I MAY DO SAU HANG HAI
1 Cơ sở lý thuyết các thiết bị thủy âm 1.1 Sự lan truyền của sóng âm
1.1.1 Những khái niệm cơ bản
Lan truyền sóng âm về bản chất là quá trình lan truyền tác động cơ học được tạo ra bởi nguồn dao động trong môi trường đần hồi
Sóng âm có tần số nhỏ hơn 16Hz gọi là hạ âm, còn lớn hơn 20Hz gọi là siêu âm
Quá trình lan truyền đần dần tác động trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng âm chạy; vị trí của phần tử dao động so với vị trí cân bằng của nó gọi là pha đao động Dao động thủy âm có thể chu kỳ hoặc phi chu kỳ Trong dao động chu kỳ thường gặp nhất là dao động điều hòa Đó là những dao động được diễn đạt bằng biểu thức:
A=A,,sin(@t + @) (1.1)
hoặc A=A,,cos(at + @) (1.1)
trong đó: A - giá trị tức thời của dao động;
Am — giá trị của biên độ dao động; (œ — tần số vòng;
@ — pha ban đầu
Những dao động phi chu kỳ có thể diễn đạt bằng tổng những dao động điều hòa nhờ phép phân tích thành chuỗi lượng giác Fourier Dựa trên nguyên lý ấy, ta tạo được bộ thu những dao động điều hòa cơ bản, và sau khi tiến hành tổng hợp chúng, ta được đại lượng phi chu kỳ
Tốc độ lan truyền sóng âm trong môi trường được ký hiệu là C Trong môi trường nước biển với độ mặn 35 %ø ở nhiệt độ 09C tốc độ C =1448,6 m/sec
Khi sóng âm lan truyền, nó tạo trong môi trường các phần tử đàn hồi lần lượt chỗ thì đậm đặc với áp suất cao, chỗ thì thưa giãn với áp suất thấp Khoảng cách giữa hai vùng đậm đặc hoặc hai vùng thưa giãn kể nhau được gọi là bước sóng x
C
Trang 3Đi qua hai môi trường có tốc độ lan truyền khác nhau, tần số f vẫn giữ nguyên và chỉ biến đổi bước sóng tương ứng với tốc độ theo hệ thức sau:
en (13)
Ay Cy"
nghĩa là X; =Ài “2 q4)
1
Để mô tả sóng âm và môi trường nó lan truyền, ngoài tốc độ lan truyền C, tần số f hoặc chu ky dao dong T va pha ban đầu ọ, người ta còn áp dụng những thông số sau:
£ - tị tức thời chuyển dịch những phần tử đao động;
E= “ — trị tức thời tốc độ chuyển dịch những phần tử dao động; p- trị tức thời 4p lực âm trong môi trường, đo bằng bar;
p - tỷ trọng của môi trường, do bang g/cm’ 1.1.2 Tốc độ lan truyền sóng âm
Tốc độ truyền âm trong nước biển được tính theo công thức: l pk - (1.5) c2
Trong đó: Cà tốc độ âm, m/Sec;
k — hệ số nén có trị bằng số nghịch đảo của mô đun đàn hồi E trong nước biển
Trang 4AH = Hy Yam † (1.7)
Vạ am
Trong đó: AH là số hiệu chính độ sâu, m;
Hạ — độ sâu đo bằng máy đo sâu, m;
V”ạm- tốc độ của sóng âm đo bằng máy đo sâu m/sec Như vậy: - Nếu nhiệt độ f tăng thì tỷ trọng p giảm, k giảm, do đó C tăng;
- Néu do man s°/ oo tang thi p tăng (nhưng không đáng kể so với
k), k giảm, do đó C tăng;
~ Nếu độ sâu tăng thì s°/ oo tang, dp luc P, tang, lam cho C tang theo
chiéu sau;
- Vé mia He, khi lép nước mặt bị nung nóng nhiều thì nhiệt độ sẽ giảm theo chiều sâu, có thể đạt tới 0,12 khi xuống sâu thêm 1m Ngược lại, về mùa Đông nhiệt độ sẽ tăng theo độ sâu Nhưng chỉ
đạt không quá 0,01 khi độ sâu biến đổi 1m
1.1.3 Hiện tượng khúc xạ sóng âm
Tương tự như sóng ánh sáng, sóng âm cũng tuân theo quy luật khúc xạ
Cc Cc Cc
—L =—<>=—*—= =const (1.8)
sina, sind, sina, -Trong đó, Cl, C2, C3, là tốc độ của sóng âm;
Œ¡, Œ¿, œ, là góc tới và những góc khúc xạ
Từ quy luật này, fa rút ra:
-_ Nếu tốc độ truyền âm các môi trường bằng nhau thì không có khúc xa; - _ Nếu sóng âm truyền từ môi trường có tốc độ truyền âm lớn hơn sang môi trường có tốc độ truyền âm nhỏ hơn (C, > C,) thì tỉa khúc xạ lệch gần về mặt ngăn cách;
- Nếu tăng góc tới œ,đến khi œ¿ = 90P thì xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần Lúc đó, sóng âm không vào môi trường 2 và góc ơ, được gọi là góc tới giới hạn
Trang 5lượng tiêu hao khi lan truyền của sóng dọc được thể hiện bằng hệ số tiêu hao B sau đây:
B=K, G (1.9)
ở đây: w — tần số vòng của sóng âm;
C, - tốc độ lan truyền của sóng dọc trong môi trường xuống đáy biển; K, - hệ số tiêu hao được xác định bằng phương pháp thực nghiệm Đáy biển thường gồ ghề nên năng lượng phản hồi của sóng âm bị phân tán Sự phản xạ như vậy gọi là khuếch tán
Tóm lại, sóng âm phản hồi chịu ảnh hưởng của ba yếu tố: âm kháng của nước biển, cấu trúc và hình dạng của đáy biển
Bảng dưới đây trích dẫn một số hệ số phản xạ của đáy biển Loại đấy | Ảnh A% Loại đáy | Anh A% Da granit Nét 70 +80 Cat bùn Kém 10 +20 Đá hộc lớn Nét 60 +70 Bang Kém 10 +15 Cat Nét 50 +60 Bùn nhão Kém 5+l10
Trước hiện tượng nêu trên, khi đo sâu, để tránh khuếch tán, người ta sử
dụng tia búp phát có góc mở nhỏ (thông thường từ 355 đến 45°) Lúc phản hồi, ngoài búp chính còn có những búp phụ gây nhiễu cho máy đo sâu Do -—-——vậy, khi chế tạo, người ta phải tìm cách lọc những búp phụ bằng cách làm
cho công suất của chúng nhỏ hơn 3% công suất của búp chính
1.1.4 Hiện tượng giao thoa sóng âm
Khi có hai hay nhiều nguồn sóng âm có biên độ nhỏ, cùng tần số hoặc xấp xỈ bằng nhau, cùng truyền trong một môi trường đàn hồi nào đó thì chúng sẽ đan xen nhau và gây nên hiện tượng giao thoa sóng âm Vùng giao thoa càng lớn, nhiễu giao thoa càng mạnh
Giả sử, có hai nguồn phát sóng âm O; và O; tương ứng với hai phương trình:
X, = A,COSMy.t
(1.10)
Trang 6Hai dao động này lan truyền tới một điểm M nào đó với hai phương trình 211 ) À 211 XI= Aicos(0gt— (1.11) ) X¿ =A2cos(@gft ~ Trong đó: A1 và A2 là biên độ dao động; @; là tần số góc;
r1 và r2 là khoảng cách truyền sóng từ O; và O; đến điểm M Từ đó, tại điểm M pha dao động tổng hợp của hai dao động sóng âm là
