Журнал питометра - Pitometer log

Рисунок 1: Фотография Вторая Мировая Война Питометр для подводных лодок ВМС США. В этом устройстве используется ртутный манометр для измерения разницы статического и динамического давления воды.

Журналы питометра (также известные как карьерные бревна) - это устройства, используемые для измерения скорости корабля относительно воды. Они используются как на надводных кораблях, так и на подводных лодках. Данные из журнала питометра обычно поступают непосредственно в навигационную систему судна.

История

Все морские инструменты, предназначенные для измерения скорости корабля в воде, известны как бревна.^[1]Эта номенклатура восходит к временам плавания, когда моряки бросали бревно, привязанное к веревке, завязанной через равные промежутки времени, с кормы корабля. Моряки подсчитывали количество узлов, прошедших через их руки за заданный период времени. Сегодня моряки до сих пор используют единицу узлы чтобы выразить скорость корабля. Скорость корабля была необходима для управления кораблем с помощью счисление, что было стандартной практикой в ​​дни, предшествовавшие современному навигация такие инструменты, как GPS.

Во время Второй мировой войны журналы питометров часто подключались непосредственно к военному кораблю. управление огнем системы. Этот интерфейс был необходим для обеспечения стрельбы и системы управления торпедным огнем для автоматического отслеживания целей.

Журнал питометра запатентован.^[2]в 1899 году Эдвардом Смитом Коулом.

Технологии

Принцип работы

Рисунок 2: Иллюстрация журнала питометра на основе ртутного манометра.

Базовая технология бревна питометра аналогична технологии трубка Пито на самолете. Как правило, питометр имеет длинную трубку, которая проходит в корпус корабля около киля. Часть питометра, выступающая из корабля, иногда называют яма меч или же Родометр. Эта трубка обычно имеет два отверстия: одно обращено в направлении движения морской воды, которое используется для измерения динамического давления морской воды, а другое под углом 90 ° к направлению движения морской воды, которое используется для измерения статического давления морской воды. Динамическое давление морской воды зависит от глубины воды и скорости судна.

В ранних реализациях журнала питометров ртутные манометры^[3]были использованы для измерения разницы давлений (см. рисунок 1).^[2] В более поздних реализациях использовались подходы, которые генерировали уравнительное давление внутри питометра, которое уравновешивало бы динамическое давление. Это устранило необходимость в ртутных манометрах.^[4]

Анализ

Выражение может быть получено для скорости воды, ударяющейся о корабль, как функции разницы в динамическом и статическом давлении воды, используя Принцип Бернулли. Общее давление воды в трубе с движущейся морской водой можно описать уравнением 1.

(Уравнение 1)	${displaystyle p_{Total}=p_{Static}+p_{Dynamic},!}$

куда

• п_Общий полное давление жидкости.
• п_{Статический} - статическое давление, которое строго зависит от глубины.
• п_{Динамический} давление жидкости, вызванное движением жидкости.

Поскольку вода является несжимаемой жидкостью, составляющая динамического давления общего давления может быть выражена через плотность воды и скорость воды, как показано в уравнении 2.

(Уравнение 2)	${displaystyle p_{Total}=p_{Static}+ho cdot {frac {v_{Water}^{2}}{2}},!}$

куда

• v_Вода скорость потока жидкости.
• ρ - плотность жидкости.

Уравнение 2 может быть решено для скорости воды с точки зрения разницы давлений между двумя опорами манометра. Уравнение 3 показывает, что скорость является функцией квадратного корня из разности давлений.

(Уравнение 3)	${displaystyle v_{Water}={sqrt {frac {2cdot left(p_{Total}-p_{Static}ight)}{ho }}},!}$

Поскольку скорость, вычисляемая питометром, является функцией разницы между показаниями давления, питометр не дает точных результатов, когда скорость судна мала и два показания давления почти одинаковы.

