[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
[0002] Aus der DE-PS 977 727 ist eine Einrichtung zur Steuerung von magnetischen Eigenschutzanlagen
(MES) gegen die Wirkung des induzierten Anteiles des magnetischen Momentes von Schiffen
bekannt. Hierfür sind drei außerhalb des magnetischen Störbereiches des Schiffes,
vorzugsweise an einer unmagnetischen Mastspitzeangeordnete Feldmeßsonden vorgesehen,
die über ein Feldmeßgerät die Erregung von Leistungsverstärkern steuern, die ihrerseits
Ströme für die Kompensationswicklungen der Anlage liefern. Die drei Feldmeßsonden
sollen einzeln oder vorzugsweise gemeinsam drehbar angeordnet und die Feldmeßgeräte
und Leistungsverstärker mit besonderen Einrichtungen zur Gegenkopplung und damit zur
ununterbrochenen Selbstüberwachung der ganzen Anlage ausgerüstet sein.
[0003] Aus der DE-PS 977 846 geht hervor, daß zur Steuerung der MES-Wicklungen die in den
dazugehörigen Sondenpaaren auftretenden, vom Schiff herrührenden geometrischen Störfeldgradienten
benutzt werden. Mit diesem Verfahren soll eine automatische Selbstkompensation nach
Art eines geschlossenen Regelkreises möglich sein.
[0004] Schließlich ist es aus der DE-PS 977 881 auch bekannt, einzelne Störkörper innerhalb
eines Fahrzeuges durch die Anbringung von sogenannten Antidipolen in der Nähe des
magnetischen Schwerpunktes des Störkörpers in ihrer Wirkung nach außen zu kompensieren.
Diese nur beispielsweise genannten MES-Anlagen leiden unter dem wesentlichen Mangel,
daß mit ihnen Änderungen des magnetischen Zustandes eines Objektes nicht ausreichend
genau erfaßt werden könne, wobei folgende Änderungen genannt werden sollen:
1.) Änderungen des permanenten magnetischen Zustandes durch Alterung, Erschütterungen,
Anbringen und Entfernen von magnetischen Teilen oder Geräten, Auswechseln von Maschinen,
Waffen, Übernahme und Verschießen von magnetischer Munition, Torpedos, Übernahme von
in Blechdosen verpacktem Proviant bzw. Beseitigen der leeren Blechdosen.
2.) Änderung der Tauchtiefe von ferromagnetischen U-Booten.
3.) Rückkopplungseffekte auf die Schlingereffekte (Wirbelstromerzeugung durch Schlingern)
werden nicht direkt gemessen und dementsprechend nicht exakt kompensiert. Hierzu werden
schwierig zu ermittelnde Erfahrungswerte benötigt. Die Wirbelstromeffekte durch Stampf-
und Rollbewegungen des Objektes bleiben unberücksichtigt.
4.) Die Kompensation steht nicht im direkten Zusammenhang mit dem gemessenen Eigenfeld
des zu kompensierenden Objektes. Es muß jeweils vorausgesetzt werden, daß sie richtig
eingestellt wird und später keine Änderung erfährt.
5.) Kompensation von Feldern elektrischer Fahranlagen bleibt unberücksichtigt.
6.) Eine Selbstvermessung bzw. Kontrolle des Eigenfeldes ist nicht möglich.
[0005] Mit einer Gradienten-Magnetsonde, die normalerweise aus zwei in Basisabstand voneinander
antiparallel angebrachten Magnetsensoren besteht, kann aus der Polung des Meßeffektes
auf die Richtung der magnetischen Feldstärke eines inhomogenen magnetischen Feldes,
z. B. des Eigenfeldes eines Schiffes, geschlossen werden, wenn bekannt ist, nach welcher
Seite der Sonde die Absolutbeträge der magnetischen Feldstärke abnehmen bzw. zunehmen.
