DE3614527A1 - Verfahren zur einstellung einer magnetischen eigenschutz (mes) - anlage zur kompensation des magnetischen stoerfeldes eines fahrzeuges, insbesondere schiffes - Google Patents
Verfahren zur einstellung einer magnetischen eigenschutz (mes) - anlage zur kompensation des magnetischen stoerfeldes eines fahrzeuges, insbesondere schiffesInfo
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Description
Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz(MES)-
Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges,
insbesondere Schiffes.
Schiffe, Boote und andere Fahrzeuge der Bundeswehr, aber auch
Handelsschiffe, werden von Minen und Torpedos mit magnetischen
Sensoren direkt bedroht oder sind durch Ortungssysteme mit magnetischen
Sensoren aufzuspüren. Aus diesem Grund sind die zu
schützenden Fahrzeuge mit einer MES-Anlage ausgerüstet, die die
Aufgabe hat, das magnetische Eigenfeld und damit die Gefährdung
herabzusetzen.
Derartige Anlagen sind in der Literatur hinlänglich beschrieben
(z. B. Kosack und Wangerin, "Elektrotechnik auf Handelsschiffen",
Springer Verlag 1956, Seite 255-257 (Abb. 234)), so daß auf eine
nähere Beschreibung des Prinzips und der Wirkung einer solchen
Anlage hier nicht näher eingegangen zu werden braucht.
Jedes mit einer MES-Anlage ausgerüstete Schiff erfährt zunächst
aufgrund einer sogenannten magnetischen Vermessung eine Grund-
(Erst)-Einstellung der MES-Anlage, bei der durch Einstellen geeigneter
Wicklungsströme ein optimaler Kompensationswert erreicht
wird. Die danach eingeschaltete Regelung der MES-Anlage
steuert die Ströme in den individuellen Spulen im Fahrbetrieb
so nach, daß die eingestellte Kompensation des Störfeldes erhalten
bleibt. Im Laufe des Fahrbetriebes muß jedes Schiff in bestimmten
Zeitabständen magnetisch erneut vermessen und die MES-
Anlage ggf. entsprechend neu eingestellt werden (Einstellungskontrolle).
Die Einstellungen sind wegen der starken magnetischen Wechselwirkungen
zwischen den einzelnen Spulen (und Teilspulen) der MES-
Anlage unverhältnismäßig komplex. Durch die unregelmäßigen geometrischen
Formen der Spulen entzieht sich das Problem auch einfachen
mathematischen Berechnungsmethoden, insb. was den Einfluß
ferromagnetischer Einbauten auf das Magnetfeld der Spulen (reale
Effekte) anbelangt. Außerdem schränken fehlerbehaftete geometrische
Daten zur Angabe der Spulenlage im Schiff die Brauchbarkeit
von Feldberechnungen ein.
Es ist bekannt, daß Schiffe in bestimmte "magnetische Abschnitte"
zu unterteilen und für diese die Amperewindungszahlen, d. h. die
Wicklungsströme zu bestimmen sind, die zum Ausgleich des magnetischen
Eigenfeldes des Schiffes notwendig sind (Deutsche Marineräumdienstvorschrift
Nr. 16, 1946, insbesondere Seite 9-13).
Dieses Verfahren würde - im wirtschaftlichen Rahmen - bezogen auf
die heutige Ansprechempfindlichkeit der Magnetzünder der Minen,
keine ausreichende Kompensation bzw. keine ausreichende Minderung
des Minenansprechrisikos mehr gewährleisten.
Es ist auch bekannt, daß zunächst durch eine stark idealisierte
Berechnung in grober Näherung eine Ausgangseinstellung vorgenommen
werden kann. Durch Iteration zwischen wiederholten Messungen
des Rest-Eigenfeldes und Veränderungen der MES-Einstellungen wird
ein minimales Rest-Eigenfeld, das die ausreichende Gefährdungstiefe
gewährleistet, erreicht. Dieser Iterationsprozeß ist ein
vielschrittiges Probieren, bei dem nach jeder Stromänderung in
der MES-Anlage eine erneute Vermessung erfolgt, bis das Eigenfeld
minimiert ist (empirisches Vorgehen); dabei spielt die langjährige
Erfahrung des Meßleiters der Schiffsvermessungsstelle eine wesentliche
Rolle.
Der Nachteil dieses praktizierten Verfahrens besteht in einem beträchtlichen
Zeitaufwand, den Mängeln in der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
der Einstellung und in der Abhängigkeit von der
Erfahrung der Meßleiter. Die getroffenen Maßnahmen sind selbst
bei guter Protokollführung in ihren Einzelschritten kaum nachzuvollziehen
und stehen daher weder zum Erkenntnisgewinn noch zur
Erzielung eines technischen Lerneffekts zur Verfügung.
