DE3209582C2 - Verfahren und Anordnung zum Vermessen des Verformungszustandes eines Schiffskörpers - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Vermessen sowie Darstellen und/oder Aufzeichnen des Verformungszustandes eines Schiffskörpers durch Messung der seitlichen Abweichung, mit der ein vom einen Ende einer Meßstrecke in fester Winkellage zu dem dortigen Schiffskörperteil ausgehender, gerichteter Lichtstrahl am anderen Ende der Meßstrecke eintrifft, ist zur Vermeidung empfindlicher und justagebedürftiger Anlagenteile über die Länge des Schiffes dadurch gekennzeichnet, daß ein Bündel von einander benachbarten, unterschiedlich codierten Lichtstrahlen erzeugt wird und die Codierung des beim Empfänger eintreffenden Strahls festgestellt wird. Der Empfänger hat eine im Vergleich mit der Breite des Bündels geringe Querausdehnung. Der Empfänger besteht zweckmäßigerweise aus einem Retrospiegel und einer bei der Lichtquelle vorgesehenen Empfangseinrichtung. Die Meßergebnisse werden der Schiffsführung optisch dargestellt. Sie können ständig in einem Speicher aufgezeichnet werden, der in einer sich im Katastrophenfall vom Schiffskörper lösenden Notrufboje untergebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen des Verformungszustandes eines Schiffskörpers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Es ist bekannt, am einen Ende der McUstrccke eine Lichtquelle fest zu montieren, deren gerichteter Lichtstrahl am anderen Ende der Meßstrecke auf eine MeU-tafel fällt, die mit Photozellen ausgerüstet sein kann (DE-AS 12 78 758). Bei Verformung des Schiffes wandert die Auftreffstelle von der ursprünglichen Auftreff-S stelle, die dem unverformten Schiffszustand zugeordnet ist, seitlich aus, wobei die Auswanderungsrichtung Rückschlüsse auf die Art der Verformung und die Auswanderungsgröße Rückschlüsse auf die Stärke der Verformung zulassen. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Justage schwierig und die Anzeige und Auswertung an einer großen Matrixscheibe besondere bauliche Maßnahmen erfordert

Ferner ist es bekannt (GB-PS 8 95 600) die Verformung eines Gegenstands dadurch zu bestimmen, daß man ein hälftig unterschiedlich kodiertes Lichtbündel von einem an dem zu vermessenden Gegenstand angebrachten Fresnelspiegel oder Retrospiegel auf einen Strahlungsdetektor reflektieren und das Verhältnis der von diesem empfangenen, unterschiedlich kodierten Lichtmengen feststellt, wobei dieses Verhältnis ein Maß für die Abweichung vom Normalzustand darstellt, im welchem dieses Verhältnis ausgeglichen sein soll. Dies setzt eine genaue Justage voraus. Außerdem ist die Meßgenaaigkeit an die Genauigkeit gebunden, mit der die Intensitätsunterschiede der beiden unterschiedlich kodierten Strahlbündelteile gemessen werden können, und setzt damit ein empfindliches Meßsystem und sorgfältige Pflege desselben voraus. Das bekannte Meßgerät ist daher im allgemeinen nur unter Laborverhältnissen und nicht unter den rauhen Betriebsverhältnissen an Bord eines Schiffes zu gebrauchen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Feststellung der Verformung des Schiffskörpers mit größerer Sicherheit und geringerem Aufwand gestatten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, sowie bei der Vorrichtung durch die im kenn- zeichnenden Teil des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Gegenüber dem an erster Stelle erwähnten Stand der Technik wird der Vorteil erreicht, daß das Lichtstrahlbündel und der Empfänger keiner genauen gegenseiti- gen (uslagc bedürfen; denn es kann mittels gebräuchlicher elektronischer Einrichtungen bewirkt werden, daß die Auswerteeinheit denjenigen Lichtstrahl an beliebiger Stelle innerhalb des Lichtstrahlbündels als den dem unverformten Zustand zugeordneten Mittelstrahl be trachtet, den sie im Augenblick eines Nullstellungskom mandos gerade empfängt. Ferner ist der Empfang nicht an das Vorhandensein einer großen Matrixscheibe gebunden, sondern es genügt ein Empfänger mit geringen Abmessungen. — Gegenüber dem an zweiter Stelle er läuterten Stand der Technik ist die vereinfachte Justage und die Unabhängigkeit von meßtechnisch aufwendig und ggf. unsicheren Intensitätsunterschiedsmessungen hervorzuheben, weil das Meßergebnis unabhängig von der jeweils festgestellten Intensität des eingehenden

to Lichtstrahls lediglich von der Kodierungsfesistellung abhängt.

