DE2342287A1 - Ship rudder or stabiliser force sensor - determines normal force by measuring flow speed electromagnetically at two surface points - Google Patents

Ship rudder or stabiliser force sensor - determines normal force by measuring flow speed electromagnetically at two surface points

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DE2342287A1 DE19732342287 DE2342287A DE2342287A1 DE 2342287 A1 DE2342287 A1 DE 2342287A1 DE 19732342287 DE19732342287 DE 19732342287 DE 2342287 A DE2342287 A DE 2342287A DE 2342287 A1 DE2342287 A1 DE 2342287A1
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    • G01P5/08Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring variation of an electric variable directly affected by the flow, e.g. by using dynamo-electric effect
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Abstract

Transverse force of a ship's rudder or fin stabiliser is determined by measuring the local water speed with electromagnetic flow sensors at two opposed points on the surface of the rudder or stabiliser. The force is derived from the measurements, by forming their sum and difference and taking the product of the differences. The normal pressure at each sensor is given by pn = po - dVn2/2, whence the normal force on the body = N = f(p1-p2) = (d/2).f(V1 + V2)(V1 - V2) with n = 1 or 2, d = specific mass of sea water, and po = static pressure around the rudder or fin. The force thus derived is independent of external disturbances, and may be used for regulation.

Description

LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH. 6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH. 6 Frankfurt / Main, Theodor-Stern-Kai 1

HH 73/22HH 73/22

Mb/rö l6· AugUSt 1973 Mb / rö l6 AUGUST 1973

"Verfahren zur Ermittlung der Querkraft von Unterwasser-Quertriebskörpern" "Procedure for determining the transverse force of underwater transverse drive bodies"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Querkraft von tragflügelförmigen Quertriebskörpern, die am Schiff unter Wasser angeordnet sind, insbesondere von Schiffsrudern und Plossenstabilisatoren.The invention relates to a method for determining the transverse force of hydrofoil-shaped transverse drive bodies on the ship are arranged under water, in particular of ship rudders and tail stabilizers.

Die Querkraft ist jene Komponente der Wasserkraft-Resultierenden, die senkrecht zur Drehachse des Quertriebskörpers und senkrecht zur Richtung der ReIativanströmung steht. Eine Querkraft, die vorzugsweise in vertikaler Richtung wirkt, heißt Auftrieb.The transverse force is that component of the hydropower resultant that is perpendicular to the axis of rotation of the transverse drive body and perpendicular to the direction of the relative flow. A transverse force that acts preferably in the vertical direction, is called buoyancy.

Bei den genannten Quertriebskörpern ist es aus regelungstechnischen Gründen vorteilhaft, die vorhandene Querkraft zu ermitteln und ein ihr entsprechendes Signal zur Regeleinrichtung zurückzuführen· Zum Beispiel kann die Selbststeueranlage eines Schiffsruders auf diese Weise einen unterlagerten Regelkreis erhalten, der die Ruder-Querkraft nach einem vorgegebenen veränderlichen Sollwert reaktionsschnell regelt und die StörgrößenIn the case of the transverse drive bodies mentioned, it is from control engineering Reasons advantageous to determine the existing transverse force and a signal corresponding to it to the control device · For example, the autopilot can be a The ship's rudder in this way receive a subordinate control loop, which change the rudder lateral force according to a predetermined one Setpoint reacts quickly and regulates the disturbance variables

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günstig aufschaltet. Trotz dieser unbestrittenen Vorteile wird die Querkraft-Ermittlung nur in wenigen Fällen praktisch durchgeführt, da die bekannten Verfahren entweder zu aufwendig oder zu störanfällig sind.connects cheaply. Despite these undoubted advantages, it will the transverse force determination is only carried out in practice in a few cases, since the known methods are either too expensive or are too susceptible to failure.

