Рисунок 1: Фотография подводного питометра ВМС США времен Второй мировой войны . В этом устройстве используется ртутный манометр для измерения разницы статического и динамического давления воды.
Питометрические лаги (также известные как пит-лаги) — это устройства, используемые для измерения скорости судна относительно воды. Они используются как на надводных кораблях, так и на подводных лодках. Данные из питометрического лага обычно подаются непосредственно в навигационную систему судна.
История
Все навигационные приборы, предназначенные для измерения скорости судна на воде, называются лагами. [1]
Эта номенклатура восходит к дням парусного спорта, когда моряки бросали бревно, прикрепленное к веревке, завязанной узлами через равные промежутки времени, с кормы судна. Моряки подсчитывали количество узлов, прошедших через их руки за определенный период времени. Сегодня моряки по-прежнему используют единицу измерения узлов для выражения скорости судна. Скорость судна была необходима для навигации судна с использованием навигационного счисления , что было стандартной практикой до появления современных навигационных приборов, таких как GPS .
Питометрический журнал был запатентован [2]
в 1899 году Эдвардом Смитом Коулом.
Технологии
Принципы работы
Рисунок 2: Иллюстрация питометрического журнала на основе ртутного манометра.
Основная технология питометрического лага похожа на технологию трубки Пито на самолете. Обычно питометр имеет длинную трубку, которая проникает в корпус судна около киля. Часть питометра, выступающая из судна, иногда называется пит-мечом или родметром . Эта трубка обычно имеет два отверстия: одно, обращенное к направлению движения морской воды, которое используется для измерения динамического давления морской воды, и одно под углом 90° к направлению движения морской воды, которое используется для измерения статического давления морской воды. Динамическое давление морской воды является функцией глубины воды и скорости судна.
В ранних реализациях питометрического журнала ртутные манометры [3]
использовались для измерения разности давлений (см. рисунок 1). [2] В более поздних реализациях использовались подходы, которые создавали выравнивающие давления внутри питометра, которые уравновешивали динамическое давление. Это устраняло необходимость в ртутных манометрах. [4]
Анализ
Используя принцип Бернулли, можно вывести выражение для скорости воды, падающей на судно, как функцию разницы в динамическом и статическом давлении воды . Полное давление воды в трубке с движущейся морской водой можно описать уравнением 1.
где
p Total — общее давление жидкости.
p Статика — это статическое давление, которое строго зависит от глубины.
p Динамика — это давление жидкости, вызванное ее движением.
Поскольку вода является несжимаемой жидкостью, динамическую составляющую полного давления можно выразить через плотность воды и скорость воды, как показано в уравнении 2.
где
v Вода — скорость потока жидкости.
ρ — плотность жидкости.
Уравнение 2 можно решить для скорости воды через разницу давлений между двумя ножками манометра. Уравнение 3 показывает, что скорость является функцией квадратного корня из разницы давлений.
Поскольку скорость, вычисляемая питометром, является функцией разницы между показаниями давления, питометр не выдает точный результат, когда скорость судна низкая, а два показания давления почти одинаковы.
Альтернативы питометру
Хотя журнал питометра сегодня используется очень часто, есть и ряд других журналов, которые также используются. Эти журналы включают:
Импеллерный лаг : разновидность этого подхода известна как патентный лаг, который буксируется с кормы судна. Патентный лаг включает в себя механический регистр, который подсчитывает обороты лага во время его буксировки. Патентный лаг был изобретен в 1688 году английским производителем инструментов Хамфри Коулом . Патентный лаг также известен как винтовой лаг или лаг гакаборта . [5] [ необходима цитата ]
Propeller RPM : Скорость корабля примерно пропорциональна скорости вращения винта. Этот подход наиболее полезен, когда винт имеет постоянный шаг. Он менее полезен на кораблях с винтами, имеющими винты с переменным шагом или вообще не имеющими винтов (например, парусные суда ). Разновидность этого подхода использовалась подводными лодками во время Второй мировой войны для определения скорости целей. Оператор гидролокатора слушал звук винта цели и определял скорость его вращения или «количество лопастей». Зная скорость вращения винта и визуально идентифицируя тип корабля, можно было оценить скорость цели.
Измерения GPS дают только местоположение, но не скорость и направление движения. Однако большинство приемников GPS могут автоматически выводить скорость и направление из двух или более измерений местоположения. Недостатком этого принципа является то, что изменения скорости или направления могут быть вычислены только с задержкой, и что полученное направление становится неточным, когда расстояние, пройденное между двумя измерениями местоположения, падает ниже или около случайной погрешности измерения местоположения. Чтобы противостоять этому эффекту, более продвинутые навигационные системы используют дополнительные датчики, такие как компас или инерциальная навигационная система, в дополнение к GPS.
Доплеровский лаг скорости (DVL): Некоторые суда оснащены гидролокаторами, которые могут измерять доплеровский сдвиг в звуковом импульсе, генерируемом движением судна, когда он отражается от дна океана или от частиц в воде. Поэтому измерения скорости с помощью доплеровского прибора могут быть относительно земли или воды.
Корреляционный лаг скорости (CVL): CVL состоит из звукового передатчика и ряда приемников. Эти очень дорогие устройства измеряют скорость судна относительно земли, выполняя корреляционную обработку между сигналами, полученными различными приемниками в разное время. Эта корреляция может быть связана с расстоянием, пройденным судном. [6] CVL используются в основном судами, которым необходимо очень точное измерение низких скоростей, которые питометру трудно точно измерить.
Ссылки
^ "Naval Science 203: Navigation and Naval Operations I". Корпус подготовки офицеров резерва ВМС штата Пенсильвания. Архивировано из оригинала 2006-09-05 . Получено 2006-08-26 .
^ ab "Фотопитометр: прибор для измерения скорости в водопроводных магистралях". Американские артефакты: научный медицинский и механический антиквариат . Получено 26.08.2006 .
^ "Submarine Underwater Log Systems, NAVPERS 16168". Отдел стандартов и учебных программ, Обучение, Бюро военно-морского персонала. 2000-07-11 . Получено 2006-08-26 .
^ "Underwater Log Systems". USS Bowfin Submarine Museum & Park. 2002. Архивировано из оригинала 25-08-2006 . Получено 26-08-2006 .
^ "Arctic Corsair - Журнал гакаборта или патентный журнал" . Получено 28.08.2006 .[ мертвая ссылка ]
^ "Моделирование корреляционной скоростной диаграммы с использованием компьютерной акустической модели" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2006-09-23 . Получено 2006-08-26 .
