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Automatisch arbeitende Einrichtung zur Bestimmung der Stabilität von
Schiffen Gegenstand der Erfindung ist eine automatisch arbeibeitende Einrichtung
zur Bestimmung der Stabilität von Schiffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
mittels bekannter Beschleunigungsmesser z. B: an zwei Stellen im Schiff die Beschleunigungen
vorzugsweise in Mastrichtung und senkrecht dazu gemessen werden und daß aus diesen
Werten über die Winkelbeschleunigung und die Scheinlotrichtung die Hebelarme der
Stabilität auf elektrischem Schaltungswege gebildet und auf einer Braunschen Röhre
zur Anzeige gebracht werden.
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Bisher ist in der Praxis der Stabilität von Schiffen mittels Krängungs-
und Rollschwingungs-Versuchen gemessen worden. Aus dem Krängungsversuch, dessen
unmittelbarer Zweck die Bestimmung der Höhenlage des Gewichtsschwerpunktes ist,
kann man die Stabilität des Schiffes berechnen. Bekannt ist auch die Durchführung
von Rollschwingungs-Versuchen bei kleinen Schiffen, aus deren Ergebnissen man ebenfalls
auf die Stabilität der Schiffe schließen kann. Es sind dies jedoch ziemlich umständliche
Versuche, deren Wert von mancherlei Voraussetzungen (bei dem Krängungsversuch ruhiges
Wasser, Windstille, bei dem Rollversuch freie Schwingungen mit sehr kleinen Amplituden)
abhängt und aus denen erst durch Rechnung einige Stabilitätswerte, und zwar die
metazentrische Höhe und die Hebelarmkurve für Glattwasser ermittelt werden können.
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Ferner ist aus der deutschen Patentschrift 724 238 eine Vorrichtung
zur automatischen Anzeige der metazentrischen Höhe von Schiffen in See bekannt,
bei der die metazentrische Höhe durch Division eines von der Winkelbewegung des
Schiffes um seine Längsachse abgeleiteten Meßwertes durch einen den Neigungswinkel
des Schiffes um dieselbe Achse wiedergebenden Meßwert gebildet wird. Diese Vorrichtung
ist unbefriedigend; da die notwendige Mechanik schwierig herzustellen ist und in
den ; Gelenken Reibung auftreten kann, durch welche der Meßwert verfälscht wird.
Ferner können an den mechanischen Übertragselementen Massenkräfte auftreten, die
die Genauigkeit ungünstig beeinflussen. Man ist gezwungen, das Pendel, das zur Bestimmung
der Scheinlotrichtung dient, , in der Drehachse des Schiffes anzubringen. Wenn dies,
wie es in der Praxis meist der Fall sein wird, nicht möglich ist, ist es notwendig,
Einflüsse, die sich aus dem Abstand des Pendels von der Drehachse ergeben, zu kompensieren.
Die praktische Durchführung einer solchen Kompensation würde aber, vorausgesetzt,
daß sie überhaupt möglich ist, erhebliche Schwierigkeiten machen, insbesondere deshalb,
weil die Drehachse eines Schiffes keine konstante Lage hat. Schließlich ist noch
von großem Mangel, daß diese Vorrichtung nur die metazentrische Höhe des 5 Schiffes
mißt. Die für die Seefähigkeit mindestens ebenso wichtigen Hebelarme der statischen
Stabilität von Schiffen müssen auch hier durch eine Rechnung - für die aber erfahrungsgemäß
beim Bordbetrieb meist die Zeit nur schwer aufzubringen ist - bestimmt werden. Gänzlich
unmöglich ist es, mit diesem Gerät - ebenso wie auch mit Hilfe des Rollversuches
oder des Krängungsversuches - die im Seegang tatsächlich wirkenden Hebelarme zu
bestimmen. Neuere Forschungsarbeiten zeigten nämlich, daß die im Seegang wirkenden
Hebelarme stark von den für Glattwasser errechneten abweichen. Man kann zwar die
Hebelarme eines in einem idealisierten regelmäßigen Seegang fahrenden Schiffes berechnen;
für den wirklich vorkommenden Seegang ist dieses jedoch kaum möglich und könnte
auch schon wegen des damit verbundenen Arbeitsaufwandes der Schiffsbesatzung nicht
zugemutet werden.