Zweckmäßigerweise ist zusätzlich zu dem erwähnten einen Empfänger mindestens ein weiterer Empfänger in der Strahlenachse über die Länge der Meßstrecke verbs teilt vorgesehen, wobei die Meßergebnisse der verschiedenen Empfänger zur l-rmittlung unterschiedlicher Arten von Deformationen des Schiffskörpers miteinander verglichen werden können. Nach einem weiteren Merk-

mal der Erfindung besteht der Empfänger beziehungsweise bestehen die Empfänger aus einem Retrospiegel und einer Empfangseinrichtung am quellenseitigen Ende der Meßstrecke. Dies ermöglicht es, sämtliche empfindlichen Teile der Anordnung, nämlich die Lichtquelle und die Empfangseinrichtung, am einen Ende der Meßstrecke zu vereinigen, während am anderen Ende der Meßstrecke bzw. über deren Länge verteilt lediglich passive, d. h. versorgungs- und wartungsunabhängige Elemente vorgesehen sind. Man kann beispielsweise die empfindlicheren Teile der Anordnung an geschützter Stelle des Schiffs auf der Brücke anordnen, während die versorgungs- und wartungsunabhängigen Elemente im ungeschützten Teil der Meßstrecke liegen.

Das vom Empfänger aufgenommene Signal bildet die Deformation bzw. die Abweichung des Strahls von seiner normalen Lage im unverformten Zustand des Schiffskörpers nicht unmittelbar ab: es wird vielmehr durch Identifizierung der Codierung des empfangenen Strahls mittelbar festgestellt, an welcher Stelle des Lichtstrahibiindels sich der Empfänger im Augenblick des Empfangs jeweils befindet. Dies wird ohne weiteres anschaulich, wenn man sich den Querschnitt des Strahlbündels beim Empfänger als eine Matrix mit unterschiedlich codiertcft Fehlern vorstellt, von denen jeweils eines dem Empfänger je nach Lage des Bündels zum Empfänger zugeordnet ist. Dem Empfänger ist daher eine Verteilereinrichtung zugeordnet, die aus der Art der empfangenen Codierung einerseits und aus der vorhandenen Information über die Verteilung des Codes über den Bündelquerschnitt die örtliche Zuordnung ermittelt und an eine Darstellungs- und/oder Aufzeichnungseinrichtung weitergibt.

Es kann jede geeignete Codierung verwendet werden, die eine hinreichende und selbsttätige Identifikation zuläßt. Beispielsweise ist eine rein mechanische Codierung denkbar, in der ein einziger Lichtstrahl in zeitlicher Abfolge sämtliche Winkclpositionen des Bündels in vertikaler und horizontaler Bewegung abtastet. Dieses Beispiel zeigt, daß das Bündel sich nicht in jedem Augenblick aus einer Vielheit von Strahlen zusammengesetzt zu /.eigen braucht, sondern gegebenenfalls erst im /.ciiablauf im Abtastverfahren Zustandekommen kann.

Wählt man stattdessen eine Anordnung, in welcher die Codierung der Einzelstrahlen durch feste elektronische Bauteile bewirkt wird, so können die das Bündel bildenden Einzelstrahlen ständig nebeneinander vorhanden sein un<? sich beispielsweise durch eine überlagerte Frequenz unterscheiden.

Die Auswertung des Meßergebnisses kann sich in manchen Fällen auf die Feststellung der örtlichen Zuordnung des Empfängers zum Bündelquerschnitl beschränken, wenn beispielsweise in einem Darstellungsgerät auf einem Tableau die Lage des Empfängers innerhalb einer den Querschnitt des Bündels repräsentierenden Matrix als Leuchtpunkt wiedergegeben wird. Es ist dann der Erfahrung des Betrachters überlassen, aus der Lage und der Bewegung des Leuchtpunkts im Tableau die richtigen Schlüsse zu ziehen. Stattdessen oder zusätzlich kann auch eine weitere computergestützte Auswertung durchgeführt werden, die wichtige Daten der SchiffsbeMnspruchung gegebenenfalls unter Berücksichtigung d^r ersten oder der zweiten Ableitung der MeOergebnif>se ermittelt und diese, z. B. für ein Fatiguemeier der Schiffsleitung in analoger oder digitaler Darstellung zur Verfügung stellt.

