第六章船用计程仪

第七章 船用计程仪第一节 概述船用计程仪是一种测量船舶航速和累计航程的导航仪器。计程仪所提供的航速信息对 船舶驾驶极为重要，其主要作用如下：1.计程仪测量的航速信息结合陀螺罗经或磁罗经提供的航向信息，可进行船舶船位推 算。2向卫星导航仪、自动综合导航仪、ARPA和真运动雷达等导航仪器提供航速信息， 可实现船舶自动定位和利于船舶操纵及自动避让。3向现代化大型或超大型船舶提供纵向和横向速度信息，保证这些船舶在狭水道航行、 靠离码头和锚泊时的安全。船用计程仪按其测量参考坐标系的不同，可分为相对计程仪和绝对计程仪两类。相对 计程仪只能测量船舶相对于水的速度并累计其航程，如水压式、电磁式等计程仪。绝对计 程仪可以测量船舶对地的速度并累计其航程，如多普勒计程仪和声相关计程仪。但是当测 量水深超过其跟踪深度范围时，绝对计程仪便转换成为跟踪水层的相对计程仪。具体地讲， 工作于“海底跟踪”方式的多普勒、声相关计程仪属于绝对计程仪，工作于“水层跟踪” 方式的多普勒、声相关计程仪属于相对计程仪。水压式计程仪是第二次世界大战后，应用流体力学的伯努利定理制成的，即船舶航行 时的水流动压力与航速平方成正比的原理。这种计程仪在中高速测速时精度较高，但在低 速测量时精度和灵敏度均较差，而且其操作维护也不方便，已基本被淘汰。电磁计程仪是应用电磁感应原理来测量船舶相对于水的航速和累计其航程的。其优点 是测速线性好，测速范围大，而且可测量船舶后退速度，精度较高（1%2%或0.2Kn）, 成本低且使用方便。因此，这种型号的计程仪目前在船舶上得到了普遍的使用。典型的如 国产的CDJ型、日本的EML型、法国的BEN型等。多普勒计程仪是20世纪70年代初期的产品，它是随着航运事业的发展，为了解决某 些大型、超大型船舶的进出港、靠离码头和锚泊等问题而制成的。这种计程仪是利用声波 的多普勒效应进行测速的，它可以提供船舶相对于海底的绝对航速和航程信息，同时还可 以测量船舶后退及船首尾横移速度。它具有测速精度高（0.2%0.5%或0.1Kn），测速门限 低（O.OlKn）等优点。其典型产品如美国的SRD-331型，德国的ATLAS DOLOG20系列， 日本的TD-501型、MF-100型和国产的MCDL-1型等。声相关计程仪是于20世纪70年代中期问世的产品，它是利用相关技术对声波信号进 行处理来测速的，其特点是测速精度高（0.2%或0.1Kn），测量精度不受海水中声速变化的 影响，它可测速计程，还可兼作测深仪使用。其典型产品有瑞典的SAL-ACCOR型、SAL-R1 型和SAL-865型等。第二节 电磁计程仪一、电磁传感器的工作原理：电磁计程仪（electromagnetic log）是利用电磁感应原理来测量船舶航速和累计航程的 一种相对计程仪。电磁传感器是根据电磁感应原理，产生一个与船舶速度成正比的电信号。常用的传感 器有两种：平面式和导杆式。平面式传感器的底面与船底平齐；导杆式传感器为一根可升 降的圆柱形导杆，计程仪工作时伸出船底，不工作时可将导杆升起。平面式电磁传感器的结构原理图如图7-1 所示： 倒“山”字型铁芯沿船舶横向安装在船底板开孔处。 铁芯的中间柱上绕有激磁绕组；在铁芯的两个空隙中 嵌有间距为L的两个电极a和b及其引出导线；电极 和导线用非导磁材料填封并固定。当激磁绕组通入 220V50HZ的交流电E时，在铁芯两侧形成交变磁场 B。E = B - Lv 10-8（v） g7-1）r-O OnB图7-1当船以航速 V 向前（或向后）航行时，则水流相 对船的速度V大小相等，方向相反。由于海水可导电， 可将流过两电极间的海水看作无数根运动的“导体” 在切割磁力线，根据电磁感应原理，在电极a、b和海 水形成的回路中将产生感应电动势Eg：式中，B为交流磁感应强度（Gs）, L为两电极间距（cm），V为航速（cm/s）。显然, 只要测得感应电动势Eg，由上式即可求出船舶航速V。