DE2532042C3 - Anordnung zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffes mittels eines Wendezeigers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anoi ,nung zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffes mittels eines Wendezeigers, insbesondere eines Stimmgabel-Wendezeigers, der starr mit dem Schiff verbunden ist

Wendezeiger nach der Kreisel-, Schwingdraht-, Schwingmassen- oder auch der Stimmgabel-Bauart sprechen primär auf Bewegungen um eine Eingangsachse an. Es ist bekannt, einen Stimmgabel-Wendezeiger starr auf einem Schiff zu befestigen (DE-AS 12 69 398). Die von einem derartigen Wendezeiger gelieferten Daten sind mit erheblichen Fehlern behaftet, die von den Roll- und Nickbewegungen des Schiffes verursacht werden, wenn die Eingangsachse des Wendezeigers nicht genau parallel zur Hochachse des Schiffes ausgerichtet ist. Das gilt auch für eine andere bekannte Wendezeigeranordnung (US-PS 24 55 939), bei der der Stimmgabel-Fühler über Federn schwingungsgedämpft am Fahrzeug befestigt ist

Es wurde daher auch schon vorgeschlagen, einen Wendezeiger an Bord eines Schiffes mittels einer stabilisierten Plattform zu unterstützen, die automatisch und kontinuierlich in ihrer waagerechten Lage gehaltert wird, und zwar ohne Rücksicht auf die Bewegungen des Schiffteiles, beispielsweise der Kommandobrücke, wo die Plattform aufgestellt ist, um, wie bei einem Flugzeug die Wendegeschwindigkeit in der Azimutrichtung zu messen. Auch eine solche kostspielige, stabilisierte Plattform ist keine brauchbare Lösung für das Problem, dem Schiffspersonal sehf genau die Wendegeschwindig* keit unter den verschiedenartigsten Betriebszüstärtden anzuzeigen, allein schon wegen der Tatsache, daß die Azimutgeschwindigkeit eines Schiffteiles, wie der Kommandobrücke sich wegen des Zusammenwirkens von Roll- und Nick-Bewegung ständig ändert Es hat sich gezeigt, daß Schiffe bei Anlegemanövern, Annäherung an Häfen und beim manuellen Steuern eines geraden Kurses nur selten Wendebewegungen ausführen, die 9°/min bzw. 0,15"/see überschreiten. Ein Wendezeiger muß daher ein derartiges Auflösevermögen besitzen, daß von der Bedienungsperson leicht auch ein Bruchteil dieses Maximalwertes erkannt werden kann. Es wurde auch festgestellt, daß die maximale Wendegeschwindigkeit die unter allen deukbaren Bedingungen zu erwarten ist in der Größenordnung von 36°/min liegt Ferner wurde festgestellt, daß eine falsche Ausrichtung des Wendezeigers eine falsche Anzeige bedeutet, beispielsweise etwa 12°/min, also ein Vielfaches des sinnvollen Ausgangssignals des Anzeigeinstrumentes des Wendezeigers, das bei Anlegemanövern etwa l°/min oder beim Anlaufen eines Hafens etwa 3" /min betragen kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffes zu schaffen, bei der diese störende Beeinflussung durch die Roll- und Nickbewegungen des Schiffes auf ein vernachlässigbares Maß herabgesetzt werden kann und die unter den verschiedenartigsten Umständen stets eine genaue Wendegeschwindigkeitsanzeige ergibt Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst

Die erfindungsgeptäße Anordnung ermöglicht es, die Empfindlichkeitsachse des Wendezeigers sehr genau parallel zur Hochachse des Schiffes auszurichten und

den Wendezeiger in dieser ausgerichteten Stellung festzulegen.