Das einfachste bekannte Verfahren besteht darin, die Drehachse des Quertriebskörpers weit vor dem Druckpunkt-Bereich des Profils anzuordnen, das Ansteil-Drehmoment zu messen und daraus die vorhandene Querkraft abzuleiten (DRP 706 352). Das Verfahren verteuert die Gesamtanlage, da beim Anstellen größere Drehmomente auftreten und somit eine stärkere Antriebsmaschine (z.B. Rudermaschine) erforderlich ist als bei einem üblichen Quertriebskörper, der ganz oder angenähert" ausba lanciert ist·The simplest known method is to use the axis of rotation of the transverse drive body well in front of the pressure point area of the profile to arrange to measure the steeping torque and from it to derive the existing shear force (DRP 706 352). The process makes the entire system more expensive, since larger ones are used when adjusting Torques occur and therefore a more powerful drive machine (e.g. rowing machine) is required than with a conventional one Transverse drive body that is fully or approximately "balanced"

Bei einem bekannten Flossenstabilisator wird die elastische Verformung des Flossenschaftes gemessen und hieraus die vorhandene Querkraft abgeleitet (DBP 1 lkk 612). Zur Durchführung des Verfahrens braucht man ein hochempfindliches Dehnungsmeßgerät am Flossenschaft, also an einer Stelle die der Wartung praktisch nicht zugänglich ist. Außerdem wird das Meßergebnis dadurch verfälscht, daß die elastische Verformung nicht nur von der Wasserkraft erzeugt wird, sondern auch von dynamischen Massenkräften der Flosse, die insbesondere bei ganz oder teilweise abgerissener Strömung groß sein können. In a known fin stabilizer, the elastic deformation of the fin shaft is measured and the existing transverse force is derived from this (DBP 1 lkk 612). To carry out the process, you need a highly sensitive extensometer on the fin shaft, i.e. at a point that is practically inaccessible for maintenance. In addition, the measurement result is falsified by the fact that the elastic deformation is not only generated by the force of water, but also by dynamic mass forces of the fin, which can be particularly large when the current is completely or partially torn.

Aus der gleichen Patentschrift ist es auch bekannt, das radiale Ausweichen eines elastisch eingebauten Flossenlagers zu messen (DBP 1 lkk 612). Ein solches Lager kann infolge der Querkraft um mehrere Millimeter ausweichen, so daß ein weniger empfindliches Meßgerät erforderlich ist. Jedoch würde der elastische Einbau eines Flossenlagers die Anlage wesentlich verteuern.From the same patent it is also known to measure the radial deflection of an elastically built-in fin bearing (DBP 1 lkk 612). Such a bearing can give way by several millimeters as a result of the transverse force, so that a less sensitive measuring device is required. However, the elastic installation of a fin bearing would make the system much more expensive.

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Nach dieser Patentschrift ist es auch bekannt, den zur Flossenoberfläche senkrechten Wasserdruck mit einer Membran zu messen, deren Durchbiegung infolge des Wasserdrucks eine Ausgangsgröße erzeugt, die proportional der Querkraft ist· Dies bekannte Verfahren hat folgende Nachteile: Ist die Membran sehr groß, dann kann sie durch im Wasser schwebende Festkörper leicht beschädigt werden. Ist die Membran klein, dann kann durch Bewuchs ihre Elastizität verändert werden, so daß das Meßergebnis verfälscht wird.According to this patent specification it is also known to the fin surface to measure vertical water pressure with a membrane, the deflection of which as a result of the water pressure is an output variable generated, which is proportional to the transverse force · This known method has the following disadvantages: If the membrane is very large, then it can be easily damaged by solids floating in the water. If the membrane is small, its Elasticity can be changed, so that the measurement result is falsified.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein für Regelungszwecke geeignetes Verfahren zur Ermittlung der Querkraft zu schaffen, das von störenden äußeren Einflüssen weitgehend unabhängig ist.The object of the invention is to provide a method for determining the transverse force that is suitable for control purposes create that is largely independent of disruptive external influences.

Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an zwei einander gegenüberliegenden Stellen der Oberfläche des Quertriebskörpers mit Hilfe von elektromagnetischen Strömungs-Meßfühlern die örtliche Wassergeschwindigkeit zu messen und daraus die Querkraft abzuleiten.For this purpose, it is proposed according to the invention, on two each other opposite points of the surface of the transverse drive body with the help of electromagnetic flow sensors the local Measure water speed and derive the transverse force from it.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Summe und die Differenz der beiden Geschwindigkeiten miteinander multipliziert und aus dem Produkt die Querkraft abgeleitet.According to a further feature of the invention, the sum and the difference of the two speeds are multiplied with one another and derived the transverse force from the product.

