DE3019905A1 - Stroemungsmesser zum messen von meeresstroemungen in grosser tiefe - Google Patents
Stroemungsmesser zum messen von meeresstroemungen in grosser tiefeInfo
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Description
großer Tiefe
Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser zur Messung der
Meeresströmungen, insbesondere bei großen Meerestiefen.
Die Kenntnis der Strömungen im tiefen Meer ist für die Durchführung
von Ölbohrungen auf hoher See wichtig, insbesondere zur Berechnung der Belastungen auf den unter der Wasseroberfläche
"befindlichen Geräten. Auch bei der Mitwirkung von
Tauchern oder Unterwasserfahrzeugen ist es wichtig, die Strömungsgeschwindigkeiten
zu kennen, damit die Arbeit unter guten Sicherheitsbedingungen ausgeführt werden kann. Eine andere Anwendung
besteht in dem Aufsuchen von Knollen oder Klumpen.
Es ist bekannt, die Geschwindigkeit und Richtung der Ströme mittels mit Flügelrädern arbeitenden Strömungsmessern zu
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messen, die durch eine AnkerIeine am -Grund "befestigt
sind.
Die Mangel dieser Vorrichtung bestehen darin, daß sie nur
-eine Punktmessung ergeben., deren Präzision durch mechanische
Reibung der Flügelschraube begrenzt wird, wobei die Tiefe durch die Schwierigkeit der Verwirklichung einer zu langen
Ankerleine begrenzt wird.
Es ist ferner bekannt. Strömungen mittels auf dem Dopplereffekt
beruhenden Sonargeräten auszumessen. Die Nutzsignale
werden durch die Volumenschwingungen der Schallwellen erhalten. Diese Vorrichtungen liefern die Strömungsgeschwindigkeiten
in verschiedenen Tiefenabschnitten mit guter Präzision, sie weisen jedoch den Mangel auf, daß sie für Tiefen von mehr
als 1000 m nicht verwendet werden können, und zwar aufgrund
der Schallwellenabsorption und der Divergenz des von dem
Sonargerät abgestrahlten Bündels,
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Strömungsmessers, der von diesen Mangeln frei ist und das Ausmessen von Strömungen
bei Tiefen von mehr als 6000 m ermöglicht, und zwar für in die Tiefe gerichtete Meßabschnitte einer Dicke zwischen
5 und 40 m und bei einer Präzision der gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 0,15m/s.
Ein Merkmal der Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe besteht
darin, daß die Strömungen mittels eines Körpers kugelförmiger Gestalt ausgemessen werden, der nicht schwimmfähig ist, also
eine höhere Dichte als Wasser aufweist, und der als "Gerät" bezeichnet wird. Dieses Gerät sinkt auf den Meeresboden ab
und steigt dann wieder an·die Oberfläche auf, nachdem es
von seinem Ballast befreit ist, wobei das Gerät dann von dem Schiff, von dem es abgesenkt wurde, wieder aufgenommen wird.
Das Gerät enthält Sender und Empfänger, die mit Antwortbojen
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in Kommunikation stehen, deren Positionen bekannt sind.
Die von dem Gerät empfangenen, aufeinanderfolgenden Signale
werden gespeichert und nach der Wiederaufnahme ausgewertet, um die Strömungsgeschwindigkeit in den verschiedenen Tiefen
zu berechnen.
Der Strömungsmesser zum Ausmessen von Meeresströmungen mittels eines aus einem Schiff abgesenkten Gerätes, das auf den
Meeresboden absinkt und von Strömungen mitgenommen wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß N akustische
Antwortbojen B.., B„, ... B., ... B„ mit N >
2 auf den Meeresboden abgesenkt und geografisch angeordnet sind, daß die Bojen
auf Impulse der von dem Gerät unter Steuerung eines Taktgebers ausgesandten Frequenz f durch Impulse der Frequenzen f., f„,
... f.-, ... F„ ansprechen, daß das Gerät die von allen Bojen
ausgesandten Impulse empfängt, die an Zähler 3O.1, 30.2, ... 30.i, ... 30.N angelegt sind und die jeweilige Laufzeit
. tjf to» **·""*-■■» ··· ^KF zwischen Boje und Gerät bestimmen,
wobei die Abstände r1, r0, ... r., ... r„ zwischen den
Bojen und dem Gerät gegeben sind durch die Beziehung r^ = Ct^,
worin C die Ausbreitungsgeschwindigkeit dor Schallwellen in
dem Milieu ist, daß die aufeinanderfolgenden Werte von r. einem Speicher zugeführt werden, der sich in dem Gerät befindet,
und daß das Gerät, wenn es in einer bestimmten Tiefe anlangt, von Ballast beifreit wird und wieder zur Oberfläche
aufsteigt, wo es von dem Schiff wieder aufgenommen wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des auf den Meeresboden
absinkenden Gerätes, dessen Position in" bezug auf das Schiff auf die Antwortbojen gezeigt ist?
