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Verfahren zur Steuerung magnetischer Eigenschutzanlagen von Schiffen
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Steuerung der magnetischen Eigenschutzanlagen
von Schiffen.
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Fahrzeuge, vornehmlich Sclliffe mit magnetisierbaren Teilen, sind
wegen des durch diese Teile erzeugten magnetischen Störfeldes durch die darauf ansprechenden
Magnetminen gefährdet. Es wird daher angestrebt, das durch das Schiff erzeugte magnetische
Störfeld durch geeignete, im Schiff angebrachte, stromdurchflossene Spulenanordnungen
zu kompensieren. Das durch das Schiff hervorgerufene magnetische Störfeld läßt sich
in 6 Anteile zerlegen. 3 Anteile werden durch die 3 permanenten magnetischen Momente
in den 3 Koordinatenrichtungen des Schiffes erzeugt. Die 3 weiteren Anteile des
magnetischen Störfeldes werden durch die 3 durch das magnetische Erdfeld induzieren
magnetischen Momente in den 3 Koordinatenrichtungen des Schiffes erzeugt. Den vorstehend
genannten 6 Anteilen des magnetischen Störfeldes, z. B. unterhalb des Schiffes,
entsprechen 6 Kompensations-Spulensysteme im Schiff.
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Da das durch das magnetische Erdfeld induzierte magnetische Moment
in Komponenten in den 3 Koordinatenrichtungen des Schiffes zerlegt wird, müssen
die dem induzierten magnetischen Moment entsprechenden Kompensationsspulen-Systeme
von Kompensationsströmen durchflossen werden, die den Komponenten des magnetischen
Erdfeldes in den 3 Koordinatenrichtungen des Schiffes proportional sind.
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Es ist bereits eine magnetische Eigenschutzanlage (MES) fiir Schiffe
bekannt, bei der der Strom für die Wicklungen zur Kompensation der induzierten und
permanenten Vertikalkomponente fest eingestellt wird und die beiden Horizontalleomponenten
nach dem Kurswinkel des Kompasses einreguliert werden. Bei dieser Anordnung ist
es
jedoch nicht möglich, die Stampf- und Schlingerbewegungen des
Schiffes zu berücksichtigen. Außerdem ist es nötig, der jeweiligen Horizontal- und
Vertikalkomponente des Erdfeldes der betreffenden Zonen an Hand der V- und H-Zonen-Karte
durch entsprechende Widerstandsregulierung Rechnung zu tragen.
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Ferner ist ein Verfahren zur Steuerung der magnetischen Eigenschutzanlagen
von Schiffen bekannt, bei dem die 3 Erdfeldkomponenten in Richtung der 3 Schiffsachsen
durch einen elektronischen Rechner aus dem jeweiligen Kurs-, Stampf- und Schlingerwinkel
sowie aus den der Karte zu entnehmenden Werten der Vertikal- und Horizontalkomponente
und des Inklinationswinkels des Erdfeldes berechnet werden. Diesem Rechenergebnis
entsprechend werden 3 Maschinenverstärker zwecks Speisung der Kompensationswicklungen
erregt.
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Die beiden bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß zur Steuerung
der magnetischen Eigenschutzanlagen immer erst die das Störfeld des Schiffes bestimmenden
Faktoren manuell ermittelt werden müssen. Dies hat zur Folge, daß diese Faktoren
nur in zeitlichen Abständen berücksichtigt werden können, d. h., die Einstellung
der magnetischen Eigenschutzanlagen kann nur mit einer zeitlichen Verzögerung den
sich mit Kurs-und Schlingerwinkel ändernden, das Störfeld des Schiffes bestimmenden
Faktoren angepaßt werden.