[0006] Wird die vorstehend genannte Voraussetzung eingehalten, so kann nach Figur 1 eine
Gradienten-Sonde zum Kompensieren des magnetischen Eigenfeldes 1 eines Objektes 2
herangezogen werden. In diesem Beispiel wird die Anordnung einer Gradienten-Magnetometer-Sonde
3 gezeigt. Hier befindet sich die Sonde vom zu kompensierenden Objekt 2 entfernt.
Sie ist etwa in radialer Richtung zum Objekt 2 angebracht. Dieses "entfernt sein"
vom magnetischen Schwerpunkt erfüllt bereits die obengenannte Bedingung aufgrund des
Abstandsgesetzes für das magnetische Feld des Objektes.
[0007] Eine Umpolung des Streufeldes ergibt eine eindeutige Umpolung des Sondeneffektes
am Ausschlag des Magnetomeier-Anzeigeinstrumentes 4, wie in Figur 2 gezeigt ist, dann
auch, wenn die Sonde nur Komponenten des Objekt-Eigenfeldes zu erfassen vermag.
[0008] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem
magnetische Veränderungen an Ort und Stelle erfaßt und die entsprechenden Kompensationsmittel
unmittelbar beeinflußt werden können unter Verwendung einer wesentlich genaueren Feldsonde.
[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die im Kennzeichen des Hauptanspruches
angegebenen Merkmale verwendet. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
[0010] Zunächst soll auf eine Schwierigkeit hingewiesen werden, die bei der Anwendung von
Gradienten-Sonden bisheriger Ausführung vorhanden ist.
[0011] Wird eine Sonde in der Nähe eines zu kompensierenden Objektes angebracht, so sind
infolge der magnetischen Abstandsgrenze die Gradienten hier besonders groß, was bedeutet,
daß die Genauigkeitsforderungen nicht sehr groß sein müssen. Jedoch ist in diesem
Falle der Einfluß von magnetischen Inhomogenitäten des Objektes besonders störend,
z. B. bei Schiffen die Aufbauten, Spanten, Geräte usf.
[0012] Je größer aber der Abstand der Sonde vom Objekt wird, um so ähnlicher wird das an
der Oberseite gemessene magnetische Eigenfeld dem an der Unterseite. Die Vergrößerung
des Abstandes der Sonde vom Objekt hat jedoch eine erhebliche Verminderung des Meßeffektes
zur Folge. Es müssen aber Forderungen an die Meßgenauigkeit von Gradienten-Magnetometern,
z. B. zur Vermessung des magnetischen Eigenfeldes von Schiffen, gestellt werden, die
zur Zeit nicht zu erfüllen sind. Der Grund für diese relativ geringe Genauigkeit liegt
darin, daß es nicht gelingt, die beiden Sensoren einer Sonde exakt antiparallel auszurichten.
[0013] Normalerweise ist es nicht bekannt, in welcher Richtung und um welchen Betrag die
beiden Sensoren der Sonde schief stehen, und somit ist es nicht möglich, den Meßeffekt
von der Störgröße zu unterscheiden. Insbesondere wirken Wärmedehnungen, mechanische
Beanspruchung und Alter des Materials dejustierend.
[0014] Wird eine Sonde in einem homogenen Erdfeld bewegt, so dürfte sich theoret isch kein
Meßeffekt ergeben. Je nach räumlicher Lage der Sonde zum Erdfeld und je nach Bewegungsart
treten aber Störeffekte auf, die die Lösung wichtiger Meβprobleme unmöglich machen.
Sie sind oft größer als der Meßeffekt.
[0015] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt und zwar
zeigen die Figuren 1 und 2 die Anordnung einer Gradienten-Magnetometersonde im magnetischen
Erdfeld, die Figuren 3 und 4 die Kopplung der Sonde mit der Kompensationswicklung,
Figur 5 eine drehbare Magnetometer-Sonde, Figur 6 eine Möglichkeit der Verminderung
der Anzahl der Sonden, und die Figuren 7 bis 9 weitere Beispiele zur Verminderung
der Sondenzahl.