Ein elektromagnetischer Strömungs-Meßfühler ist ein Gerät, das in der strömenden Flüssigkeit ein elektrisches und ein magnetisches Kraftfeld erzeugt, wobei die Kraftlinien der beiden Felder einander kreuzen. Die Strömung beeinflußt das elektrische Feld derart, daß an den Feldelektroden ein Signal abgegriffenAn electromagnetic flow sensor is a device that detects an electrical and a magnetic element in the flowing liquid Force field generated, whereby the lines of force of the two fields cross each other. The flow affects the electrical Field in such a way that a signal is tapped at the field electrodes

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werden kann, das der Strömungsgeschwindigkeit entspricht· Solche Meßfühler sind an sich als elektromagnetische LOG-Sonden zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit eines Schiffes bekannt.which corresponds to the flow velocity · Such sensors are used as electromagnetic LOG probes Measurement of the speed of a ship known.

Dem vorgeschlagenen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, daß aus den beiden gemessenen Strömungsgeschwindigkexten die Differenz der an den Meßstellen wirkenden Flächen-Normaldrücke abgeleitet werden kann* Aus den Flächen-Normaldrücken läßt sich die Normalkraft ableiten und aus ihr, nach Multiplikation mit dem Cosinus des geometrischen Anstellwinkels die Querkraft. Die nichtlineare Abhängigkeit der Normalkraft von der Differenz der beiden Drücke kann durch Modellversuche ermittelt werden. Zur Erläuterung soll folgende Ableitung dienen:The proposed method is based on the idea that the difference between the two measured flow velocities the normal surface pressures acting at the measuring points can be derived * From the normal surface pressures, Derive the normal force and from it, after multiplication with the cosine of the geometric angle of attack, the transverse force. The non-linear dependence of the normal force on the difference between the two pressures can be determined by model tests will. The following derivation should serve as an explanation:

f (P1 - P2) ( ι )f (P 1 - P 2 ) (ι)

P1 - P0 ■£// P2 =PO -E1^/ ( 2 )P 1 - P 0 ■ £ // P 2 = P O -E 1 ^ / (2)

N = JLN = JL

N * 5.N * 5.

Darin bedeuten:Therein mean:

f (,,,) = Funktion vonf (,,,) = function of

N = Normalkraft am Quertriebskörper P1 P2 = Flächen-Normaldruck an den Meßstellen 1 u. 2N = normal force on the transverse drive body P 1 P 2 = normal surface pressure at measuring points 1 and 2

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ρ β statischer Umgebungsdruckρ β static ambient pressure

V V2 = Strömungsgeschwindigkeit an den Meßstellen 1 u. 2 ^ = spezifische Masse des Seewassers.VV 2 = flow velocity at measuring points 1 and 2 ^ = specific mass of the sea water.

Das vorgeschlagene Verfahren bietet den Vorteil, daß es Meßfühler verwendet, die unempfindlich gegen Bewuchs und Verkrustung sind und nicht durch im Wasser schwebende Festkörper beschädigt werden können. Es erfordert auch keinen besonderen Bauaufwand für die Lagerung oder den Ansteilantrieb des Quertriebskörpers.The proposed method has the advantage that it uses sensors that are insensitive to growth and incrustation and cannot be damaged by solids floating in the water. It also does not require any special construction costs the storage or the pitch drive of the transverse drive body.

Die abgeleitete Gleichung 5 enthält die Summe und die Differenz der beiden gemessenen Geschwindigkeiten. Ihre elektronische Nachbildung führt zu besonders genauen Ergebnissen, weil zwei benachbarte elektromagnetische Strömungsmeßfühler die Differenz der beiden Geschwindigkeiten wesentlich genauer messen können als die absoluten Größen der Geschwindigkeiten. Die Geschwindigkeitsdifferenz ist bei kleinen Anstellwinkeln klein gegenüber der mittleren Geschwindigkeit. Eine Schaltung nach Gleichung 5 ist daher zum Beispiel einer Schaltung nach Gleichung 4 überlegen.The derived equation 5 contains the sum and the difference of the two measured speeds. Their electronic replication leads to particularly precise results because two are adjacent electromagnetic flow sensors can measure the difference between the two speeds much more accurately than the absolute magnitudes of the speeds. The speed difference is small compared to the at small angles of attack medium speed. A circuit according to equation 5 is therefore superior to a circuit according to equation 4, for example.

