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Verfahren zur Kontrolle der zeitlichen Änderung des magnetischen Zustandes
von aus ferromagnetischen Körpern bestehenden Einheiten, insbesondere von Schiffen
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Kontrolle des im Laufe der Zeit
gegebenenfalls geänderten magnetischen Zustandes von ortsfesten und ortsveränderlichen
amagnetischen Einheiten, die ferromagnetische Körper (Störkörper; z. B. Motoren
und Generatoren) beinhalten. Ohne die Erfindung eingrenzen zu wollen, sei als Modellfall
die überwachung des magnetischen Zustandes von Schiffen dargestellt.
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Die Notwendigkeit, amagnetische Schiffe von Zeit zu Zeit hinsichtlich
ihres magnetischen Zustandes zu kontrollieren, ist bekannt. Die Schiffe laufen zu
diesem Zweck ortsfeste Vermessungsanlagen an.
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Dieses Verfahren ist aber oft umständlich, ja gefährlich. Die Änderung
des magnetischen Gesamtzustandes eines solchen Schiffes beruht auf den Änderungen
des magnetischen Zustandes der Hauptträger der magnetischen Störungen. Diese Änderungen,
quantitativ nicht faßbar, werden von verschiedenen Faktoren bestimmt, z. B. Werkstoff,
Form und magnetische Vorgeschichte des Störkörpers, die Höhe der auf ihn wirkenden
Erschütterung und Betrag und Richtung des magnetischen Erdfeldes.
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Ist nun ein solches Schiff z. B. starken Erschütterungen ausgesetzt,
etwa durch in der Nähe explodierende Minen, so muß sein magnetischer Zustand möglichst
rasch kontrolliert und gegebenenfalls kompensiert werden, d. h. das Schiff müßte
nach dem bisherigen Stand der Technik eine ortsfeste Schiffsvermessungsanlage anlaufen.
Es liegt auf der Hand, daß das Schiff vor dem und beim Anlaufen der Vermessungsanlage
in magnetisch nicht kompensiertem Zustand durch Magnetminen besonders gefährdet
ist. Um diese Gefährdung zu vermeiden, schlägt die vorliegende Erfindung vor, den
gegebenenfalls veränderten magnetischen Zustand der Einheit, hier des Schiffes,
über die Messung der Änderung des jeweiligen magnetischen Zustandes der Hauptstörungskörper
zu kontrollieren, und zwar mit Hilfe von Vorrichtungen, die in die zu überwachende
Einheit mit eingebaut sind. Im einzelnen sind die Vorrichtungen folgende: 1. In
der Nähe jedes ferromagnetischen Störkörpers sind jeweils mindestens einmal, und
zwar in festgelegtem Abstand und festgelegter Richtung, zwei elektrisch gegeneinandergeschaltete
Meßsonden (vornehmlich Förster-Sonden) zur Messung des magnetischen Feldes angeordnet.
Da eine dieser beiden in Differenz geschalteten Sonden vom Störkörper weiter entfernt
ist, wird durch die Sonden eine Komponente des magnetischen Störfeldes des ferromagnetischen
Störkörpers erfaßt, wohingegen das magnetische Erdfeld, an beiden Seiten gleich,
nicht zur Anzeige gebracht wird.
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Der Zusammenhang zwischen dem magnetischen Zustand der ganzen Einheit
und den magnetischen Zuständen der einzelnen Hauptstörungskörper, vor Eintritt einer
eventuellen Änderung dieser Zustände ermittelt, erlaubt den Schluß von der Änderung
der magnetischen Zustände der einzelnen Hauptstörungskörper auf die daraus folgende
Änderung des magnetischen Zustandes des Schiffes.
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Ebenso erlaubt die in einem bestimmten Abstand des ferromagnetischen
Störkörpers gemessene Felddifferenz, die ihr jeweils proportionale Feldstörung in
beliebigem Abstand vom Störkörper anzugeben. Der Proportionalitätsfaktor zwischen
der Felddifferenz am Meßort und den zugehörigen magnetischen Momenten der Hauptstörkörper
in beliebigem Abstand wird zweckmäßigerweise vor dem Einbau der letzteren in das
Schiff durch entsprechende Messungen ermittelt.
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Nach dem Einbau der Hauptstörungskörper und den ihnen zugeordneten
Sondenpaaren in das Schiff läßt sich durch einfaches Anschalten der einzelnen Sondenpaare
an das Meßinstrument zu jedem beliebigen Zeitpunkt die etwaige Änderung der Felddifferenz,
damit die Änderung des magnetischen Momentes der Hauptstörkörper und damit die eventuelle
Änderung des magnetischen Zustandes des Schiffes nach Größe und Richtung feststellen.
