DE2532042A1 - Verfahren und anordnung zum messen und anzeigen der wendegeschwindigkeit eines schiffs - Google Patents

Description

Verfahren und Anordnung zum Messen und Anzeigen der Wendegesohwindigkeit eines Schiffs

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffs mit Hilfe einer Einrichtung zum Fühlen der Wendegeschwindigkeit.

Jedes Schiff hat drei Drehungsfreiheitsgrade, d.h. es kann Drehbewegungen um eine Roll- oder Schlingerachse, eine Nickachse und eine Wende- oder Hochachse ausführen. Während der Fahrt ist ein Schiff zusammen mit einer auf dem Schiff angeordneten Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung allen drei Bewegungen ausgesetzt, die unabhängig voneinander oder gleichzeitig auftreten können. Hierbei soll die Wendegeschwindigkeit" Fühleinrichtung in erster Linie auf Wendebewegungen um die Hochachse ansprechen, jedoch für Drehungen um die Schlingerachse und die Nickachse unempfindlich sein.

Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtungen, z.B. solche der Kreiselbauart oder der Schwingdrahtbauart, sind bekannt; sie sprechen in erster Linie auf Bewegungen um nur eine Achse an. Die Benutzung von Geräten zum Messen der Wendegeschwindigkeit auf sehr großen Rohöl-Tankschiffen bzw. sogenannten Supertankern zur Unterstützung von Anlegemanövern und bei der Hand-

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steuerung hat sich jedoch als unmöglich erwiesen, da die dargestellten Informationen keinen brauchbaren Inhalt besaßen.

Daher wurde bereits vorgeschlagen, eine Wendegeschwindigkeits-Pühleinrichtung an Bord eines Schiffs mittels einer stabilisierten Plattform zu unterstützen, d.h. einer Plattform, die kontinuierlich automatisch in ihrer waagerechten Lage gehalten wird, und zwar ohne Rücksicht auf die Bewegungen des betreffenden Teils des Schiffs, z.B. der Kommandobrücke, um so eine Messung der Wendegeschwindigkeit in der Azimutrichtung zu messen.

Trotz der Benutzung einer solchen übrigens sehr kostspieligen stabilisierten Plattform hat es sich gezeigt, daß die dargestellten Informationen praktisch unbrauchbar sind, denn es wurde festgestellt, daß das Gerät auch auf Ausgangssignale anspricht, die in Beziehung zu Bewegungen des Schiffs um die Schlingerachse und die Nickachse stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Anordnungen zu schaffen, die es ermöglichen, die Wendegeschwindigkeit eines Schiffs zu messen, ohne daß die Anordnung in einem bemerkbaren Ausmaß auf Schlinger- und Stampfbewegung en des Schiffs anspricht, so daß sich unter den verschiedensten Bedingungen Informationen über die Wendegeschwindigkeit genau darstellen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein Verfahren zum Messen und Anzeigen bzw. Darstellen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffs geschaffen worden, das Maßnahmen umfaßt, um eine Wendegeschwindigkeits-Fühleinriehtung so anzuordnen, daß die Achse, längs welcher die Einrichtung empfindlich ist, parallel zur senkrechten Achse des Schiffs verläuft, die so angeordnete Fühleinrichtung starr zu befestigen, die Fühleineinriohtung zu veranlassen, ein Signal zu erzeugen, das die Geschwindigkeit von Bewegungen des Schiffs um seine senkrechte

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Achse repräsentiert, und dieses Signal einer Anzeige- oder Darstellungseinrichtung zuzuführen.

Ferner ist durch die Erfindung eine Anordnung zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffs geschaffen worden, zu der eine Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung gehört, die ein die Wendegeschwindigkeit des Schiffs repräsentierendes Signal erzeugt, ferner eine Einrichtung zum Anzeigen bzw. Darstellen der Wendegeschwindigkeit sowie eine Einrichtung zum Zuführen des Signals der Fühleinrichtung zu der Anzeige- oder Darstellungseinrichtung, wobei sich die Wendegeschwindigkelts-Fühleinrichtung auf der Schiffskonstruktion ihr gegenüber ortsfest anordnen läßt.

Es hat sich gezeigt, daß Schiffe bei Anlegemanövern, bei der Annäherung an Häfen und beim manuellen Steuern eines geraden Kurses nur selten Wende- oder Gierbewegungen ausführen, die das Ausmaß von 9°/min bzw. 0,15°/sec überschreiten. Im Hinblick hierauf muß die Anzeigeeinrichtung mit einem solchen Auflösungsvermögen arbeiten, daß die die Anzeigeeinrichtung ablesende Person leicht auch einen Bruchteil dieses Höchstwertes erkennen kann. Außerdem wurde festgestellt, daß die maximale Wendegeschwindigkeit, die unter allen denkbaren Bedingungen zu erwarten ist, in der Größenordnung von 36°/min liegt. Im Hinblick hierauf wird die Anzeigeeinrichtung vorzugsweise so ausgebildet, daß auch derart extreme Werte der Wendegeschwindigkeit abgelesen werden können. Zu diesem Zweck kann man die Skala der Anzeigeeinrichtung nichtlinear ausbilden oder ein Bandspreizverfahren anwenden, z_eB. eine Streifenlaufgeschwindigkeitsanzeigeeinrichtung o. dgl.

