-
Die Erfindung bezieht sich auf die Messung von Zugkräften, die auf ein Zugmittel einer Schleppantenne wirken.
-
Schleppantennen werden u.a. zur Ortung von Objekten unter Wasser eingesetzt. Meist ist die Schleppantenne selbst als passives Sonar ausgebildet. D.h. meist empfängt die Schleppantenne Wasserschall und sendet keine Wasserschallsignale aus. Um mit Schleppantennen Aktivsonar zu betreiben, wird häufig ein weiterer Wasserschallwandler, entweder in einem Schleppkörper oder an Bord eines Wasserfahrzeugs montiert, verwendet, um Wasserschallsignale auszusenden, deren Reflexionen die Schleppantenne empfangen kann. Die Schleppantenne wird üblicherweise mittels eines Zugmittels mit dem ziehenden Wasserfahrzeug verbunden. Weiter befindet sich auch innerhalb der Schleppantenne zumindest ein (weiteres) Zugmittel, um die Zugkräfte, die auf die Schleppantenne wirken, aufzunehmen. Üblicherweise sind auch die Wasserschallwandler an dem Zugmittel innerhalb der Schleppantenne befestigt.
-
Auf die Zugmittel, d.h. sowohl das Zugmittel zur Verbindung der Schleppantenne mit dem ziehenden Wasserfahrzeug als auch auf das/die Zugmittel innerhalb der Schleppantenne wirken bei fahrendem Wasserfahrzeug große Kräfte auf die geschleppte Schleppantenne. Um diese Kräfte zu messen, beispielsweise um die Geschwindigkeit bei zu großen Zugkräften reduzieren zu können bevor ein Zugmittel reißt, werden die Zugkräfte, die auf das/die Zugmittel wirken, gemessen. Bisher ist es hierfür notwendig, die Zugmittel aufzutrennen und in das Zugmittel, als Teil des Zugmittels, einen Kraftsensor einzubauen. Dieser Kraftsensor muss dann fest mit beiden offenen Enden des aufgetrennten Zugmittels verbunden werden, um das Zugmittel wieder zusammenzusetzen. D.h. die Zugseile oder Gurte innerhalb einer Schleppsonaranordnung mussten bisher aufwändig modifiziert werden, um einen Zugkraftsensor für die Schleppkräfte zu integrieren. Hierzu ist es erforderlich, das Zugmittel aufzutrennen, die offenen Enden zu spleißen und mittels eines geeigneten Kraftsensors wieder miteinander zu verbinden. Die Prozedur, um einen herkömmlichen Kraftsensor in eine Schleppsonaranordnung zu integrieren, ist aufwendig und schwächt die Struktur: Jede Unterbrechung ist eine potentielle Bruchstelle in den Zugmitteln. Weiterhin ist ein Einsatz herkömmlicher Kraftsensoren aufgrund der Baugröße dieser Sensoren vor allem in Schleppsonaren mit kleinem Durchmesser schwierig bis unmöglich.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Zugmittel, insbesondere die Messung von Zugkräften auf ein Zugmittel, zu schaffen.
-
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Ausführungsbeispiele zeigen eine Vorrichtung zur Messung einer Kraft auf ein Zugmittel für eine Schleppantennenanordnung. Die Vorrichtung kann auch als Zugmittelanordnung bezeichnet werden. Die Vorrichtung weist das Zugmittel, ein gekrümmtes Formstück, ein Fixierungselement und einen Dehnungssensor auf. Das Zugmittel kann ein Seil oder einen Gurt sein. Ein Seil weist einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf während ein Gurt einen Querschnitt aufweist, der von einem runden Querschnitt abweicht, d.h. der Querschnitt eines Gurts weist in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen unterschiedliche Durchmesser auf. Beispielsweise kann das Gurt einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei sich „im Wesentlichen“ z.B. darauf bezieht, dass das Rechteck abgerundete Ecken haben kann. Das Formstück ist gekrümmt, wenn sich zumindest eine Oberfläche nicht in einer Ebene befindet. In anderen Worten kann das gekrümmte Formstück entweder gebogen (ohne Unstetigkeitsstellen in der Krümmung) oder gewinkelt (mit Unstetigkeitsstellen in der Krümmung), sein.
