-
Einrichtung zur Kompensation des magnetischen Wirbelstromstörfeldes,
das durch einen metallischen Hohlkörper bei dessen Bewegung im Erdfeld entsteht
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kompensation des magnetischen Wirbelstromstörfeldes,
das durch die in einem aus magnetisierbarem oder amagnetischem Metall bestehenden
Hohlkörper bei dessen Bewegung im Erdfeld erzeugten Ströme entsteht. Die erfindungsgemäße
Einrichtung dient in vorteilhafter Wcise zum Schutze von Schiffen, insbesondere
Unterwasserfahrzeugen, vor magnetischen Minen, magnetischen Torpedos od. dgl.
-
Es sind bereits eine Reihe von Einrichtungen bekannt, bei denen die
durch ein Schiff verursachten Störungen des magnetischen Erdfeldes mittels stromdurchflossener
Schleifen im wesentlichen auf.-gehoben werden (MES-Anlagen), wobei jedoch nur diejenigen
Erdfeldstörungen berücksichtigt werden, welche durch permanente oder induzierte
Gleichfelder des Schiffskörpers hervorgerufen werden.
-
Die bisher bekanntgewordenen Einrichtungen beziehen sich zwar auch
auf Schiffe, deren Außenhaut aus unmagnetischem Stahl besteht, wohingegen die vorliegende
Erfindung auch auf metallische Hohlkörper aus Aluminium, Kupfer oder beliebigen
anderen Metallen anwendbar ist. Die bei normalen tSberwasserfahrzeugen entstehenden
Erdfeldstörungen rühren jedoch zum überwiegenden Teil auch von den nicht unerheblichen
rein magnetischen Eisenmassen her, die sich in einem solchen Schiff
zwangläufig
befinden (z. B. Kurbelwellen, Dynamos, Elektromotoren usw.). Diese Eisenmassen sind
bekanntlich groß genug, um bei Unterlassung geeigneter Entmagnetisierungs- oder
Kompensatipnsmaßnahmen auf magnetische Felder empfindliche Minen oder Torpedos zu
zünden. Selbstverständlich entstehen beim Stampfen oder Schlingern normaler Uberwasserfahrzeuge
Störungen des magnetischen Erdfeldes auch dadurch, daß die Lage des Schiffes oder
des magnetischen Teiles des Schiffes im Raum eine Änderung erfährt und dadurch Erdfeldverzerrungen
auftreten, die ähnliche Wirkungen zeitigen, wie bereits weiter oben beschrieben.
-
Für alle genannten Fälle der Störungen des magnetischen Erdfeldes
sind bereits technische Einrichtungen vorgeschlagen worden, die geeignet sind, das
Schiff vor auf Störmagnetfelder ansprechende Minen usw. zu schützen.
-
Neben den vorstehend genannten Ursachen der Erdfeldstörungen ergibt
sich aber noch eine weitere Ursache, nämlich die Störung des magnetischen Erdfeldes
durch elektrische Ströme, welche bei der Bewegung eines metallischen Hohlkörpers
in den Wänden dieses metallischen Hohlkörpers entstehen.
-
Solche Bewegungen führt ein metallischer Hohlkörper, z. B. ein Unterwasserfahrzeug
(U-Boot), beim Schlingern und Stampfen in der Längs- und Querachse aus. Wenn von
der Annahme ausgegangen wird, daß der genannte metallische Hohlkörper zylindrisch
sei, was für die Druckzelle bei Unterseebooten weitgehend zutrifft, so kann eine
Bewegung dieses Hohlkörpers im Erdfeld Ströme erzeugen, welche entweder in der Umfangsrichtung
des zylindrischen Körpers oder in dessen Längsrichtung um den Hohlkörper fließen.
Diese Ströme und die dadurch hervorgerufenen Magnetfelder dürfen nicht unberücksichtigt
bleiben. Die Konsequenzen der vorhergehenden Ausführungen sind: In einem zylinderförmigen
metallischen Hohlkörper entstehen bei der Bewegung um die Längsachse Ströme in Richtung
dieser Achse, während bei einer Bewegung senkrecht dazu, also in der Querachse,
Ströme entstehen, die senkrecht zur Längsachse verlaufen.
-
Der heutige Stand der Technik berücksichtigt die Störungen des magnetischen
Erdfeldes durch die genannten Ströme in keiner Weise, da der Nachweis solcher Erdfeldstörungen
mit den Mitteln nach dem heutigen Stand der Technik ebenfalls nur schwer durchgeführt
werden könnte. Auch scheint sich bis zum Zeitpunkt der Anmeldung niemand ernsthaft
mit diesem Problem auseinandergesetzt zu haben.
