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Einrichtung zur Steuerung der Phasenverschiebung bei Schiffsstabilisierungsanlagen
mit Hilfe eines Periodenmeßgerätes Die Erfindung bezieht sich auf solche Schiffsstabilisierungsanlagen,
bei denen die Phasenverschiebung zwischen den Schiffsschwingungen und den sich im
gleichen Takte bewegenden Dämpfungsmassen in Abhängigkeit von der Periodenlänge
der Schiffsschwingungen gesteuert wird. Bekanntlich muß diese Phasenverschiebung
in Abweichung von (lern etwa 9o° betragenden Normalwert bei zunehmender Periodenlänge
vergrößert, bei abnehmender Periodenlänge verkleinert werden. Zu diesem Zwecke werden
die Schiffsstabilisierungsanlagen mit Periodenineßgeräten ausgerüstet, die auf das
Steuergerät der Anlage im Sinne einer entsprechenden Beeinflussung der Phasenverschiebung
einwirken.
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Das Wesen der Periodenmessung beruht auf der 1Uessung einer der Periodenl;inge
verhältnisgleichen Zeitspanne, die durch Konimandogaben von einem die Schiffsschwingungen
anzeigenden oder nachbildenden Gerät, z. B. Kreiselpendel, Wendezeiger, Steuergerät,
eingegrenzt ist. Bei den bekannten bzw. vorgeschlagenen Periodenmeßgeräten wird
zu diesem Zwecke in jedem Augenblick, in dem das Schiff durch seine Mittellage geht
(iin sog. Nulldurchgang), von dem Kreiselpendel o. dgl. ein Kommando gegeben und
die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommandogaben gemessen. Der Meßvorgang
kann hierbei auf verschiedene Arten durchgefiilirt werden und beruht im wesentlichen
darauf, daß durch die Kommandogaben elektromagnetische Kupplungen, Gruppen von Zeitrelais,
Relaisketten o. dgl. ein- und ausgeschaltet werden, die die zwischen zwei Komniandogaben
liegende halbe Schwingungszeit in sinnfälliger Weise z. B. als Wegstrecke oder Winkeldrehung
einer Welle zur Darstel-
Jung bringen. Eine Anpassung der Phasenverschiebung
an die sich ändernde Schwingungsdauer kann bei derartigen Periodenmeßgeräten frühestens
nach einer halben Periode der Schiffsschwingung erfolgen.
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Eine wesentliche Verbesserung 'des Stabilisierungsbetriebes wird erreicht,
wenn die Kommandogaben nicht während jeder halben Periode, sondern bereits in kürzeren
Zeitabständen, z. B. während jeder Viertelperiode, erfolgen. In Ausnutzung dieser
Erkenntnis besteht das wesentliche Kennzeichen der vorliegenden Erfindung darin,
daß bei Wahl einer. Meßzeit, die einen von der Halbperiode abweichenden Bruchteil
der Periode beträgt, die Kommandogaben beim Durchgang des Schiffes durch seine Mittellage
(Nulldurchgang) und imUmkehrpunkt der Schiffsschwinsungen erfolgen. Das hat besondere
Bedeutung, wenn unter beispielsweiser Zugrundelegung einer Schlingerdämpfungsanlage
die Anlage wahlweise zur Schlingerdämpfung, gegebenenfalls unter gleichzeitiger
Berücksichtigung überlagerter Schräglagen, oder zur reinen Schräglägenbekämpfung
dient. Bei zunehmender Periodenlänge der Schiffsschwingungen muß alsdann beim Erreichen
eines bestimmten Wertes der Periodenlänge die Anlage vom Schlingerdämpfen auf Schräglagenbekämpfung
umgeschaltet, d. h. die Phasenverschiebung sprungweise auf etwa i$o° erhöht werden,
während bei abnehmender Periodenlänge der umgekehrte Schaltvorgang stattfindet.
