thảo luận môn thiết bị kỹ thuật hàng hải chuyên đề máy đo tốc độ trên tàu thủy

Untitled TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN HÀNG HẢI BÀI THẢO LUẬN Môn Thiết bị kỹ thuật hàng hải CHUYÊN ĐỀ MÁY ĐO TỐC ĐỘ TRÊN TÀU THỦY Nhóm thực hiện Nhóm 6 download by skkn[.]

VIỆN HÀNG HẢI

BÀI THẢO LUẬN

Môn: Thiết bị kỹ thuật hàng hải

CHUYÊN ĐỀ MÁY ĐO TỐC ĐỘ TRÊN TÀU THỦY

Nhóm thực hiện: Nhóm 6

MỤC LỤC CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO TỐC ĐỘ TÀU THỦY 5

1.1 Giới thiệu khái quát: 5

1.2 Phân loại: 5

CHƯƠNG 2 MÁY ĐO TỐC ĐỘ THEO NGUYÊN LÝ CẢM ỨNG TỪ 7

2.1 Cấu tạo của máy đo tốc độ cảm ứng từ: 7

2.1.1 Khái niệm: 7

2.1.2 Cấu tạo: 7

2.1.3 Sơ đồ khối tổng q át của máy đo tốc độ cảm ứng từ: u 8

2.2 Nguyên lý hoạt động của máy đo tốc độ cảm ứng điện từ: 8

2.3 Sai s c a t ố ủ ốc độ ế ảm ứng điệ ừ: 9 k c n t 2.3.1 Sai s c ố ố đị 9 nh 2.3.2 Ảnh hưở ng c a tàu l ủ ắc: 9

2.3.3 Sai s do dòng ch y r i lo n t o ra: ố ả ố ạ ạ 9

2.3.4 Sai s ố do độ ặ m n c ủa nướ c bi n: ể 9

2.3.5 Sai s ố do thay đổ i tính ch t v t li u gây ra : ấ ậ ệ 10

CHƯƠNG 3 MÁY ĐO TỐC ĐỘ THEO NGUYÊN LÝ DOPPLER 11

3.1 Cơ sở lí thuyết: 11

3.2 Nguyên l í hoạt động: 12

3.2.1 Hiệu ứng Doppler: 12

3.2.2 Nguyên lí hoạt động của máy đo tốc độ bằng hiệu ứng Doppler : 12

3.3 Phân loại máy đo tốc độ theo hiệu ứng Doppler: 13

3.3.1 Tốc độ kế Doppler một tia: 13

3.3.2 Tốc độ kế Doppler hai tia: 13

3.3.3 Tốc độ kế Doppler 4 tia: 14

3.4 Các sai số của tốc độ kế: 16

3.4.1 Sai số do tàu lắc 16

3.4.2 Sai số do tần số phát thay đổi 16

3.4.3 Sai số do tốc độ truyền âm của sóng âm trong nước biển: 16

3.4.4 Ảnh hưởng của độ sâu đáy biển: 16

CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG THỨC PHÁT SÓNG 17

4.1 Phương thức phát sóng liên tục (CW- Continuous Wave) 17

4.2 Phương thức phát sóng xung 17

4.3 So sánh hai phương thức phát sóng CW và sóng xung : 17

CHƯƠNG 5 CÁC QUY ĐỊNH LIÊN QUAN ĐẾN MÁY ĐO TỐC ĐỘ 18

5.1 Việc trang bị thiết bị đo tốc độ trên biển phải tuân thủ các yêu cầu sau: 18

5.2 Kết cấu và lắp đặt của thiết bị 18 :

5.3 Khả năng làm việc trong các điều kiện môi trường khác nhau: 19

5.4 Nguồn cấp 19

5.5 Nhãn mắc và nhận dạng 20

CHƯƠNG 6 KHAI THÁC SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ 20

THÀNH VIÊN NHÓM VÀ NỘI DUNG THẢO LUẬN

1 NGUYỄN TUYẾT NHUNG NỘI DUNG 1 -

2 VÕ THỊ TRƯỜNG NGHI - NỘI DUNG 2

3 NGUYỄN HỮU NHẬT - NỘI DUNG 3

4 HUỲNH VIỆT NHẬT - NỘI DUNG 4

5 NGÔ HỒNG NHUNG - NỘI DUNG 5

6 DƯƠNG AN NINH NỘI DUNG 6 -

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO TỐC ĐỘ TÀU THỦY

1.1 Giới thiệu khái quát:

 Tốc độ kế trên tàu thủy (Speed log) được dùng để đo tốc độ tàu chạy và đo

lộ trình(tích lũy hành trình) của tàu,là một thiết bị không thể thiếu khi tàu hoạt động.Tốc độ tàu là một thông số quan trọng trong điều khiển tàu.Thông tin về tốc độ tàu không những giúp người điều khiển có khả năng xử lí các tình huống mà nó còn là tín hiệu đầu vào cho các thiết bị , hàng hải khác phục vụ công tác dẫn tàu

 Tốc độ chuyển động của tàu trên biển được tính bằng đơn vị hải lý/giờ (knots)

 Thông thường khi nói đến tốc độ tàu,người ta hiểu rằng đó là tốc độ theo chiều dọc tàu.Khi có thể xác định được tốc độ dịch chuyển theo chiều ngang hoặc tốc độ quay của mũi hay lái tàu thì các thông tin cần được thể hiện rõ ràng

1.2 Phân loại:

Tốc độ kế tương đối( STW- Speed Through Water) : là tốc độ kế chỉ đo được

tốc độ của tàu tương đối với mặt nước Để có thể xác định tốc độ tương đối của tàu,người ta sẽ dùng một số loại tốc độ kế sau:

 Tốc độ kế thủy lực:dựa trên cơ sở đo áp lực tĩnh và động của dòng nước chảy quanh tàu khi tàu chuyển động để xác định tốc độ tàu

 Tốc độ kế kéo dây: là loại tốc độ kế đơn giản được sử dụng sớm nhất trên tàu, dùng dây để kéo chân vịt, vòng quay của chân vịt qua dây kéo truyền về thiết bị

đo để xác định tốc độ của tàu Tuy nhiên độ chính xác không cao, nhưng cấu tạo đơn giản, ngày nay vẫn còn được sử dụng như là những thiết bị dự phòng

 Tốc độ kế cảm ứng từ: Từ thế kỷ 60,người ta bắt đầu sử dụng loại tốc độ kế điện từ dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ và sự hỗ trợ của công cụ điện tử để

đo tốc độ và lộ trình.Loại tốc độ kế này có ưu điểm là phạm vi của tốc độ đo lớn,có thể đo được tốc độ lùi của tàu,độ chính xác khá tốt và sử dụng đơn giản.Đến nay,tốc độ kế loại này vẫn được sử dụng rộng rãi trên tàu

Tốc độ kế tuyệt đối (SOG- Speed Over Ground): là máy đo tốc độ của tàu so với

đáy biển.Loại tốc độ kế này khi hoạt động trong phạm vi độ sâu truy theo nào đó

có thể đo được tốc độ tương đối so với đáy biển Nhưng khi độ sâu vượt qua phạm vi độ sâu truy theo thì chuyển thành phương thức đo sâu truy theo tầng nước,tức là chỉ đo được tốc độ tương đối với nước.Từ những năm 70 của thế kỉ

trước,để đáp ứng nhu cầu quân sự và ngành vận tải biển hiện đại, kích cỡ tàu ngày càng lớn, giải quyết các khó khăn về điều động tàu, đặc biệt là cặp và rời cầu, qua các luồng hẹp Vì thế trên các tàu đã bắt đầu sử dụng tốc độ kế Doppler

để đo tốc độ

 Tốc độ kế Doppler: người ta tiến hành đo tần số của tín hiệu phát đi và tín hiệu thu được sau khi phản xạ từ đáy biển trở về.Sự chênh lệch giữa tần số phát và thu tỉ lệ với tốc độ tàu, và do đó ta xác định được tốc độ tàu chạy

