DE2929964C2 - Verfahren zur Kompensation von magnetischen Störfeldern von Objekten mittels magnetischer Eigenschutzanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 9 77 846 bekannt. Dabei werden drei Sonden zur Messung der verschiedenen Komponenten des Erdfeldes herangezogen. Die magnetische Eigenschutzanlage (MES-Anlage). wird mit dem Absolutwert der magnetischen Feldstärke angesteuert. Die Sonden messen den zeitlichen Differentialquotienten dH/dt des Feldes und gelangen über eine Integration jdH/d! zur Feldstärke H. Mit diesem Verfahren, das Proportionalität zwischen Störfeldgradienten und Störung voraussetzt, ist eine Kompensation von kurs- und bewegungsabhängigen Komponenten der Störfelder nicht möglich. Das würde nämlich dazu führen, daß bei einer Störfelddifferenz Null auch der Kompensationsstrom Null sein würde. Es ist aber ein bestimmter, von Null verschiedener Strom notwendig, um eine Störfelddifferenz Null zu gewährleisten. Eine selbsttätig wirkende Eigenschutzaniage ist mit diesem Verfahren nicht erreichbar.

Aus der DE-PS 9 77 727 ist ferner eine Einrichtung zur Steuerung von MES-Anlagen gegen die Wirkung des induzierten Anteiles des magnetischen Momentes von Schiffen bekannt. Hierfür sind drei außerhalb des magnetischen Störbereiches des Schiffes, vorzugsweise an einer unmagnetischen Mastspitze angeordnete Feldmeßsonden vorgesehen, die über ein Feldmeßgerät die Erregung von Leistungsverstärkern steuern, die ihrerseits Ströme für die Kompensationswicklungen der Anlage liefern. Die drei Feldmeßsonden sollen einzeln oder vorzugsweise gemeinsam drehbar angeordnet und die Feldmeßgeräte und Leistungsverstärker mit besonderen Einrichtungen zur Gegenkopplung und damit zur ununterbrochenen Selbstüberwachung der ganzen Anlage ausgerüstet sein.

Die genannten M ES-Anlagen leiden ferner unter dem Mangel, daß mit ihnen Änderungen des magnetischen Zustandes eines Objektes nicht ausreichend genau erfaßt werden können, wobei folgende Änderungen erwähnt werden sollen:

1. Änderungen des permanenten magnetischen Zustandes durch Aherung, Erschütterungen, Anbringen und Entfernen von magnetischen Teilen oder Geräten, Auswechseln von Maschinen, Waffen, Übernahme und Verschießen von magnetischer Munition, Torpedos, Übernahme von in Blechdosen verpacktem Proviant bzw. Beseitigen der leeren Blechdosen.

2. Änderung der Tauchtiefe von ferromagnetischen U-Booten.

3. Rückkopplungseffekt auf die Schlingereffekte (Wirbelstromerzeugung durch Schlingern) werden nicht direkt gemessen und dementsprechend nicht exakt kompensiert. Hierzu werde·;, schwierig zu ermittelnde Erfahrungswerte benötigt. Die Wirbelstromeffekte durch Stampf- und Rollbewegungen des Objektes bleiben unberücksichtigt.

4. Die Kompensation steht nicht im direkten Zusammenhang mit dem gemessenen Eigenfeld des zu kompensierenden Objektes. Es muß jeweils vorausgesetzt werden, daß sie richtig eingestellt wird und später keine Änderung erfährt.

5. Kompensation von Feldern elektrischer Fahranlagen bleibt unberücksichtigt.

6. Eine Selbstvermessung bzw. Kontrolle des Eigenfcldes ist nicht möglich.

Mit einer Differenzfeld-Magnetsonde, die normalerweise aus zwei in Basisabstand voneinander antiparallel angebrachten Magnetsensoren besteht, kann aus der Polung des Meßeffektes auf die Richtung der magnetischen Feldstärke eines inhomogenen magnetischen Feldes, z. B. des Eigenfeldes eines Schiffes, geschlossen werden, wenn bekannt ist, nach welcher Seite der Sonde die Absolutbeträge der magnetischen Feldstärke abnehmen bzw. zunehmen.