[0016] In Figur 3 werden erfindungsgemäß Sonde und Kompensationswicklung so miteinander
gekoppelt, daß der am Ausgang eines Gradienten-Magnetometers 5 anstehende Meßeffekt
der Sonde 3 über ein Integrationsglied 6, beispielsweise ein elektronisches Integrationsglied,
einen Integrationsverstärker oder einen Rechner aufintegriert wird. Das Ausgangssignal
des Integrationsgliedes wird dann als elektrische Spannung einem Leistungsglied 7
zugeführt. Hierfür kann ein Gleichspannungsleistungsverstärker verwendet werden. Es
ist aber auch möglich, das Signal indirekt der Erregerwicklung eines Gleichstromgenerators
zuzuführen bzw. es zur Ansteuerung von Thyristoren zu verwenden. Das Leistungsglied
7 liefert den Strom für eine Kompensationswicklung 8 (MES-Wicklung), mit der die Magnetometer-Elektronik
5 bis 7 in der Weise fest verschaltet ist, daß das erzeugte Magnetfeld, bzw. eine
Komponente hiervon, dem gemessenen Feld entgegengerichtet ist.
[0017] Eine derartige Kombination kann zur Kompensation eines Objektes 2 und/oder von Teilen
eines Objektes überall dort angebracht werden, wo die Kompensation einer bestimmten
Streufeldkomponente für erforderlich angesehen wird. Im Beispiel nach Figur 4 sind
die Komponenten 9, 10 und 11 für die X-, Y- und Z-Richtung vorgesehen.
[0018] Die Sonde zur Durchführung des Verfahrens wird in der Weise verbessert, daß sie gemäß
Figur 5 um ihre Längsachse drehbar gelagert wird. Hierfür sind zwei amagnetische Kugellager
13 und 14 und ein hydraulischer, pneumatischer oder elektrischer Motor vorzugsweise
ein Synchronmotor vorgesehen. Die Sonde kann aber auch von Hand, mit Windkraft oder
mittels der Fahrtströmung in Umdrehung versetzt werden. Wegen der unvermeidlichen
Dejustierung der beiden antiparallelen Sensoren 15 und 16, die in der Figur übertrieben
schief dargestellt sind, erzeugen beide Sensoren für sich einen mehr oder weniger
großen Wechseleffekt. Üblicherweise sind die beiden Störeffekte unterschiedlich groß
und gegeneinander phasenverschoben. Beide Wechseleffekte subtrahieren sich nach der
üblichen Schaltung von Gradienten-Magnetometern. Hierdurch entsteht ein Wechseleffekt
in der Form einer Wechselspannung, der sich dem eigentlichen Meßeffekt überlagert.
Dieser störende, symmetrische Wechseleffekt wird nun durch Dämpfungsglieder oder Filter
zum Verschwinden gebracht. Somit steht der reine Meßeffekt zur Verfügung. Erleichtert
wird das Beseitigen des störenden Wechselfeldeffektes dadurch, daß seine Frequenz
der Drehzahl der Sonde genau entspricht. Daher ist die Drehzahl so zu wählen, daß
sie von der Frequenz der Meßeffekte möglichst verschieden ist. Hierzu kann eine Drehzahl-Verstellvorrichtung
dienen.
[0019] Bei einem schnellen Wechsel des Gradienten, z. B. bei Wechselfeldern, die das Objekt
erzeugt, empfiehlt es sich, die infolge Schiefstellung der Sensoren 15 und 16 auftretende
Störfrequenz durch Zählstufen auszuschalten.
[0020] Zur Weiterleitung der Meßsignale von der sich drehenden Sonde können Schleifringe
17 (Quecksilberschleifringe), induktive oder kapazitive Übertrager bzw.