se [- a = Fy a) (1.12)
Biên độ dao động được xác định theo công thức sau:
A= JAP +A} 42A;A2 0822 (4 1) (1.13)
Biên độ dao động này đạt cực đại khi r1 = r2 =0 hoặc r1 — r2 = kÀ
A= A? +A54+2A,A, =|A, + A)| (1.14) Lúc đó, năng lượng phản hồi về máy thu là lớn nhất nhưng vì các tín hiệu có cùng tần số nên nhiễu giao thoa cũng là lớn nhất
A =AA?+A2—2A¡A¿ =|Ai - Aa| (1.15)
Lúc đó, năng lượng phản hồi về máy thu là nhỏ nhất nên nhiễu giao thoa cũng là bé nhất
Trong trường hợp nguồn phát có công suất lớn hơn rất nhiều so với năng lượng của tín hiệu thu (A¡>>A;) hoặc máy thu có nguồn phát nhỏ sẽ bị
— muln — ˆ CS ốãẽaẽãẽẽa TC SỐ
Trang 7khoảng cách từ mặt màng dao động của máy đo sâu đến mặt trong của đáy tàu được tính theo công thức sau: D=(2n+ 1)A/4 (1.16) Với n là những số nguyên 2 Cấu tạo máy đo sâu hồi âm 2.1 Các bộ thu phát sóng âm 2.1.1 Những nguyên tắc chung Sơ đồ nguyên lý của máy đo sâu nh sau:
Trung tâm Khối
điều khiển *Ì chỉ báo A ¿ ¿ Khối Máy phát Khuếch đại ' Màng thu phát \/ H 1.1 Chức năng, nhiệm vụ chính của các phần tử của máy đo sâu được nêu dưới đây:
Trung tâm điều khiển: phối hợp hoạt động thống nhất giữa máy phát, máy thu và khối chỉ báo
Máy phát: tạo ra xung điện áp cao để đưa xuống màng đao động thu phát Màng dao động thu phát: biến tín hiệu điện trên thành dao động cơ học tạo ra xung siêu âm phát vào môi trường Tiếp sau đó, thu tín hiệu xung siêu âm phân hồi từ đáy biển và biến đổi thành tín hiệu điện để đưa tới bộ khuếch đại
Bộ khuếch đại: khuếch đại tín hiệu nhận được từ màng dao động thu phát để
Trang 8Khối chỉ báo: biểu thị độ sâu đo được dưới dạng số, hoặc băng giấy tự ghi 2.1 Những bộ thu và phát
2.1.1 Những bộ thu và phái thạch anh
Bộ phát thạch anh (thuận)
Đặt một tỉnh thể thạch anh vào hai bản cực của một tụ điện Khi cho dòng điện xoay chiều chạy qua hai bản cực này, ta thấy, tỉnh thể thạch anh dao động Mặt ngoài của tỉnh thể thạch anh sát hai bản cực của tụ điện xuất hiện điện tích trái đấu tùy thuộc vào tần số của nguồn điện xoay chiều Dưới tác dụng của điện trường thạch anh và điện trường ngoài đã làm cho tỉnh thể thạch anh bị co, giãn liên tiếp và phát ra sóng siêu âm CC () ++rt++t++r+r H 1.2 œ) Người ta ứng dụng hiện tượng vật lý này để chế tạo màng dao động phát sóng siêu âm
Bộ thu phát này có ưu điểm là kích thước màng đao động gọn nhẹ, tần số đao động tương đối cao, f = 120 + 312 kHz và có thể đạt tới 50MHz Nguồn điện cung cấp thấp Bộ phái thạch anh (nghịch) ++++++ vyy VY _=— —-Hk3.—-T —+= Đặt một tỉnh thể thạch anh giữa hai bản cực
Dưới tác dụng của lực cơ học kéo, nén tỉnh thể thạch anh, sẽ xuất hiện
ở mặt ngoài tỉnh thể thạch anh một điện áp trái dấu tùy thuộc vào tần số kéo,
nén Người ta ứng dụng tính chất này để chế tạo màng thu sóng siêu âm
Trang 9Khi cho dòng điện xoay chiều đi qua một cuộn dây cuốn quanh một thanh Niken hoặc Cobalt hay một thanh kim loại khác nhiễm từ tính, ta thấy, những thanh kim loại trên thay đổi chiều dài Đoạn Al này phụ thuộc vào tân số nguồn điện xoay chiều chạy qua cuộn dây
Thanh kim loai Có thể biểu diễn độ đài AI nhiễm từ tính bằng hàm tổng quát theo tần số vòng của nguồn xoay chiều: &) AI = F(@a) Người ta ấp dụng nguyên lý này để ché tao ra mang phát H 14 sóng siêu âm
Bộ thu phát loại này có nhược điểm là nguồn điện cấp cho màng phát lớn, kích thước màng phát cồng kênh, tần số phát ra màng phát trong phạm vi f=23 + 35kHz
Nguyên lý co, giãn từ nghịch
Trong trường hợp này, ta dùng lực cơ học F để kéo, nén thanh kim loại Lúc đó, trong lòng cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng Suất điện động này phụ
thuộc vào tần số kéo, nén (Vv) Người ta ứng dung tính chất ấy để chế tạo ra màng thu H L5 sóng siêu âm Thanh kim loại FF nhiễm từ tính $F
Bộ thu phát loại này có nhược điểm là nguồn điện cấp cho màng phát lớn 2.1.5 Những phương pháp và sơ đồ nguyên lý kích thích các bộ dao động phát
_ Xung và độ rộng của xung Máy do sâu hồi âm phần lớn hoạt độngở _ _
chế độ xung Người ta phân biệt xung theo đồ thị cường độ của búp xung, theo tần số phát, theo độ dài và tần số lặp của xung
Đồ thị cường độ của búp xung : cho ta biết tính định hướng của xung Với
Trang 10Do ảnh hưởng của địa hình cũng như cấu trúc của màng thu phát, bên cạnh búp phát chính với năng lượng chiếm khoảng 95 ~97%, còn có những búp phu Ta có: Ga= ans (1.17) kik¿^ trong đó: k,, kạ là hệ số tùy thuộc vào hình đáng (vuông, tròn, chữ nhật) của màng thu phát
S— điện tích hiệu dụng của mang phat
Từ công thức trên, ta có hai phương pháp để tăng hệ số định hướng:
- Một là, tăng điện tích S của màng phát Cách này làm cho màng phát cồng kênh nhưng hiệu quả không nhiều Do đó, ít được sử dụng
- Hai la, giam bước sóng À Cách này có nhược điểm: trong môi trường truyền sóng, tần số tín hiệu càng cao tổn hao càng lớn, theo tỷ lệ mũ bậc ba Điều đó dẫn đến tần số càng cao, thang đo sâu càng nhỏ ⁄ Búp phát có sóng siêu âm có tần số thấp Búp phát có sóng _ -H.L6 - siêu âm có tần số cao ,
Vì vậy, tùy theo mục đích sử dụng, ngời ta chọn tần số hoạt động khác nhau Thí dụ: máy đo sâu của Nga thờng chọn tần số 23 + 45kHz, cla Nhat Ban: 50 + 60 kHz, các tầu cá: 100 + 120kHz, còn đối với những tầu bảo đảm hang hai: 200 + 220kHz
Trang 11Độ nhạy của máy thu: tùy theo việc đo độ sâu lớn hay nhỏ