Альтернативы питометру

Хотя журнал питометра сегодня очень широко используется, существует ряд других журналов, которые также используются. Эти журналы включают:

• Журнал рабочего колеса: Маленький крыльчатка (или же ротор или же флюгер ) устанавливается на корпусе «ниже ватерлинии» или тащит за судном. Устройство вращается водой, когда сосуд проходит через нее. Скорость вращения гребного винта пропорциональна скорости корабля. Это устройство в принципе похоже на анемометр, который используется для измерения скорости ветра. Вариант этого подхода известен как патентный журнал, который буксируется с кормы корабля. Патентный журнал включает механический регистр, который подсчитывает количество оборотов бревна во время буксировки. Патентный журнал был изобретен в 1688 году английским приборостроителем. Хамфри Коул. Патентный журнал также известен как винтовой журнал или бревно из гусеницы.^{[5][нужна цитата ]}

• Пропеллер Об / мин: Скорость корабля примерно пропорциональна скорости вращения гребного винта. Этот подход наиболее полезен, когда винт имеет постоянный шаг. Это менее полезно на судах с гребными винтами, которые имеют гребные винты переменного шага или не имеют гребных винтов (например, парусники ). Вариант этого подхода использовался подводными лодками во время Вторая Мировая Война для определения скорости целей. Оператор гидролокатора слушал звук пропеллера цели и определял ее скорость вращения или «количество лопастей». Зная скорость вращения винта и визуально определив тип корабля, можно было оценить скорость цели.

• GPS измерения дают только позицию, но не скорость или направление движения. Однако большинство GPS-приемников могут автоматически определять скорость и направление на основе двух или более измерений местоположения. Недостатком этого принципа является то, что изменения скорости или направления могут быть вычислены только с задержкой, и это полученное направление становится неточным, когда расстояние, пройденное между двумя измерениями местоположения, падает ниже или около случайная ошибка измерения положения. Чтобы противостоять этому эффекту, более продвинутые навигационные системы используют дополнительные датчики, такие как компас или инерциальная навигационная система в дополнение к GPS.

• Журнал доплеровской скорости (DVL): Некоторые корабли оснащены гидроакустическими приборами, которые могут измерять доплеровский сдвиг в звуковом импульсе, генерируемом движением корабля, когда он отражается от дна океана или от частиц в воде. Таким образом, измерения скорости с помощью доплеровского прибора могут производиться относительно земли или воды.

• Журнал корреляционной скорости (CVL): CVL состоит из передатчика звука и ряда приемников. Эти очень дорогие устройства измеряют скорость судна относительно земли, выполняя корреляционную обработку между сигналами, принимаемыми разными приемниками в разное время. Эта корреляция может быть связана с расстоянием, пройденным кораблем.^[6] CVL используются в основном на судах, которым требуется очень точное измерение низких скоростей, которые питометру сложно измерить точно.

Рекомендации

1. "Военно-морская наука 203: Навигация и военно-морские операции I". Учебный корпус офицеров военно-морского резерва штата Пенсильвания. Архивировано из оригинал на 2006-09-05. Получено 2006-08-26.
2. «Фотопитометр: прибор для измерения скорости в водопроводе». Американские артефакты: научный медицинский и механический антиквариат. Получено 2006-08-26.
3. "Подводные подводные логические системы, NAVPERS 16168". Отдел стандартов и учебных программ, Обучение, Бюро военно-морского персонала. 2000-07-11. Получено 2006-08-26.
4. «Подводные бревенчатые системы». Музей и парк подводных лодок USS Bowfin. 2002. Архивировано с оригинал на 2006-08-25. Получено 2006-08-26.
5. «Arctic Corsair - Taffrail Log или Patent Log». Получено 2006-08-28.^{[мертвая ссылка ]}
6. «Моделирование корреляционной записи скоростей с использованием компьютерной акустической модели» (PDF). Архивировано из оригинал (pdf) на 2006-09-23. Получено 2006-08-26.