Loch Uri

UI 3: Sisteme si echipamente de navigatie

156

Unitatea de învăţare nr. 3

Sisteme si echipamente de navigatie

Unitatea de studiu 3.4

Sistemul pentru masurarea distantei parcurse si a vitezei navei

Ritm de studiu recomandat: 100 min.

Cuprins

Lochul hidrodinamic

Lochul electromagnetic

Lochul Doppler

Structura lochului Doppler

OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU 3.4

- explicarea principiului de functionare al lochului hidrodinamic;

- explicarea principiului de functionare al lochului electromagnetic;

- explicarea principiului de functionare al lochului Doppler;

- analiza schemei bloc a lochului Doppler.

Lochul este echipamentul de navigatie utilizat la bordul navei pentru determinarea

continua a distantei parcurse de si a vitezei instantanee a acesteia. Primul tip de loch, care echipa

velierele se numea loch ordinar si a fost construit la inceputul secolului al XVII-lea. Principiul

sau de functionare era legat in mod direct de unitatea de masura a vitezei navei, nodul.

Lochul ordinar este compus dintr-un lest de care este legata o saula, pe care sunt

practicate noduri la interval constant. Pentru masurarea vitezei navei, se arunca lestul la pupa

navei in mars, iar viteza navei este data de numarul nodurilor de pe saula care trec prin mana

marinarului ce deserveste lochul. Intervalul dintre noduri este astfel calculat, incat marinarului

sa-i treaca prin mana un singur nod in interval de 30 sec., presupunand ca nava s-ar deplasa cu

viteza de 1M/h. In consecinta, asa cum deja s-a precizat, viteza navei este data de numarul de

noduri ce trec prin mana marinarului in timp de 30 sec.

Tipuri de lochuri: lochul olandezului (dutchman's log); lochul mecanic (mechanical log);

lochul hidromecanic (bottom log). Aceste tipuri de lochuri nu se mai folosesc, cunoasterea lor

avand doar importanta istorica ori pentru studiul comparativ al principiilor de functionare.

In prezent, la bordul navelor maritime sunt instalate urmatoarele tipuri de lochuri: lochul

hidrodinamic (pressure type log); lochul electromagnetic (electromagnetic log); lochul ultrason

Doppler. De asemenea, pentru determinarea vitezei instantanee a navei se mai poate utiliza

numarul de rotatii al elicei.

3.4.1 Lochul hidrodinamic

Principiul de functionare al lochului hidrodinamic (eng. Pitometer log, pressure-type log)

se bazeaza pe determinarea presiunii hidrodinamice obtinute in urma inaintarea navei prin apa.

Valoarea vitezei navei prin apa este proportionala cu valoarea presiunii hidrodinamice

exercitate de apa asupra corpului navei, ca efect al deplasarii acesteia. Principiul este identic cu cel

folosit în aviaţie, bazat pe folosirea tubului Pitot pentru măsurarea vitezei prin aer.


157

Fig. 3.4.1 Lochul hidrodinamic: 1- presiunea curentului de apa; 2 - presiune statica; 3 - tub Pitot; 4 - conexiunea la

tubul Pitot; 5 - capsula.

In fig. 3.4.2 este reprezentat un loch hidrodinamic bazat pe principiul tubului Pitot.

Fig. 3.4.2 Principiul tubului Pitot

Conform ecuatiei Bernoulli:

totalapresiuneadinamicapresiuneastaticapresiunea ___

2

2vpp st

→

)(22 st ppv

(3.4.1)

Fig. 3.4.3 Lochul hidrodinamic: 1 - inregistrator de la distanta; 2 - inregistrator de viteza; 3 - amplificator; 4 -

echipament de punte; 5 - dispozitiv de detectare; 6 - viteza curentului de apa; 7 - rotor; 8 - spre pupa; 9 - directia de

deplasare a navei.

Temă pentru studiu 3.4.1: Evidentiati rolul fiecarui element al lochului hidrodinamic din

figura 3.4.3.


158

3.4.2 Lochul electromagnetic

Principiul de functionare al lochului magneto-hidrodinamic (electromagnetic) se bazează

pe legea inductiei electromagnetice, conform căreia tensiunea electromotoare e de inductie

produsă într-un conductor electric, când acesta este străbătut de un flux magnetic variabil, este

proportională cu viteza de variatie a fluxului magnetic luată cu semnul minus.