Es hat sich gezeigt, daß insbesondere ein bekannter Stimmgabel-Wendezeiger (DE-AS 12 69 398) bei einer erfindungsgemäßen Anordnung von besonderem Vorteil ist da er auf einem Schiff eine sehr lange ungestörte Lebensdauer besitzt und seine mechanischen Teile sehr verschleißfest sind. Außerdem besitzt ein solcher Wendezeiger eine ausgezeichnete Bezugswertstabilität so daß die bei Beginn einer Reise eingestellte genaue Wendegeschwindigkeitsanzeige in den gesetzten engen Grenzen während der ganzen Reise aufrechterhalten wird, auch während des Anlegemanövers am Ende der Reise, das 30 Tage oder später liegen kann. Dies ist besonders wichtig, da das Schiffspersonal sich immer auf diese Anzeigeeinrichtung verlassen können muß.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert
F i g. 1 zeigt schematisch ein mit einer erfindungsge-

mäßen Anordnung ausgestattetes Schiff und die dabei auftretenden Bewegungskomponenten;

Fig. 2 bis 5 zeigen Details der Wendezeiger-Unterstützung;

Fig.6 zeigt Einzelheiten eines Stimmgabel-Wende-

zeigers, wie er vorzugsweise bei einer erfindungsgemäßen Anordnung verwendet wird.

F i g. 1 zeigt ein aus Bug 2 und Heck 3 bestehendes Schiff 1, dessen Mittelstück 6 in seiner waagerechten Lage 6' strichpunktiert eingezeichnet ist Das Schiff 1

führt Schlingerbewegungen um die Schiffslängsachse 8 bzw. Z-Achse aus, außerdem auch Bewegungen um die Nickachse X. Die Hochachse des Schiffes ist mit Y bezeichnet Auf dem Schiff ist ein Wendezeiger 20 starr befestigt, und zwar so, daß seine x-, y- und z-Achsen den

entsprechenden Bewegungsachsen des Schiffes entsprechen. Da ein solcher Wendezeiger im wesentlichen nur auf Bewegungen des Schiffes um eine einzige Achse anspricht, ist die Anordnung so getroffen, daß der

Wendezeiger nur auf Bewegungen des Schiffes um die y-Achse anspricht

Die Drehbewegungen des Schiffes um die V-Achse werden durch das Ruder ohne Rücksicht auf die jeweilige Lage des Schiffes bestimmt. Daher registriert eine ortsfest angeordnete Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung nur Wendegeschwindigkeiten, die in einer Ebene auftreten, in welcher sich die Bewegungen des Schiffs mit Hilfe des Ruders beeinflussen lassen.

Bei den Schunger- und Nickbewegungen, die mit ι ο Hilfe des Ruders nur in einem geringen Maße beeinflußbar sind, handelt es sich definitionsgemäß um Drehbewegungen des Schiffs um die X- bzw. die Z-Achse des Schiffs. Bei entsprechender Anordnung der Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung erfolgen Bewegungen um diese letzteren Achsen stets auch um die x- und die z-Achse der Fühleinrichtung.

Zwar sind Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtungen grundsätzlich so ausgebildet, daß sie nur auf Bewegungen um eine einzige Achse ansprechen, doch sprechen solche Fühleinrichtungen infolge von Werkstoff- und Herstellungsfehlern sämtlich in einem allerdings nur geringeren Ausmaß auf Bewegungen um die beiden übrigen Achsen an. Die Fühleinricfctungen reagieren in der Praxis in einem geringen Ausmaß auch auf Bewegungen um die x- und die z-Achse. Diese Erscheinung wird im folgenden als »Nebenachsenempfindlichkeit« bezeichnet

Bei der Herstellung der Fülleinrichtung wird sorgfältig darauf geachtet, daß diese Nebenachsenemp- jo findlichkeit nur minimal ist Damit dieses wichtige Merkmal nicht verlorengeht, ist es von ebenso großer Bedeutung, daß die Fühleinrichtung innerhalb der vollständigen Instrumentierung genau ausgerichtet wird und daß auch für eine ebenso genaue Ausrichtung des J5 Instruments auf das Schiff gesorgt wird. Eine mangelhafte Berücksichtigung dieses Erfordernisses führt dazu, daß die effektive Nebenachsenempfindlichkeit erheblich höher wird, als sie vom Hersteller für die Fühleinrichtung allein angegeben wird. to

Die Bedeutung der einwandfreien Ausrichtung der Fühleinrichtung bzw. des gesamten Instruments geht aus dem folgenden Beispiel hervor:

Nebenachsenempfindlichkeit

der Fühleinrichtung

Axialer Fluchtungsfehler in

der Nickebene

als Folge ungenauen Einbaus

Schlingerwinkel des Sch'ffs

Schlinge^rperiode

45

1%

5° (Spitzenwert) 10s

Unter der Annahme einer einfachen harmonischen Bewegung gilt folgendes:

