DD231635A1

DD231635A1 - Pruefanordnung fuer magnetkompasse

Info

Publication number: DD231635A1
Application number: DD27102784A
Authority: DD
Inventors: Horst Kuehnler; Uwe Ruhk; Rudolf Giesche
Original assignee: Schiffselektronik Veb
Priority date: 1984-12-18
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1986-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pruefanordnung zur Durchfuehrung von Messungen vorzugsweise an Schiffsmagnetkompassen. Das Ziel der Erfindung ist die Einsparung von Arbeitszeit bei der Pruefung dieser Kompasse. Die technische Aufgabe besteht darin, eine Sonderanordnung am Kompasspruefstand zu finden, bei der Informationen ueber das magnetische Moment und dessen Winkellage gegenueber mwN gewonnen werden koennen, wobei individuelle mechanische Unterschiede zwischen den Prueflingen nur vernachlaessigbare Messfehler verursachen. Realisiert wird diese Aufgabe dadurch, dass zwei im Streufeld des Richtmagneten angeordnete Sonden, die sich in gleicher horizontaler Ebene mit dem Richtmagneten befinden und deren Sondenmitte mit dem Zentrum des Richtmagneten ein gleichschenkliges Dreieck mit den Schenkellaengen e sowie den Winkel a zwischen Hoehe und jedem Schenkel bilden, wobei die Hoehe mit mwN zusammenfaellt. Dabei sind die magnetischen Sondenachsen horizontal und rechtwinklig zu mwN ausgerichtet. Figur. 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Prüfanordnung fürdie Durchführung von Messungen vorzugsweise an Schiffsmagnetkompassen, die vor dem Einsatz an Bord einer Erstprüfung und periodisch nach vorgeschriebenen Fristen oder nach Reparaturen Wiederholungsprüfungen unterzogen werden müssen

Die Prüfanordnung ist Bestandteil eines an Land aufgestellten Kompaßprüfstandes. Aus dem Gesamtumfang der Kompaßprüfung werden mit ihr das magnetische Moment des oder der Richtmagneten im geschlossenen Kompaß sowie Winkelabweichungen des Richtmagneten aus der Nord-Süd-Richtung gemessen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Messung des magnetischen Momentes im geschlossenen Kompaß wird in Kompaßprüfsteilen überwiegend eine als Tangensgerät bezeichnete Meßeinrichtung benutzt.

Nach dem Einhängen des Prüflings in die Meßeinrichtung wird sein Richtmagnet, der gemeinsam mit dem Rosenblatt und dem Schwimmer das um seine vertikale Achse frei bewegliche Richtsystem bildet, mittels einer zusätzlichen Horizontalintensität in die Ost-West-Richtung gedreht. Östlich oder westlich vom Prüfling befindet sich im variablen Abstand eine Bussole, deren Magnetnadel sich in die Resultierende aus Horizontalkomponente des Erdmagnetfeides, deren Richtung im folgenden als mwN bezeichnet wird, und der vom Richtmagneten ausgehenden Streufeldintensität einstellt. Aue dem Winkel, den die Resultierende mit mwN bildet, wird unter Berücksichtigung des eingestellten Abstandes die Größe vom magnetischen Moment des Richtmagneten errechnet.

Die Messung des magnetischen Momentes mit dem Tangensgerät ist zeitaufwendig, weil der Prüfling ausschließlich für diese eine Messung an einen gesonderten Prüfplatz gebracht und dort sein Richtmagnet ausgerichtet werden muß. Außerdem bedarf dieser Prüfplatz einer ständigen Überwachung hinsichtlich eventueller magnetischer Störungen. Da die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes als Bezugsgröße genutzt wird, würden nicht erkannte Veränderungen ihrer Intensität oder Richtung Meßfehler verursachen.

Eine weitere Methode zur Messung des magnetischen Momentes des Richtmagneten besteht darin, am Kompaßprüfstand eine Sonde anzubringen, die ein elektrisches Signal liefert, das proportional der in Sondenmitte in Richtung der magnetischen Sondenachse wirksamen Feidintensität ist. Dazu wird eine Sonde mit zwei Kompensationsspulen benötigt, die sich in gleicher horizontaler Ebene mit dem Richtmagneten in einem festen Abstand von dessen Zentrum nördlich oder südlich von diesem befindet. Die magnetische Sondenachse ist horizontal und in mwN ausgerichtet.

