Меню

Измерение скорости судна относительно глубинных слоев



О методах измерения скорости судна. Мерные линии

Скорость судна в процессе скоростных испытаний находят различными способами.

Широко распространено определение скорости судна на специальных мерных линиях, оборудованных береговыми секущими (поперечными) створами, расстояние между которыми точно известно. На мерной линии скорость судна определяют, по времени прохождения судном известного расстояния между створами. Этот способ — один из наиболее точных способов измерения скорости судна.

Известное применение имеют также кабельные мерные линии, являющиеся некоторой разновидностью упомянутых мерных линий с поперечными створами. На кабельной мерной линии судно проходит над электрическими кабелями, проложенными на дне фарватера поперек направления движения судна. По кабелям, расстояние между которыми должно быть точно известно, пропускают электрический ток. Специальная электронная аппаратура, установленная на судне, фиксирует момент прохождения судна над кабелем.

В последнее время для измерения скорости судна начали широко использовать различные радионавигационные системы, в частности фазовые.

Скорость судна с относительно меньшей точностью может быть также измерена с помощью собственной судовой радиолокационной станции, которая последовательно через короткие промежутки времени измеряет расстояние до какого-либо определенного объекта, хорошо отражающего радиоволны.

Измерение скорости судна по вееру пеленгов двух предметов или с помощью других штурманских методов, например по маякам, расстояние между которыми известно, не обладает достаточной точностью.

Все перечисленные и многие другие способы, включая и основной способ определения скорости судна на мерной линии, обладают одним общим недостатком, который заключается в том, что скорость судна находят относительно берега, а не воды. При этом на измерения накладывается трудно поддающееся точной оценке влияние ветровых или приливно-отливных течений. Между тем при проведении скоростных испытаний и для дальнейшего использования полученных данных необходимо знать скорость судна относительно окружающей его воды, т. е. при отсутствии течения. Поэтому условия и место проведения испытаний выбирают с таким расчетом, чтобы влияние течения было наименьшим или было направлено по возможности вдоль измерительного участка. В этих случаях пробеги судна на измерительных участках производятся во взаимопротивоположных направлениях и в определенной последовательности.

Несмотря на некоторую сложность определение скорости судна на мерной линии или с помощью радионавигационных средств всегда следует предпочитать измерению скорости с помощью штатных судовых и специальных лагов или гидрометрических вертушек вследствие низкой точности последних, хотя они и измеряют скорость судна непосредственно относительно воды.

Для скоростных испытаний следует использовать мерные линии, расположенные недалеко от места постройки или базирования судна, что позволит сэкономить время и топливо, необходимые для подхода к мерной линии. Кроме того, вследствие расхода топлива при переходе на отдаленную мерную линию трудно обеспечить заданное значение водоизмещения судна.

Глубина воды в районе мерной линии, т. е. ее измерительного участка и на подходе к нему (с обеих сторон), а также в районе поворота судна на обратный курс, должна быть достаточной для того, чтобы исключить влияние мелководья на сопротивление воды движению судна, а следовательно, на его скорость.

Известно [13], что система волн, создаваемая судном при его движении на мелководье, отличается от волновой системы на глубокой воде и Зависит от режима, характеризуемого так называемым числом Фруда на мелководье

где σ — скорость судна, м/с; g —ускорение свободного падения, м/с2; Н — глубина фарватера, м.

Изменение характера волнообразования приводит к увеличению или уменьшению сопротивления движению судна и, следовательно, влияет на его скорость.

Одновременно развивается встречное течение воды, увеличивающее скорость обтекания корпуса и, следовательно, сопротивление трения судна. Полное исключение влияния мелководья требует больших глубин мерной линии, которые не всегда удается обеспечить (табл. 1).

Таблица 1. Значения минимальной глубины мерной линии, м

Вследствие этого при определении минимально необходимых глубин обычно исходят из потери скорости, обусловленной влиянием мелководья, составляющей 0,1% от измеряемой величины. Для соблюдения этих условий по волновому сопротивлению должно быть принято значение Frh≥0,5, а по сопротивлению трения
Именно исходя из подобного подхода правила проведения испытаний, разработанные 12-й Международной конференцией опытовых бассейнов, рекомендуют принимать минимально допустимую глубину на мерной линии большей, чем вычисленная по формулам
где В и Т — соответственно ширина и осадка судна. Аналогичный метод рекомендуется и отечественной нормалью ОН-792—68, однако формулы записываются в виде
Мерная линия по возможности должна быть расположена в районе, защищенном от господствующих ветров и морского волнения. Наконец, обязательным условием является наличие достаточного пространства по обоим концам мерной линии, необходимого для свободного маневрирования судна по окончании пробега на измерительном участке, поворота на обратный курс и разгона после поворота.

