ELEKTRONIKA NAVIGACIJA DUBINOMJERI Mjerenje dubine mora Za navigacijsku

ELEKTRONIČKA NAVIGACIJA DUBINOMJERI

Mjerenje dubine mora • Za navigacijsku praksu najveću važnost imaju dubine do 100 metara, a iznimno do 200 metara bez kontaktne mine • Sredstva za neposredno mjerenje dubine su dubinomjeri koji se dijele na: • Priručna sredstva • Hidrostatske dubinomjere • Ultrazvučne dubinomjere

Mjerenje dubine mora • Dubina mora je jedan od vrlo važnih podataka u navigaciji, naime mjerenje dubine staro je koliko i sama navigacija. Dovoljna dubina vode je temeljni uvjet neophodan za sigurnu plovidbu broda. • Mjerenje dubine naročito je potrebno u područjima malih dubina i u područjima gdje se dubine mijenjaju primjerice na ušćima rijeka, itd. • Također dubinu mora potrebno je mjeriti tamo gdje se sumnja u dubinu uslijed rijetke premjere, nepovezanih izobata itd. Ponekad pri gustim maglama dubina je dodatni podatak za orijentaciju. Treba istaknuti da je često potrebno mjeriti dubinu da bi se ustanovila konfiguracija dna za sidrenje. U svakom slučaju izmjerenu dubinu mora potrebno je reducirati na razinu karte. Označene dubine na kartama svedene su na razine hidrografske nule.

Mjerenje dubine priručnim sredstvima • Za mjerenje dubine mora u lukama može se koristiti čaklja. To je štap dužine 5 metara podijeljen na decimetre obojane naizmjenično bijelom i crnom bojom, a metri su označeni crvenim pojasom širine 1 dm, dubina se mjeri iz čamca ili niske platforme ili sa obale. • Ručni dubinomjer (olovnica) je pletena uzica dužine 50 m s olovnim utegom na kraju. Uzica ima označen svaki metar upleten kožnom trakom, dok je 5, 10, 15 i 20 m označeno sa 1, 2, 3 ili 4 čvora. Na 25 m dužine uzica je označena upletenim crvenim platnom, a 50 m žutim platnom. Dubine 30, 35, 40 i 45 m označene su sa 1, 2, 3 ili 4 čvora. Olovni uteg od 2 do 3 kg ima na dnu udubljenje ispunjeno lojem ili voskom koje služi za prikupljanje nanosa morskog dna. Ručni dubinomjer služi za mjerenje dubine kad brod stoji, ako brod vozi nekom brzinom uzica neće biti postavljena vertikalno pa izmjerena dubina neće biti točna (npr: za kut od 10° dubina je oko 2% manja od očitane dubine). Ručni dubinomjer se ne može koristiti za mjerenje dubina većih od 50 m, niti za brzine veće od 10 čv.

Hidrostatski dubinomjer • Naziva se još i Thomsonov dubinomjer. Princip rada zasniva se na Boyle. Moriottovom zakonu, produkt pritiska i volumena tekućine je konstanta. Kako je pritisak p na određenoj dubini h tekućine razmjeran dubini h i specifičnoj težini γ tekućine, to se za mjerenje dubine koristi staklena cjevčica zatvorena na jednoj strani. Otvoreni kraj cjevčice okrenut je prema dnu mora i što je dubina na kojoj je cjevčica veća to je i visina stupca mora u cjevčici veća, odnosno volumen zraka je manji. Da bi se moglo odrediti do koje se visine podigao stupac vode, cjevčica je s unutarnje strane premazana srebrnim kromatom (Ag 2 Cr 2 O 7) koji ima crveno-smeđu boju i koji se stvara u slanoj vodi mijenjajući boju u sivu. Nakon vađenja cjevčice iz mora isprani dio srebrnog kromata pokazuje granicu do koje visine je stigla morska voda. Pomoću baždarene daščici i neispranog dijela cjevčice na baždarenoj daščici se očitava dubina mora.