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Es sind ferner Verfahren vorgeschlagen, bei denen durch geeignete
magnetische Feldmeßelemente, z. B. Förstersonden, Hallgeneratoren u. dgl., in den
3 Richtungen des Schiffes die Erdfeldkomponenten bestimmt werden und entsprechend
diesen 3 gemessenen Erdfeldkomponenten die Ströme in den Kompensationswicklungen
gesteuert werden, um die Wirkungen der induzierten Momente im Schiff aufzuheben.
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Allen genannten Verfahren liegt die Voraussetzung zugrunde, daß die
Komponenten des durch die 3 Erdfeldkomponenten in den Hauptrichtungen erzeugten
magnetischen Störfeldes proportional zu den erzeugenden Erdfeldkomponenten sind,
da zur Kompensation eines magnetischen Störfeldes ein Kompensationsfeld erzeugt
wird, dessen Komponenten den das Störfeld erzeugenden Erdfeldliomponenten proportional
sind.
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Eine weitere Voraussetzung der vorher genannten Verfahren ist die,
daß die Komponente des magnetischen Störfeldes in einer bestimmten Schiffshauptrichtung
der Erdfeldkomponente in dieser Schiffshauptrichtung sofort folgt. Diese Voraussetzung
geht eindeutig aus den Abnahmebedingungen der verschiedenen Marinen für solche mit
Feldmeßelementen und Kreiseln gesteuerten Schiffsschutzanlagen hervor. Nach diesen
Ahnahmebedingungen wird ein unverzögertes Folgen des Kompensationsspulenstromes
entsprechend der in der Kompensationsrichtung wirkenden Komponente des magnetischen
Erdfeldes gefordert.
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Ausgedehnte Untersuchungen ergaben z. B., daß die Ausbildung des
induzierten magnetischen Störfeldes eines ferromagnetischen Aggregats (z. B.
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Motor, Generator usw.) keineswegs dem induzierenden Feld verzögerungsfrei
folgt, sondern daß die Magnetisierung dieses Aggregats und somit dessen Störfeld
mehr oder weniger in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit des induzierenden
Feldes (Schlingerfrequenz des Schiffes) diesem induzierenden Feld nacheilt. Da nun,
wie vorher dargelegt, bisher besonderer Wert darauf gelegt wurde, daß der Kompensationsstrom
in der Kompensationswicklung verzögerungsfrei der betreffenden Erdfeldkomponente
folgt, ergibt sich daraus ein Voreilen des Kompensationsfeldes gegenüber dem zu
kompensierenden Störfeld.
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In der Fig. I sind die Verhältnisse zur Veranschaulichung graphisch
dargestellt. In der Fig. I ist in der Abszissenrichtung die Erdfeldkomponente, in
der Ordinatenrichtung die Größe der Komponente des durch diese Erdfeldkomponente
erzeugten Störfeldes aufgetragen, und zwar in bezug auf die betrachtete Schiffshauptrichtung.
Wird nun z. B. bei Nord-Süd-Kurs eines Schiffes durch eine Schlingerbewegung die
Querschiffskomponente des Erdfeldes etwa nach einer Sinusfunktion zwischen den Punkten
und C der Fig. 1 verändert, so müßte die Funktion: Störfeldkomponente f (Erdfeldkomponente)
eine Gerade ergeben, wenn die Ausbildung der Störfeldkomponente der Änderung der
Erdfeldkomponente unverzögert folgte (Linie a in Fig. I).
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Dieses ist aber nicht der Fall, vielmehr ist bei der Feldänderung
0 der Erdfeldkomponente (Punkt O der Fig. I) noch ein gewisser Betrag OA des sich
ebenfalls nach einer Sinusfunktion ändernden Störfeldes vorhanden. (In der Fig.
I ist mit den Punkten D und E der maximal vorkommende Störfeldbetrag bezeichnet).