Der Übergang von der einen Arbeitsweise der Anlage auf die andere vollzieht sich
wesentlich schneller, wenn <las Umschalten durch ein Periodenmeßgerät der erfindungsgemäßen
Ausführung erfolgt.
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Für die nachfolgende nähere Erläuterung der Erfindung sei der Einfachheit
halber eine Schlingertankanlage angenommen. Die Korninanclos für die Ausführung
der Periodenmessung werden alsdann von einem die Schlingerbewegungen anzeigenden
oder nachbildenden Gerät, wie z. B. einem Kreiselpendel, Wendezeiger; dein die periodische
Umschaltung der Tänkflüssigkeitsbewegung bewirkenden Steuergerät, gegeben. Vorzugsweise
erfolgen die Kommandos auf elektrischem Wege, d. h. es werden Kontakte geöffnet
und geschlossen, und diese Art der Kornniandogabe ist auch den unten beschriebenen
Ausführungsbeispielen -zugrunde gelegt.
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Ani einfachsten wäre es, die Iioniniantlo» sowohl im Nullpunkt als
auch im Umkehr-Punkt der Schlingerbewegnng von denn sowie-.o vorhandenen Stetiergeriit
abzünelunen. Der Augenblick des Ntilldurcliganges des Schiffes ICalin ohne Schwierigkeit
und in durchaus exakter Weise erfaßt werden. Für die Kontaktgäbe im Umkehrpunkte
der Schiffsschwingung müßte die Drehwelle des Steuergerätes mit einem Schleppkontakt
versehen werden, der jedesmäl bei der Bewegungsumkehr ein Kommando gibt. Das Steuergerät
ist itn allgemeinen so ausgebildet, daß es bei seinen Umschaltkommandos auch etwaige,
den Schlingerbewegungen sich überlagernde statische Schräglagen berücksichtigt,
-und zwar in der Weise, daß die Tankflüssigkeitsförderung nach der höher liegenden
Seite des Schiffes länger anhält als die nach der tiefer liegenden. Die beiden aufeinanderfolgenden
durch das Steuergerät angezeigten Halbperioden einer Schiffsschwingung werden in
einem solchen Fälle ungleich ausfallen, d.li. das Periodenmeßgerät wird bei Kommandogäbe
durch das Steuergerät die Periodenlänge abwechselnd zu lang und zu kurz anzeigen:
Es findet also bei sich überlagernden Schräglägen eine Verfälschung der Schwingungsdauer
statt:.
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Ein weiterer Nachteil der Kontaktabnahme vom Steuergerät ist der erforderliche
Schleppkontakt. Ein Schleppkontakt beruht in seiner Wirkungsweise auf Reibung und
stellt daher kein absolut zuverlässiges Bauelement dar. Wenn sich auch Schleppkontakte
zu hoher Vervollkommenheit und Betriebssicherheit ausbilden lassen, so besteht doch
immerhin die Möglichkeit des Versagens, da es sich um keinen zwangsläufigen Vorgang
handelt: Die Benutzung eines Schleppkontaktes kann vermieden werden, wenn das Kommando
beim Nulldurchgang des Schiffes durch das Steuergerät und im Umkehrpunkt e der Schlingerbewegung
durch einen Wendezeiger erfolgt. Ein Wendezeiger ist bekanntlich ein gegen die Wirkung
von Rückstellfedern prozedierender Kreisel. Im vorliegenden Falle wird der Wendezeiger
so auf dem Schiff angeordnet, daß seine Umlaufachse parallel zur Hochachse und seine
Prozessionsachse parallel zur Querachse des Schiffes verläuft. Die Prozessionsausschläge
bilden dann ein 11a13 für die Schlingerwinkelgeschwindigkeit. Der größte Ausschlag
des Wendezeigers findet beim Nulldurchgang des Schiffes statt, während er durch
seine Nullage geht, wenn das Schiff seine Bewegungsrichtung umkehrt. Bei dieser
Kombination erfolgen also die Kommandogaben von Steuergerät und Wendezeiger dann,
wenn der Kontakthebel des betreffenden Gerätes durch seine Nullstellung geht. Schleppkontakte
werden sonnt vermiedest.