Hidrostatski dubinomjer • Promjenom temperature zraka u odnosu na temperaturu vode također utječe na povećanje ili smanjenje volumena zraka u cjevčici. Ova pogreška iznosi 3% za svaka 3°C razlike u temperaturi. Slanost mora utječe na ispiranje srebrnog kromata pa se za manje slana mora ili za slatku vodu na otvor cjevčice stavlja malo soli.

Ultrazvučni dubinomjer • Mjeri vrijeme potrebno da ultrazvučni impuls prijeđe put od broda do dna mora i da se jeka vrati do broda. Na osnovu tog vremena i poznate brzine širenja zvuka kroz vodu može se odrediti dubina mora :

Ultrazvučni dubinomjer

Ultrazvučni dubinomjer • Ovdje se kao problem javlja određivanje vremena t s obzirom da se obično radi o dijelovima sekunde. U praksi postoji nekoliko rješenja ovog problema. Najjednostavniji način određivanja vremena je pomoću rotirajućeg diska. Na osovini motora koji se okreće konstantnom brzinom su disk i kontaktni sustav. Brzina okretanja diska ovisi od brzine zvuka kroz vodu i raspona mjerenja dubine. Vrijeme jednog punog okreta diska se izračunava iz izraza:

Zapis dubine na papir dubinomjera

Prikaz dubine svjetlećim diodama

Blok shema ultrazvučnog dubinomjera (1 ms = 1, 5 m)

Problem promjene brzine zvuka kroz vodu • Brzina zvuka kroz vodu zavisi o gustoći vode. Gustoća vode raste povećanjem pritiska i saliniteta, a smanjuje se povećanjem temperature. Najmanje promjene gustoće nastaju zbog promjene pritiska. Na brzinu zvuka kroz vodu najviše utječu promjene saliniteta i temperature. Temperatura, salinitet i pritisak su u realnim uvjetima stalno promjenjive veličine, ali su njihovi gradijenti po horizontali i na malim udaljenostima približno jednaki nuli, dok po vertikali znatno ovise o dubini. Pri tom pritisak raste s dubinom, dok temperatura i salinitet mogu imati i suprotan tijek. Za povećanje temperature za 1°C brzina zvuka se povećava približno za 3, 6 m/s. Povećanje saliniteta za 1 promil izaziva povećanje brzine zvuka za približno 1, 2 m/s. Pritisak raste s dubinom i za promjenu dubine od 10 m, odnosno za promjenu pritiska od 1000 h. Pa brzina zvuka poraste za 0, 2 m/s. • Brzina zvuka kroz morsku vodu iznosi 1500 m/s pri temperaturi mora od 16°C i salinitetu 30 promila ili 3%. Ultrazvučni brzinomjeri su obično podešeni za brzinu zvuka kroz vodu od 1500 m/s s mogućnošću korekcije za stvarnu brzinu zvuka.

Brzina ultrazvuka i dubina mora

Brzina ultrazvuka u funkciji saliniteta morske vode - u slatkoj vodi je stvarna dubina za približno 3% manja od dubine izmjerene ultrazvučnim dubinomjerom

Pogreška u mjerenju dubine u funkciji temperature i saliniteta

Refleksija ultrazvučnog vala

Refrakcija (lom) ultrazvučnog vala

Ultrazvučni titraji • Prodornost mehaničkih titraja iste jačine zavisi o frekvenciji i mediju kroz koji se titraji šire. U ovisnosti o frekvenciji titraji se dijele na: • Infrazvučne (0 -16 Hz) • Zvučne (16 Hz – 17 k. Hz) • Ultrazvučne (>17 k. Hz, čije su granice uvjetne) • Infrazvuk nema praktičnu primjenu u navigaciji, a zvučna frekvencija ima veći domet od ultrazvučne frekvencije za istu jačinu izvora i isti medij, ali se ne koristi kod dubinomjera zbog težeg usmjeravanja zvučnog snopa (vibrator bi morao biti velikih dimenzija) i prijama zvuka nastalog vodom propelera i turbulencije vode oko trupa broda. Ultrazvučne frekvencije se mogu dobro usmjeriti vibratorom malih dimenzija, ne primaju se zvučne smetnje, a domet je dovoljan za mjerenje i najvećih dubina (npr: frekvencija od 30 Hz ima domet 27 NM). Nedostatak je veliki gubitak snage (sa kvadratom frekvencije). Optimalna frekvencija za dubinomjere je između 18 k. Hz i 50 k. Hz.

