LÝ THUYẾT VỀ MÁY ĐO TỐC ĐỘ

Hình vẽ 4.6 Nguyên lý hoạt ñộng của máy ño tốc ñộ bằng hiệu ứng Doppler như sau: ở dưới ñáy tàu người ta ñặt một màng dao ñộng thu phát kép sóng siêu âm và phát chéo về phía mũi hoặc phí[r]

www.hanghaikythuat.tk MÁY ðO TỐC ðỘ CƠ SỞ VỀ TỐC ðỘ KẾ Khái quát chung Tốc ñộ kế là thiết bị ñiện dùng ñể xác ñịnh tốc ñộ chuyển ñộng tàu ñồng thời ghi lại quãng ñường tàu chạy Có loại tốc ñộ kế: tuyệt ñối và tương ñối -Tốc ñộ kế tuyệt ñối: là máy ño tốc ñộ chuyển ñộng tàu so với ñáy biển ðể xác ñịnh tốc ñộ tuyệt ñối tàu người ta có thể dùng các hệ thống sau: - Hệ thống thuỷ âm học (Doppler): người ta tiến hành ño tần số tín hiệu phát và tín hiệu thu ñược sau phản xạ từ ñáy biển trở Sự thay ñổi tần số phát và thu tỉ lệ với tốc ñộ tàu và ta xác ñịnh ñược tốc ñộ tàu chạy - Hệ thống quán tính: dựa trên sở ño gia tốc xuất tàu chuyển ñộng so với trái ñất ñể suy tốc ñộ tàu - Hệ thống ñiện từ trường: tiến hành ño suất ñiện ñộng xuất dây dẫn chuyển ñộng cùng tàu từ trường trái ñất Từ ñó xác ñịnh ñược tốc ñộ tàu -Tốc ñộ kế tương ñối: là máy ño tốc ñộ chuyển ñộng tàu so với nước Ở ñây ta xem tàu ñứng yên còn nước chuyển ñộng ngược so với tàu với vận tốc vận tốc tàu ðể xác ñịnh tốc ñộ tương ñối tàu người ta có thể dùng các loại tốc ñộ kế sau: - TðK thuỷ lực: dưạ trên sở ño áp lực tĩnh và ñộng dòng nước chảy quanh tàu tàu chuyển ñộng ñể xác ñịng tốc ñộ tàu - TðK thuỷ học: ngưòi ta cho chong chóng nằm dòng nước chuyển ñộng xung quanh tàu và từ ñó xác ñịnh ñược tốc ñộ tàu - TðK cảm ứng: ño suất ñiện ñộng xuất cặp cực nhúng nước biển ngoài mạn tàu nam châm ñiện gắn liền với ñáy tàu gây tàu chuyển ñộng Máy ño tốc ñộ tàu thủy cảm ứng ñiện từ 2.1 Cơ sở vật lý ứng dụng máy ño tốc ñộ cảm ứng ñiện từ Như ta ñã biết, dây dẫn khung dây dẫn dịch chuyển từ trường, theo ñịnh luật cảm ứng (Faraday) thì dây dẫn ñó xuất suất ñiện ñộng, suất ñiện ñộng này phụ thuộc vào kích thước dây dẫn, cường ñộ từ trường và vận tốc dịch chuyển dây dẫn Ta xét hai trường hợp sau: A Trường hợp 1: Khi ta cho dây dẫn dịch chuyển từ trường nam châm vĩnh cửu (gọi là từ trường ñều) Giả sử dây dẫn ñặt cố ñịnh, vuông góc với từ trường, thì suất ñiện ñộng dây dẫn ño ñược không Khi ta cho dây dẫn dịch chuyển vuông góc với từ trường thì suất ñiện ñộng E = B.l.v Trong ñó B là cường ñộ từ trường, l chiều dài dây dẫn, v là vận tốc dịch chuyển dây dẫn ðối với nam châm vĩnh cửu cố ñịnh thì B là không ñổi, ñối với dây dẫn ñịnh thì l không ñổi, ta ñặt k = B.l thì k ñược gọi là hệ số cảm ứng, từ ñó ta có: E = k.v Từ công thức trên ta có vận tốc dịch chuyển dây dẫn từ trường v = www.hanghaikythuat.edu.tf E k www.hanghaikythuat.tk