Die Zeichnung zeigt in Figur 1 einen Querschnitt durch einen tragflügelförmigen Quertriebskörper 1, mit den beiden Strömungsmeßfühlern 2 und 3, welche die Geschwindigkeiten V und V2 messen. Außerdem sind zur Erläuterung die Flächen-Normaldrücke p. und po sowie der statische Umgebungsdruck ρ eingetragen.The drawing shows in FIG. 1 a cross section through an airfoil-shaped transverse drive body 1, with the two flow sensors 2 and 3 which measure the speeds V and V 2. In addition, the normal surface pressures p. and p o and the static ambient pressure ρ are entered.

ώ Oώ O

In Figur 2 ist ein Blockschaltbild für das vorgeschlagene Verfahren dargestellt. Die von den beiden Strömungsmeßfühlern 2 undIn Figure 2 is a block diagram for the proposed method shown. The two flow sensors 2 and

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3 gelieferten Geschwindigkeitssxgnale V und V0 werden einem Summierverstärker 4 und einem Differenzverstärker 5 zugeleitet. Diese bilden die Signale (V ± + V3) und (V± -V3), die dem Multiplikator 6 zugeleitet werden. Da (V -V0) wesentlich kleiner als (V +V0) ist, hat der Differenzverstärker 5 eine größere Klemmenverstärkung als der Summierverstärker 4, so daß die beiden dem Multiplikator 6 zugeleiteten Signale in der gleichen Größenordnung liegen. Der Multiplikator 6 bildet das Produkt (V + V0) . (V - V0), welches im Funkt ions geber 7 ζ«, einem Signal umgeformt wird, das der Normalkraft N entspricht. N wird im Multiplikator 8 mit dem Cosinus des geometrischen Anstellwinkels OC multipliziert. Am Ausgang des Multiplikators 8 steht ein der Querkraft L entsprechendes Signal.3 speed signals V and V 0 supplied are fed to a summing amplifier 4 and a differential amplifier 5. These form the signals (V ± + V 3 ) and (V ± -V 3 ), which are fed to the multiplier 6. Since (V -V 0 ) is significantly smaller than (V + V 0 ), the differential amplifier 5 has a larger terminal gain than the summing amplifier 4, so that the two signals fed to the multiplier 6 are of the same order of magnitude. The multiplier 6 forms the product (V + V 0 ). (V - V 0 ), which is converted into a signal in the function generator 7 «, which corresponds to the normal force N. N is multiplied in multiplier 8 by the cosine of the geometric angle of attack OC . A signal corresponding to the transverse force L is present at the output of the multiplier 8.

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Claims (2)

HH 73/22 PATENTANSPRÜCHEHH 73/22 PATENT CLAIMS 1. Verfahren zur Ermittlung der Querkraft eines Unterwasser-Quertriebskörpers, insbesondere eines Schiffsruders oder Flossenstabilisators, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei einander gegenüberliegenden Stellen der Oberfläche des Quertriebskörpers (l) mit Hilfe von elektromagnetischen Strömungs-Meßfühlern (2, 3) die örtliche Wassergeschwindigkeit gemessen und hieraus die Querkraft abgeleitet wird.1. Procedure for determining the transverse force of an underwater transverse drive body, in particular a ship's rudder or fin stabilizer, characterized in that two opposite points of the surface of the transverse drive body (l) with the help of electromagnetic Flow sensors (2, 3) measured the local water speed and derived the transverse force from this will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß2. The method according to claim 1, characterized in that die Summe und die Differenz der beiden gemessenen Geschwindigkeiten miteinander multipliziert und aus dem Produkt die Querkraft abgeleitet wird.the sum and the difference of the two measured speeds are multiplied with each other and the transverse force is derived from the product. 509809/0220509809/0220 LeerseiteBlank page
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