Jeder Fehler bezüglich der Ausrichtung der Fühleinrichtung führt zu falschen Ausgangssignalen, die z.B. etwa 12°/min entsprechen, d.h. einem Vielfachen des einen Sinngehalt aufweisenden Ausgangssignals der Anzeigeeinrichtung, das bei Anlegemanövern etwa 1°/min oder beim Anlaufen eines Hafens etwa 3°/min betragen kann.

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Zu der erfindungsgemäßen Anordnung kann ferner eine die Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung tragende Unterstützung gehören, die sich mit dem Schiff fest verbinden läßt und es ermöglicht, die Ebene einzustellen, in der die Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung endgültig angeordnet werden soll.

Die meisten Geschwindigkeits-Fühleinrichtungen sprechen implicit auf Eingangssignale an, die im Frequenzbereich von Null bis 60 Hz liegen. Glücklicherweise wird in dem hier behandelten Anwendungsfall der effektive Frequenzbereich durch die begrenzte Ansprechempfindlichkeit der Einrichtungen zum Anzeigen der Ausgangssignale erheblich eingeschränkt. Diese Anzeigeeinrichtungen werden zum Gebrauch an Bord von Schiffen normalerweise mit einer schwimmend gelagerten Drehspule versehen, der eine Torsionsdraht-Aufhängungseinrichtung zugeordnet ist. Die gedämpfte Eigenschwingungszahl solcher Anzeigeeinrichtungen kann in der Größenordnung von 1,0 Hz liegen.

Das Ausmaß der Dämpfung, das bei dem System erforderlich ist, um ein optimales Arbeiten zu gewährleisten, läßt sich nicht mit Sicherheit voraussagen, da sich verschiedene Faktoren, z.B. die Amplitude und die Frequenz des Rauschanteils des betreffenden Signals erheblich auf das Ausmaß der erforderlichen Dämpfung auswirken. Jedoch lassen sich bei einer Wendegeschwindigkeits-Meßeinrichtung bzw. einem Wendezeiger, der im Rahmen der Erfinding benutzt werden soll, keine Vorteile dadurch erzielen, daß Informationen dargestellt werden, die sich schneller ändern, als eine Korrektur bewirkt werden kann. Daher ist es möglich, eine zusätzliche Dämpfung, die zu der konstruktiv gegebenen Dämpfung der Meßeinrichtung hinzukommt, zu einer Verbesserung der Lesbarkeit der angezeigten Informationen anzuwenden.

Im Hinblick hierauf ist bei der Anordnung nach der Erfindung vorzugsweise eine Signaldämpfungseinrichtung mit einer einstellbaren Zeitkonstante vorhanden, die vorzugsweise so ausgebildet ist, daß sich die Zeitkonstante von Null bis ²K) see variieren

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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Wendezeiger vorzugsweise mit einer Stimmgabel versehen, ferner mit einer Einrichtung, durch die die Stimmgabel ständig im schwingenden Zustand gehalten wird, sowie mit einer Einrichtung zum Nachweisen und Messen der im Schaft der Stimmgabel erzeugten Torsionsschwingungen, die ein Maß für die Wendegeschwindigkeit des Schiffs sind.

Die Benutzung von Wendezeigern dieser Bauart an Bord von Schiffen hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da diese Wendezeiger lange Zeit hindurch störungsfrei arbeiten, weil ihre mechanischen Teile kaum einer Abnutzung ausgesetzt sind. Weiterhin wurde festgestellt, daß bei Wendezeigern dieser Bauart für eine hervorragende Stabilität des Bezugs- oder Ausgangswertes gesorgt ist, so daß die Genauigkeit der Anordnung zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffs, mit der am Beginn der Reise gearbeitet wird, während der gesamten Fahrt wie auch während der Anlegemanöver am Ende der Reise, deren Dauer mehr als JO Tage betragen kann, innerhalb enger Grenzen aufrechterhalten bleibt. Dies ist natürlich von sehr großer Bedeutung, da sich das Schiffspersonal ständig auf das zuverlässige Arbeiten der Anordnung verlassen können muß«

Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Schlinger- und Stampfbewegungen ausführenden Schiffs;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Schiffs mit einem Wendezeiger nach der Erfindung;

Fig. 3 ^eiⁿ Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung;

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Pig. 4 in ihren Teilen A, B und C eine Unterstützung für einen erfindungsgemäßen Wendezeiger bei Betrachtung derselben aus drei verschiedenen Richtungen;

Fig. 5 einen vergrößerten Teilschnitt der Unterstützung nach Pig. 4;

