وبلاگ

در این بخش نگاهی به روش های سرعت سنجی ممکن و مورد استفاده برای کشتی خواهیم داشت. برای محاسبه سرعت در کشتی 2 نوع سنجش مد نظر است که هر کدام از آنها استفاده خاص خود و مزایا و معایبی نسبت به دیگری دارند. این دو نوع سنجش عبارتند از سنجش سرعت نسبت به زمین و سنجش سرعت نسبت به آب، که در ادامه روش های این سنجش ها را بررسی خواهیم نمود.
1-2-سرعت سنجی نسبت به زمین(Ground Reference Speed)
برای اندازه گیری سرعت حرکت کشتی نسبت به زمین سه روش موجود است که در ادامه هر کدام از این روش ها را به طور خلاصه بررسی خواهیم نمود:
1-2-1-سرعت سنجی با بهره گرفتن از GPS(Global Positioning System)

سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) مجموعه ­ای از ماهواره ها هستند که در ابتدا توسط ارتش ایالات متحده با اهداف نظامی به مدار زمین فرستاده شده ­اند و بعد ها برای استفاده های غیر نظامی نیز مورد استفاده قرار گرفته اند. اطلاعات دریافتی از GPS تنها موقعیت و زمان هستند و این سیستم در مورد جهت و سرعت هیچ اطلاعاتی را بدست نمی­دهد. ولی بسیاری از دستگاه های گیرنده GPS توانایی محاسبه خودکار سرعت متوسط بر اساس زمان و موقعیت های دریافتی را دارا می باشند. مشکلاتی که این روش دارد این است که سرعت و جهت همیشه با تاخیر محاسبه می شود، دقت این سیستم در مواقع خاصی در بعضی از مناطق جغرافیایی به شدت کاهش می یابد، و به دلیل خطا های تصادفی امکان اشتباه در اندازه ­گیری بالا است. از طرف دیگر در شرایط خاص نظامی امکان قطع و یا داده های دریافتی غلط به طور عمدی بسیار محتمل است.
شکل1-1:تنها ماهواره GPS در دید عموم[4]
برای کاهش خطاهای موجود در سیستم GPS سیستم­های پیشرفته ناوبری علاوه بر این سیستم از سنسورهای دیگری مانند قطب نما و یا از مجموعه سنسورهایی با عنوان سیستم ناوبری داخلی (Inertial) استفاده می­ کنند.[5]
سیستم ناوبری داخلی (Inertial Navigation System) شامل 3 حسگر شتاب، ژیروسکوپ و قطب نما هستند و توانایی اندازه ­گیری سرعت با محاسبات داده های ژیروسکوپ و شتاب سنج و نهایتا انتگرال گیری از شتاب خالص محاسبه شده را دارا هستند. مشکل اساسی این سیستم ها بالا بودن خطا در اندازه گیریهای آنها است. دلیل این مسئله آن است که خطاهای حاصله از اندازه گیری و محاسبات در هر پله از محاسبه با مقدار قبلی جمع می شود و عملا بدون وجود GPS امکان اندازه گیری در مسافت های بالا تر از 1 کیلومتر وجود ندارد و خطا بیش از حد خواهد بود.[6]

شکل1-2:نمونه مکانیکی و الکترونیکی سیستم ناوبری داخلی
در اینجا لازم به ذکر است ما ابتدا بر آن بودیم تا شتاب سنجی را طراحی کرده و با انتگرال گیری از شتاب و محاسبات لازم عمل سرعت سنجی را انجام دهیم اما به دلیل مشکلات ذکر شده این طرح رد شد.
1-2-2سرعت سنجی با بهره گرفتن از اثر داپلرSONAR (Sound Navigation and Ranging)
سیستم اندازه گیری سرعت  به روش  داپلر بر گرفته از همان تئوری شیفت فرکانس است که توسط  Christian Doppler  در اوایل قرن ۱۹ عنوان شد و امروزه بطور گسترده در الکترونیک دریایی برای اندازه گیری سرعت شناور ها استفاده میشود. در نظر بگیرید که کشتی ای با سرعت V به طرف یک صفحه  انعکاس دهنده ثابت ، درحال حرکت است و از دماغه خود یک پرتو از انرژی صوتی با فرکانس f را به سوی صفحه منعکس کننده ارسال می­ کند. در اینصورت فرکانس برگشتی از انعکاس صفحه یک شیفت فرکانسی نسبت به فرکانس ارسالی نشان می­دهد. این شیفت فرکانس همان Doppler Shift است و متناسب با سرعت کشتی می­باشد.
اگر سرعت کشتی را صفر در نظر بگیریم طول موج در نقطهء انعکاس برابر است با:
که   = طول موج (متر)       C = سرعت امواج صوتی در آب (۱۵۰۰ متر بر ثانیه)   و  f =فرکانس (هرتز)
و با در نظر گرفتن اینکه کشتی با  سرعت V به سطح انعکاس دهنده نزدیک میشود ،طول موج در آب دریا برابر است با :
و در نتیجه فرکانس بالا تری در نقطه انعکاس داریم. این انرژی در فرکانس بالا  دوباره به طرف منبع فرستنده انعکاس داده می­ شود و