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.I#a bleibt aber noch der Nachteil der ungleichen Schwingungshälften
bzw: -viertel bei sich überlagernden Schräglagen, cla ja der Zeitpunkt des Nulldurchganges
des Schiffes durch das Steuergerät angezeigt wird. Eine 1 weitere diesen N#acliteil
vermeidende Ausfültrungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin,
<laß
beide Kommandos vom Wendezeiger abgenommen werden. Einmal gibt der @1%endezeiger
also Kontakt, wenn er durch seine Nullage geht (Umkehrpunkt der Schlingerbewegung),
und das andere Mal, wenn sein Präzessionsausschlag umkehrt (Nulldurchgang des Schiffes).
Alsdann wird auch bei sich überlagernden Sclir;iglagen jede der aufeinanderfolgenden
Viertelperioden richtig gemessen; eine Verfälschung durch etwaige Schräglagen tritt
nicht ein. Allerdings muß die Anzeige des Nulldurchganges des Schiffes wiederum
durch einen Schleppkontakt erfolgen. Ferner ist bei Abnahme beider Kom-, mandos
vom Wendezeiger der Nachteil vorhanden, daß reine statische Schräglagen des Schiffes
nicht angezeigt werden. Bei statischen Schräglagen ist keine Winkelgeschwindigkeit
vorhanden, so daß der Wendezeiger also auch keinen Ausschlag machen kann: In dieser
Beziehung ist deshalb die Kommandoabnahme vom Steuergerät bzw. die Kombination Steuergerätwendezeiger
vorteilhafter.
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Die grundsätzliche Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung
soll nochmals an Hand des Diagrammes der Fig. i erläutert werden; Fig.2 und 3 sind
Ausführungsbeispiele von Schaltungen für die Kommandogaben, die Fig. 4 und 5 zeigen
die Ausbildung eines Schleppkontaktes, und in Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Schaltung dargestellt.
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In Fig. 1 ist die sinusförmig angenommene Schlingerbewegung, also
der zeitliche Verlauf des Schlingerwinkels dargestellt. Die Punkte 1, 3, 5
... bezeichnen jeweils den Durchgang des Schiffes durch seine Mittellage
(Nulldurchgang) ; in den Punkten 2, 4, 6 ... findet die Umkehr der Schlingerbewegung
statt. Erfindungsgemäß soll in jedem dieser Punkte ein Kommando für das Periodenmeßgerät
gegeben \\-erden, so daß jeweils eine Viertelperiode der Schwingungsdauer gemessen
wird.
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Das Ausführungsbeispiel der Fig.2 zeigt eine Einrichtung, bei der
im Umkehrpunkt der Schiffsschwingung von einem Wendezeirier, beim Nulldurchgang
des Schiffes vorn Steuergerät <las Kommando gegeben wird. In <lern Gehäuse
i o des Wendezeigers rotiert ein Kreisel finit senkrechter Achse. Die Gehäuseachse
11 ist drehbar gelagert und bildet gleichzeitig die Präzessionsachse des Wendezeigers,
muß also parallel zur Querachse des Schiffes verlaufen. Durch Federn r2, 13 ist
der Wendezeiger an seine Nullage gefesselt. Die Winkelstellung des auf der Pl-<izesSioIlsachse
1r sitzenden Hebelarmes 14. relativ zum Schilf ist ein Maß für die Schliligerw-inkelg
eschwindigkeit. Die Präzessionsausschläge wirken auf eine Kontaktvorrichtung ein,
die , die Kontaktzungen 15, 16 und die zugehörijgen Gegenkontakte 15" und
16, enthält. Die Kontaktzungen 15 und 16 sind isoliert von-, einander an einem Stein
17 befestigt, der fest auf der Präzessionsachse i i sitzt. In der «Null-Stellung
des Wendezeigers befindet sich der Doppelkontakt 15, 16 in seiner Mittelstellung
bezüglich der Gegenkontakte 15" und 16Q, d.h. beide Kontakte sind dann geöffnet.
