DE2140035C3

DE2140035C3 - Meßvorrichtung für die Steuerung eines Schiffes

Info

Publication number: DE2140035C3
Application number: DE19712140035
Authority: DE
Inventors: Takahiro Kawasaki Kanagawa Miura; Miaki Tokio Yamamoto
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd; Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp; Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1971-08-04
Filing date: 1971-08-10
Publication date: 1980-01-31
Also published as: DE2140035A1; GB1321505A; DE2140035B2

Description

Die F.rfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I

Aus »Marine I ngineering/l.og«, lull I9b9. Seile 92 isi r> eine Meßvorrnhuing unier Ausnutzung des Dopplcief fekte«. bekannt Hei diesem Verfahren sind am Schiffskörper nahe Bug und Heck elektromagnetische Wandler angebracht, die beim Empfang elektrischer Signale Ultraschallwellen erzeugen und beim Empfang s>o Von Schallwellen elektrische Signale abgeben. Von einem Sender werden in vier Richtungen auf den Secgrtind Ultraschallwellen schräg abgestrahlt und die reflektierten Wellen werden von einem Empfänger aufgenommen. es

Dabei sind die Frequenzen der empfangenen Wellen aufgrund des Dopplereffektes von denen der ausgesandten Wellen verschieden. Die Schiffsgeschwindigkeit kann aus der Doppler-Frcquenzabweiehung mit einer Genauigkeit von etwa 5 mm/Sek. bestimmt werden. Der Schiffskurs kann aufgrund der von den vier Richtungen gewonnenen Informationen errechnet werden. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß für jedes Schiff eine gesonderte Meßvorrichtung notwendig ist. Außerdem können beim Meßvorgang Ungonauigkeiten aufgrund der Schiffsbewegung entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der sich bei einfachem Aufbau, das An- und Ablegen eines Schiffes mit hoher Genauigkeit steuern läßt.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale. Da sich die gesamte Vorrichtung am Ankerplatz befindet, müssen am Schiff keine besonderen Maßnahmen getroffen werden. Die feste Anordnung der Ultrasehallwandler führt dazu, daß die Geschwindigkeit des Schiffes sehr genau gemessen werden kann, da die Wandler nicht den Schiffsbewegungen ausgesetzt sind. Von Vorteil ist auch, daß der Abstand zwischen Schiff und Pier an zwei verschiedenen Stellen gemessen wird, so daß sich die Lage des Schiffes genau bestimmen läßt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, und

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Auswerteeinrichtung.

F ι g. I zeigt einen Ankerplatz 1 mit einem Pier 2 und Anlegep^fähle 3,4. die mit Abstand voneinander am Pier 2 angebracht sind. Fin Schiff 5 soll längsseitig an den Ankerplatz 1 herangeführt werden. Es wird zunächst in einer Lage etwa 100 m vom Ankerplatz 1 entfernt gestoppt und dann so gesteuert, daß es etwa parallel zur Linie 6 liegt, die die Vorderflachen der Anlegepfähle 3 und 4 verbindet. Dann wird das Schiff durch einen Schlepper parallel /um Ankerplatz 1 an diesen herangezogen und schließlich mn Seilen an den Anlegepfählen 3 und 4 vertaut. Die Geschwindigkeit des Schiffes bei Annäherung an den Ankerplatz 1 muli genau gesteuert werden.

Die vorgeschlagene Vorrichtung enthält Wandler 7,8 die an den Anleg'-pfählen 3 und 4 angebracht sind und Ultraschallwellen aussende und empfangen, die einen Festwinkcl von beispielsweise etwa 12 besitzt. Aiiswerieeinnehtungen 9, 10 sind mit den Wandlern 7,8 durch Koaxialkabc' II, 12 verbunden. Es ist außerdem eine Anzeigeeinrichtung 13 vorhanden, die das Meßre siilt.it anzeigt, weiterhin eine (mehl veranschaulichte) Funkverbindung, die das Meßresultat einem auf dem Schilf befindlichen Steuermann mitteilt.

Die Meßvorrichtung mißt die Zeit, die die von den Wandlern 7, 8 ausgesandten I Hlraschallimpulse benon gen. bis sie nach Reflexion am Schiff 5 wieder zurückkommen Anhand der gemessenen Zeil erhall man d.inn unter Berücksichtigung der bekannten Ausbreitiingsgeschwmdigkeil von Ultraschallwellen den Abstand /wischen icdem Wandler und dem Schiff. Zum Messen der Annaherungsgesuhwintligkeit wird das Zeitintervall der Emission der Ultrasehallimpulse genau definier^ und es wird die in jedem Zeitpunkt gemessene Entfernung von dem Meßwert der vorangegangenen Messung subtrahiert, womit man die Schiffsgcschwindigkeit erhält.

Nachstehend wird die Abslands- und Geschwindigkeitsmessung unter der Annahme erläutert, daß das Zeitintervall der Emission der Ullraschallimpulsc I see.

beträgt.