Genaue Schiffseinstellungen sind auf Überlaufmeßstrecken noch
schwerer als auf stationären Meßanlagen zu erreichen, mobile
Meßstrecken scheiden bisher für die Schiffseinstellung aus.
Es ist auch ein Vorschlag bekannt geworden (DE-PS 31 32 933), die
zur Kompensation erforderlichen Wicklungsströme selbsttätig aus
einer Signalverarbeitungsanlage zu gewinnen, der Signale von Magnetfeld-
Meßsonden und über den Ort des Schiffes zugeführt sind,
und die ein mathematisches Modell der magnetischen Wirkung der
einzelnen MES-Wicklungen an den Raumpunkten, an denen sich die
Meßsonden befinden, zugeordnet zu bestimmten Bereichen des Schiffes,
enthält. Diese bekannte Methode unter Verwendung eines mathematischen
Analogons in der Signalverarbeitungsanlage hat folgende
Nachteile: Die Annäherung des Modelles (des Analogons) an die
Schiffsrealität ist verhältnismäßig grob und ungenau, da die Einflüsse
des Schiffes auf die magnetischen Wirkungen der (ungestörten)
MES-Spulen (stark idealisiert) nur berücksichtigt werden können,
indem die Schiffbereiche "blockweise" den jeweiligen Spulen
zugeordnet und in deren Übertragungsfunktion berücksichtigt werden
sowie in nur wenigen Nachbarbereichen in der Übertragungsfunktion,
ebenfalls stark idealisiert, Berücksichtigung finden;
damit bleibt der Einfluß von dem jeweiligen in der magnetischen
Wirkung zu bestimmenden Schiffsabschnitt weit entfernteren MES-
Spulen - um den Aufwand vertretbar zu halten - unberücksichtigt.
Ein Einfluß ferromagnetischer Einbauten auf das Magnetfeld der
Spule kann nicht realitätsgetreu erfaßt werden; fehlerhafte geometrische
Daten zur Angabe der Spulenlage im Schiff schränken die
Brauchbarkeit der Feldberechnung, d. h. des Analogons, ebenfalls ein.
Das bekannte Verfahren ist daher nur beschränkt tauglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstellung der
MES-Anlage eines Fahrzeuges mit selbsttätig gewonnenen Werten
für die Kompensationsströme so auszuführen, daß sie möglichst
realitätsgetreu und damit genau ist, so daß die niedrigst mögliche
Minenbedrohung erreicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zur Einstellung
einer MES-Anlage zur Kompensation des magnetischen
Störfeldes eines Fahrzeugs, insbesondere Schiffes gemäß der
Erfindung dadurch daß
- - jede einzelne Spule mit einem Einheitsstrom vorgegebener Richtung beaufschlagt und mindestens eine Komponente des zugehörigen Magnetfeldes gemessen wird sowie daß
- - durch einen 1. Algorithmus - bei Korrektur von Lagekoordinatenfehlern - der "Wicklungseffekt" jeder Spule, d. h. der Unterschied der realen Spule, deren Feld von ferromagnetischen Massen beeinflußt ist, zu der entsprechenden ungestörten Spulenfeld (Luftspule) iterativ ermittelt wird und daß
- - unter Verwendung der korrigierten Spulengeometriedaten und der Wicklungseffekte optimale Ströme zur Annäherung des Spulensystemfeldes an das zu kompensierende Fahrzeugstörfeld in einem 2. Algorithmus ermittelt werden.
Durch die Erfassung der "Wicklungseffekte" werden die realen
Schiffsverhältnisse erfaßt; zusätzlich werden Ungenauigkeiten/
Fehler in den Spulengeometriedaten "korrigiert", so daß die
Kompensation des Fahrzeugstörfeldes sehr genau wird.
Durch die Erfassung der "magnetischen Wicklungseffekte" aus
unmittelbaren Messungen und ihrer Speicherung in einer Datenbank
ist gemäß der Erfindung auch eine einfach durchzuführende
Einstellkontrolle möglich. Die Speicherung der magnetischen
Wicklungseffekte und der übrigen Daten bei der Ersteinstellung
erlaubt bei der Einstellkontrolle einen schnellen Vergleich mit
dem Zustand der MES-Anlage hinsichtlich des Eintrittes von Veränderungen
und damit eine schnelle und eindeutige Ermittlung von
ggf. neuen Kompensationsströmen.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Spulensystem einer MES-Anlage in einem Schiffskörper,
Fig. 2 die Vermessung eines Schiffes in zwei Meßebenen,
Fig. 3 einen Datenflußplan für die Erstellung einer Datenbank,
Fig. 4 das System der Datenübermittlung bei der Einstellkontrolle,
Fig. 5 den Datenflußplan der MES-Einstellung bei einer
Einstellkontrolle.
