MASURAREA DISTANTEI PARCUSE SI A VITEZEI NAVEI

MASURAREA DISTANTEI PARCUSE SI A VITEZEI NAVEI

1. GENERALITATI. CLASIFICAREA LOCHURILOR

Mijloacele (aparatele, dispozitivele) utilizate la bordul navei pentru determinarea continua a distantei parcurse de nava si a vitezei instantanee a acesteia se numesc lochuri. Primul tip de loch se numea loch ordinar si a fost construit la inceputul secolului al XVII-lea; acesta echipa velierele, iar de principiul sau de functionare este legata nemijlocit denumirea unitatii 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 umarul 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.

In limba engleza:

-loch = log ;

-nod = knot .

De-a lungul timpului au existat mai multe tipuri de lochuri, dintre care se amintesc :

• 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, procedeu ce va fi analizat in acest capitol.

In prezent, pentru determinarea vitezei navei, se mai utilizeza sistemul MARSMEC, insa pe o arie restransa (Japonia si alte cateva tari).

2. LOCHUL HIDRODINAMIC

Principiul de functionare al lochului hidrodinamic se bazeaza pe evaluarea presiunii hidrodinamice create de inaintarea navei prin apa. Principial, valoarea vitezei navei prin apa este proportionala cu valoarea presiunii hidrodinamice exercitate de apa de mare asupra corpului navei, ca efect al deplasarii acesteia.

In fig.31 este schitat acest principiu. Tubul A este tubul de presiune hidrostatica, iar tubul B este tubul de presiune totala.

[Fig.31] Principiul tuburilor Pitot.

Prin 'presiune totala' se intelege suma valorilor de presiune hidrostatica si de presiune hidrodinamica exercitate de apa de mare asupra corpului imers al navei in mars cu viteza V.

In ipoteza ca nava se gaseste in stationare (V=0), apa se va ridica, in conformitate cu principiul Pitot al vaselor comunicante, la acelasi nivel, corespunzator valorii h a inaltimii coloanei de apa.

Daca nava se afla in mars, atunci inaltimea coloanei de apa din tubul A de presiune hidrostatica va ramane constanta (avand valoarea h), in timp ce in tubul B de presiune totala, inaltimea coloanei de apa va avea o valoare mai mare (H). Diferenta valorilor inaltimilor coloanei de apa din cele doua tuburi s-a notat cu u si este proportionala cu presiunea hidrodinamica, deci cu viteza navei.

Presiunea totala a apei are deci ca efect ridicarea coloanei de apa in tubul B pana la inaltimea H, unde:

H = u + h ,

in care : - H este proportional cu presiunea totala;

u este proportional cu presiunea hidrodinamica;

h este proportional cu presiunea hidrostatica.

Deoarece valoarea u este functie de viteza navei, atunci si H va fi dependent de V; relatia dintre valoarea inaltimii coloanei de apa H din tubul de presiune totala si valoarea V a vitezei navei este data de legea lui Bernoulli:

H = p/t + V²/2g ,

unde:

p - presiunea hidrostatica a apei la imersiunea corespunzatoare fundului navei;

t - greutatea specifica a apei de mare;

g - acceleratia gravitationala.

Legea lui Bernoulli nu face altceva decat sa expliciteze prima relatie. Pentru a justifica aceasta afirmatie, se inmulteste ecuatia lui Bernoulli cu t, obtinand:

Ht = p + V²t/2*g ,

Rezulta:

Ht - presiune totala (P_t);

p - presiune hidrostatica (P_s);

V²t/2g - presiune hidrodinamica (P_d).

De aici concluzia ca presiunea hidrodinamica a apei asupra corpului imers al navei in mars este proportionala cu patratul vitezei.

Relatia de mai sus devine:

P_t = P_s + P_d , iar mai departe:

P_d = P_t - P_s

Ultima relatie este ecuatia fundamentala a lochului hidrodinamic. Prin masurarea P_d, practic se masoara V, deoarece P_d este o functie de V.