Nếu dây dẫn dịch chuyển từ trường hợp với hướng từ trường góc α thì E B.l sin α v = B Trường hợp Nếu từ trường biến ñổi nam châm ñiện, ta ñặt cố ñịnh dây dẫn vuông góc với từ trường, lúc này dây dẫn xuất suất ñiện ñộng E0, gía trị E0 luôn cố ñịnh nguồn ñiện xoay chiều tác dụng và chiều dài dây dẫn thay không ñổi V L Bây ta cho dây dẫn dịch chuyển và vuông góc với từ trường, thì dây dẫn xuất U = U0 sinωt thêm suất ñiện ñộng thứ hai, suất ñiện ñộng này luôn tỉ lệ với vận tốc dịch chuyển dẫn, ñược tính là: Ev = k.v Hình vẽ 4.1 - k: hệ số cảm ứng - v: vận tốc dịch chuyển dây dẫn từ trường Vậy ta có suất ñiện ñộng tổng cộng dây dẫn : Et = E0 + Ev Hay v = (E − E ) t k (1) Nhìn vào biểu thức trên ta nhận thấy với hệ số k cố ñịnh ta dễ dàng xác ñịnh ñược vận tốc di chuyển dây dẫn từ trường Người ta áp dụng phương pháp này ñể chế tạo máy ño tốc ñộ tàu thuỷ cảm ứng ñiện từ 2.2 Nguyên lý máy ño tốc ñộ tàu thuỷ cảm ứng ñiện từ A Cấu tạo nhạy cảm www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Cuộn ωk Cuộn ω Vòng dẫn ñiện Hình vẽ 4.2 Bộ phận nhạy cảm tốc ñộ kế (hình vẽ 2) là hình trụ, có tiết diện là dạng khí ñộng học ñồng thau mặt ngoài có phủ lớp cách ñiện, nhô ñáy tàu Phía hình trụ có gắn xolenôit xung quanh có quấn hai cuộn dây: cuộn chính ω và cuộn cân ωk , dòng ñiện xoay chiều ñi qua cuộn ω Nhờ mà xung quanh xolenôit hình thành ñiện từ trường mạnh Bên mặt ngoài hình trụ có gắn hai ñiện cực A và B người ta nối hai ñiện cực này với hai sợi dây ñưa ngoài (như hình vẽ 2) Bộ phận nhạy cảm ñược thiết kế ñể dễ dàng ñưa khỏi ñáy tàu kéo lên B Nguyên lý hoạt ñộng: Người ta ñưa phận nhạy cảm nhô khỏi ñáy tàu tiếp xúc với nước ngoài mạn tàu ñó nước là chất dẫn ñiện nên các cực ñiện A và B mặt ngoài ống hình trụ hình thành vòng dẫn ñiện (ñóng vai trò dây dẫn) Nếu cuộn dây có ñiện thì theo ñịnh luật cảm ứng Farañây thì vòng dẫn ñiện có suất ñiện ñộng E Giả sử vòng dẫn ñiện và từ thông ф không chuyển ñộng, lúc ñó: E = E0 = dφ dt Trong lúc ñó từ thông ф lại tỷ lệ với ñộ cảm ứng từ B nghĩa là: ф = B.Q = Q.Bm sinωt Trong ñó: Q - Tiết diện mặt xoay mà từ thông xuyên qua ω - Tần số dòng ñiện cung cấp Như vậy, vì ф là hàm số thời gian nên trường hợp ta xét thì sức ñiện ñộng sinh vòng là: E0 = Bm Q ω cos ω t www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Bây ta giả thiết xeloit chuyển ñộng với tàu chuyển ñộng với tốc ñộ Vc: lúc ñó vòng sinh sức ñiện ñộng phụ thêm: ∫ Ev = / vc X B / dl ñó: l - chiều dài vòng Gọi khoảng cách cực là 2b ta có: ∞ Ev = 2Vc Bm sinωt ∫ dl (*) b Như vậy, trường hợp chung thì sức ñiện ñộng vòng ñược xác ñịnh biểu thức: E = E0 + Ev Thành phần E0 không