In Fig. 1 ist das großräumige, dreiachsige Spulensystem einer
MES-Anlage eines Schiffes (als Beispiel eines Fahrzeuges als
ferromagnetischer Störkörper) dargestellt. Dieses Spulensystem
besteht aus Spulen in den drei orthogonalen Achsen. Jede Spule
ist üblicherweise in drei - nicht mehr näher dargestellte - Teilspulen
aufgeteilt. Die eine Teilspule dient zur Kompensation eines
permanenten Störfeldanteils (und wird mit permanenten Strom
beschickt). Eine zweite Teilspule dient zur Kompensation eines
vom Erdfeld induzierten Störfeldanteils (und wird erdfeld- und
kursabhängig mit Strom beschickt).
Da als Folge der Bewegung des Schiffes im Erdfeld in metallischen
Teilen des Systems Wirbelfelder induziert werden, erfolgt deren
Kompensation mit einer dritten Teilspule.
Die magnetischen Schiffsfelder werden üblicherweise nach den
Schiffskoordinaten wie folgt bezeichnet:
Längsschiffkomponente = X-Komponente
Querschnittskomponente = Y-Komponente
Vertikale Komponente = Z-Komponente
Längsschiffkomponente = X-Komponente
Querschnittskomponente = Y-Komponente
Vertikale Komponente = Z-Komponente
Das X-Y-Z-Koordinatensystem wird als objektfest angenommen, d. h.
ist auf den Erzeuger des magnetischen Störfeldes - im Ausführungsbeispiel
das Schiff - ausgerichtet.
Die Spulen wiederum werden entsprechend ihren magnetischen Hauptrichtungswirkungen
bezeichnet. Die Spulen nach Fig. 1a, die parallel
zur Y-Z-Ebene liegen, sind in L-Spulen (L-MES-Wicklung),
deren magnetische Wirkungsachsen in der Schiffslängsrichtung (X)
liegen (L entspricht longitudinal).
Die Spulen nach Fig. 1b (nur eine ist dargestellt), die parallel
zur X-Y-Ebene liegen, sind die V-Spulen (V-MES-Wicklung) mit vertikalen
magnetischen Achsen (V entspricht vertikal). Die Spulen
nach Fig. 1c, die parallel zu oder in der X-Z-Ebene liegen, sind
die A-Spulen (A-MES-Wicklung) mit der magnetischen Wirkungsrichtung
in Y-Richtung (A entspricht athwort-ship).
Die Spulen werden mit Gleichströmen in unterschiedlichen Richtungen
beschickt. Die positiven Stromrichtungen resultieren dabei aus
den positiven Richtungen des in Fig. 1a dargestellten Koordinatensystems.
In der Ersteinstellung und bei Einstellungskontrollen (magnetische
Vermessung) werden die Ströme so eingestellt, daß für das magnetische
Eigenfeld des Schiffskörpers, das Störfeld, möglichst optimal
kompensiert wird. Im laufenden Betrieb (Fahrt) sorgt ein Regler
dafür, daß die eingestellten Stromwerte erhalten bleiben.
Die Erfindung wendet sich an die magnetische Vermessung des
Schiffes. Diese Vermessung erfolgt in üblicher Weise dadurch, daß
gemäß Fig. 2 das Schiff 1 in eine Vermessungsanlage mit einem
Meßteppich von Magnetfeld-Meßsonden 2 gebracht wird und die Spulenströme
so eingestellt werden, daß das Störfeld optimal kompensiert
wird. Das Ermitteln der optimalen Spulenströme in möglichst kurzer
Zeit ist, wie eingangs erläutert, das typische Problem der magnetischen
Vermessung. In Fig. 2 sind dabei die Meßsonden 2 in zwei
unterschiedlichen Meßebenen angeordnet, um eine Aussage in unterschiedlichen
Meßtiefen machen zu können. Die Meßsonden erfassen
dabei das magnetische Störfeld des Schiffes in Größe und Richtung.
An sich ist eine Vermessung der drei Komponenten des Schiffsstörfeldes
möglich und würde zahlreiche Vorteile mit sich bringen.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dies jedoch
nicht zwingend erforderlich. Es reicht, wie in Fig. 2 dargestellt,
die Vermessung einer Komponente aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren der magnetischen Vermessung bei
einer Ersteinstellung wird wie folgt durchgeführt:
Im ersten Schritt wird das zu kompensierende Störfeld des Schiffes
gemessen. Die Störfeld-Meßwerte werden abgespeichert.