Góc mở ngang của búp phái: tùy theo độ sâu và tần số được lựa chọn, góc mở ngang œ = 259 + 45 ứng với một nửa công suất P
2 Những sai số của máy đo sâu hồi âm
3.1 Sai số đo tốc độ truyền lan sóng âm trong môi trường nước biển Do vào lúc đo sâu những thông số của môi trường nước biển (như: độ mặn S%o, nhiệt độ t9, độ sâu h, áp lực P và các yếu tố khác) không đồng nhất với những thông số dùng khi thiết kế máy đo sâu nên có sai số được tính
theo công thức : Ah = hao [<1] (1.18)
0
3.2 Sơi số do tàu lắc ngang
Khi tàu lắc ngang, sẽ xuất hiện
sai số khá lớn Lúc đó, độ sâu đo \ \ được sẽ lớn hơn độ sâu thật một đoạn \ 1a Ah ẹ \ \ \ a Hạ, = H, + Ah (1.19) \ Ah er V7 4 day 2 Ah = Hg — Hy cosa Ah = Hg) (= cosa) Từ hình (1.7) và biểu thức (1.20) này ta thấy, tàu lắc ngang càng FF lớn thì sai số Ah càng lớn (1.20)
Ngoài ra, tín hiệu phản hồi H 1.7 trong trường hợp này yếu nên khó đo
sâu Để loại trừ sai số do tau lắc
=— —— ——ngang, người ta đọc độ sâu bé nhất - -
ghi trên băng giấy
3.3 Sai số do đáy biển bị nghiêng
Như trên đã nói, máy đo sâu phát xuống đáy biển không phải tia phát mà là búp phát sóng siêu âm Vì thế cho nên khi đáy biển nghiêng, nhiều máy đo sâu không ghi được độ sâu thật dưới ky tàu mà là khoảng độ sâu Hạ¿, hay Hg
Trang 12Từ đó, sai số do đấy biển nghiêng được tính : | ‘ V Ah,; =H,~ Hạ Hoặc Ah,=H,- H„„; Nừu ký hiệu góc nghiêng của đáy biển là B, ta có : H.= Hạo ‘ cos fs Ta được : Ahg = Hy(secf — 1) (1.21)
Phân tích công thức (1.21) ta rút ra, trong các máy đo sâu hiện nay, sai số do đáy biển nghiêng sẽ không đáng kể nếu góc nghiêng B < 8° và độ
rộng búp phát œ < 30°
3.4 Sai số thời gian thu phát không đồng bộ
Hiện nay, trong máy đo sâu người ta dùng động cơ điện để định thời gian phát và thu tín hiệu Nhưng với những thang đo sâu khác nhau, tốc độ quay của động cơ khác nhau nên động cơ điện đã không thể phản ảnh một cách đồng bộ và chính xác thời gian phát và thu tín hiệu Mặc dù người ta đã dùng bộ ổn áp để tự động điều chỉnh song do còn hạn chế trong chế tạo nên sai số này vẫn còn
3.5 Sai số vạch không
Về mặt nguyên lý, vào thời điểm phát sóng thì kim chỉ thị hoặc gốc của vệt quét phải ở đúng vị trí “0° Nhưng do chế tạo thiếu chính xác nên đã dẫn đến sai số vạch không ‘0’
Để giảm sai số này, người ta phải hiệu chỉnh kim chỉ thị đúng vào vạch “0° lúc máy phát hoạt động
3.6 Độ sáu tối thiểu của máy đo sâu
Do màng dao động của máy đo sâu vừa phát vừa thu, nên màng dao động chỉ cho hiển thị đúng số đo khi độ sâu lớn hơn khoảng cách lan truyền tương ứng với độ dài + của xung tín hiệu
Trang 13ở đây +, là chiều rộng của xung phát ;
T, 1a độ ỳ của bộ chuyển mạch giữa phát và thu
Thông thường, giá trị độ sâu tối thiểu trung bình của máy đo sâu
là h„„ =0,1 +0,3m
Những chú ý khi sử dụng máy đo sâu
Trang 14
II TỐC ĐỘ KẾ
Tốc độ kế giữ vai trò hết sức quan trọng trong bảo đảm an toàn hàng hải vì nó là một trong số ít thiết bị phục vụ cho việc định vị và điều khiển con tàu Tốc độ tàu chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khách quan và nó cần được tính đến đầy đủ những yếu tố ấy Vì vậy, những yêu cầu đối với tốc độ kế là khắt khe và đôi khi có vẻ như mâu thuẫn nhau Tuy nhiên, có thể quy những yêu cầu ấy như sau:
1) Tốc độ kế, theo cấp hạng tàu, phải bảo đảm độ chính xác cần thiết đo tốc độ và khoảng cách tàu chạy được
2) Tốc độ kế phải luôn cung cấp những số trị tin cậy và ổn định trong mọi tình huống với điều kiện hoạt động dài ngày trên biển
3) Cấu tạo của tốc độ kế phải có truyền tín hiệu đi xa đến những thiết bị hàng hải khác cũng như những mặt phản ảnh
— Ngoài ra, tốc độ kế cũng như những máy móc hàng hải khác phải đơn giản trong chế tạo và bảo dưỡng, chạy êm, ít gây nhiễu vô tuyến và ảnh hưởng từ tính cho những thiết bị khác, nhỏ gọn, nhẹ nhàng và tiêu thụ ít năng
lượng
Thoả mãn những đòi hỏi đa dạng nêu trên là một khó khăn cho nhà thiết kế Vì vậy, tốc độ kế chỉ có thể đáp ứng những yêu cầu chính yếu nhất với độ chính xác cần thiết Thêm vào đó, các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tau lại thường xuyên thay đổi, do đó, trong quá trình chạy tàu, sĩ quan hàng hải phải định kỳ xác định số hiệu chính để kịp thời hiệu chỉnh máy cũng như thao tác hải đồ
Cho đến nay, đại bộ phận tốc độ kế chỉ đo được tốc độ tương đối so với mặt nước biển
1 Tốc độ kế áp lực: Bản chất vật lý
Trang 152 Pạ xhạụ= — (2.2) 2g trong đó V — tốc độ ổn định của dòng lớp nước bao (lamina); g — gia tốc trọng trường
Do nước biển có độ nhớt nên khi tàu chuyển động, xung quanh phần chìm dưới nước của mũi tàu xuất hiện hai lớp nước: lớp nước bao mỏng song song vdi vo tau ( lamina) và lớp nước rối (turbulence) Thực nghiệm cho thấy, khi số Re ( Reinolds) nhỏ hơn giá trị tới hạn Rerguaa (Đ©€uip„ = 1900+2000) thi quanh mũi tàu xuất hiện lớp nước mỏng lamina, còn nếu Re > Re,zpae, thì xuất hiện chủ yếu lớp nước rối Ngoài ra, khi ống Pito chuyển động trong nước biển với tốc độ cao hay với gia tốc lớn còn có thể bị “sủi bọt” (hiện tượng cavitation) ở miệng thu áp lực Lúc đó, áp kế sẽ đo không chính xác, thậm chí bị ngừng hoạt động và ống Pito có thể bị xâm hại
Trang 16Công thức trên dùng cho chất lỏng lý tưởng (đồng nhất, liên tục,
không bị nén và không có độ nhớt Với nước biển và kèm theo đặc tính
động học của tàu, ta phải đưa thêm hệ số thuỷ động học k Khi đó công thức tính tốc độ như sau: [2 V= oka (2.5) k.p Thường thì bệ thức k(V) tiệm cận với đường thẳng: k=a+bV (2.6)
