Elektronska navigacija predavatelj: mag. Andrej Androjna Portorož, 21. februar 2012

Vsebine 1/3 predmeta Magnetni kompas (3) Vrtavčni - žiro kompas (4h) Globinomerji (2h) Brzinomerji (3h) Ponavljanje (1h) Preverjanje znanja – kolokvij 27.3.2012 (2h)

predmet: Elektronska navigacija predavatelj: mag. Andrej Androjna Magnetni kompas predmet: Elektronska navigacija predavatelj: mag. Andrej Androjna Portorož, 21. februar 2012

Učna vprašanja Definicija magnetnega kompasa Zemeljski magnetizem in njegovi elementi Magnetna deklinacija oz. variacija Ladijski magnetizem Kompas Magnetni kompas Izračun variacije

Definicija Magnetni kompas je priprava za določanje strani neba, katera za prikaz smeri meridiana uporablja zemeljsko magnetno polje oz. je naprava s pomočjo katere določimo magnetni meridian. Beseda kompas sicer izhaja iz italijanskega jezika ter predstavlja napravo za določanje strani neba, ki izkorišča vedenje magnetnice v zemeljskem magnetnem polju (magnetni kompas) ali vedenje vrtavk pri gibanju v težnem polju Zemlje (girokompas). Beseda magnet izvira iz imena mesta Magnesia v Mali Aziji, kjer je bilo nahajališče magnetita. Nekateri drugi pa menijo, da izhaja beseda magnet od pastirja Magnusa s Krete z okovanimi čevlji, ki so se prilepile na magnetno rudo. Kdo je izumil kompas, ni povsem znano. Stari kitajci so prvi uporabili magnetno iglo za določanje smeri. V času vladavine carja Hoa ng Tia, 3000 let pred našim štetjem, so se njihovi vojaki v gosti megli orientirali po vozu, v katerem je bila igla, ki je kazala štiri glavne strani sveta. To napravo so imenovali " čin nan ". Še danes kitajski mornarji uporabljajo to ime za ladijski kompas. V Evropi pa naj bi prvi kompas uporabljali Norvežani med 868 in 1100 letom. Ugotavljali so, da se magnetizirana ploščica ali žica obračata proti zvezdi Severnici. Nato so tudi Italjani spoznali preprost kompas, ki je bil sestavljen iz železne ploščice plavajoče na vodi, na plovcu iz plute ali lesa. Kompasno iglo so napravili tako, da so železno iglo drgnili z magnetom. Magnetno inklinacijo ali odklon je odkril Norman leta 1576 čisto slučajno. Ugotovil je, da se je magnetna igla po drgnjenju z magnetizmom, vedno spustila pod vodoravno ravnino. Gowin Knight je v sredini 18. stoletja raziskoval ladijske kompase in ugotovil, da so mnogi posebno v trgovski mornarici, zelo slabi in nenatančni. Magnetne igle so se ustavljale 8 stopinj zahodno ali vzhodno. Napravil je nov kompas, ki je bil boljši in so ga zato uporabljali v vojni mornarici. Kompas so poimenovali po njem se pravi Knightov kompas. Brez sprememb je ta kompas ostal v uporabi do začetka 20. stoletja. Takrat je Willian Thomson napravil nov, popolnejši magnetni kompas. Ugotovil je, da relativno slabo guganje ladje pojača osciliranje kompasa tako, da je na razburkanem morju ta neuporaben. Napravil je nov kompas, ki se je imenoval po njem Thomsonov kompas. Izpopolnil je iglo, ki je bila iz malih jeklenih žic 51-83 mm in težka 3.5 g. Igle je pritrdil na svilene nitke in lahek aluminjast prstan ter na posebno stojalo, tako so bile oscilacije manjše. Thomsonov kompas se je v prvotni obliki z manjšim tehničnimi popravki in izboljšavami ohranili v pomorstvu do danes. Tokom razvoja so napravili suhe in kompase s tekočino. Kompas z magnetno iglo je že leta 1768 na prvem potovanju uporabil kapitan Cook. To je bil tako imenovan suhi kompas, v katerem so bile igle, ki so bile uravnotežene kot na tehtnici in so se lahko nagibale v vertikalni ravnini. Modificirana verzija tega kompasa se je uporabljala na vojnih ladjah leta vse do leta 1886. Leta 1903 se je pojavil podmornični kompas na angleških podmornicah. Kompasi z vertikalno magnetno rožo okoli vodoravnih magnetov so se pojavili v začetku 1. svetovne vojne na angleških vojaških letalih. V 19. stoletju se je pojavil tudi magnetni kompas z električnim prenosom, ko so imele vojne ladje več komandnih mest. V 2. svetovni vojni pa so tak kompas postopoma uvedli v aviaciji. Nato so razvili žiromagnetni kompas. Uporabljal se je predvsem na letalih in ladjih z velikimi hitrosti.

Zemeljski magnetizem Magnetni poli Magnetni meridian Kako pa magnetni kompasi sploh delujejo? Pričeti moramo z zemeljskim magnetizmom. Za razumevanje delovanja magnetnega kompasa moramo omeniti nekaj dejstev. Zemlja ima kakor vsak drug magnet svoje magnetske pole in nevtralno linijo, kateri pravimo magnetni ekvator. Prosto viseča magnetna igla se bo postavila vedno v smeri magnetnih silnic, katere povezujejo magnetne pole Zemlje, kot je razvidno na sliki. Smer teh silnic na katerikoli točki Zemlje prikazuje smer magnetnih meridianov. Pomembno dejstvo je, da magnetni poli Zemlje niso skladni z geografskimi poli. Magnetni pol Zemlje ni točka temveč središče širšega področja krožne oblike (r=150NM). Središče tega žarišča, v katerem je smer magnetnih silnic pravokotna na ravnino horizonta, stalno menja svoj položaj. Ta običajno potuje in pokriva širše območje s severno zemljepisno širino okrog 70 stopinj in zahodno dolžino 96 stopinj. V bližini južnega zemeljskega pola je severni magnetni pol, tam magnetne tokovnice strmo izstopajo iz Zemlje. Kot pod katerim magnetne tokovnice vpadajo na vodoravna tla, se imenujejo inklinacija, na naši geografski širini 46 stopinj znaša okrog 62 stopinj. Običajno v navigaciji severni geomagnetni pol označujemo z rdečo in južni pol z modro barvo. Smer magnetnega polja Zemlje v neki točki (smer magnetskih silnic poteka od rdečega k modrem polu) predstavlja magnetni meridian. Glede na to, da se geografski in magnetni poli ne skladajo se ne sklada niti geografski (pravi) z magnetnim meridianom. Magnetni meridiani niso velike krožnice temveč nepravilne krivulje, katere nastajajo zaradi tega, ker razlika geografske širine in dolžina magnetnih polov ni 180 in zaradi neenakomerne razporeditve feromagnetnih materialov znotraj litosfere. Črte na zemljevidu, ki povezujejo kraje z enako inklinacijo, se imenujejo izokline. Kraji z inklinacijo nič so na magnetnem ekvatorju, inklinacija je največja blizu 90 stopinj v neposredni bližini obeh magnetnih polov. Torej sedaj smo spoznali pojme zemeljskega magnetizma, inklinacije in izoklin.