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Erfindungsgemäß werden die genannten Nachteile der bisherigen Verfahren
zur Bestimmung der Stabilität von Schiffen weitgehend behoben: Die erfindungsgemäße
Übertragung, Verstärkung, Zusammensetzung und Anzeige der Meßwerte auf elektrischem
Wege macht mechanische Einrichtungen weitgehend überflüssig, wodurch das Auftreten
von Reibung und ungewollt wirkenden Massenkräften vermieden wird. Durch das erfindungsgemäße
Zusammenwirken mehrerer an sich bekannter Beschleunigungsmesser kann die Meßeinrichtung
an einem beliebigen Ort im Schiff aufgestellt werden. Die Anzeigeeinrichtung kann
auch entfernt von der Meßeinrichtung angeordnet werden. Vibrationen beeinflussen
das Meßergebnis nicht, da sie auf elektrischem Wege herausgefiltert werden können.
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Die erfindungsgemäße elektrische Verstärkung der Meßwerte macht es
möglich, auch sehr kleine - mit dem Auge kaum wahrnehmbare - Schwingungen in eine
bequem ablesbare Anzeige für die metazentrische Höhe zu verwandeln. Ferner zeigt
die erfindungsgemäße Einrichtung auch die im Seegang wirklich vorhandenen
Hebelarme
an und gibt so der Schiffsführung die Möglichkeit, durch Kurs- oder Geschwindigkeitsänderungen
kritischen Situationen auszuweichen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ist auf Bild 3 beispielsweise dargestellt.
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Bild 1 zeigt einen Schiffsquerschnitt, aus dem die Anordnung der Beschleunigungsmesser
hervorgeht.
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Bild 2 schließlich dient zur Erläuterung der Zusammensetzung der Beschleunigungen.
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Die Differentialgleichung der Rollbewegung eines Schiffes lautet bekanntlich
Ph(97-0) D+37(1), Dabei bedeutet
Erfindungsgemäß werden auf dem Schiff vier an sich bekannte Beschleunigungsmesser
angebracht. Zwei von ihnen, in Bild 1 mit
A und
B bezeichnet, messen
die Beschleunigung in Mastrichtung, die bei den anderen mit C und D bezeichneten
die in einer Senkrechten zur Mastrichtung und parallel zu einer Spantebene wirkende
Beschleunigung.
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Wie aus Bild 2 zu ersehen ist, messen die Beschleunigungsmesser folgende
Beschleunigungskomponenten: bA==bz-y@cosa+rj2sina=bZ-rcP +Rj2,02
bB=
bZ@-r@cosa+r@2sina=bZ+r'qi+Ri2,(:D bc=by--rc@sina-rj2cosa=b"-Rrq@2, bD=by-r sina-rry2cosa=by-Ri
+rj2.@ Aus den Gleichungen (2) und C3] folgt
| bA-bB=-2rcF, |
| bA + bB = 2(b, + R 2) |
Aus den Gleichungen C4D und C5D folgt
| bc-bD==-2rj2, (:ü |
| be + bD = 2 (by - R ) |
Aus Gleichung C6) kann man weiter ableiten
Da der Nenner dieser Gleichung eine Konstante ist, bedeutet dies, daß die Winkelbeschleunigung
durch Messung und additive Überlagerung der Beschleunigungen bA und bB ermittelt
werden kann.