Bei den oben beschriebenen bekannten bzw. vorgeschlagenen Verfahren und nach den
genannten Ahnahmebedingungen muß der Kompensationsstrom in den MES-Wicklungen der
mit a in Fig. 1 bezeichneten Funktion folgen. In der Fig. I ist der wahre Verlauf
des Störfeldes als Funktion einer sich sinusförmig ändernden Erdfeldkomponente durch
die gestrichelte Ellipse b dargestellt. Man erkennt hieraus, daß das Störfeld dem
das Kompensationsfeld erzeugenden MES-Strom der bisher verwendeten, vorgeschriebenen
und vorgeschlagenen Anlagen nacheilt. Dieses bedeutet eine starke Reduzierung der
Wirkung herkömmlicher MES-Anlagen mit Stampf- und Schlingerausgleich, da das maximale
Störfeld (Strecke ED) entsprechend der sinusförmigen Änderung der Erdfeldkomponente
CB durch eine vom Erdfeld gesteuerte Kompensationswicklung nur auf den Betrag AA'
reduziert werden kann. Der Nutzeffekt fl des automatischen Stampf- und Schlingerausgleiches
in Prozent errechnet sich zu: OD .100 (kl.1) OD-OA Nur wenn das Störfeld der Erdfeldkompensation
verzögerungsfrei folgt, d. h., wenn die Strecke öA
in Fig. I und
Gl. I=0 wird, ist der Nutzeffektv des Stampf- und Schlingerausgleichs=IooOlo.
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Wie experimentelle Untersuchungen an Schiffen ergaben, kann der Nutzeffekt
durch das Nacheilen der Magnetisierung und dadurch der Störfeldkomponente gegenüber
der magnetisierenden Erdfeldkomponente unter IoO/o sinken.
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Es kann angenommen werden, daß dieser Verzögerungseffekt des Störfeldes
folgende physika-Iische Hintergründe besitzt: I. Wirbelstromeffekte, 2. magnetische
Nachwirkungen, 3. statischer Hysterese-Effekt des Ferromagnetikums.
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Um den genannten Nachteil zu beseitigen, besteht die Erfindung bei
einem Verfahren zur Steuerung der magnetischen Eigenschutzanlagen für den induzierten
Anteil des magnetischen Momentes von Schiffen, bei denen die Lage des Schiffes zu
den drei Komponenten des Erdfeldes mittels geeigneter Feldmeßelemente bestimmt wird
und bei denen entsprechend den drei Erdfeldkomponenten durch geeignete Kompensationswicklungen
Ströme geschickt werden, die die Wirkung der induzierten magnetischen Momente im
wesentlichen aufheben, darin, daß die Ströme in den Kompensationswicklungen durch
geeignete elektrische und/oder magnetische, eine Verzögerung bewirkende Anordnungen
so gesteuert werden, daß die Ausbildung des Kompensationsfeldes mit dem Aufbau des
magnetischen Störfeldes zeitlich zusammenfällt.
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Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 2, 3
und 4 beschrieben, die erfindungsgemäß eine einstellbare Verzögerung des Kompensationsstromes
gegenüber der Feldkomponente des magnetischen Erdfeldes ermöglichen und die den
Zweck haben, den Nutzeffekt der MES-Anlage hinsichtlich des automatischen Ausgleiches
der Stampf- und Schlingereffekte auf oder nahe an den Wert 11 = 1000/0 ZU bringen.
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Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren in allen Fällen angewendet
werden kann, in denen die Kompensationsströme durch geeignete magnetische Feldmeßelemente
gesteuert werden, sei die Erfindung an Hand verschiedener Ausführungsbeispiele und
der schematischen Zeichnungen nur bei einem System einer magnetischen Eigenschutzanlage
näher erläutert.
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In der Fig. 2 ist schematisch die Arbeitsweise der durch einen Förstersondentripel
gesteuerten magnetischen Eigenschutzanlage für eine einzelne Sonde des Tripels und
somit für eine einzelne MES-Wicklung dargestellt. Die Sonde I des Tripels ist mit
einem Feldmeßgerät 2 verbunden, dessen Feldmeßinstrument 3 die von der Sonde I gemessene
Feldkomponente anzeigt. Das Feldmeßgerät 2 umfaßt in bekannter Weise einen als Erregerstromquelle
für die Sonde 1 dienenden stabilisierten Sender sowie einen selektiven Verstärker
zur Verstärkung der aus der Sekundärspannung der Sonde I herausgesiebten doppelten
Senderfrequenz.
