DE3783054T2 - Kabelinstallierungsverfahren. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Messen des Winkels und der Zugkraft, unter welchen das Kabel über ein Führungsrad oder eine Seilscheibe, welche eine feststehende Achse aufweisen und am Bug oder Heck des Schiffes angeordnet sind, während der Verlegung eines steifen, schweren elektrischen Kabels von einem Kabelleger abläuft.
• Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen zum Messen dieser Werte aus folgenden Druckschriften bekannt gewesen:
• U.K. Patent Nr. 743.862, aus welcher eine Vorrichtung zum Führen, Abbremsen oder Aufwickeln von Kabeln mit zwei Seilscheiben bekannt ist, welche beide auf einem gemeinsamen, drehbaren Schlitten angeordnet sind.
• Deutsche Auslegeschrift Nr. 21 41 095, aus welcher eine Kabelverlegemaschine bekannt ist, welche federnde Bestandteile zum Ausgleich plötzlich auftretender Zugspannungsschwankungen und zur Anzeige der Kabelbelastung aufweist.
• U.K. Patent Nr. 1.241.776 aus welche eine Belastungsanzeige für Ankerseile bekannt ist. Die Belastungs-Meßeinrichtung wird zum Ermitteln der Belastungskräfte benutzt, während die Gesamtbelastung durch einen Vergleich der Meßwerte mit der Berechnung der idealen Kettenlinie ermittelt wird.
• Aus dem U.K. Patent Nr. 1.422.946 ist ebenfalls eine Ankerseil-Anordnung bekannt. Bei dieser wird die Spannung in mehreren Ankerseilen gemessen und in einer Überwachungsstation miteinander verglichen; das Ergebnis kann auch bildlich dargestellt werden.
• Es sind keine Druckschriften bekannt, in welchen Meßeinrichtungen für das Messen des Winkels, unter welchem das Kabel das Schiff verläßt, erwähnt sind, aber alle bekannten Vorrichtungen enthalten große mechanische Hebel, welche das Kabel berühren und von ihm geführt sind.
• Die bekannten Vorrichtungen besitzen erhebliche Mängel, beispielsweise den, daß sie für den Einsatz bei schwerer See unpraktisch sind, schwierig abzugleichen sind und daß die mit ihnen zu erreichende Genauigkeit geringer als erforderlich ist.
• Es sind auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Belastung von Seilen auf Fischereifahrzeugen bekannt (DD-A-95 708). Die Vorrichtung besitzt ein frei und in allen Richtungen ungehindert bewegliches Rad. Eine solche Vorrichtung ist für das Verlegen von starren, schweren Seekabeln nicht brauchbar. Diese Kabel müssen über ein Rad mit einer feststehenden Achse geführt werden.
• Das der Erfindung zugrunde liegenden Problem besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die gesamte Belastung des Kabels und/oder sein Neigungswinkel ermittelt werden können, ohne daß dazu komplizierte mechanische Anordnungen verwendet werden müssen, die empfindlich gegenüber veränderlichen Umweltbedingungen sind.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, Verfahren und/oder Vorrichtungen zu schaffen, welche den Ausgleich von Fehlern in den Meßwerten gestattet, welche durch die Schiffsbewegung entstehen.
• Dieses technische Problem wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Die Erfindung ist nachstehend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zum Verlegen oder Aufnehmen eines Kabels an Bord eines Schiffes,
• Fig. 2 die Kräfte, welche auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1 einwirken,
• Fig. 3 ein vereinfachtes Diagramm, welches die Abhängigkeit des Winkels α vom Verhältnis der Kraftkomponenten zeigt,
• Fig. 4 den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In Fig. 1 ist der Rumpf des Kabellegers 1 auf See 2 mit einem Führungsrad 3 gezeigt, welches mit Lagereinrichtungen 4 am Bug oder Heck des Kabellegers befestigt ist. Ein Kabel 5, welches entweder in das Meer verlegt oder aus dem Meer aufgenommen wird, wird bei 6 um das Führungsrad 3 herum gebogen und taucht bei 7 ins Meer. Der Neigungswinkel des Kabels ist mit α bezeichnet. Das Gesamtgewicht des Kabels kann mehrere tausend Kilogramm betragen, wenn es sich um Tiefseeverlegung handelt. Bei der Darstellung in Fig. 1 sind Einzelteile, wie Notoren, Bremsen oder Führungsrollen, welche für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, nicht gezeigt.