Fig. 6 ein typisches Spektrum von linearen Schwingungen, wie sie im Ruderhaus eines Schiffs auftreten können;

Fig. 7 in einer schematischen Darstellung die Frequenzkennlinie

a) eines Kreiselwendezeigers,

b) eines Kreiselwendezeigers mit einer Anzeigeeinrichtung,

c) einer Steuermaschine (eine Pumpe),

d) eines Supertankers,

e) eines Kursgebers und

f) einer elektronischen Dämpfungseinrichtung zur Benutzung in Verbindung mit einem Wendegeschwindigkeits-Meßwertübertrager;

Fig. 8 das elektrische Schaltbild einer Dämpfungseinrichtung zur Benutzung in Verbindung mit einem Wendezeiger; und

Fig. 9 einen Schnitt eines mit einer Stimmgabel versehenen Wendezeiger-Meßwertgebers.

In Fig. 1 ist ein Sehlinger- und Stampf bewegungen ausführendes Schiff 1 mit einem Bug 2, einem Heck 3, einem Schornstein 4 und einer Kommandobrücke 5 dargestellt. Außerdem ist in Fig. 1 das Mittelstück 6 des Schiffs in seiner waagerechten Lage 6' mit strichpunktierten Linien eingezeichnet^ um die tatsächliche Lage des Schiffs deutlicher erkennbar zu machen.

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Bei der Schlingerbewegung des Schiffs 1 handelt es sich definitionsgemäß um eine Bewegung um die Schiffslängsachse 8, während die Stampfbewegung definitionscemäß eine Bewegung um die nicht eingezeichnete, im rechten Winkel sur Schiffslängsachse 8 verlaufende Nickachse ist.

Tritt lediglich eine Schlingerbewegung auf, dreht sich somit die Ebene 7^r um die Schiffslängsachse 8, und wenn nur eine Nick- oder Stampfbewegung auftritt, dreht sich die Ebene 9' um die Nick- oder Querachse des Schiffs.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Lage des Schiffs 1 ist der Nickwinkel ot der Winkel zwischen einer waagerechten Linie 11 und der durch das Schiff bestimmten Linie 12. Der Schlingerwinkel ß ist der Winkel zwischen der senkrechten Linie 13 und der durch das Schiff bestimmten Linie 14.

Der Kurs des Schiffs 1 ist durch den Verlauf der Schiffslängsachse 8 bestimmt. Eine allein auftretende Schllngerbewegung beeinflußt daher den Kurs des Schiffs nicht, doch wenn das Schiff nach einer Schlingerbewegung eine Stampfbewegung ausführt, oder wenn beide Bewegungen gleichzeitig stattfinden, ändert sich der Kurs des Schiffs proportional zum Nickwinkel und zum Schlingeroder Rollwinkel.

Ein horizontal stabilisierter Wendezeiger würde unter diesen Umständen auf die wahre Wendegeschwindigkeit in der Azimutrichtung ansprechen, doch würde es falsch sein, hieraus zu schließen, daß ein entsprechendes Verhalten des Steuermanns erwünscht ist.

Der Wendezeiger hat die Aufgabe, den Steuermann über Wendegeschwindigkeiten zu informieren, auf die er einen gewissen Einfluß mit Hilfe des Ruders ausüben kann. Bei der hier betrachteten Situation handelt es sich jedoch um eine kurzzeitige Übergangserscheinung, bei der keine Korrektur mit Hilfe des Ruders erforderlich ist.

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Im Gegensatz zur herrschenden Meinung läßt sich zeigen, daß ein mit einem Schiff starr verbundener Wendezeiger nur in einem minimalen Ausmaß auf Schlinger- und Stampfbewegungen anspricht.

Pig. 2 zeigt das gleiche Schiff 1 wie Fig. 1 unter Beibehaltung der in Fig. 1 verwendeten Bezugszahlen. Zusätzlich ist in Fig. 2 die Schiffslängsachse 8 eingezeichnet, die im folgenden als Z-Achse bezeichnet wird, während die mittschiffs verlaufende Nickachse als X-Achse bezeichnet ist; schließlich erkennt man in Fig. 2 die als Y-Achse bezeichnete senkrechte Achse bzw. die Hochachse. Mit dem Schiff ist eine Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung 20 starr verbunden und so angeordnet, daß der Verlauf ihrer x-, y- und z-Achsen dem Verlauf der entsprechenden Achsen des Schiffs entspricht. Da die Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung praktisch nur auf Bewegungen des Schiffs um eine einzige Achse anspricht, ist bei der Anordnung nach Fig. 2 dafür gesorgt, daß sie nur auf Bewegungen des Schiffs um die Y-Achse anspricht.

Die Drehbewegungen eines Schiffs um die Y-Achse werden durch das Ruder ohne Rücksicht auf die jeweilige Lage des Schiffs bestimmt. Daher registriert eine ortsfest angeordnete Wendegeschwindigkeits-Fühleinrichtung nur Wendegeschwindigkeiten, die in einer Ebene auftreten, in welcher sich die Bewegungen des Schiffs mit Hilfe des Ruders beeinflussen lassen.