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Die Neigung des Schiffes gegenüber dem Scheinlot folgt ans:
Aus den Gleichungen (#) und (#) erhält man:
Weiter folgt aus Gleichung C6) und (8):
Setzt man Gleichung i4 bzw. is in die Gleichung is bzw. i2 ein und diese dann in
Gleichung ti , so erhält man
Da R/r nach Montage der Beschleunigungsmesser nahezu konstant ist, ist damit durch
eine Kombination der Beschleunigungen bA, bB, be und bD die Neigung des Schiffes
gegenüber der Scheinlotrichtung bestimmt.
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Läßt man in Gleichung QD zunächst die Dämpfung D und die äußeren Momente
M unberücksichtigt, so kann man sie folgend schreiben:
d. h., der Hebelarm bei einer Neigung des Schiffes um den Winkel (99 -0)
gegen den scheinbaren Horizont ist proportional der Winkelbeschleunigung. Erfindungsgemäß
werden die Hebelarme beispielsweise folgendermaßen zur Darstellung gebracht (Bild
3) : Es werden an sich bekannte, beispielsweise als induktive Wandler wirkende Beschleunigungsmesser
1, verwendet, die auf bekannte Weise durch eine Brückenschaltung verbunden werden.
Ein Hochfrequenzgenerator 2 erzeugt eine hochfrequente Wechselspannung, die an die
Brücke gelegt wird. Durch die Beschleunigungsmesser werden dabei die Beschleunigungen
bA, bB, be und bD in Spannungen UA, UB, Uc und UD umgewandelt. An den einzelnen
Klemmen der Brücke ergeben sich folgende Spannungen Klemmen d, e UA
- UB (das ist proportional bA - bB) Klemmen g, h U C -- U D
(das ist proportional be - bD) Klemmen b, 0 UA -[- UB (das
ist proportional bA + bB) Klemmen f, 0 Uc + UB (das ist proportional
be + bD) Diese Spannungssummen bzw. -differenzen sind proportional den Werten, aus
denen die Gleichungen io und Üb bestehen. Beispielsweise ist die Spannung UA
- UB
direkt proportional der Winkelbeschleunigung. Um diese Spannung richtig
zur Anzeige bringen zu können, wird ihr in einem Überlagerungstransformator 3 eine
konstante Wechselspannung gleicher Frequenz überlagert.
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Der Zähler der Gleichung Q) wird durch den Überlagerungstransformator
4 gebildet, der Nenner durch den Überlagerungstransformator 5. Die in Zähler
und Nenner enthaltenen Proportionalitätsfaktoren werden dabei durch geeignete Widerstände
realisiert. Die Quotientenbildung und die Umwandlung der dem tangens (T-$) proportionalen
Spannung in eine d- ,m Winkel (g9 - e) proportionale
Spannung erfolgt
beispielsweise mittels einer Regelröhre 6 mit geeigneter Kennlinie.
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Die der Winkelbeschleunigung proportionale Spannung (Klemmen
i, k des Überlagerungstransformators 3) bzw. die dem Winkel (q9 - 0) proportionale
Spannung (Klemmen L, in) werden nach Gleichrichtung, Glättung und Verstärkung
an die vertikalen bzw. horizontalen Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre 7 gelegt.
Wenn nun das Schiff Rollschwingungen ausführt, wird am Bildschirm dieser Röhre ip
über (p - 0) als Kurve dargestellt. Gemäß Gleichung v sind die Ordinatenwerte dieser
Kurve proportional den Hebelarmen bei den zugehörigen Winkeln. Dieser Proportionalitätsfaktor
wird erfindungsgemäß ebenso wie alle übrigen Proportionalitätsfaktoren durch eine
Eichung des Geräts (beispielsweise in Verbindung mit Krängungsversuchen) bestimmt.
Die Eichung erfolgt in zwei Schritten. Der erste Schritt liefert den Verstärkungsfaktor
für den horizontalen Ausschlag auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre. Er muß
so eingestellt werden, daß der beim Krängungsversuch gemessene Winkel 9p auch als
Lichtpunktausschlag 99 - öl
(= 99, da in ruhigem Wasser ü = 0) richtig
angezeigt wird.