Читайте также:  Укажите правильный порядок возрастания единиц измерения объема информации

Допускаемые отклонения глубины воды на подходах к измерительному участку мерной линии не должны превышать ±5%.

Линия пробега судна на мерной линии должна находиться не менее чем в двух-трех милях от прибрежных опасностей. Несоблюдение этого условия создает угрозу того, что судно на больших скоростях, даже в случае правильного маневрирования, при заклинивании руля может сесть на мель.

Удовлетворить всем перечисленным выше требованиям не всегда возможно, поэтому количество полноценных мерных линий весьма ограничено.

В табл. 2 приведены некоторые данные, характеризующие мерные линии ряда иностранных государств [71, 101]. Как видно из таблицы, длина измерительных участков этих линий различна, а глубины многих из них недостаточны для испытаний относительно быстроходных судов.

Таблица 2. Основные характеристики некоторых мерных линий

Мерные линии Длина измерительного участка, миля Истинный курс судна, град Глубина мерной линии во время наиболее сильных отливов, м
Англия
Скельморли
Гао-Лох
Абс-Хид
Полперро
Портланд
Устье р. Тайн
Плимут
1
1
1
1,15
1,43
1
1
0 и 180
156 и 335
111 и 191
86 и 226
134 и 314
161 и 341
93 и 273
65—75
30—40
44—52
31—37
31
20
20—28
Дания
о. Борнгольм 1 70—80
Франция
Поркероль-Тайя:
1-й участок
2-й
3-й
Круа-Тревиньон
3,50
2,36
4,70
5,6
48 и 228
48 и 228
48 и 228
120 и 300
70—80
70—80
70—80
40
США
Рокленд 1 0 и 180

На рис. 3 приведена схема мерной линии около Рокленда (США), на которой проводилось большое количество скоростных испытаний судов, в том числе исследовательских. Эта линия удовлетворяет большинству из перечисленных выше требований, однако она не защищена от западных ветров и вызываемого ими волнения. Длина измерительного участка равна одной морской миле (1852 м), длина каждого разгонного участка — трем морским милям. Мерная линия оборудована двумя береговыми поперечными (секущими) створами, перпендикулярными измерительному участку. Один из поперечных створов оборудован тремя знаками (щитами), другой — двумя.


Рис. 3. Схема мерной линии в Рокленде (США). Δ — створный знак.

Кроме того, вдоль линии пробега для ориентировки судоводителя расставлены вехи, указывающие границы разгонных и измерительного участков.

Многие мерные линии оборудуются так называемыми ведущими створами, на линии которых располагается измерительный участок. В настоящее время наличие ведущего створа не считается обязательным, хотя все еще существует мнение, что он необходим в тех случаях, когда в районе мерной линии имеется течение, не совпадающее с направлением мерной линии. Однако это мнение неправильно: простые геометрические построения показывают, что в этом случае при управлении судном по ведущему створу так же, как по компасу, судно проходит путь больший, чем расстояние между линиями створов. Именно поэтому выдвигается требование о том, чтобы направление течения совпадало с направлением мерной линии или во всяком случае составляло с ним угол, не превышающий 15—20°.

Створные знаки (рис. 4) мерных линий представляют собой щиты, которые устанавливают на такой высоте, чтобы их хорошо было видно с моря. Обычно передний щит, т. е. щит, расположенный ближе к измерительному участку мерной линии, устанавливается несколько ниже заднего с таким расчетом, чтобы в момент прохождения судна мимо створа щиты перекрывали друг друга, составляя в вертикальном направлении почти одно целое. По середине щитов наносят вертикальные ярко окрашенные полосы, которые также должны быть хорошо видны с моря.


Рис. 4. Створные знаки мерной линии.

1 — передний знак створа; 2 — задний знак створа.


Рис. 5. Линейная чувствительность створов.

1 — передний знак створа; 2 — задний знак створа.

Тем не менее наблюдатель, находящийся на судне, пересекающем под прямым углом поперечные створы мерной линии, практически не может абсолютно точно определить момент прохождения линии створа, т. е. момент, когда средние полосы щитов находятся на одной вертикальной прямой, как бы составляя продолжение друг друга.

Величина ошибки при определении момента полного накрытия средних полос щитов створа зависит [61] от так называемой линейной чувствительности створа (рис. 5).

Разрешающая сила нормального глаза равна одной угловой минуте. Нанесем на линии пробега судна по мерной линии (рис. 5) отрезок A1A2, соответствующий одной угловой минуте. В промежутке A1A2 угол между двумя знаками оказывается меньше одной минуты, и, следовательно, любая точка в этом промежутке может служить за отметку начала замера скорости. Величина ОА1=ОА2 называется линейной чувствительностью створа и обозначается в дальнейшем буквой W.