Bei einer Schlingerbewegung im einen oder anderen Sinne wird der Wendezeiger ausgelenkt
und damit je nach der Schwingungsrichtung entweder der Kontakt 15, 15" oder der
Kontakt 16, 16" geschlossen. Der Ausschlag wird wieder Null, wenn das Schiff seine
Schlingerbewegung umkehrt, und im nächsten Augenblick wird der Kontakt umgeschaltet.
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Das Steuergerät bestimmt den Zeitpunkt der Bewegungsumkehr der Tankflüssigkeit,
die etwa beim -Nulldurchgang des Schiffes erfolgt. Zu diesem Zwecke können auf einer
Kontaktscheibe Segmente angebracht sein, vor denen ein Kontakthebel entsprechend
den Schlingerbewegungen bewegt wird. Beim Durchgang des Schiffes durch seine Nullage
wechselt der Kontakthebel vom einen zum anderen Segment, und es erfolgt ein Umschaltkommando
für die Umkehrung der Tankflüssigkeitsbewegung. Die Kontaktscheibe kann schiffsfest
oder besser derart entsprechend den Schiffsschwingungen beweglich sein, daß für
die Umschaltung nicht die Horizontlage des Schiffes, sondern die Mittellage des
schlingernden Schiffes maßgebend ist. Von einer so ausgebildeten Kontaktanordnung
können die Kommandos für das Periodennießgerät abgenommen werden. Der rechte Teil
der Fig. z zeigt diese Kontakteinrichtung. Auf der Kontaktscheibe 18 sitzen die
Kontaktsegmente 1g und 2o, vor denen der Kontakthebel 21 schwingt. Kontaktscheibe
I S und Kontakthebel 21 werden entsprechend den Schlingerbewegungen, jedoch mit
entsprechender vom Steuergerät zu ermittelnder Phasenverschiebung bewegt und rufen
beim Durchgang des Schiffes durch die Nullage einen Kommandowechsel hervor. Es werden
also einerseits vom Wendezeiger, andererseits vom Steuergerät im Abstand von je
1 einer Viertelperiode Kommandos gegeben, die auf folgende Weise für (las Periodenmeßgeriit
nutzbar gemacht werden. Kontakthebel 16 und Kontaktsegment 1g sind durch die LeitUng
22, ebenso Kontakthebel 1,5 und KontaktScgInent ?o durch die Lcittilig
23 miteinalider elektrisch leitend verbunden. Der Kontaktliebel21 liegt am
Pluspol einer Stromquelle, wahrend die Gegenkontakte 15" und 16" des Wendezeigers
unter Zwischenschaltung eines Relais 24. an den Minuspol angeschlossen sind. Das
Relais 24. betätigt den
Wechselkontakt 24u, der sowohl im angezogenen
als auch im abgefallenen Zustand den Kommandoempfänger R des Periodenmeßgerätes
unter Strom hält. Der Kommandoempfänger R kann eine elektromagnetische Kupplung,
ein Relais o. dgl. sein. Mit <ler beschriebenen Einrichtung ergibt sich die folgende
Wirkungsweise. Während einer jeden Halbperiode einer Schiffsschwingung, und zwar
in deri Punkten r, 3, 5 ... (Fig. z) wechselt der Kontakthebel 2r vom Segment
19 zum Segment 20, oder umgekehrt; ebenso wechselt während jeder Halbperiode,
jedoch in den Zeitpunkten 2, 4, 6 ... die Kontaktgabe bei 15, 15" mit der
Kontaktgabe bei 16, 16Q. Die Kontaktwechsel vom Steuergerät und Wendezeiger sind
jedoch um go° gegeneinander verschoben, so daß das Relais a4, wie leicht ersichtlich,
abwechselnd eine Viertelperiode Strom erhält und eine Viertelperiode stromlos bleibt.