 اینبار طول موج آن  برابر است با:

با جایگذاری دو فرمول بالا خواهیم داشت :
=>
شکل1-3: تغییر فرکانس صوت متاثر از حرکت
شکل1-4:محاسبه سرعت توسط فرکانس دریافتی
در شرایط واقعی میدانیم که سطح انعکاسی وجود ندارد، آنچه بعنوان منعکس کننده باید عمل کند بستر دریاست ،پس پرتوی انرژی میبایست با زاویه مناسب به بستر دریا فرستاده شود. با توجه به زاویه موجود بین بردار سرعت و ارسال موج اکنون سرعت V به صورت زیر محاسبه میشود.[7]
شکل1-5: نحوه عملکرد سرعت سنج داپلر در کشتی
فرمول بالا از بست فرمول اولیه بدست آمده ،ترم اول فرمول که خطی است و مورد استفاده  در اندازه گیری سرعت قرار می­گیرد ،ترم سوم به بعد نیز که به جهت بزرگ بودن مخرج قابل چشم پوشی هستند ، مشکل ترم دوم است که باید به گونه ای جبران یا حذف شود. بدین منظور و همچنین به جهت حذف کردن اثر بالا و پایین شدن سر کشتی در دریای مواج از انتشار پرتوی دیگری با همین زاویه در جهت عقب استفاده می­ کنند. در بعضی از سیستمها ۴ پرتو انرژی صوتی با زاویه مساوی از فرستنده ارسال می­ شود تا تمام تکانهای کشتی(Pitching and Rolling)   را جبران کنند و سرعت دقیقتری بدست آورند. البته در سرعت بدست آمده فاکتورهای دیگری هم لحاظ می­شوند تا اثرات دما و شوری آب که در نقاط مختلف دنیا متغیر است را جبران کنند ، سپس این سرعت در دستگاه های ناوبری دیگر مورد استفاده قرار می­گیرد.
شکل1-6:بلوک دیاگرام کلی سرعت سنج داپلر در کشتی
نکته اصلی در مورد این سیستم تغییر ارتفاع بستر دریا است. این تغییر باعث کاهش دقت اندازه گیری سرعت در این سیستم می­ شود همچنین این روش به انرژی بالایی برای ایجاد امواج صوتی نیاز دارد و امکان ساخت آن به صورت میکرو سنسور وجود ندارد. از طرف دیگر اخلالگر هایی برای این نوع سیستم ها موجود است که در شرایط خاص می ­تواند عملکرد آنها را به کلی مختل کند.[8]