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Fig. 2 Sende- und Empfangseinrichtungen der Antwortbojen;
Fig. 3a, 3b und 3c Sende-, Empfangs- und Verarbeitungseinrichtungen
des Gerätes; und
Fig. 4 eine Darstellung einiger zeitabhängiger Signale der
Anordnung.
Fig. T zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen
Strömungsmessers.
Von einem Schiff 2 ist ein Gerät E versenkt worden, dessen Schwimmvermögen derart ist, daß seine Absinkgeschwindigkeit
einen vorbestimmten Wert V aufweist. Während des Absinkens
wird dieser Schwimmer bzw. dieses Gerät von den Strömungen auf einer Bahn R abgetrieben.
N akustische Antwortbojen B.., ... B., ... Bn, mit N
> 2, sind auf dem Meeresgrund angeordnet, wobei zur Vereinfachung
nur die Bojen B1, B„ und B3 gezeigt sind. Vor dem Versenken
des Gerätes werden die geografischen Positionen der Bojen
nach bekannten Verfahren bestimmt. Das Gerät befindet sich in den Abständen r- , ... r ^, ... rN von den Bojen B-, ... B^,
... Bn, und diese Abstände werden mittels Schallsignalen gemosi>en.
Die aufeinanderfolgenden Worte von r- , ... r., ... rN
werden im Rhythmus eines Taktgebers H- der Periode T- bestimmt,
und gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung werden diese Werte zu einem Speicher geführt, der sich in dem Gerät befindet.
Wenn das Gerät eine bestimmte Tiefe erreicht hat, wird es von seinem Ballast befreit, steigt wieder auf, und
die Abstandsmessungen werden fortgeführt und gespeichert, bis
das Gerät an der Meeresoberfläche angelangt ist.
Die Befreiung von dem Ballast kann durch einen Mechanismus erfolgen, der durch Berührung mit dem Grund gesteuert wird,
oder durch einen vorbestimmten Wasserdruck, oder auch durch
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eine Zeitmeßvorrichtung mit einer vorbestimmten Zeit.
Das Gerät wird dann von dem Schiff wieder aufgenommen, und
der Speicher wird von einem Rechner abgefragt, der die Werte der Strömungen bei allen Tiefen bestimmt. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung enthält das Gerät ein
Manometer/ das die Tiefe mißt. Die von dem Manometer abgegebenen Werte werden ebenfalls gespeichert und können die
Meßpräzision verbessern,'
Die in alle Bojen eingebauten Empfangs/Sende-Einrichtungen
sind in Fig. T schematisch dargestellt. Jede Boje, z.B. die
Boje.B1, enthält ein Unterwasser-Empfangsmikrofon A., das
die Impulse ,der Frqeuenz f aus dem Gerät aufnimmt. Die Signale
werden selektiv im Bereich der Frequenz f verstärkt und von einer Schaltung 20 erfaßt bzw. demoduliert. Die erfaßten
bzw. demodulierten Signale steuern einen Modulator M., der mit einem Generator -Gv; für die Frequenz fv^ verbunden ist.
Die Antwortimpulse werden .Sendewandlern C. zugeführt. Auf
diese Weise sprechen alle Bojen Bv, ... B., ... Bn auf Impulse
an, die.".aus dem Gerät mit der Frequenz f stammen, und zwar
durch Abgabe von Impulsen der Frequenzen f.. , ... fi,... fN,
wobei alle diese Frequenzen voneinander verschieden sind.
Figi 3b zeigt eine Sendeeinrichtung des Gerätes. Ein Generator
G für die Frequenz f ist mit einem Modulator M verbunden, der von einem Taktgeber H.. gesteuert wird. Die erzeugten
Impulse werden an Sendewandler A1-, des Gerätes abgegeben.