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Der zweite Schritt liefert den Verstärkungsfaktor für den vertikalen
Ausschlag auf dem Bildschirm. Er muß so eingestellt werden daß der Lichtpunkt bei
kleinen Rollschwingungen nach Aufbringen eines bekannten krängenden Momentes Mk
(Krängungsversuch) durch einen Punkt schwingt, der um das Maß Mk!Verdrängung unterhalb
oder oberhalb des Nullpunktes der Hebelarmkurve, je nachdem ob nach BB oder StB
gekrängt wird, auf der Ordinatenachse liegt. Dabei ist es gleichgültig, ob es sich
bei den Rollschwingungen des Schiffes um einen Ausschwingvorgang etwa nach kurzzeitigem
Törnen der Schraube oder um durch dwars laufende Wellen angefachte Schwingungen
handelt.
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Wird das Ableselineal 8, das vor dem Bildschirm drehbar angeordnet
ist, jetzt parallel zum mittleren Teil der Lichtpunktlinie (Hebelarmkurve) eingestellt,
kann am Rand auf einer entsprechend geeichten Skala der vorhandene MG-Wert abgelesen
werden.
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Die Aufzeichnungsmaßstäbe der horizontalen und vertikalen Komponenten
sind erfindungsgemäß in mehreren Stufen gleichzeitig umschaltbar, damit sie der
unterschiedlichen Größe der Rollausschläge im Hafen und auf See angepaßt werden
können.
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In Gleichung v wurden zunächst die Dämpfung D und die äußeren Momente
M unberücksichtigt gelassen. Die äußeren Momente können ohne weiteres unberücksichtigt
bleiben; da sie nicht die Periode des rollenden Schiffes haben, fällt ihr Einfluß
im zeitlichen Mittel heraus.
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Die Dämpfung kann erfindungsgemäß folgendermaßen berücksichtigt werden
Es wird angenommen, daß die Dämpfung D=k-T ist, wobei g* die relative Winkelgeschwindigkeit
zwischen Schiff und Wasser ist, (i = 9p -19). Mit Berücksichtigung der Dämpfung
lautet die Gleichung v
wobei k1 = k/P ist. Erfindungsgemäß wird diese Gleichung realisiert, indem
man der dem Ausdruck
proportionalen Spannung eine dem Ausdruck - k1 91 proportionale Spannung
überlagert. Diese wird gewonnen durch elektrische Differentiationen der dem Neigungswinkel
(T -,0) gegenüber dem scheinbaren Horizont proportionalen Spannung, die mit einem
RC-Differentiator 9 durchgeführt wird. Bei dem Differentiator 9 wird die dem Winkel
(cp - ü) proportionale Spannung an die Klemmen L, m gelegt. Die der Winkelgeschwindigkeit
proportionale Spannung erhält man an den Klemmen p, q. Die hier abgegriffene Spannung
wird nach Gleichrichtung, Glättung und Verstärkung ebenfalls an die vertikalen Ablenkplatten
der Kathodenstrahlröhre 7 gelegt. Der Dämpfungs- bzw. Proportionalitätsfaktor kann
durch Probieren gefunden werden, indem man ihn so lange verändert, bis die Fläche,
die auf der Bildfläche der Kathodenstrahlröhre erscheint, wenn die Dämpfung nicht
berücksichtigt wird, zu einer Kurve, nämlich der wirklichen Hebelarmkurve im Seegang
zusammenschrumpft. Der so gefundene Proportionalitätsfaktor ist gleichzeitig ein
Maß für die Dämpfung. Es ist dies ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung,
denn bisher war es nicht möglich, die Dämpfung der Rollschwingungen eines Schiffes
im Seegang zu bestimmen.