Im zweiten Schritt werden nacheinander sämtliche Spulen der MES-
Anlage mit einem Strom definierter Größe und Richtung (Einheitsstrom)
beschickt und die magnetischen Störfelder der jeweils beschickten
Spule gemessen.
Aus diesem gemessenen Magnetfeld (Einheits-Meßwert) und den bekannten
geometrischen Abmessungen und Daten der erzeugenden Spule
(Lage und Wicklungszahl der Spulen sind bei der Konstruktion des
Schiffes festgelegt) wird der sogenannte "Wicklungseffekt" (auch
Wicklungskoeffizient genannt) wie folgt bestimmt:
Bezüglich jedes Spulenfeldes gelte für das ungestörte, d. h. von
ferromagnetischen Einbaueinflüssen freie Magnetfeld der k-ten-
Spule des Systems (Luftspule) in einem Meßpunkt n das Biot-Savartsche
Gesetz in der Form:
mit: Index k für die k-teSpule
Index n für den n-ten Aufpunkt Meßpunkt
Index n für den n-ten Aufpunkt Meßpunkt
AW k = Amperewindungszahl der k-ten Spule
= I k · W k (1.2)
= I k · W k (1.2)
W k = Windungszahl der k-ten Spule
I k = Strom (Ampere) in der k-ten Spule
I k = Strom (Ampere) in der k-ten Spule
Für die Komponenten des ungestörten Magnetfeldes der k-ten Spule
schreibt man nun zweckmäßigerweise (aus 1.1 und 1.2)
H i,k,n = I k · W k · F i,k,n (1.4)
mit Index i = 1, 2, 3 X-, Y-, Z-Richtung.
Beeinflussen ferromagnetische Einbauteile/-massen das Magnetfeld
der Spule, so nimmt man an, daß eine solche Störung eine proportionale
Änderung des ungestörten Magnetfeldes bewirkt.
Also gilt für das veränderte Magnetfeld S der k-ten Spule
S i,k,n = H i,k,n · P i,k (1.5)
Die proportionale Änderung P i,k des ungestörten Spulenfeldes wird
in der Magnetik als "Wicklungseffekt" bezeichnet. Dieser Begriff
umfaßt allerdings neben dem Einfluß ferromagnetischer Einbauteile
auch den von Fehlern in den Spulengeometrien. Der Einfluß von Fehlern
in der Spulengeometrie ist jedoch in aller Regel von überproportionaler,
also gravierender Natur; diese Fehler müssen daher
"korrigiert" werden. Der so bereinigte "Wicklungseffekt" wird dann
"Wicklungskoeffizient" genannt.
Das Magnetfeld eines Systems, aus mehreren, insges. Nsp Spulen,
ergibt sich durch ortsgerechtes Aufsummieren der Felder der einzelnen
Spulen in einem Aufpunkt n zu:
Auf der Basis dieser Vorbetrachtung erfolgt die Bestimmung der
Wicklungseffekte wie nachstehend:
Als Ausgangsgrößen sind folgende Werte vorhanden:
- a) N Meßwerte einer oder mehrerer (drei) Komponenten des Störflußdichtefeldes BK n,i (n = 1, . . N, i = 1, 2, 3) mit den zugehörigen Meßorten Xm n,i (n = 1, . . . N, i = 1, 2, 3), vorgegeben durch die Positionen der Meßsonden 2) gesondert für die einzelnen Spulen des Systems; dabei sei jede Spule einzeln mit dem vorgegebenen Einheitsstrom beschickt worden.
- Die Meßwerte Bk n,i sind den Berechnungswerten S i,k,n der Gleichung (1.5) zuzuordnen und naturgemäß mit einer Streuung σ i,n behaftet. Die dieser Streuung zugrunde liegenden Meßfehler seien normal um Null verteilt.
- b) Die geometrischen Kenndaten, Windungszahlen und Einheitsströme
der einzelnen Spulen. Die geometrischen Kenndaten können
mit Fehlern behaftet sein, von denen in aller Regel nur
sog. Lagekoordinatenfehler gravierend und daher korrekturwürdig
sind. Als "Lagekoordinate" wird in diesem Zusammenhang die
bei allen Eckpunkten einer Spule konstante Koordinate verstanden,
d. h. bei einer
V-Spule die Z-Koordinate, bei einer
L-Spule die X-Koordinate, und bei einer
A-Spule die Y-Koordinate.