Das Empfangs— und Verarbeitungssystem ist in Fig. 3a gezeigt.
Die Unterwasser-Empfängsmikrofone C„ empfangen die Signale
von den Bojen. Die aufgenommenen Signale werden selektiven
Verstärkern F.. , ... F^1 ... Fn zugeführt, die auf die Frequenzen
f ^, ... f., ... f abgestimmt sind, und werden von
Detektoren D erfaßt bzw. demoduliert. Diese erfaßten bzw.
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demodulierten Signale 3.1, ... 3.i, ... 3.N werden auf
Zähler 30»1, ... 30. i, .... 30.N gegeben. Die Zähler empfangen
die Zählimpulse eines Taktgebers H-. Das Startsignal zum Zählen wird von dem Taktgeber H1 geliefert, und das
Stoppsignal wird von dem erfaßten Signal, z.B. von dem Signal
3.i, geliefert. Die Anzahl der gezählten Impulse ist proprortional
der zwischen Senden und Empfangen verstrichenen Zeit.
Die Zählsignale werden im Rhythmus des Taktgebers H, in
einen Speicher 32 überführt, und das Gleiche trifft für die
Druckwerte aus einem Manometer 31 zu.
Fig. 3c zeigt eine Einrichtung zur Verarbeitung nach der Bergung des Gerätes. Der Speicher ist mit einem Rechner 39
verbunden, der die Koordinatenwerte der Bojenpositionen aus
dem Speicher 36 empfängt. Am Ausgang des Rechners 39 werden an der mit 300 bezeichneten Stelle die Werte für die Strömungen in den verschiedenen Tiefen erhalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Speicher
32 mit einem Magnetband, und die Informationen bezüglich der
Bojenpositionen werden über eine Tastatur 36 angegeben, während
die an der mit 300 bezeichneten Stelle abgegebenen Informationen an einen Drucker angelegt werden.
Die Berechnung der Abstandswerte zwischen Schwimmer und Bojen
wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 leicht verständlich, wo das Aussehen einiger Signale gezeigt ist/
Fig. 4a zeigt die Signale des Taktgebers H.. mit der Periode
T-, und Fig. 4b zeigt die positive Einhüllende E^, (f) des
Signals an der Stelle 301 (Fig. 3b) bei der an die Wandler A
angelegten Frequenz f.
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Fig. 4c zeigt die positive Einhüllende des Signals, das von
den ünterwassermikrofonen A. der Bojen B. empfangen wird/ wobei dieses Signal R0 _(f) in Fig. 2 an der mit 22.i be-
T3±E
zeichneten Stelle erscheint. In Fig. .4d ist die positive Einhüllende
des an der Stelle 21.i erscheinenden Antworteignals
der Boje B^, nämlich das Signal Eß E(f^)» dargestellt, das
mit der Frequenz f. zu den Wandlern C. geschickt wird. Fig. 4e zeigt die Einhüllende des von dem Gerät empfangenen Signals
EB.(f.) der Frequenz f1, das an der mit 3.i bezeichneten
Stelle erfaßt wird.
Fig. 4f zeigt die Zählimpulse des Taktgebers H2.
Der Zähler 30.i zählt also die Impulse des Taktgebers H2
(Fig. 4f) während der Zeit t., mit t. = 2ri/C. Darin ist
C die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen, während r. der Abstand zwischen Boje und Gerät ist.
Es wird ein System fester Koordinaten Oxy definiert, das an die Bojen gebunden ist, wobei Oz die Richtung der Senkrechten
ist. Ausgehend von den Werten r-, ... r~r ... r„ bestimmt der
Rechner 39 die Koordinatenwerte x(t), y(t) und z(t) des Gerätes für N
> 3 zur Zeit t.
Die von dem Manometer gelieferten Meßwerte ermöglichen ferner die Kenntnis der Tiefe h(t) und somit eine bessere Präzision
der von dem Rechner 39 berechneten Werte.
Wenn N =2, werden x(t) , y(t) und z(t) ausgehend von den Werten r.. (t) , r2(t) und von h(t) berechnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird N = 4 gewählt,
und das Gerät speichert die Werte r. (t) , r2(t), r.~(t) und
r4(t), die dem Rechner 39 zugeführt werden. Ausgehend von den
Werten r1 (t) , r2 (t) und r^ (t) werden die Positionen x^
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3 ot ms
y(t)~(t) und z^ (U berechnet.