Vibratori • Služe za stvaranje mehaničkih titraja ultrazvučne frekvencije. Za rad dubinomjera koriste se dva tipa elektromehaničkih vibratora: • Piezoelektrični • Magnetostrikcijski

Piezoelektrični vibratori • Koristi se piezoelektrični efekt koji je karakterističan za neke kristale kao što su npr: kvarc (Si. O 2), barijev titant (Ba. Ti. O 3), olovni titant (Pb. Ti. O 3), itd. Kristal kvarca umetnut između dvije metalne pločice i podvrgnut mehaničkom pritisku pokazuje na jednoj strani pozitivan, a na drugoj strani negativan napon i obratno, ako se na kristal kvarca dovede izmjenični napon, kristal počinje u ritmu frekvencije mijenjati onu dimenziju na koju je napon doveden. Ova pojava se zove piezoelektrični efekt • Mehaničkim djelovanjem na pločicu kristala javlja se izmjenični napon koji je po dužini kristala proporcionalan sili i ne ovisi o dimenziji kristala, a napon po debljini kristala ovisi o odnosu dužine i debljine kristala, a ne ovisi o sili. Pravilnim izborom dužine i debljine kristala dobiva se najpovoljniji efekt, a maksimalna amplituda mehaničkih i električnih titraja se postiže izjednačavanjem frekvencija izmjeničnog napona s prirodnom frekvencijom kristala, tj. rezonantnom frekvencijom.

Piezoelektricitet – mehaničko djelovanje (sila) Kristal kvarca umetnut između dvije metalne pločice i podvrgnut mehaničkom pritisku pokazuje na jednoj strani pozitivan, a na drugoj strani negativan napon i obratno, ako se na kristal kvarca dovede izmjenični napon, kristal počinje u ritmu frekvencije mijenjati onu dimenziju na koju je napon doveden. Ova pojava se zove piezoelektrični efekt.

Piezoelektricitet – el. djelovanje - napon djeluje na kristal Mehaničkim djelovanjem na pločicu kristala javlja se izmjenični napon koji je po dužini kristala proporcionalan sili i ne ovisi o dimenziji kristala, a napon po debljini kristala ovisi o odnosu dužine i debljine kristala, a ne ovisi o sili. Pravilnim izborom dužine i debljine kristala dobiva se najpovoljniji efekt, a maksimalna amplituda mehaničkih i električnih titraja se postiže izjednačavanjem frekvencija izmjeničnog napona s prirodnom frekvencijom kristala, tj. rezonantnom frekvencijom.

Piezoelektrični vibratori • U izradi kvarcnog vibratora koristi se više kristala složenih u obliku kružnog mozaika između dvije čelične ploče. Dovođenjem izmjeničnog impulsa struje na vibrator kristali kvarca mehanički zatitraju, to titranje se preko ploče koja je u moru prenosi na morsku vodu i usmjerava prema dnu. Odbijeni valovi s dna mora udaraju u donju čeličnu ploču čime se mehanički djeluje na kvarc na čijim stranicama se javlja napon a dobivena struja se nakon pojačanja vodi na indikator dubinomjera • Ovi vibratori su vrlo osjetljivi na vibracije i udare različitog porijekla(sudar, nasukanje, …), a najčešći kvarovi su zbog loše izolacije izazvane povećanom vlagom. Jedan piezoelektrični vibrator obično služi kao predajni i prijamni pa je time pogreška u mjerenju dubine zbog polovine udaljenosti između vibratora dubinomjera svedena na nulu.