-
Das Fixierungselement ist ausgebildet, das Formstück derart an dem Zugmittel zu befestigen, dass das Zugmittel durch die Krümmung des Formstücks ebenfalls eine Krümmung erfährt. D.h., bei gespanntem Zugmittel ist dieses nicht linear gestreckt, sondern weicht an der Stelle, an der das Formstück angeordnet ist, eine von der linearen Ausdehnung abweichende Form auf. Das Fixierungselement kann beispielsweise in das Formstück geschraubt werden, um das Formstück an dem Zugmittel zu befestigen. Der Dehnungssensor ist ausgebildet, eine sich durch eine Zugkraft auf das Zugmittel verändernde Krümmung des Formstücks oder des Zugmittels zu detektieren. D.h., durch die Zugkraft verändert sich die Form des Formstücks und die Form es Zugmittels an dieser Position. Diese Formänderung (entweder des Zugmittels oder des Formstücks) kann durch den Dehnungssensor gemessen werden.
-
Als Dehnungssensor kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen oder ein optischer Dehnungssensor verwendet werden oder dieselben aufweisen, wenn beispielsweise mehrere Sensoren, insbesondere unterschiedliche Arten von Sensoren, verwendet werden. Optische Dehnungssensoren verwenden beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter zur Dehnungsmessung.
-
Idee ist es, die Kraft auf das Zugmittel direkt an dem Zugmittel zu bestimmen, ohne dieses auftrennen zu müssen. Hierzu wird ein Teil des Zugmittels aus seinem ursprünglichen geraden Weg mittels des Formstücks herausgeführt, so dass eine Zugkraft auf das Zugmittel dahingehen auf das Zugmittel wirkt, dass das Zugmittel seine ursprüngliche Form wieder einnimmt. Das Formstück wirkt der Zugkraft jedoch entgegen, verformt sich allerdings aufgrund der Zugkraft. Die Verformung kann mittels des Dehnungssensors gemessen werden. Als Formstück eignet sich beispielsweise ein Stück Blech, das gemeinsam mit dem Fixierungselement das Zugmittel deformiert, sodass der Gurt oder das Seil bei Zugbeanspruchung eine elastische Deformation des genannten Blechs verursacht. Diese Deformation verhält sich bei geeigneter Auslegung des Blechs proportional zur Zugkraft im Seil und kann mittels des Dehnungssensors ausgewertet werden.
-
Somit ergibt sich ein sehr kompakter Sensor, d.h. geringer Baulänge und geringer Bauhöhe, der auch in Arrays mit kleinem Durchmesser (d.h. beispielsweise einem Durchmesser von weniger als 10cm, bevorzugt weniger als 7cm, weiter bevorzugt weniger als 4cm) und nur kurzen freien Abschnitten zwischen den Wasserschallwandlern und anderen Elektronikkomponenten integriert werden kann.
-
Ferner wird durch das beschriebene Prinzip eine Schwächung der Zugelemente der Schleppantennenanordnung vermieden. Weiterhin ist ein nachträglicher Einbau oder ein Austausch von Sensoren an beliebigen Stellen der Schleppantennenanordnung möglich.
-
In Ausführungsbeispielen ist das Zugmittel ein Teil einer Schleppantenne der Schleppantennenanordnung. Insbesondere weist das Zugmittel, insbesondere ein Gurt eine Vielzahl von Durchbrüche zur Befestigung von elektrischen Komponenten an dem Zugmittel auf. Die Durchbrüche können in regelmäßigen Abstanden in dem Zugmittel angeordnet sein. Elektrische Komponenten sind z.B. Wasserschallwandler, Analog-Digital-Wandler, Verstärker, o.ä. Zur Aufnahme der elektrischen Komponenten können in der Schleppantenne entsprechende (weitere) Formstücke verwendet werden, die mit dem Zugmittel verbunden werden und die elektrischen Komponenten aufnehmen, um dieselben mit dem Zugmittel zu verbinden. Bevorzugt verwendet das Fixierungselement einen ungenutzten Durchbruch der Vielzahl von Durchbrüchen, um das (ursprüngliche) Formstück (zur Deformation des Zugmittels) mit dem Zugmittel zu verbinden. Ein Durchbruch kann auch als Loch bezeichnet werden. D.h., der vorgestellte Drucksensor kann ohne ein Auftrennen der Zugmittel, vor allem der Zuggurte moderner Schleppantennen, in die Zugmittel integriert werden.