[0021] Funksender benutzt werden. Es empfiehlt sich in diesem Fall, die gesamte Elektronik
18 des Magnetometers oder Teile davon, z. B. miniaturisierter Form gemeinsam mit der
Sonde umlaufen zu lassen.
[0022] Es ist aber auch denkbar, die Sondendrehschwingungen, bevorzugt harmonische um Winkel
von 360 oder auch um kleinere Winkel ausführen zu lassen. Drehschwingungen haben den
Vorteil, daß die Sensoren mittels Kabel mit den nachgeschalteten Gliedern verbunden
werden können.
[0023] Weiterhin kann die Anzahl der zur Kompensation eines Objektes erforderlichen Sonden
vermindert werden. Anstatt drei Sonden zu verwenden, je eine für die V-, L- und H-Wicklung
entsprechend der-Z-, X- und Y-Richtung, ist eine einzige Sonde 19 gemäß Fig. 6 ausreichend,
wenn diese windschief zu den Spulenrichtungen X, Y und Z angeordnet wird. Diese Sonde
kann eine feste oder rotierende Sonde sein. Kommt einer Komponente des zu entmagnetisierenden
Objektes eine besondere Bedeutung zu; so ist die Winkellage der Sonde dieser Richtung
mehr anzunähern, als einer anderen weniger wichtigen. Der sich auf diese Weise ergebende
eßeffekt enthält die Meßeffekte der X-, Y- und Z-Komponenten als eine Größe.
[0024] Eine Aufgliederung zur Steuerung der Wicklungen kann in folgender Weise vorgenommen
werden:
Nacheinander werden alle vorhandenen Wicklungen an den Sensor angekoppelt. Es wird
ein Strom auf die erste Kompensationswicklung geschaltet und mittels einer Logikschaltung
die Stromrichtung sofort umgeschaltet, falls der Meßeffekt hierdurch ansteigt. Fällt
der Meßeffekt dagegen ab, so läßt man den Strom in dieser Richtung für kurze Zeit
weiterfließen. Danach wird mit den übrigen Wicklungen entsprechend verfahren und der
ganze Vorgang wiederholt, bis der Meßeffekt an der Sonde Null wird. Die jeweiligen
Stromgrößen können dabei laufend abnehmend vorgesehen oder die Stromflußzeiten verkürzt
werden.
[0025] Eine andere Möglichkeit, den Gradienten-Meßeffekt zu Null zu machen und damit das
Eigenfeld des zu kompensierenden Objektes, besteht darin, die Steuerung der Stromrichtung
für die Kompensationswicklungen besonderen Feldsonden zu übertragen, die die Richtung
des Eigenfeldes des Objektes erfassen. Wenn z. B. eine V-, L- und H-Wicklung vorgesehen
sind, ist ein Sondentripel für die X-, Y- und Z-Richtung zu verwenden.
[0026] Eine weitere Möglichkeit ist für die rotierende Sonde darin zu sehen, einen Sensor
bewußt von einer Ideallage abweichend in einer bestimmten Richtung zu drehen, und
zwar bevorzugt um einen Winkel, der außerhalb der Winkeltoleranz der Sensoren liegt.
Da somit die Richtung der Schiefstellung des Sensors bekannt ist, kann aus dem sich
hieraus ergebenden Meßeffekt dieses Sensors auf die Feldrichtung am Ort des Sensors
geschlossen werden. Der größte Meßeffekt tritt bei der Drehstellung der Sonde auf,
bei der die Meßrichtung des Sensors und die Feldrichtung sich am nächsten kommen.
Es können aber auch beide Sensoren in der beschriebenen Weise schief gestellt werden.