Читайте также:  Как измерить квадратуру комнаты для штукатурки стен

Чтобы найти выражение для W, воспользуемся соотношением
tgα=tg(β—γ). (1.2)
преобразованным к виду

После подстановки в выражение (1.3) значений tg β и tg γ и простых преобразований будем иметь

Первым членом правой части выражения (1.4) можно пренебречь, так как он будет высшего порядка малости по сравнению с двумя последующими. Тогда уравнение (1.4) примет вид
dW = tg αDc (Dc + d), (1.5)
откуда

Заменив тангенс угла дугой и угол значением разрешающей способности глаза, а также введя коэффициент освещенности створа а’ (для дневного света α’=2 и для ночного α’=3,5), получим значение линейной чувствительности створа (в метрах)

где
Dс — расстояние от переднего знака секущего створа до ходовой части мерной линии, м; ао — угол разрешающей способности глаза; d — расстояние между створными знаками, м.

Приведем значения чувствительности секущих створов одной из зарубежных мерных линий:

Номер секущего створа
Расстояние от наблюдателя до переднего створа, м
Расстояние между створными знаками, м
Чувствительность створов, м
1
3715
916
± 10,9
2
3610
599
± 14,7
3
4000
726
± 15,1

Если принять чувствительность пары створов равной половине возможной абсолютной ошибки, то относительная погрешность длины мерного участка линии (створы 2—3) будет равна 0,4%.

Как видно из формулы (1.6), для уменьшения ошибки при определении расстояния между створами и, следовательно, увеличения чувствительности створов, необходимо, чтобы отношение Dc : d было как можно меньшим. Однако практически это отношение обычно не бывает меньше трех.

Чтобы оценить влияние ошибки при отсчете времени, а также влияние чувствительности створов и длины линии пробега на результаты измерения скорости, необходимо рассмотреть зависимость скорости судна от пути и времени
ν=s/t (1.9)
где v — среднее арифметическое значение нескольких измерений скорости, м/с; s — среднее арифметическое значение пути, м; t — среднее арифметическое значение времени пробега, с.

Как известно, погрешность результата косвенных измерений (скорость подсчитывается по измеренному пути и времени) слагается из погрешностей результатов каждого прямого измерения, входящего в косвенное. При косвенных измерениях находят относительную погрешность (среднюю квадратическую, вероятную или предельную) каждого прямого измерения и вычисляют суммарную относительную погрешность косвенного измерения. Так, в данном случае

где εν — относительная погрешность измерения скорости, .%; εs — относительная погрешность измерения пути; εt — относительная погрешность измерения времени пробега.

Выражая относительные ошибки через вероятные, получим

или, после подстановки t = s/v .


где ρs — вероятная погрешность измерения пути, м; ρt — вероятная погрешность измерения времени пробега, с (согласно [25] ρt = 0,5 с). Вероятная погрешность измерения пути

если чувствительность обоих створов принимается одинаковой и равной полусумме их чувствительностей, а число пробегов на режиме равным трем.

Подставив эти значения в формулу (1.12) и преобразовав ее, получим

Таким образом, величина ошибки будет зависеть от трех составляющих: чувствительности секущих створов, длины пробега по мерной линии и скорости судна.

В качестве примера в табл. 3 приведены данные о точности измерение скорости судна на одной из мерных линий. На основании этих данных можно сделать вывод, что измеряемые скорости независимо от скорости судна определяются с большой степенью точности. Так, на участке мерной линии между вторым и третьим створами погрешности при измерении скорости составляют 0,35—0,40%. С увеличением длины мерной линии (участок между первым и вторым створами равен одной миле, между вторым и третьим створами — двум милям и между первым и третьим — трем милям) погрешность измерения скорости резко уменьшается.

Таблица 3. Точность измерения скорости судна на мерной линии, %

Скорость судна, уз Средняя чувствительность створов, м
12,8 (участок между первым и вторым створами) 14,9 (участок между вторым и третьим створами) 13,0 (участок между первым и третьим створами)
8
12
16
20
24
28
32
36
30
0,58
0,59
0,61
0,63
0,66
0,69
0,72
0,75
0,79
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,40
0,42
0,43
0,20
0,20
0,21
0,22
0,22
0,23
0,24
0,25
0,26

Однако это не означает, что пробеги целесообразнее делать на длинных мерных линиях, так как при этом увеличиваются погрешности, вызванные возможной неравномерностью работы главных механизмов на большом промежутке пути и влиянием возмущающих внешних воздействий, приводящих к отклонению курса от прямолинейного.