二、CDJ-6型电磁计程仪的使用与调整CDJ-6 型电磁计程仪是由上海船舶仪器设备厂生产的,其设备组成主要有平面式传感 器、接线盒、主机和航速表等，如图7-2所示：指示表速指示表图 7-21.整机性能参数测速范围：-5+25Kn航程范围：0999, 99.99n mile航速精度：0.15Kn航程精度：1%功耗：80VA电源：220VAC 10%， 50Hz6%2.使用主要的操作功能键位于主机的面板之上，见图7-3 所示：（1）接通主机面板上的电源（Power）开关，指示灯亮，仪器开始工作。仪器将显示 三位的速度数据XXX（节）；速度为负值时，显示一XX X（节）。同时仪器还显示上 次关机时存储的七位航程数 据XXXXXXX （海里）。（2）先按时间常数键 T（TIME）,再同时按下清零 键C （CLEAR）,航程清零， 仪器将重新开始累计航程。（ 3）按存储键 MEM图 7-3(MEMORY),可将此时的航程数值存储在EPROM中。关机后，该值仍将长久保存，开 机后，仪器即显示该值。(4) 递增键INC(INCREASE)和递减键DEC (DECREAS)：按递增键(或递减键)， 预置航程将不断增加(或减少) 0.01 海里，松开即停。(5) 自检键BIT(BUILT-IN TEST)：检查各功能键是否正常，按下此键，数码管依 次显示从0到9，然后7个功能键指示灯轮亮一次后回到正常显示功能。(6) 亮度键B(BRIGHTNESS)：控制数码管显示亮度，以适应白天、黑夜航行时不 同的亮度要求。键指示灯有暗、橙、绿、红四种指示分别表示四级亮度显示。3.维护(1) CDJ-6 型计程仪平时维护只需注意保持清洁，避免灰尘。(2) 船舶坞修时，可检查传感器平面和电极，如发现传感器平面或电极表面附有污 层时，应用肥皂水或四氯化碳洗净之。如有海生物，应去除干净，但要注意不得损伤表面 橡胶。(3) 定期检查安装传感器舱室内有无积水，发现后应及时处理。4. 叠标测速与航速误差 计程仪指示航速与船舶实际航 速不一致，计程仪即产生航速误差。 航速误差的测定与校正必须在叠标测 速场进行。图7-4为船舶在测速场中 测速的示意图，设陆地上的叠标aaz 和bb是平行的，其距离S和方位已 知,测速时，船舶航向AB垂直于aaz 和bbzo显然，只需记录船舶每一次 从A点到B点所需时间，便可求出船 舶的实际航速Vz。计程仪测速应分 低、中、高三种航速进行，为消除水 流影响，各种航速应往返三次测量，连续三次记下船舶通过第一组和第二组叠标线的时间， 求得三个实际航速VI、V2、V3,同时记录三次的计程仪的指示航速Vji、Vj2和Vj3，于 是可求得船舶实际航速的平均值V和计程仪显示航速的平均值VjoV + 2V + VV + 2V + VV = 124;V =-J1J2J34J4( 7-2) 计程仪的航速误差为：AV 二 V - V(7-3)JZ计程仪测速的相对误差刃由下式确定：V - V5 V = -jz x 100%VZ7-4)经过上述的测速和计算，若丨AV丨大于0.15节时须进行误差校正。第三节 多普勒计程仪一、多普勒效应多普勒计程仪(Doppler log)是应用多普勒效应进行测速和累计航程的一种水声导航 仪器。所谓的多普勒效应是指：当声源与接收者之间存在相对运动时，接收者接收到声波 的频率与声源频率不同的现象。当声源与接收者接近时，接收者收到声波的频率将升高； 当两者相互远离时，则接收者收到声波的频率将降低。接收频率与声源频率之差值/称 为多普勒频移(Doppler shift)。/与声源的频率厶、声波在介质中的传播速度C和声源 与接收点之间的相对运动速度V的关系如下：V纣=Cf0(7-5)当厶与C为常数时，/与V成正比，因此可以通过测定多普勒频移来进行测速。二、单波速测速原理如图7-5所示，在船底部装置一个收、发兼用的换能器O。船舶以速度V向前航行,换能器以频率厶向海底发射超声波脉冲。