[0027] Es ist bekannt und vorteilhaft, einige oder alle Sonden an einem Ort, z. B. im Mast
eines Schiffes, anzubringen, wie Figur 7 zeigt. In diesem Beispiel mißt die Sonde
20 den Gradienten der X-Komponente, die Sonde 21 den der Y-Komponente und die Sonde
22 den der Z-Komponente. Die Sondenbasis erhält dann genau oder auch nur ungefähr
eine radiale Richtung (Gradienten-Richtung) zum Objekt. Für diesen Fall der Anwendung
ist es aber notwendig, die Sensoren in den Sonden in anderer Weise anzuordnen.. Sie
sind zwar stets antiparallel anzubringen, jedoch erhalten die Sensoren die Richtung
der entsprechenden zu vermessenden Feldrichtung. Alle Sensoren können auch in einer
Sonde zusammengefaßt werden (Figur 8), oder jeweils ein Sensor übernimmt, schiefgestellt,
die Funktion von mehr als einem Sensor (Figur 9), analog dem in Figur 6 beschriebenen
Beispiel. Die Sonden sollen in bekannter Weise möglichst dort aufgestellt werden,
wo Sonden-Null mit dem Eigenfeld-Null des Objektes übereinstimmen. In diesem Fall
erfordert das Kompensationsprinzip nach der Erfindung lediglich, daß der von der Sonde
gemessene Gradienten-Effekt und der von der Kompensationswicklung hervorgerufene Kompensationseffekt
gemeinsam gegen Null gehen. Eine lineare Beziehung oder eine andere festgelegte Beziehung
braucht nicht erfüllt zu sein.
[0028] Falls sich jedoch für die Aufstellung der Sonde kein Ort finden läßt, für den diese
Bedingung erfüllt ist, ist eine Verstellvorrichtung vorzusehen. Hiermit wird dem Sondenmeßeffekt
ein einstellbarer konstanter oder feldabhängiger Effekt überlagert, der die Nulldifferenz
ausgleicht.
[0029] Die Verstärkung zwischen Meßeffekt und Kompensationsstrom ist ebenfalls verstellbar
auszuführen. Hiermit können unvermeidliche, störende Induktionseffekte in der Nähe
der Sonde ausgeglichen werden. Es kann aber auch eine besondere Hilfs-Kompensationswicklung
für die induktiv wirkende Störstelle, die die Sonde beeinflußt, angebracht werden.
Ihre Beaufschlagung ist durch eine magnetische Vermessung zu ermitteln und einzustellen.
[0030] Das Gradienten-Magnetometer kann weiterhin. mit einer Signalanzeige versehen werden,
um extreme Beaufschlagungen bzw. Störungen erkennbar zu machen. Hierzu kann ein Meßinstrument
oder eine optische bzw. akustische Anzeigeeinrichtung dienen. Insbesondere ist diese
erforderlich, wenn ein nicht mehr kompensierbarer Effekt auftritt.
[0031] In vorteilhafter Weise sind der Sensor und die Elektronik nach dem Baukastenprinzip
zu fertigen.
[0032] Die beschriebene Kompensation über das Gradienten-Meßverfahren ist prädestiniert
zum Schutz von Schiffen vor Gradienten-Minen. Sie ist aber auch verwendbar für Geräte,
Motoren, Landfahrzeuge, gepanzerte Fahrzeuge sowie zum Steuern der Kompensierung von
störfeldfreien Plätzen und Räumen bzw. für Meßzwecke.
[0033] Die rotierende Sonde erlaubt es, auf die bei der Herstellung der zur Zeit üblichen
Gradienten-Sonden erforderliche Präzision zu verzichten. Außer den langgestreckten
Sensoren ist für die rotierende Sonde auch zum Beispiel ein Hall-Sensor verwendbar.
[0034] Die Rotationssonde ist zur Selbstvermessung geeignet, insbesondere kann sie beispielsweise
hinter einem Schiff hergeschleppt bzw. unter dem Schiff längs oder quer hindurchgezogen
werden oder freihängend oder verspannt angebracht oder von einem Beiboot ausgeführt
werden. Beim Schleppen durch das Wasser kommt der Messung zusätzlich die Kreiselwirkung
der rotierenden Sonde zugute, die bewußt zu verstärken ist. Der Antrieb kann durch
den Fahrstrom über Flügelräder erfolgen. In besonders vorteilhafterweise kann die
Gradienten-Sonde im Sonardom unter einem Schiff angebracht werden.