Fig. 3.4.5 Lochul electromagnetic 1-– spada lochului; 2- curentul prin bobina; 3 - tensiune proportional cu viteza

navei; 4- punte; 5 – sub apa; 6 – inregistrator de la distanta; 7 – unitate de comutare; 8 - master unit; 9 – indicator de

viteza.

Partile componente ale lochului electromagnetic sunt:

- spada lochului, confectionata din material izolator (material plastic, fibra de sticla, etc.), care

contine in interior o bobina, iar la exterior doi electrozi din bronz, izolati fata de bobina;

- blocul de control (6, 7, 8) care are rol de amplificator si de traductor al semnalului electric

receptionat de la spada lochului si care indica viteza si distanta parcursa.

Prin alimentarea bobinei de la reteaua bordului (220V,50Hz); in spatiul din jurul spadei

va lua nastere un camp electromagnetic. Apa de mare, care se deplaseaza cu viteza navei (insa in

sens opus) in campul electromagnetic creat, se comporta ca un conductor electric. Cei doi

electrozi de bronz preiau caderea de tensiune electromotoare indusa (care este proportionala cu

viteza navei), pe care o transmit blocului de control. Acesta amplifica semnalul electric, pe care

il transmite indicatoarelor de viteza si distanta parcursa (in urma integrarii functie de timp).

Lochul electromagnetic prezinta (fata de lochul hidrodinamic) avantajul ca poate indica

viteze si la mars inapoi, precum si la adancimi mici ale apei.

Temă pentru studiu 3.4.2: Explicati principiul de functionare al lochului electromagnetic

reprezentat in fig. 3.4.5.


159

3.4.3 Lochul Doppler

Principiul de functionare a lochurilor Doppler

Efectul Doppler constă în variația frecventei unei unde emise de o sursă de oscilații, dacă

aceasta se află în mișcare față de receptor. Efectul Doppler poate fi constatat atât în cazul undelor

electromagnetice, cât și în cazul undelor elastice (inclusive sunetul). Frecvența măsurată crește

atunci când sursa se apropie de receptor și scade când sursa se depărtează de receptor.

Acest fenomen a fost stabilit de Doppler în anul 1842 si a mai fost studiat si de Buys-

Ballot în domeniul acusticii. Acesta a confirmat că înălțimea sunetului era mai mare decât

frecvența emisă, atunci când sursa sunetului de apropie de receptor, și mai joasă decât frecvența

emisă când sursa se îndepărtează de el.

Hippolyte Fizeau a descoperit în anul 1848, în mod independent, același fenomen în

cazul undelor electromagnetice. Atat în cazul undelor electromagnetice, cât și în cazul undelor

elastice fenomenul se poate produce în următoarele situatii: sursă mobilă si observator fix;

observator mobil si sursă fixă; sursă si observator mobile.

Principiul de functionare a lochurilor Doppler

Atât emitătorul cât si receptorul se află la bordul navei, ca urmare ne găsim în situatia că

atât sursa cât si receptorul se deplasează, în sensul apropierii, fig. 3.4.6.

Fig. 3.4.6 Lochul Doppler hidroacustic cu emisie spre prova

Emitătorul care este la bordul navei emite cu frecventa fe spre o suprafată de reflexie care

va receptiona oscilatiile la frecventa fr1, dată de relatia:

vc

cff er

1 (3.4.2)

Suprafata de reflexie devine emitător si va emite oscilatii cu frecventa fe1=fr1, oscilatii pe

care apoi receptorul aflat la bordul navei va receptiona oscilatiile reflectate cu frecventa:

vc

vcf

vc

c

c

vcf

c

vcf

c

vcff eerer

11

vc

vcff er

(3.4.3)

Care e mai scrie si sub forma:

c

vc

vff er

1

1)1( (3.4.4)


160

Dezvoltand in serie Taylor a doua paranteza din expresia (3.4.4) si folosind ipoteza ca

viteza v este mult mai mica decat viteza sunetului c, obtinem:

)2

1(c

vff er (3.4.5)

Numim frecventa Doppler:

c

vffff eerD

2 (3.4.6)

De mentionat că suprafata de reflexie este considerată ca o sursă de emisie formată dintr-

un număr de reflectori elementari independenti.