Magnetna deklinacija oz. variacija Izogona Letna variacija Poglejmo si še 2 pojma povezana z delovanjem zemeljskega magnetizma. Pričnimo z deklinacijo. Deklinacija je posledica zemeljskega magnetizma, zato se magnetni poli in meridiani ne pokrivajo s pravimi. Magnetna deklinacija je kot med pravim oz. geografskim in magnetnim meridianom in je lahko + E ali – W in v posameznih plovnih področjih znaša tudi do +/- 30°. Za različne točke na zemeljski obli je variacija različna in tudi s časom se spreminja. Na zemlji obstajajo tudi točke, kjer se magnetna igla postavi v nasprotno smer. V takem primeru znaša deklinacija 180 stopinj. Tako velika odstopanja so redka in so omejena na manjši prostor. Za navigacijo je zato potrebno imeti karto, na kateri so označene linije enakih deklinacij (Podatek o variaciji za določeno leto in letne spremembe dobimo na pomorskih kartah v roži vetrov). Ta sprememba znaša 1 stopinjo na 6 let. Deklinacija niha vsak dan v odvisnosti od Sonca. Največja je zvečer, večja je pozimi kot poleti. Še bolj natančno vrednost variacije dobimo iz baze podatkov, ki jih vsebujejo navigacijski računalniški programi (npr. GPS) ali pa geomagnetne karte (na sliki), kjer so vrednosti deklinacije podane z t.i. izogonami, katere združujejo vsa mesta na Zemlji z isto vrednostjo variacije. Poleg tega tudi magnetni poli nimajo vedno enakega položaja, zato se take karte vsako leto menjajo. Severni magnetni pol na primer niha v smeri vzhod - zahod. Zemeljsko magnetno polje je nagnjeno proti horizontu za kot inklinacije. Kot smo že ugotovili je na magnetnem ekvatorju inklinacija enaka nič in se povečuje z bližanjem magnetnima poloma. Magnetna igla se s horizontalno osjo nagiba za kot inklinacije in se nad magnetnima poloma postavi v vertikalni položaj. Tako lahko zemeljsko magnetno polje razstavimo na horizontalno in vertikalno komponento. Vertikalna povzroča nagib igle (INKLINACIJO), horizontalna pa jo postavlja vzdolž magnetnega meridiana. Magnetna igla se stabilizira, ko se postavi vzdolž magnetnih silnic. Na magnetnem ekvatorju je igla horizontalna. Ko gremo proti poloma nagib narašča in se nad poloma postavi v vertikalen položaj. Vertikalna komponenta se spreminja od nič na magnetnem ekvatorju do maksimalno na magnetnih polih. Tudi v Jadranskem morju so zabeležena področja, kjer prihaja do magnetnih sprememb, deklinacije oz. variacije na področju otoka Jabuke, Visa, manj zaznavne pa so tudi v okolici otokov Cres in Lošinj. Magnetne spremembe so lahko periodične (pravilne) in neperiodične (nepravilne). Periodične se lahko delijo tudi na sekularne (npr: nanašajoč se na dobo 100 let), letne in dnevne (tako minimalne spremembe, nastale zaradi vrtenja Zemlje ne vplivajo na varnost plovbe oz. so zanemarljive vrednosti). Del sekularnih sprememb so vrednosti letnih sprememb, katere so bistvu tudi najbolj pomembne za navigacijo, saj se njene vrednosti neposredno vnašajo v izračunavo kurzov in azimutov, tako pravih kot tudi magnetnih.

Ladijski magnetizem Deviacija: kot med magnetnim in kompasnim meridianom Še en pojem moramo omeniti in to je devijacija. Tudi če ladja ni grajena iz železa, nosi na sebi železne predmete kot so: sidro, verige, motor, plinska bomba itd., na vse dele ladje vpliva zemeljski magnetizem, ki jih namagneti in tako spremeni v magnete, ki odklanjajo magnetno iglo iz magnetnega meridiana v kompasni meridian. Kot med magnetnim in kompasnim meridianom imenujemo deviacija. Deviacija je pozitivna, če je kompasni meridian odklonjen vzhodno od magnetnega in negativen, če je odklon zahoden. Da bi bila deviacija čim manjša, postavimo kompas čim dalj od železnih delov čolna in električnih vodov. Deviacijo skušamo odpraviti tako, da pritrdimo v kompasnem ohišju ali v bližini kompasa kompenzacijske magnete z nasprotno smerjo delovanja magnetnega polja kot ga ustvarja železo na ladji. Na ladjah obstajajo tako imenovane tablice deviacije, ki jih vsaka ladja dobi ob splavitvi, ki se redno in neprestano kontrolirajo in dopolnjujejo med plovbo v različnih geografskih širinah in dolžinah.

Kompas Vrste kompasov: Kurz: geografski, magnetni, kompasni električni, optični, polarni. Kurz: geografski, magnetni, kompasni Sestava: ohišje in magnetna igla Torej dosedaj smo že spregovorili o definiciji, zgodovini magnetnih kompasov in silah, katere vplivajo na njegovo delovanje. Sedaj pa si poglejmo še nekaj osnovnih pojmov o kompasu samem. Kompas je naprava za določanje smeri v navigaciji. Lahko je magnetni, električni, optični in polarni. Kompas je osnovni navigacijski instrument. Služi za prikazovanje in ohranjanje smeri ladje. Prosto vpeta magnetna igla se vedno postavi tangencionalno na smer magnetnih silnic, to je v smeri magnetnega meridiana. Tako nam položaj magnetne igle in vzdolžna os določata (magnetni) kurz, po katerem pluje ladja. Kurz je kot med meridianom in vzdolžno osjo in se ga določa od smeri severa ali 0 stopinj, v smeri urinega kazalca. Vzhod predstavlja kurz 90 stopinj, jug 180 stopinj in zahod kurz 270 stopinj. Kurz lahko določimo glede na geografski, magnetni in kompasni. Geografski kurz je pravi kurz in je nepogrešljiv v navigaciji, ker je to kurz na geografskih kartah. Pravi kurz izmerimo na karti s kotomerom tako, da je njegov center na liniji poti, oznaka 0 pa na meridianu izbrane točke. Meri se v smeri urinega kazalca od 0 stopinj do 360 stopinj. Magnetni kurz se od geografskega razlikuje za kot, ki ga na določenem mestu na Zemlji oklepata geografski in magnetni meridian. Ta kot imenujemo magnetna deklinacija, magnetna igla na katero ne bi delovala nobena motnja bi se postavila v smeri magnetnega meridiana. Prisotnost stalnih magnetov, jeklenih in železnih delov, prevodnikov pod napetostjo, povzroča odklon magnetne igle od smeri magnetnega meridiana. Igla se postavi v smeri rezultante zemeljskega magnetnega polja in ostalih magnetnih polj. To je kompasni kurz, ki se od magnetnega razlikuje za kot deviacije.

Magnetni kompas Sestavni deli: Vrste: suhi in tekočinski vetrovnica s klobučkom, kotel iz bakra ali medenine, kardanski sistem, stojalo oz. podstavek. Vrste: suhi in tekočinski Magnetni kompas je naprava, ki izkorišča lastnost magnetne igle, ki se postavi v magnetni meridian. Na podlagi tega lahko odčitamo kurze ladij in azimute objektov. DELI MAGNETNEGA KOMPASA SO: - vetrovnica s klobučkom, ki je nataknjena na stebriček - kotel iz bakra ali medenine, ki je postavljen v stojalo kotla in še v kardanski sistem, ki kotlu omogoča stalno vodoravno lego - stojalo, ki služi kot podstavek inštrumentu in je iz trdega lesa. Kompase poznamo suhe in tekočinske. Pri tekočinskih je v kotlih destilirana voda in alkohol, da tekočina na višjih zemljepisnih legah ne zamrzne. Pri suhih kompasih leži vetrovnica na konici stebrička, do čim pri tekočinskih vetrovnicah, ki ima spodaj plovke, plava na tekočini, ki stabilizira udarce. Vetrovnica pri suhih kompasih tehta 15 gramov, medtem ko pri tekočinskih lahko tehta do 50 gramov. Vetrovnice so narejene iz slude, impregniranega papirja, težke svile ali aluminija. Razdelitev vetrovnice pri suhih kompasih teče od 000 do 359 stopinj za vsakih 10 stopinj v smeri urinega kazalca, pod vetrovnico imamo poleg plovkov od enega do štiri pare magnetov. Pri suhih kompasih so magneti tanke jeklene palčice dolžine od 4 do 8 cm. Pri tekočinskih pa lamelne ploščice. Klobuk vetrovnice je iz medenine, konica stebrička iz iridija, safirja ali rubina. Kotel je, kot smo že omenili, tudi iz medenine ali bakra, hermetično zaprt z vijugastim dnom zaradi krčenja ali širjenja tekočine (dno je kot meh harmonike). Črta premca je črna črta na notranji strani kotla, točno v vzdolžnici ladje proti premcu in služi kot označevalec za čitanje kurzov ladje. Kardanski sistem kompasa omogoča kotlu vodoravno lego ob valjanju ladje. Nekateri kompasi imajo na obodu ohišja smerno ploščo, katero uporabljamo za merjenje premičnih kotov ( L ), azimutov ( W ) in horizontalnih kotov. Izbira kompasa je odvisna od namene uporabe. Na voljo je množica kompasov različne kakovosti, ki so namenjeni različnim namenom. Pri natančnejših kompasih se magnetna igla umiri počasneje in obratno. Kompas, pri katerem se igla umirja zelo dolgo, je tako rekoč neuporaben, primeren je le za posebne namene, denimo za geodetske meritve.