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Um nun nicht für jede Sonde den kleinen Differenzwert notieren zu
müssen, der auch bei optimaler Kompensation durch den magnetischen Schiffsschutz
am Meßort noch vorhanden ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, im Wirkungsbereich
jedes Differenzsondenpaares einen sehr kleinen Permanentmagneten
drehbar
anzuordnen. Durch Drehung dieser permanenten Magnete lassen sich dann die kleinen
Permanentfelder, die am Meßort noch vorhanden sind, in ihrer Wirkung auf die Differenzsonden
restlos kompensieren, d. h. der Zeiger des Meßgerätes, an das diese Sonden angeschlossen
sind, wird auf »Null« gestellt.
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Bei der Überwachung des magnetischen Zustandes wird also abgelesen,
wie weit der Zeiger sich in positiver oder negativer Richtung von der »Null-Lage«
entfernt hat. Aus den abgelesenen Ausschlägen lassen sich dann quantitative Rückschlüsse
auf die eventuell eingetretene Gesamtstörung des Fahrzeuges ziehen.
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Natürlich läßt sich diese Überwachung auch automatisch vornehmen,
wobei dann eine unzulässig große Abweichung von der »Null-Lage« in positiver oder
negativer Richtung durch die optische oder akustische Signaleinheit zur Anzeige
gebracht wird. Die automatische Überwachung ist die einzige Möglichkeit einer fortlaufenden
Kontrolle etwa der Sicherheit vor magnetischen Minen. Sie erlaubt gegebenenfalls
eine sofortige Kontrolle der magnetischen Kompensation.
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F i g. 1 gibt ein Ausführungsbeispiel für die geschilderte Anordnung
in schematischer Darstellung: In definiertem Abstand und definierter Richtung von
einem ferromagnetischen Störkörper 1 (z. B. einem Schiffsmotor) befinden sich die
beiden elektrisch gegeneinandergeschalteten Feldmeßsonden 2 und 3 (vornehmlich Förster-Sonden).
Die von diesen abgegebene Spannung wird vom Meßgerät 4 angezeigt. Der kleine Permanenmagnet
6 ist drehbar und erlaubt, in kompensiertem Zustand der Gesamteinheit, kleine Permanentfelder
am Meßort bezüglich ihrer Wirkung auf die Meßsonden zu kompensieren und so den Zeiger
des Meßgerätes 4 auf »Null« zu stellen.
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2. Die Gesamtstörung jedes dieser Hauptstörungskörper setzt sich aber
zusammen aus einem permanenten und einem induzierten Anteil. Der induzierte Anteil
wird durch das magnetische Erdfeld hervorgerufen, wohingegen der permanente Anteil,
quantitativ nicht faßbar, abhängig von vielen Faktoren ist (z. B. Störkörperwerkstoff
und Form, seine magnetische Vorgeschichte, Höhe einer eventuellen Erschütterung
sowie Richtung und Stärke des magnetischen Erdfeldes), welche früher oder später
Änderungen erfahren.
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Der induzierte Anteil der magnetischen Störung der einzelnen ferromagnetischen
Störkörper, nur von Größe und Richtung des magnetischen Erdfeldes abhängig, wird
bei vielen Schiffen durch eine magnetische Eigenschutzanlage kompensiert. Von apparativen
Störungen (z. B. Kurzschlüssen in den Kompensationswicklungen) abgesehen, ist diese
Kompensation des induzierten Anteiles unendlich lange exakt.
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Hat das Schiff eine derartige Kompensationsvorrichtung für den induzierten
Anteil der magnetischen Störungen, so wird erfindungsgemäß ergänzend vorgeschlagen,
nur die Änderung der permanenten magnetischen Momente der einzelnen Hauptstörungsträger
durch die in ihrer Nähe im Schiff eingebauten Differenzfeldmeßsonden zu überwachen.
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Der Hauptunsicherheitsfaktor beim magnetischen Störfeld des amagnetischen
Fahrzeuges liegt ja in dem unberechenbaren Verhalten des permanenten magnetischen
Momentes begründet, dessen Variation - wie oben angegeben - von vielen Einflüssen
abhängt. Deshalb ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens auch
in den Fällen sinnvoll, in denen der induzierte Anteil des Störfeldes ohne Interesse
bzw. kompensiert ist.
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Die Trennung der Anzeige zufolge des permanenten Momentes vom Einfluß
des induzierten Momentes soll an Hand der F i g. 2 erläutert werden: Wiederum befinden
sich in definiertem Abstand und definierter Richtung vom ferromagnetischen Störkörper
1 die beiden Feldmeßsonden 2 und 3, dergestalt, daß die Sonde 2 näher beim Störkörper
liegt als Sonde 3. Zwischen den beiden Differenzsonden befindet sich nun ein Körper
5, der z. B. streifenförmig, aus hochpermeablem ferromagnetischem Werkstoff ist
und sich zwischen Sonde 2 und 3 axial verschieben läßt. (Die Anordnung des Streifens
5 zwischen Sonde 2 und 3 ist nur ein mögliches Ausführungsbeispiel. Axial, vom Störkörper
aus gesehen, hinter oder neben Sonde 3 wäre die Wirkung dieselbe.) Liegt der Streifen
5 exakt in der Mitte zwischen Sonde 2 und 3, so hat er keinen Einfluß auf die Anzeige,
da seine Feldwirkung auf beide Sonden gleich ist und sich so wegen der Differenzanordnung
der Sonden heraushebt. Wird der Streifen 5 nunmehr auf die Sonde 2 oder die Sonde
3 zugeschoben, so erhält die Sonde 2 oder die Sonde 3 ein stärkeres Feld als die
Sonde 3 bzw. die Sonde 2, so daß zusätzlich eine Anzeige auf dem Feldmeßgerät erfolgt,
die proportional zur Größe der Erdfeldkomponente in Richtung der Sondenachse ist.