Daher sind die gegebenen Werte der Lagekoordinaten der einzelnen
Spulen als eine - ggf. korrekturwürdige - Näherung zu verstehen.
Aus Formel (1.1) und (1.3) ist unmittelbar zu entnehmen, daß die
Koordinaten exponentiell in die Magnetfeldberechnung eingehen.
Der Algorithmus soll nun
- - die Lagekoordinate (nichtlineare Einflußgröße) und
- - die Proportionalitätsgröße P i,k (lineare Einflußgröße)
für jede einzelne Spule des Systems bestimmen und zwar so, daß die
Einheitsfeld-Meßwerte Bk n,i an den Meßorten Xm n,i möglichst gut
angenähert werden. Hierzu wird ein erweiterter Minimum-Fehlerquadratansatz
folgender Form verwendet:
Die Meßwertstreuung σ dient als Gewichtsgröße und bewirkt, daß
Meßwerte um so weniger berücksichtigt werden, je größer ihre Streuung
ist.
Um die Abhängigkeit des zu berechnenden, den Einheitsfeld-Meßwerten
anzunähernden Spulenmagnetfeldes von den gesuchten Größen zu
erfassen, schreibt man in Form eines Taylor-Ansatzes:
Darin sind die
J die Anzahl der gesuchten Unbekannten
Uo eine erste Näherung dieser Unbekannten und die
Δ U die "Verbesserung" dieser Unbekannten, die zum Minimum des mittleren Fehlerqudrats führen soll.
J die Anzahl der gesuchten Unbekannten
Uo eine erste Näherung dieser Unbekannten und die
Δ U die "Verbesserung" dieser Unbekannten, die zum Minimum des mittleren Fehlerqudrats führen soll.
Verbesserte Unbekannte ergeben sich damit zu:
U o+1 = U o + Δ U o (1.8)
wobei o der Schrittzähler einer Iteration ist.
Setzt man Formel (1.7) in den Fehlerquadratansatz (1.6) ein, so
ergibt sich
Das Fehlerquadratminimum wird erreicht, wenn die partiellen Ableitungen
nach den gesuchten Verbesserungen uj verschwinden,
also
Dies liefert
und
Δ U j = A j,l -1 · R l (1.12)
Die Koeffizienten der Matrix A und des Vektor R ergeben sich ohne
weiteres beim Übergang von Gleichung (1.10) auf (1.11).
Die Formel (1.11) gibt ein Gleichungssystem wieder, mit dem sich
zu einer vorzugebenden Näherung der gesuchten Größen U o (Wicklungskoeffizienten
und Spulenlage) Verbesserungen Δ U errechnen lassen.
Mit Formel (1.8) ergeben sich dann die verbesserten Größen U o+1,
welche ihrerseits zur Berechnung neuerVerbesserungen Δ U o+1
führen. Diese Iteration ist - unter Benutzung konvergenzsichernder
Verfahren - so oft zu wiederholen, bis sich ein Minimum des
mittleren Fehlerqudrats eingestellt hat oder bis sich zwei aufeinanderfolgende
Näherungen nicht mehr wesentlich voneinander unterscheiden.
Das Ergebnis besteht dann in einer korrigierten Spulenlagekoordinate
und in den Wicklungskoeffizienten Pi für die jeweils
untersuchte Spule.
Im nächsten, d. h. dritten Verfahrensschritt sind nunmehr die
Kompensationsströme zu bestimmen, d. h. es geht um die Aufgabe
der Bestimmung der Ströme I k in den einzelnen Spulen eines MES-
Spulensystems so, daß das im Zustand "ungeschütztes Fahrzeug" gemessene
magnetische Störfeld möglichst gut aufgehoben wird.
Als Ausgangsgrößen sind folgende Werte gegeben:
- a) aus den zweiten Verfahrensschritt die (korrigierten) Spulengeometriedaten Windungszahlen und die Wicklungseffekte P i · k aller Nsp Spulen eines Systems und
- b) N-Störfeld-Meßwerte der drei oder mindestens einer Komponente des zu kompensierenden magnetischen Störfeldes B n,i (n = 1, . . .N, i = 1, 2, 3) mit den zugehörigen Meßorten Xm n,i (n = 1, . . .N, i = 1, 2, 3).
Die Meßwerte seien auch jetzt mit einer Streuung σ n,i behaftet;
die zugrunde liegende Meßfehlerverteilung sei normal mit dem
Mittelwert n.