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Die Gleichrichtung der vom Verstärker des Feldmeßgerätes 2 abgegebenen
Wechselspannung erfolgt in einem phasengesteuerten Gleichrichter, dessen notwendige
Steuerspannung durch Frequenzverdopplung aus dem Sondenerregerstrom gewonnen wird.
Die entsprechend den gemessenen Feldstärken von dem Feldmeßgerät 2 abgegebene Leistung
wird in dem Verstärker 4 verstärkt und einem Leistungsverstärker 5 zugeführt. Als
Leistungsverstärker ist ein Transistorverstärker als besonders geeignet vorgesehen,
da er weitgehend ohne Eisen aufgebaut ist und aus diesem Grunde keiner eigenen Kompensationsspule
oder -anordnung bedarf. Auch ein magnetischer Verstärker kann als Leistungsverstärker
Vorteile bieten, da er keine bewegten Teile aufweist. Es können natürlich auch die
bisher allgemein gebräuchlichen Maschinenverstärker, wie z. B. Amplidynengeneratoren,
verwendet werden.
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Die von dem Leistungsverstärker 5 gelieferten Ströme speisen die Kompensationswicklung
6 der magnetischen Eigenschutzanlage (MES). Der Strom durch die Kompensationswicklung
6 wird mittels des Meßinstrumentes 7 gemessen und durchfließt außer diesem noch
das erfindungsgemäße variable Verzögerungsglied 8. Das Verzögerungsglied 8 kann
z. B. eine Spule mit Abgriffen, ein Netzwerk, bestehend aus Kapazitäten, Induktivitäten
und Widerständen, oder allgemein Verzögerungsschaltungen mit Röhren und/oder Transistoren
darstellen.
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Die Kompensationswicklung 6 kompensiert das durch das Erdfeld induzierte
magnetische Moment.
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Die von einer Förstersonde für ein bestimmtes magnetisches Feld abgegebene
Spannung ist gegenüber anderen Meßsonden bedeutend größer. Diese Tatsache wird bei
der in der Fig. 2 dargestellten Ausführung dazu benutzt, die gesamte Anlage, bestehend
aus Sonde 1, Feldmeßgerät 2, Leistungsverstärker 5 sowie Verstärker 4, zu linearisieren
und zu stabilisieren. In der Fig. 2 ist für eine Kompensationswicklung 6 des induzierten
Momentes die Anordnung zur Stabilisierung schematisch wiedergegeben. An einem zwischen
dem Leistungsverstärker 5 und dem Verzögerungsglied 8 bcfindlichen Widerstand g
wird eine kleine Spannung abgegriffen, welche über einen regelbaren Widerstand 10
einer um die Sonde I gelegten Spule II zugeführt wird. Der durch die Spule II fließende
Strom erzeugt - bei geeigneter Polung der Spule Ii -am Ort der Sonde I ein magnetisches
Feld, welches der Richtung des von der Sonde zu messenden Feldes entgegengesetzt
gerichtet ist. Diese allgemein als Gegenkopplung bezeichnete Schaltungsanordnung
bewirkt zwar eine Verminderung der Gesamtempfindlichkeit der Anlage, es wird aber
andererseits dadurch jede eventuelle Nichtlinearität des Verstärkers 4 und des Leistungsverstärkers
5 ausgeglichen.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 3.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wurde das gleiche Svstem für magnetische
Eigenschutzanlagen aufgeführt wie in Fig. 2, jedoch wurde hier das Verzögerungsglied
8 weggelassen. Die Verzögerung des MES-Stromes gegenüber der Erdfeldkomponente erfolgt
hierbei durch ein Magnetfeld, wel-
chem die Feldmeßglemente außer
der Erdfeldkomponente noch ausgesetzt werden. Dieses Magnetfeld wird durch eine
Spule 12 erzeugt, die in dem Ausführungsbeispiel die Sonde I umgibt. Die Spule 12
wird von einer Induktionsspule 13 über einen einstellbaren Widerstand 14 gespeist.