Principiul rezolvarii acestei relatii de catre instalatia lochului hidrodinamic este schitat in fig.32:

[Fig.32] Principiul lochului hidrodinamic

Aceasta este formata din:

1) tubul (Pitot) de presiune totala ;

2) tubul de presiune hidrostatica;

3) transmitatorul presiunii hidrodinamice, format din doua compartimente (4 si 5);

6) membrana elastica;

7) tija;

8) sistem de parghii;

9) pivot;

10) indicator analogic;

11) dispozitiv integrator;

Asupra membranei (6) actioneaza simultan:

-presiunea totala, receptionata in camera (4) prin tubul (1);

-presiunea hidrostatica, receptionata in camera (5) prin tubul (2).

Daca nava este in stationare, atunci membrana (6) nu va fi tensionata deoarece P_t=P_s. Daca nava este in mars, atunci P_t>P_s, iar ca urmare membrana se va curba intotdeauna in sus. In acest mod, va fi actionata mecanic tija (7) care va transmite aceasta miscare, prin sistemul de parghii (8) si pivotul (9), la indicatorul analogic (10).

Deplasarea liniara a tijei este deci proportionala cu valoarea presiunii hidrodinamice a apei; acest parametru (deplasarea tijei) este transmis prin acelasi sistem de parghii la dispozitivul electric de integrare, care calculeaza spatiul parcurs de nava prin integrarea vitezei navei in raport cu timpul.

Tuburile 1 si 2 se gasesc montate in spada lochului, care, atunci cand nava se gaseste in mars se lasa la apa prin valvula spadei lochului. Toate dispozitivele enumerate (fig.32) se gasesc in aparatul central, amplasat intr-un compartiment special, numit compartimentul loch. In afara componentelor precizate, se mai gasesc dispuse in aparatul central:

distribuitorul cu robinete, destinat ramificarii optime a presiunii apei catre cele doua camere ale dispozitivului hidrodinamic. Distribuitorul mai este prevazut cu unul sau mai multi robineti de purjare, destinati eliminarii apei din instalatie inaintea pornirii;

blocul resoartelor, cu rol de a anula efectul socurilor, vibratiilor, etc., care ar afecta valoarea reala a presiunii hidrodinamice.

Indicatiile de viteza si distanta parcursa se transmit la indicatoarele montate in camera hartilor si in comanda de navigatie; transmisia se face electric, cu ajutorul unor motoare selsin care actioneaza in pereche, transmitator-receptor.

Precizia de indicare a vitezei este de 0.₁ Nd iar a distantei parcurse este de 0.₁ Mm.

. LOCHUL ELECTROMAGNETIC

Principial, lochul electromagnetic realizeaza masurarea vitezei navei si a distantei parcurse prin evaluarea tensiunii electromotoare induse ca urmare a interactiunii dintre campul electromagnetic constant al unei bobine si un conductor electric ce se deplaseaza in acest camp cu viteza navei.

Partile componente ale lochului electromagnetic sunt:

spada lochului (1), confectionata din material izolator (material plastic, fibra de sticla, etc.), care contine in interior o bobina, iar la exterior doi electrozi din bronz (5), izolati fata de bobina;

blocul de control (2), care are rol de amplificator si de traductor al semnalului electric receptionat de la spada lochului;

dispozitivul de lansare al spadei (valvula spadei lochului).

indicatoarele de 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.

[Fig.33] Lochul electromagnetic

4. LOCHUL ULTRASON DOPPLER

Functionarea lochului ultrason Doppler se bazeaza pe efectul Doppler al ultrasunetelor care se propaga in apa de mare: daca se emite un fascicul de ultrasunete in plan orizontal catre prova unei nave in mars, atunci frecventa semnalului receptionat va fi diferita de frecventa semnalului emis, cu o cantitate proportionala cu valoarea vitezei navei.

Daca se noteaza :

f_e - frecventa semnalului emis;

f_r - frecventa semnalului receptionat;

V_S - 1500 m/s, viteza de propagare a ultrasunetelor prin apa de mare la temperatura de 13C;

V_N = viteza de mars,

atunci:     ∆f = f_e - f_r = 2V_Nf_e/V_S

Pentru utilizarea in navigatie, se intrebuinteaza emitatoare de ultrasunete in configuratie IANUS (fig.34); se emit simultan fascicule catre prova si catre pupa, avand aceeasi inclinare (θ) fata de planul plutirii si aceeasi frecventa (f_e) de emisie. Efectul Doppler actioneaza in sensul modificarii inegale a frecventelor receptionate, acestea avand urmatoarele expresii (descompuse in serii Taylor):

f_rPv = f(1+2V_Ncosq/V_S + 2V_N2cos2q/2V_S + ) ;

f_rPp = f(1-2V_Ncos q/V_S + 2VN2cos2q/2V_S - ) .