-
Bevorzugt weist die Schleppantenne einen Mantel auf, in dem das Zugmittel geführt ist. Der Mantel kann den Übergang zwischen Schleppantenne und Umgebung der Schleppantenne bilden. Der Mantel kann bevorzugt mit einer Flüssigkeit gefüllt sein. Somit kann beispielsweise ein Auf- bzw. Abtrieb der Schleppantenne eingestellt werden und die Komponenten der Schleppantenne können vor Korrosion und elektrischen Überschlägen geschützt werden.
-
Ergänzend oder alternativ ist das Zugmittel ausgebildet, die Schleppantenne der Schleppantennenanordnung mit einem Wasserfahrzeug zu verbinden, um die Schleppantenne zu ziehen. Somit kann auch eine Zugkraft auf das Zugmittel bestimmt werden, welches das Wasserfahrzeug mit der Schleppantenne verbindet.
-
In Ausführungsbeispielen ist das Formstück derart ausgebildet und mit dem Zugmittel verbunden, dass lediglich eine zentrale Fixierung des Zugmittels auf dem Formstück notwendig ist. In diesem Fall ist das Formstück mit einem einzigen, d.h. genau einem, Fixierungselement an dem Zugmittel befestigt. Somit wird eine sehr einfache Befestigung des Formstücks ermöglicht. Alternativ ist die Anordnung derart ausgebildet, dass die Fixierung des Zugmittels an den zwei distalen Enden des Formstücks geschieht.
-
Als vorteilhaft hat sich die Anbringung des Dehnungssensors auf der dem Zugmittel abgewandten Seite des Formstücks erwiesen.
-
Abhängig von der Form des Formstücks und der Seite des Formstücks, auf der der Dehnungssensor aufgebracht ist, resultiert die Biegung des Formstücks in einer Stauchung des Dehnungssensors oder einer Streckung des Dehnungssensors bei Einwirken einer Zugkraft auf das Zugmittel. In anderen Worten wird das Formstück durch die wirkende Kraft verbogen (aus seiner vorgebogenen Form hin zur geraden Form), wodurch sich auf der einen Seite des Formstücks eine Stauchung und auf der anderen Seite eine Dehnung ergibt. Der Dehnungssensor kann prinzipiell auf beiden Seiten aufgeklebt werden und erfährt daher entweder eine Stauchung oder eine Dehnung.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Kraft auf ein Zugmittel für eine Schleppantennenanordnung, wobei 1a, 1b und 1c unterschiedliche Ausführungen von Formstücken der Vorrichtung zeigen;
- 2: eine schematische perspektivische Darstellung der Vorrichtung in einem Ausführungsbeispiel.
-
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
-
1 zeigt in 1a, 1b, 1c und 1d jeweils eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung 20 zur Messung einer Zugkraft 22 auf ein Zugmittel 24 für eine Schleppantennenanordnung. Die Vorrichtung umfasst neben dem Zugmittel 24 ein gekrümmtes Formstück 26, ein Fixierungselement 28 sowie einen Dehnungssensor 30. Das Fixierungselement 28 befestigt das Formstück 26 derart an dem Zugmittel 24, dass das Zugmittel 24 durch die Krümmung des Formstücks 26 ebenfalls eine Krümmung erfährt. Es sei angemerkt, dass die Krümmung zur besseren Erläuterung sehr prominent dargestellt ist und zur Detektion der Zugkraft auch kleine Krümmungen ausreichen können. Insbesondere sind kleine elastische Betriebsdeformationen vorteilhaft, da in diesem Bereich geringfügiger geometrischer Gestaltänderungen (d.h. Deformationen bzw. Biegungen), ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen wirkender Kraft und Ausgangssignal des Dehnungssensors besteht. Der Dehnungssensor 30 detektiert nunmehr eine sich durch eine Zugkraft 22 auf das Zugmittel 24 verändernde Krümmung des Formstücks 26 oder des Zugmittels 24. In den Figuren ist der Dehnungssensor jeweils auf dem Formstück 26 angeordnet, so dass die veränderte Krümmung des Formstücks 26 gemessen wird.