Bei abgefallenem Kontakt 24a fließt eine Viertelperiode lang ein Strom durch den
Kommandoempfänger R, bei angezogenem Kontakt steht R ebenfalls eine Viertelperiode
lang unter Strom. Dazwischen findet jeweils eine kurzzeitige Unterbrechung statt.
Diese kurzzeitige Stromunterbrechung ist durch die unvermeidliche Kontaktlose bedingt.
Die Kontaktlose und die kurzzeitige Stromunterbrechung ist aber auch notwendig,
damit im Periodenmeßgerät der Meßvorgang überhaupt vor sich gehen kann: Es werden
ja jeweils Stromflüsse von der Dauer einer Viertelperiode gebraucht. Dazwischen
müß kurzzeitige Stromunterbrechung stattfinden, damit die zu messende Zeit überhaupt
definiert ist und gewisse Elemente des Periodenmeßgerätes weitergeschaltet oder
in ihre Nulllage zurückgestellt werden können.
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Diese Kontaktlose hat allerdings einen grundsätzlichen Mangel der
erfindungsgemäßen Kontaktgäbe nach Fig. 2 zur Folge. Die Zeit z für die Kontaktumschaltung
geht nämlich als Fehlergröße ein, derart, daß die Erregungszeit des Relais 24 um
diesen Betrag verkürzt, die Zeit der Stromlosigkeit dagegen um diesen Betrag vergrößert
wird. Im ersten Falle wird eine Viertelperiode vom Betrage t, (vgl. Fig. i) gemessen,
im zweiten Falle eine Viertelperiode vom Betrage t2, wobei t2 = il -f - 2 -# ist.
_ Dieser Mangel kann behoben werden bei Ausbildung der Kontakteinrichtung nach Fig.
3. Hierbei sind sowohl Wendezeiger als nuz:h Steuergeräte mit je zwei gleichen Kontaktvorrichtungen
ausgerüstet, die im übrigen genau so wie bei der Einrichtung nach Fig. 2 ausgebildet
sein können. Auf der Präzessionsachse des Wendezeigers sind an den Steinen 27 und
37 die doppelt wirkenden Kontakthebel25, 26 und 35; 36 befestigt. Die Zugehörigen
Gegenkontakte 25Q, aha und 35a, 36a liegen am Kommandoempfänger R des Periodenmeßgerätes,
der andererseits an den Minuspol der Stromquelle angeschlossen ist.