phụ thuộc vào vC và có thể xem nhiễu loạn số không Thường thì E0 ñược bù trừ cách ñưa vào cuộn ωk muộn ñiện áp xoay chiều và pha tương ứng Nếu việc bù trừ ñược thực thì từ biểu thức (*) ta thấy phương trình tốc ñộ kế có dạng: E Vc = v K Khi tàu không chuyển ñộng (giả sử không có dòng hải lưu), cấp ñiện cho cuộn dây ω ta thấy ñầu hai ñiện cực A và B xuất suất ñiện ñộng E0 không ñổi Khi cho tàu chạy, tức là vòng dẫn ñiện dịch chuyển ta thấy hai ñầu hai ñiện cực A và B có thêm suất ñiện ñộng Ev = k Vc - Trong ñó k là hệ số cố ñịnh phận nhạy cảm không thay ñổi thông số, ñược tính theo công thức ∞ K = ( B m sin ω t.∫ dl ) b - Vc là vận tốc ñang chuyển ñộng tàu Ta có suất ñiện ñộng tổng cộng: Et = E0 + Ev Vậy vận tốc chuyển ñộng tàu Vc = (E − E ) t k Nhìn vào công thức ta thấy muốn ño tốc ñộ tàu thì ta cần ño suất ñiện ñộng tổng cộng hai ñiện cực A, B và suất ñiện ñộng E0 Thành phần E0 không phụ thuộc vào Vc và có thể coi là nhiễu loạn số 2.3 Nguyên lý ño tốc ñộ và góc dạt tàu cảm ứng ñiện từ: Dưới ñáy tàu người ta ñặt nhạy cảm có cặp cực chéo nhau, ñiện áp cặp cực thứ và là U1 ñiện áp cặp cực thứ hai và là U2 , phận nhạy cảm này có nam châm ñiện xoay chiều Giả thiết tàu có ñộ dạt là β (hình vẽ 3) Với ñiều kiện ñó thì thành phần v c không phải có v y mà còn có thành phần nằm ngang v X Vì ñiện áp U1 và U2 trên các cực tương ứng là kết tác dụng tổng hợp tốc ñộ vy và vX và có thể biểu thị biểu thức sau ñây: U1 = vc (K1cosβ + K2sinβ) (2) U2 = vc (K1cosβ - K2sinβ) Trong ñó K1 và K2 là hệ số cảm ứng cặp cực thứ và cặp cực thứ hai www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Từ ñó: U1 + U2 = 2vcK1cosβ (3) U1 - U2 = 2vcK2sinβ β Vy Vc Nam châm ñiện U2 U1 Hình vẽ 4.3 Từ công thức (3) lấy bình phương lên sau ñó cộng lại thì ta ñược môñun Vc ñối với tốc ñộ tàu, còn tỉ lệ chúng xác ñịnh ñộ dạt gió β ki tàu Kết sau biến ñổi ta có:  U + U vc =   K  U1 −U   +     2K     (4)  K (U − U )    K (U + U )  β = arctg  Như vậy, tốc ñộ kế cảm ứng có thể ño ñược góc dạt và tốc ñộ toàn phần vc tàu ñối với nước Sai số tốc ñộ kế cảm ứng ñiện từ 3.1 Sai số cố ñịnh: Như ta ñã biết tàu không chạy thì ñầu cặp cực tồn giá trị E0, giá trị E0 thay ñổi theo thời gian Có hai phương pháp ñể loại trừ giá trị E0  Phương pháp 1: Khi tàu chưa chạy thì mặt báo tốc ñộ cho ta giá trị nào ñó, ta cần chỉnh ñể kim vị trí số là ñược Phương pháp này ñơn giản và ñược sử dụng rộng rãi  Phương pháp (phương pháp bù trừ): Trong chế tạo, người ta tính ñược giá trị E0 và loại trừ giá trị này cách ñưa cuộn ωk vào xolenôit 2, sau ñó ñưa vào cuộn www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk dây này ñiện áp xoay