In der Induktionsspule 13 entstehen Spannungen, welche der Feldänderungsgeschwindigl<eit
der Erdfeldkomponente proportional sind. Bei sinusförmiger Feldänderung (Schlingern)
tritt daher eine Spannung auf, welche zu der von der Erdfeldkomponente hervorgerufenen
Spannung in der Sonde I um 90 phasenverschoben ist. Diese Spannung wird über den
hochohmigen Widerstand 14 der Wicklung 12 der Sonde I zugeführt. Dadurch tritt am
Ort der Sonde I eine zum Erdfeld um go0 verschobene Feldstärkekomponente auf, die
zusätzlich auf die Sonde 1 wirkt, Durch eine entsprechende Einstellung des Widerstandes
14 kann gerade die Phasenverschiebung zwischen dem auf die Sonde I wirkenden Summenfeld
und der Magnetisierung der Störkörper und somit dem Störfeld kompensiert werden.
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In der Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, das im wesentlichen zur Entmagnetisierung der einzelnen Aggregate im
Schiff geeignet ist. Auch in der Fig. 4 ist das gleiche MES-System zugrunde gelegt
worden wie in den vorgenannten Ausführungsbeispielen.
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Durch Anordnung eines starkwandigen Metallringes 15 in der Nähe der
Sonde I wird ebenfalls eine entsprechende Phasenverschiebung zwischen magnetisierender
Erdfeldkomponente und der erzeugten Störfeldkomponente bewirkt. Diese Anordnung
ruft am Ort der Sonde I ein Summenfeld hervor, dessen Phasenlage zu der die Störfeldkomponente
erzeugenden Erdfeldkomponente einstellbar ist. Die Einstellbarkeit der Phasenverschiebung
wird durch eine gewisse Verschiebbarkeit des Metallringes 15 sichergestellt. In
dem Metall ring IS entstehen in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der
Erdfeldkomponente Wirbelströme, welche zur Ausbildung eines dem Erdfeld entgegengesetzten
und phasenverschobenen Magnetfeldes Anlaß geben.
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Im allgemeinen ist die Phasenverschiebung der Störfeldkomponente
zur erzeugenden Erdfeldkomponente nicht für alle Aggregate innerhalb eines Schiffes
gleich. So kann man z. B. beträchtliche Unterschiede der Phasenverschiebung bei
Antriebsmotoren, Räumgeneratoren, Netzaggregaten, Pumpen usw. feststellen. Erfindungsgemäß
kann die Phasenverschiebung aller Aggregate jenem Aggregat mit der größten Phasenverschiebung
angepaßt werden, indem die Aggregate mit der geringeren Phasenverschiebung Metall
ringe aus einem gut leitenden Metall erhalten, wodurch die Phasenverschiebung zwischen
Erdfeldkomponente und erzeugter Störfeldkomponente zunimmt. Durch Wahl eines geeigneten
Abstandes zwischen den die Störung erzeugenden Aggregat und Mctallring (oder auch
Metallplatte wie Bodenplatte und Befestigiingsplatte) werden alle hauptsächlich
störenden Aggregate auf die gleiche Phasenverschiebung wie das aggregat mit der
höchsten Phasenverschiebung gebracht. Dadurch wird eine vollständige Kompensation
des Stampf- und Schlingereffektes hinsichtlich der dadurch erzeugten magnetischen
Störfelder für alle Störaggregate gleichzeitig erzielt.