声波束的发射方向与船舶速度方向成0角，称之 为波束发射俯角，一般0取60。换能器向海底发射的超声波经海底发射后，一小部分声波能量被换能器接收。换能器O既是声源又是接收者,v图 7-5由于发射点和接收点之间有相对位移，故换能器O收到声波的频率和发射声波的频率并不相同(又称为二次多普勒效应)。测得的多普勒频移/表示如下:Af2 fy cos 0(7-6)式中，声波发射频率人、船速V及波束俯角00均为已知量,只要测出多普勒频移/,即可求出船速。三、双波速测速原理上述是一种只向前发射单一声波束的多普勒计程仪。这种单波束计程仪在实际使用时 会因船舶摇摆而产生测速误差，故不能得到广泛的应用。船舶摇摆时，由于船舶上下颠簸 和纵向摇摆会产生船舶在垂直方向上的运动速度U,如图7-6所示。图 7-6Usip卩丿sing图 7-7垂向速度U在波束发射方向上的分量为- UsinO，在波束发射方向上的合成速度为 (VcosO-UsinO),则单波束多普勒频移公式变化为：纣=2fo(V cos U sin )(7 _ 7)比较式 7-6和 7-7可知，在船舶上下颠簸和纵向摇摆时，如果仍按7-6式进行测速计 算，显然会产生测量误差。为了消除这种测量误差，目前船用多普勒计程仪普遍采用双波束系统测速，即以相同 的发射俯角分别向前和向后发射对称的超声波波束，如图7-7所示。篦=红(V 辭_ U sin e)按式 7-7，朝船首向及船尾向波束的多普勒频移分别为：f 二 2fo(_V cose_ U 血)(7 _ 8)用4 fi减去 ；2有:纣=篦_笔4V coseC(7_9)式 7-9 称为双波束多普勒频移公式，由公式可知，船舶摇摆颠簸引起的垂向运动速度U 的影响已完全被消除。四、多普勒计程仪的分类目前船用多普勒计程仪有三种类型。第一种类型是双波束系统，又称一元多普勒计程 仪。它只能测量船舶纵向速度并累计其航程，通常用于船舶的导航功能；第二种类型是四 波束系统，即换能器向船体的前后左右四个方向发射波束，又称二元多普勒计程仪。它除 了可测量船舶纵向速度外，还能测量横向速度，可作为船位推算导航使用。一元和二元多 普勒计程仪的换能器均安装在船首部位。第三种类型是六波束系统，它除了在船首装置四 波束换能器外，还在船尾部安装一对向船尾左右方向发射波束的换能器，它又称为三元多 普勒计程仪。这种计程仪既可测量船舶纵向速度，又能测量船首部和船尾部的横向速度， 能反映船舶运动的全貌，通常用于大型或超大型船舶的进出港、靠离码头和锚泊等作业中， 可确保航行的安全。五、DS-50型多普勒计程仪1.概述DS-50型多普勒计程仪是日本FURUNO电器公司DS系列计程仪的典型产品，它采用 了先进的计算机处理技术，具有较高的测量精度，完全符合IMO和IEC组织的规定。它 的主要特点如下：(1) 可工作于“海底跟踪”、“海层跟踪”和“自动跟踪”三种工作方式，既可测量对地的速度，又可测量对水的速度。“自动跟踪”可实现在“海底跟踪”和“海层跟踪”方式间的自动切换。（2）能同时测量船舶纵向前、后及横移速度，可为船舶靠离码头、锚泊等作业的安全 提供保证。（3）浅水（最小达到船底下lm）测量也有较高的测量精度；在1200m的水深范围 内可精测对地的速度，超过200m则计程仪主显示器-O3接线盒指示式分显示器3自动转换为测量对水的速度。（4）可输出模拟或数字的航速及航程数 据至其它航海仪器，以实现船桥自动化功能。（5）能同时测量船底下海水深度，为浅水航行时的船舶导航服务。处理2. 整机框图及原理器图 7-8DS-50 型多普勒计程仪整机由主显示 器、分显示器、处理器单元、接线盒、收发 器及换能器等组成，如图7-8 所示。主显示器的功能是操纵控制整机工作 并显示测量结果，包括船舶前进/后退速度、 船首左/右横移速度、累计的航程、船舶龙骨 下水深等数据。