Vor dem Einhängen des Prüflings wird das Erdmagnetfeld in Sondenmitte kompensiert, indem die erste Kompensationsspule mit Gleichstrom beaufschlagt wird bis das Sondensignal Null ist. Sobald sich der Prüfling im Kompaßprüfstand befindet und sein Richtsystem in mwN zur Ruhe gekommen ist, wird mit der zweiten Kompensationsspule wiederum auf Null kompensiert, wobei der dazu erforderliche Strom unter Berücksichtigung des festen Abstandes von Sondenmitte zum Richtmagneten proportional seinem magnetischen Moment ist.

Winkeläbweichungen des Richtmagneten aus mwN können mit dieser Anordnung nicht gemessen werden, weil die bei der Kompaßprüfung interessierenden kleinen Abweichungen des Richtmagneten bis maximal 5° keine ausreichend große Änderung der Streufeldintensität am Anbringungsort der Sonde verursachen.

Die Messung von Winkelabweichungen des Richtmagneten gegenüber mwN ist erforderlich, um Aussagen zum Schleppfehler, zum Reibungsfehler und zur Eigenschwingzeit zu erhalten.

Sie treten auf

— infolge Mitschleppung des Richtsystemes durch die Dämpfungsflüssigkeit und Festkörperreibung bei kontinuierlicher Drehung des Prüflings um seine vertikale Achse,

— beim Rücklauf nach bewußter Auslenkung des Richtsystemes im verminderten Erdmagnetfeld als Restabweichung von der Ursprungslage infolge Festkörperreibung

— und nach bewußter Auslenkung um 40° im ungeschwächten Erdmagnetfeld während des gedämpften Einpendeins in die Ursprungslage.

Während der 4 Minuten dauernden Umdrehung um einen Vollkreis ist der Größtwert der auftretenden Winkelabweichung aus mwN zu messen. Nach dem Rücklauf wird im verminderten Erdmagnetfeld die Restabweichung bestimmt und während des Einpendeins wird die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Durchgängen durch die Ursprungslage von Hand gestoppt. Verbreitet ist die visuelle Beobachtung der Winkelabweichungen während der Prüfungen. Es wird dabei die Stellung der Skalenteilung auf dem Rosenblatt gegenüber einem im Innenraum des Prüflings befindlichen Index beobachtet. Teilweise werden optische Hilfsmittel, z.B. in Form eines nach mwN ausgerichteten Diopters genutzt. Für die Ermittlung der Größtabweichung während der Drehung ist ein Signalgeber in Gebrauch, der nach jeweils 10° Drehung ein akustisches Signal auslöst. Es muß dann jedesmal die Stellung der Rosenteilung gegenüber dem mit umlaufenden Index abgelesen werden.

Die visuelle Beobachtung erfordert nicht nur ständige hohe Konzentration vom Prüfer sondern liefert auch ungenaue Ergebnisse, weil die Rosenblätter bestenfalls eine 1°-Teilung besitzen und die Zwischenwerte geschätzt werden müssen. Außerdem wirken sich auf das Ergebnis zusätzlich geometrische Ungenauigkeiten wie Teilungsfehler auf dem Rosenblatt, exzentrische Lagerung usw. aus.

Durch Anbringung einer Sonde über oder unter dem Prüfling kann die ständige visuelle Beobachtung entfallen. Dabei muß die Sondenmitte in Deckung sein mit der vertikalen Drehachse des Kompaßprüfstandes und die magnetische Sondenachse muß horizontal in Ost-West-Richtung liegen. Die Streufeldintensität vom Richtmagneten steht senkrecht auf der mangetischen Sondenachse, solange dessen Richtung mit mwN übereinstimmt.

Bei einer Winkelabweichung fällt eine Komponente des Streufeldes in die magnetische Sondenachse und ruft ein Ausgangssignal hervor, das dem Sinus der Winkelabweichung proportional ist. Für die bei der Kompaßprüfung interessierenden kleinen Winkel kann ein lineares Verhältnis zwischen Winkelabweichung und Sondensignal angenommen werden. Individuelle Unterschiede zwischen den Prüflingen in Form unterschiedlicher Höhe des Richtmagneten gegenüber der Fläche, mit der der Prüfling in der Aufnahmegabel des Kompaßprüfstandes aufliegt, führen zu unterschiedlichen Absolutwerten des Sondensignales. Um eine Aussage über die tatsächliche Winkelabweichung zu erhalten, muß diese Anordnung für jeden Prüfling individuell geeicht werden. Dies geschieht, indem der Richtmagnet um einen definierten Winkel, der visuell abgelesen werden muß, ausgelenkt, der Abstand zwischen Sonde und Richtmagnet verändert oder die Verstärkung des Sondensignales r eguliert wird, bis die elektrische Anzeige dem Auslenkungswinkel entspricht.