[Fig.34] Lochul ultrason Doppler

Ca urmare:    f_Ianus = 4fV_Ncosq/V_S

Principalul avantaj al lochului Doppler fata de lochurile clasice este acela ca indica viteza deasupra fundului, adica viteza raportata la fundul marii.

Precizia indicatiilor este de 0.25% din viteza, respectiv 1% din spatiul parcurs.

Un important dezavantaj al acestui tip de loch il rezinta limita scazuta a adancimilor apei (cca 150m) pana la care acesta este operativ, ca urmare a absorbtiei accentuate a energiei ultrasunetelor de catre apa de mare.

Prin montarea a doua perechi de vibratoare (emitatoare de ultrasunete) in configuratie Ianus, la prova, respectiv la pupa, se pot masura continuu vitezele de deplasare laterala a extremitatilor prova si pupa ale navei (acest tip de loch se numeste loch ultrason pentru manevra navei.

5. ELICEA NAVEI CA LOCH

Dupa constructie, in cadrul probelor de mare, se determina viteza navei functie de numarul de rotatii la elice, parametru evolutiv deosebit de important al navei. Probele se executa in baza de viteze cu mile jalonate. Dispunerea jaloanelor este reprezentata in fig.35; perechile de jaloane A-B, respectiv C-D formeaza aliniamente paralele, aflate la distanta de 1 Mm unul de celalalt .

[Fig.35] Determinarea vitezei dupa numarul de rotatii la elice in baza de viteze.

Probele se executa progresiv pentru toate treptele de viteza ale navei, iar pentru navele de transport maritim acestea se executa separat pentru cele doua stari de incarcare (balast si incarcata).

Algoritmul determinarii vitezei este urmatorul:

se ia drum perpendicular pe aliniamentele bazei de viteze; guvernarea navei se asigura de catre cel mai experimentat timonier de la bord, iar manevrele se vor face cu unghiuri de carma cat mai mici; distanta de la care se ia drum de intrare in baza se alege astfel ca aceasta sa se parcurga in 8 min (pentru V_N=12 Nd, d=1.6 Mm);

se instaleaza doi observatori cu binoclu pe comanda, care vor determina momentul taierii primului aliniament al bazei; cand nava se apropie de acest moment se striga 'atentiune', iar in momentul taierii aliniamentului se striga 'stop'. In acest moment, un al treilea observator va porni secundometrul, care va masura intervalele de timp la o precizie de 0.1 sec.

la al doilea aliniament se procedeaza identic, stopandu-se cronometrul si notand valoarea timpului masurat. Nava continua marsul in acelasi drum aproximativ acelasi timp (8 min), dupa care incepe manevra de intoarcere la drum opus pentru cea de-a doua trecere prin baza, utilizand unghi de carma mai mic de 15 puncte .

Dupa cea de-a doua trecere, proba se va relua pentru urmatoarea treapta de viteza, utilizand tot doua treceri.

Valoarea vitezei dupa numarul de rotatii ale elicii este data de relatia:

V [Nd] = 3600Lungimea intre aliniamente [Mm]/ timp [s]

Lungimea intre aliniamente poate fi de 1 Mm sau 2 Mm (in cazul analizat in fig.35, aceasta are valoarea de 1 Mm).

Bazele de viteze sunt instalate in portiuni de coasta a caror configuratie este lina si urmeaza in general directia meridianului, astfel ca aliniamentele sale sa fie paralele cu paralelele geografice. De asemenea este de preferat ca in zona sa nu existe curenti marini ori de maree, iar forta vantului nu trebuie sa depaseasca forta 4 (se considera ca pana la aceasta valoare a fortei vantului, acesta nu actioneaza semnificativ asupra parametrilor de miscare -drum si viteza- ai navei).