• In Fig. 2 sind die Kräfte und die Geometrie der Verlegevorrichtung schematisch dargestellt. Die Kräfte S&sub1; und S&sub0; stehen für die Belastung des Kabels auf beiden Seiten des Rades. Die Kräfte Fx und Fy sind die auf die Lager in x- und y-Richtung wirkenden Kräfte. Der Winkel α ist wieder der Neigungswinkel; eb ist der von den Reibungsverlusten der Lageranordnung 4 beeinflußte Lagerwirkungsgrad und ec ist der Wirkungsgrad des Kabels, welcher von der beim Biegen des Kabels um das Rad 3 internen Reibungsarbeit beeinflußt ist. Die Verluste sind in den Wirkungsgraden enthalten; der Gesamtwirkungsgrad etot ist für die Berechnung aus der Summe der Einzelwirkungsgrade zusammengesetzt. Dann ist:
• etot = eb + ec (Gleichung 1)
• Wenn nun die auf das Rad wirkenden Kräfte betrachtet werden und angenommen wird, daß sie sich im Gleichgewicht befinden und auf das Rad, das Kabel oder das Schiff keine Beschleunigung ausgeübt wird, sei es, daß sich das Kabel in Ruhe befindet oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, dann sind folgende Bedingungen erfüllt:
• Fx = S&sub1; + S&sub0;·sinα (Gleichung 2)
• Fy = S&sub0;·cosα (Gleichung 3)
• Wenn die Gleichung 2 mit der Gleichung 3 dividiert
• wird, ergibt sich die neue Gleichung:
• Diese neue Gleichung ist in Fig. 3 für zwei verschiedene Werte des Gesamtwirkungsgrades graphisch dargestellt, nämlich für etot=1,00 und etot=0,95.
• Bei Betrachtung dieser Gleichungen erkennt man, daß es verschiedene Wege gibt, um mit den gemessenen Parametern zu den erwünschten Ergebnissen zu gelangen. Die sehr direkte Methode besteht darin, den Neigungswinkel mit einem speziellen Fühler zu messen und ebenfalls die beiden Komponenten der Lagerkraft durch Druckmesser zu messen, wobei für jede Kraftkomponente ein Druckmesser vorzusehen ist. Dann können die mechanische Belastung S&sub0; im Kabel auf Seehöhe und der genaue Wert des Gesamtwirkungsgrades aus den Gleichungen 4 und 2 oder 3 berechnet werden.
• Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur die x- und y-Komponenten der Lagerkräfte zu messen und den Gesamtwirkungsgrad, abgeleitet von den Gesamtverlusten, zu schätzen. Dann wird durch Berechnungen, welche dem Diagramm in Fig. 3 entsprechen, der Wert des Neigungswinkels α bestimmt. Daraus ergibt sich auch eine einfache Berechnungsmöglichkeit für S&sub0; mit den Gleichungen 2 oder 3. Da der Wirkungsgrad ec in die Berechnung einbezogen ist, ist ebenso der Einfluß der Kabel-Steifigkeit auf Komponenten der Lagerkraft in dieser ziemlich einfachen Berechnung berücksichtigt.