Izračun variacije glede na leto plovbe Skupna rast= 35’ 5let x 7’= 35 Var 12= -305’ Var 12= 305’ W Var 07= -015’ Skupno upad.= 30’ 5 let x 6’= 30 Var 12= +015’ Var 12= 015’ E Na navtičnih kartah je vrednost variacije podana za leto njihove izdaje, vendar se njena uporabna vrednost doseže šele z množenjem njene vrednosti za obdobje preteklih let do danes. Seštevek se dodaja ali odvzema od vrednosti variacije na karti, odvisno pač, če je sprememba dana kot upadanje ali porast. Če je sprememba variacije podana kot naraščajoča vrednost, potem je tudi njena absolutna vrednost iz leta v leto višja. Pri upadanju, pa lahko upada do O, ter zatem vrednost raste z negativnim predznakom. Poglejmo si praktičen primer izračuna.

Vprašanja za ponavljanje Zgodovina magnetnega kompasa. Izumitelji. Pojasnite delovanje zemeljskega magnetizma v povezavi z delovanjem magnetne igle. Opišite pojem magnetne deklinacije oz. variacije. Izokline, izogone. Opišite pojem ladijskega magnetizma. Vrste kompasov. Sestava kompasa, magnetnega kompasa. Izračun variacije glede na podane parametre.

predmet: Elektronska navigacija predavatelj: mag. Andrej Androjna Vrtavčni kompas predmet: Elektronska navigacija predavatelj: mag. Andrej Androjna Portorož, 28. februar 2012

Učna vprašanja Vrtavčni kompas Lastnosti vrtavke Žiro kompas Anschütz Žiro kompas Sperry Določanje deviacije žirokompasa

Vrtavčni kompas je glavni kompas na ladji pomožni kompas – magnetni: Kp = Kk + (+/- var) + (+/- δ) Težave z var in δ – potreba po stabilnejšem kompasu – vrtavčnem Vrtavčni ali žirokompas. Glavni kompas na ladji je žiro kompas, pomožni pa je magnetni kompas, pri katerem Kp določamo s sledečo enačbo: Kp=Kk +(+/- var) + (+/- δ). Vsakomur poznani klasični magnetni kompas ima kar nekaj slabosti. Ta kompas kaže smer magnetnega severa. Kot smo že nekajkrat omenili vemo, da se magnetna in geografska pola Zemlje ne sovpadata. Medseboj sta premaknjena za nek kot, ki ga imenujemo varijacija. Varijacija pa ni konstantna ampak se s časom spreminja. Poleg tega lahko magnetno polje zemlje motijo objekti v bližini kompasa. Če ga naprimer uporabljamo na veliki ladji moramo upoštevati še dodaten odklon od pravega geografskega severa, torej devijacijo, katera je odvisna od trdega in mehkega železja. Če izvedemo na določenem φ kompenzacijo kompasa skušamo zmanjšati δ zaradi trdega železja z vzdolžnimi, prečnimi in stalnimi magneti v podstavku kompasa. Vpliv mehkega železja pa skušamo zmanjšati s Flindrsovo palico in D - korektorji. Vendar z eno kompenzacijo nismo sposobni določiti, oz. natančno ločiti mehkega in trdega železja. Zato bo dobro kompenziran tisti kompas, ki ga bomo ponovno kompenzirali na precej različni φ, s točnejšo razporeditvijo trdo in mehko železnih korektorjev. Tako bi dobili dokaj zanesljivo tablico devijacije. Vendar obstaja se polprehodno ladijsko železje; pri kovičenju v dokih in na δ vplivajo tudi razni tovori kot so železne palice, kontejnerji, steel coils, ... Tako prav δ postane nezanesljiva in jo moramo v vsaki straži računati z astronomskimi metodami, pa tudi ob vsaki spremembi kurza. Če so meteorološki pogoji slabi tudi kurz ni natančen. Vse naštete težave reši giroskopski oz. vrtavčni kompas. Ta za razliko od magnetnega kaže pravi geografski sever, ki je definiran s horizontalno komponento vektorja kotne hitrosti s katero se Zemlja vrti okoli svoje osi. Na razvoj giroskopskih senzorjev močno vplivala vojaška industrija. Z razvojem letal, ladji, podmornic, iztrelkov in nenazadnje vesoljske tehnologije se je pojavila potreba po senzorju, ki bi kazal odklon od nekega referenčnega položaja. Že leta 1852 je g. Foucault podal definicijo giroskopa. Giroskop je naprava, ki ohranja svojo orientacijo v prostoru s pomočjo vrteče mase. Definicija nam razkriva osnovni princip senzorja in je bistvena za razumevanje njegovega delovanja. Na sliki vidimo osnovno konfiguracijo mehanskega giroskopa. Tak giroskop je že zelo zastarel in se ga danes v taki izvedbi le še redko uporablja. Z razvojem tehnologije, predvsem lasersko-optične in mikroelektronske, so nastali senzorji, ki za svoje delovanje izrabljajo povsem drugačne fizikalne pojave kot klasični giroskopi. Kljub temu pa vsi ti senzorji služijo istemu namenu in zato upravičeno nosijo isto ime.

Lastnosti vrtavke je glavni kompas na ladji pomožni kompas – magnetni: Kp = Kk + (+/- var) + (+/- δ) Težave z var in δ – potreba po stabilnejšem kompasu – vrtavčnem Torej, osnovo giroskopa predstavlja vrtavka, ki je v bistvu železno telo s svojo osjo, kar najlepše vidimo na sliki, in ima to lastnost, da obdrži stalno smer v prostoru, če se le dovolj hitro vrti. Da pa bi vrtavka ohranila isto smer v prostoru morajo biti njene osi proste, okoli ene osi se vrtavka vrti, osi ki sta pravokotni nanjo pa morata biti prosti. Da bi vrtavka ohranila svojo lastnost iste smeri v prostoru mora imeti proste vse tri osi. To lahko dosežemo na dva načina: vrtavko vpnemo v kardanski sistem, kar uporablja kompas Sperry, ali pa , če vrtavka lebdi v tekočini, kar uporabljamo pri kompasu Anschütz. Oba primera navedenih kompasov si bomo ogledali v nadaljevanju.

Moment količine gibanja vrtavke - H H - moment količine gibanja vrtavke Ω - kotna hitrost I - moment vztrajnosti n - število obratov vrtavke/min r1 in r2 zunanji in notranji radij mase vrtavke H = I * Ω I = m*(r12 + r22/2) (kg/m) Ω = 2πn/60 (s-1) Da pa bi vrtavka res imela hitrost ohranitve smeri v prostoru se mora zelo hitro vrteti in mora imeti veliko maso. Kratko povedano mora imeti velik moment količine gibanja zvrka (H). Da bi vrtavka res ohranila svoje lastnosti mora biti moment količine gibanja vrtavke (H) zadosten, torej produkt momenta vztrajnosti in kotne hitrosti čim večji. Velik moment vztrajnosti (I) dosežemo s pravilno razporeditvijo mase vrtavke okoli osi. Kar zadeva kotno hitrost, mora biti velika, pri kompasu Anschütz z 20.000 obrati/min in manjšimi vrtavkami, pri kompasu Sperry pa z 10.000 obrati/min in večjimi vrtavkami. Torej eno izmed dveh lastnosti tj. moment količine gibanja smo že omenili. Sedaj pa poglejmo še naslednjo lastnost – precesijo.

Precesija vrtavke - zvrka Definicija: Precesíja je način gibanja osno simetrične vrtavke (na primer giroskopa) pod vplivom zunanjega navora, denimo takrat, ko vrtavka ni podprta v težišču. Pri precesiji os vrtenja ne miruje, ampak se giblje tako, da opisuje plašč stožca. Precesija je značilnost žiroskopa pri čemer se glavna os vrtavke ne giblje v smeri delovanja neke zunanje sile oz. nasprotujoče si sile, temveč pravokotno na smer rotacije vrtavke oz. zvrka. Povedano z drugimi besedami je smer precesije pravokotna na ravnino, ki jo tvorita os vrtavke in nastopajoča sila. Poglejmo malce nazorneje: Če na glavno os X žiroskopa deluje neka zunanja sila F, se glavna os giblje pravokotno na ravnino delovanja sile, tj. v ravnini momenta zunanje sile. Če na glavno os X žiroskopa deluje neka zunanja sila F, se glavna os giblje pravokotno na silo v smeri momenta sile MF, kar pomeni, da se glavna os X giblje v ravnini X0y. To gibanje glavne osi imenujemo precesija in se pojavlja vedno kadar se moment zunanje sile MF ne sklada z momentom količine gibanja vrtavke H. Nenazadnje to pomeni, da je precesijko gibanje žiroskopa mogoče samo okoli horizontalne osi Y – kadar sila F deluje na vertikalno os V oziroma samo okoli vertikalne osi, če sila F deluje na horizontalno os Y.