Wird die vorstehend genannte Voraussetzung eingehalten, so kann nach Fig. 1 eine Differenzfeld-Sonde zum Kompensieren des magnetischen Eigenfeldes 1 eines Objektes 2 herangezogen werden. In diesem Beispiel wird die Anordnung einer Differenzfeld-Sonde 3 gezeigt. Hier befindet sich die Sonde vom zu kompensie. enden Objekt 2 entfernt. Sie ist etwa in radialer

Richtung zum Objekt 2 angebracht Dieses »Entferntsein« vom magnetischen Schwerpunkt erfüllt bereits die obengenannte Bedingung aufgrund des Abstandsgesetzes für das magnetische Feld des Objektes.

Eine Umpolung des Streufeldes ergibt eine eindeutige Umpolung des Sondeneffektes am Ausschlag des Magnetometer-Anzeigeinstrumentes 4, wie in Fig.2 gezeigt ist, dann auch, wenn die Sonde nur Komponenten des Objekt-Eigenfeldes zu erfassen vermag.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß es alle kurs- und bewegungsabhängigen magnetischen Störfelder wirksam beseitigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale verwendet. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung erläutert, und zwar zeigen die

F i g. 3 und 4 die Kopplung der Sonde mit der Kompensationswicklung bei einem Schiff,

F i g. 5 eine drehbare Differenzfeldsonde,

Fig.6 eine Möglichkeit der Verminderung der Anzahl der Sonden, und die

F i g. 7 bis 9 weitere Beispiele zur Verminderung der Sondenzahl.

In F i g. 3 werden Sonde und Kompensationswicklung so miteinander gekoppelt, daß der am Ausgang eines Magnetometers anstehende Meßeffekt der Sonde 3 über einen Meßverstärker 5 ein Integrationsglied 6, beispielsweise ein elektronisches Integrationsglied, einen Integrationsverstärker oder einen Rechner aufintegriert wird. Das Ausgangssignal des integrationsgliedes wird dann als elektrische Spannung einem Leistungsglied 7 zugeführt Hierfür kann ein Gleichspannungsleistungsverstärker verwendet werden. Es ist aber auch möglich, das Signal indirekt der Erregerwicklung eines Gleichstromgenerators zuzuführen bzw. es zur Ansteuerung von Thyristoren zu verwenden. Das Leistungsglied 7 liefert den Strom für eine Kompensationswicklung 8 (MES-Wicklung), mit der die Magnetometer-Elektronik (5 bis 7) in der Weise fest verschaltet ist. daß das erzeugte Magnetfeld, bzw. eine Komponente hiervon, dem gemessenen Feld entgegengerichtet ist.

Eine derartige Kombination kann zur Kompensation eines Objektes 2 (z. B. Schiff) und/oder von Teilen eines Objektes Überali dort angebracht werden, wo die Kompensation einer bestimmten Streufeldkomponente für erforderlich angesehen wird. Im Beispiel nach F i g. 4 sind die Komponenten 9, 19 und 11 für die X-. Y- und Z-Richtung vorgesehen.