Es sei angenommen, dall sich das Schiff 5 im Zeitpunkt 1=0 in einem Abstand L vum Pier entfernt befindet und sich dem Pier mit einer Geschwindigkeit V nähert, ferner, daß ein im Zeitpunkt ( = 0 ausgesandter Ultraschaliimpuls am Schiff 5 nach einer Zeit At\ eintrifft. Die Zeit At₁ ist dann durch folgende Gleichung gegeben:

Ifi =

L-V C

III

Daraus ergibt sich:

U₁ =

C + V

Hierbei ist Cdie Geschwindigkeit der Ultraschallwellen im Wasser. Demgemäß wird der im Zeitpunkt / = 0 emittierte Impuls nach einer Zeit 2 ^r₁ vom Empfänger .'" aufgenommen: bezeichnet man den /u nessenden Abstand mit Lo, so besieht hierfür folgende Beziehung:

L₀ =

C + V

Nimmt man C= 1500 m/sec. und V= 0,15 m/sec. an. so beträgt die Differenz zwischen /. und Zugleich 0,01 'Vo.

Der Abstand L₀, der von dem im Zeitpunkt i = 0 emittierten Impuls gemessen wird, ist LCV(C'+ V); der Abstand Li, der von dem im Zeitpunkt /= 1 emittierter Impuls gernessen wird, beträgt (L- W)CV(C + V). da der Abstand des Schiffes vom Pier im Zeitpunkt t = 1 gleich (I. - W;bcträgt.

Hierbei entspricht W dem Weg den der Schall während eines Impulses zurücklegt.

Die zu messende Geschwindigkeit ist daher durch folgende Gleichung als Differenz zwischen den Absländen ;n einer Sekunde gegeben:

V =

^ ι,■ / ι ^y

^ ^l \' c

Bei C= ! 500 m/sec. und V = P ■ '5 m/sec. liegt der -n Meßfehler in der C jrößenordnung von 0.01 %.

Fi g. 2 /eigl die Auswerfeinrichtung 9, die mit dem llltraschallwandler 7 verbunden ist. Elin Zeitgeber 21 erzeugt einen Taktimpuls in Abständen von einer Sekunde, ein Impulsgeber 22 erzeugt aufgrund des in Taklimpiilscs jede Sekunde einen elektrischen Sendeimpuls, durch den ein Ultraschaliimpuls vom Wandler 7 emittiert wird. Der sich im Wasser ausbreitende UltraschallimpiiK trifft auf den Körper des Schiffes 5 und wird dann 'um Wandler 7 reflektiert. Der ü empfangene Impuls wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch einen f-.mpfangsverstarker 23 verstärkt, wodurch sich ein Stopsignal für eine Torschaltung 24 ergibt Das .Sendesignal des Impulsgebers 22 wird über eine Verzögerungssehaltung 25 der Torschaltung 24 zugeführt und dient als deren Öffnungssignal.

Der Wandler 7 ist gegenüber der Vorderkante des Anlegepfahles 3 um einen Absland dzurückgesetzt, da jedoch def zu messende Absland die Entfernung L zwischen def Vorderkante des Anlegepfahles 3 und dem Schiff 5 ist, dient die erwähnte Verzögerungsschallung 25 zur Kompensation der Zeit, die der UltraschalliniDuls für das Durchlaufen der Strecke d benotigt. Ist der Wandlei 7 wie bei dem dargestellten Ausführungsoei spiel gegenüber der Vorderkante des Anlegepfahles 3 um einen Abstand c/zurückgesetzt, so entfällt eine tote Zone, in der aufgrund der Sendeimpulsbreite keine Messungen vorgenommen werden können. Beschädigungen des Schiffes und/oder des Pieres durch eine Kollision können daher verhindert werden, indem die gesamte Zone vor der Vorderkante des Anlegepfahles 3 meßbar ist.

Ein Meßimpulsgenerator 26 erzeugt einen Impuls von z. B. 750 kHz. Sein Impulsintervall entspricht der Zeit, in der die Ultraschallwelle im Wasser 1 mm hin- und zurückläuft, d. h. die Ausbreitungs/eit der Ultraschallwelle im Wasser für eine Strecke von 2 mm. Nimmt man die Schall- bzw. Ultraschallgeschwmdigkeit im Wasser mit 1500m/sec. an, so ist die Zeit T, die für die Ultraschallwelle zur Ausbreitung um 2 mm erforderlich ist. durch folgende Gleichung gegeben:

65 T =

1 mm
1500 m see.

2
1,5

10

see.

Die Frequenz der Ultraschalle eilen im Walser ist der obigen Zeit Fumgekehrt proportional, d. h.

"f χ K)" see. ' = 0.75 χ 10" Hz = 750 kHz

Wie oben dargelegt, wird die Torschaltung 24 durch einen von der Verzögerungsschah ung 25 abgegebenen Impuls geöffnet und durch den vom Verstarker 23 empfangenen Impuls geschlossen Die Torschaltung 24 läßt solange sie offen ist. die Impulse des Meßimpulsgenerators 26 durchlaufen. Die zu messende Entfernung zwischen dem Schiff und den Anlegepfählen kann daher digital durch Zählen der die Torschaltung 24 passierenden Impulse angezeigt werden. Zu diesem Zweck werden die die Torschaltung 24 durchlaufenden Impulse z. B. einem Dezimalzähler 27 zugeführt, der die Impulszählung vornimmt. Das Ausgangssignal des Zählers 27 wird einem Speicher 28 zugeführt, der seinen Wert eine Sekunde lang hält Das Ausgan_t'ssignal des Speichers 28 gelangt zu einer Anzeigeeinrichtung 29. die die gemessene Entfernung anzeigt.