-
Es erübrigt sich jedoch, darauf hinzuweisen, daß durch solche in den
Wänden von Hohlkörpern fließenden Ströme gefährliche Erdfeldstörungen hervorgerufen
werden.
-
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die durch diese Ströme
hervorgerufenen magnetischen Erdfeldstörungen, welche insbesondere für Unterwasserfahrzeuge
eine Gefahr darstellen, zu beseitigen. Die Lösung der gestellten Aufgabe wird bei
einer Einrichtung zur Kompensation des magnetischen Wirbelstromstörfeldes, das durch
die in einem aus magnetisierbarem oder amagnetischem Metall bestehenden Hohlkörper,
insbesondere Unterwasserfahrzeug, bei dessen Bewegung im Erdfeld erzeugten Ströme
entsteht, darin gesehen, daß im Innern des metallischen Hohlkörpers magnetische
Fühler derart angebracht sind, daß diese auf die Bewegung des Hohlkörpers um und
senkrecht zu dessen Längsachse ansprechen und Ströme in entsprechend angeordneten
Kompensationsspulen steuern, deren magnetische Felder dieses Störfeld kompensieren.
-
Als magnetische Fühler können, entsprechend den zwei Bewegungsrichtungen,
zwei zueinander senkrecht angeordnete Induktionsspulen verwendet werden. In manchen
Fällen mag es angebracht erscheinen, andere feldempfindliche Elemente, z. B. sogenannte
Förster-Sonden oder Hallgeneratoren, anzuwenden. Besitzt ein solcher zylindrischer
Hohlkörper, z. 13. ein Unterwasserfahrzeug, ohnehin schon eine magnetische Eigenschutzanlage
(MES), so können die Spulen dieser MES-Anlage mit dazu herangezogen werden, die
durch die Bewegung des Hohlkörpers erzeugten Feldstörungen zu kompensieren. Zweckmäßigerweise
wird man aber für das hier beschriebene Kompensationssystem eigene Wicklungen vorsehen.
Ebenso kann der Hohlkörper selbst durch geeigneten Anschluß als Leiter für die Kompensationsströme
herangezogen werden.
-
Nachstehend seien erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele an Hand der
Zeichnungen näher erläutert, ohne dabei die Zahl der möglichen Ausführungen einzuschränken.
In der schematischen Darstellung der F i g. 1 ist mit I ein rohrförmiger Metallkörper
bezeichnet, in dessen Innenraum senkrecht zueinander die Induktionsspule 2 und 3
angeordnet sind. Zur vollständigen Kompensation jener Störfelder, die hierbei überhaupt
auftreten können, genügt es vollkommen, zwei Induktionsspulen zu verwenden, deren
Querschnittsflächen senkrecht zu nur zwei Koordinatenrichtungen des Schiffes angeordnet
sind. Die dritte Koordinate braucht nicht berücksichtigt zu werden, da in dem Fall,
wenn sich der metallische Hohlkörper lediglich in Richtung seiner Längsachse bewegt
(also bei normaler Fahrt), keine durch das Erdfeld induzierten Ströme entstehen
und somit auch keine Erdfeldstörungen hervorgerufen werden können. Die an den Spulen
2 und 3 bei der Bewegung des Körpers um die entsprechenden Achsen erzeugten Spannungen
werden über die Regelglieder 4 bzw. 5 den Verstärkern 6 und 7 zugeführt. ie Regeiglieder
4 und 5 können dem Verstärker entweder vor- oder nachgeschaltet sein. Die Lage der
Regelglieder im Regelkreis ist lediglich eine Frage der Zweckmäßigkeit. Die von
den Verstärkern 6 und 7 abgegebenen Ströme gelangen zu den Kompensationswicklungen
8 und 9 und bewirken in diesen die Ausbildung von Magnetfeldern, welche die gleiche
Größe wie die Störfelder besitzen, diesen jedoch entgegengesetzt gerichtet sind.
-
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2
dargestellt. Hierbei sind ar Stelle der Induktionsspulen 2 und 3 der Fig. I Förster-S
onden oder Hallgeneratoren, die senkrecht
zueinander angeordnet
sind, in Differenzschaltung verwendet. Die näheren Zusammenhänge sind aus Fig. 2
ersichtlich. Die Förstersondenpaare 10 bzw.