Còn các hệ số a và b xác định bằng thực nghiệm trong trường thử Nguyên lý cấu tạo Tốc độ kế áp lực gồm những thành phần chính sau đây; - Thiết b[thuấplỤC; ˆ ˆ ˆ ˆ “TT n2 7 7 77 c7 — Thiết bị đo áp lực động Pạ; — Cơ cấu tính toán xử lý áp lực động; — Bộ phận hiệu chỉnh hệ số K và hiển thị chỉ sế tốc độ Vụ; — Bộ tích phân và hiển thị quãng đường tàu chạy Hệ số K Thời gian f N
2-Thiết bị đo 3- Cơ cấu tính 4-Bộ phận 5- Bộ
Trang 17a) Thiết bị thu áp lực gồm một ống Pito dùng để đo tổng áp lực (lĩnh và động), và một dùng để đo áp lực nh Thanh truyền áp lực động = Ap ké mang Ong dan rung do ap ^⁄ ^AAAA áp lực nh lực động Màng dao động Ổn đãn áo lực tổn hợp ws 15 Lucca a ap ie COATT Ti) € ( nh + động) Ỷ H2 3
b) Thiết bị đo áp lực động Pạ gồm áp kế màng rung đo áp lực động và cơ cấu truyền cơ điện
Thiết bị đo áp lực có thể là: Áp kế màng rung; Áp kế vi phân có bộ bù
lò xo; Áp kế vi phân bộ bù điện từ; Áp kế vi phân có bộ bù ly tâm; Áp kế vi
phân thuỷ ngân
Nguyên tắc hoạt động của những cơ cấu truyền tín hiệu đo áp lực được nêu tóm tắt đưới đây
i) Áp kế vi phân có bộ bù lò xo:
Trong áp kế này, màng dao động J lam nhiệm vụ biến đổi áp lực động của nước thành lực dịch chuyển cần 2 kết nối giữa màng rung với hệ đòn bẩy gồm cần trên 3 và cần dưới 4 với các điểm tựa 7 và 8; lò xo 5 tạo lực cân bằng với áp lực đo và động cơ điện ó Khi không có áp lực động, bánh xe con 9 truyền tác động của lò xo 5 từ cần dưới 4 lên cần trên 3 treo ở điểm tựa 7 Ở trường hợp này, tác động của lò xo lên cần trên được cân bằng bởi phản lực tại điểm tựa 7 và cần trên ở trạng thái cân bằng
Trang 19i) Ap kế vi phân thuỷ ngân:
Hệ thống truy theo có nguồn điện 7, và những phần tử của nó Bộ phát tín hiệu lệch của hệ truy theo là biến áp 2, kết nối bằng cảm ứng với
piL-tông 3 được gắn trên phao 4 và 7 6 dat trong vo 5 cla 4p kế vi phân
Thiết bị chấp hành là động co dién 6 và việc truyền cơ học từ nó đến biến áp 1 giữ vai trò liên hệ ngược
Khi mực chất lỏng thay đổi trong áp 1 3 kế vi phân, vị trí pirtông 3 đi P chuyển Lúc đó, ở cuộn tín hiệu của
biến áp xuất hiện điện áp với độ lệch 2 | 4
pha tuỳ thuộc vào hướng di chuyển | của pit-tông Tín hiệu ấy được truyền
đến bộ khuếch đại 7, từ đó chuyển 26 tt
đến cuộn điều khiến của động cơ.” ee
Động cơ bắt đầu quay làm biến áp 2 dịch chuyển theo hướng chuyển động của pit-tông 3 cho đến khi chúng cùng ở ngang một vị thế thì điện áp cua tin hiệu cũng giảm xuống không và động cơ ố ngừng chuyển dịch biến ap 2 Như vậy, theo số vòng quay do động cơ điện hoạt động làm thay đổi vị trí của biến áp, ta có thể biết được độ cao nâng nó lên, cũng có nghĩa là tốc độ — — —=— — -Của tàu
Cơ cấu xử lý, chuyển đổi tín hiệu thu được thành số trị tốc độ tương
ứng
Để đưa tín hiệu đến những nơi cần có, người ta nối bộ truyền phát vào trục động cơ Đồng thời, động cơ chấp hành làm nhiệm vụ chuyển dịch những phần tử tương ứng của bộ tích phân tỷ lệ với tốc độ tàu để hiển thị khoảng cách tàu chạy được
Tam Loại này đo tốc độ trong khoảng từ 3 + 25 nút Khi tốc độ nhỏ hơn 3 nút thì tính phi tuyến tăng lên rất nhanh nên độ chính xác sẽ bị giảm lớn Loại máy này có độ bên cao nhưng sử dụng phiền phức vì khi tầu hành trình ở vùng nước nông, ta phải tắt máy vì kéo ống Pitô lên
Độ chính xác phụ thuộc vào tàu lắc, dòng chảy, v.v Loại mấy này chỉ đo được tốc độ tương đối và cũng không đo được tốc độ khi tàu chạy lùi Độ chính xác khoảng 0,5 hải lý
Trang 203 Tốc độ kế cảm ứng điện từ
Bản chất vật lý Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, một dây dẫn chuyển động vuông góc với các đường sức từ của một từ trường đều thi giữa hai đầu dây dẫn sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng E + d® - E=-—; ®=BS (2.7) dt trong đó B - vectơ cảm ứng từ; ® — Tir thong; S — diện tích mặt cắt từ thông S = V.]; ởđây V-— tốc độ tàu; L- chiều dài dây dẫn É=-B VỊ dt ; (2.8) tt
Biểu thức (2) cho ta thấy, từ thông biến đổi càng lớn, nghĩa là tốc độ chuyển động của dây dẫn trong từ trường càng nhanh thì sức điện động cảm ứng càng lớn Từ đó, khi đã biết được trị số của cường độ từ trường và độ dài day dan và nếu đo được sức điện động cảm ứng trên dây dẫn thì ta có thể tính được tốc độ chuyển động của dây dẫn trong từ trường
Tốc độ kế cảm ứng điện từ đã được chế tạo dựa trên quy luật thay đổi tính đẫn điện khi bộ nhạy cảm di chuyển trong nước biển
Nguyên lý cấu tạo của tốc độ kế điện từ như sau:
Dựa vào tính chất dẫn điện của
nước biển, người ta đặt ở phan dưới H27: Đưa đến bô
mớn nước không tải của tàu một khuếch đại đoạn ống hở cả hai đầu (xem hình `
bên) Một nam châm điện với từ Ey Ø
trường đều được đặt ở phía ngoài ống Khi tàu chạy, nước biển sẽ chảy qua ống với tốc độ bằng tốc độ tàu
Dòng nước biển đó tương đương như L một dây dẫn chuyển động cắt các — đường sức từ và sinh ra sức điện cf O |
động Sức điện động này được lấy ra từ hai điện cực gắn trong ống rồi
Trang 21dong điện một chiều có cường độ tý lệ thuận với tốc độ tàu Nếu dùng đồng hồ đo điện để đo dòng điện ấy, và khắc độ tương ứng với tốc độ tàu, ta sẽ được máy chỉ báo của tốc độ kế cảm ứng điện từ
Độ chính xác đo tốc độ của loại này phụ thuộc phần lớn vào môi trường hoạt động của tàu, nhất là khi tàu chạy trong vùng nước ngọt
Tốc độ đo được không quá 25 nút và không nhỏ hơn 0,5 nút Loại này có độ nhạy cao Độ chính xác từ 0,15 đến 0,2 nút Máy này đo được cả góc dạt