Das Verfahren kann in der Weise vorteilhaft ausgebildet werden, daß die Sonde gemäß F i g. 5 um ihre Längsachse drehbar gelagert wird. Hierfür sind zwei amagnetische Kugellager 13 und 14 und ein hydraulischer, pneumatischer oder elektrischer Motor vorzugsweise ein Synchronmotor vorgesehen. Die Sonde kann aber auch von Hand, mit Windkraft oder mittels der Fahrtströmung in Umdrehung versetzt werden. Wegen der unvermeidlichen Dejustierung der beiden antiparallelen Sensoren 15 und 16, die in der Figur übertrieben sehief dargestellt sind, erzeugen beide Sensoren für sich einen mehr oder weniger großen Wechscleffekt. Üblicherweise sind die beiden Störeffekte unterschiedlich groß und gegeneinander phasenverschoben. Beide Wechseleffekte subtrahieren sich nach der üblichen Schaltung von Magnetometern. Hierdurch entsteht ein Wechseleffekt in der Form einer Wechselspannung, der sich dem eigentlichen Meßeffekt überlagert Dieser störende, symmetrische Wechseleffekt wird nun durch Dämpfungsglieder oder Filter zum Verschwinden gebracht. Somit steht der reine Meßeffekt zur Verfügung. Erleichtert wird das Beseitigen des störenden Wechselfeldeffektes dadurch, daß seine Frequenz der Drehzahl der Sonde genau entspricht. Daher ist die Drehzahl so zu wählen, daß sie von der Frequenz der Meßeffekte möglichst verschieden ist Hierzu kann eine Drehzahl-Verstellvorrichtung dienen.

Bei einem schnellen Wechsel des Gradienten, z. B. bei Wechselfeldern, die das Objekt erzeugt, empfiehlt es sich, die infolge Schiefstellung der Sensoren 15 und 16 auftretende Störfrequenz durch Zählstufen auszuschalten.

Zur Weiterleitung der Meßsignale von der sich drehenden Sonde können Schleifringe 17 (Quecksilberschleifringe), induktive oder kapazitive Übertrager bzw. Funksender benutzt werden. Es empfiehlt sich in diesem Fall, die gesamte Elektronik 18 des Magnetometers oder Teile davon, z. B. miniaturisierter >· ;->rm gemeinsam mit der Sonde umlaufen zu lassen.

Es ist aber auch denkbar, die Sonde Drehschwingungen, bevorzugt harmonische um Winkel von 360° oder auch um kleinere Winkel ausführen zu lassen. Drehschwinguiigen haben den Vorteil, daß die Sensoren mittels Kabel mit den nachgeschalteten Gliedern verbunden werden können.

Weiterhin kann die Anzahl der zur Kompensation eines Objektes erforderlichen Sonden vermindert werden. Anstatt drei Sonden zu verwenden, je eine für die V-, L- und //-Wicklung entsprechend der Z-. X- und V-Richtung, ist eine einzige Sonde 19 gemäß F i g. 6 ausreichend, wenn diese windschief zu den Spulenrichtungen X, Kund Zangeordnet wird. Diese Sonde kann eine feste oder rotierende Sonde sein. Kommt einer Komponente des zu entmagnetisierenden Objektes eine besondere Bedeutung zu, so ist die Winkellage der Sonde dieser Richtung mehr anzunähern, als einer anderen \veniger wichtigen. Der sich auf diese Weise ergebende Meße^ffekt enthält die Meßeffekte der X-. Y- und Z-Komponenten als eine Größe.

Eine Aufgliederung zur Steuerung der Wicklungen kann in folgender Weise vorgenommen werden:

Nacheinander werden alle vorhandenen Wicklungen an die Sonde angekoppelt. Es wird ein Strom auf die erste Kompensationswicklung geschaltet und mittels einer Logikschaltung die Stromrichtung sofort umgeschaltet, falls der Meßeffekt hierdurch ansteigt. Fällt der Meßeffekt dagegen ab. so läßt man den Strom in dieser Richtung für kurze Zeii weiterfließen. Danach wird mit den übrigen Wicklungen entsprechend verfahren und der ganze Vorgang wiederholt, bis der Meßeffeki an der Sonoe NuIi wird. Die jeweiligen Stromgrößen können dabei laufend abnehmend vorgesehen oder die Siron.-flußzeiten verkürzt werden.