Bei den Schlinger- und Nickbewegungen, die mit Hilfe des Ruders nur in einem geringen Maße beeinflußbar sind, handelt es sich definitionsgemäß um Drehbewegungen des Schiffs um die X- bzw. die Z-Achse des Schiffs. Bei entsprechender Anordnung der Wendegeschwindigkeits-Ftthleinrichtung erfolgen Bewegungen um diese letzteren Achsen stets auch um die x- und die z-Achse der Fühleinrichtung.

Zwar sind Wendegesehwindigkeits-MIhleinrichtungen grundsätzlich so ausgebildet, daß sie nur auf Bewegungen um eine einzige Achse ansprechen, doch sprechen solche Fühl einrichtungen

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infolge von Werkstoff- und Herstellungsfehlern sämtlich in einem allerdings nur geringeren Ausmaß auf Bewegungen um die beiden übrigen Achsen an„ Mit anderen Worten, die Fühleinrichtungen reagieren in der Praxis in einem geringen Ausmaß auch auf Bewegungen um die x- und die z-Achse_o Diese Erscheinung wird im folgenden als "Nebenachsenempfindlichkeit" bezeichnete

Bei der Herstellung wird sorgfältig darauf geachtet, daß Gewähr dafür besteht, daß diese Nebenachsenempfindlichkeit nur minimal ist. Damit dieses wichtige Merkmal nicht verlorengeht, ist es von ebenso großer Bedeutung, daß die Fühleinrichtung innerhalb der vollständigen Instrumentierung genau ausgerichtet wird, und daß auch für eine ebenso genaue Ausrichtung des Instruments auf das Schiff gesorgt wird. Eine mangelhafte Berücksichtigung dieses Erfordernisses führt dazu, daß die effektive Nebenachsenempfindlichkeit erheblich höher wird, als sie vom Hersteller für die Fühleinrichtung allein angegeben wird.

Die Bedeutung der einwandfreien Ausrichtung der Fühleinrichtung bzw. des gesamten Instruments geht aus dem folgenden Beispiel hervor:

Nebenachsenempfindlichkeit der
Fühleinrichtung Λ%

Axialer Fluchtungsfehler in der
Nickebene als Folge ungenauen
Einbaus 3

Schlingerwinkel des Schiffs 5° (Spitzenwert) Schlingerperiode 10 s

Unter der Annahme einer einfachen harmonischen Bewegung gilt folgendes:-

Schlingerwinkelverlagerung: 0 = 5° sin wt Schlingerwinkelgeschwindigkeit: $ = -rr 5° sin wt = w»5° cos wt Hieraus folgt: $ (maximale Schlingergeschwindigkeit)= w«5°/s

max

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Fehlerhaftes Ausgangssignal = effektive Nebenachsenkopplung χ

Schlingergeschwindigkeit; .

jedoch ist die effektive Nebenachsenkopplung gleich 0,01 + sin3° so daß sich folgendes ergibt:

Fehlerhaftes Ausgangssignal (Spitzenwert):

θ = w«5*(0,01 + sin 3°) Grad/s = (0,01 + 0,052)·60 Grad/min

Somit erhält man als Spitzenwert ö = 11,7°/min_e

Aus dem vorstehenden Beispiel ist ersichtlich, daß der Fluchtungsfehler bei der Fühleinrichtung bzw« dem Meßwertumsetzer praktisch zu einer Verschlechterung der Nebenachsenempfindlichkeit bzw. der Richtungsselektivitat einer hochwertigen Fühleinrichtung um einen über 6 liegenden Faktor führt.

Die Wirkung eines axialen Fluchtungsfehlers in der Schlingerebene wurde in der vorstehenden Berechnung absichtlich unberücksichtigt gelassen. Ein solcher Fluchtungsfehler wirkt sich praktisch ähnlich aus wie ein Fluchtungsfehler bezüglich der Nickachse. Für den Fall, daß man die kombinierten Wirkungen von Nick- und Schlingerbewegungen berechnet, gelten die Regeln der Überlagerung.

Die durch die Erfindung geschaffene Anordnung ist in Fig. 3 in Form eines Blockdiagramms dargestellt; zu dieser Anordnung gehört ein Wendezeiger 30, der gemäß Fig. 2 gegenüber einem Teil der Schiffekonstruktion, z.B* einem Deck, ortsfest angeordnet ist. Das durch den Wendezeiger 30 erzeugte Signal wird über eine Leitung 3I einer elektronischen Haupteinrichtung 32 zugeführt, die sich normalerweise in der Nähe des Wendezeigers 30 befindet, -welcher auf der Kommandobrücke des Schiffs, z«B« in einem Rechnerraum, einem Kartenraum oder einem beliebigen ande-

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ren .Raum angeordnet sein kann. Die elektronische Haupteinrichtung 32 wird durch eine Stromquelle 33 gespeist, die an das elektrische Netz 34 des Schiffs angeschlossen ist. Das Ausgangssignal der elektronischen Haupteinrichtung wird über eine Leitung 35 einer Anzeigeeinrichtung 36 zugeführt, bei der es sich um ein Anzeigegerät, ein Registriergerät oder eine andere nicht dargestellte Verarbeitungseinrichtung handeln kann«, Wie im folgenden näher erläutert, muß das Anzeige- und/oder Registriergerät 36 mit einer ausreichend wirksamen Dämpfungseinrichtung versehen sein.