Die Einrichtung soll so ausgebildet sein, daß Schiffstorsionen von seitlichen Biegungen unterschieden wer den könnea Da die Längsträgheitsachse des Schiffes im allgemeinen wesentlich tiefer liegt als die Meßanordnung, äußern sich Schiffstorsionen in der Anzeige als im wesentlichen horizontale, einem Kreisbogen folgende Verschiebungen und lassen sich insofern oftmals nicht eindeutig von Biegungen unterscheiden, wenn nur ein Empfänger bzw. Retrospiegel vorgesehen ist Eine Unterscheidung ist im allgemeinen möglich, wenn mehrere Empfänger über die Meßstreckenlänge verteilt sind. Ein eindeutiges Ergebnis erhält man jedoch leichter, wenn nach der Erfindung Vorkehrungen zur Feststellung einer Verdrehung des Empfängers gegenüber dem Lichtstrahlsender vorgesehen sind.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden zwei Empfänger in seitlichem Abstand voneinander vorgesehen, die im Falle ausschließlicher Biegung ein Signal in gleicher Höhe ergeben, während sie im* Falle von Torsion eine entgegengesetzt gerichtete Höhenabweichung zeigen.

Schon die analoge Darstellung der beiden Meßergebnisse als Leuchtpunkte in einer Matrix vermag dem erfahrenen Betrachter wichtige Aufschlüsse über das Verformungsverhalten des Schiffes zu geben. Jedoch kann man die Auswertung auch einem Rechner überlassen, der beispielsweise die Gefährdungsmöglichkeit aus den in der Schiffsbewegung sich überlagernden Schwingungen einerseits und der Schwingungsanregung durch Seegang andererseits ermittelt und mit vorbestimmten Gefährdungsgrenzwerten vergleicht und das Ergebnis dieses Vergleichs der Schiffsleitung oder einem Gefahrenmelder mitteilen kann, gegebenenfalls unter Angabe von Verhaltensvorschlägen, wobei der Differenzierungsgrad des Vergleichs und der Gefahrenmeldung unterschiedlich ausgearbeitet sein kann.

Die Meßergebnisse erweisen sich als wertvoll nicht nur zur Beurteilung der Beanspruchung des Schiffskörpers durch Seegang, sondern auch schon bei der Beladung, um ungünstige Beladungszustände von vornherein ausschließen zu können.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 die Seitenansicht eines Schiffes mit der Meßanordnung,

F i g. 2 die Seitenansicht eines Schiffs mit Andeutung der wesentlichen Beanspruchungsarten,

F i g. 3 eine Draufsicht auf das Schiff mit der Anordnung gemäß F i g. 1,

Fig.4 die matrixförmige Anordnung des Strahlenbündeis.

F i g. 5 eine andere Anordnung des Strahlenbündels, und

F i g. 6 eine schematische Darstellung der Sende- und Empfangseinrichtung.

Das Schiff 1 besitzt ein aktives Element 2 zum Aussenden von Lichtstrahlen, wobei die Lichtstrahlquellen vorzugsweise Laser- oder Leuchtdioden sind. Das Lichtstrahlbündel 3 ist innerhalb der seine Querschnittsmatrix bildenden Feldern unterschiedlich codiert und besteht aus mehreren, diesen Feldern zugeordneten, gerichteten Strahlen. Einzelne Felder können in an sich bekannter Weise durch Überlappung unterschiedlich codierter benachbarter Strahlen erhalten werden.
?ei 4 am Ende der Meßstrecke am Bug des Schiffs ist ein erster Retrospiegel (beispielsweise Tripelspiegel) angeordnet, der den von ihm empfangenen Strahlungsteil zur Quelle zurücksendet. Bei 5 ist in einem mittleren Bereich der Meßstrecke ein zweiter Retrospiegel vor-

gesehen. Wenn diese Spiegel sich, wie gezeigt, in ätr Strahlenachse befinden, können ihre Rücksignale durch eine geeignete Codierung unterscheidbar gemacht werden. Statt dessen können sie auch derart versetzt zueinander innerhalb desselben Strahlenbündels angeordnet werden, daß ihre unterschiedliche Ausgangsposition jederzeit eine hinreichende Unterscheidung gewährleistet. Einer genauen Justierung der Retrospiegel 4,5 bedarf es weder nach Position noch nach Richtung, weil für die elektronische Auswertung des Meßergebnisses ohne weiteres jegliche Anfangsposition innerhalb des Bündels als »Null-Position« angenommen und der Auswertung zugrundegelegt werden kann.

In F i g. 2 ist angedeutet, wie ein Schiffskörper 6 von schwerer See 7 in Form unterschiedlicher Angriffsmomente, die durch Pfeile S, 8', S" dargestellt sind, beansprucht werden kann, nämlich vornehmlich durch Biegung um eine horizontale oder vertikale Achse sowie durch Torsion um die Längsachse.