Die gesuchten Kompensationsströme in den Spulen sollen ein Magentfeld
erzeugen, welches das gemessene Störfeld an den Orten Xm im
Sinne des kleinsten Fehlerquadrats annähert bzw. aufhebt. Wie im
zweiten Verfahrensschritt wird wieder angesetzt:
RS n,i repräsentiert das von allen Spulen des Systems in den N
Meßpunkten erzeugte Magnetfeld; setzt man den Formelausdruck (1.6)
ein, so wird das mittlere Fehlerquadrat:
Die Ströme I k sind offensichtlich eine lineare Einflußgröße; das
Minimum des mittleren Fehlerquadrats stellt sich also ohne Iteration
für
ein.
Das entsprechende Differenzieren führt auf folgendes Gleichungssystem:
mit
und
Die Bestimmungsgleichung für die Ströme I k lautet:
I k = L k,l -1 · T l (2.7)
Damit sind Ströme ermittelt, die das gemessene Störfeld B n,i
in den Orten Xm n,i im Sinne des minimalen Fehlerquadrates annähern;
eine Kompensation des gemessenen Störfeldes stellt sich durch einen
Vorzeichnungswechsel ein, also für die Kompensation
Ik k = L k,l -1 · (-T l ) (2.8)
Im Gegensatz zu der eingangs erläuterten bekannten Lösung mit einem
direkten mathematischen Modellansatz zwischen gemessenem Fahrzeugstörfeld
und den Kompensationsströmen erfolgt bei dem Verfahren
nach der Erfindung eine Bestimmung der "Wicklungseffekte",
d. h. eines die Schiffsrealitäten berücksichtigenden Wertes, der
von den Materialeigenschaften der real zu durchdringenden Außenwand
und der realen Einbauteile abhängig ist sowie die Gewinnung
einer Korrektur zu ungenauen Spulengeometriedaten.
Der Wicklungseffekt beschreibt letztlich den Unterschied zwischen
einer realen, im Schiff befindlichen Spule, dessen Feld durch die
ferromagnetischen Massen von Einbauteilen und der Außenhaut verändert
ist und einem entsprechend ungestörten Spulenfeld (Luftspule).
Durch das Einbeziehen dieses Wicklungseffektes ist die durch das
erfindungsgemäße Verfahren erreichbare Kompensation besser an die
Realität angepaßt (die in einem mathematischen Modell so umfassend
nicht darstellbar ist), d. h. sie ist dadurch wesentlich genauer,
zumal auch Spulenfelder mit erfaßt bzw. korrigiert werden, die in
dem Fall eines mathematischen Modells ebenfalls nicht berücksichtigt
werden können.
Aus dem gemessenen Störfeld des Schiffes werden mit Hilfe der
Wicklungseffekte Kompensationsströme ermittelt. Das superpositionierte
Feld der einzelnen MES-Spulen ergibt nach ein oder mehreren
Optimierungsschritten (rechnerische Optimierung) das gemessene
Störfeld mit umgekehrten Vorzeichen. Damit sind die einzelnen
Korrektur-MES-Ströme ermittelt, die vorzeichengerecht auf
den bisher eingestellten MES-Strömen aufaddiert werden müssen.
Die gegenseitige Beeinflussung der Spulenfelder ist durch die
Vermessung der Spulenfelder mit einem Meßteppich hinreichend
bekannt und kann entsprechend berücksichtigt werden; so ist der
Gefahr einer Überkompensation begegnet.
Vorstehende Schritte können manuell oder mit Hilfe von entsprechenden
Einrichtungen selbsttätig aber auch kombiniert manuell/
selbsttätig ausgeführt werden. Derartige Einrichtungen zur Aufschaltung
und Messung von Wicklungsströmen, Erfassen von Magnetfeldern,
Bearbeiten von Algorithmen und dergleichen stehen dem
Fachmann in ausreichender Auswahl zur Verfügung und können zu
geeigneten Signalverarbeitungs-Einrichtungen in der Vermessungsanlage
als Station zusammengefaßt werden.
Erbringt das erfindungsgemäße Verfahren bereits bei der Ersteinstellung
erhebliche Vorteile, so zeigen sich die Vorteile
auch besonders deutlich bei der Einstellkontrolle bei den üblichen
nachfolgenden Routinevermessungen.
Bei der Erstvermessung werden dazu wesentliche Daten in einer
Datenbank gespeichert, z. B. die die Kompensation bewirkenden
Wicklungsströme nach Größe und Richtung (Schaltzustand der
Spulen), die (korrigierten) Spulendaten, die Wicklungseffekte.
Erforderlich ist ebenfalls, den Induziertanteil des Schiffes
(nach horizontalen und vertikalen Komponenten getrennt) genau
zu ermitteln, und diese Information ebenfalls in der Datenbank
abzuspeichern. Die Induziertfelder haben nicht nur Informationswert,
sondern können auch zur Fehlerermittlung herangezogen werden.