Lochul Doppler hidroacustic poate să functioneze normal numai în cazul când suprafata

de reflexie este cu asperităti a căror dimensiuni sunt comparabile cu lungimea de undă a

oscilatiilor emise. În acest caz componenta difuză a semnalului reflectat asigură o functionare

sigură a receptorului.

Dacă această dimensiune este mult mai mare decât lungimea undei, atunci reflexia se

produce după legile opticii (unghiul de incidentă egal cu cel de reflexie) si deci nu vor fi emise

de către suprafată spre receptor.

În situatia când emisia se face spre pupa navei, sau emitătorul/receptorul se deplasează în

sens de îndepărtare fată de suprafata de reflexie, în acest caz relatia (3.4.3) devine:

vc

vcff er

(3.4.7)

pentru ca in final:

c

vff eD

2 (3.4.8)

Relatiile (3.4.7) si (3.4.8) sunt valabile când între directia de emisie/receptie si directia de

deplasare a navei unghiul este 0° (180°), situatie întâlnită la lochurile Doppler hidroacustice

utilizate ca instalatii de manevră pentru determinarea vitezei cu care nava se apropie de cheu, si a

distantei până la cheu. Dacă se instalează traductoare la prova, la pupa si la centru cu ajutorul

indicatiilor de viteză si distantă furnizate, comandantul poate adopta cele mai bune decizii de

manevră a navei sau chiar se poate realiza automatizarea manevrei de acostare a navei.

Practic pentru măsurarea vitezei în conditii de navigatie, emisia/receptia se face spre

fundul mării sub un unghi (θ) spre prova fată de directia de deplasare a navei, fig. 3.4.7.

Fig. 3.4.8 Principiul lochului Doppler, emisia sub unghi θ spre prova

În acest caz viteza de deplasare a emitător/receptorului fată de punctul de reflexie este

cosv si relatia (3.4.3) devine:

cos

cos

vc

vcff er (3.4.9)


161

În final rezulta frecventa Doppler la emisia spre prova:

c

vff eDpv

cos2 (3.4.10)

În mod analog schema la emisia spre pupa corespunde fig. 3.4.9:

Fig. 3.4.9 Principiul lochului Doppler, emisia sub unghi θ spre pupa

Urmand aceeasi pasi ai demonstartie rezulta frecventa Doppler la emisia spre pupa:

c

vff eDpp

cos2 (3.4.11)

Principiul de functionare al lochului Doppler hidroacustic

Lochurile Doppler hidroacustice măsoară viteza absolută a navei atunci când suprafata de

reflexie este fundul mării, acest lucru se poate produce la navigatia în apropierea coastei si când

adâncimile sunt de regulă mici. La navigatia de larg, în zonele în care adâncimile sunt mari

reflexia undelor acustice se produce de straturile intermediare de apă, viteza măsurată în acest

caz este viteza relativă (fată de apă). Pentru a determina viteza absolută este necesar să se

măsoare si viteza laterală a navei (componenta transversala). Pentru măsurarea componentelor

vitezei navei (longitudinală si transversală) se folosesc 4 fascicule orientate ca în, fig. 3.4.10.

Fig. 3.4.10 Emisia in configuratie dubla-Janus

Modulul vitezei navei va fi:

)( 22

tL vvv (3.4.12)

Temă pentru studiu 3.4.3: Cu ajutorul surselor bibliografice recomandate la punctul

3.4.8 determinati componentele vL si vT ale vitezei din relatia 3.4.12.


162

3.4.4 Structura lochului Doppler

Componentele functionale de bază ale lochului Dopler hidroacustic, fig. 3.4.11 sunt: AE -

traductorul hidroacustic de emisie; AR – traductorul hidroacustic de receptie; DER – dispozitivul

de emisie receptie; DM – dispozitivul de măsurare; DC – dispozitivul de calcul; IVD–

indicatorul de viteză si distantă parcursă; S – sincronizatorul; BC – blocul de corectie

(compensare).