• Die vorstehenden Berechnungen beruhen auf der Annahme, daß stabile Bedingungen vorherrschen. Das bedeutet, Beschleunigungen sind nicht berücksichtigt. Das ist jedoch weit von der Realität entfernt, insbesondere für die Bedingungen auf See, wo Beschleunigungen in jeder Richtung auftreten. Beschleunigungen des Schiffes, des Rades und des Kabels wird die gemessenen Lager-Kraftkomponenten beeinflussen, ohne die Kabelbelastung in gleicher Weise zu beeinflussen. Es ist jedoch nicht schwierig, solche Beschleunigungskräfte zu kompensieren, weil sie mit handelsüblichen Beschleunigungsmessern ermittelt werden können. Die von Beschleunigungsmessern ermittelten meßwerte können zur Kompensation der Fehler in das System eingeführt werden. Der größte Fehler wird durch eine vertikale Beschleunigung des ziemlich schweren Rades 3 verursacht, welcher sich auf den gemessenen Wert der Kraftkomponente Fy auswirkt. Dieser Fehler kann durch ein Signal kompensiert werden, welches ein nahe dem Rad 3 angeordneter, die senkrechte Beschleunigung messender Beschleunigungsmesser ermittelt. Das Signal wird in den richtigen Maßstab gebracht und dem Signal, welches der gemessenen Fy-Komponente entspricht, zugesetzt. In anderen Richtungen auftretende Beschleunigungen können in ähnlicher Weise kompensiert werden; sie werden im allgemeinen jedoch nicht also bedeutsam abgesehen.
• Normalerweise besteht der Wert der mechanischen Belastung aus der Belastung des Kabels. Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht im wesentlichen darin, die tatsächliche Belastung des Kabels zu ermitteln, um sicherzustellen, daß es nicht überbelastet und dadurch beschädigt wird.
• In Fig. 4 ist gezeigt, wie die Beschleunigungswerte in das System eingebracht werden können. In Fig. 4 wird das Kabel 5 um das Rad 3 herumgebogen und es sind die Vorrichtungen zur Ermittlung der Meßwerte gezeigt.
• Die Sensoren 10 und 11 sind Druckmesser oder diesen ähnliche Sensoren, d. h. eine Belastungs-Meßeinrichtung, welche kontinuierlich die senkrechte Komponente der auf das Lager 4 wirkenden Gesamtkraft mißt. Diese Gesamtkraft beinhaltet auch das Gewicht des Rades 3, das Gewicht der sich auf dem Rad befindlichen Kabellänge, die durch das Biegen des Kabels bewirkte Belastung, die durch die Bewegung des Schiffes in alle Richtungen hervorgerufenen Beschleunigungs- und Bremskräfte, die auf das Kabel und das Rad einwirkenden Beschleunigungskräfte sowie Rotationsbeschleunigungen.
• Zusätzlich kann ein Drehzahlmesser 12 verwendet werden, um die Winkelgeschwindigkeit und die Beschleunigung des Rades 3 zu bestimmen. Dieser Drehzahlmesser 12 kann
• - wie gezeigt - im Zentrum des Rades oder an dessen Umfang oder an einer anderen Stelle auf dem Kabel oder der Kabelzugeinrichtung angeordnet sein.
• Die Signale der drei Sensoren 10, 11 und 12 werden über die Leitungen 13, 14 und 15 dem Verstärker 16 zugeführt.
• Wie bereits erwähnt, kann auch wenigstens ein Beschleunigungsmesser 17 vorgesehen sein, welcher die Beschleunigung in wenigstens einer Richtung mißt und diesen Meßwert über die Leitungen 19 und 20 dem Verstärker 16 zuführt.
• Nach Zwischenverstärkung werden die Signale über den Bus 23 dem Prozessor 22 zugeführt. In diesem werden die Signale für die Anzeigevorrichtung 24 und die Speichervorrichtung 25 aufbereitet, welche über die Leitungen 26 und 27 mit dem Prozessor 22 verbunden sind.
• Die Anordnung gemäß Fig. 4 enthält auch einen Winkelmesser 18, welcher bei der gezeigten Ausführungsform mit der Kabeloberfläche in Berührung steht, den Wert des Winkels α (Fig. 1 und 2) ermittelt und über die Leitung 21 dem Verstärker zuführt. Die Bestandteile der Anordnung, welche wahlweise vorhanden sein können, sind über strichlierte Leitungen angeschlossen, während die Bestandteile, welche für die Erfindung unbedingt erforderlich sind, über durchgezogen gezeigte Leitungen angeschlossen sind.