Pretvorba vrtavke v vrtavčni kompas Pri pretvorbi vrtavke s tremi prostimi osmi želimo doseči, da bo os vrtavke vedno kazala v smeri geografskega meridiana. Posledično to pomeni, da bo potrebno os vrtavke obtežiti. Poglejmo si na primeru obtežitve osi vrtavke z balističnimi utežmi, ki so sestavljene iz dveh cilindrov, napolnjenimi z živim srebrom in povezanimi s cevko, kot v vezni posodi na sliki skrajno levo. Če te uteži delujejo v vertikalni smeri na os bo le-ta začela zaradi sile nanjo precesirati in bo opisala elipso kot je razvidno na sredinski sliki. Ta precesija se bo nadaljevala in zopet nimamo kompasa. Če pa balistične uteži iz vertikalne ravnine odmaknemo za 1 - 2 dobimo pridušene precesijske oscilacije kot jih prikazuje slika skrajno desno. Os vrtavke se nato ustavi v meridianu in je vzporedna s horizonatlno ravnino. Tako smo končno dobili kompas, ki kaže pravi N (Np), vendar kaže Np samo v primeru, da je na Zemlji na nepremičnem mestu. Čim pa se ladja giba npr. proti N, horizont ne pada več proti E in os vrtavke ne stoji več pravokotno na E – W linijo, ampak na linijo padca horizonta, ki ga povzroča vrtenje Zemlje in gibanje plovila. Tako pridemo do pojma δž – deviacija žirokompasa. Naj ne pozabim na tem mestu omeniti, da se precesijsko gibanje zaradi balističnih uteži ustavi šele po 4 urah. Zato je kompas od vklopa za naslednje 2-4 ure neuporaben!!!!!

Deviacija žirokompasa b=hitrost plovila v Nm/h WE = velikost komponente zemeljske rotacije v neki točki WE = 900 cos φ __ ___ Vrednost napake v vožnji: tg δž1= - BC/WC tg δž1= - b cos Kp / 900 cos φ + b sin Kp δž1 = - b cos Kp / 900 cos φ tg 1 = - b cos Kp / 900 cos φ 0.017455 = - b cos Kp / 15.75 cos φ δž1 = - 0.06347 b cos Kp sec φ δž1 = A°- 0.06347 b cos Kp sec φ Sedaj pa k našemu pojmu δž – deviaciji žirokompasa. Odklon glavne osi žirokompasa od pravega meridiana imenujemo deviacija žirokompasa in jo označujemo z δž. Pozitivna je, če je glavna os vrtavke odmaknjena od meridiana proti vzhodu in negativna, če je odklonjena proti zahodu. Deviacija žirokompasa predstavlja vsoto napake: vožnje, geografske širine ter balističnih in ostalih napak. Najbolj pogosta napaka vožnje nastaja zaradi premikanja platforme (ladje) na kateri se nahaja žirokomopas. Mi bomo danes pozornost posvetili predvsem tej napaki. Vi pa preučite tudi napake žirokompasa, katere nastanejo zaradi geografske širine, balistične napake in napake inštaliranja kompasa. Torej, sedaj govorimo o devijaciji žira zaradi napake v vožnji. Glavna os občutljivega elementa žirokompasa se postavlja pravokotno na smer rotacije Zemlje, zaradi premikanja ladje pa se postavlja pravokotno na njen njen kurs. Glede na to, da se smer rotacije Zemlje na sklada s kursom ladje se glavna os žirokompasa postavlja v rezultanto teh dveh gibanj. Velikost komponente Zemeljske rotacije WE v neki točki je odvisna od ekvatorialne linearne hitrosti rotacije in geografske širine. Pri tem upoštevamo radij Zemlje (6366729 m), vrednost navtične milje 1852m ter linearno hitrost neke točke na ekvatorju, katera znaša 900 vozlov. Torej, na neki geografski širini znaša Velikost komponente Zemeljske rotacije oz. hitrost neke točke zaradi vrtenja Zemlje WE = 900 cos φ. Vrednost napake v vožnji se odreja kot tangens vektorja BC in WC oziroma - b cos Kp / 900 cos φ + b sin Kp. Za majhno vrednost deviacije tg δž lahko pišemo kot rezultat δž * tg 1°, drugi člen v imenovalcu (b*sin Kp) je nepomemben v primerjavi s prvim členom (900 * cos φ) in se lahko zanemari. Seveda pa tega ne smemo zanemariti pri zelo visokih hitrostih plovbe oz. pri plovbi na zelo visokih geografskih širinah. Tako je devijacija enaka δž1 = - b cos Kp / 900 cos φ tg 1 = - b cos Kp / 900 cos φ 0.017455 = - b cos Kp / 15.75 cos φ = - 0.06347 b cos Kp sec φ . Če končno še predpostavimo inštalacijsko napako žiro kompasa, ko njegova premčnica ni v vzdolžnici ladje, dobimo končno formulo za δž na ladji, katera se glasi: δž1 = A°- 0.06347 b cos Kp sec φ. Kako opazimo, da ima ladja inštalacijsko napako? – Ladja v vseh kurzih pada v eno smer za vrednost A! Na primeru videna vrednost deviacije žira ni zanemarljiva količina, zato jo moramo upoštevati! Primer: δž1 = - 0.06347 b cos Kp sec φ b ‹ 24 Kp = 0 - 180 φ ‹ 60° N/S δž1 ‹ 0,06347 x 24 x 1 x 2 δž1 ‹ 3

Žiro kompas Anschütz Sedaj pa si poglejmo enega izmed najbolj pogostih predstavnikov žirokompasov na ladjah trgovske mornarice, t.j žirokompas Anschutz. Na sliki je razvidna matica kompasa. V znanjem ohišju je najprej spravljen kotel, obešen v kardanski sistem (4). Znotraj kotla je spremljajoča krogla (5) obešena na pajkove noge – na njenem zgornjem delu je matična roža (1). Znotraj spremljajoče krogle je lebdeča krogla (7), ki ima tri bakrene elektropropustne segmente, zgornjo in spodnjo kaloto in ekvatorijal na katerem je stopinjska razdelitev od 0-360°. Znotraj lebdeče krogle sta dva zvrka, katerih osi obeh silijo v N, tako da je končni izid tak, da simetrala obeh osi kaže N. V krogli se nahaja inertni plin – vodik, krogla je zaprta z dvema kalotama in ekvatorijalom, ostali del je bakeliten. Krogla mora lebdeti znotraj spremljajoče krogle, da ne pride do precesije. Zato mora biti okolna tekočina postavljena na pravilno specifično težo krogle. Specifično težo krogle uravnavamo s pravilnim razmerjem destilirane vode in glicerina, v tekočini pa je še benzolova kislina, ki omogoča dotok električnega toka do zvrkov. Da bi tekočina res imela pravo specifično težo mora imeti pravo temperaturo (med 49 in 52C), zato so v kotel potopljeni grelci za gretje, izpod kotla pa ventilator za hlajenje – oboje za vzdrževanje prave temperature tekočine. Sinhronizacijo lebdeče krogle, ki ednina kaže N, z zgornjo matično ploščo in hčerami omogočajo sinhronizatorji (2). V ohišju vidimo še mesti 8 in 11, kjer je kontrolna plošča in ojačevalec, izpod kotla pa utež, ki v kardanskem sistemu drži kotel vodoravno. Matični kompas je običajno postavljen v posebno sobo, na sredino vzdolžnice ladje in je klimatiziran, razen pri manjših plovilih, kjer je direktno pod avtopilotom. Od matične rože matičnega kompasa potem prenašamo rože na ostale odjemnike – hčerke, kot sta npr, hčerki na krilih mostu, pomembna hčerka je na avtopilotu, ARPA radarju in drugje (v kabini poveljnika, upravitelja stroja itd).