Magnetostrikcijski vibratori • Princip rada: u promjenjivom magnetskom polju određeni metali mijenjaju svoje dimenzije (efekat JOULEA) i obratno mijenjanjem dimenzija javlja se magnetsko polje koje u zavojnici oko metala stvara električnu struju (efekat VILLARIJA). Taj efekat je najizraženiji kod nikla, a nešto manje kod kobalta, čelika, kromnikla i permaloja. Pozitivan magnetostrikcijski efekt (+Δl) imaju oni metali koji se produže pod utjecajem magnetskog polja H, a negativni (-Δl) oni koji se pod utjecajem magnetskog polja skraćuju. Npr: čelik se u promjenjivom magnetskom polju najprije produžava, a pojačanjem magnetskog polja se skraćuje. Obrnuti efekat pokazuje kobalt. Čisti nikal ima izraziti negativni magnetostrikcijski efekat, ne korodira i zato se najviše koristi za izradu vibratora • Šipka nikla se koristi kao jezgra zavojnice kroz koju teče izmjenična struja. Šipka se skraćuje dva puta u svakom ciklusu: kad je struja mala šipka ima svoju nominalnu dužinu, a za vrijeme pozitivne i negativne poluperiode šipka se skraćuje. Kad se frekvencija izmjenične struje podesi na prirodnu frekvenciju nikla vibracije postaju vrlo jake. U praksi se najčešće koriste pločasti, prstenasti i vretenasti magnetostrikcijski vibratori.

MAGNETOSTRIKCIJA U promjenjivom magnetskom polju određeni metali mijenjaju svoje dimenzije (efekat JOULEA) i obratno mijenjanjem dimenzija javlja se magnetsko polje koje u zavojnici oko metala stvara električnu struju (efekat VILLARIJA). Taj efekat je najizraženiji kod nikla, a nešto manje kod kobalta, čelika, kromnikla i permaloja. Pozitivan magnetostrikcijski efekt (+Δl) imaju oni metali koji se produže pod utjecajem magnetskog polja H, a negativni (-Δl) oni koji se pod utjecajem magnetskog polja skraćuju. Šipka nikla se koristi kao jezgra zavojnice kroz koju teče izmjenična struja. Šipka se skraćuje dva puta u svakom ciklusu: kad je struja mala šipka ima svoju nominalnu dužinu, a za vrijeme pozitivne i negativne poluperiode šipka se skraćuje. Kad se frekvencija izmjenične struje podesi na prirodnu frekvenciju nikla vibracije postaju vrlo jake.

Magnetostrikcija različitih materijala

Unutarnji magnetostrikcijski pretvornik

Vanjski magnetostrikcijski pretvornik

Pločasti vibrator • Koristi se jezgra napravljena od puno tankih niklenih pločica-lamela oko kojih se nalazi zavojnica (elektromagnet). Kad se na zavojnicu elektromagneta dovede impuls izmjenične struje niklene lamele pojedinačno ili skupno mijenjaju svoju dužinu u dvostrukom ritmu izmjenične struje za vrijeme trajanja impulsa. Vibracije jezgre se preko membrane prenose na morsku vodu i usmjeravaju prema morskom dnu. Povratna jeka zatitra membranu a time i jezgru pa se u zavojnici stvori električna struja iste frekvencije kao i mehanički titraji membrane, odnosno jezgre. • Nakon pojačanja signal jeke se dovodi na indikator dubinomjera. Ova vrsta vibratora može zvučnu energiju pretvoriti u električnu čak i kod vrlo slabog signala (npr: 0, 00000008 W).

Prstenasti vibrator • Sastoji se od valjka kojeg čini paket niklenih pločica oko kojeg je namotana zavojnica. Električni impuls stvara u zavojnici kratkotrajno promjenjivo magnetsko polje, što izaziva radijalno titranje prstenaste jezgre. Radijalno titranje se reflektorom usmjerava prema dnu mora. Da bi se povećala snaga titraja, reflektor je zatvoren i čitav prostor vibratora je ispunjen vodom ili uljem. Kod predaje impulsa stvara se jako magnetsko polje čime je i povratni signal dovoljno jak da zatitra membranu odnosno prstenastu jezgru.