Eine andere Möglichkeit, den Meßeffekt zu Null zu machen und damit das Eigenfeld des zu kompensierenden Objektes, besteh darin, die Steuerung der Stromrichtung für die Kompcnsationswicklungcn besonderen Feldsonden zu übertragen, die die Richtung des Eigenfeldes des Objektes erfassen. Wenn z. B. eine V-. L und W-Wicklung vorgesehen sind, ist ein Sondentripel für die X-. Y- und Z-Richtung zu verwenden.

b5 Eine weitere Möglichr.^it ist für die rotierende Sonde rWin zu sehen, einen Sensor bewußt von einer Ideallage abweichend in einer bestimmten Richtung zu drehen, und /war bevorzugt um einen Winkel, der außerhalb

der Winkeltoleranz der Sensoren liegt. Da somit die Richtung der Schiefstellung des Sensors bekannt ist, kann aus dem sich hieraus ergebenden Meßeffekt dieses Sensors auf die Feldrichtung am Ort des Sensors geschlossen werden. Der größte Meßeffeki tritt bei der Drehstellung der Sonde auf, bei der die Meßrichtung des Sensors und die Feldrichtung sich am nächsten kommen. Es können aber auch beide Sensoren in der beschriebenen Weise schief gestellt werden.

Es ist bekannt und vorteilhaft, einige oder alle Sonden an einem Ort. z. B. im Mast eines Schiffes, anzubringen, wie Fig. 7 zeigt. In diesem Beispiel mißt die Sonde 20 die Fclddifferenz der ,V-Komponente, die Sonde 21 die der K-Komponente und die Sonde 22 die der Z-Komponente. Die Sondenbasis erhält dann genau oder auch nur ungefähr eine radiale Richtung zum Objekt. Für diesen Fall der Anwendung ist es aber notwendig, die Sensoren in den Sonden in anderer Weise anzuordnen. Sie sind zwar stets antinaralje! anzubringen, jedoch erhalten die Sensoren die Richtung der entsprechenden zu vermessenden Feldrichtung. Alle Sensoren können auch in einer Sonde zusammengefaßt werden (F i g. 8), oder jeweils ein Sensor übernimmt, schiefgestellt, die Funktion von mehr als einem Sensor (Fig.9), analog dem in F i g. 6 beschriebenen Beispiel. Die Sonden sollen in bckannter Weise möglichst dort aufgestellt werden, wo Sonden-Null mit dem Eigenfeld-Null des Objektes übereinstimmen. In diesem Fall erfordert das Kompensationsprinzip lediglich, daß die von der Sonde gemessene Felddifferenz und der von der Kompensationswicklung hervorgerufene Kompensationseffekt gemeinsam gegen Null gehen. Eine lineare Beziehung oder eine andere festgelegte Beziehung braucht nicht erfüllt zu sein.

Falls sich jedoch für die Aufstellung der Sonde kein Ort finden läßt, für den diese Bedingung erfüllt ist. ist eine Verstellvorrichtung vorzusehen. Hiermit wird dem Sondenmeßeffekt ein einstellbarer konstanter oder fe!dabhängiger Effekt überlagert, der die Nulldifferenz ausgleicht.

Die Verstärkung zwischen Meßeffekt und Kompensationsstrom ist ebenfalls verstellbar auszuführen. Hiermit können unvermeidliche, störende Induktionseffekte in der Näne der Sonde ausgeglichen werden. Es kann aber auch eine besondere Hilfs-Kompensationswicklung für die induktiv wirkende Störstelle, die die Sonde beeinflußt, angebracht werden. Ihre Beaufschlagung ist durch eine magnetische Vermessung zu ermitteln und einzustellen.

Das Magnetometer kann weiterhin mit einer Signalanzeige versehen werden, um extreme Beaufschlagun- y> gen bzw. Störungen erkennbar zu machen. Hierzu kann ein Meßinstrument oder eine optische bzw. akustische Anzeigeeinrichtung dienen. Insbesondere ist diese erforderlich, wenn ein nicht mehr kompensierbarer Effekt auftritt.

