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Verfahren zur Kompensation der magnetischen Erdfeldstörung durch Schiffe
Es
sind eine Reihe von Verfahren zur Kompensation der magnetischen Erdfeldstörung vorgeschlagen
worden, welche sich jeweils auf die Kompensation eines einzigen Anteiles des magnetischen
Störmomentes, z. B. des permanenten -oder des induzierten magnetischen Momentes,
beziehen.
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Ebenso ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Störfeldwirkung
von in dem Schiffskörper auftretenden Wirbelströmen kompensiert wird.
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Bei diesen Verfahren wird jeweils von sogenannten MES-Wicklungen
Gebrauch gemacht, die mit Strömen beaufschlagt werden, die den Störfeldern gleiche,
jedoch entgegengesetzt gerichtete magnetische Felder erzeugen, durch die die magnetische
Erdfeldstörung aufgehoben wird. Die sogenannte MES-(= magnetischen Eigenschutz-)
Wicklungen werden grundsätzlich für die drei Magnetisierungsrichtungen (X, Y und
Z) vorgesehen.
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Die Gesamtstörung des magnetischen Erdfeldes durch ein in Bewegung
befindliches Schiff setzt sich aus 3 Komponenten zusammen: I. Aus einem Anteil von
der permanenten Magnetisierung des Schiffes oder des Hauptstörträgers des Schiffes,
2. aus einem Anteil, herrührend von der induzierten Magnetisierung des Schiffes,
3. aus einer Störung, herrührend von Wirbelstr& men, welche bei der Bewegung
des Schiffes im Erdfeld entstehen.
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Wie bereits ausgeführt, wurde zur Kompensation jeder dieser Komponenten
in den meisten Fällen jeweils ein eigenes Verfahren angewandt.
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Darüber hinaus sind auch Anlagen vorgeschlagen worden, bei denen
mehrere oder alle Komponenten gleichzeitig kompensiert werden sollen. Prinzipiell
werden dazu zwei verschiedene Verfahren vorgeschlagen: I. Direkte Messung des ungestörten
Erdfeldes mit Sonden praktisch außerhalb des magnetischen Störbereiches des Schiffes.
Die Kompensationsströme gegen den permanenten Anteil sind dabei konstant zu wählen,
die Kompensationsströme gegen den induzierten Anteil sind direkt proportional den
Komponenten des gemessenen Erdfeldes, während die Kompensationsströme gegen die
Wirbelstromanteile proportional dem Zeitdifferential dt gewählt werdt den, und zwar
jeweils für alle 3 Komponenten des Kompensationsfeldes.
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Diesem Verfahren haften jedoch einige spezifische Nachteile an: Keine
der Störgrößen wird von den schiffseigenen Sonden direkt gemessen, sondern es werden
lediglich ihre Änderungen aus der Messung der jeweiligen Erdfeldkomponenten indirekt
ermittelt. Deshalb ist auch eine automatische Selbstkompensation ausgeschlossen.
Weiter ist der Anteil speziell der permanenten Magnetisierung zeitlich inkonstant,
man muß folglich in gewissen, vorzugsweise kürzeren Zeitabständen die Vermessungsanlage
anlaufen. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß es mit erheblichen Schwierigkeiten
verbunden ist, insbesondere bei Eisenschiffen, einen Ort zur Anbringung der Sonden
zu erreichen, an dem das Erdfeld genügend ungestört ist.
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2. Aus diesen Gründen wurde auch vorgeschlagen, an Stelle der Messung
allein des Erdfeldes außerdem am Schiffskörper selbst die Störkomponenten direkt
zu messen.
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Hierzu ist jedoch zu sagen, daß es am Schiffskörper keinen Punkt
gibt, der repräsentativ wäre für die Summe der Störwirkungen etwa an verschiedenen
Stellen unter dem Schiff.
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An verschiedenen Orten des Schiffskörpers treten Störfelder auf,
die sich um zwei Größenordnungen unterscheiden können. Würde man also z. B. die
Störkomponente für den Ort der Sonde am Schiffs körper auf den Wert des ungestörten
Erdfeldes herunterkompensieren, so besteht durchaus die Möglichkeit, ja an Sicherheit
grenzende Wahrscheinlichkeit, daß die Summe der Störfelder unter dem Schiff trotzdem
eine sehr erhebliche Größe hat.