In final, viteza reala functie de numarul de rotatii se calculeaza ca medie aritmetica a valorilor determinate pentru fiecare trecere:

V = (V1+V2)/2

Aceasta valoare, determinata pentru fiecare regim de viteza in parte, se va inscrie intr-un tabel ce se va afisa in camera hartilor.

Trebuie retinut ca valoarea vitezei navei functie de numarul de rotatii ale elicii reprezinta viteza prin apa, deci viteza reala a navei fata de masa de apa prin care se naviga.

OBSERVATIE: Se va face distinctie intre notiunea de viteza prin apa (V_A) si notiunea de viteza deasupra fundului (V_f), care se masoara fata de fundul marii. Singurul loch care masoara si afiseaza Vf este lochul ultrason Doppler, in timp ce toate celelalte lochuri masoara viteza prin apa.

6. FACTORUL DE CORECTIE AL LOCHULUI

Lochul, indiferent de principiul fizic ce sta la baza constructiei sale, indica valorile de viteza si distanta parcursa cu o eroare ce are drept cauza imperfectiunile tehnice.

Aceasta este o eroare constanta, deci se propaga in egala masura la toate masuratorile. Valoarea acestei erori se poate reduce ori chiar anula prin reglarea precisa a lochului.

Eroarea ramasa in urma reglajului afecteaza intr-un sens sau altul (+ sau -) valoarea reala a vitezei si a distantei parcurse.

Aceasta eroare ramasa se determina in baza de viteze, si se aplica apoi sub forma de corectie a lochului, care in navigatie poarta numele de factor de corectie al lochului.

Factorul de corectie al lochului se poate exprima in doua moduri:

numeric, si atunci se noteaza cu [f], luand valori intre 1.09 si 0.91;

procentual, si atunci poarta numele de corectie procentuala, se noteaza cu Dl, luand valori intre +9% si -9% .

Determinarea valorii factorului de corectie f, (a corectiei procentuale) face obiectul etalonarii lochului; valorile determinate prin etalonare se utilizeaza ulterior la corectarea valorilor de viteza si distanta parcursa citite la loch.

Trebuie retinut ca valoarea erorii lochului variaza cu viteza navei; ca urmare, reglarea lochului si ulterior etalonarea acestuia, au ca scop anularea erorii pentru regimul de viteza uzual.

Pentru intelegerea modului de etalonare a lochului se va analiza cazul in care aceasta operatiune se executa in baza de viteze; in prealabil se vor defini urmatoarele notiuni:

m - spatiul real parcurs de nava intre doua puncte [Mm];

m_l - spatiul indicat de loch ca fiind parcurs de nava intre aceleasi doua puncte [Mm];

V_N viteza reala a navei (este intotdeauna egala cu valoarea vitezei functie de numarul de rotatii) [Nd];

V_l = viteza la och, este valoarea indicatade loch.

In baza de viteze (fig. 35) se executa de regula o singura trecere; in momentul taierii primului aliniament se citeste valoarea distantei parcurse de nava indicata in acel moment de loch. Aceasta valoare se noteaza cu Cl si se numeste citire la loch. Intrucat se vor executa doua citiri la loch, aceasta primeste indicele 1, deci devine Cl₁. In momentul taierii celui de-al doilea aliniament, se citeste valoarea Cl₂ a distantei parcurse de loch. Ca urmare, spatiul parcurs dupa loch va fi dat de diferenta celor doua citiri la loch:

m_l = Cl₂ - Cl₁

Spatiul real parcurs de nava intre cele doua aliniamente este cunoscut (in cazul analizat m=1 Mm); in alte cazuri, acesta se scoate din harta.