Tốc độ đo được trên máy là tốc độ tương đối
Sai số của tốc độ kế phụ thuộc vào những yếu tố sau :
+_ Vì độ nhạy cao nên chỉ số trên máy có thể thay đổi từ 0,1 + 1 hai ly, do
đó, ta không đọc được tốc độ chính xác tại thời điểm + Anh hưởng của vị trí lắp đặt bộ phận nhạy cảm + Sai số bình phương 4 Tốc độ kế tuyệt đối ! Tốc độ kế tuyệt đối thuỷ âm a) Bản chất vật lý Có phương tiện, trên đó đặt máy thu phát tín hiệu, chuyển động với tốc độ V, chạy gần đến mục tiêu cố định Giả sử tín hiệu phát ban đầu có dao động ở dạng: Oo = A.sinWet = A.sin2nfot (2.9)
Trong d6: @ — tén sé vong ban dau; ~ fy — tan s6 phat ban đầu;
Ao — biên độ ban đầu
Một xung của sóng, được máy phát đi, khi chạm tới mục tiêu, một
phần năng lượng được phản hồi trở lại máy, dao động của tín hiệu thu về nếu không bị hao tồn năng lượng, cố dạng:
@¡= A.sin2mf(t - At), (2.10)
Trong đó At là thời gian của sóng truyền tới mục tiêu và phản hồi lại máy
thu phát: At=2D/C, (2.11)
ở đây D- khoảng cách giữa máy thu phát đến mục tiêu ; C- tốc độ lan truyền sóng âm, trung bình 1500m/sec
Trang 22Thay (3) vào (2), ta được: @¡ = A.sin2af,(t - 2D/C) , (2.12) @¡ = A.sin2zfạt(1— = >) = A.sin2nfyt(1— * (2.13) Chia vế v ới vế (5) cho (1) và tiến hành biến đổi nhỏ, ta được: 2V 9, =U-—)@o Cc (2.14) Từ đây, ta tìm được lượng chuyển dịch tần số Doppler : 2V fp =o - ="E Po (2.15)
Bây giờ ta xét trường hợp, tia sóng lan truyền dưới góc a so với hướng chuyển động của máy phái Khi đó, lượng chuyển dịch Doppler (7) được tính theo biểu thức : 2Vcosơ fy = 04 (2.16) Cc Từ đó, ta được : fpC fpC Ve 2M) cosa 2fy cosa” be 2? (2.17)
sóng € và góc œ, theo giá trị chuyển dịch tần s6 fp c6 thé xdc dinh téc do chuyển động của tàu V so với mặt phản xạ sóng
Mặt biển, nơi phản xạ sóng phát, dưới tác động của sóng, có đạng phức tạp hơn, và chỉ những vùng cục bộ của nó mới phản hồi về anten được
Vì thế, trong thực tế, biểu thức H243 xác định tốc độ có dạng phức tạp hơn
Trang 23Tốc độ được xác định bằng giá trị trung bình của chuyển dịch Doppler fpy Muốn vậy, ta phải biết độ rộng của phổ tần Doppler, hay nói khác, độ rộng của búp phát anten
Thêm nữa, vị trí tia của anten được xác định bằng góc nghiêng với đường thẳng đứng œ và góc lệch so với mặt phẳng trục dọc của tàu 0 Nếu sử dụng một tia thì chỉ bảo đảm đo được hình chiếu của vectơ tốc độ đến hướng
của tia, nghĩa là xác định được một thành phần của vectơ tốc độ trong hệ thống toạ độ tàu Cần có ít nhất hai tia không nằm trên mặt phẳng thẳng đứng Song khi tàu chòng chành, tốc độ kế Doppler sẽ có sai số lớn Vì thế, phải sử dụng hệ thống bốn tia bố trí đối xứng với đường thẳng H.2.9
Trang 24Nguyên tắc hoạt động tốc độ kế Đoppler (đốc độ kế tuyệt đối) dựa trên nguyên lý hiệu ứng Doppler vừa trình bày Có thể chia làm 3 loại sau đây:
a) Tốc độ kế Doppler một tỉa Chỉ thị Chỉ thị quãng đường vận tốc t S= [V.dt | Bộ tính tốc độ fpe _ 2fy Cos a kw fi Khuéch H.2 11
b) Tốc dé ké Doppler hai tia
So với loại một tia, tốc độ kế Doppler hai tia giảm được sai số khi góc
x á A£ 1S lš dtAno a ` Ờ 4 9 4 2
6 máy phát này, trong mặt phẳng trục dọc của tàu, có thêm một tia thứ hai đối xứng với tia thứ nhất qua mặt
Trang 25Từ đó, 2V cosa 2V cosa 4V cosa fy ~f'= AF = (1+ TS) — fod =<) = fo hay trong đó, V= Af.C 4fo cos œ (2.20)
€OSGŒ = (COsG„„ + cosoœ)/2 (2.21) Nhu vậy, để có được tốc độ chuyển động của tàu, ta chỉ cần đo tần số của sóng phản xạ phía mũi và phía lái
b) Tốc độ kế Doppler bốn tia
l
ay A H.2.12
Như trên đã nêu, tốc độ kế hai tia giảm được sai số khi góc œ thay đổi Vv v đo tàư lắc (nhất là chút dọc), song khi tàu chòng chành, tốc độ kế Doppler sẽ có sai số lớn Vì thế, phải sử dụng hệ thống bốn tia bố trí đối xứng với đường thẳng đứng Trong
trường hợp này, khi thay đổi góc
Trang 26Trong tốc độ kế 4 tỉa, từng cặp tia hợp với mặt phẳng trục dọc của tàu một góc Ô và nếu ký hiệu góc dat IA B, các biến Doppler theo (13) được biểu diễn: P= eos a.cos(8 — 8) ®;= 700s 0.c08(8 +B) Vv (2.24) 03 = Ges œ.cos(Ð — B} Vv đ= Gâ0s0.cos(9 +) Lp các hiệu : Vv D3 = @, — &3 =2-—cosa.cos(0 — B) C (2.25) đ;y=0đ;T-đ= 2Q âos.eos(8 +B) Bay gid ta lập các tổng và hiệu : Vv Dr =D) 3 + P24 =4—cosa.cosOcosB "Oe (2.26) = [oH =®;¡+=®¿ ¿ =-4'Ý sosơ sin @sinB Từ đây ta có _ OC =_— DC 4cosa.cosOcosB 4cosa.sinOsinB © (2.27) B= ae - 4—H cot ) T_ ®+
Cơng thức (2.27), ngồi tốc độ thật của tàu so với đáy biển, còn cho phép ta xác định được góc đạt tổng hợp của tàu
Sơ đồ khối của tốc độ kế Doppler 4 tỉa gồm: bộ thu phát, bộ tách tần số Doppler, máy tính và màn hình chỉ báo
Trang 27l6 ————x 8 15.fvat ———>_ Ÿ ‡ 13 J.» VY AA %4 € |4 —>| 11 Bộ biến điệu | 10kHZ [ 1y A Py Oy 9 10 A A D3 D4 al 8 z A 1 May phat ® | ® ® | ®, v9 6 Bộ biến tần TT } 2 Bộ khuếch đại f T T T | baad 4[4]4]14 H.2.13
Nguồn phát (1) là một máy tạo tần số VHF, thường là bán dẫn Tín _ _ hiệu phát có thể là xung hoặc liên tục nhưng giống nhau về tần số Sau khi được khuếch đại ở bộ khuếch đại (2), tín hiệu được đưa đến thiết bị anten 4 tia thường là anten phẳng nhiều tia siêu cao tần (VHF) Đó là những màng đao động được bọc kín, đặt ở dưới đáy tàu Dưới tác động của các tín hiệu, thiết bị anten phát xuống đáy biển những búp âm có độ rộng khoảng 2230 Các búp này đi tới đáy biển thì một phần năng lượng được phản xạ trở về
anten Tại đây, các màng dao động thu, do có hiệu ứng Doppler, nhận được