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Die hier vorgeschlagene Differenzbildung zwischen Sonde am Ort des
ungestörten Feldes und Sonde am Schiffskörper führt folglich aus physikalischen
Gründen nicht zum gewünschten Ziel.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird in der Erfindung ein Verfahren
angegeben, das tatsächlich möglich macht, alle -drei Störkomponenten direkt zu messen
und zu komperisieren. Wie im folgenden näher ausgeführt wird, wird dies durch drei
Meßsondenpaare in Gradientenanordnung erreicht, wobei hier unter »Gradient« das
kleine Wegdifferential dh verstanden wird, wobei s den kleinen Abds stand der beiden
verwendeten Feldmeßsonden für jede Komponente bedeutet. Wie weiter beschrieben wird,
kann s dabei in Richtung X, Y oder Z liegen, also in einer der drei Richtungen des
Kompensationsfeldes. Außerdem wird ein Verfahren zur Feststellung des singulären
Punktes angegeben, an dem für alle Störanteile permanenter, induzierter und wirbelstrombedingter
Herkunft repräsentative Messungen derart möglich sind, daß die Kompensation aller
Störanteile für diesen Punkt auch die Kompensation aller Störfelder unter dem Schiff
bewirkt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so eine automatische Selbstkompensation
nach Art eines geschlossenen Regelkreises. Die den Leistungsverstärkern und damit
den MES-Wicklungen zugeführten Spannungen sind direkt proportional der Summe aller
drei Anteile der Erdfeldstörung selbst und nicht, wie bei früher vorgeschlagenen
Verfahren, indirekt aus der Messung des ungestörten Erdfeldes und der Lage des Schiffes
im Raum gewonnen.
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Erfindungsgemäß werden zur Kompensation die drei magnetischen Feldmeßsondenpaare
derartig im Bereich des magnetischen Störfeldes des Schiffes angeordnet und/oder
ausgebildet, daß die an den drei Sondenpaaren auftretenden geometrischen Störfeldgradienten
proportional der vom Schiff hervorgerufenen Erdfeldstörung sind. Dabei werden die
drei Feldmeßsondenpaare derartig angeordnet, daß alle drei Sondenpaare z.B. denVertikalgradienten
der magnetischen Momente in den drei Schiffshauptachsen (also Horizontal-, Transversal-
und Vertikalmomente) messen. Eine Gradientenmessung wird deshalb in allen Fällen
bevorzugt, weil hierbei der Absolutwert des Erdfeldes nicht zur Anzeige gelangt.
In analoger Weise lassen sich auch die Horizontal- und Transversalgradienten der
magnetischen Störwirkung heranziehen.
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Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren - wie bereits ausgeführt
- alle drei Richtungen der Störfeldgradienten zur Kompensation heranziehen kann,
sei nachfolgend die Erfindung an Hand der erläuternden Figuren unter Zuhilfenahme
des Vertikalgradienten dargelegt, da das Verfahren mittels der Verwendung des Vertikalgradienten
als besonders vorteilhaft angesehen wird.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für die Kompensation der magnetischen
Erdfeldstörung, die durch ein Schiff hervorgerufen wird, schematisch dargestellt.
Darin bedeuten: I, 2 und 3 je ein Feldmeßsondenpaar in Gradientenanordnung, durch
die jeweils die Vertikalgradienten der Störwirkung des Schiffes 4 gemessen werden.
Dabei mißt das Sondenpaar I den Vertikalgradienten der Vertikalkomponente, das Sondenpaar
2 den Vertikalgradienten der Vertikalkomponente und das Sondenpaar 3 den Vertikalgradienten
der Transversalkomponente. Alle drei Sondenpaare
sind an einem gemeinsamen
spezifischeen Ort innerhalb des Störbereiches des Schiffes angebracht, wobei an
diesem spezifischen Ort zwischen den gemessenen Störfeldgradienten und der unter
dem Schiff auftretenden Erdfeldstörung Proportionalität besteht. Die drei senkrecht
zueinander angeordneten Sondenpaare I, 2, 3 wirken über drei Feldmeßgeräte 5, 6,
7 auf drei entsprechende Verstärker S, 9, I0, die ihrerseits die Kompensationsströme
in den Kompensationswicklungen II, I2, I3 erzeugen.
