Der Winkelsensor arbeitet mit Hilfe eines magnetoresistiven Sensors ber¨uhrungslos. Er ist in der Lage, ein magnetisches Feld eines diametral magnetisierten Permanentmagneten in eine winkelproportionale Ausgangsspannung zu wandeln. Als Sensor wurde ein KMA200 der Firma NXP eingesetzt. Dieser hochintegrierte Schaltkreis bietet neben einer hohen Genauigkeit und Aufl¨osung die M¨oglichkeit, den Messbereich und den Nullwinkel ¨uber eine digitale Schnittstelle zu programmieren. Drucktests zeigten, dass der Winkelsensor bis zu einem Druck von 600 bar sicher arbeitet. Die maximale Abweichung betrug ¨uber den gesamten Messbereich 0,4°. Auch ein Einfluss der Temperatur konnte nicht nachge-wiesen werden. Durch den einfachen miniaturisierten Aufbau und die Option, den Sensor durch pPogrammieren anpassen zu k¨onnen, erschließt dieser ein weites Feld an potenti-ellen Anwendungen. In der Versuchsplattform DNS Pegel findet der Winkelsensor in der Ruderanlage Anwendung. Dort vermisst er in einem Regelkreis die Stellung der Ruder-stellmodule, die f¨ur die Ansteuerung der Ruder verantwortlich sind.
4 Variables Auftriebstrimmsystem
Die Versuchsplattform DNS Pegel besitzt eine Nutzlastsektion, in die verschiedene Sen-sorsysteme integriert werden k¨onnen. Diese findet bei dem Einsatz der Versuchsplattform DNS Pegel als Profilersystem Anwendung. Zu diesem Zweck wird in die Nutzlastsektion eine Winde mit einem elektrischen Antriebssteller montiert. Das so entstehende System erm¨oglicht der Versuchsplattform, sich entlang einer Leine, die auf dem Meeresboden verankert ist, auf und ab zu bewegen. Die Nutzlastsektion kann zum Beispiel auch f¨ur einen zus¨atzlichen Energiespeicher oder andere Sensoren wie zum Beispiel f¨ur einen ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) genutzt werden. Zwar ist es m¨oglich, den zus¨atzlichen Abtrieb der Nutzlastsektion durch syntaktischen Schaum zu kompensieren, jedoch m¨ uss-te bei jeder ¨Anderung der Sensorausr¨ustung der Auftriebstrimm neu angepasst werden.
Auch der Grundauftrieb der DNS Pegel wird durch syntaktischen Schaum realisiert. Da-zu wird das Fahrzeug vor jeder Mission in einem Wasserbecken statisch getrimmt. Allein das Trimmen nimmt einen Arbeitstag in Anspruch. Aus Sicherheitsgr¨unden wird immer mit mindestens 30 N positivem Auftrieb getrimmt. Diese Maßnahme gew¨ahrleistet in der Versuchsphase immer ein sicheres Auftauchen. In der letzten Ausbauphase des Fahrzeugs ist es jedoch nur sehr schwer m¨oglich es zu trimmen, da kaum noch Volumenreserven f¨ur zus¨atzlichen Auftrieb vorhanden sind. Das Trimmen des Fahrzeugs soll daher zus¨atzlich durch ein variables Auftriebstrimmsystem (VBS) unterst¨utzt werden.
Weiterhin ¨andert sich bei großen Tauchtiefen durch den hydrostatischen Druck die Dich-te von einigen MaDich-terialien, in dem Fahrzeug zum Beispiel die DichDich-te des syntaktischen Schaums. Dabei nimmt die Dichte immer weiter zu, so dass die Gefahr besteht, dass das Fahrzeug bei einer zu großen Dichte¨anderung durchsackt und nicht mehr auftauchen kann.
Dieser Problematik kann durch ein entsprechend dimensioniertes Auftriebstrimmsystem entgegen gewirkt werden. Zu der Dichte¨anderung der Fahrzeugkomponenten kommt noch hinzu, dass auch das Wasser keine konstante Dichte aufweist. Meeresstr¨omungen oder Schichtungen mit unterschiedlichen Temperaturen und Salzgehalt k¨onnen dazu f¨uhren, dass das Fahrzeug auf einer solchen Schicht
”schwimmt“. Auch dies kann durch ein va-riables Auftriebstrimmsystem verhindert werden. Wenn von Auftrieb gesprochen wird, handelt es sich hier um den statischen Auftrieb bzw. genauer die statische Auftriebskraft.
Sie ist in jeder Hinsicht von der dynamischen Auftriebskraft zu unterscheiden.