Die Geschwindigkeit des Schiffes bei Annäherung an den Ankerplatz wird in folgender Weise gemessen: Ein erster Impulszug, der die Torschaltung 24 durchlaufen hat, wird der Minus-Seite eines Zählers 30 zugeführt; gleichzeitig gelangt ein Signal vom Zeitgeber 21 zum Zähler 30 und stell! ihn zurück. Derselbe er .te Impulszug wird nach Durchlaufen der Torschaltung 24 jnd Zuführung zum Zähler 27 dem Zähler 30 zugeleitet, und zwar verschoben zu dessen Plus Seite, inden der Zähler 27 vom Zeitgeber 21 ein Signal erhälv Dann wird ein /weiter Impulszug nach Durchlaufen der Torschal tung 24 der Minus-Seite des Zählers 30 zugeführt und von dem Impulsz'ig subtrahiert, der zum Zähler 30 vom Zähler 27 gelangt. Das Subtraktionsresultat wird durch einen Speicher 31 einer Anzeigeeinrichtung 32 zugeführt, die den Meßwert zur Anzeige bringt. Die Schiffsgeschwindigkeit kann auf diese Weise kontinuierlich durch wiederholte Durchführung des obigen Vorganges ermitte'l und angezeigt werden.

Bei der Geschwindigkeitsanzeige können die Geschwindigkeiten eines sich dem Ankerplatz nähernden und eines sich entfernenden Schiffes durch Vorzeichen » + « bzw. »-« unterschieden werden. Die Oenaniekpit

der Geschwindigkeitsanzeige in der Größenordnung von cm/scc. kann dadurch erhöht werden, daß die Messung in der Größenordnung von I mm erfolgt. Die Meßeinrichtung )0 des Wandlers 8 hat den gleichen Aufbau wie die Meßeinrichtung 9.

Die Ausgangssignale der Meßeinrichtung 9 und 10 werden einer elektrischen AnZcigcciririchUing 13 zugeführt, die den Absland des Schiffes vom Anlegeplatz und die Anlegcgeschwindigkcit anzeigt und die Meßrcsultate einem auf dem Schiff befindlichen Steuermann mitteilt. Die Mitteilung an den Steuermann kann auch durch Punk erfolgen.

Hierzu 2 13InIt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für die Steuerung eines Schiffes beim An- oder Ablegen unter Verwendung von zwei ϊ Ultraschallwandlern und einer Auswerteeinrichtung zum Berechnen der Geschwindigkeit und des Abstandes des Schiffes vom Pier, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Ultrasehallwandler (7, 8) am Ankerplatz (1) in unter Wasser an zwei mit Abstand angeordneten Anlegepfählen (3, 4) zur Übertragung von Ultraschallstrahlen zum Schiff und zum Empfang der vom Schiff reflektierten Ultraschallstrahlen angeordnet sind,

(b) die Auswerteeinrichtung (9, 10) am Pier (2) angeordnet ist und je einen Zähler (27, 30) zum Ermitteln der Geschwindigkeit und des Abstandes anfw eist, und

(c) eine Einrichtung zur Übertragung der Meßwer- >u te zum Schiff vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dall die Vorderseite der Ultrasehallwandler (7, 8) gegenüber der Vorderkante der Anlegepfähle (3, 4) derart zurückgesetzt ist. daß die Zeit, die die r> \on den Wandlern ausgesandU-n Ultraschallstrahlen benötigen, um die Strecke zwischen det Vorderseite der Wandler und der Vorderkante der Anlegepfähle hin und zurück zu durchlaufen, größer als die Impulsbreite eines den Ultraschallwandlern züge- so führten Impuises ist.

3. Vorrichtung nach Anspn h !.dadurch gekennzeichnet, daß die Aus« srteeinrichtung (9, 10) aus zwei Schaltlingsteilen besteht, ν ti denen jedes einen Impulsgeber zur Speisung eines Wandlers (7, 8). ;> einen Empfangs-Verstarker (23) für das vom Wandler aufgenommene vom Schiff reflektierte Signal, einen Meßimpulsgenerator (26) und eine Torschaltung (24) aufweist, die vom Ausgangssignal des Impulsgebers (22) über einen Ver/ögerungskreis w (25) geöffnet und vom Ausgangssignal des Verstärkers (25) geschlossen wird und im geöffneten Zustand die Impulse des Meßimpulsgenerators (26) /u Zählern (27,30) durchläßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekenn -n zeichnet, daß die Zähler (27, 30) mn Speichern (28, 31) und diese mit Anzeigeeinrichtungen (29, 32) verbunden sind