Sistem napajanja vrtavk Sedaj pa si poglejmo še malce nazorneje delovanje samega žirokompasa. Pričeli bomo s sistemom napajanja zvrkov oz. vrtavk z električnim tokom. Na sliki je prikazana matična roža, os pod njo, nato na pajkovih nogah obešena spremljajoča krogla in znotraj nje lebdeča krogla. V srednjem delu slike se nahajajo varovalke in žarnice, spodnji del slike pa prikazuje napravi, ki sodita k vsakem navigacijskem instrumentu, na levi je plošča za vklop elektromotorja in na desni generator. Običajno se obe napravi nahajata v klimatizirani posebni sob i poleg matičnega kompasa. Stator je rotacijski element, ki za svoje delovanje potrebuje določeno napetost in frekvenco električnega toka. Da vi se vrtavki Anschutzovega kompasa dejansko vrteli z 20.000 obrati/min potrebujemo 3 fazni tok za stator v katerem se vrti kot rotor zvrk oz. vrtavka s 3 fazno izmenično napetsotjo 110V in 333Hz. Običajno pa imamo na ladjah pomožne dizel motrorje, ki imajo ob sebi električni motor katerega poganjajo in ustvarjajo s tem 3 fazni tok, največkrat 380V in 60Hz. Ta tok, ki ga imamo na ladji moramo zato transformirati za vsak navigacijski inštrument v električne tokove, ki jih ta element potrebuje. Ko vklopimo žirokompas Anschutz pretaknemo stikalo na kontrolni plošči iz 0 na 1 in tako spustimo ladijski tok – 3 fazni 380V in 60 Hz v škatlo in iz nje po spodnji liniji v motor generator, ta pa nam iz zgornjega generatorskega dela postreže z potrebnim 3 faznim tokom 110V in 330 Hz, ki ga kompas potrebuje. Ta tok gre po zgornji liniji nazaj v škatlo in nato iz nje naprej na varovalke v srednjem kontrolnem delu. Od varovalk poteka tok preko kontrolnih žarnic, vsaka faza po svoji žici do osi izpod matične rože na 3 spodnje drsne prstane. Iz spodnjega prstana gre v spodnjo kaloto, iz tretjega pa v zgornjo kaloto. Te tri faze gredo nato skozi prevodno tekočino na kalote in ekvatorijal lebdeče krogle, od tod pa na statorska navitja obeh zvrkov. To vrtilno magnetno polje v statorju povzroča vrtenje rotorja, ki predstavlja zvrk kompasa. Ob vklopitvi žirokompasa je tok v statorju močan zato žarnice jasno gorijo in nato smo pred tem že vklopili stikalo izpod njih, ki omogoča vse izpeljave v lebdečo kroglo. Šele ko zvrki dobijo prave obrate žarnice začnejo šibkeje svetiti, nato pa pretaknemo stikalo za spremljanje matične plošče in hčerk. Opomba: pri napajanju lebdeče krogle je potrebno omeniti, da je tretja faza v spodnjo kroglo obrnjena za 180°, kar daje med spodnjo kaloto, spremljajočo in lebdečo kroglo magnetno polje, ki še dodatno odbije kroglo navzgor, da glede na pravilno mešanico tekočine, temperatura tekočine s tem odbojem dejansko lebdi znotraj spremljajoče krogle, kar preprečuje precesijo.

Sistem spremljanja lebdeče krogle Sistem spremljanja lebdeče krogle. Poglejmo si kako matična krogla spremlja lebdečo kroglo. Edina stvar, ki se pri kompasu ne premika je lebdeča krogla, katere simetrala zvrkov je vzporedna s horizontom in kaže v smeri geografskega meridiana. V tem slučaju sta kontakta na spremljajoči krogli (W1 in W2) Winstonovega mosta na neprevodnem delu ekvatorijala lebdeče krogle, čim ladja spremeni kurz bo lebdeča krogla ostala v smeri N, spremljajoča pa se bo z ladjo obrnila. V tem primeru padeta kontakta W1 in W2 iz neprevodnega dela evatorijala v prevoden del. Sproži se minimalni električni tok, ki od kontakta W1 prehaja na peti drsni obroč (gledano od spodaj navzgor), od kontakta W2 pa na četrti drsni obroč. Ta tok poteka po linijah 30, 31 po levi strani skice v ojačevalec toka, ki je tako močan, da gre nato po desni strani skozi kontakt – 6 na reverzibilni motor. Ta nato obrača spremljajočo kroglo in matično kroglo v obratno smer gibanja ladje, tako da se N rože pokrije s simetralo zvrkov lebdeče krogle. Tako prideta kontakta W1 in W2 spet na neprevodni del materiala in matična roža je sinhronizirana s simetralo zvrkov in kaže N.

Sistem prenosa na hčerke Sistem prenosa na hčerke je prikazan na zgornji sliki. Sistem spremljanja je izveden tako, da je rotor sinhhropredajnika napajan iz ladijskega toka s 5oV in 50 Hz, ali 60V in 60Hz, katere opazimo na klemah 66 in 70 na sinhropredajniku in bilo kateri hčerki. Ko se ladja obrača matična roža ostane vedno v istem položaju, zaradi obračanja se os matice vrti in vrti z zobatim kolesom zobato glavo sinhropredajnika. Kakor se os sinhropredajnika vrti se vrti tudi rotor, ki ima 50V in 50Hz, ta pa v statorju ustvarja vrtilno magnetno polje 3 faznega toka, ki poteka po linijah 67, 68, 69 naprej v distribucijsko škatlo. Vseh teh pet linij nato poteka na posamezne hčerke, avto pilot, direction finder, ARPA, v levo in desno hčerko na krilih mostu….Spodnji del slike prikazuje odhod 5 žilnega kabla z omenjenimi linijami preko stikala na vrhu katerega je potenciometer za osvetlitev hčerk, nato pa odhaja v spodnji del kotla hčerke. Linija 66, 70 je pod stalno napetostjo 50V, 50Hz, kar predstavlja rotorsko navitje, linije 67, 68, 69 pa so 3 fazno statorsko navitje, ki pri premiku matične rože povzročajo vrtilno magnetno polje, tako da hčerka sinhrono spremlja matico. Od linije 66, 70 se napetost 50V transformira v 3V, ki osvetljujejo rožo hčerke, jakost pa reguliramo s potenciometrom. Če je bil kompas ustavljen ali če je bila kakšna napaka, da hčerka ni več sinhronizirana z matico in jo poskušamo sinhronizirati v tem primeru vzamemo poseben ključ iz orodja Anschutz, ki ima kvadraten utor, katerega porinemo v zunanji del kotla, s pritiskom porinemo poševni zobnik do zobnika roba hčerke in fizično hčerko nastavimo na pravo vrednost kurza. Seveda smo pri tem izklopili dve statorski navitji 67, 69, tako da za čas fizičnega premika statorsko navitje ni vplivalo na rotor. Ko ključ odstranimo spet vklopimo statorska navitja in hčerka sinhrono spremlja kompas.

Nadzor temperature Avtomatizirano nastavljanje delovne temperature tekočine. Da bi imela tekočina v Anschutzovem žirokompasu pravilno specifično težo, da krogla dejansko lebdi, mora imeti delovno temperaturo med 49 in 52C. Oglejmo si avtomatsko nastavitev s pomočjo releja. Pri vklopu žirokompasa je T vedno nižja od 49°C, zato je termostat nizek, vklopljen je rele 1; v tem primeru poteka tok skozi rele 1 in gre v tri grelce, ki grejejo tekočino, da doseže 49C, termostat se pri tem viša in širi ter nenazadnje izklopi rele 1. Če se T poviša do 52°C termostat vklopi rele 2 in vklopi tokokrog 43, ki gre desno navzdol in po levi vklopi kontakt 43 na ventilatorju, ki hladi tekočino. Torej releja 1 in 2 vzdržujeta delovno T tekočine med 49 in 52C. v tropskih predelih sveta se lahko zgodi, da sobna T, v kateri je matični kompas preseže 57C, v tem slučaju se termostat še bolj zviša in vklopi rele 3; ta gre po linijah 73, 74 torej po 3 in 4, ki vklopita alarm in lučni brenčač, nakar je potrebno matico še dodatno hladiti z odpiranjem vrat, vendar to v danšnjih časih ni potrebno, kjer je soba z matico in še nekaterimi inštrumenti klimatizirana. Pri novejših izvedbah je možno avtomatizacijo vzdrževanja T doseči s senzorjem in regulacijskim čipom. Pri klasičnih izvedbah je možno ob nepravilnem delovanju T nastaviti s pomočjo termometra in vijakov na ploščici izpod relejev.