Der Einfuß des induzierten Momentes des Störkörpers auf die Differenzsonde läßt
sich deshalb vollständig unterdrücken, wenn der Streifen 5 in eine geeignete Entfernung
zur Sonde 3 geschoben wird. Dann wird an der Sonde 3 eine Feldstärke erzeugt, die
proportional zur Komponente des Erdfeldes in Richtung der Sondenachse ist, und die
durch geeignete Annäherung so groß gemacht wird, daß sie gerade so groß ist wie
die an Sonde 2 erzeugte Feldstärke durch das induzierte Moment des Störkörpers.
Durch Nähern des Streifens 5 in Richtung auf die Sonde 3 wird also die entgegengesetzte
Felddifferenz proportional zur Komponente des Erdfeldes in Richtung der Sondenachse
erzeugt wie durch den Störkörper 1. Es ist deshalb leicht möglich, durch geeignete
Verschiebung des Streifens 5 in Richtung der Sonde 5 die Felddifferenz, welche von
dem induzierten Moment des Störkörpers herrührt, in ihrer Wirkung auf die Differenzsonde
zu unterdrücken. Dieses wird dadurch erreicht, daß z. B. zuerst die Summe aus dem
induzierten und dem permanenten Anteil des magnetischen Momentes des Störkörpers
gemessen wird, wobei der Streifen 5 genau in der Mitte zwischen den beiden Sonden
angebracht ist, oder aus deren Wirkungsbereich entfernt wurde. Anschließend wird
das permanentmagnetische Moment des Störkörpers allein gemessen. Zu diesem Zweck
werden Störkörper und Meßanordnung mittels einer geeigneten Kompensation des Erdfeldes
der Einwirkung des magnetischen Erdfeldes entzogen. Nach Entfernung dieser Kompensation,
d. h. unter Wirkung des Erdfeldes, wird der Streifen 5 so lange in Richtung auf
die Sonde 3 verschoben, bis das Feldmeßgerät 4 den gleichen Wert wie bei der Messung
mit Kompensation anzeigt. Ein zweiter Weg zur Trennung von permanentem und induziertem
Anteil
besteht darin, daß die Summenwirkungen des induzierten und
permanenten Momentes für zwei um 180° entgegengesetzte Richtungen ermittelt werden,
wobei sich die Momente in der einen Richtung addieren, in anderer subtrahieren.
Durch Verschieben des Streifens in der bereits beschriebenen Weise wird auf dem
Feldmeßgerät 4 ein Wert eingestellt, der dem arithmetischen Mittel der Summe der
beiden Meßwerte entspricht. Das Feldmeßgerät zeigt nun lediglich eine Felddifferenz
an, die allein von dem permanenten Moment des Störkörpers abhängig ist, unabhängig
von Richtung und Größe der jeweiligen Erdfeldstärke. Spezielle Kompensationsspulen
gestatten, die Wirkung der permanenten Momente der Hauptstörungskörper etwa unter
einem Schiff optimal zu kompensieren. Die Differenzsonden am definierten Meßort
zeigen folglich den Wert des permanenten magnetischen Momentes an, der bezüglich
seiner Störwirkung optimal kompensiert ist. Zeigt sich bei späterer Kontrolle also
derselbe Meßwert, so ist die Kompensation immer noch optimal. Da die Beziehungen
zwischen Meßspannung, permanentem Moment und magnetischer Störwirkung, wie oben
allgemein angegeben, quantitativ erfaßbar sind, so kann auch hier von den gemessenen
Änderungen der permanenten Momente der einzelnen Hauptstörkörper quantitativ auf
die Änderung der Störfeldstärke des gesamten Schiffes gegenüber der optimalen Kompensation
geschlossen werden.
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Auch bei diesem Meßverfahren ist es zweckmäßig, mit Hilfe des drehbaren
Permanentmagneten 6 die Feldstärke bzw. den Meßwert, für den die optimale Kompensation
durchgeführt wurde, auf »Null« zu reduzieren und die eventuellen Änderungen dann
von »Null« aus zu messen.
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In sehr vorteilhafter Weise kann an Hand der Messungen nach diesem
Verfahren der Kompensationsstrom zur Kompensation auch des permanenten Momentes
optimal angepaßt werden, ohne daß eine Vermessungsstation angelaufen werden müßte.