Das Ausgangssignal der Sonde wird nach der Eichung zur Anzeige der Winkelabweichung auf einer feingeteilten Skala genutzt. Dam it entfällt das Schätzen von Zwischenwerten. Zusätzlich wird der zeitliche Verlauf der Winkelabweichungen registriert. Nach einer Drehung des Prüflings liegt z.B. der Schleppfehler für jeden Drehwinkel in Form einer geschriebenen Kurve vor. Der gesuchte Größtwert kann im Nachhinein aus der Kurve entnommen werden. Bei schadhaften Prüflingen erlaubt die Charakteristik der Kurve außerdem Rückschlüsse auf die Art des Schadens.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, eine Prüfanordnung zu schaffen, mit der sowohl das magnetische Moment als auch Winkelabweichungen des Richtmagneten aus mwN gemessen bzw. angezeigt und registriert werden können, ohne daß dazu eine visuelle Ablesung am Prüfling oder ein gesonderter Arbeitsgang für das Eichen der Prüfanordnung für jeden einzelnen Prüfling notwendig ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung für die Anbringung am Kompaßprüfstand zu finden, mit der aus dem Streufeld des Richtmagneten des Prüflings sowohl Informationen über das magnetische Moment des Richtmagneten als auch über dessen Winkellage gegenüber mwN gewonnen werden können und bei der individuelle mechanische Unterschiede zwischen den Prüflingen nur vernachlässigbar kleine Meßfehler verursachen, sowie eine Auswerteelektronik anzupassen, die Absolutwerte des magnetischen Moments und von Winkelabweichungen des Richtmagneten aus mwN liefert und mit der die Messung der Eigenschwingzeit des Richtsystemes möglich ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem in der horizontalen Ebene des Richtmagneten im Prüfling, der in den Kompaßprüfstand eingehängt ist und dessen Zentrum mit der vertikalen Drehachse des Prüfstandes zur Deckung gebracht wurde, zwei Sonden fest angeordnet werden, deren Sondenmitten mit dem Zentrum des Richtmagneten ein gleichschenkliges Dreieck bilden, dessen Höhe mit mwN zusammenfällt. Beide magnetischen Sondenachsen sind horizontal und rechtwinklig zu mwN ausgerichtet

Bei Übereinstimmung der Dipolachse des Richtmagneten mit mwN tritt in jeder magnetischen Sondenachse die Intensität

"I

B = M-Ut 3 sin oC cos <£ auf,

Darin ist M das magnetische Moment des Richtmagneten und α der Winkel, den jeder Schenkel mit mwN einschließt. Da e und α unveränderlich sind, ist B proportional M.

Der Winkel α ist so gewählt, daß die Intensität B und deren Änderung infolge von Winkelabweichungen des Richtmagneten aus mwN in der gleichen Größenordnung liegen und mit gleicher Empfindlichkeit und Genauigkeit gemessen werden können.

Die Schenkellänge e ist so bemessen, daß individuelle Unterschiede zwischen den Prüflingen keinen größeren Fehler als 50% des zulässigen Meßfehlers verursachen. Für einen zulässigen Fehler von 1 % muß e gleich oder größer als der fünffache Polabstand des längsten in Betracht kommenden Richtmagneten sein.

Als horizontale Ebene für die Sonden ist die mittlere Magnethöhe eines in den Kompaßprüfstand eingehängten Prüflings festgelegt. Bei Prüfung unterschiedlicher Kompasse auftretende Abweichungen davon bis zu ±10mm verursachen Meßfehler unter 0,2%, wenn die obengenannte Bedingung für die Schenkellänge e eingehalten ist.

Im Streufeld eines idealen Magneten und Übereinstimmung von Dipolachse und mwN würden beide Sonden den gleichen Betrag der Intensität mit entgegengesetztem Vorzeichen messen. Da der Richtmagnet in Schiffsmagnetkompassen überwiegend aus einer geradzahligen Anzahl von Teilmagneten besteht, deren Pole symmetrisch auf einem Kreis um das gemeinsame Zentrum liegen, muß, bedingt durch Fertigungstoleranzen, mit einem asymmetrischen Streufeld gerechnet werden. Durch getrennte Anzeige beider Sondensignale und Regulierung eines jeden Signales auf Null durch Beaufschlagung einer Kompensationswicklung um jede Sonde mit Gleichstrom wird die an jedem Sondenort vorhandene Intensität erfaßt und als elektrische Größe dargestellt. Der Mittelwert aus beiden Beträgen entspricht dem tatsächlich wirksamen magnetischen Moment.