[0035] Für eine Kompensation nach der Erfindung ist es prinzipiell ohne Bedeutung, ob das
Eigenfeld des Objektes durch permanenten, induktiven oder magnetostriktiven Magnetismus
entsteht. Die Kompensation ist auch unabhängig vom Kurs sowie von Längen- und Breitengrad.
Sie ist sowohl für Schlinger-Effekte wie auch für Stampf- und Roll-Effekte verwendbar.
Die Kompensation von Wechselfeldern ist ebenfalls möglich. Jegliche Eigenfeldänderung
kann selbstständig kompensiert werden. Die Rotationssonde kann auch zum Auffinden
von magnetischen Objekten, von Schiffen, U-Booten usw. benutzt werden. Hierzu kann
sie von Schiffen, Flugzeugen oder Landfahrzeugen aus eingesetzt werden.
1. Verfahren zur Kompensation von magnetischen Störfeldern von Objekten, vorzugsweise
von Schiffen, mittels störfeldgeregelter magnetischer Eigenschutzanlagen, wobei die
in den Wicklungen der Anlage fließenden Ströme durch Differenzfeldsonden gesteuert
werden, dadurch gekennzeichnet, daß Regelkreise aus den Kompensationswicklungen mit
zugehörigen Differenzfeldsonden, Integrations- und Leistungsgliedern gebildet werden
und zur Kompensation einzelner Störfelder parallel zueinander und parallel zur übergeordneten
Kompensationsanlage des Objektes verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfeldsonden
an Orten angebracht werden, an denen die Differenzfeldstärken dann stets Null sind,
wenn die mit Hilfe von Sonden (Sondenreihen oder Sondenteppichen) ermittelten Störfelder
mittels der Kompensationswicklungen auf optimale Kompensation iStörfeldminimumi eingestellt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein lokaler,
auf die Differenzfeldsonden einwirkender und mittels der MES-Wicklungen nicht kompensierbarer
Störfelder dem Sondenaeßeffekt konstante oder magnetfeldabhängige Effekte überlagert
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Störfelder in der Nähe der
Differenzfeldsonden durch besondere Hilfswicklungen kompensiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfeldsonden
entfernt vom Objekt angebracht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden und/ oder die
Elektronik nach dem Baukastenprinzip erstellt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden im Sonardom eines
Schiffes untergebracht werden.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren
auf Wasser- und Landfahrzeuge sowie auf Plätzen und in Räumen angewendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Differenzfeldsonden
eine Signaleinrichtung kombiniert ist, mit der ein Überschreiten von zulässigen Werten
oder eine Störung angezeigt wird.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Differenzfeldsonde,
die zwei Sensoren aufweist, deren Meßrichtungen parallel zur Basis liegen, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sonde um ihre Längsachse drehbar angeordnet ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehantrieb für
die Sonde ein hydraulischer- pneumatischer oder elektrischer Motor dient.
12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine manuelle Drehung
der Sonde mittels Handrad, Handgriff oder Handkurbel vorgesehen ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Drehantrieb der Sonde
mittels Wind, Propeller oder Schalenkreuz.
14. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Wasserströmungsmotor
als Drehantrieb für die Sonde.
15. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Dämpfungsglieder, Filter oder
Zählstufen zur Beseitigung von Justierfehlern der Sonde.
16. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Änderung
der Drehzahl der Sonde.
17. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde Drehschwingungen
ausführt.
18. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor der Sonde
schief gestellt ist.
19. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß induktive,
kapazitive Übertrager oder Funksender zur Übertragung der Meßwerte von der sich drehenden
Sonde vorgesehen sind.