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Dadurch, daß zur Steuerung der Kompensations felder der Gradient des
tatsächlich auftretenden Störfeldes herangezogen wird, stellt die Anordnung einen
geschlossenen Regelkreis dar, der automatisch ein Störminimum bewirkt, denn ein
bestimmter Störfeldgradient erzeugt iiber die VerstärkerS, 8, und 10 in den Gegenkopplungswicklungen
11, I2, I3 einen Strom, der ein Gegenfeld derart bewirkt, daß das Störfeld und damit
sein Gradient gerade aufgehoben wird.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. I sind die drei Sondenpaare an
einem unmagnetischen Mast 14 befestigt. Die Ermittlung des Punktes bzw. des Bereiches,
in welchem die drei Sondenpaare einem der Störwirkung des Gesamtschiffes proportionalen
Störfeldgradienten ausgesetzt sind, geschieht erfindungsgemäß auf folgende Weise:
In Fig. 2 ist ein Schiff mit den ihm zugeordneten Überlaufkurven in Längsrichtung
dargestellt.
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Dabei bedeutet die mit N-S bezeichnete Überlaufkurve z. B. die Höhe
der Vertikalkomponente der Gesamtstörwirkung des Schiffes in einer bestimmten Tiefe,
wobei das Schiff die diese Störwirkung messende Feldmeßsonde in der Nord-Süd-Richtung
überläuft. Die Kurve S-N ergibt sich bei einem Überlauf des Schiffes über die Feldmeßsonde
in der Richtung Süd-Nord.
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Die Differenz der Verteilung der Vertikalkomponente der Störfeldstärke
in der Längsrichtung des Schiffes in Abhängigkeit von dem Schiffskurs beruht darauf,
daß die Vertikalkomponente des permanenten (schiffsfesten) Horizontalmomentes bei
Kurswechsel von N-S auf S-N das Vorzeichen wechselt, so daß sich für jeden Punkt
des Schiffes die Vertikalkomponente des permanenten Horizontalmomentes zu der Vertikalkomponente
des induzierten Vertikalmomentes einmal addiert und bei Gegenkurs subtrahiert. Aus
der Fig. 2 läßt sich daher die Verteilung der Vertikalkomponente des permanenten
Schiffshorizontalmomentes trennen, indem man aus jeweils zwei entsprechenden Werten
der Kurven N-S und S-N das Mittel bildet, wodurch man zu der Mittellinie M gelangt.
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Man erkennt aus der Fig. 2, daß sich die beiden tSberlaufkurven N-S
und S-N in einem einzigen Punkt schneiden, welcher in der Fig. 2 mit A bezeichnet
wurde. In diesem Punkt ist der Vertikalgradient bzw. die Vertikalkomponente des
permanenten (und aus Gründen der Tatsache, daß das induzierte Moment der gleichen
Eisenverteilung, die das permanente Moment erzeugt, zugeordnet ist, auch die des
induzierten) Horizontalmomentes gleich Null, so daß die in dem Punkt A herrschende
Störfeldstärke lediglich vom Vertikalmoment und gegebenenfalls vom Transversalmoment
des Schiffes herrühren kann. In der Fig. 3 ist die aus der Fig. 2 gewonnene Verteilung
des Vertikalgradienten der Vertikalkomponente dargestellt, welche durch den permanenten
Anteil des Horizontalmomentes eines Eisenschiffes hervorgerufen wird; diese Kurve
wurde aus zwei tfberlaufkurven (wie in Fig. 2) konstruiert. In der Fig. 4 ist ein
Schiff mit den ihm zugeordneten Überlaufkurven in der Querrichtung dargestellt.
Die mit B-S bezeichnete Kurve stellt die Störwirkung des Schiffes in einer bestimmten
Tiefe dar, wie diese bei einem Querüberlauf des Schiffes über eine magnetische Feldmeßsonde
aufgenommen wird. In analoger Weise wie zu Fig. 2 ergibt sich die Kurve S-B. Auch
hier ist genau wie in Fig. 2 eine Überschneidung der beiden Überlauü kurven festzustellen,
und zwar im Punkt B. Im Punkt B ist nach dem Obengesagten der permanente Anteil
der Vertikalkomponente des magnetischen Quermomentes des Schiffes gleich Null. Der
im Punkt B noch herrschende Vertikalgradient der Vertikalkomponente der magnetischen
Erdfeldstörung rührt, analog wie in Punkt A der Fig. 2, ebenso nur noch vom magnetischen
Vertikalmoment des Schiffes her, sofern der mit B-S bezeichnete Überlauf parallel
zu der Querachse des Schiffes durch den Punkt A der Fig. 2 geht.
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Erfindungsgemäß werden die Punkte 24 und B durch vier Überläufe des
Schiffes über eine geeignete magnetische Feldmeßsonde ermittelt und zu den Koordinatenrichtungen
des Schiffes parallele Linien gezogen, welche durch diese Punkte gehen.