Die Auftriebskraft resultiert aus dem durch die Gravitation hervorgerufenen Druckunter-schied, zwischen Ober- und Unterseite eines eingetauchten K¨orpers. Stellt man sich einen Quader mit gleicher Kantenl¨ange vor, der senkrecht in eine Fl¨ussigkeit der DichteρFl ge-taucht wird, so wirkt auf alle Fl¨achen der hydrostatische Druck p (siehe Abbildung 4-1).
h1
h2
p(h) A
Fo
Fu
Abb. 4-1 Schematische Darstellung der Entstehung der Auftriebskraft
Der hydrostatische Druck berechnet sich nach
p = ρFl g h (4-1)
Dabei ist g die Erdbeschleinigung mit 9,81 m s−2 und h die Wassertiefe. Demnach wirken auf die gleich großen Fl¨achen Aides Quaders die Kr¨afte Fi= p Ai. Wird von einem idealen inkompressiblen K¨orper und von einer kleinen H¨ohe des K¨orpers ausgegangen, so dass die Kompressibilit¨at der Fl¨ussigkeit vernachl¨assigt werden kann, heben sich die Kr¨afte an den Seitenfl¨achen auf. Allein die Ober- und die Unterseite des Quaders weisen durch den Druckunterschied verschiedene Kr¨afte auf. Die Kraft Fo, die auf die obere Fl¨ache wirkt entspricht
Fo =ρFl g h1 A (4-2)
Auf die Unterseite des Quaders wirkt die Kraft
Fu =ρFl g h2 A (4-3)
Da sich die beiden Fl¨achen in verschiedenen Tiefen befinden, wird klar, dass unterschied-lich große Betr¨age der Kr¨afte auf die Fl¨achen und somit auf den K¨orper wirken. Demnach resultiert eine Kraft, die auf den K¨orper wirkt die Auftriebskraft FA:
FA= Fu−Fo =ρFl g (h2−h1) A (4-4) Da die H¨ohe des Quaders h2−h1 mal der Fl¨ache A dem Volumen VK des K¨orpers ent-spricht, kann die Gleichung 4-4 durch
FA=ρFl VK g (4-5)
ρK > ρ
Fl ρ
K = ρ
Fl ρ
K < ρ
Fl
Auftrieb Schweben Abtrieb
ρK
FGK
FA
FA
FGK
ρK
FA
FGK
ρK ρFl
Abb. 4-2 Unterschiedliche Verh¨altnisse zwischen Auftriebskraft und Gewichtskraft als Folge verschiedener Dichten bei gleichem Volumen
vereinfacht werden. Demnach entspricht die Auftriebskraft der Gewichtskraft FG des von dem K¨orper verdr¨angten Volumens der Fl¨ussigkeit. Dieser Zusammenhang wird das archi-medische Prinzip genannt. Neben der Auftriebskraft wirkt, wie auf jeden K¨orper auf der Erde, die Gewichtskraft FGK. Sie ist der Auftriebskraft entgegen gerichtet und zieht den K¨orper zum Erdmittelpunkt. Je nach Verh¨altnis von Auftriebskraft und Gewichtskraft wird der K¨orper an die Oberfl¨ache steigen, schweben oder zu Boden sinken.
Die der Auftriebskraft entgegen wirkende Gewichtskraft eines K¨orpers K berechnet sich nach
FGK=ρK VK g (4-6)
Stellt man das Kr¨aftegleichgewicht des K¨orpers zwischen Auftriebskraft und Gewichts-kraft auf
FA= FGK =ρFl VK g = ρK VK g (4-7) so wird klar, dass dieses Verh¨altnis nur durch die ¨Anderung der Dichte des K¨orpers oder der Fl¨ussigkeit aus dem Gleichgewicht gebracht werden kann. Der K¨orper verl¨asst dann entsprechend seine Ruhelage und sinkt ab oder steigt in der Fl¨ussigkeit in Richtung Ober-fl¨ache auf (siehe Abbildung 4-2).
Ein K¨orper steigt oder sinkt solange, bis der Gewichtskraft eine Kraft gleichen Betrages entgegenwirkt. Dieses passiert beispielsweise, wenn ein K¨orper durch eine Auftriebskraft, die gr¨oßer als die Gewichtskraft ist durch die Oberfl¨ache der Fl¨ussigkeit hindurch bricht.
Der K¨orper wird soweit aus der Fl¨ussigkeit empor gehoben, bis die Auftriebskraft der Ge-wichtskraft entspricht. Der K¨orper schwimmt in diesem Fall. Wenn hingegen ein K¨orper auf den Boden sinkt, wird er von diesem durch eine entsprechende Gegenkraft aufgehal-ten.
Um auf einen im Wasser schwebenden K¨orper eine Auftriebskraft wirken zu lassen, die den K¨orper aus der Ruhelage zwingt, so dass er steigt, muss nach Gleichung 4-7 lediglich
sein Volumen vergr¨oßert werden. Dies f¨uhrt zu einer ¨Anderung der Dichte des K¨orpers.
Damit verdr¨angt der K¨orper mehr Fl¨ussigkeit und erf¨ahrt somit eine Auftriebskraft.
Die zuvor gezeigten Zusammenh¨ange sind allgemein g¨ultig und k¨onnen ebenso auf Gase angewendet werden. Da sich die druckneutrale Versuchsplattform DNS Pegel im Was-ser bewegt, soll die Fl¨ussigkeit, in der das Fahrzeug eine Auftriebskraft erf¨ahrt, Meer-wasser sein. Ziel des Auftriebstrimmsystems ist es, eine gesteuerte Volumen¨anderung zu vollf¨uhren und somit das Fahrzeug mit positiven Auftrieb bzw. Abtrieb zu versorgen.