Wie schon erwähnt, ist eine genaue Ausrichtung des Wendezeigers von größter Bedeutung, Fig. 4 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel einer Unterstützung, die es ermöglicht, die Ebene genau einzustellen, in welcher der Wendezeiger endgültig angeordnet werden soll. Pig. 4A zeigt die Vorderseite der Unterstützung, Fig. 4B die rechte Seite der Unterstützung nach Fig. 4A und Fig. 4C die Unterseite der Unterstützung.

Der Wendezeiger bzw. Meßwertumsetzer 40 ist z.B. mittels Schrauben 41 an einer oberen Platte 42 der Unterstützung 4]5 befestigt, die außerdem eine mittlere Platte 44 und eine untere Platte 45 aufweist, welch letztere dazu bestimmt ist, mit dem Körper eines Schiffs starr verbunden zu werden, und die zu diesem Zweck mit drei öffnungen 46, 47 und 48 versehen ist. Die obere Platte 42 ist mit der mittleren Platte 44 durch zwei Rollengelenke 49 und 50 verbunden; damit die obere Platte 42 z.B. innerhalb eines Bereichs von 2° zu beiden Seiten einer die obere Platte enthaltenden waagerechten Ebene verstellt werden kann, um sie zu horizontieren, ist eine Einstelleinrichtung 51 mit einem Handrad 52, einer Sicherungsmutter 53 und einer Stellschraube 55 vorhanden. Die mittlere Platte 44 ist mit der unteren Platte 45 ebenfalls gelenkig verbunden, und zwar mit Hilfe von zwei Kegelgelenken, von denen in Fig. eines in einem vergrößerten Teilschnitt dargestellt ist. Eine nach unten ragende Rippe 56 der mittleren Platte 44 ist mit

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einer zugehörigen, nach oben ragenden Rippe 57 der unteren Platte 45 durch eine Achse 58 verbunden, die mit einer konischen Lagerspitze 59 versehen 1st, welche in eine konische Bohrung 60 der Rippe 57 paßt_o Auf die Achse 58 ist eine Mutter 61 aufgeschraubt, die durch eine zweite Mutter 62 gesichert ist. Die beiden vorhandenen Kegelgelenke bzw. Spitzenlager ermöglichen es, alle unzulässigen Lagerspiele zu beseitigen.

Der Neigungswinkel der mittleren Platte 44 gegenüber der unteren Platte 45, der z.B„ gegenüber der Waagerechten nach beiden Seiten um 4° geändert werden kann, läßt sich mit Hilfe einer Einstelleinrichtung 6j5 einstellen, zu der entsprechend der Einstelleinrichtung 51 ein Handrad 64, eine Sicherungsmutter 65 und eine Stellschraube 67 gehören.

Die Unterstützung 43 ermöglicht es, den Neigungswinkel der Ebene, in welcher der Wendezeiger angeordnet ist, längs zweier Gelenkachsen einzustellen, die parallel zu den beiden Hauptachsen dieser Ebene verlaufen.

Fig. 6 zeigt ein typisches Spektrum der linearen Schwingungen, die im Ruderhaus eines Schiffs zu beobachten sind. Die Frequenzen sind längs der waagerechten Achse in Hz aufgetragen, während das empfangene Signal in db längs der senkrechten Achse aufgetragen ist. Es läßt sich vernünftigerweise annehmen, daß auch Drehschwingungen innerhalb eines ähnlichen Frequenzbandes auftreten. Drückt man die Amplitude dieser Drehschwingungen in VJinkelbeträgen aus, erhält man zwar sehr kleine Werte, doch wenn man die Winkeländerungsgeschwindigkeit in Grad/s ausdrückt, kommt man zu sehr hohen Werten, und der Wendezeiger ist so ausgebildet, daß er gerade für diese Ausschläge empfindlich ist.

Wie erwähnt, sprechen die meisten Wendezeiger implicit auf Eingangssignale im Frequenzbereich von Null bis 60 Hz an, Glücklicherweise wird im hier betrachteten Anwendungsfall dieeffektive Frequenzempfindlichkeit in einem erheblichen Ausmaß durch die

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begrenzte Ansprechempfindlichkeit der das Ausgangssignal anzeigenden Einrichtungen verringert, da bei diesen Einrichtungen die gedämpfte Eigenfrequenz 1,0 Hz nur selten überschreitet, Im Hinblick auf die durch einen Wendezeiger erzeugten starken Signale, die auf die starken Schwingungen zurückzuführen sind, wird jedoch eine zusätzliche Dämpfung für wichtig gehalten.