Žiro kompas Sperry Žirokompas Sperry. Na skrajni levi je prikazana matica žiro kompasa Sperry. Če odpremo vratca bomo videli motor generator, ki ladijski tok spreminja v 3 fazni tok 50V in 175 Hz, kateri zadostuje, da se težji rotor – vrtavka vrti s hitrostjo 10.000 obr/min. Poleg tega potrebujemo še enosmerni tok 70V za prenos na hčerke. Iznad generatorja je kontrolna plošča na kateri so stikala za vklop le-tega, stikala sistema spremljanja matične rože z zvrkom in sistem spremljanja hčerk. V zgornjem delu sta Volt in Amper meter. Če odpremo zgornja vratca vidimo zvrk, ki je rotor 3 faznega elektromotorja. Iznad njega pa je matična roža. Na srednji in desni sliki vidimo občutljivi element Sperrya. Spodnji del tega elementa predstavlja elektromotor, ki se vrti okoli osi (21). Ta elektromotor je vpet v os (18) okoli katere se zadaj rotor giba kot zvrk v smeri gor in dol horizonta. In ker je obešen spremljajoči element z devetimi torzijskimi nitmi (14) ima ta zvrk še preprosto vertikalno os za gibanje v vertikalni smeri, tako da je to dejansko zvrk s tremi prostimi osmi.

Balistične uteži, spremljajoči element Zato so na zvrk pritrjene balistične uteži, ki so prikazane na levi sliki. Njihova vloga je, da po 4-5 urah s pridušeno precesijo zvrku dejansko omogočijo postavitev z osjo v horizontu in v smeri geografskega meridiana. Kot smo videli na predhodnih slikah je sam zvrk z ohišjem z nitmi obešen v središče spremljajočega elementa na naši desni sliki. Le-ta je sestavljen z matične rože, zobatega kolesa za prenos na hčerke in drsnih obročkov preko katerih stator dobiva 3 fazno električno napetost. Privzemimo, da je kompas izklopljen, ko ga vklopimo počakamo približno 5 min, da amperaža pade, kar pomeni, da je zvrk dobil prave obrate. Nato odklonimo rotor zaponko (31), ter nato vklopimo sistem spremljanja matične rože in po 4-5 urah, ko se zvrk umiri v meridianu vklopimo še hčerke in jih po potrebi sinhroniziramo. Ko se ladja premakne, os zvrka ostane v meridianu se na nosilcu rotorja transformator, ki je pod njim, odmakne od transformatorja spremljajočega elementa (32). Ta odmik sproži električni tok in motor spremeni smer matične rože, tako da stalno spremlja os zvrka.

Sistem prenosa na hčerke Na tej sliki je prikazan sistem prenosa na hčerke, ki je nekoliko drugačen od prej omenjenega Anschutzovegta. Na tej sliki je na levi matična roža, desna pa je roža hčerke. Ko se matična roža obrne, kotva poleg nje zapre kontakte 1-1, ki je pod napetostjo 70V. To se prenaša na tuljave hčerk v položaj 1-1, ki ga spremlja rotor, ki poganja hčerko. Kakor kotva spreminja položaj, tako se pri hčerki spreminja magnetno polje in hčerka sledi matici. Vsak korak velja točnih 10’ (1 = 6 obratov kotve). Pri izklapljanju žirokompasa Sperry je postopek obraten kot pri vklopu; najprej izklopimo hčerke, nato sistem upravljanja rože, motor, generator, nato pa z zaporo pričvrstimo zvrk na spremljajoči element. Izpod matične rože se nahaja cosinusova ploščica, ki glede na kurz za cos K fizično premakne matično rožo. Nadalje z dvema vijakoma – na matici kompasa (horizonatalni služi za nastavitev hitrosti ladje in s tem fizično premaknemo rožo zaradi devijacije vožnje; vertikalni pa služi za nastavitev φ s katerim fizično premaknemo rožo za napako φ. Tako s cosinusovo ploščico in vijakoma za hitrost in φ fizično premaknemo matično rožo in izničimo devijacijo žiro kompasa. Tako matična roža Sperrya kaže geografski merdian, os rotorja pa je za deviacijo premaknjena.

Vprašanja za ponavljanje Vrtavčni kompas: opis, princip delovanja. Pojasnite lastnosti vrtavke: H, precesija. Deviacija žirokompasa. Žirokompas Anschütz: sestavni deli, sistemi napajanja vrtavk, spremljanja lebdeče krogle, prenosa na hčerke in nadzora temperature. Žirokompas Sperry: sestavni deli, opis delovanja, sistem prenosa na hčerke.

predmet: Elektronska navigacija predavatelj: mag. Andrej Androjna Globinomer predmet: Elektronska navigacija predavatelj: mag. Andrej Androjna Portorož, 6. marec 2012

Učna vprašanja Ultrazvočni globinomer Osnovni deli globinomera Princip delovanja globinomera Zapisovalec globine Indikator globine

Globinomeri Pomen poznavanja globin Ultrazvočni Hidrostatični Priročna sredstva Poznavanje globine morja izpod ladje je eden najvažnejših elementov za varnost plovbe. Pri plovbi v bližini obale, v področjih plitkih voda, v bližini rečnih ustij in pri slabi vidljivosti, pripomore točno poznavanje globine k varnejši plovbi in vodenju ladje. Izmerjena globina se primerja z globinami, ki so zabeležene na pomorski karti, upoštevajoč, da se globine lahko spreminjajo, še posebej v bližini rečnih ustij, peščenih obal in v področjih z veliko bibavico (velika razlika med plimo in oseko). Sicer pa so področja z izrazitim reliefom dna uporabna tudi za določevanje pozicije ladje, še posebej kadar je na karti relief vrisan s pomočjo izobar in v barvnih odtenkih.V praksi so za navigacijo najbolj pomembne globine do 100 m, v izjemnih primerih do 200 m. Za manever pristajanja v lukah je potrebno operirati z majhnimi globinami, običajno do 20 m, za sidranje pa do nekaj deset metrov.     Podatek o globini vode se dobi z neposrednim odčitavanjem s pomorske karte na osnovi trenutno določene pozicije in s pomočjo neposrednega merjenja globine z globinomerom.     Sredstva za merjenje globin - globinomeri, se delijo na tri skupine: - Priročna sredstva - Hidrostatični globinomer - Ultrazvočni globinomer

Ultrazvočni globinomer v - hitrost UZ skozi vodo ≈ 1500 m/s t - čas potovanja UZ od oddajnika k sprejemniku Globina d izpod ladje: 2d = v x t d = v x t/2 Prvi ultrazvočni globinomer je bil izdelan leta 1925. Princip delovanja je razviden na sliki. Ultrazvočni signal potuje od točke A, od dna (B) se signal odbije in sprejme ga sprejemnik C. Globino izpod ladje izračunamo po enačbi: 2d = v x t oziroma d = v x t/2

Osnovni deli UZ globinomera zapisovalec globine ojačevalec oscilator Na sliki vidimo sestavne dele ultrazvočnega globinomera. Kakšen pa je princip delovanja? Ko pisalka rekorderja preide točko 0m odda el. signal, ki vzbudi generator oscilacij – oscilator. Te oscilacije prenese na oddajnik, ki odda ultrazvok usmerjen čim bolj proti dnu, potem pa energija signala upada najmanj s kvadratom oddaljenosti. Od dna se vrača proti sprejemniku, ki ta slab signal sprejme, mora se ojačati v ojačevalcu in se kot takšen prenese na zapisovalec. Ko je signal sprejet dobi pisalka signal, počrni papir tako, da vidimo kakšno globino smo izmerili. sprejemnik oddajnik

Prehod UZ, lom, odboj, zunaji vplivi hitrost UZ slanost Na morjih je niz področij, kjer je izpod sloja vode z eno gostoto in temperaturo drugačen sloj s spet drugo gostoto. Primeri: N Jadran; dotok površinske vode iz rek Rižane, Dragonje, Soče in reke Pad. Če valovanje prehaja iz sloja ene vode v sloj druge vode je nekaj normalnega odboj in lom valovanja. Tako smo na mejnem sloju med obema tekočinama soočeni z lomom in odbojem, kar je prikazano na sliki levo zgoraj. Če pa si pogledamo desno sliko opazimo, da je hitrost zvoka ultrazvoka skozi vodo odvisna od slanosti in temperatur morske vode. Tako je hitrost ultrazvoka pri slanosti 3,5 promile in T = 16° 1505 m/s, čeprav so globinomerji umerjeni na 1500 m/s. Slika levo spodaj prikazuje, da hitrost upada s tlakom v morski vodi, ki linearno narašča. Zaključimo lahko, da je hitrost UZ skozi vodo odvisna od njene slanosti, temperature in tlaka v globini. Število pulzov oz oddajnika je med 10 in 600 pulzi/min. število pulzov je odvisno od nastavitve globine. Frekvenca ultrazvoka je med 33 in 55 KHz, običajno okoli 40 KHz. Ker človeško uho zazna slušna valovanja med 30Hz in 18KHz te frekvence imenujemo ultrazvočne. Izjemo predstavlja merjenje nekaj km globin, kjer je absorpcija valovanja nad 400 KHz premočna, zato za take globine uporabljamo frekvenco 10 KHz, kjer je absorpcija mnogo manjša. temperatura morja