In vorteilhafter Weise sind der Sensor und die Elektronik nach dem Baukastenprinzip zu fertigen.

Die beschriebene Kompensation über das Differenzfeld-Meßverfahren ist prädestiniert zum Schutt von Schiffen vor Gradienten-Minen. Sie ist aber auch verwendbar für Geräte. Motoren, Landfahrzeuge, gepanzerte Fahrzeuge sowie zum Steuern der Kompensierung von Störfeldfreien Plätzen und Räumen bzw. für Meßzwecke.

Die rotierende Sonde erlaubt es, auf die bei der Herstellung der zur Zeit üblichen Differenzfcldsonden erforderliche Präzision zu verzichten. Außer den langgestreckten Sensoren ist für die rotierende Sonde auch zum Beispiel ein Hall-Sensor verwendbar.

Die rotierende Sonde ist zur Selbst vermessung geeignet, insbesondere kann sie beispielsweise hinter einem Schiff hergeschleppt bzw. unter dem Schiff längs oder quer hindurchgezogen werden oder freihängend oder verspannt angebracht oder in einem Beiboot angebracht werden. Beim Schleppen durch das Wasser kommt der Messung zusätzlich die Kreiselwirkung der rotierenden Sonde zugute, die bewußt zu verstärken ist. Der Antrieb kann durch den Fahrstrom über Flügelräder erfolgen. In besonders vorteilhafterweisc kann die Sonde im Sonardom unter einem Schiff angebracht werden.

Für das Verfahren zur Kompensation nach der Erfindung ist es prinzipiell ohne Bedeutung, ob das Eigenfeld des Objektes durch permanenten, induktiven oder magnetostriktiven Magnetismus entsteht. Die Kompensation ist auch unabhängig vom Kurs sowie von Lhngen- und Breitengrad. Sie ist sowohl für Schlinger-Effekte wie auch für Stampf- und Roll-Effckte verwendbar. Die Kompensation von Wechselfeldern ist ebenfalls möglich. Jegliche Eigenfeldänderung kann selbständig kompensiert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kompensation von magnetischen Störfeldern von Objekten, insbeso.'idere von Schiffen, mittels störfeldgeregelter magnetischer Eigenschutzanlagen, wobei die Differenzfeldsonden, Leistungsglieder und Kompensationswicklungen der Eigenschutzaniage Regelkreise bilden, die die in den Wicklungen fließenden Ströme steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Differenzfeldsonden (3) mit Hilfe von Integrationsgliedern (6) aufintegriert werden, daß die Ausgangssignale der Integrationsglieder den jeweils nachgeschalteten Leistungsgliedern (7), die die Ströme in den Kompensationswicklungen (8) erzeugen, als Eingangssignale dienen, und daß zur Kompensation einzelner Störfelder Einzelregelkreise vorgesehen sind, die zueinander parallel und ebenfalls parallel zu dem das gacc» Objekt (2) umfassenden Regelkreis wirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein lokaler, nur auf die Differenzfeldsonden (3) einwirkender und mittels der Kompensations-Wicklungen (8) nicht kompensierbarer Störfelder dem Sondenmeßeffekt ein konstanter oder magnetfeldabhängiger Effekt überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante oder magnetfeldabhängige Effekt der Differenzfeldsonden über besondere Hilfswicklungen zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch'.. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Differcnzfeldsonde in einem stationären Bewegungszustand ur·- ihre Längsachse (12) befindet, um Ausrichtfehler der Sensoren (15 und 16) zu eliminieren (Fig.5).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung von durch Justierfehler hervorgerufenen Störfrequenzen Dämpfungsglieder, Filter oder Zählstufen vorgesehen sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfeldsonde Drehschwingungen ausführt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Feldrichtung am Ort der Differenzfeldsonde ein Sensor der Sonde gegen ihre Längsachse schief gestellt ist.