Wie erwähnt, läßt sich das Ausmaß der Dämpfung, das bei einem System erforderlich ist, wenn optimale Ergebnisse erzielt werden sollen, nicht mit Sicherheit voraussagen. Das Ausmaß der erforderlichen Dämpfung wird durch verschiedene Faktoren, z.B. Amplitude und Frequenz des Rauschgehalts des betreffenden Signals erheblich beeinflußt. Angesichts der Aufgabe, die ein Wendezeiger im vorliegenden Fall zu erfüllen hat, lassen sich jedoch keinerlei Vorteile dadurch erzielen, daß man Informationen darstellt, die schneller variieren, als sie korrigiert werden können.

Fig. 7 zeigt die Ergebnisse von an Bord eines Schiffs unter Benutzung mehrerer verschiedener Geräte in Verbindung mit dem Schiff durchgeführten Versuchen; in Fig. 7 ist das Ausgangssignal längs der senkrechten Achse linear in db aufgetragen, während die Frequenz längs der waagerechten Achse logarithmisch in Hz aufgetragen ist.

Bei einer in Betrieb befindlichen Pumpe ergab sich als Zeitkonstante der Rudermaschine ein Wert von k,¹+ s.

Man kann annehmen, daß bei der Wahl der Dämpfung auch die Reaktion eines Schiffs auf Ruderbewegungen berücksichtigt werden muß, da je nach dem betrachteten Schiff und seiner Ladung Ansprechzeiten von 10 s bis 100 s in Betracht kommen»

Auch die Eigenschaften eines bei einem Supertanker benutzten Selbststeuergeräts können nützliche Hinweise bezüglich der Wahl der Dämpfung bei dem Wendezeiger vermitteln, da ein einwand-

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freies Arbeiten eines Selbststeuergeräts vom Nachweis von Drehgeschwindigkeiten abhängt. Eine Untersuchung hat gezeigt, daß allen solchen Geräten oberhalb bestimmter Frequenzen eine Drehgeschwindigkeitsunterdrückung gemeinsam ist. Diese Unterdrückung bzw» die am oberen Ende des Bereichs bewirkte Beschneidung der Frequenz variiert je nach dem betrachteten Schiff und seiner Ladung zwischen 0,04 Hz und 0,004 Hz, was Zeitkonstanten von 4 bis 4o s entspricht.

Unter Berücksichtigung der begrenzten verfügbaren Informationen wird es für erforderlich gehalten, die Eigendämpfung eines Wendezeigers durch eine elektronische Dämpfung zu ergänzen, bei der sich die Zeitkonstante zwischen 0 und 4o s variieren läßt.

Figo 8 zeigt ein typisches Beispiel einer Dämpfungsschaltung 80, mit der man die Einrichtung zum Anzeigen der Wendegeschwindigkeit versehen kann, sowie Umschalteinrichtungen, die es ermöglichen, zwischen verschiedenen Ausschlägen über den ganzen Skalenbereich zu wählen.

Das Ausgangssignal eines Wendegeschwindigkeits-Meßwertumsetzers wird dem Eingang der Schaltung nach Fig. 8 über Klemmen 81 und 82 zugeführt, wobei die Klemme 82 mit einer gemeinsamen Hauptleitung 83 der Schaltung verbunden ist. Die Klemme 81 ist mit dem Kontaktarmansehluß 84 eines Wähl schalters 85 verbunden, zu dem vier Kontakte bzw. Klemmen 86, 87, 88 und 89 gehören, von denen nach Bedarf jeweils einer mit dem gemeinsamen Kontaktanschluß 84 verbunden werden kann, wie es in Fig. 8 bezüglich des Kontaktes 87 dargestellt ist» Die vier wäM/baren Kontakte sind an zugehörige Potentiometer 90* 9"U 92 und 93 angeschlossen^ von denen jeder einen Schleifkontakt 94» 95, 96 und 97 aufweist^ diese Schleifkontakte sind mit zugehörigen Kontakten 98,, 99, 100 und 101 der zweiten Hälfte des Wähisehalters 85 verbunden, und sie können jeweils mit einem gemeinsamen Kontakt 102 verbunden werden, der an den Eingang 103 der Dämpfungsschaltung angeschlossen ist» Der andere Eingang 104 ist einerseits mit

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der Hauptleitung 83 und andererseits mit der Hauptleitung der Dämpfungsschaltung 8O verbunden. Die beiden Hälften des Wählschalters 85 arbeiten so zusammen, daß stets ein Potentiometer zwischen den Klemmen 81 und 103 liegt, wie es in Fig. z.B. für das Potentiometer 95 dargestellt ist. Die Potentiometer sind außerdem an die gemeinsame Leitung 89 angeschlossen.