Vretenasti vibrator • Jezgra ovog vibratora sastavljena je od velikog broja do 600 - tankih štapića nikla koji su jednim krajem pričvršćeni na metalnu membranu.

Općenito o vibratorima • U sva tri slučaja (pločasti, prstenasti, vretenasti vibrator) niklene pločice lamele ili štapići su uvijek međusobno izolirani da bi se otklonile vrtložne struje. • Električni impulsi ultrazvučne frekvencije stvaraju se punjenjem kondenzatora visokim naponom ili generiranjem osciliranja u tranzistorskom oscilatoru. U prvom slučaju kondenzator se prazni kroz zavojnicu vibratora, a u drugom slučaju stvorene oscilacije se višestruko pojačavaju. • Jedan magnetostrikcijski vibrator kao predajni i prijamni se nikad ne koristi zbog potrebe veće osjetljivosti koje mora imati prijamni vibrator. Zato zavojnica prijamnog vibratora mora imati mnogo veći broj zavoja od predajnog vibratora kako bi slabi titraji jeke mogli stvoriti električnu struju dovoljne jačine za dobivanje povratnog signala na indikatoru. Niklene jezgre prijamnog vibratora, se povremeno magnetiziraju , kako bi jezgra prijamnog vibratora uvijek bila permanentni magnet.

Općenito o vibratorima • Vibratori se na brodu montiraju u poseban tank napunjen tekućinom ili u otvor na trupu u ravnini s oplatom. • Radi smanjenja baze L vibratori nisu na većoj udaljenosti od 4 metra, a najmanja udaljenost je 1 metar radi izbjegavanja indukcije predajnog na prijamni vibrator. Vibrator mora biti dovoljno udaljen od izvora neželjenih zvučnih vibracija, turbulencije propelera, otvora sisaljki, itd. • Obično se koriste dva magnetostrikcijska ili jedan piezoelektrični vibrator. Veliki brodovi mogu imati po dva para vibratora na pramcu i blizu krme. Oba para vibratora se mogu naizmjenično priključiti na jedan predajnik i indikator.

Pogreške ultrazvučnih dubinomjera • Pogreške u izmjerenoj dubini pomoću ultrazvučnog dubinomjera mogu nastati zbog: • • Stalna i proporcionalna pogreška dubinomjera Promjene brzine zvuka kroz vodu Promjene brzine kretanja broda Nagiba dna i vrste morskog dna Refleksija sa sloja mora drugačijih značajki Valjanja i posrtanja broda Instrumentalnih pogrešaka

Stalna i proporcionalna pogreška dubinomjera

Pogreška izmjerene dubine zbog promjene brzine zvuka kroz vodu

Pogreška izmjerene dubine zbog promjene brzine kretanja broda

Pogreška izmjerene dubine zbog nagiba i vrste morskog dna • Kamenito dno daje vrlo jaku jeku i može se dogoditi da se na papiru rekordera pojave dvije ili tri linije jeke zbog dvostrukog ili trostrukog odbijanja ultrazvuka. Ako je koeficijent odbijanja ultrazvuka od kamenitog dna uvjetno uzeto 1, onda je za pjeskovito dno 0, 02, a za muljevito dno svega 0, 001. Ako je kamenito dno prekriveno muljem ehogram će pokazivati dvije linije jeke od kojih je prva znatno slabija od druge.

Refleksija sa sloja mora drugačijih značajki

Pogreške pri valjanju broda • Pogreška dubine pri valjanju broda nastaje zbog promjene ravnine membrane vektora u odnosu na horizont i prisustva veće količine zračnih mjehurića u površinskom sloju mora. Ta pogreška može biti dosta velika pa se pri jakom valjanju broda ne preporuča mjeriti dubinu odnosno tako izmjerenu dubinu treba uzeti kao orijentacijsku. Pri vožnji krmom ako su vibratori blizu propelera javit će se jeka blizu nulte linije zbog zračnih mjehurića ispod kobilice nastalih radom propelera i strujanjem morske vode, te će izmjerena dubina biti upitna.

Instrumentalne pogreške

Instrumentalne pogreške – Pitagorina pogreška