-
1a zeigt nunmehr einen Ausschnitt einer Schleppantenne 32. In der Schleppantenne 32 verlaufen zwei Zugmittel 24, 24', insbesondere zwei Gurte, mit den Vorrichtung 20, 20' zur Dehnungsmessung. Die Formstücke 26, 26' sind mittels der Fixierungselemente 28, 28' derart an dem Zugmittel 24, 24' angeordnet, dass die Zugkraft 22 auf das Zugmittel 24 eine Stauchung der Oberfläche des Formstücks 26, 26' bewirkt. D.h., jedes Zugmittel 24, 24' wird von einem Dehnungssensor ausgewertet. Neben den Vorrichtungen 20, 20' sind an den Zugmitteln 24, 24' (weitere) Formstücke 34, 34' angeordnet. Mittels der Formstücke 34, 34' können elektrische Komponenten mit den Zugmitteln 24, 24' (mechanisch) verbunden werden.
-
1b zeigt ein Ausführungsbeispiel der Dehnungsmessung mittels eines alternativen Formstücks. Das Formstück 26 ist mittels einer Vielzahl von Fixierungselementen 28a, 28b, ... an dem Zugmittel 24 befestigt. Insgesamt sind, rein beispielhaft, 11 Fixierungselemente dargestellt. So erfolgt eines Formgebung des Zugmittels kontinuierlich über die gesamte Länge des Formstücks 34. Eine Zugkraft 22 bewirkt eine Biegung des, auf der des Zugmittels abgewandten Seite vormals geraden Formstücks 26. Durch die Verwendung der Vielzahl von Fixierungselementen erfährt das Zugelement eine annähernd kontinuierliche Krümmung, was der Festigkeit und der Lebensdauer des Zugelements zu Gute kommt.
-
1c zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der kontinuierlichen Formgebung des Zugmittels 24 über die gesamte Länge des Formstücks 26. Das Zugmittel 24 weist eine Nut 36 auf, deren Form der gewünschten Form des Zugmittels entspricht. In diese Nut 36 ist das Zugmittel 24 eingelegt. Bevorzugt wird das Zugmittel mittels einem oder mehreren Fixierungselementen 28 in der Nut fixiert. So kann das Zugmittel 24 nicht aus der Nut 36 herausrutschen, bevorzugt ist das Formstück 26 dann auch ortsfest mit dem Zugmittel 24 verbunden. Eine ortsfeste Verbindung des Formstücks mit dem Zugmittel kann beispielsweise durch ein Fixierungselement erreicht werden, das durch das Formstück und das Zugmittel geführt ist. Bevorzugt durchdringt das Fixierungselement das Zugmittel an einer Position mit einem bereits vorhandenen Durchbruch.
-
1d zeigt ein Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbeispiel aus 1 b und 1c sehr ähnlich ist. Die Krümmung des Formstücks 30 ist jedoch anders gewählt. In Kombination mit zwei dargestellten Fixierungselementen 28a, 28b ergibt sich daraus, dass das Formstück an zwei diskreten Punkten mit dem Zugmittel verbunden ist. Der Verlauf des Zugmittels folgt dem Verlauf des Formstücks allerdings nicht auf der vollen Länge des Formstücks 26. Der Installationsaufwand ist jedoch geringer als bei dem Ausführungsbeispiel aus 1b. Insgesamt ist der Verlauf des Zugmittels ist jedoch ähnlich zu 1b und 1c gewählt.
-
In den Ausführungsbeispielen aus 1b und 1c wird deutlich, dass mehr als ein Fixierungselement benötigt wird, um das Formstück 30 mit dem Zugmittel 24 zu verbinden. Ferner sei angemerkt, dass in 1b und 1c nur ein Zugmittel der Darstellung aus 1a gezeigt ist. So kann auch die Montage an dem Zugmittel aussehen, dass die Schleppantenne mit dem Wasserfahrzeug verbindet.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 20 in einer schematischen perspektivischen Darstellung, wobei das Ausführungsbeispiel der Darstellung des unteren Zugmittels 24' aus 1a ähnelt.
-
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
-
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
-
Bezugszeichenliste:
-
- 20
- Vorrichtung
- 22
- Zugkraft
- 24
- Zugmittel
- 26
- gekrümmtes Formstück
- 28
- Fixierungselement
- 30
- Dehnungssensor
- 32
- Schleppantenne
- 34
- weiteres Formstück
- 36
- Nut