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Auf diese Weise wird an dem Kreuzungspunkt der genannten Linien in
der Längs- und Querrichtung des Schiffes theoretisch ein einzelner Punkt, praktisch
jedoch ein Bereich gefunden, unter welchem sowohl vom magnetischen Horizontalmoment
als auch vom magnetischen Transversalmoment des Schiffes keine Vertikalkomponente
vorliegt. Die Lage dieses Punktes wird in Fig. 5 noch einmal dargestellt und der
Punkt selbst mit X bezeichnet.
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Aus der Fig. 5, in welcher ein Schiff in Aufsicht gezeigt wird, ist
zu ersehen, daß der Punkt X der Schnittpunkt jener beiden Linien ist, welche aus
den vier Überlaufkurven resultieren.
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Erfindungsgemäß werden die drei zur Kompensation erforderlichen Feldmeßsondenpaare
in Gradientenanordnung in vertikaler Richtung über dem Punkt X innerhalb des Störbereiches
des Schiffes befestigt. Für den Fall, daß lediglich eine Feldstörung unterhalb des
Schiffes zu kompensieren sei, welche von induzierten und permanenten magnetischen
Momenten herrührt, würde es genügen, die drei Feldmeßsondenpaare in einer beliebigen
Höhe innerhalb des Störbereiches des Schiffes oberhalb des Schiffsdecks anzubringen.
Der Regelkreis Feldmeßsondenpaar I - Feldmeßgerät 5 - Verstärker 8 - Kompensationswicklung
11 stellt sich in jedem Falle so ein, daß am Ort der Feldmeßsondenpaare I, 2 und
3 keine Störwirkung mehr herrscht, wodurch aber gerade auch unterhalb des Schiffes
die Störwirkung aufgehoben wird, und zwar wegen
der Struktur der
Störfeldverteilung eines Eisenschiffes. Dem Feldmeßsondenpaar I fällt die Aufgabe
zu, dieStörwirkung, herrührend vom Vertikalmoment des Schiffes, zu messen und zu
kompensieren. Über und unter dem X bezeichneten Punkt herrscht aber nach den Darstellungen
der Fig. 2 bis 4 lediglich eine Vertikalkomponente des vertikalen magnetischen Momentes,
so daß also durch das Feldmeßsondenpaar 1 gerade die magnetische Feldstörung, herrührend
vom vertikalen Moment, aufgehoben wird.
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Erfindungsgemäß wird nun aber nicht nur die Störwirkung der induzierten
und permanenten magnetischen Momente berücksichtigt; es wird darüber hinaus auch
eine Kompensation derjenigen Störfelder, welche durch im Schiffskörper auftretende
Wirbelströme entstehen, bewirkt. Um dieses zu erreichen, werden die drei Feldmeßsondenpaare
in der Vertikalrichtung des Schiffes über dem Punkt X in eine solche Höhe gebracht,
daß zwischen der Größe der beim Schlingervorgang am Ort der Feldmeßsondenpaare auftretenden
magnetischen Feldstörung und der unterhalb des Schiffes vorhandenen Feldstörung
Phasengleichheit und Proportionalität besteht. Die genaue Auffindung des Ortes in
der vertikalen Richtung des Schiffes geschieht in der Weise, daß man das Schiff
über eine sogenannte Bodenspule bringt, durch welche ein magnetisches Wechselfeld
erzeugt werden kann, welches seinerseits Wirbelströme im Schiffskörper hervorruft,
die denen beim Schlingern eines Schiffes entsprechen, oder daß das Schiff mechanisch
in Schlingerbewegungen versetzt wird. In der Fig. 6 ist eine Anordnung gezeigt,
welche geeignet ist, die optimale Lage der Feldmeßsondenpaare in der Vertikalrichtung
des Schiffes aufzufinden. In Fig. 6 ist mit 15 die Bodenspule, mit I6- eine Feldmeßsonde,
mit I7 ein Feldmeßgerät und mit I8 ein Oszillograph bezeichnet. Die Feldmeßsonde
I6 besitzt eine Zusatzwicklung I9, welche über einen Spannungsteiler 20 gespeist
wird. Durch die Bodenspule 15 wird ein Wechselstrom geringer Frequenz (Schlingerfrequenz
des Schiffes) geschickt, wodurch ein diesem Strom phasengleiches magnetisches Wechselfeld
aufgebaut wird. Durch den Spannungsteiler 20 wird am Ort der Feldmeßsonde I6 mit
Hilfe der Zusatzwicklung 19 ein Gegenfeld erzeugt, welches die Wirkung des von der
Bodenspule 15 hervorgerufenen Magnetfeldes aufhebt.