处理器（Processor）的作用有：形成触 发脉冲送至收发器单元，指挥收发器的工作； 同时将收发器接收的回波信号变为航速信号送至主显示器或其它分显示器；提供各部分工 作所需的电源。处理器内主要有电源电路、多普勒门电路和微处理机等。收发器（Transceiver）的作用是产生电振荡脉冲，激励换能器向海底发射超声波，同 时接收换能器的回波信号进行放大和变换为电信号送至处理器。 DS-50 型计程仪某些机型 将收发器和处理器合二为一，简化了安装程序。分显示器有数字式和指示式两种，其功能与主显示器相同，其信号来自处理器提供的 串行数据或模拟数据。3. 主显示器面板显示及按键功能介绍图 7-9 所示为 DS-50 型多普勒计程仪的主显示器面板，从上至下有三个显示区。最上 方为船首左/右横移速度显示区，正常显示时左箭头或右箭头的图标将被点亮，指示当前的 船首横移方向。中间为船舶前进/后退速度显示区，显示窗左侧为跟踪方式指示（G-海底跟 踪，W-水层跟踪，A-自动跟踪），右侧为速度单位、自检状态和速度报警显示。最下方为 航程/龙骨下水深显示区，显示窗上方为显示状态指示（Distance和Keel Clearance），右方 为航程单位显示。主要的按键及其功能介绍如下：（1）跟踪方式（MODE）按键选择计程仪的跟踪方式，即海底跟踪、水层跟踪和自动跟踪。重复按此键，跟踪方式 依次变化，选择的同时相应的指示灯（G、W和A）将被点亮。（2）航程/龙骨下水深（Distance/Keel Clearance）按键： 选择航程或龙骨下水深显示方式Clearance 指示灯将被点亮。（3）亮度（DIMMER）控制按 键：用来调节面板显示亮度。（4）航速单位（Kt或m/s）按 键：选择速度测量的单位。（5）设置（SET）按键：输入预 置的航程。（6）上/下/左/右箭头按键：改变 预置航程的大小。（7）电源按键（POWER）：接 通或关闭电源。4.计程仪启动（1）按下POWER按键，接通电 源，机器首先进入自检工作状态。三个“0”将在速度显示窗口闪烁选择完毕，显示窗口上方的 Distance 或 Keel图 7-91 分钟，内存、发光二极管、蜂鸣器 依次被检测。检测若正常，主显示器 的程序版本号码（PXX）将在纵向 速度显示窗口出现，处理器单元的程 序版本号（PXX ）将在航程显示窗 口前三位出现。如果检测不正常，则将有相应的错误信息提示。如：1代表ROM错误，2 代表RAM错误，3代表EPROM错误。（2）自检完毕，正常的航速和航程（或水深）显示出现。（3）用DIMMER控钮调整面板显示亮度。（4）按下MODE键，选择计程仪跟踪方式（海底/水层/自动），对应的指示灯G、W、 A将被点亮。海底跟踪为测量对地速度，其跟踪深度范围为龙骨下1200m；水层跟踪为 测对水速度，其跟踪深度范围为龙骨下225m；自动跟踪将根据实际水深在海底和水层 跟踪状态之间自动切换。注意，在使用ARPA进行避让操纵时，最好选择水层跟踪方式。（5）按 Kt/m/s 键，选择速度测量的单位。（6）按 Distance/Keel Clearance 键，选择航程显示或者是龙骨下水深显示。航程的显 示单位是海里（Nm）,水深的显示单位是米、英尺或英寻（fathoms）。（7）预置初始航程：航程数据在关机后仍然可以保存，用设置SET）键可以将航程 清零或输入初始的预置航程。按下SET键，量程显示窗口的最高为将闪烁，用左或右箭头 键选择欲输入的数位，用上或下箭头键增加或减少航程值，输入完毕按SET键即可。若将 每个数位的数字置零，则航程被清零。第四节 声相关计程仪一、声相关计程仪的工作原理声相关计程仪(acoustic correlation log)是应用相关技术处理水声信息测量船舶航速并累计航程的计程仪。其特点有：其一，采用垂向发射和接收超声波信号，并对被接收的回波信号的幅值包络进行相关处理来测速；其二 即可测对地的速度，又可测对水的速度；其三 同时可测量水深，兼作测深仪使用。