Ưu điểm của loại này là có độ chính xác cao,đo được tốc độ tiến,tốc độ lùi,tốc độ dịch chuyển ngang

 Tốc độ kế tương quan thủy âm: đo tốc độ bằng cách xử lý thông tin sóng

âm dựa trên nguyên lý kĩ thuật tương quan.Ưu điểm nổi bật của nó là độ chính xác của tốc độ đo được không chịu ảnh hưởng của tốc độ sóng âm trong nước,vừa đo tốc độ vừa đo được độ sâu

CHƯƠNG 2 MÁY ĐO TỐC ĐỘ THEO NGUYÊN LÝ CẢM ỨNG TỪ

2.1 Cấu tạo của máy đo tốc độ cảm ứng từ:

2.1.1 Khái niệm:

-Tốc độ kế cảm ứng từ ( Electromagnetic Log) là thiết bị vận dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để đo tốc độ tức thời của tàu tương đối với nước và phân tích tốc độ để xác định quãng đường tàu chạy (lộ trình)

2.1.3 S ơ đồ khối tổng quát của máy đo tốc độ cảm ứng từ:

 Khi tàu chạy với tốc độ v,thì dòng nước chuyển dộng dưới đáy tàu có tốc độ là –

v (nếu không có sai số).Lúc này suất điện động ra từ bộ phận nhạy cảm

Suất điện động này sau khi đưa qua bộ vi phân và bộ khếch đại sẽ cho ra suất điện động Suất điện động này dduojc đưa đến động cơ chỉ thị để đưa ra mặt chỉ báo tốc độ và đưa qua bộ phận phản hồi,ta được Lúc này đầu vào của biến áp vi phân xuất hiện một xuất điện động tổng hợp

.Bộ chỉ thị vận tốc ngừng quay khi

 Lúc này tốc độ báo trên máy không đổi,chính bằng tốc độ tàu chạy ( giả thiết đặt

ra không có dòng hải lưu)

 Để có được quãng đường,từ động cơ chỉ thị vận tốc, tín hiệu vận tốc được đưa vào bộ phận phân tích vận tốc cùng với thòi gian được lấy từ đọng cơ đồng hồ ( nguồn nuôi đồng hồ là bộ phận thạch anh và bộ khếch đại), do đó ta có bộ tích phân là tích phân xác định, và quãng đường tàu chạy được trong thời gian t là:

S= hay S=

Từ đây tín hiệu được đưa ra bộ phận chỉ báo,cho ta biết được quãng đường mà tàu chạy

2.2 Nguyên lý hoạt động của máy đo tốc độ cảm ứng điện từ:

Người ta đưa bộ phận nhạy cảm nhô ra khỏi đáy tàu tiếp xúc với nước ngoài mạn tàu, khi đó nước là chất dẫn điện nên các điện cực A và B ở mặt ngoài của ống hình trụ

sẽ hình thành vòng dẫn điện 3 (đóng vai trò như dây dẫn).Nếu cuộn dây có điện thì theo định luật cảm ứng Farađây thì trong vòng dẫn điện 3 có suất điện động bằng E

*Nguyên lý đo tốc độ và góc dạt của tàu bằng cảm ứng điệ ừn t :

 Dưới đáy tàu người ta đặt một bộ nhậy cảm có 2 cực chéo nhau, điện áp của 2 cực thứ 1 và 3 là U1 điện áp ra c a c p c c th 2 và 4 là Uủ ặ ự ứ 2, ở giữa bộ phận nh y ạcảm có một nam châm xoay chi u ề

 Vì v y, tậ ốc độ kế cảm ứng có thể đo được góc dạt và tốc độ toàn phần vc c a tàu ủđối với nước