-
II sind hierbei so angebracht, daß das Sondenpaar 10 senkrecht zur
Längsachse des Hohlkörpers steht, während das Sondenpaar II parallel zur Längsachse
des Hohlkörpers liegt. Wie schon erwähnt, sind diese Sondenpaare in Gradientenanordnung
im Hohlkörper angebracht. Je eine Sonde der Sondenpaare 10 und II wird unmittelbar
an der Innenwand des zylindrischen Hohlkörpers angebracht, um die in der Wand desselben
fließenden elektrischen Ströme direkt messen zu können. Dem physikalischen Sachverhalt
nach messen diese an der Innenwand angebrachten Sonden zwar nicht direkt den fließenden
elektrischen Strom, sondern seine Wirkung, nämlich das durch diesen Strom erzeugte
magnetische Feld. Die korrespondierenden Sonden der Sondenpaare 10 und II befinden
sich in einem geeigneten Abstand der zuerst genannten Einzelsonden, vorzugsweise
im Mittelpunkt des zylindrischen Hohlkörpers. Dadurch, daß die Sondenpaare, bezogen
auf die Richtung des Erdfeldes, zueinander eine völlig gleiche Lage haben, bezüglich
ihrer magnetischen Empfindlichkeitsrichtung jedoch um I800 gedreht sind, wird infolge
der Einwirkung des Erdfeldes an die den Förster-Sonden nachgeschalteten Verstärker
I2 und I3 keine Spannung abgegeben, da an beiden Sonden der Sondenpaare das gleiche
magnetische Feld herrscht.
-
Treten jedoch in der Wand des zylindrischen Hohlkörpers Ströme auf,
welche durch die Bewegung dieses zylindrfschen Hohlkörpers I im Erdfeld hervorgerufen
werden, so werden diese Ströme durch die der Wand zunächst liegende Förster-Sonde
gemessen, während die im Zentrum des zylindrischen Metallkörpers liegende Förster-Sonde
keinen besonderen Feldanstieg oder -abfall registriert, und zwar aus nachstehenden
Gründen: a) Bei Annahme, daß sich eine Sonde des Sondenpaares 10 oder II direkt
im geometrischen Mittelpunkt des Hohlkörpers befindet, ist die Wirkung eines Stromes,
der in der Wand des Hohlkörpers fließt, gleich Null. bj Da diese Sonde von derWand
desHohlkörpers ziemlich weit entfernt ist, werden die durch die in der Wand fließenden
Ströme erzeugten Magnetfelder kaum registriert, zumindest aber ist die Wirkung dieser
Magnetfelder auf die im Mittelpunkt des Hohlkörpers angebrachte Förster-Sonde viel
kleiner als auf jene unmittelbar an der Innenwand befestigte Sonde.
-
Aus dem vorstehend Gesagten ergibt sich, daß beim Auftreten der obenerwähnten
Ströme eine nennenswerte Felddifferenz mit Hilfe der Förster-Sonden gemessen werden
kann. In Abhängigkeit von der Größe des gemessenen Effektes werden von den Verstärkern
12 und I3 über die Regelglieder 14 und I5 den zwei Entrnagnetisierungswicklungen
16 und I7 solche Ströme zugeführt, daß die durch die Bewegung im Erdfeld entstehenden
Störungen gerade aufgehoben werden.
-
Zwischen die Kompensationswicklungen 8 und 9 bzw. I6 und I7 und die
diesen Wicklungen zugeordneten Verstärker 6 und 7 bzw. I2 und I3 wird bei Bedarf
ein weiterer Verstärker dazwischengeschaltet. Dieser kann sowohl ein Amplidynverstärker
oder Röhrenverstärker als auch ein Transistorverstärker sein. Der Verwendung von
Transistorverstärkern wird jedoch aus einer Reihe von Gründen der Vorzug gegeben,
nicht zuletzt deswegen, weil die Abmessungen von Transistorverstärkern klein gehalten
werden können, was der zugedachten Verwendung (z. B. im U-Boot) besonders entgegenkommt.
-
Werden als magnetische Fühler Förster-Sonden oder Hallgeneratoren
verwendet, so können diese an ein magnetisches Feldmeßgerät angeschlossen werden,
dessen Anzeigewert direkt ein Maß für die Größe der vorliegenden Störung des Erdfeldes
darstellt. Diese Art der direkten Darstellung läßt sich bei dem gemäß Fig. I erläuterten
Ausführungsbeispiel nicht realisieren, da bei Verwendung von Induktionsspulen Flußmesser
verwendet werden müßten, die erfahrungsgemäß im Lauf der Zeit eine Zeigerdrift aufweisen.
-
Bei einer besonders einfachen Ausführungsform können die Kompensationsströme
von Hand eingeregelt werden, wobei die vorstehend genannten, von den Meßsonden angezeigten
Meßwerte, ein direktes Maß für die einzustellenden Kompensationsströme darstellen.