ist an einen Auftriebskörper 6 über einen Schwenkschäkel 7 angekoppelt, der eine freie Relativdrehung 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.

Die Antenne besteht aus mehreren übereinanderliegenden Schichten, die zunehmend von unten nach oben in Fig. 1 entfernt wurden, damit man den Aufbau erkennen kannn.

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.

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.

In Fig. 1 ist im oberen Antennebereich nur der Kern 8 zu sehen. Dann folgt ein Teil, in dem die vierzehn Drähte 9 zu - 5 - 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.

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.

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 Schutzeleketroden 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 - 6 -

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.

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 Betriebsfreguenz 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.

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.

Fig. 3 zeigt shcematisch den Wechselspanungsgenerator 17, das Strommeßgerät 18 und Schaltmittel, mit denen der Generator und das Meßgerät zyklisch an ein beliebiges Paar benachbarter geradzahliger Elektroden angeschlossen werden können. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung ist innnerhalb des Behälters 1 (Fig. 1) angeordnet und an die Antenne über den Vielfachstecker 5 angeschlossen. Die verschiedenen Kontakte dieses Steckers 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 Auftriebs - 7 - körper 6 nächstliegenden geradzahligen Elektroden verbunden, von denen angenommen wird, daß sie in jedem Pall 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.

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 dargesteltlen) akustischen Sender zur Wasseroberfläche übermittelt.

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 0,2 ^ auf eine äquivalenten Lastwiderstand von knapp 10 52 transformiert wird. Ein aus 42 Windungen bestehender Spartransformator mit einem Abgriff nach % - 8 - 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.

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.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Messung der Impedanz eines Mediums entlang einer Meßstrecke, wobei dieses Medium entweder Meerwasser oder ein Sediment am Meeresboden oder eine Mischung dieser Stoffe ist,dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Antenne (2) aufweist, die entlang der Meßstrecke verläuft, einen elektrischen Signalgenerator (17), der die Antenne speist, und einen Meßkreis (18) zur Messung der Antennenimpedanz, wobei die Antenne aus einem zentralen Kern (8), einer Vielzahl von um den Kern gewundenen elektrischen Drähten (9), einer dieser Drähte umgebenden Isolierschicht (13) und einer Serie von elektrisch leitenden Litzenabschnitte (10, 11) begrenzter Länge besteht, die um diese Isolierschicht herum und in gleichmäßigen Längsabständen voneinander angeordnet sind, wobei jeder geradzahlige Litzenabschnitt (10, 10') an je einen der Drähte angeschlossen ist, während alle ungeradzahligen Litzenabschnitte (11, 11') gemeinsam an einen anderen dieser Drähte angeschlossen sind, wobei der Generator und der Meßkreis einem programmierbaren Multiplexschalter (34, 35, 36) zugeordnet sind, der zyklisch Speise- und Meßkreise zwischen je zwei den geradzahligen Litzenabschnitten zugeordneten Drähten hersteilen kann, während die ungeradzahligen Litzenabschnitte über den gemeinsamen Leiter dauernd an Erde liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (2) an einen torpedoähnlichen Behälter (1) angeschlossen ist, der durch Schwerkraft in das Sediment am Meeresboden eindringen soll, daß der Generator (17), der Meßkreis (18) und der Multiplexschalter (34 bis 36) sich in dem Behälter (1) befinden, während das freie Ende der Antenne mit einem Auftriebskörper (6) versehen ist.