Hit Hilfe des Wählschalters 85 ist es möglich, jeweils einen genau geeichten Bereich zu wählen, z.B. von 9O-O-9O°/min (X 1), 3O-O-3O°/min (X 3) oder 9-O-9°/min (X 10), und außerdem ist eine weitere Schalterstellung vorhanden, die es ermöglicht, die Eichung zwischen X 1 und X 10 nach Bedarf stufenlos zu variieren. Diese Möglichkeiten können durch die Potentiometer 90, 91, 92 und 93 verfügbar gemacht werden.

Gemäß Fig. 8 wird die Dämpfungsschaltung 80 im wesentlichen durch einen mit fester Verstärkung arbeitenden Operationsverstärker 106 gebildet, der sich mit Hilfe eines Potentiometers 107 verstellen läßt, das zwischen dem Ausgang 108 des Verstärkers und der gemeinsamen Leitung 104 liegt, während der zugehörige Schleifkontakt 109 über einen Widerstand 110 an den Eingang 111 des Verstärkers 106 angeschlossen ist.

Der Operationsverstärker 106 läßt sich als Integrationseinrichtung benutzen, bei der die Zeitkonstante durch einen Kondensator 112, den Widerstand 110 und ein Potentiometer II3 bestimmt wird, welch letzteres mit dem Potentiometer 107 parallel geschaltet ist, und dessen Schleifkontakt 114 an eine Seite des Kondensators 112 angeschlossen ist, dessen andere Seite mit dem Eingang 111 des Verstärkers 106 verbunden ist.

Bei einem typischen Ausführungsbeispiel kann man den Widerstand 110 und den Kondensator 112 so wählen, daß sich eine feste Zeitkonstante von 4 s ergibt. In diesem Fall ermöglicht es das Potentiometer 113, das Ausgangssignal des Verstärkers 106 entsprechend einem zwischen 1 und 0,1 liegenden Faktor zu

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verändern, so daß sich eine Zeitkonstante zwischen 4 und 4o s wählen läßt.

Das resultierende Signal wird gemäß Fig. 8 mit Hilfe eines Anzeigegeräts 115 angezeigt, und es kann über Klemmen 116 und 117 weiteren nicht dargestellten Anzeige- oder Verarbeitungseinrichtungen zugeführt werden.

Fig. 9 zeigt in einem Schnitt eine bevorzugte Ausführungsform eines Wendezeigers zur Benutzung in Verbindung mit dem Verfahren und der Anordnung nach der Erfindung.

Zu der aus einem einzigen Materialstück hergestellten Fühleinrichtung 200 gehören ein Gehäuseabschnitt 201, Stirnwandabschnitte 202 und 203, Seitenwandabschnitte 204 und 205, die in einer zur Zeichenebene von Fig. 9 im rechten Winkel verlaufenden Ebene eine Dicke von z.B„ J>6 mm haben können, sowie eine Stimmgabel 206 mit einem Schaft 207 und einem Ausgleichsabschnitt 208. Der Schaftabschnitt 207 erstreckt sich gemäß Fig. zwischen den Stirnwandabschnitten 202 und 2Oj5 sowie im rechten Winkel dazu, und seine Längsachse ist symmetrisch zu den Seitenwandabschnitten 204 und 205 angeordnet. Die Zinken 209 und 210 der eigentlichen Stimmgabel 206 schließen sich an einen Querabschnitt 211 an.

Die Stimmgabel 206 wird auf elektronischem Wege mit Hilfe einer Anordnung betätigt, zu der zwei äußere Elektroden 212 und 213 sowie eine einzige, den Schaftabschnitt 207 umschließende innere Elektrodenkonstruktion 214 gehören. Nahe der Außenseite jedes Zinkenabschnitts 209 und 210 ist ein elektromagnetischer Meßwertgeber 215 bzw· 216 angeordnet, so daß in diesen Meßwertgebern eine schwingende elektromotorische Kraft erzeugt wird, sobald die Zinkenabschnitte Schwingungen ausführen. Die Meßwertgeber 215 und 216 sind auf nicht dargestellte Weise in Reihe geschaltet und an den Eingang eines ebenfalls nicht dargestellten Verstärkers angeschlossen, an dessen Ausgang eine Spannung er-

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scheint, die den Elektroden 212, 21^ und 214 zugeführt wird, so daß die Stimmgabel 206 mit einer ihrer Eigenschwingungsfrequenz entsprechenden Frequenz angeregt wird.

Wird die in der beschriebenen Weise angeregte Stimmgabel 206 so angeordnet, daß sich die Achse ihres Schaftabschnitts 207 gemäß Fig_e 2 parallel zur Y-Achse eines Schiffs erstreckt, und wird sie dann um diese Achse gedreht, treten in dem Schaftabschnitt 207 Torsionsschwingungen auf, deren Amplitude sich nach der Drehgeschwindigkeit richtet. Gemäß Fig. 9 sind zwei Meßwertaufnehmer 217 und 218 vorhanden, mittels welcher die Größe und die Phase dieser Torsionsschwingungen ermittelt werden, wobei diese Meßgrößen die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung der Stimmgabel 206 repräsentieren und auf direktem oder indirektem Wege dargestellt bzw. angezeigt werden können.