Schlingerwinkelverlagerung: Φ = 5° sin wt
Schlingerwinkelgeschwindigkeit:

Φ — 5 sin w/ = iv
df

5 cos wt

55

60

Hieraus folgt: φ'_ηιχ (maximale Schlmgergeschwindig' U)Z

Fehlerhaftes Ausgangssignal = effektive Nebenachsenkopplüng x Schliiigergeschwindigkeit;
jedoch ist die effektive Nebenachsenkopplung gleich 0,01 + sin 3°, so daß sich folgendes ergibt:

Fehlerhaftes Ausgangssignal (Spitzenwert):

(-) = w 5 · (0,01 + sin 3) Grad/s 2 · .τ 5

10

(0,01 +0,052) -60 Grad/min.

iSomit erhält man als Spitzenwert Φ = 11,7°/min.

Aus dem vorstehenden Beispiel ist ersichtlich, daß der Fluchtungsfehler bei der Fühleinrichtung praktisch zu einer Vergrößerung der Nebenachsenempfindlichkeit eirer hochwertigen Fühleinrichtung um einen über 6 Heuenden Faktor führt

Die Wirkung eines axialen Fluchtungsfehlers in der Sciilingerebene wurde in der vorstehenden Berechnung absichtlich unberücksichtigt gelassen. Ein solcher Fluchtungsfehler wirkt sich praktisch ähnlich aus wie ein Fluchtungsfehler bezüglich der Nickachse. Für den Fall, daß man die kombinierten Wirkungen von Nick- und Sctüingerbewegungen berechnet, gel» -. die Regeln der Überlagerung.

Die erforderliche genaue Ausrichtung des Wendezeigers erfolgt mit einer in den Fig.2 bis 5 näher erläuterten Unterstützung 43. Fig.2 zeigt die Vorderseite, F i ν 3 die rechte Seite und F i g. 4 die Unterseite dieser Unterstützung.

Der Wendezeiger 40 ist z. B. mittels Schrauben 41 an einer oberen Platte 42 der Unterstützung 43 befestigt die außerdem eine mittlere Platte 44 u;id eine untere Platte 45 aufweist, welch letztere dazu bestimmt ist, mit dem Körper eines Schiffes starr verbunden zu werdea und die zu diesem Zweck mit drei Öffnungen 46,47 und 48 versehen ist Die obere Platte 42 ist mit der mittleren Platte 44 durch zwei Rollengelenke 49 und 50 verbunden; damit die obere Platte 42 z. B. innerhalb eines Bereiches von 2° zu beiden Seiten der Horizontebene verstellt werden kann. Für die Horizontierung der Platte 42 ist eine Einstelleinrichumg ii mit einem Handrad 52, einer Sicherungsmutter 53 und einer Stellschraube 55 vorhanden. Die mittlere Platte 44 ist mit vier unteren Platte 45 ebenfalls gelenkig verbunden, und zwar mit Hilfe von zwei Kegelgelenken, von denen in F i g. 5 eines in einem vergrößerten Teilschnitt dargestellt ist Eine nach unten ragende Rippe 56 der mittleren Platte 44 ist mit einer zugehörigen, nach oben ragenden Rippe 57 der unteren Platte 45 durch eine Achse 58 verbunden, die mit einer konischen Lagerspitze 59 versehen ist welche in eine konische Bohrung 60 der Rippe 57 paßt Auf die Achse 58 ist eine Mutter 61 aufgeschraubt die durch eine zweite Mutter 62 gesichert ist. Die beiden vorhandenen Kegelgelenke bzw. Spitzenlager ermöglichen es, alle unzulässigen Lcger'.pisle zu beseitigen.

Der Neigungswinkel der mittleren Platte 44 gegenüber der unteren Platte 45, der z.B. gegenüber der Waagerechten nach beiden Seiten um 4° geändert werden kann, läßt sich mit Hilfe einer Einstelleinrichtung 63 einstellen, zu der entsprechend der Einstelleinrichtung 51 ein Handrad 64, eine Sicherungsmutter 65 und eine Stellschraube 67 gehören.

Die Unterstützung 43 ermöglich» es, den Neigungswinkel der Ebene, in welcher der Wertdezeiger angeordnet ist, längs zweier Gelenkachsen einzustellen, die parallel zu den beiden Hauptachsen dieser Ebene verlaufen.

