Druckneutrale Sensoren und Aktoren für den Dauereinsatz in Tiefseefahrzeugen

Pressure tolerant sensors and actuators for continuous operation in deep sea vehicles

  • Um dem steigenden Interesse an der Tiefsee nachzukommen, werden kostengünstige und zuverlässige Bauteile für den Aufbau von Unterwasserfahrzeugen be¬nötigt. Dabei liefert die druckneutrale Bauweise völlig neue Möglichkeiten, diesen Anforderungen zu entsprechen. Dies zeigt die vorliegende Arbeit, die sich mit der Entwicklung und dem Aufbau druckneutraler Aktoren und Sensoren für Tiefseefahrzeuge beschäftigt. Insgesamt stellt sich heraus, dass der Aufbau druckneutraler Unterwassereinrichtungen fürUm dem steigenden Interesse an der Tiefsee nachzukommen, werden kostengünstige und zuverlässige Bauteile für den Aufbau von Unterwasserfahrzeugen be¬nötigt. Dabei liefert die druckneutrale Bauweise völlig neue Möglichkeiten, diesen Anforderungen zu entsprechen. Dies zeigt die vorliegende Arbeit, die sich mit der Entwicklung und dem Aufbau druckneutraler Aktoren und Sensoren für Tiefseefahrzeuge beschäftigt. Insgesamt stellt sich heraus, dass der Aufbau druckneutraler Unterwassereinrichtungen für Tauchtiefen bis 6.000 m gegenüber herkömmlichen Druckkörpersystemen Vorteile bietet. Für die Systemintegration und Erprobung der druckneutralen Komponenten wurde ein AUV, die DNS Pegel aufgebaut und mit allen für den autonomen Betrieb nötigen Komponenten ausgerüstet. Sämtliche Bauteile sind ausschließlich in druckneutraler Technik ausgelegt. Labortests belegen, dass die rauen Umweltbedingungen der Tiefsee mit Drücken von über 600 bar und Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt zu keinen Beeinträchtigungen der entworfenen Komponenten führen. Die Robustheit und gute Messgenauigkeit des in dieser Arbeit entwickelten Druck¬sensors zeigt, dass sich die druckneutrale Technologie auch auf Messgeräte anwenden lässt, wobei die druckneutrale Bauweise des Sensors wesentlich dazu beiträgt, die Herstellungskosten zu senken. Er ist im Vergleich zu üblichen Messgeräten leichter und weniger störanfällig, da beispielsweise keine Dichtungen vorhanden sind. Bei den gleichzeitig mit einer CTD-Sonde durchgeführten Messungen in der Tiefsee korrespondierten die Messwerte des Sensors sehr gut mit den Ergebnissen des wesentlich teureren Drucksensors in der CTD-Sonde. Somit bietet der druckneutrale Sensor der Wissenschaft ein neues, kleines und vor allem kostengünstiges Messinstrument, welches in der Meerestechnik seinesgleichen sucht. Das für die Versuchsplattform DNS Pegel entwickelte variable Auftriebstrimmsystem konnte nach umfangreichen Labortests sowie im Einsatz in der Ostsee in Funktion und Leistung überzeugen. Da es sich um eine abgeschlossene Einheit handelt, bietet es mit seinen druckneutralen Komponenten viele Einsatzmöglichkeiten. So ist es neben der Trimmung von Unterwasserfahrzeugen auch möglich, das System zur Erzeugung eines variablen Auftriebs in anderen meerestechnischen Geräten einzusetzen. Hierzu zählen beispielsweise Profilersysteme, die ohne anfällige bewegte Teile durch ein Auftriebstrimmsystem ihre Tauchtiefe ändern können. Anhand der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Ruderanlage, die in der Versuchsplattform DNS Pegel zur Einstellung und Regelung des Fahrzeugkurses eingesetzt wurde, konnte nachgewiesen werden, dass sich druckneutrale Aktoren und druckneutrale Sensoren in einem geschlossenen Regelkreis erfolgreich in der Tiefsee verwenden lassen. Dabei bestehen die Ruderstellmodule aus einem druckneutralen Stellmotor, einem Spindelgetriebe mit geringer Steigung und einem druckneutralen Winkelsensor. Die Konstruktion aus Titan, Edelstahl sowie modernsten Hochleistungskunststoffen zeigte in der DNS Pegel im Verlauf einer Vielzahl von Missionen sowie einem Langzeittest keine Auffälligkeiten hinsichtlich Korrosion oder einer Beeinträchtigung der Funktion durch Biofouling.show moreshow less
  • In order to meet growing interests in deep sea applications, there is a need for affordable and reliable components to build up underwater vehicles. In this respect, an approach of pressure tolerant construction offers completely new opportunites. This is shown in the present thesis which deals with the development and the construction of pressure tolerant actuators and sensors for deep-sea vehicles. Overall it can be stated, that the construction of pressure tolerant systems offers advantages cIn order to meet growing interests in deep sea applications, there is a need for affordable and reliable components to build up underwater vehicles. In this respect, an approach of pressure tolerant construction offers completely new opportunites. This is shown in the present thesis which deals with the development and the construction of pressure tolerant actuators and sensors for deep-sea vehicles. Overall it can be stated, that the construction of pressure tolerant systems offers advantages compared to conventional pressure housings for diving depths up to 6,000 m. A pressure tolerant AUV, the DNS Pegel was constructed for integration and test of the ingredients. The vehicle is equipped with all necessary components for autonomous operation, with the construction of all built-in units solely based on pressure tolerant technology. Laboratory tests have shown that the harsh environmental conditions of the deep sea with pressures of 600 bars and temperatures near the freezing point resulted in no impairment of the components. The robustness as well as the instrument quality of the pressure sensor developed in this thesis shows that the pressure tolerant technology can also be applied to measuring instruments, significantly lowering production costs. Compared to usual measurement devices it is light-weight and less sensitive to interference, due for example to the absence of seals. In deep-sea tests which were performed with a CTD-probe used in parallel, it could be shown that the sensor data corresponded very well with the more expensive pressure sensor in the CTD probe. This pressure tolerant sensor thereby provides a new, small, and above all cost-effective measurement tool for science which is unparalleled in marine technology. The variable buoyancy trim system which was developed for the DNS Pegel test plat¬form yielded convincing results after extensive laboratory tests and its application in the Baltic Sea. The closed system with its pressure tole¬rant components has a variety of applications. The buoyancy trim system may also be used in other offshore equipment, for instance in profiler systems, in order to change its diving depth without any moving parts. The rudder system developed in the framework of this thesis was successfully applied to steer and to control the course of the DNS Pegel, which proves that pressure tolerant actuators as well as pressure tolerant pitch sensors complement each other in a closed loop control system. The rudder control modules consist of a pressure tolerant motor, a spindle gear system with a small pitch and a pressure tolerant angle sensor. The whole construction is made from titanium, stainless steel and high-performance polymer materials. It showed no malfunction due to corrosion or biofouling in the test platform DNS Pegel during a variety of missions and a long-term test.show moreshow less

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Metadaten
Author: Carl Thiede
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-30058
Advisor:Prof. Dr. rer. nat. Heinz Lehr
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/03/31
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Date of final exam:2011/01/28
Release Date:2011/03/31
Tag:AUV; Meerestechnik; Tiefsee; druckneutraler Antrieb; druckneutraler Sensor
AUV; deep sea; ocean engeeneering; pressure tolerant actors; pressure tolerant sensors
Institutes:Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)