Fig. 3.4.11 Schema bloc a lochului Doppler hidroacustic

Antenele hidroacustice si dispozitivul de emisie/receptie asigură emisia/receptia

oscilatiilor acustice. În dispozitivul de măsurare se determină valorile parametrilor de frecventă

ale semnalelor ecou pe baza cărora în dispozitivul de calcul se calculează componentele

vectorului viteză si distanŃă parcursă. Informatia, în formă corespunzătoare, de la iesirea

dispozitivului de calcul este transmisă la indicatorii proprii ai lochului si la receptorii externi.

Sincronizatorul asigură sincronizarea tuturor etajelor lochului, asigură comanda si

controlul întregii instalatii, blocul de corectie realizează compensarea erorilor provocate de

actiunea factorilor perturbatori (modificarea vitezei sunetului în apă, balansul navei, deplasările

pe verticală ale navei etc.).

Unele lochuri sunt prevăzute cu două canale de măsurare: unul de frecventă înaltă (100-

300KHz) destinat pentru măsurarea vitezei la adâncimi mici si altul de frecvenŃă joasă (10-

20KHz) pentru măsurarea vitezei la adâncimi medii si mari.

Temă pentru studiu 3.4.4: Analizati si evidentiati rolul fiecarui element din figura 3.4.11.

3.4.5 TESTE DE AUTOEVALUARE

1. Principiul de functionare al lochului Doppler se bazează pe emiterea unui fascicul de

ultrasunete pe directia axei de măsurare si receptionarea undei reflectate măsurând:

a) diferenta de timp; b) diferenta de adâncime;

c) diferenta de frecventă emisă si receptionată; d) diferenta de fază.


163

2. O nava cu loch Doppler acustic la bord se deplasează cu viteza v = 18 Nd , frecventa

oscilatiilor emise fe=30KHz, viteza de propagare c = 1500m/s. Daca suprafata de reflexie

este in prova valoarea corecta a frecventei Doppler este:

a) fD= 0,36 kHz; b) fD = 1,44 kHz; c) fD = 3kHz; d) fD= 5kHz .

3.4.6 LUCRARE DE VERIFICARE

1. Evidentiati principalele caracteristici fizice si tehnice ale sistemelor pentru masurarea

distantei parcurse si a vitezei navei.

3.4.7 RĂSPUNSURI LA TESTELE DE AUTOEVALUARE

1. C; 2. B.

3.3.7 BIBLIOGRAFIE

1. Bozianu, Fr., Echipamente si sisteme de navigatie maritimă. Vol I, Editura Ex Ponto.

Constanta, 2002; 2005.

2. Bozianu, Fr., Aparate electrice de navigatie. Editura “Gh. Asachi”, 2002.

3. Clay, C. e H. Medwin, 1977. Acoustical Oceanography, Wiley and Sons, Toronto.

4. Fossen. T.I., 2002. Marine Control Systems - Guidance, Navigation and Control of Ships,

Rigs and Underwater Vehicles. Marine Cybernetics, 3rd edition, 2002.

5. Fossen. T.I., Perez, T., 2009. Marine Systems Simulator (MSS) and (GNC) Toolbox.

http://www.marinecontrol.org. Accessed 2 February, 2009.

6. House, D.,J., 2004. Seamanship Techniques 3rd Edition for: Shipboard & Maritime

Operations. Elsevier Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 200 Wheeler Road,

Burlington, MA 01803, ISBN 0 7506 6315 4.

7. Kraus D.: Underwater Acoustics Lecture Notes, Chapter 4 Sonar Signal Processing.

8. Kay S.M., 2009. Fundamentals of Statistical Signal Processing, Volume 2 Detection Theory,

17th Printing, Prentice Hall, January 2009 New York.

9. Mahafza B.R., 2005. Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB®, Chapman &

Hall/CRC 2005.

10. Urban H., 2002. Handbook of Underwater Acoustics, STN Atlas Elektronik GmbH,

Bremen, 2002.

11. Zacknich A., 2005. Principles of Adaptive filters and Self-learning Systems , First Eddition

Springer 2005

12. http://thenauticalsite.com/NauticalNotes/EchoSpdLog/.

http://thenauticalsite.com/NauticalNotes/EchoSpdLog/

Loch Uri

Documents

Transcript of Loch Uri