声相关计程仪的测速原理如图7-10 所示。可工作于海底跟踪和水层跟踪两种方式， 测量精度不受声速变化的影响；其四，它a)b)图 7-10沿船底纵向等间距安装有前向接收换能器Bf、发射换能器Bt、及后向接收换能器Ba，前后两接收换能器的间距为So假设在 t=t1 时刻，经海底反 射回来的回波被前向换能器 Bf 所接收，如图 7-10( a) 所示；经过时间间隔T，即 t=t2 时刻，回波被后向换能 器Ba所接收，船航行的位移 为S/2,如图7-10 (b)所示。 由于两换能器接收的超声波 所走过的路径完全一致，因 此可认为这两个回波信号的 包络幅值f1 (t)和f2 (t)形状完全相同，只是在时间上相差了一时间间隔T，如图7-11 所示。我们称这两个信号是互相关的，T为相关延时。T可以用下式表示：1 S1 St=(7 -10) 或 V = _(7 -11)2 V2 t式中，S为两接收换能器之间距，为定值；延时T可以用相关接收技术进行测量，所以船速 V 便可求得。声相关计程仪工作的基本过程是：将两个接收换能器所接收的回波信号，经过放大和 延时器处理后，送到一个乘法器，经过乘法运算后输出f (t)和f (t+T )的乘积，再送到 一个积分器作积分运算求取它们的相关函数。相关函数的大小随延时器的延时量而变化， 仅当延时为T时，相关函数的值取最大。此时，对应的T即为要求的延时。然后经过换算 后由显示器以模拟或数字显示方式显示出船速和航程。二、SAL-R1型声相关计程仪SAL-R1型声相关计程仪是瑞典CONSILIUM导航仪器公司生产的单轴水层跟踪的计程仪 产品， SAL 系列的声相关计程仪还包括双轴海底跟踪与单轴水层跟踪兼备的 SAL-860R、 SAL-860T 型等。1. 主要技术指标测速范围：050Kn测速精度：1%或 0.1Kn 航程精度： 1% 最小跟踪深度：龙骨下 3m 电源： 230/115V AC， 50Hz/60Hz 功耗：正常30 VA 速度输出标准： NMEA 0183/IEC 6112-1 脉冲输出：200P/NM 或 20 000P/NM 换能器：32mm (直径)X 160mm (长度)2. 整机组成及主要操作控钮SAL-R1 型声相关计程仪整机由海底阀、换能器、电子箱和显示器组成，其组成框图如图7-12所示。换能器 采用导杆式结构并连 接在海底阀上，其导 杆可以借助调节装置 伸出船底，可减小紊 流对测速精度的影 响。电子箱为密封的 防水箱，内部装有电 路板，其功能是发射、 接收和进行信号处 理。电子箱、海底阀 和换能器都安装在船速度指示器由子箱O*EJectnwiAts UM由子箱OEJectwifcs UM海底阀0及换能器数字速度/航程显示器200P/NM 或 20 000P/NM图 7-12首部位。显示器有两种，即数字式的速度/航程显示器和模拟式的速度仪表指示器，显示器 一般安装于驾驶台。数字式速度/航程显示器的面板上的指示和控钮有：(1)面板上方为船相对于水的速度显示(XX. XKn)，在该显示窗口上方和下方有当 前速度方向(前进或后退)指示灯。(2) 面板中间为航程显示(XXXXXXNM),在该显示窗口左方有长/短航程指示灯。(3) 长/短航程选择按钮(TOTAL/TRIP)：选择长航程，TOTAL灯亮，航程显示为XX XXXXNM ；选择短航程，TRIP灯亮，航程显示为XXXX. XXNM。(4) 航程复零按钮(RESET)：将航程清零。(5) 面板亮度调节(DIMMER)：调整显示亮度。复习思考题1. 叙述目前船用计程仪的分类及各类型计程仪的特点。2. 试述平面式电磁传感器的测速原理。3. 试述 CDJ-6 型电磁计程仪进行叠标测速的过程。4. 画图叙述单波束多普勒计程仪的测速原理。5. 试述多普勒计程仪的分类及各自的用途？6. 试述 DS-50 型多普勒计程仪的主要特点。7. 画图并叙述声相关计程仪的测速原理。