Patentansprüche:

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   M Δ Verfahren zum Messen und Anzeigen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffs, gekennzeichnet durch die Schritte, daß ein Wendezeiger so ausgerichtet wird, daß seine Empfindlichkeitsachse parallel zur Hochachse des Schiffs verläuft, daß der Wendezeiger in dieser Lage mit dem Schiff starr verbunden wird, daß der Wendezeiger veranlaßt wird, ein die Geschwindigkeit von Bewegungen des Schiffs um seine Hochachse repräsentierendes Signal zu erzeugen, und daß dieses Signal einer Anzeigeeinrichtung zugeführt wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Wendezeigers unter Anwendung einer variablen Zeitkonstante gedämpft wird»

   3» Anordnung zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffs, dadurch gekennzeichnet , daß ein ein die Wendegeschwindigkeit des Schiffs (1) repräsentierendes Signal erzeugender Wendezeiger (3Oj 40; 200) vorhanden ist, ferner eine Wendegeschwindigkeits-Anzeigeeinrichtung (36; 115) sowie eine Einrichtung (32) zum Zuführen des Signals des Wendezeigers zu der Anzeigeeinrichtung,, und daß sich der Wendezeiger gegenüber der Schiffskonstruktion ortsfest anordnen läßt.

   M-₀ Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wendezeiger (3O; 40; 200) gegenüber einem Deck des Schiffs (1) ortsfest anordnen läßt.

   5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Wendegeschwindigkeits-Anzelgeeinrichtung (36; 115), die sich so eichen läßt, daß sich ihre Skala über einen Gesamtbereich von 36°/min erstreckt.

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   6β Anordnung nach Anspruch 5> gekennzeichnet durch eine Wendegeschwindigkeits-Anzeigeeinrichtung (j>6; 115)* bei der ein erheblicher Teil des gesamten Skalenbereichs Wendegeschwindigkeiten von Null bis 9°/min zugeordnet ist.

   7. Anordnung nach Anspruch 5* gekennzeichnet durch einen Wendezeiger (36; 115)* der sich so eichen läßt, daß der gesamte Skalenbereich für einen Bereich von Null bis 9°/min gilt.

   8. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7» gekennzeichnet durch eine den Wendezeiger (5O; 40; 200) tragende Unterstützung (4^), die sich mit dem Schiff (1) starr verbinden läßt, und die es ermöglicht, die Ebene zu verstellen, in welcher der Wendezeiger angeordnet ist«

   9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene, in welcher der Wendezeiger (3O; 40; 200) angeordnet ist, um zwei zueinander rechtwinklige Achsen schwenkbar ist.

   10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Unterstützung (4j5) drei in senkrechten Abständen übereinander angeordnete Platten gehören, daß die unterste Platte (45) Einrichtungen (46, 4γ, 48) zum Befestigen dieser Platte an der Schiffskonstruktion (1) aufweist, daß die mittlere Platte (44) mit der untersten Platte durch Gelenke (58, 59* 60) zum Festlegen einer waagerechten ersten Schwenkachse verbunden ist und eine Einrichtung (65) zum Verstellen der mittleren Platte um die erste Schwenkachse aufweist, daß die oberste Platte (42) mit der mittleren Platte durch Gelenke (49, 50) zum Festlegen einer waagerechten zweiten Schwenkachse verbunden ist, welche im rechten Winkel zu der ersten Schwenkachse verläuft, daß die oberste Platte eine Einrichtung (51) zum Verstellen der obersten Platte um die zweite

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   Schwenkachse aufweist, und daß sich der Wendezeiger (JO; 40; 200) an der obersten Platte befestigen läßt.

   11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gelenk zwischen der mittleren Platte (44) und der untersten Platte (45) als Spitzenlager (58* 59* 6o) ausgebildet und mit einer Einstelleinrichtung (61, 62) zum Beseitigen jedes unzulässigen Lagerspiels versehen ist.

   12. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, gekennzeichnet durch eine mit einer einstellbaren Zeitkonstante arbeitende Signaldämpfungseinrichtung (80).

   13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zeitkonstante der Signaldämpfungseinrichtung (80) zwischen 0 s und 40 s variieren läßt.

   14. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis I3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wendezeiger (200) eine Stimmgabel (206) aufweist, ferner Einrichtungen (212, 213* 214) zum Aufrechterhalten des schwingenden Zustandes der Stimmgabel sowie Einrichtungen (217* 218) zum Nachweisen und Messen von im Schaft (207) der Stimmgabel erzeugten Torsi ons schwingungen, die ein Maß für die Wendegeschwindigkeit des Schiffs (1) sind.

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