• Die Werte für den Steigungswinkel und die Kabelbelastung an der Oberfläche des Meeres werden nicht durch die direkte Messung dieser Werte gefunden, sondern indirekt durch Messen der zwei Komponenten der resultierenden Kraft, welche auf die Lagerung des Rades 3 wirken, von welchen die gesuchten Werte abgeleitet werden.
• Wenn beispielsweise die horizontale und vertikale Komponente der Lagerbelastung gemessen werden, diese Komponenten als Fx, welches die horizontale Komponente der Lagerbelastung ist, und Fy, welches die vertikale Komponente der Lagerbelastung ist, bezeichnet werden, dann werden die benötigten Werte für den Steigungswinkel α und die Kabelbelastung S&sub0; an der Wasseroberfläche, wie bereits früher erläutert, aus den gemessenen Werten berechnet.
• Die nachstehenden Parameter werden für eine genaue Berechnung benötigt:
• eb = Lagerwirkungsgrad = 0,998
• ec = Kabelwirkungsgrad beim Biegen um 90º 0,99
• S&sub0; = Kabelbelastung an der Meeresoberfläche
• S&sub1; = Kabelbelastung vor dem Rad
• wI = Trägheit des Rades in Umfangsrichtung
• ωw = Winkelbeschleunigung des Rades in Umfangsrichtung
• mw = Masse des Rades
• aw = Beschleunigung des Rades
• ac = Beschleunigung des Kabels.
• Wenn die Beschleunigungen berücksichtigt werden, dann gilt für das Auslegen folgende Gleichung:
• Verluste = S&sub0; - S&sub1;
• S&sub0; = wI·ωw+mc·ac+mw·qw +S/ecteby(Gleichung 5).
• Es ist natürlich nicht erforderlich, daß die zu messenden Komponenten in einem senkrechten Achssystem angeordnet sind. Alle in unterschiedlichen Richtungen durchgeführten Messungen führen zu eindeutigen Ergebnissen. Es ist jedoch nicht notwendig, andere Verfahren zu beschreiben, weil das Prinzip unverändert bleibt, aber die mathematische Darstellung komplexer wird.
• Da sich ec in Abhängigkeit von α ändert, kann ein kleiner Fehler beim Wert des Steigungswinkels auftreten, aber der Wirkungsgrad wird sich bei einer gegebenen Einrichtung nicht wesentlich ändern, so daß das Endergebnis nicht weit von dem genauen Ergebnis entfernt ist. Tatsächlich ist bei Berechnungen herausgefunden worden, daß dieser Einfluß auf den endgültigen Winkelwert 0,3º nicht übersteigt. Daher ist es in der Praxis nicht notwendig, die Änderung des Wertes ec in Abhängigkeit von α zu berücksichtigen.
• Um das Verfahren in der Praxis anzuwenden, ist es lediglich erforderlich, zwei Sensoren in die mechanische Lagerung einzubauen, die von diesen gelieferten Werte einer Recheneinheit, wie einem Mikroprozessor, zuzuführen, welcher die Endergebnisse errechnet. Auf diese Weise werden alle komplizierten, mechanischen Einrichtungen vermieden.
• Der wichtigste Vorteil der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist seine hohe Flexibilität. Es können Bestandteile enthalten sein, welche die Kompensation von verschiedenen Fehlerquellen vereinfachen, von denen es eine Menge gibt. Es treten beispielsweise Fehler durch die Kabelbewegung auf, durch die Bewegung des Schiffes und des Rades in verschiedene Richtungen und durch die Änderung der Verlustgrößen während des Verlege- oder Aufnahmeverfahrens. Als ein Beispiel seien die Reibungsverluste des Kabels erwähnt, welche nicht nur vom Kabeltyp, sondern auch vom Verlegewinkel abhängen. Der Verlegewinkel ist maßgebend für die Biegung des Kabels, welches zur Folge hat, daß die Biegeverluste umso größer sind, je größer die Biegung ist.
• Sehr gute Ergebnisse sind auch mit einer Prüfvorrichtung erzielt worden, mit welcher lediglich die Werte der Kraftkomponenten Fx und Fy der gesamten Lagerkraft gemessen wurden und diese mit einer Anpassung des Gesamtwirkungsgrades des Systems etot zwischen 0,95 und 1,00 kombiniert wurden. Die dabei ermittelten Werte für S&sub0; und α lagen sehr nahe bei den wirklichen Werten, d. h. bei einer Abweichung von øm1.0%.