những tín hiệu với những tần số f,, f;, f¿, f„ khác với tần số phát fy Về mặt cấu trúc, hai bộ thu và phát nối với nhau bằng ống dẫn VHF đến anten và
Trang 28
tách ra bằng bộ chuyển mạch ferit VHE Mỗi tín hiệu phản hồi được khuếch đại riêng với đải tần hẹp để lọc nhiễu âm tần số thấp trong bộ khuếch đại (5) và được chuyển đến bộ biến tần (6) Sau khi biến đổi, các tín hiệu trở thành những biến Doppler ®;=f;/2f; Những biến ®, này từng đôi một nhập vào bộ so sánh 7 và 8 Ở đầu ra cho ta @,, va ®;¿ Các tín hiệu này lại từng đôi một đưa tới bộ cộng (9) và bộ so sánh(10) Những tín hiệu ra là Ova Oy Chúng được đưa tới bộ biến tần 11, và ở đây, chúng được biến điệu bởi tần số 10 kHz từ một máy phát (12) Kết quả là, ở đầu ra của bộ biến tần ta thu
được những tín hiệu có tần số dao động 10 kHz với biên độ tùy thuộc vào trị
của ®và @®\; Tín hiệu biến điệu được đưa tới khâu tính toán tốc độ (13) và độ dạt (16) Tín hiệu tốc độ V được đưa tới bộ tích phân để cho ra quãng đường tàu chạy Vào khâu (13), bên cạnh những tín hiệu trên, còn có các tín hiệu œ, 9, B và tốc độ C của sóng siêu âm được lấy từ bộ nhớ riêng (14) dùng để kiểm tra tình hình hoạt động của máy Đặc điểm khai thác máy đo tốc độ hoạt động trên nguyên tắc hiệu ứng Doppler + Độ chính xác của tốc độ -_ Ảnh hưởng do tàu lắc
Khi tàu lắc thì không thể xác định được góc 0o Để khắc phục vấn đề này, người ta có thể dùng la bàn con quay để định hướng hoặc nhờ máy cảm biến góc chuyển động của tàu để hiệu chỉnh
- Ảnh hưởng của độ sâu
Độ chính xác của loại máy này chỉ đạt được với độ sâu tương đối không lớn
lắm (khoảng nhỏ hơn 300m)
Nếu máy dùng tần số càng cao thì độ chính xác càng lớn nhưng sự tiêu hao năng lượng trong nước biển càng lớn Người ta dùng tần số khoảng 1 MHz và tính phương hướng không nhỏ hơn 3MHz
- Do được tốc độ tuyệt đối và vận tốc dạt ngang
- - Vì ảnh hưởng của tàu lắc rất lớn đến hoạt động của máy nên chỉ trang bị cho những tàu có trọng tải lớn
- Hiện nay, người ta cũng đã nâng độ sâu hoạt động của máy lên nhưng không đáng kể
- Để máy có thể hoạt động được tốt, cần phải nối ghép với LBCQ để định hướng Trong hệ thống GPS, để xác định tốc độ của đối tượng di chuyển, người ta cũng dùng phương pháp Doppler
Trang 29PHỤ LỤC
A TIEU CHUAN CUA THIET BI CHI THỊ QUÃNG ĐƯỜNG VÀ TỐC ĐỘ TÀU (Theo nghị quyết A.478 (XI) IMO (19/11/1981) )
1/ Phương pháp thể hiên
— Thông tin tốc độ có thể thể hiện theo dạng khắc độ hoặc dạng số Nếu chỉ thị số thì bước chỉ không quá 0,1nút, còn chỉ thị khắc độ thì ít nhất cho từng
0,5 nút và đánh số ít nhất cho tứng 0,5 nút Nếu chỉ thị tốc độ tàu cho cả tiến
lẫn lùi thì hướng chuyển động phải thể hiện rõ ràng
— Quãng đường tàu đã chạy thể hiện theo dạng số từ 0 đến 9999,9 hải lý và các bước chỉ không quá 0,1 hải lý Có thể bấm lại về bắt đầu từ 0
— Chỉ thị phải đọc để đàng cả ban ngày lẫn ban đêm
— Khi cung cấp thông tín quãng đường chạy được do các thiết bị khác lắp ráp trên tàu thì phải đảm bảo mỗi bước tương đương với 0,0005 hải lý
— Nếu thiết bị có khả năng hoạt động “ Chỉ thị tốc độ trong nước” hoặc “Tốc độ so với đáy” thì chế độ lựa chọn phải thể hiện rõ
— Theo điều 12, chương V, SOLAS 74, yêu cầu tốc độ kế có khả năng cung cấp thông tin quãng đường tàu đã chạy và tốc độ tiến của tàu so với nước hoặc so với đáy biển với điều kiện độ sâu lớn hơn 3 mét dưới ky tàu
2/ Đô chính xác tốc đô và quãng đường
ảnh hưởng gid, dong chay va thủy triểu không vượt quá 5% tốc độ tàu hoặc 0,5 nút (lấy giá trị nào lớn hơn)
—_ Sai số đo quãng đường không tính ảnh hưởng của các điều kiện như nói ở đoạn trên, sẽ không vượt quá 5% quãng đường tàu chạy được trong một giờ hoặc 0,5 nút (lấy giá trị nào lớn hơn)
— Độ chính xác của tốc độ kế có ảnh hưởng nhất định như trạng thái mặt biển, nhiệt độ nước, độ mặn, tốc độ sóng âm trong nước, độ sâu của nước đưới ky tàu sẽ được cung cấp ở trong tài liệu chỉ dẫn cho thiết bi
3/ Tàu bị lắc và chồm
— Tiêu chuẩn thiết bị phải thỏa mãn các yêu cầu tiêu chuẩn khi tàu lắc đến +10” và chồm tới +59
Theo A.824 (19) của IMO (23/11/1995) do có nhiều tiến bộ khoa học kỹ thuật áp dụng trong hàng hải, đặc biệt phải đưa dữ liệu tốc độ, quãng đường
Trang 30vào Rađa, ARPA, ECDIS và các thiết bị hàng hải khác nên IMO đã bổ sung
những tiêu chuẩn :
— Chỉ thị tốc độ và quãng đường dùng trong hàng hải và điều động
— Độ chính xác đo tốc độ (2% tốc độ V hoặc 0,2 nút nếu giá trị nào lớn hơn) — Độ chính xác đo quáng đường (2% quãng đường S hoặc 0,2 nút nếu giá trị
nào lớn hơn)
Trang 31
Ill LA BAN CON QUAY
La ban con quay (LBCQ)a thiét bi hang hai phé dụng trên tàu Phù hợp với những Công ước Đăng kiểm Quốc tế, không một con tàu nào có trọng tải hơn 500 t được phép ra khơi nếu không có la bàn con quay So với la bàn từ, la bàn con quay có độ chính xác cao hơn, không chịu ảnh hưởng từ trường con tàu và những nguồn khác
Hiện nay, nhiều công ty tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện LBCQ để mở rộng sản xuất và trang bị cho các tàu Cho đến cuối thế ký 20, người ta sản xuất chủ yếu những hệ thống la bàn treo trên giá cac-đăng Sự phát triển của kỹ thuật con quay trong hai thập ký gần đây đã dẫn đến việc xuất hiện những cấu trúc bỏ các-đăng bằng cách sử dụng con quay la-de hoặc sợi quang
1 Nguyên tắc hoạt động của LBCQ a) Khái niệm về con quay tự do
Trong hàng hải, con quay là một vật hình tròn đều đặn quay xung
quanh một trục được gọi là trục chính hay trục riêng của con quay