Das Lichtstrahlbündel 3 geht divergierend von der Quelle 2 aus und setzt sich gemäß F i g. 4 oder 5 aus 196 unmittelbar aneinander angrenzenden Einzelstrahlen zusammen, die im Bereich der Spiegel 4 bzw. 5 im Querschnitt eine Matrix bilden, deren Einzelfelder durch unterschiedliche Codierung identifizierbar sind. Beispielsweise entsteht die Matrix durch Abtastung mittels eines in zwei zueinander senkrecht stehende Richtungen im Winkel bewegten Strahls. Bei der in F i g. 4 dargestellten Matrixform ist dies eine horizontale und vertikale Bewegung, während nach dem Beispiel gemäß F i g. 5 eine um 45° verdrehte, ansonsten gleiche Matrixanordnung gewählt wird, die eine besonders gute Abdeckung des Meßfelds gestattet. Die Retrospiegel sind in diesen Darstellungen wesentlich vergrößert bei 4, 5 angedeutet.

Statt durch Abtastbewegungen kann das Strahlenbündel auch mit allen seinen Einzelstrahlen im wesentlichen ständig existent sein, wobei die Einzelstrahlen durch unterschiedliche Kodierungen oder überlagerte Frequenzen der Quellen unterscheidbar sind.

Die Anzahl der Einzelstrahlen und damit der im Bündelquerschnitt gebildeten Matrixfelder richtet sich nach der gewünschten Auflösung der zu erfassenden Verformungsfläche und -strecke. Statt der in F i g. 4 und 5 angedeuteten 196 Felder mögen in anderen Fällen beispielsweise 13 oder 9 genügen, die leicht durch überlappende Anordnung von 4 unterschiedlich codierten Einzelstrahlen hergestellt werden können. In jedem Fall ermöglicht die Abtastung die räumliche und zeitliche Zuordnung der von den Reflektoren zurückgesandten Strahlen zur Position der Reflektoren und damit die Vermessung der Größe von Biegung und Verdrehung vorzeichengerecht mit großer Genauigkeit.

Eine geeignete Sende- und Empfangseinrichtung zeigt F i g. 6 unter der Voraussetzung, daß die von der Lichtquelle ausgesandte Strahlung von hochgenauen Retrospiegeln in das Objektiv der Strahlungsquelle zurückreflektiert wird.

Die Laseroptik 13 enthält Leucht- oder Laser-Dioden. Diese können mit kurzen Lichtleitern versehen sein, die in einem Quellpunkt gebündelt zusammengeführt sind, der dann seinerseits eine geordnete, Quasi-Punktquclle in der Vokalebene des Objektivs 14 bildet. Will man die Anzahl der Lichtquellen verringern oder eine schärfere Auflösung z, B, im Bereich der Mittelachse erzielen, so verschiebt man die Quasi-Quellpunkte in ihrer Gesamtheit so, daß sich ihre Strahlen hälftig überdecken. Dadurch ergibt sich bei unterschiedlicher Codierung der einzelnen Quellen in bekannter Weise die doppelte Auflösung.

Mit dem regelbaren Objektiv 14 kann die Strahlendivergenz mit Bezug auf die Schiffslänge eingestellt werden. Diese Einstellung wird an einer Skala 15 vorgenommen, die vorzugsweise die Schiffslänge bzw. die Entfernung zum Reflektor ausweist. Die das Objektiv verlassenden, gebündelten und geordneten Strahlen 16 entsprechen in ihrer Divergenz einer festen wählbaren

ίο Querdimension, bezogen auf den Bündelqucrschniti bei einem Spiegel 4 oder 5.

Nach dem Auftreffen auf einen Spiegel 4 oder 5 kehrt der reflektierte Teil 17 eines beliebigen Einzelstrahls in das Objektiv 14 zurück und wird über einen Sirahlteiler 18 vom Empfänger 19 übernommen und ausgewertet in einer Einheit 20. Die hier festgestellte räumliche und zeitliche Winkelzuordnung wird über einen Verteiler 21 einem Display 22 zugeführt. Für Gefahren- und kritische Zustände ist ein Alarmmelder vorgesehen. Die Daten der Schiffsverwindung oder -vcrbicgung stehen hier optisch der Schiffsführung als Information zur Verfügung, um gegebenenfalls erforderliche Maßnahmen zu ergreifen, z. B. Kurs-, Schwerpunkt- oder Ballastkorrekturen.