Primopredajniki UZ globinomerjev Elektrostrikcijski primopredajnik Magnetostrikcijski primopredajnik Ločimo dva tima primoredajnikov UZ globinomerjev, in sicer: elektrostrikcijski in magnetostrikcijski. Elektrostrikcijski UZ primoredajnik je sestavljen iz kristala quartza primerne debeline, da bo oddajal frekvence okoli 40 KHz, vrinjenega med dvema železnima ploščama, ki predstavljata plošči kondenzatorja. Če generator oscilacij pošlje izmenično napetost na kondenzatorski plošči bo kristal quartza vibriral z ultrazvočno frekvenco in oddajal ultrazvok. Obratno, če ultrazvočna frekvenca zadane kristal, takrat bo zavibriral, na kondenzatorskih ploščah se sproži izmenična napetost, katero ojačamo, da lahko izmerimo globino. Pomanjkljivost quartzčevega primopredajnika je v lomih quartza, kar se da hitro popraviti na manjših plovilih, na večjih pa uporabljamo magnetostrikcijske primopredajnike. Magnetostrikcijski primopredajnik je prikazan na spodnji sliki. Sestavljen je iz kovinske palice in tuljave skozi katero spustimo izmenični tok, ki vzdolž palice povzroči magnetno polje. Nekatere kovine v taktu izmeničnega magnetnega polja povečujejo oz. zmanjšujejo svojo dolžino Δl, pri dolžini palice l (L). Relativno se zato palica podaljša za Δl/l. Slika desno spodaj prikazuje, da je sprememba dolžine l za železo in kobalt manjša, za nikelj pa večja. Če tako ovijemo nikljeve palice v tuljavo in v tuljavo spustimo izmenični tok bo palica zavibrirala s frekvenco ultrazvoka, ga oddala proti dnu, povratni signal ultrazvoka bo povzročil spremembe l v nikljevi palici, to pa elektromagnetno polje katerega tok ojačamo in prenesemo na pisalko, katera označuje globino.

Magnetostrikcijski primopredajnik Na zgornjih slikah vidimo dve izvedbi magnetostrikcijskih primopredajnikov. Leva prikazuje paket nikljevih lamel, desna zgoraj pa so nikljeve lamele okoli katerih je navita tuljava. Na sliki paketa nikljevih lamel lahko v srednjem, belem delu opazimo nikljeve lamele okoli katerih je navita tuljava. Te nikljeve lamele so v direktnem kontaktu z morsko vodo. Opomba: Pomembno je povedati, da UZ izgublja jakost pri prehodu iz enega sredstva v drugo. Pri prehodu metala v vodo preide 10% energije, pri prehodu metala v zrak pa samo 1 promil. Posledica tega je, da v vožnji ladje nazaj, ko mehurčki vode izpod propelerja preidejo pod primopredajnike globinomerja, opis globine izgine. Pri globinomerjih na ladjah se največ uporabljajo tip primopredajnikov krožnih nikljevih lamel. Te so postavljene v tanke dvojnega dna. Postavljene so v fokus paraboloida, da se ultrazvok čimbolje usmeri proti dnu. Paraboloid je polnjen z zrakom, da ni prehoda ultrazvoka proti ladji. Da je prenos energije proti vodi čim večji je tank polnjen s sladko vodo. Junction box – na predajnik privede izmenični tok na tuljavo v sprejemniku pa odvede tok na ojačevalec in na pisalko.

Zapisovalci oz. indikatorji globine Na sliki sem vam skušal prikazati nekaj sodobnejših naprav – echosounderjev oz. globinomerjev, kateri nam prikazujejo in zapisujejo morske globine pod kobilico ladje. Princip delovanja je podoben tistim opisanim v vaši literaturi le, da je sodobna tehnologija naredila bistven korak naprej. Kako deluje? Ko pisalka preide 0m odda signal generatorju oscilacij, ta pošlje tok v tuljavo in odda UZ. Nato se pisalka vrti s primerno hitrostjo, ki je merjena glede na čas pri 1500m/s in ko se ojačan signal vrne zapiše na papirju črtico, iznad nje na krožni skali odčitamo globino. Če globine do 100m nismo zaznali, s posebnim gumbom obrnemo skalo tako, da bodo prikazane globine od 100 do 200m, če tudi tu ne zaznamo globine premikamo skalo tako, da zaznamo neko globino do 780m. Pri tem pisalka pri prehodu skozi 0m odda signal, pri tem je 0m v različnem položaju glede na skalo prikazano v spodnjem delu rekorderja. Pravilna hitrost je 33 1/3 obrata/min. če je hitrost večja bomo merili linearno povečano globino, če pa je manjša bomo izmerili linearno manjšo globino. Za uravnavanje hitrosti vrtenja pisalke sta izza plošče dve uteži, ki se širita ali bližata osi rotacije, to običajno delajo serviserji. Poleg zapisovalcev globine poznamo tudi indikatorje globine, kateri le-to ne zapisujejo temveč samo prikazujejo.

Vprašanja za ponavljanje Vrste globinomerov. Ultrazvočni globinomer: sestavni deli, delovanje, prehod ultrazvoka (odboj, lom, zunanji vplivi). Primopredajniki ultrazvočnih globinomerjev. Zapisovalci globine, indikatorji globine.

Merjenje hitrosti ladje predmet: Elektronska navigacija predavatelj: mag. Andrej Androjna Portorož, 13. marec 2012

Učna vprašanja Merjenje hitrosti ladje Dejavniki, ki vplivajo na merjenje hitrosti Vrste brzinomerjev Princip delovanja brzinomerjev

Merjenje hitrosti ladje O merjenju hitrosti ladje ste pri navtično usmerjenih vsebinah že govorili. Ni pa odveč, da še predno se posvetimo delovanju in posameznim predstavnikom brzinomerjev, spregovorimo nekaj o splošnih dejstvih, ki vplivajo na hitrost plovila. Najprej poglejmo kateri dejavniki pri istem režimu delovanja glavnih motorjev vplivajo na hitrost ladje: ti dejavniki so: deplasman (D), valovanje morja (težko morje), obraslost trupa, globina, trim, veter, tok ipd. Na zgornji sliki je predstavljen graf vpliva obraslosti vijaka, težkega morja in deplasmana na hitrost ladje ob določenih obratih pogonskih strojev. Če bi ladja plula v trdem mediju bi se gibala s hitrostjo vijaka pomnoženega z RPM. To povezavo med obrati in hitrostjo ponazarja premica (p) brez slipa. Vendar v vodi vijak zdrsne, ima določen slip, ki je najmanjši pri določenih obratih, pri ostalih nekoliko večji. Če je ladja s čistim dnom v balastu, potem njeno hitrost glede na obrate prikazuje krivulja lahkega vijaka. Če je ladja v balastu in ima že obrastlo dno, potem njeno hitrost glede na obrate prikazuje krivulja lahek vijak/obrasla ladja. Še nižje je krivulja za naloženo ladjo s čistim dnom, ki jo prikazuje krivulja težkega vijaka. Krivulja nižje je za težek vijak in obraslo ladjo. Najmanjšo hitrost pa ladja doseže zaradi udarcev valov v viharnem morju. Glede na spremembe Deplasmana in pripadajoče lastnosti velja nekakšno pravilo, da je pri 5% povečanju D hitrost zmanjšana za 1% in pri 10% povečanju D je hitrost zmanjšana za 2%.

Dejavniki, ki vplivajo na hitrost ladje H - globina izpod ladje T - ugrez ladje g = 9,81 m/s b =√g.H b:√g.H =1 b = √g.H b2= g.H H= b2/g Primer: b= 16 voz H= b2/g = 162 / 10= 25,6 m 1 leto po doku Obraslost trupa: Empirično je dognano sledeče: če je globina izpod ladje H in ugrez ladje T in je H:T≥ so valovi, ki jih dela ladja enaki tistim v globokem morju in hitrost ista. Če pa se razmerje b:√g.H povečuje, se višina vala, ki ga ustvarja ladja povečuje, hitrost ladje pa zmanjšuje. Ker je razmerje b:√g.H =1 je upor valov največji, hitrost pa najmanjša. V našem primeru, ko je hitrost plovila 16 vozlov je razvidno, da je hitrost ladje najmanjša pri 25,6m globine. Da bi bila hitrost višja bi morali pluti pri povečani ali zmanjšani globini.