1-2-3-سرعت سنج همبستگی آماری (Correlation Velocity Log)
این نوع از سرعت سنج های بسیار گران قیمت برای مواقعی که نیاز به سرعت سنجی دقیق وجود دارد استفاده می­شوند. ساختار عملکرد آنها شبیه به سرعت سنج اثر داپلر است و مانند آن از یک دسته از حسگر های بسیار حساس به همراه یک فرستنده صوت بهره می­گیرد ولی عملکرد آن با سرعت سنج داپلر کاملا متفاوت است به اینصورت که صوت منعکس شده از کف آب توسط حسگر‌ها دریافت می­ شود ولی اینبار به جای بررسی فقط فرکانس دریافتی، یک تحلیل دقیق و کامل از سیگنال های دریافتی در زمان های مختلف توسط حس گرهای مختلف انجام می­ شود و با بررسی همبستگی آنها (Correlation) سرعت محاسبه می­ شود.[9]
1-3-سرعت سنجی نسبت به آب
1-3-1-گره دریایی  و Chip Log
یکی از قدیمی ترین روش های اندازه گیری سرعت شناور نسبت به آب روشی به نام گره دریایی یا Chip Log است که در آن  یک قطعه چوب را که طنابی به آن متصل است از پشت کشتی به آب می‌اندازند. تکه چوب نسبت به آب ثابت می‌ماند و طناب با سرعت برابر با سرعت کشتی نسبت به آب از دستان ملوانی که سرعت را اندازه می‌گیرد خارج می­ شود. روی طناب گره‌هایی در فواصل مشخص وجود دارد که ملوان با شمارش آنها سرعت را اعلام می‌کند. برخی دیگر نیز با ساعت شنی زمان را محاسبه می‌کنند. به این ترتیب سرعت کشتی محاسبه و به ناخدا اعلام می‌شود.[10]
شکل1-7: نمونه گره دریایی موجود در موزه دریانوردی پاریس
این روش اندازه گیری به معیاری برای نام گذاری یکی از واحد های اصلی اندازه گیری سرعت در کشتیرانی تبدیل شده است. واحد “گره دریایی”.
گره دریایی یا اختصاراً گره واحدی برای سنجش سرعت است. علامت مخفف آن در مکاتبات Kn یاKt  است. گره با این که جزو سیستم استاندارد بین المللی واحدها نیست، از نظر این سیستم شناخته شده است. هر گره برابرسرعت 1852 متر بر ساعت است طبق تعریف یک گره بین‌المللی برابر است با سرعت یک مایل دریایی بر ساعت برابر ۱۸۵۲ متر بر ساعت. این تعریف از نیمه دوم قرن بیستم به تدریج در کشورهای مختلف پذیرفته شد. قبل ار آن در کشورهای مختلف طبق تعریف مایل دریایی در سیستم‌های اندازه‌گیری معمول در آن کشورها تعریف می‌شد و در نتیجه در سراسر دنیا یکسان نبود. گره دریایی در قدیم گاهی به غلط به معنی مایل دریایی به کار می‌رفت.
سرعت شناور نسبت به سیّالی که در آن قرار دارد (و نه زمین) معمولاً بر حسب گره سنجیده می‌شود.

1-3-2-سرعت سنج پروانه­ای
این نوع سرعت سنج از یک پروانه کوچک متصل به کشتی در داخل آب بهره می­برد به طوری که در اثر عبور آب کنار بدنه شناور این پروانه می­چرخد. سرعت چرخش این پروانه با سرعت کشتی متناسب است. اصول عملکرد این سیستم شبیه به بادسنج است.
شکل1-8: عملکرد سرعت سنج پروانه ای
1-3-2-سرعت سنج پیتو (Pit Log)
این نوع سرعت سنج پر کاربرد ترین دستگاه سرعت سنج مورد استفاده در شناور های امروزی است، و هم در کشتی ها و هم زیر دریایی ها مورد استفاده است. داده های اندازه ­گیری شده توسط این سرعت سنج مستقیما به سیستم ناوبری شناور منتقل می­ شود. در طول جنگ جهانی دوم از همین سیستم برای محاسبات سیستم های تسلیحاتی  ناو ها در تشخیص هدف استفاده می­شد .
شکل1-9: سیستم کامل سرعت سنج پیتو مربوط به یک زیر دریایی
اساس کار این سرعت سنج همانند لوله پیتو مورد استفاده در هواپیما است. معمولا پیتومتر به صورت یک لوله بلند است که از بدنه کشتی در قسمت تحتانی  و وسط آن خارج می­ شود. معمولا به بخشی از لوله پیتو که از بدنه کشتی بیرون زده، شمشیر پیتو(Pit Sword) یا راد متر(Rod meter) می­گویند.

این لوله دارای دو مجرا است: یکی مجرایی که در جهت حرکت جریان آب دریا است و فشار دینامیکی آب را اندازه می­گیرد و دیگری در زاویه 90 درجه نسبت به سر لوله که برای اندازه گیری فشار استاتیکی آب دریا است. فشار دینامیکی تابعی از عمق آب و سرعت کشتی است و با اندازه گیری دیفرانسیلی فشار دینامیکی و استاتیکی توسط فشار سنج سرعت کشتی محاسبه می­ شود. در نسخه های اولیه این نوع سرعت سنج ها برای اندازه ­گیری دیفرانسیلی فشار از مانومتر های جیوه­ای بهره می­گرفتند.[11] با پیشرفته تر شدن این سیستم ها فشار سنج های دیافراگمی و روش های اعتدال سازی فشار دینامیکی به این سیستم ها افزوده شد. [12]