Der Rechner bestimmt ferner ausgehend von.dea Werten r, (t),
r3(tj und r4 (t) die Positionen x(2) (t) , vJ2^ (t) und z(2)(t)
und schließlich berechnet er ausgehend von- den Werten r?(t) ,
r3(t^ und r4(t) die Positionen χ(3^ (t) , y-t3) (t) und 2r(3/(t) .
Unter zusätzlicher Verwertung der Tiefenmeßwerte h(t) über Gin Glättungsverfahren r z.B. nach der Methode der kleinsten
Quadrate/ werden schließlich die Werte der aufeinanderfolgenden Positionen x(t), y(t) und z(t) berechnet.
Ausgehend von diesen Koordinaten bestimmt der Rechner 3 9 die Werte der Geschwindigkeitskomponenten der Strömung in einer
waagerechten Ebene zur Zeit t: ~ und
Zur Berechnung dieser Ableitungen wird bei einer bevorzugten Ausführungsform das sogenannte Rutledge-Verfahren angewandt,
das in dem Werk "The Mathematics of Physics and Chemistry" von H.Margenau und G.M.Murphy; Van Nostrand Company, 1961,
beschrieben ist.
Dieses Rutledge-Verfahren verwertet die aufeinanderfolgenden Wert einer Koordinate, z.B. die Werte xn_2» X n-1' xn+1 und
zur Berechnung von ^? für χ = xft durch die Formel:
T2T~|" f(xn-2 " Xn+2J " &(Xn-1 " 5
Die in Abhängigkeit von der Zeit gefundenen Geschwindigkeitskomponenten der Strömung werden schließlich am Ausgang des
Rechners 39 in Abhängigkeit von der Tiefe h abgegeben, und zwar nach Vergleich zwischen den Werten, die beim Aufsteigen
und beim Absinken des Gerätes gefunden wurden.
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Bei eineffi äusführungsbeispiel sind folgende Werte gewählt!
- Meer es tiefe ^ 6000 in;
-Größe des Bojeflfeldes: 8000 χ 8000 m;
- Sinkgeschwindigkeit des Gerätes! 0/25m/s;
- Dicke des Wasserabschnittes für eine -Messung =* 25 m;
und
- Präzision bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeiti
> 0,15 m/s. "".;.
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Claims (12)
1.^Strömungsmesser bzw. Vorrichtung zum Messen von Meeresströmungen
mittels eines ausgehend von einem Schiff versenkten Gerätes, das auf den Meeresboden absinkt und
von den Strömungen mitgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß N akustische Antwortbojen B1, B-, ... B.,...
Bn,mit N >
2,auf den Meeresboden abgesenkt und geografisch angeordnet sind, daß die Bojen auf Impulse der von dem
Gerät unter Steuerung eines Taktgebers ausgesandten Frequenz f durch Impulse der Frequenzen f^, f~, ... f.,
Fn ansprechen, daß dap. Gerät die von allen Btijen ausgesandten
Impulse empfängt, die an Zähler 30.1, 3Ό.2, ... :30.i, ... 30.N angelegt sind und die jeweilige Laufzeit
t-,■■'-, t2, ... t.,_ ... tN zwischen Boje und Gerät bestimmen,
/wobei die Abstände r-, r2, ... r., ... rN zwischen den
Bojen und dem Gerät gegeben sind durch die Beziehung
r. - Ct., worin C die Ausbreitungsgeschwindigkeit der
Schallwellen in dem Milieu ist, daß die aufeinanderfol-
; genden Werte von r. einem Speicher zugeführt werden, der
sich in dem Gerät befindet, und daß das Gerät, wenn es in einer bestimmten Tiefe anlangt, von Ballast befreit
wird und wieder zur Oberfläche aufsteigt, wo es von dem Schiff wiodor auf-gorionunon wird.
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2.. Strömungsmesser nach Anspruch 1, 'dadurch--gekennzeichnet, daß das Gerät eine im :wes entliehen' kugelförmige
Gestalt aufweist.