Die Übertragungsfunktionen für die Kompensation der horizontalen
und vertikalen Induziertfelder stehen, einmal für ein
Schiff ermittelt, fest und sind nur noch abhängig von den Störgrößen
"Kurs" und "Einsatzgebiet". Das Ausregeln der Kursabhängigkeit
ist Aufgabe der MES-Regelanlage. Sollte das Einsatzgebiet
sich ändern, sind die Einspeisungen des MES zur Kompensation
der Induziertanteile leicht zu ermitteln. Sollten an einem Schiff
umfangreiche Umbauten stattgefunden haben, ist die Induziertfeldermittlung
neu vorzunehmen.
Die Fig. 3 zeigt einen derartigen Datenflußplan "Datenbank-
Ermittlung" für eine Schiffsdatenbank 3. Dieser Datenflußplan enthält
neben den eigentlichen technischen Werten auch die notwendigen
Nebendaten, Schritte für die Datenprüfung und Datenverwaltung.
Steht die Vermessung eines Schiffes 1 im Rahmen der Einstellkontrolle
an, so werden, wie in Fig. 4 dargestellt, vor der Vermessung
des Schiffes 1 die Schaltzustände und Spulenströme der
MES-Anlage an die Meßstelle 4 übermittelt und mit den in der
Datenbank 3 abgespeicherten, bis dahin aktuellen Werten verglichen.
Der zugehörige Datenflußplan "MES-Einstellung" ist in Fig. 5
dargestellt, wobei Meßwertübertragungspositionen durch Blitzsymbole
gekennzeichnet sind.
Werden Abweichungen festgestellt, so ist auf jeden Fall zu ergründen,
wie diese entstanden sind und aus welchem Grund.
Anschließend wird das Schiff mit eingeschalteter MES-Anlage vermessen
und es erfolgt ggf. mit Hilfe der Informationen aus der
Datenbank eine Neuberechnung bzw. Neueinstellung der MES-Kompensationsströme
entsprechend den im dritten Verfahrensschritt der
Ersteinstellung beschriebenen Verfahren mit einer nachfolgenden
Kontrollmessung, ob die gewünschte Minimierung erreicht wurde,
eine Aktualisierung der Schiffsdatenbank.
Es ist eine automatische oder manuelle Übertragung der Schaltzustände
und der aktuellen Wicklungsströme vom Schiff 1 zur Informationsverarbeitungsanlage
in der Station 4 möglich. Die magnetische
Vermessung und Erfassung der Daten kann in einer stationären
Anlage oder im Überlaufverfahren in einer land- oder schiffsgestützten
Sondenstreckenanlage, mit Wegstreckenermittlung erfolgen.
Bei einer manuell zu schaltenden MES-Anlage erfolgt zweckmäßig die
Übergabe der Einstelldaten mit Hilfe eines Displays.
Bei automatischer Einstellung erfolgt die Übergabe der Einstelldaten
zweckmäßig an den Automatikschaltschrank im Schiff oder an
den MES-Bordrechner.
Durch die Ermittlung der MES-Ströme zur Einstellung der MES-Anlage
mit Hilfe eines Informationsverarbeitungssystems, gestützt auf eine
Datenbank der Wicklungseffekte, kann daher eine optimale, reproduzierbare
MES-Einstellung in kürzester Zeit erreicht werden.
Die Zahl der Messungen kann auf eine Auskunfts- und eine Entlassungsmessung
beschränkt werden.
Es ist mit Vorteil eine schnelle, exakte und reproduzierbare
Einstellung der MES-Anlagen auch an Meßstellen, die keinen Meßteppich
besitzen, möglich bzw. das Verfahren erlaubt eine MES-
Einstellung mit einer mobilen Meßanlage, d. h. von einem Vermessungsschiff
aus mit einer Wegstreckenbestimmung für das zu vermessende
Objekt.