 Phương pháp 2: Trong chế tạo,người ta tính được giá trị ,và lo i tr giá trạ ừ ị này bằng cách đưa cuộn vào thanh xolenoit 2, sau đó đưa vào cuộn dây này một điện áp xoay chi u ,kí hi u là ề ệ ,điện áp phải được tính toán sao cho nó t o rạ a một suất điện động có độ ớn đúng bằ l ng nhưng ngược dấu

2.3.2 Ảnh hưở ng c a tàu l ủ ắc: Tốc độ ế ảm ứ k c ng t r t nh y c m ,vì v y kim ch từ ấ ạ ả ậ ỉ ốc

độ lúc tàu lắc có tể dao động với biên độ 0,1- 1 hải lí.Nhu v y ta không thậ ể đọc được ch ỉ

số một cách chính xác.Cách t t nhố ất là ta đọc giá trị cực đại và giá trị c c tiự ểu,sau đó lấy trung bình Có th khể ử sai s b ng cách lố ằ ắp thêm b phộ ận làm thay đổi từ trường đồng

bộ với tàu lắc

2.3.3 Sai s do dòng ch y r i lo n t o ra: ố ả ố ạ ạ khi tàu chuyển động tạo ra một lớp nước chuyển động rối loạn dưới đáy tàu mà vận t c c a lố ủ ớp nước này không thể xác định được.Độ dày c a lủ ớp nước phu thu c vào t ng v trí c a v tàu và tộ ừ ị ủ ỏ ốc độ chuyển động của tàu.Do v y v n t c th c t sậ ậ ố ự ế ẽ khác v i v n t c th c t ớ ậ ố ự ế

2.3.4 Sai s do ố độ m n c ặ ủa nướ c bi ển: Theo nguyên lý hoạt động của máy đo tốc

độ ả c m ứng thì nước biển đóng vai trò như 2 nửa vòng dây d n bao quanh thi t diẫ ế ện của

bộ ph n nh y cậ ạ ảm đi qua hai điện cực A và B.Nếu ta gọi R là điện trở của chất lỏng,ta có:

R= (1) Trong đó:

S là thi t diế ện c a bủ ộ phận nhạy cảm đi qua hai cực

L là chu vi c a bủ ộ ph n nhậ ạy

là điện trở suất của nước biển

Trong ct (1),L và S là không đổi đối v i bớ ộ nhạy c m, hoàn toàn ph thuả ụ ộc vào độ

m n.Thặ ực nghiệm cho thấy độ mặn càng cao thì độ chính xác khi đo tốc độ càng cao và ngược lại.Do vậy khi tàu hoạt động ở vùng nước ngọt thì tốc độ đo được kém chính xác

2.3.5 Sai s ố do thay đổi tính chất vật liệu gây ra : Theo th i gian t tính c a nam ờ ừ ủchâm sẽ thay đổi, mặt khác s xâm th c b m t ngoài c a hai b n c c A và B nên h s ự ự ề ặ ủ ả ự ệ ốcảm ứng thay đổi so v i thi t kớ ế ế ban đầu do đó chỉ thị v n tậ ốc và quãng đường sai s so ốvới th c t ự ế

CHƯƠNG 3 MÁY ĐO TỐC ĐỘ THEO NGUYÊN LÝ DOPPLER

 ∆t=2D/C là khoảng thời gian sóng phát đi cho đến khi sóng phản xạ trở lại máy

 thu ( đơn vị là giây)

 D là khoảng cách giữa máy thu, phát và vật cố định

C f f

Khi một máy phát đặt trên một nền cố định phát sóng vào một vật đang chuyển động

hoặc máy phát đặt trên một nền di động phát sóng vào một vật đang chuyển động, lúc

đó đo đạc tần số thu thì ta thu được tần số thu khác so với tần số phát một đại lượng là

∆f =f1-f0(khác 0) Đây chính là hiệu ứng Doppler về sự thay đổi tần số sóng, được áp

dụng trong các máy đo vận tốc

3.2.2 Nguyên lí hoạt động của máy đo tốc độ bằng hiệu ứng Doppler :

Ở dưới đáy tàu người ta đặt một màng dao động thu phát sóng siêu âm và phát chéo

về phía mũi hoặc phía lái hợp với mặt phẳng đường nước một góc α cố định, tần số phát

sóng siêu âm là f0, thu được tần số phản xạ trở về đáy biển là f Tốc độ của tàu được 1

tính theo công thức sau:

Theo hiệu ứng Doppler ta có: giả sử màng phát và thu tiến đến điểm 0 với cùng vận

tốc v.cosα ta có :

Nhìn vào công thức (12) ta thấy :

 C là vận tốc siêu âm trong môi trường nước biển là 1500m/s

 góc α không đổi

Vậy muốn đo tôc độ của tàu ta chỉ cần đo sự lệch tần số giữa điểm phát và thời điểm thu sóng siêu âm (∆f) là xong

3.3 Phân loại máy đo tốc độ theo hiệu ứng Doppler:

3.3.1 Tốc độ kế Doppler một tia:

Nhìn vào sơ đồ ta thấy:

Máy phát sẽ phát một tần số siêu âm là f đi qua môi trường nước biển với trung 0

gian là bộ phát Sau khi vào môi trường nước biển, tần số sẽ bị phản xạ trở lại với tần số

là f1 và đi vào bộ thu Tại đây, tần số f sẽ chuyển đến bộ khuếch đại và cùng với tần số 1

f1 của bộ phát được xử lí tại bộ tính tốc độ với công thức: v=∆f.c/2f0.cosα Sau khi đã có được vận tốc của tàu, bộ tính vận tốc sẽ chỉ thị vận tốc tàu và quãng đường mà tàu đi được sau thời gian t(s)

3.3.2 Tốc độ kế Doppler hai tia:

 Để giảm sai sót khi góc α thay đổi do tàu lắc ( đặc biệt là lắc dọc), đồng thời nâng cao chính xác khi đo tốc độ tàu Người ta phát một tia thứ hai về phía đối xứng với tia thứ nhất qua mặt phẳng ngang trong mặt phẳng trục dọc của tàu

 Trong phương pháp này, cả hai bộ phát cùng phát với tần số f và tần số thu 0

được ở phía mũi là f , ở phía lái là f’1 1

Ta có:

Trong đó, cosα = (cosα + cosαm 1)/2

Nhìn vào công thức (13), ta thấy chỉ cần đo tần số của sóng phản xạ phía mũi và phía lái

là tính ngay được tốc độ chuyển động của tàu

3.3.3 Tốc độ kế Doppler 4 tia:

Trong máy đo tốc độ 4 tia, các tia âm truyền theo hướng hợp với mặt phẳng trục dọc của tàu một góc θ Tàu có độ dạt là β Tất cả các biến số Φ , Φ1 2, Φ3, Φ4được chiếu lên hướng HTT , xét 4 lần đo riêng rẽ nhau ta có:β

α là góc hợp bởi mặt phẳng đi qua chùm tia 1,2 (về phía mũi) và chùm tia 3,4 (về phía lái) và mặt phẳng đường nước

Sau đó, ta lấy hiệu cảu biến số Doppler tia 1 và 3, 2 và 4 ta có:

Ta tính tổng và hiệu theo công thức (15), ta có :

Từ đây ta được:

Công thức (16) cho phép ta xác định được vận tốc thật của tàu so với đáy biển và góc dạt thực tế của tàu

phát và các linh kiện bán dẫn theo thời gian dẫn đến chỉ số vận tốc báo trên máy có sai

số Để khắc phục sai số này, người ta đưa vào máy đo tốc độ một bộ phận tự động điều

chỉnh tần số ( Automatic Frequency Control)

3.4 3 Sai số do tốc độ truyền âm của sóng âm trong nước biển:Trong tính toán C lấy giá trị xấp xỉ bằng 1500m/s, nhưng trong thực tế C=f(S‰, t0, P, H ),trong đó S‰ là

độ mặn nước biẻn, H là độ sâu.Trong máy đo tốc độ dùng trong hàng hải sẽ bỏ qua biến thiên về tốc độ truyền âm