3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^
daß das Gerät ein Manometer enthält,- -das die
aufeinanderfolgenden Tiefenwerte des Cerates liefert, und daß diese Werte an Bord dieses Gerätes von dem
Speicher gespeichert werden. ,
aufeinanderfolgenden Tiefenwerte des Cerates liefert, und daß diese Werte an Bord dieses Gerätes von dem
Speicher gespeichert werden. ,
4. Strömungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche,
. dadurch gekennzeichnet, daß N>3 ist und daß nach der
Wiederaufnahme des Gerätes durch das Schiff ein an Bord
des Schiffes befindlicher Rechner zum einen die Werte der geografischen Koordinaten der Bojen B^, B2, ... B^,
... B„ und zum anderen die Werte der von dem Speicher des
Gerätes gelieferten, von der Zeit t abhängigen Abstände
r1 (t) , r2(t), ... T1 (t) , ... rN(t) empfängt und daß der
Rechner die Werte x(t), y(t) und ζ(t) der aufeinanderfolgenden
Koordinaten des Gerätes in bezug auf ein an die Bojen gebundenes Koordinatensystem bestimmt.
5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzahl der Bojen N = 4 ist, daß der Rechner die Worte r.. (t) , r-(t), r-.(t) und r. (t) cmpfänqt, daß
ausgehend von den Werten r- (t) , T2Ct) und r"g (t) der
Rechner die Werte x^ (t) , y^ (t) und z(1' (ty berechnet, daß der Rechner ausgehend von den Werten r* Ct)> r^(t) und r4(t) die Werte x(2) (t) , y(2) (t) und z(2) (t) berechnet und daß der Rechner ausgehend von den Werten
Rechner die Werte x^ (t) , y^ (t) und z(1' (ty berechnet, daß der Rechner ausgehend von den Werten r* Ct)> r^(t) und r4(t) die Werte x(2) (t) , y(2) (t) und z(2) (t) berechnet und daß der Rechner ausgehend von den Werten
r2(t), r3(t) und r4(t) die Werte xK~" (t) , y(3) (t) und
ζ* '(t) berechnet und daß ein Glättungsverfahren ermöglicht,
die Werte von x(t) ausgehend von den aufeinanderfolgenden Werten x(1 ) (t) , x(2) (t) und x(3) (t) , die Werte
von yCt) ausgehend von den aufeinanderfolgenden Werten y(1) (t) , y(2) (t) und y(3) (t) sowie die Werte von z(t)
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ausgehend von den aufeinanderfolgenden Werte ζ
Ct) und ζ * ^ CtJ zu erhalten.
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6. Strömungsmesser nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Tiefenmessungen zur Glättung der Funktionen x(t), Y(t) und ζ (t) verwendet werden.
?. Strömungsmesser nach Anspruch 5/ dadurch gekennzeichnet,
daß zur Berechnung der Werte von x(t), y(tj und
ζ Ct) die Werte r.. (t) r r~(t) und r, (t) beim Aufsteigen
und beim Absinken des Gerätes verwendet werden.
8. Strömungsmesser nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch
gekennzeichnet, daß N = 2 ist und daß die Werte der Koordinaten des Gerätes durch den Rechner ausgehend
von den Werten, r.. und r~ und von dem durch das Manometer
gelieferten Tiefenwert bestimmt werden.
9. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner einer Anzeigevorrichtung die Werte der Horizontalgeschwindigkeiten der Strömung -rr und -rfr in
Abhängigkeit von der Tiefe liefert.
TO. Strömungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät eine Vorrichtung
zur Befreiung von Ballast aufweist, die durch die Berührung des Gerätes mit dem Grund ausgelöst wird, wodurch
das Aufsteigen des Gerätes an die Oberfläche verursacht
wird.
11. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät eine Vorrichtung
zur Befreiung von Ballast aufweist, die durch eine Druckmesservorrichtung
ausgelöst wird, die auf eine vorbestimmte Eintauchtiefe eingestellt ist und das Auftauchen
des Gerätes an die Oberfläche verursacht.
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12. Strömungsmesser nach, einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät eine Vorrichtung zur Befreiung von Ballast aufweist, die durch eine
Zeitmeßvorrichtung ausgelöst wird, die auf eine gegebene
Zeit eingestellt ist und das Aufsteigen des Gerätes an die Oberfläche verursacht.
030048/0947
Applications Claiming Priority (1)
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