Zur Einregulierung des mittleren Gleichstromes durch die Kompensationswicklungen ist ein in Stufen schaltbarer Widerstand vorhanden, mit dem zugleich ein zweiter veränderlicher Widerstand geschaltet wird, dessen Wert eine Bezugsgröße für weitere Messungen bildet.

Für die Messungen von Winkelabweichungen wird davon ausgegangen, daß bei Ruhelage des Richtmagneten in seiner Ursprungslage in Richtung von mwN beide Sonden das Ausgangssignal Null zeigen. Der Betrag des magnetischen Momentes liegt dann als Bezugsgröße vor.

Jegliche Abweichung des Richtmagneten aus dieser Ursprungslage um den Winkel β führt an beiden Sondenorten zur Veränderung der in die magnetische Sondenachse fallenden Streufeldintensität in der Größe von

/C- 2 sincCcos (c<-/3) - cos^sin (^

bei Sonde I _r und

|3 sinoC COS(K- 2 sinoi cos (oC + ß) - cos c< sin (oC+ ß) L J

bei Sonde II

Beide Änderungen ergeben eine Summe, die der Beziehung

Δ B = sin (3 M'ir (6 sin²<*- - 2) folgt

Nach Division dieses Wertes durch die dem magnetischen Moment analoge Bezugsgröße liegt ein elektrisches Signal vor, das sin β und für kleine Abweichungen dem Winkel β proportional und zur Ansteuerung von Anzeige- und Registriergeräten geeignet

Für die Messung der Eigenschwingzeit des Richtsystemes wird während des gedämpften Einpendeins in die Ursprungslage nach vorausgegangener bewußter Auslenkung um 40° der Durchgang von β durch Null zur Auslösung und der übernächste Durchgang zum Anhalten einer elektronischen Stoppuhr genutzt.

Ausführungsbeispiel

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Beispiel für die Ausführung der Prüfanordnung. Figur 1 erläutert das Messen des magnetischen Momentes, dem das geometrische Ausrichten des Prüflings, bei dem das Zentrum des Richtsystemes und damit auch das des Richtmagneten mit der vertikalen Drehachse des Kompaßprüfstandes zur Deckung gebracht wurde, vorausgegangen ist. Figur 2 zeigt die darauffolgende Messung von Winkelabweichungen. Die erforderlichen Baugruppen zur Erregung der Sonden, zur Zwischenverstärkung, Gleichrichtung und Begrenzung der Sondensignale, zur Umschaltung von einem Betriebszustand auf den anderen, zur Anzeige und Registrierung der Winkelabweichungen und zur Stromversorgung sind nicht dargestellt.

In Figur 1 befindet sich die Dipolachse des Richtmagneten 1 im Prüfling 2 in Deckung mit mwN. Die Verbindungslinien vom Zentrum des Richtmagneten zu den Mitten der Sonden 3 und 4 haben die Länge e und schließen mit mwN nach beiden Seiten den Winkel α ein. Die nordöstlich liegende Sonde wird als Sonde I, die nordwestlich liegende als Sonde Il bezeichnet Vom Richtmagneten geht ein magnetisches Streufeld aus, das in Sondenmitte in Verlängerung der Verbindungslinie der Größe

B₁' = B_n. = ψ cos CC

und rechtwinklig dazu die Größe

bJⁿ = B_T-1 S¹J^r sin υ ¹ ^ττ e³ tat.

Aus diesen Komponenten ergeben sich die in die magnetischen Sondenachsen fallenden Intensitäten B, und Bn.

Beide Sondensignale werden phasenempfindlich gleichgerichtet und den Anzeigeinstrumenten 5 und 6 zugeführt. Beides sind Drehspulinstrumente mit dem Nullpunkt in Skalenmitte. Da B| und B_n entgegengesetzte Vorzeichen haben, befindet sich nach dem Einsetzen des Prüflings eines am Links- und das andere am Rechtsanschlag.