Fig.6 zeigt an einem Schnittbild einen Stimmgabel-Wendezeiger 200, wie er vorzugsweise bei einer

Anordnung nach der Erfindung angewendet wird, Dieser aus einem einzigen Stück bestehende Wendezeiger 200 besteht aus einem Gehäuseabschnitt 201, Stirnwandabschnitte 202 und 203, Seitenwandabschnitte 204 und 205, die in einer zur Zeichenebene Von F i g. 6 im rechten Winkel verlaufenden Ebene eine Dicke von z. B. 36 mm haben können, sowie eine Stimmgabel 206 mit einem Schaft 207 und einem Ausgleichsabschnitt 208. Der Schäftabschnitt 207 erstreckt sich gemäß F i g. 6 zwischen den Stirnwandabschnitten202 und 203 sowie im rechten Winkel dazu, und seme Längsachse ist symmetrisch zu den Seitenwandabschnitten 204 und 205 angeordnet. Öie Zinken 209 und 210 der eigentlichen Stimmgabel 206 schließen sich an einen Querabschnitt 211 an. is

" Die Stimmgabel 206 wird auf elektronischem Wege mit Hilfe einer Anordnung betätigt zu der zwei äußere Elektroden 212 und 213 sowie eine einzige, den Schaftabschnitt 207 umschließende innere Elektrodenkonstruktion 214 gehören. Nahe der Außenseite jedes Zinkenabschnitts 209 und 210 ist ein elektromagnetischer Meßwertgeber 215 bzw. 216 angeordnet, so daß in diesen Meßwertgebern eine schwingende elektromotorische Kraft erzeugt wird, sobald die Zinkenabschnitte Schwingungen ausführen. Die Meßwertgeber 215 und 216 sind auf nicht dargestellte Weise in Reihe geschaltet und an den Eingang eines ebenfalls nicht dargestellten Verstärkers angeschlossen, an dessen Ausgang eine Spannung erscheint, die den Elektroden 212, 213 und 214 zugeführt wird, so daß die Stimmgabel 206 mit einer ihrer Eigenschwingungsfrequenz entsprechenden Frequenz angeregt wird.

Wird die in der beschriebenen Weise angeregte Stimmgabel 206 so angeordnet, daß sich die Achse ihres Schaftabschnitts 207 gemäß F i g. 1 parallel zur V-Achse eines Schiffes erstreckt, und wird sie dann um diese Achse gedreht, treten in dem Schaftabschnitt 207 Torsionsschwingungen auf, deren Amplitude sich nach der Drehgeschwindigkeit richtet Gemäß Fig.6 sind 2wei Meßwertaufnehmer 217 und 218 vorhanden, mittels welcher die Größe und die Phase dieser Torsionsschwingungen ermittelt werden, wobei diese Meßgrößen die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung der Stimmgabel 206 repräsentieren Und auf direktem oder indirektem Wege dargestellt bzw. angezeigt werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffes mittels eines Wendezeigers, insbesondere eines Stimmgabel-Wendezeigers, der starr mit dem Schiff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wendezeiger (20, 40,200) auf der obersten Platte (42) einer aus drei im Abstand übereinander angeordneten Platten (42,44, 45) bestehenden Unterstützung (43) befestigt ist, daß die unterste Platte (45) eine Einrichtung (46, 47, 48) zum Befestigen an dem Schiff (1) aufweist, daß die mittlere Platte (44) mit der untersten Platte (45) durch Gelenke (56—62) mit einer ersten waagerechten Schwenkachse verbunden ist und eine Einrichtung (63) zum Verstellen dieser mittleren Platte (44) um die erste Schwenkachse aufweist, und daß die oberste Platte (42) mit der mittleren Platte (44) durch Gelenke (4S, 50) mit einer zweiten rechtwinklig zu der ersten Schwenkachse veriaufpndeii waagerechten Schwenkachse verbunden ist und eine Einrichtung (51) zum Verstellen der obersten Platte um diese zweite Schwenkachse aufweist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke zwischen der mittleren (44) und der untersten Platte (45) als spielfrei einstellbare Spitzenlager (56 bis 62) ausgebildet sind.