- Bezugszeichenliste:
1 Schiff
2 Meßebene
3 Datenbank
4 Meßstelle
Claims (7)
1. Verfahren zur Ersteinstellung einer magnetischen Eigenschutz
(MES)-Anlage mit einem großräumigen, dreiachsigen Spulensystem
bestehend aus stromdurchflossenen Spulen in drei orthogonalen
Achsen zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines
Fahrzeuges, bei dem im 1. Schritt in einer stationären Meßanlage
bei abgeschalteter MES-Anlage das zu kompensierende
Störfeld in mindestens einer Koordinatenrichtung in zwei Meßtiefen
gemessen wird und die Spulenströme (Kompensationsströme)
nach Größe und Richtung selbsttätig so bestimmt werden, daß
das Störfeld minimiert wird, dadurch gekennzeichnet daß
in einem 2. Schritt nacheinander jede Spule mit einem Einheitsstrom
in einer vorgegebenen Richtung beaufschlagt und jeweils
mindestens eine Komponente des sich dabei einstellenden Einheits-
Magnetfeldes an vorgegebenen Orten gemessen wird,
sowie daß unter Verwendung der vorgegebenen Meßwerte für den
Einheitsstrom, des Einheits-Magnetfeldes und der Spulendaten,
der "Wicklungseffekt" jeder Spule, d. h. der den Unterschied
zwischen einer realen im Fahrzeug befindlichen Spule, deren
Feld durch ferromagnetische Massen von Einbauteilen und Außenhaut
verändert ist und einem entsprechenden ungestörten Spulenfeld
(Luftspule) beschreibt - unter Korrektur von Lagekoordinatenfehlern
in den Spulendaten - durch spuleniterative
Annäherung des Rechenwertes des Einheits-Magnetfeldes an die
entsprechenden Meßwerte mittels eines 1. Algorithmus bestimmt
wird,
daß in einem 3. Schritt unter Verwendung der Werte für das im 1. Schritt gemessene Fahrzeug-Störfeld und der im 2. Schritt gewonnenen Werte für die Wicklungseffekte und der korrigierten Spulendaten die optimalen Kompensationsströme durch stromiterative Annäherung des Spulensystemfeldes an das gemessene Störfeld mittels eines 2. Algorithmus ermittelt werden.
daß in einem 3. Schritt unter Verwendung der Werte für das im 1. Schritt gemessene Fahrzeug-Störfeld und der im 2. Schritt gewonnenen Werte für die Wicklungseffekte und der korrigierten Spulendaten die optimalen Kompensationsströme durch stromiterative Annäherung des Spulensystemfeldes an das gemessene Störfeld mittels eines 2. Algorithmus ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der
Wicklungseffekt jeder Spule und die Spulendaten sowie die
optimalen Kompensationsströme nach Größe und Richtung
(Schaltzustand der Spulen) in einer fahrzeugtypischen Datenbank
gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zusätzlich
die Größen des Permanent-, der Induziert- und des Wirbelfeldanteils
des magnet. Störfeldes getrennt gespeichert werden.
4. Verfahren zur Einstellungskontrolle einer magnetischen Eigenschutz(MES)-
Anlage mit einem großräumigen, dreiachsigen Spulensystem,
bestehend aus strombeschickten Spulen in drei orthogonalen
Achsen zur Kompensation des magnetischen Störfeldes
eines Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet daß in einer Datenbank
gespeicherte Werte über Spulendaten und die optimalen
Kompensationsströme der Ersteinstellung mit den aktuellen
Werten der MES-Anlage verglichen werden, anschließend mit eingeschalteter
MES-Anlage eine Störfeldmessung erfolgt und ggf.
aufgrund von in der Datenbank gespeicherten Werten über die
Wicklungseffekte der Spulen und korrigierter Spulendaten neue
optimale Kompensationsströme durch stromiterative Annäherung
des Rechenwertes des Störfeldes an das gemessene Störfeld
mittels eines Algorithmuses ermittelt werden und daß daneben
im Rahmen einer Kontrollmessung festgestellt wird, ob die gewünschte
Minimierung des Störfeldes erreicht ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die
Einstellkontrolle auf stationären sowie auf Überlaufmeßstrecken,
bei letzteren jedoch mit gleichzeitiger Ermittlung
der Meßpunktkoordinaten bei der Überlaufmessung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß
die Einstelldaten für die MES-Anlage im on-line-Verfahren an
entsprechende Signalverarbeitungseinrichtungen des Fahrzeuges
(MES-Automatikschrank; MES-Bordrechner) übergeben werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß
die Einstelldaten für die MES-Anlage mittels eines Bildschirmes
der Bedienungsperson der MES-Anlage übermittelt werden.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863614527 DE3614527A1 (de) | 1986-04-29 | 1986-04-29 | Verfahren zur einstellung einer magnetischen eigenschutz (mes) - anlage zur kompensation des magnetischen stoerfeldes eines fahrzeuges, insbesondere schiffes |
EP19870106093 EP0247367B1 (de) | 1986-04-29 | 1987-04-27 | Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz (MES)-Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges, insbesondere Schiffes |
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Also Published As
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EP0247367B1 (de) | 1991-02-27 |
NO871767D0 (no) | 1987-04-28 |
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NO871767L (no) | 1987-10-30 |
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