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Das Steuergerät enthält einmal die Kontaktscheibe 4o mit Kontaktsegmenten
41, 42 und Kontakthebel 43, ferner die genau so aus-'I gebildete Kontaktscheibe
44 mit Kontaktsegmenten 45, 46 und Kontakthebel 47. Die Kontaktzungen des Wendezeigers
und die Kontaktsegmente des Steuergerätes sind auf die aus der Figur ersichtlichen
Weise durch Leitungen miteinander verbunden. Schließlich liegen noch -die Kontakthebel
43 und 47 gemeinsam am Pluspol der Stromquelle. Es sind also die Kontakteinrichtungen
a5 bis 27 und 4o bis 43 genau so elektrisch zusarrrmengeschaltet wie die Kontakteinrichtungen
in Fig. z, während im Gegensatz dazu bei den Kontakteinrichtungen 35 bis 37 und
44 bis .47 die zu verbindenden Kontaktteile vertauscht sind. Dadurch wird erreicht,
daß eine Viertelperiode lang in cyclischer Reihenfolge die Kontakte 25, 25a; 36,
36a; 26, 26a; 35, 35a angezogen sind und jeweils den Kommandoempfänger R
unter Strom setzen: Die Kontaktumschaatzeit z geht jedoch infolge der getroffenen
Schaltung in jede gemessene Viertelperiode in gleicher Weise mit ein,-so daß die
Viertelperioden in ihrer richtigen Größe gemessen werden (t1'= t=', vgl: Fig. r):
Sollen die Kommandos nur vom Steuergerät oder nur vom Wendezeiger abgenommen werden,
so wird im ersten Falle der Umkehrpunkt der Schiffsschwingung, im zweiten Falle
der Nulldurchgang des Schiffes durch einen Schleppkontakt abgenommen. Es soll zunächst
die Wirkungsweise eines Schleppkontaktes an Hand der Fig. 4 und Fig. 5 beschrieben
werden. Fig. 4 ist eine Draufsicht von oben und Fig. 5 ein Schnitt längs der Linie
A-B in Fig. 4.. Die Welle 5o ist die Präzessionsachse des Wendezeigers bzw. die
den Kontakthebel tragende Welle des Steuergerätes. Sie ist mit einem Bund 51 und
am Ende mit Gewinde 52 versehen. Auf dein Gewindeteil sitzt die Mutter 53, während
zwischen Bund und Mutter der Kontakthebel 5.t und die Hülse 55 angeordnet sind.
Dem auf der Welle So frei drehbaren Kontakthebel 54 sind die beiden Gegenkontakte
54a und 5:1b zugeordnet. Die Hülse 55 hat einen Schlitz 56, in den der auf der Welle
5o sitzende Stift 57 eingreift, so claß die Hülse bei axialer Verschieblichkeit
die Drehungen der Welle 5o mitmacht. Durch eine Feder 58 wird der Kontakthebel
54 zwischen Bund 5 r und Hülse 55 festgeklemmt. Solange sich die Welle
50 im Uhrzeigersinne dreht; legt sieh der durch Reibung mitgenommene Kontakthebel
gegen die Kontaktfläche 54a; im umgekehrten Drehsinne
gegen die
Kontaktfläche 5.1b. Bei jeder Bewegungsumkehr findet also ein Kontal.-twechsel statt:
Bei Kommandogabe nur durch den Wendezeiger allein kann die -Anordnung der Kontakteinrichtungen
dieselbe wie in den Beispielen der Fig. 2 oder 3 sein. Es braucht im ersteren Falle
nur die Kontakteinrichtung 18 bis 21 durch einen auf der Präzessionsachse des Wendezeigers
sitzenden Schleppkontakt nach Fig. 5 ersetzt zu werden, während der Festkontakt
15 bis 17 auf der Präzessionsachse unverändert bleibt. F ig. 6 zeigt schematisch
diese Ausbildung des Wendezeigers mit einem Festkontakt und einem Schleppkontakt
unter Beibehaltung desselben Bezugszeichens für die gleichen Teile. Ebenso können
in der Ausführung nach Fig. 3 die Kontakteinrichtungen .1o bis 43 und 45 bis 47
durch zwei Schleppkontakte ersetzt werden. Auf der Präzessionsachse des Wendezeigers
sitzen alsdann zwei- Festkontakte, die den Kontakten 25 bis 27 und 35 bis
37 in Fig. 3 entsprechen, sowie zwei Schleppkontakte. Die Zusammenschaltung dieser
vier Kontakteinrichtungen bleibt dieselbe wie im Beispiel nach Fig. 3.
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Sollen die Kommandogaben nur durch das Steuergerät allein erfolgen,
so sind die Festkontakte und Schleppkontakte in genau gleicher Zusammenschaltung
auf der Welle des Steuergerätes anzuordnen. Die Festkontakte zeigen alsdann den
Nulldurchgang des Schiffes, die Schleppkontakte die Schwingungsumkehr an, während
es beim Wendezeiger umgekehrt ist.