Vom Verteiler 21 geht über eine lösbare Verbindung 23 das Signal zu einem Aufzeichnungsgerät 24, das vorzugsweise nur die Signale einer bestimmten Zeilperiode speichert, beispielsweise mit einem endlos umlaufenden Band oder einem revolvierenden Datenspeicher.

Zweckmäßigerweise wird ein Multifunktions-Vielspurband zur Aufnahme weiterer wichtiger, für die Schiffsführung bedeutender Daten und Ereignisse benutzt.

Der Speicher 24 ist redundant, besitzt eine eigene Stromversorgung, ist schwimmfähig in einem Gehäuse 25 untergebracht und besitzt einen Radiosender 26 mit Antenne 27. Bei Trennung des Geräts 24 bis 27 vom Schiff wird von dem Sender zusätzlich zu Seenot-Rufzeichen in Fortsetzung der Tätigkeit des Schiffsfunkers automatisch ständig die letzte Position gesendet. Das Gerät wird gegebenenfalls mehrfach an unterschiedlichen Orten des Schiffes, z. B. Brücke außen, Masi und Bug vorgesehen.

Zusätzlich zu den erfaßten Verformungsdaten können laufend, z. B. parallel oder sequentiell, die folgenden Daten gespeichert werden: Zeit und geographischer Ort. Kurs, Krängung. Ballast, Windstärke, Windrichtung, Luftdruck, Temperatur Luft/Wasser, Maschinenleistung, Ruderdaten. Kollisionskurslagen (Radar). Funkverkehr, Befehle der Schiffsführung, Seegang gegen Schiffseigenschwingung.

Um die von Schiffstorsion herrührenden Signale besser von denjenigen unterscheiden zu können, die auf Schiffsbiegung zurückgehen, können mindestens an einer Stelle der Meßstrecke zwei Spiegel in seitlichem Abstand voneinander vorgesehen sein, deren Signale bei ausschließlicher Biegung in gleicher Höhe, bei Torsion aber in unterschiedlicher Höhe erscheinen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vermessen des Verformungszustandes eines Schiffskörpers durch Messung der auf den Normalzustand bezogenen, seitlichen Abweichung, mit der ein vom einen Ende einer Meßstrecke in fester Winkellage zu dem dortigen Schiffskörperteil ausgehender, gerichteter Lichtstrahl am anderen Ende der Meßstrecke eintrifft, dadurch gekennzeichnet, daß weitere, einander benachbarte und divergierende Lichtstrahlen zur Bildung eines Lichtbündels erzeugt werden, wobei die Lichtstrahlen zu ihrer identifikation unterschiedlich kodiert werden, daß das Lichtbündel auf den am anderen Ende der Meßstrecke befindlichen, einen Empfänger gerichtet wird, daß mittels der Kodierung festgestellt wird, welcher Lichtstrahl den Empfänger trifft und aufgrund dieser Feststellung der Verformungszustand des Schiffskörpers ermittelt wird.

2. Anordnung zum Vermessen des Verformungszustandes eines Schiffskörpers, die eine Lichtquelle in fester Winkellage zum Schiffskörperteil an einem Ende der Meßstrecke zur Aussendung eines Lichtstrahls und eine Empfängereinheit für den Lichtstrahl am Schiffskörperteil am anderen Ende der Meßstrecke zur Feststellung der auf den Normalzustand bezogenen Abweichung des Lichtstrahls infolge der Verformung des Schiffskörpers sowie eine Anzeige- und Auswerteeinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) zur Aussendung eines Lichtbündels (3) von divergierenden Lichtstrahlen ausgebildet ist, die zu ihrer Unterscheidung unterschiedlich Lodiert sind, daß der Empfänger (4,5) eine im Vergleich mit der Querabmessung des Bündels kleine Öffnungsabmessung hat und dem Empfänger (4, 5) eine Einrichtung (20) nachgeschaltet ist zur Feststellung aufgrund der Kodierung, welcher Lichtstrahl des Lichtbündels (3) den Empfänger (4,5) trifft, und zur Berechnung der Verformung aufgrund dieser Feststellung.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem einen Empfänger (4 oder 5) noch mindestens ein weiterer Empfänger (5 beziehungsweise 4) in der Strahlcnachse über die Länge der Meßstrecke verteilt vorgesehen ist

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (4,5) aus einem Retrospiegel und einer Empfangseinrichtung am quellenseitigen Ende der Meßstrecke besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2—4, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Feststellung einer Verdrehung des Empfängers gegenüber der Lichtstrahlquelle vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Empfänger mit seitlichem Abstand voneinander vorgesehen sind.