Se defineste factorul de corectie al lochului, ca fiind raportul dintre spatiul real (scos din harta) parcurs de nava intre doua puncte si valoarea spatiului indicata de loch. Acesta se noteaza cu f si este adimensional.

f = m/m_l

Corectarea valorilor de viteza si distanta parcursa de nava indicate de loch se executa dupa urmatoarele relatii:

V_N = V_lf

m = mlf = (Cl₂ - Cl₁)f

OBSERVATIE: Spatiul real parcurs de nava se va calcula intotdeauna cu relatia de mai sus si nu cu relatia m=V_Nt (unde t=interval de timp) deoarece diferenta citirilor la loch (Cl2-Cl1) evalueaza mult mai fidel spatiul parcurs de nava; astfel, in intervalul de timp notat cu t, viteza navei, in realitate, nu este constanta (datorita imperfectiunilor in functionarea masinii, a valurilor, etc), iar in relatia m=V_Nt aceasta se considera a fi uniforma. Doar in cazul in care lochul nu functioneaza, se pot aplica relatiile:

m_l = V_l t si implicit m = V_N t .

Exemplu: Sa se corecteze urmatoarele valori de viteza si distanta parcursa citite la loch, cunoscand ca f=0.93.

V_l = 13.5 Nd; Se cer:

Cl₁= 812.7 M; m = ?

Cl₂= 833.8 M. V_N = ?

Rezolvare:

1)Calculul Vn 2)Calculul ml 3)Calculul m

V_l = 13.5 Nd Cl₂ = 833.8 Mm m_l = 21.1 Mm

f = 0.93 -Cl₁= 812.7 Mm f = 0.93

V_N = 12.55 Nd m_l =21.1 Mm m = 19.6 Mm

7. APLICATIE REZOLVATA

Rezolvare:

Studiind cu atentie pozitia punctelor A, B si C pe sfera terestra, rezulta ca Da₁=270₀ iar Da₂=180₀.

Secventa 1

1)Calculul d₂₀₀₈ 2)Calculul Dm₁ 3)Calculul CTC 4)Calculul Dc₁

d₁₉₈₅= -2 Da₁=270 d= -0 Da₁=270

-var(23*4)= -1 -d₂₀₀₈= -0 + dc=+ 4 -CTC= +3

d₂₀₀₈= -0 Dm₁=270 CTC=+3 Dc₁= 266

= -0

5)Calculul Dg₁ 6)Calculul Dl 7)Calculul m

Da₁=270 l_B m=Dl*cosj

-A = +1 -l_A

Dg₁=269 Dl =104₂ Mm.

=-002

=(-)124'₁

9)Calculul m_l 10)Calculul V_N 11)Calculul Dt 12)Calculul O₂

m_l=m/f= V_N=V_l*f= Dt=m₁/V_N=    O₁=17.32

Dt=06.57

=100.₂ =15₁ Nd =416₈ min O₂=00.29

=2₅ cab/min =06^h57^min

13)Calculul Cl₂ 14)Calculul Ra₁ 15)Calculul Rc₁ 16)Calculul Rg1

Cl₁=413.₅ Da₁= 270 Ra₁= 021 Ra₁ = 021

+m_l=100.₂ +Rp₁=+111 -CTC=+003 -A= + 001

Cl₂=513.₇    -360=-360 Rc₁= 017 Rg₁ = 020

Ra₁= 021

Calculul Ra₂ Calculul Rg₂ Calculul Rp₂

Rc₂= 111 ₅ Ra₂= 115 ₃ Da₁=270 ₀

+CTC=+003 ₈ -A = +001 -Ra₂= 115 ₃

Ra2= 115 ₃ Rg₂= 114 3 Rp_Bd2= 154 ₇

Secvanta 2

1)Calculul Dm₂ 2)Calculul CTC 4)Calculul Dc₂

Da₂= 180 d₂₀₀₈= -000 Da₂= 180

-d2008=-000 +dc= - 001 -CTC=- 002

Dm₂=180 CTC=- 002 Dc₂= 182

5)Calculul Dg₂ 6)Calculul m₂ 7)Calculul Dt 8)Calculul m_l2

Da₂=180 j_c Dt=m₂/V_N= m_l2=m₂/f=

-A= +001 -j_b

Dg₂= 179 Dj 50'₄ =1161.6min= =279₂ Mm

m₂=290₄ Mm =19^h22^min

9)Calculul O₃ 10)Calculul Cl3 11)Calculul m

O₂=00.29 Cl₂= 513₇ m₁=124₁ Mm

Dt=19.22 +m_l2=279.₂ +m₂=290.₄ Mm

O₃=19.51 Cl3= 792.₉ m=414.₅ M,