DE102005025289B3

DE102005025289B3 - Kombinierte Weg- und Beschleunigungssonde

Info

Publication number: DE102005025289B3
Application number: DE102005025289A
Authority: DE
Inventors: Torsten Conbach; Sven Dietrichsen; Wolfgang Rybakowski
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertreten Durch Da De
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2025-06-03

Abstract

Vorgestellt wird eine kombinierte Weg- und Beschleunigungssonde, insbesondere zur Schockhärtung von Schiffen und Booten, ein Feder-Dämpfersystem, einen Abstandsmesser, eine Trägerplatte, einen Beschleunigungssensor und eine Aufzeichnungseinheit aufweisend, bei der das Feder-Dämpfersystem ein pneumatisches Feder-Dämpfersystem ist und der Abstandsmesser berührungslos misst.

Description

Zur Schockhärtung und Erhöhung der Standkraft militärischer Schiffe und Boote werden Bauvorschriften definiert und Rechenprogramme eingesetzt. In den letzten Jahren haben sich die technologischen Möglichkeiten kontinuierlich weiter entwickelt und die Schockhärtung gegen Unterwasserdetonation bei größeren Ansprenghärten ermöglicht. Damit kommt der Wirkung der Gasblase eine gestiegene Bedeutung zu. Sie bestimmt die maximalen Verschiebungen in den Schiffen und Booten.
Es ist notwendig, größere Verschiebungen in den Ansprengzielen mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen.
Die Konzipierung derart standfester Ziele wird in Zukunft u.a. mit dem Rechenprogramm DYSMAS geschehen. Zur Validierung der Gasblasenwirkung in diesem Rechenprogramm werden Messungen mit der Simulation verglichen.
Hier ist die Differenzen- Messmethode bekannt um Verschiebungen über längere Zeiten zu messen. Hierbei wird eine Beschleunigungssonde auf ein Feder-Dämpfer-System installiert. Mit einem Laser wird zusätzlich die Relativbewegung der Federung zum angeregten Fundament vermessen und so die Absolutbewegung des Fundamentes durch die Differenz der Bewegungen ermittelt. Das Feder-Dämpfersystem weist einen maximalen Federweg in Höhe der erwarteten Fundamentbewegung (Verschiebung des Schiffes/Bootes) auf.

Aus der Patentschrift DE 197 10 451 B4 ist weiter eine Einrichtung zum Detektieren der Kollision eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Einrichtung umfasst eine Beschleunigungs-Detektoreinrichtung, eine Geschwindigkeits-Abschätzeinrichtung, eine Verschiebungs-Bestimmungsvorrichtung, eine Kollisionskraft-Berechnungsvorrichtung und eine Kollisionsbestimmungsvorrichtung.

Nachteilig ist, dass die Ermittlung von großen Verschiebungen mittels Beschleunigungen auf diese Weise zu große und zu schwere Feder-Dämpfer-Systeme erfordert, so dass die Einsatzbreite nicht ausreicht.

Geschwindigkeitssonden, die große Verschiebungen erfassen, fallen ebenfalls zu groß und zu schwer aus.

Lasersonden zusammen mit Beschleunigungssonden auf vorhandenen elastischen Lagerungen von schweren Geräten in Schiffen und Booten lassen ebenfalls nur eine nicht ausreichende Einsatzbreite zu.

Zur Minderung dieser Nachteile ist weiter bekannt, dass in den USA und Großbritannien seit Jahrzehnten Geschwindigkeitssonden eingesetzt werden. Hierbei wird dem an einer Spiralfeder ungedämpft hängenden Permanentmagneten eine Dämpfung aufgeprägt. Diese ermöglichst Messungen von Verschiebungen, die deutlich über den freien Weg des Permanentmagneten hinausgehen, ohne dass der Permanentmagnet auf dem Boden aufschlägt. Damit können größere Verschiebungen über längere Zeitspannen mit größerer Genauigkeit gemessen werden. Die Ermittlung der tatsächlich eingeleiteten Geschwindigkeit erfordert eine numerische inverse Laplace – Transformation. Hierfür muss ein Auswerteprogramm erstellt werden.

Nachteilig an dieser Art der Geschwindigkeitssonden ist, dass die Genauigkeit zur exakten Ermittlung der Verschiebungen bei großen Zeiten, nicht ausreichend sein wird um das beispielhaft beschriebene Simulationsprogramm DYSMAS zu validieren.

Bei der Doppelintegration von Werten, die durch Beschleunigungssonden aufgenommen wurden, treten die folgenden Nachteile für nicht ausreichend genau ermittelbare Verschiebungen auf:

– Die Sonde nimmt Schaden. Dies wird erkannt und die Messung wird nicht genutzt.
– Die Dynamik der Messung reicht nicht aus. Dies kann daran liegen, dass eine falsche Beschleunigungssonde eingesetzt wurde, die nicht ausreichend angeregt wurde, so dass ein nicht ausreichendes Nutzsignal-/Rauschsignalverhältnis vorliegt oder dass die Auflösung des Aufzeichnungsgerätes nicht ausreicht. Dann wird die ermittelte Geschwindigkeit linear mit der Zeit entsprechend dem Fehler ansteigen und der Fehler der Verschiebung quadratisch mit der Zeit ansteigen.
– Die Umrechnung des elektrischen Signals, geschieht bei einer piezoresistiven Sonde pauschal anhand des nominalen Kalibrationswertes. Der nominale Kalibrationswert ist ein Mittelwert. Tatsächlich ist dieser Umrechnungswert jedoch abhängig von der Beschleunigungsgröße. Dies führt dazu, dass die Verschiebung durch Doppelintegration ziemlich genau ermittelt wird, so lange die gemessenen Beschleunigungen ein bestimmtes Niveau nicht unterschreiten. Dies ist auch der Grund, weshalb mittels Einsatzes eines Hochpasses nur eine begrenzt verbesserte Auswertung der Verschiebungen möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es nun das Antwortverhalten von Schiffen und Booten einschließlich der Strukturen auf die Stoßwelle und die Gasblase bei harten Ansprengungen, bis zu Zeiten von 2 s, mit einer Genauigkeit zu erfassen, die ausreichend ist Simulationsprogramme zu validieren.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Nutzung einer pneumatischen Feder mit einstellbarem Innendruck, als mechanisches Filter mit verstellbarer niedriger Eigenfrequenz, eine piezoresistive Beschleunigungssonde über längere Zeiten, mit ausreichender Genauigkeit, große Verschiebungen erfassen kann. Der Einfluss dieses mechanisches Filters auf die Absolutbeschleunigung wird durch die Messung der Relativverschiebung zwischen der Beschleunigungssonde und dem Fundament erfasst. Die interessierende Absolutbewegung des Fundamentes ergibt sich aus der Differenz der Verschiebungen. Damit wird die Verschiebung von Zielen und Zielstrukturen auch aufgrund der Gasblase bei harten Ansprengungen erfassbar.

Dies ist wichtig für die weitere Schockhärtung von Marinezielen und für die Validierung des simulierenden Rechenprogramms.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 gegeben. Die Auswertung wird verbessert, wenn mit einem beschleunigungsabhängigen Kalibrationswert gearbeitet wird, was allerdings bei der großen Anzahl der eingesetzten Sonden einen unverhältnismäßig großen Zeitaufwand erfordern würde.

Daraus folgt, dass die pneumatische Feder so auszulegen ist, dass auf ihr Beschleunigungssonden so eingesetzt werden können, dass die Beschleunigungen möglichst ein Mittelniveau nicht unterschreitet. Dies bedeutet, dass die Eigenfrequenz des Feder-Dämpfersystems, zusammen mit Trägerplatte, möglichst einfach veränderbar, bzw. optimierbar ist. Für das Feder-Dämpfersystem ergibt sich daraus eine pneumatsche Feder mit veränderbarer Eigenfrequenz durch die Wahl unterschiedlicher Innendrücke. Wobei die Einstellung einer genauen Eigenfrequenz nicht notwendig ist.

Mit diesen Sonden ist es möglich erstmals die Verschiebungen in angesprengten Schiffen und Booten an allen interessierenden Fußpunkten und Strukturen auch zu großen Zeiten mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen.

Zur einfachen Erklärung der erfindungsgemäßen Beschleunigungssonde wird folgender Funktionsablauf beschrieben, der sich auf die einzige 1 bezieht, die den Aufbau der Beschleunigungssonde schematisch darstellt:
Auf der Struktur 4 wird die Verschiebung aufgrund der Stoßwelle und der nachfolgenden Gasblase gemessen. Dazu ist eine gedämpfte Feder 3 auf der Struktur 4 befestigt. Auf der Feder 3 befindet sich eine Trägerplatte 2. Die Trägerplatte 2 trägt eine Beschleunigungssonde 1. Innerhalb der gedämpften Feder 3 wird durch eine Magnetfeldsensor 5 die relative Verschiebung zwischen Trägerplatte 2 und Struktur 4 gemessen. Die Trägerplatte 2 und die Struktur 4 sind so steif, so dass nur sehr geringe Verformungen bzw. Eigenschwingungsformen auftreten. Die Verschiebung des Struktur 4 ergibt sich aus der durch Doppelintegration ermittelten Verschiebung von Beschleunigungssonde 1 und Trägerplatte 2 verringert um die mit Magnetfeldsensor 5 ermittelte relative Verschiebung zwischen Trägerplatte 2 und Struktur 4.

Die Verschiebungen von Schiffsstrukturen liegt im räumlichen Bereich bei Metern und einer Zeitspanne von Sekunden bei einer Unterkieldetonation. Die Verschiebungen werden durch Beschleunigungssonden, allerdings verändert, erfasst, wenn diese auf einem mechanischen Filter, dass als Tiefpass mit einer Eckfrequenz von ca 25 Hz wirkt, befestigt sind.

Claims

Kombinierte Weg- und Beschleunigungssonde, insbesondere zur Schockhärtung von Schiffen und Booten, ein Feder-Dämpfersystem (3), einen Abstandsmesser (5), eine Trägerplatte (2), einen Beschleunigungssensor (1) und eine Aufzeichnungseinheit aufweisend, bei der a. das Feder-Dämpfersystem (3) ein pneumatisches Feder-Dämpfersystem ist und b. der Abstandsmesser (5) berührungslos misst.
Kombinierte Weg- und Beschleunigungssonde nach Anspruch 1, bei der die Eigenfrequenz des Feder-Dämpfersystems (3) variierbar ist.
Kombinierte Weg- und Beschleunigungssonde nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der der Abstandsmesser (5) ein magnetischer Wegaufnehmer ist.