Trim Pri ladji s trimom se moč stroja razdeli na horizontalno in vertikalno komponento, pri čemer horizontalna komponenta, ki daje hitrost ladji pade za cos α. Če ima ladja premčni trim (je pretežna) se dodatno poveča premčni val, ki zmanjšuje hitrost. Največjo hitrost dosežemo pri minimalnem krmenem trimu. Naj omenimo še vpliv vetra in morskega toka: veter poriva ladjo s silo F, ki je premosorazmerna v2 (hitrost vetra), pri tem premčni veter zaustavlja ladjo, bočni veter pa jo zanaša. Te sile niso zanenemarljive in prav tako ni zanemarljiv tok.

Merna milja – merjenje hitrosti Merna milja je del morskega prostora obeleženega z dvemi pari plovnih oznak. Ko vplujemo na merno miljo skozi prvi oznaki začnemo meriti čas, ko plujemo skozi drugi dve oznaki odčitamo čas in delimo s prevoženo potjo, tako dobimo hitrost. Plovbo ponovimo v proti kurzu, da s tem izničimo vpliv toka in vetra. Če tako merjenje ponovimo za različne obrate in izračunamo hitrost končno dobimo diagram hitrosti v funkciji obratov, ki velja za določen režim plovbe (D, obraslost trupa, trim). Če se režim spremeni se prvotna krivulja spremeni navzgor ali navzdol. Hitrost lahko merimo tudi med dvema zaporednima pozicijama ladje s terestičnimi objekti, radarjem, med dvema astronomskima ali satelitskima pozicijama. Danes točne hitrosti daje GPS. Vse hitrosti so hitrosti preko dna.

Brzinomerji Mehanski ali rotacijski, Hidrodinamični, Elektromagnetni, Doplerjevi. Torej danes se ne bomo spuščali predaleč v zgodovino prvih brzinomerov in govorili o tem kako so s premca nekoč v vodo metali deščice in na njihovem prehodu krme računali čas ter s tem tudi hitrost plovila. Prav tako ne bomo govorili niti o mehanskih ali rotacijskih, o katerih si lahko za vaše splošno vedenje preberete v literaturi, pač ba bomo pričeli z električnim rotacijskim brzinomerom.

Električni rotacijski brzinomer Električni rotacijski brzinomerji prikazujejo hitrost in prevoženo pot na osnovi rotiranja propelerja v sablji brzinomerja, ki se nahaja pod ladjo. Danes si bomo ogledali dva predstavnika iz te t.i. skupine električnih rotacijskih brzinomerjev. In sicer Forbesov brzinomer, pri katerem se obrati propelerja vodijo na dinamo.

Električni rotacijski brzinomer Pri Forbsovem brzinomerju smo ugotovili, da se obrati propelerja vodijo na dinamo. V našem tokratnem primeru govorimo o prenosu obratov propelerja na kontaktne sisteme. Tukaj vidimo propeler v sablji brzinomerja, ki preko reduktorja vrti zvezdo, katera zapira kontakt po točno določeni opravljeni poti, ta pa aktivira elektromagnet, ki premika kazalec prevožene poti za takšno natančno določeno vrednost. Hitrost je mogoče določiti na dva načina: S pomočjo števila svetlobnih utrinkov žarnice (6) v določenem časovnem obdobju in tablic, S pomočjo posebnega električnega sklopa, ki diferencira po času. Točnost prikazovanja hitrosti rotacijskega brzinomerja je +/- 0.5 vozla in +/- 5% prevožene poti.

Hidrodinamični brzinomer Princip določanja hitrosti s hidrodinamični brzinomerji je zasnovan na merjenju razlike hidrodinamičnega in hidrostatičnega tlaka v Pilot cevi, ki je nameščena v sablji brzinomerja kot je razvidno na naši sliki. Hidrodinamični brzinomerji nam lahko dajo kot izhodni podatek hitrost ali prevoženo pot. V literaturi imate jasno tudi matematično opredeljeno pot in principe delovanja navedenega brzinomera.

Radio-dopplerjev brzinomer fpr = frekvenca sprejetega signala f0=frekvenca emitiranega signala c = hitrost elektromagnetnih valov bpi = projekcija hitrosti plovila na smer elementarnega delca i γi= kot med smerjo gibanja ladje in smerjo elementarnega delca i Doplerjeve brzinomerje delimo na radiodoplerjeve in hidroakustične. Radiodoplerjev brzinomer meri hitrost skozi vodo in se uporablja na plovilih s podvodnimi krilci in plovilih na zračni blazini. Glede na to, da našteta plovila nimajo nekega zagotovljenega stika z morsko vodo, v tem primeru ne moremo uporabljati klasičnih brzinomerjev (hidrodinamičnih, elektromagnetnih itd). Princip dela radiodoplerjevega brzinomerja temelji na merjenju doplerjevega zamika frekvence radio signala emitiranega z ladje in odbitega od površine morja. Iz izmerjenega doplerjevega zamika frekvence, pogojenega zaradi gibanja ladje, se izračunava hitrost plovila. Antena brzinomerja emitira ozek snop radio signalov širine Δγ proti površini morja pod kotom γ. Po odboju od morske površine antena sprejema radio signal s spremenljivo frekvenco. Frekvenca sprejetega signala (fpr) se lahko izrazi kot: (glej formulo!!!!) kjer je f0 frekvenca emitiranega signala, c je hitrost elektromagnetnih valov, bpi= b.cos γi je projekcija hitrosti plovila na smer elementarnega delca i od katerega se signal odbija, γi pa je kot med smerjo gibanjem ladje in smerjo elementarnega delca i. Doplerjev zamik frekvence Δf = Hitrost ladje = Shema radio doplerjevega brzinomerja pa izgleda približno kot na spodnji sliki: Antenski sistem emitira radio signale (1) katere generira primopredajnik (2). Antenski sklop sprejema odbite signale, jih meša s signalom frekvence, razliko frekvence pa ojača in vodi v (3) sklop za merjenje razlike f, doplerjev efekt, ki se v sklopu (4) izračuna po enačbi Δf, katera se prikazuje na indikatorju hitrosti (6). Merjena hitrost se vodi v sklop št. 5 – integrator hitrosti, ki izračuna v funciji časa prevoženo pot D. Odvisno od brzinomerja lahko antenski sklop emitira 1-4 snope elektromagnetnih valov. Pri 4 snopih lahko merimo zanos ladje zaradi vetra. Brzinomer deluje pri hitrostih od -50 vozlov do 186 vozlov in kotu zanosa do +/- 30%. So precej natančni: Δb = 0,1 – 3%. izračun Δf izračun poti D antena primopredajnik mešalka, ojačanje Δf merjenje Δf indikator hitrosti

Hidroakustični dopplerjev brzinomer fpr = c = 1500m/s hitrost širjenja signala v morju fpr = frekvenca sprejetega signala f0=frekvenca emitiranega signala Ta brzinomer deluje na osnovi Doplerjevega efekta, pošilja ultrazvočne signale proti dnu in na ta način meri hitrost preko dna. Znana formula doplerjevega efektra se glasi: fp= ….. Če nadaljujemo z matematičnimi izračuni lahko hitrost ladje pridobimo z izmerjenega doplerjevega zamika frekvence in reševanjem formule: b =…….. Shema hidrostatičnega doplerjevega brzinomerja bi izgledala kot na spodnji sliki: Generator (13) generira f0 med 440Hz in 455Hz. Preko oddajnikov (1 in 2) emitira zvok proti premcu in krmi. Signali se emitirajo v pulz – modu za globine do 400m in v CW – modu za večje globine do sloja vode različne gostote. V tem primeru merimo hitrost preko sloja spodnje vode (ti sloji imajo majhno hitrost). Sprejemnika 3 in 4 sprejemata frekvence f1 in f2, ki jo ojačevalca (5) vodita v mešalko (6), ki z lokalnim oscilatorjem (7) daje medfrekvenco. Ta medfrekvenca se vodi v sklop merjenja doplerjevega zamika (8). Merjen zamik frekvence gre v računalnik (9), ki po enačbi izračunava hitrost katero prikazuje indikator hitrosti (11), integrator (10) računa prevoženo pot, ki jo prikazuje indikator prevožene poti (12). Ti brzinomeri so dokaj natančni: Δb= +/- 0,1 vozla.

Vprašanja za ponavljanje Naštejte dejavnike, ki vplivajo na hitrost ladje? Naštejte vrste brzinomerjev. Pojasnite princip delovanja rotacijskega brzinomerja. Pojasnite princip delovanja hidrodinamičnega brzinomerja.