3.4 4 Ảnh hưởng của độ sâu đáy biển: Khi sóng siêu âm lan trong nước biển bị tổn hao năng lượng rất lớn Tần số càng cao thì sự hao phí càng cao Đối với máy đo tốc độ Doppler tần số phát thông thường từ 1 > 3 MHz, tương đương tín hiệu phản xạ về màng -dao động là 30⁒ năng lượng ở độ sâu 50m cho độ chính xác cao Ngày nay, máy đo tốc

độ Doppler đã được chế tạo có thể đo ở độ sâu 1500m Nếu lớn hơn nữa thì cường độ

sóng phản xạ về màng dao động thu yếu dẫn đến tốc độ kém chính xác

CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG THỨC PHÁT SÓNG

4.1 Phương thức phát sóng liên tục (CW- Continuous Wave)

 Mỗi một vị trí dùng hai bộ tạo dao động, một bộ phát năng lượng sóng âm còn

bộ kia thì thu sóng phản hồi Năng lượng thu được là sóng phản hồi từ đáy biển hoặc sóng phản hồi vượt qua độ sâu xác định nào

 Sóng liên tục CW sẽ phát sinh vấn đề khi hoạt động với độ sâu lớn vì tia phát bị tán xạ do số lượng mỗi lúc một tăng lên của các chất điểm (hạt li ti) trong nước Ngoài năng lượng phản xạ từ tầng nước ( khối lượng nước), phần năng lượng bị tán xạ từ chất điểm cũng quay về bộ tạo dao động thu Khi sóng phản hồi từ tầng nước quay về trở nên yếu thì sóng tán xạ của chất điểm sẽ làm rối loạn tín hiệu thu, lúc này chỉ báo tốc độ có thể bằng không Vì lý do đó mà sóng liên tục ít được sử dụng trong thiết bị này

4.2 Phương thức phát sóng xung

 Để khắc phục trở ngại của hệ thống phát sóng CW người ta sử dụng sóng xung Cũng giống như máy đo sâu khi bộ tạo dao động phát đi xung năng lượng cao thì máy thu đóng lại Khi sóng phân hồi quay về trên cùng một bộ dao động thì mạch điện chuyển sang chế độ thu Bằng cách này, ngoài lợi ích khắc phục vấn

đề mất tín hiệu như đã nói ở trên, còn một lợi ích nữa là chỉ cần một bộ tạo dao

 động cho cả thu lẫn phát Nên nhớ rằng, tốc độ kế Doppler hoạt động theo nguyên lý đo dịch chuyển tần số, không phải hoạt động theo thời trễ như máy đo sâu

4.3 So sánh hai phương thức phát sóng CW và sóng xung :

 Hệ thống xung có thể hoạt động theo phương thức truy theo đáy biển (tương đối với đất) cho đến độ sâu 300 mét ( phụ thuộc vào tần số' sóng mang sử dụng) và phương thức truy theo tầng nước ở độ sâu bất kỳ, trong khi hệ thống CW chỉ hoạt động ở giới hạn độ sâu dưới 60 mét Tuy nhiên hệ thống CW lại có một ưu điểm nổi trội là có thể hoạt động ở độ sâu rất cạn trong khi hệ thống xung bị , giới hạn bởi tần số lặp xung không thể hoạt động được với độ sâu cạn

 Hệ thống xung có thể dùng chung bộ tạo dao động cho phát và thu, trong khi hệ thống CW yêu cầu bộ tạo dao động thu và phát riêng Hệ thống CW bị hạn chế

do nhiễu sinh ra bởi bọt khí từ chân vịt khi tàu chạy lùi Độ chính xác đo tốc độ của hệ thống xung trội hơn hệ thống CW và cố định cho tất cả các độ sâu hoạt động khác nhau Còn độ chính xác của hệ thống CW thì rất tốt ở nước cạn nhưng giảm xuống nhanh khi tăng độ sâu hoạt động