• Die vorstehende Beschreibung enthält nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Die Erfindung kann unter Beibehaltung des grundsätzlichen Erfindungsgedankens verändert werden. Eine Ergänzung kann beispielsweise folgende Merkmale enthalten:
• Die Speichervorrichtung 25 (Fig. 4) kann als Drucker ausgebildet sein, welcher automatisch die Werte für die Belastung des Kabels, den Neigungswinkel des Kabels und die bereits verlegte Kabellänge in regelmäßigen, aber einstellbaren Abständen ausdruckt, beispielsweise alle 10 Sekunden oder im Abstand einer halben Minute.
• Wenn das Schiff mit einem Echolot ausgerüstet ist, kann es in die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit einbezogen werden und die Meerestiefe in regelmäßigen Abständen aufgezeichnet werden.
• Die Meßwerte können auch der Weise geglättet werden, so daß nicht die Augenblickswerte, sondern ein Mittelwert im Meßintervall aufgezeichnet wird. Eine solche Glättung kann in einfacher Weise durch das bekannte elektronische Filtern der Werte, welche entweder die Meßwerte oder berechnete Werte sind, erfolgen.

Claims (4)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Messen des Winkels (α) und der Längskraft (S&sub0;), mit welcher das Kabel über ein am Bug oder Heck des Schiffes angeordnetes Führungsrad oder eine Riemenscheibe (3) läuft, während der Verlegung oder Aufnahme eines steifen, schweren elektrischen Energie-Seekabels von einem Kabelleger (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten (Fx, Fy) der in zwei verschiedenen Richtungen direkt auf die feststehenden Achsen (4) des Rades (3) wirkenden Kraft gemessen werden und für die Berechnung der tatsächlichen Belastung (S&sub0;) des Kabels beim Passieren des Rades (3) kontinuierlich Werte der Beschleunigung (ac) des Kabels, der Beschleunigung (ωw, aw) des Rades, Parameter der Kabelmasse (mc), und des Rades (mw), der Rotationsträgheit (ω&sub0;) des Rades sowie der Steifigkeit des Kabels und der von der Lagerung des Rades und in dem Kabel beim Lauf über das Rad verursachten Reibungsarbeit ermittelt werden, diese Werte einer Rechnereinheit (16,22) zugeführt werden, in welcher die Werte für Winkel und Längskraft in Abhängigkeit von der Zeit und der Lage des Kabels auf dem Meeresboden gespeichert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die horizontale und vertikale Zugkraftkomponenten in einer vertikalen Ebene gemessen werden, die gemessenen Komponenten folgenden Gleichungen entsprechen:

Fx= S&sub1; + S&sub0; sinα

Fy = S&sub0; cosα

in welchen Fx die Komponente der Lagerkraft in horizontaler (x-) Richtung ist,

Fy die komponente der Lagerkraft in vertikaler (y-)Richtung ist,

S&sub1; die Zugspannung im Kabel oberhalb des Rades (3) ist,

S&sub0; die Zugspannung im Kabel nahe der Meeresoberfläche ist und

α der Neigungswinkel nahe der Meeresoberfläche ist, und die Rechnereinheit (16, 22) einen-Mikrocomputer enthält, welcher die Längskraft (S&sub0;) und den Neigungswinkel (α) des Kabels aus diesen Gleichungen und den geschätzten Werten für die Verluste berechnet.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den festgesetzten Beschleunigungswerten (ωw, ac, aw) und den Parametern der Massen (mw, mc), welche die ermittelten Kraftwerte beeinflussen, Kompensationswerte abgeleitet werden, welche zusammen mit den Meßwerten ausgewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den experimentell ermittelten Werten der Reibungskräfte im Kabel (5) und dem Führungsrad Kompensationswerte abgeleitet werden, welche zusammen mit den Meßwerten ausgewertet werden.