Mômen động lượng của con quay: H.3.1
H=J6 (3.1)
ở đây J là mômen quan tinh cha con (CC PP D quay đối với trục X;
@ là vectơ vận tốc góc của con quay
— Tính định hướng (quán tính — Gyroscopic Inertia): Nếu tổng mômen ngoại lực tác dụng lên con quay bằng không thì con quay vẫn giữ nguyên hướng trong không gian
— Tinh tién déng (Gyroscopic precession): Z
Giả sử có một lực F tác động H.3.2 ®p B lên trục chính con quay (xem H.3.2) —
Khi ấy xuất hiện mômen ngoại lực v H
= - Co fn
B=aF (3.2) d >|
ở đây a là cánh tay đòn của mômen B đối với trục y
Tích của hai mômen B và @ y
cho ta vectơ @o Vectơ này làm trục
Trang 32chính con quay tiến động về phía mômen ngoại lực B với đường ngắn nhất (theo quy tắc “văn nút chai” hoặc “bàn tay phải”) Người ta lợi dụng tinh chất này để biến con quay tự do thành LBCQ
Tính ổn định (Gyroscopic stability): Khi có ngoại lực tác dụng lên con quay dưới dạng xung thì trục chính con quay sẽ đao động rất nhanh xung quanh vị trí ban đầu, sau đó, ổn định trong không gian
Quỹ đạo của trục chính con quay dưới tác động của tốc độ quay bản
thân Trái Đất
H.3.3
Trên hình cầu của Trái Đất,
(H.3) tại điểm A là vị trí người quan sát, ta dựng hệ tọa độ ANE, vectơ tốc độ góc quay ngày dém cua Trai Đất (@) với thành phần nằm ngang (@,) và thành phần thẳng đứng (@¿) Rõ ràng là và (0; = @SIn0 ở đây @ là vĩ độ người quan sát Thành phần nằm ngang @,; hướng đọc theo giao tuyến mặt phẳng chân trời và mặt phẳng kinh tuyến thât
Thanh phan nam ngang @, sé lam
cho mặt phẳng chân trời thật (NESW) có chuyển động, nửa phần Đông chứa điểm E hạ xuống với tốc độ đài V.= - H.@; và nửa phần Tây chứa điểm W nâng lên với Vạ= H.o, Khi đó, nếu trục chính nằm — “ở phần Đông, ta sẽ nhìn thấy đầu trục chính con quay tự do A” nâng lên đối với mặt phẳng chân trời thật Ngược lại, nếu trục chính nằm
nửa phần Tây, ta sẽ nhìn thấy trục chính con quay tự do À” hạ xuống đối với mặt phẳng chân trời thật
Trang 33Thành phần thẳng đứng (0; khiến trục chính tiến động khỏi mặt phẳng kinh tuyến với tốc độ dài Vạ= H.œ; Ở Bắc bán cầu, trục chính lệch về phía Đông, còn ở Nam bán cầu, lệch về phía Tây
Ta còn có thể quan sát chuyển động của trục con quay theo cách sau fl Giả sử, vào lúc bát đầu (0 giờ),
0 giờ ' trục chính của con quay nằm ngang
và hướng về phía Bắc, nghĩa là theo kinh tuyến Do chuyển động ngày đêm, phần Bắc kinh tuyến lệch về phía Tây,và do đó, trục con quay lệch về phía Đông Cùng lúc đó, đầu Bắc của trục chính bắt đầu nâng lên khỏi mặt phẳng nằm ngang vì nửa phía
Đông của mặt phẳng NESW_ hạ xuống Bây giờ ta xét vị trí II, vào lúc 6 giờ, trục chính đã không còn nằm trong mặt phẳng kinh tuyến nữa mà đã lệch sang Đông một góc Œ, đồng thời nâng lên khỏi mặt phẳng nằm H.3.5 ngang một góc B
Sau 12 giờ, trục chính ở vào vị trí II, nằm trong mặt phẳng kinh tuyến
và nâng khỏi mặt phẳng nằm ngang một góc | = 20
Tương tự như thế, vào lúc 18 giờ, trục chính nằm ở vị trí đối xứng qua mặt phẳng kinh tuyến với vị trí II vào lúc 6 giờ Rồi đến 24 giờ, trục chính trở về điểm xuất phát ban đầu
Trang 34bằng độ lệch trục chính khỏi mặt phẳng nằm ngang lúc 12 giờ
Tổng hợp hai chuyển động Mat
trên, đầu trục chính con quay tự phẳng do chuyển động theo một quỹ kinh firrần đạo hình elip Nếu không có một tác động nào khác thì trục chính con quay sẽ chuyển động quanh
hướng Bắc mà không chỉ được
hướng Bắc Quỹ đao truc
a 4 : A 1A 2:
mặt phẳng chân trời thật, ta sử H.37 dụng con lắc cơ học
Quỹ đạo dao động trục chính con quay có dạng clip dẹt (độ dẹt e biến đổi từ 0,03 + 0,05), do đó, biến thiên góc phương vị lớn, biến thiên góc độ
cao nhỏ Vì vậy, tìm cách giảm ảnh hưởng của momen gây nhiễu trên trục thẳng đứng là một trong những biện pháp nâng cao độ chính xác của LBCQ
Dựa trên tác động của tốc độ quay bản thân Trái Đất vào vị trí của trục chính con quay, ta có thể biến con quay tự do thành LBCQ
b) Các phương pháp biến con quay tự do thành la bàn con quay
Để dập tắt dao động, người ta đã kết hợp con quay tự do và con lắc cơ học làm cơ sở thiết kế la bàn con quay loại con lắc Tùy theo cách kết hợp hai phần-tử trên, ta chia ra.hai dạng LBCQ: loại điều khiển trực tiếp và loại điều khiển gián tiếp
() Loại LBCQ điều khiển trực tiếp là la bàn có phần tử nhạy cảm được lắp bằng con quay tự do và con lắc cơ học gắn chặt với nó Cấu trúc chỉ tiết của loại LBCQ này được nêu ở tập tài liệu [ ]
Trang 36Ô — góc nâng trục con quay so với mặt phẳng chân trời Dưới tác dụng của momen B sẽ xảy ra tiến động ( Gyroscopic precession) với tốc độ Wy -
c) Nguyên tắc hoạt động của bộ dập dao động
Để đao động không tắt dần elip của con quay thành tắt đần, người ta sử dụng bộ đập dao động
Bo dap dao động được đặt trong quả cầu nhạy cảm là hai bình thông nhau chứa dầu không đầy Đường thẳng nối tâm hai bình thông nhau song Song
với trục chính con quay xạ nên nó có N
dau Bac N và đầu Nam 8 s x
; , S <\ Poil Ñ B
Khi góc nghiêng Ö, của trục -¬
chính con quay thay đổi, dầu chảy B
trong ống từ bình nọ sang bình kia x
Khi con quay dao động quanh mặt Mật phẳng
phẳng kinh tuyến, dao động mực dầu nằm ngang
trong các bình bị chậm pha với biến a đổi của góc nghiêng Độ lệch pha P nay phu thudc vao:
_ - Duong kinh, chiéu đài và hình
đáng của ống nối; n \e
- Hình dáng của các bình; H.3.10 v - Độ nhớt của dầu