При назначении длины измерительного участка мерной линии следует также учитывать, что в ходе скоростных испытаний (в случае отсутствия автоматической аппаратуры для регистрации показаний приборов) иногда необходимо не менее восьми—десяти раз измерить крутящий момент на гребном валу или один-два раза снять индикаторные диаграммы, а также несколько раз измерить частоту вращения гребных валов и определить некоторые параметры работы энергетической установки. На все это требуется не менее четырех минут. Таким образом, минимальную длину пробега s на мерной линии, являющуюся функцией времени, необходимого для выполнения указанных измерений и определения скорости судна, можно вычислить по формуле
s = 0,067νs (1.15)
где νs — скорость судна, уз, s — пробег судна, мили.

Читайте также:  Как использовать мост для измерения сопротивлений

Размерный коэффициент 0,067 соответствует приблизительно 4 мин, т. е. времени, необходимому для выполнения замеров.

Источник

Способы определения скорости судна и пройденного расстояния. Лаги. Поправка и коэффициент лага. Мерная линия. Определение скорости судна и поправки лага на мерной линии

«Определение скорости судна и пройденного расстояния в море»

Расстояние в море измеряется в морских милях и кабельтовых, поэтому и пройденное судном расстояние измеряется в этих же единицах. 1миля = 10 кбт.

Скорость судна выражается количеством миль в час, или узлов.

Узел-единица скорости судна, равная одной миле в час.1узел = 1миля/час.

Приборы, с помощью которых измеряется скорость судна и определяется пройденное расстояние называются лагами.

Лаги в зависимости от принципа действия и устройства подразделяются на

— относительные(Гидродинамические, индукционные), измеряющие скорость судна относительно воды

— абсолютные(Доплеровские лаги, инерциальные и геоэлектромагнитные системы), измеряющие скорость судна относительно грунта.

1. Гидродинамические. Работа этих лагов основана на измерении разности статического и динамического давления воды, зависящей от скорости судна.

2. Индукционные. Принцип работы основан на использовании зависимости между скоростью судна и ЭДС, индуцируемой в воде источником магнитного поля, закрепленном на днище судна.

3. Допплеровские. Принцип работы основан на использовании эффекта Допплера, заключающийся в изменении наблюдаемой частоты вследствие относительного движения источника излучаемой энергии

Движение судна так же принято делить на относительное со скоростью Vо (Vл), абсолютное со скоростью V (Vа, Vи) и переносное Vc под воздействием ветра, течения или их совместном воздействии.

На судах в основном используются относительные лаги, которые измеряют скорость и пройденное расстояние относительно воды с учётом ветра, но без учёта течения. Как правило, лаги имеют погрешность, называемую поправкой лага.

Поправкой лага называется систематическая погрешность, выраженная в процентах.

ΔЛ= ————100%

РОЛ

где S – фактическое (истинное) расстояние, снятое с карты;

РОЛ – разность отсчётов лага. РОЛ=ОЛ2 – ОЛ1.

Часто поправку лага выражают через коэффициент лага kл.

Поправку лага и скорость судна определяют после постройки или ремонта на специальных полигонах – мерных линиях при следующих условиях: волнение не более 3 баллов, ветер до 8 м/с, глубина не менее 6 средних осадок.

Поправка лага и скорость судна определяются на ППХ, СПХ, МПХ, СМПХ в грузу и в балласте.

Полученные результаты заносят в таблицу маневренных элементов.

При отсутствии течения на мерной линии делается 1 пробег.

При наличии постоянного течения для его исключения делается 2 пробега, т.к. на взаимно обратных курсах из формулы (1) на первом пробеге, предположим, V = V1 — VT , тогда на втором пробеге V = V2 — VT . Совместное решение этих двух уравнений позволяет исключить течение и определить скорость судна относительно воды.

Соответственно определится и поправка лага: рассчитываются по формуле (2) для двух пробегов.

Если на судне установлен винт фиксированного шага, то во время пробегов замечают скорость оборотов винта N и составляют зависимость от неё скорости судна Vоб. Тогда пройденное расстояние можно определить по формуле: , где a — аванс, т.е. расстояние проходимое судном относительно воды за один оборот движителя. Рассчитывается по Vоб и соответствующей ей частоте вращения движителей N: . .

В море скорость и поправка лага определяются по свободно плавающему ориентиру (для исключения течения) с помощью РЛС или с помощью высокоточных обсерваций (по спутникам) с исключением течения графически или по формулам. Для исключения накапливающихся погрешностей длина одного пробега должна составлять при скорости 10 уз. – 2,3 м.мили; 15уз. – 3,6 м. мили; 18 уз. – 4,3 м.м или; 20 уз. – 4,9 м.мили (Н. В. Авербах, Ю. К. Баранов Определение маневренных элементов морского судна и поправки лага). Тогда

.

Задачи, решаемые при ведении счисления.

Предвычисление отсчёта лага: ОЛi+1=РОЛ+ ОЛi, где РОЛ=Sл/kл.

Расчёт расстояния, пройденного по лагу: Sл=VлDT.

Источник