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Das von der Bodenspule 15 erzeugte Wechselfeld ruft in dem über der
Feldmeßsonde I6 befindlichen Schiff + Wirbelströme hervor, die ihrerseits die Ausbildung
einer Erdfeldstörung bewirken. Die Größe dieser Erdfeldstörung wird unterhalb des
Schiffes mit der Feldmeßsonde 16 und dem Feldmeßgerät I7 gemessen und dem horizontalen
Plattenpaar des Oszillographen I8 zugeführt. Oberhalb des Schiffes über dem Punkt
X befindet sich das Feldmeßsondenpaar I, welches über das Feldmeßgerät 5 den an
ihm auftretenden Vertikalgradienten der durch die Wirbelströme hervorgerufenen Feldstörung
mißt. Die Größe des in einer gewissen Höhe h gemessenen Feldstärkegradienten wird
dem vertikalen Plattenpaar des Oszillographen I8 zugeführt. Bei Beschickung der
elektromagnetischen Schlingeranlage mit einem Wechselstrom entsteht durch das Zusammenwirken
der den zwei Plattenpaaren des Oszillographen I8 zugeführten Spannungen auf dem
Schirm der Röhre ein Bild, welches den größen- und phasenmäßigen Zusammenhang der
Störfelder oberhalb und unterhalb des Schiffes wiedergibt. Bei Proportionalität
und Phasengleichheit der Störfelder am Ort der Sonden I und IG entsteht auf der
Braunschen Röhre eine gerade Linie mit einer gewissen Neigung (z. B. mit dem Winkel
57), wohingegen bei einer Phasendifferenz eine Ellipse entsteht. Für den Fall, daß
sich das Feldmeßsondenpaar I in einer Höhe lt befindet, bei welcher zwar Phasengleichheit
der Störwirkung, nicht aber Proportionaltät herrscht, entsteht auf dem Schirm der
Braunschen Röhre eine gekrümmte Linie. Erfindungsgemäß werden nun die drei Feldmeßsondenpaare
I, 2 und 3 in eine solche Höhe lt gebracht, daß beim Schlingervorgang auf dem Schirm
der Braunschen Röhre eine gerade Linie sichtbar wird, womit erreicht wird, daß sich
die die Störwirkung des Schiffes messenden Sondenpaare an einem Punkt befinden,
an welchem - wie eingangs erwähnt - Proportionalität und Phasengleichheit zu der
Störwirkung unterhalb des Schiffes besteht.
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Die genaue Ermittlung des Punktes X kann erfindungsgemäß auch dadurch
bewirkt werden, daß die Lage des Feldmeßsondenpaares I SO lange verändert wird,
bis der von dem Feldmeßsondenpaar I gemessene Störfeldgradient keine Änderung mehr
erfährt, wenn das Schiff Kreisbahnen durchfährt bzw. um seine vertikale Achse gedreht
wird.
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Aus taktischen Gründen lassen sich die Feldmeßsondenpaare I, 2 und
3 nicht immer an einem Punkt befestigen, wie er nach der vorhergehenden Beschreibung
aufgefunden werden kann. Es ist daher erforderlich, die drei Feldmeßsondenpaare
in horizontaler oder transversaler Richtung zu verschieben. Je nachdem, ob die drei
Feldmeßsondenpaare in horizontaler undloder transversaler Richtung verschoben wurden,
resultiert an einem der Feldmeßsondenpaare 2 oder 3 oder an beiden noch ein Vertikalgradient
des Horizontalmomentes und/oder des Transversalmomentes. Die von diesem Feldstärkegradienten
hervorgerufene Spannung in den Feldmeßsondenpaaren würde einer exakten Kompensation
zuwiderlaufen. Es wird daher in weiterer Ausgestaltung der Erfindung demjenigen
Feldmeßsondenpaar, welches einen zusätzlichen, von der Horizontal- oder Transversalkomponente
des Schiffes herrührenden Vertikalgradienten mißt, nur im Bereich der Feldmeßsonde
ein solches Gegenfeld, z. B. durch eine Wicklung, zugeführt, daß die durch die sozusagen
falsche Lage hervorgerufene Abweichung der Proportionalität gerade aufge hoben wird.