Durch Betätigen des Widerstandes 7 werden die Kompensationswicklungen 8 und 9 mit Gleichstrom beaufschlagt. Sie verursachen an den Sondenorten die Intensitäten Bn< bzw. Bn_K, die B| und Bn entgegenwirken. Durch Regulierung am Widerstand 7 wird der Gleichstrom erhöht, bis entweder beide Anzeigeinstrumente auf Null stehen oder etwa gleich große Ausschläge nach der gleichen Seite zeigen. Trifft das letztere zu, dann wird mit dem bei Meßbeginn in Mittelstellung befindlichen Potentiometer 10 die Symmetrie der beiden Teilströme durch 8 und 9 gestört, bis beide Instrumente auf Null stehen. Damit wird bei praktisch gleichbleibendem Gesamtstrom durch 7 eine Asymmetrie des Streufeldes berücksichtigt. Der erforderliche Gesamtstrom ist ein Maß für das wirksar <e magnetische Moment des Richtmagneten.

Der Widerstand 7 besteht aus mehreren in Reihe liegenden Widerstandsdekaden, die mit Stufenschaltern zugeschaltet werden können. Nach erfolgter vollständiger Kompensierung von B| durch B,_K und Bn durch B_1IK kann aus der Stellung der Stufenschalter das magnetische Moment direkt abgelesen werden.

Für die darauffolgende Messung von Winkelabweichungen werden die Anzeigeinstrumente 5 und 6 abgeschaltet. Die Intensitäten B|« und Bn_K bleiben in unveränderter Größe bestehen.

Wenn, wie Figur 2 zeigt, eine Abweichung der Dipolachse des Richtmagneten 1 aus mwN um den Winkel β eingetreten ist, verändern sich die in die magnetischen Sondenachsen fallenden Streufeldintensitäten B| und Bn. Jede Sonde gibt ein Signal ab, das der Differenz zwischen dem vordem kompensierten Wert und dem Wert nach der Winkelabweichung entspricht. Diese Signale ΔΒ| und ΔΒη werden über den Summierer 11 dem Dividierer 12 zugeführt. Dieser erhält außerdem vom Widerstand 13 eine Bezugsgröße für das magnetische Moment M, die ebenfalls von in Reihe liegenden Widerstandsdekaden gebildet wird, die bei der Messung des magnetischen Momentes mit den gleichen Stufenschaltern wie 7 synchron mitgeschaltet werden.

Der Dividierer liefert den Quotienten aus der Summe ΔΒ| plus ΔΒη und der M entsprechenden Bezugsgröße. Dieser ist für kleine Winkel proportional β und kann sowohl für die Anzeige einer Dauerablenkung als auch für die Anzeige und Registrierung von Veränderungen des Winkels β über die Prüfzeit genutzt werden.

Der Quotient Null sagt aus, daß der Richtmagnet mit mwN in Deckung ist. Der Durchgang durch Null während des Einpendeins wird zur Ansteuerung einer elektronischen StODDuhr genutzt.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Prüfanordnung für Magnetkompasse zur Messung des magnetischen Momentes des Richtmagneten und von Winkelabweichungendes Richtmagneten aus mwN, gekennzeichnet dadurch, daß zwei im Streufeld des Richtmagneten (1) angeordneten Sonden (3,4), die sich in gleicher horizontaler Ebene mit dem Richtmagneten befinden, deren Sondenmitte mit dem Zentrum des Richtmagneten ein gleichschenkliges Dreieck mit den Schenkellängen e und dem Winkel α zwischen Höhe und jedem Schenkel bilden und bei dem die Höhe mit mwN zusammenfällt, deren magnetische Sondenachsen horizontal und rechtwinklig zu mwN ausgerichtet sind und die je eine Zusatzwicklung (8, 9) haben, die über ein Potentiometer (10) parallel geschaltet sind und über einen veränderlichen Widerstand (7), aus dessen Größe nach Kompensierung die Größe des magnetischen Momentes M des Richtmagneten erkennbar ist, mit Gleichstrom gespeist werden, ein Summierer (11) und ein Dividierer (12) zur Bildung des Quotienten aus der Summe beider Sondensignale und einer Bezugsgröße für das magnetische Moment M in Form eines zweiten veränderlichen Widerstandes (13), der mit dem ersten gekoppelt ist, nachgeschaltet sind, wobei das Ausgangssignal (14) ein Maß fürdie Abweichung des Richtmagneten mit dem magnetischen Moment M aus mwN um den Winkel β ist.

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