Tất cả những thông số trên được chọn sao cho ở chế độ ổn định, dao động con quay và dầu chảy có độ lệch pha gần bằng 90 Điều đó có nghĩa là khi góc B = 0, hiệu trọng lượng đầu Pạn ở hai bình có trị lớn nhất, còn lúc B ~—:~— —='„„v hiệu trọng lượng dầu P,¡ ở hai bình có trịbằng không - - -
VỊ trí ổn định là vị trí mà đầu mút trục chính con quay nằm tại trục NÑ — S của elip Muốn vậy, phải thỏa mãn hai điều kiện:
(¡) Trục chính phải nằm trong mặt phẳng kinh tuyến, nghĩa là œ = 0;
Trang 37(1) Tốc độ tiến động hướng Tây ở Bắc bán cầu: u;= -V; hay BB = -Ho,,
Ho
đo đó, o đồ B Soe es, B (3.5) 3.5
Lúc đó, trục chính con quay sẽ chỉ đúng hướng Bắc và nằm trên mặt phẳng chân trời thật một góc B
đ) Điều kiện của quá trình quá độ phi chu kỳ
Điều kiện của quá độ phi chu kỳ sang vị trí mới của chuyển dong tinh tương ứng với giai đoạn sau điều động của tàu, có thể diễn đạt: 3 = Wy « (3.6) Thay các trị tương ứng: lJcos@_cosœ COS Oe COS) —_ ft oH ¬^ ah sa ~ Trong đố R - bán kính Trái Đất; @„ — tốc độ quay của Trái Đất, ( @„ = @®); 8 — gia tốc trọng trường
H— mômen động lượng của con quay;
B=P.a— mômen trọng lượng của con quay (mômen ngoại lực)
Giản ước hai vế, ta được điều kiện quá độ phi chu kỳ:
1 B
— (3.8)
Rcos@,cosp gH
Sau khi chọn giá trị của B và H, rồi xác định giá trị (0ạ thỏa mãn điều
kiện trên, ta sẽ tránh được sai số quán tính Nếu tàu chạy ở vùng có vĩ độ © # Qo sé phat sinh sai số quán tính:
R_ H _ (3.9)
g_ Bo,coso ot
Khi đó, chu kỳ dao động không tắt Tụ là thời gian mà đầu mút trục chính con
Trang 38To = 2 g Trong đó = 1—chiéu dài con lắc; g — gia tốc trọng trường Từ đó, y= 28/8, (3.11) g Day là một thông số kỹ thuật quan trọng Thay các trị tương ứng, ta có Tọ =2“ oe = 5063.5sec = 84,4phit (3.12)
Nhằm mục đích loại trừ sai số quán tính loại I
Để thiết kế LBCQ “KYPC', người ta chọn vĩ độ ( = 60”, tương ứng với chu kỳ T = 84,4 phút Do vậy, khi tàu chạy ở vùng có vĩ độ (p # 60”, sẽ xuất hiện
sai số quántính:
2 Sai số của la bàn con quay và cách khử
Sai số của LBCQ chia ra sai số phương pháp và sai số dụng cụ Những sai số phương pháp chính là sai số tốc độ, sai số vĩ độ và sai số quán tính
a) Sai số tốc độ
Do vị trí cân bằng của trục chính con quay trên con tàu chuyển động khác với khi nó nằm yên
Trang 39Vụ = VsinHT; Vy = VcosHT; Vv on=—E-; oy =i (3.13) Rcoso R Ve (VN Ý Và tốc độ góc tổng hợp: œ; = le; cos@ + Ÿ] + () (3.14) Sai số tốc độ có thể diễn đạt bằng hệ thức của hướng thật (HT) VcosHT tgỗy 5
Ro, cos@ + Vsin HT (3.15) Trong đó @,— tốc độ góc của Trái Đất, có trị 900m/sec;
là — bán kính của Trái Đất
Dấu (—) có nghĩa là góc lệch hướng do tốc độ gây nên (sai số tốc độ) ổy được tính về phía Tây Giá trị của ỗ„ phụ thuộc vòa tốc độ chuyển động của tàu Bây giờ ta biến đổi (.2) Ta có: HT =HL + ồ sindy _ — Vcos(HL + 8) coséy Ro, cos@ + Vsin(HL + 8) Lúc đó, (15) có thể viết: (3.16)
Hay sau khi khai triển và giãn ước những số hạng đồng đạng, ta có sai số tốc _ độ diễn đạt bằng hệ thức của hướng la bàn (HL):
sindy =—_ COHL, (3.17)
R@g cosọ
Từ công thức (L7), ta rút ra:
- sai số tốc độ xuất hiện do thành phần Bắc của tốc độ chuyển động tàu; - sai số tốc độ tỷ lệ với tốc độ tàu;
nó phụ thuộc vào hướng-la bàn HL; mang đặc tính- bán-vòng-tuần-hoàir và đạt cực đại ở HL = 0 hoặc 180° và bằng không khi HL = 90° hoac 270° - nó (tăng khi vĩ độ ( tăng
b) Sai số vĩ độ
Trong LBCQ dùng phương pháp ngăn trở trục đứng, trục chính con quay nằm trong mặt phẳng lệch với mặt phẳng kinh tuyến một góc Qe, dude gọi là sai số vĩ độ
Trang 40
B *
dạ =— mas trọ @)
ở đây B„„„ là mômen ngăn trở cực đại Còn đấu (-) dấu âm có nghĩa là ở Bắc bán cầu sai số mang tên sai số Đông, còn ở Nam bán cầu — sai số Tây
Có hai phương pháp khử sai số vĩ độ:
-_ Phương pháp bù ngoại (phương pháp bù cơ học): Người ta dùng kết cấu cơ học để điều chỉnh đường chuẩn cơ bản của LBCQ hoặc điều chỉnh đĩa khác độ chỉ hướng để khi đọc chỉ số ta được hướng đã hiệu chỉnh
-_ Phương pháp bù nội (phương pháp bù điện học hoặc bù mômen): Người ta dùng mội thiết bị điện tạo ra tín hiệu biến thiên theo hệ thức (*) Đến lượt mình, tín hiệu này điều khiển cơ cấu mômen làm chuyển động con quay sao cho trục chính quay ngược trở về mặt phẳng kinh tuyến
sai số vĩ độ Và sai số tốc độ c) Sai số quán tính
Sai số quán tính bị gây ra bởi mômen nhiễu của các lực quán tính xuất hiện khi tàu có đặt LBCQ tăng hay giảm tốc độ Khi xuất hiện mômen của những lực ấy, trục của LBCQ sẽ lệch khỏi vị trí cân bằng và tiến động với tốc độ tùy thuộc vào trị số mômen lực quán tính
Lúc này, vào cuối lần điều động, tùy theo mối tương quan giữa những thông số của LBCQ, trục của phần tử nhạy cảm có thể ở vào một trong ba
trường hợp sau:
() trục LBCQ không đến được vị trí cân bằng mới;
(1ï) trục LBCQ vượt quá vị trí cân bằng mới, nghĩa là thực hiện quá
trình quá độ phi chu kỳ;
(iii) trục LBCQ đến được vị trí cân bằng mới
Ở hai trường hợp () và (1i) vào thời điểm kết thúc điều động, trục
LBCQ sẽ lệch khỏi vị trí cân bằng một góc nào đó Sau khi kết thúc điều động, trục LBCQ bát đầu dao động tắt đần và cùng với thời gian nó ổn định
ở vị trí cân bằng mới
Sai số biến đổi xuất hiện do điều động vừa nêu được gọi là sai số quán
tính, nó có mặt ở nhiều LBCQ hiện nay và không phụ thuộc vào cấu trúc
Người ta phân biệt sai số quán tính LBCQ loại I khi ngắt bộ đập dao động trong thời gian điều động và sai số quán tính LBCQ loại II (hay sai số gia tốc — tắt dần) khi nối bộ ổn định