chiều, kí hiệu là Uk, ñiện áp Uk phải ñược tính toán cho nó tạo suất ñiện có ñộ lớn ñúng E0 ngược dấu Nhược ñiểm phương pháp này là chế tạo phức tạp, quá trình sử dụng thì suất ñiện ñộng E0 luôn luôn thay ñổi vì tính lão hoá vật liệu luôn thay ñổi cho nên ñiện áp ñưa vào cuộn dây khử nhiễu loạn số không ωk phải ñiều chỉnh theo, ngoài nó còn tạo sai số nhiễu loạn bậc hai khó xác ñịnh ñược trị số, ñó ít sử dụng ( còn số máy Nga) 3.2.Ảnh hưởng tàu lắc: Tốc ñộ kế cảm ứng có ñộ nhạy cao, vì kim tốc ñộ lúc tàu lắc có thể dao ñộng với biên ñộ từ 0,1 ñến hải lý Như ta có thể không ñọc ñược trị số tốc ñộ cách chính xác Cách ñọc tốt là ta ñọc giá trị cực ñại và cực tiểu sau ñó lấy giá trị trung bình Có thể khử sai số cách lắp thêm phận làm thay ñổi từ trường ñồng với tàu lắc 3.3.Sai số dòng chảy rối loạn tạo ra: Khi tàu chuyển ñộng tạo lớp nước chuyển ñộng rối loạn ñáy tàu mà vận tốc lớp nước này không thể xác ñịnh ñược ðộ dày lớp nước chảy rối phụ thuộc vào vị trí vỏ tàu và vận tốc chuyển ñộng tàu Do vận tốc ño ñược khác với vận tốc thực tàu ðể giảm sai số này người ta ñưa phận nhạy cảm nhô khỏi ñáy tàu vượt qua lớp nước dòng chảy rối, thường từ 0,3 ñến 0,8 mét và chọn vị trí lắp ñặt phận nhạy cảm vị trí có dòng chảy rối là bé 3.4 Sai số bình phương: ðể tránh cực hoá tự các cực ñiện, sơ ñồ tốc ñộ kế cần phải tránh dùng từ trường chiều Mặt khác, dùng ñiện từ trường thì có quá trình tự cảm ứng xảy nên mạch sinh sức ñiện ñộng vô ích mà ta gọi là nhiễu bậc hai Nghiên cứu kĩ tượng này ta thấy rằng, nhiễu bậc hai không phụ thuộc vào tốc ñộ tàu vc nó lệch pha với ñiện áp hữu ích góc 900 còn biên ñộ thì nó thường lớn tín hiệu hữu ích Kết là mạch phận nhạy cảm sinh ñiện áp: U = Uc + Un = k1 sinωt + k2cosωt Trong ñó: (5) k1 = f(vc, β) k1 < k2 = const Mặc dù UC < Un có khác pha ñiện áp tín hiệu hữu ích Uc và ñiện áp sai số Un nên có thể dễ dàng tách Uc và vì sai số chính có thể loại bỏ ñược 3.5 Sai số ñộ mặn nước biển gây ra: Theo nguyên lý hoạt ñộng máy ño tốc ñộ cảm ứng thì nước biển ñóng vai trò nửa vòng dây dẫn bao quanh thiết diện phận nhạy cảm ñi qua hai ñiện cực A và B Nếu ta gọi R là ñiện trở chất lỏng ta có: R = ρ L S (6) Trong ñó S là thiết diện phận nhạy cảm ñi qua ñiện cực L là chu vi phận nhạy cảm ñi qua ñiện cực ρ là ñiện trở suất nước biển Trong công thức (6) ñại lượng S và L là không ñổi ñối với nhạy cảm, ρ phụ thuộc hoàn toàn vào ñộ mặn Thực nhiệm cho thấy ñộ mặn càng cao thì ñộ chính xác ño tốc ñộ càng cao và ngược lại Do tàu hành trình các khu vực nước thì tốc ñộ ño ñược kém chính xác 3.6 Sai số thay ñổi tính chất vật liệu gây ra: Theo thời gian từ tính nam châm ñiện thay ñổi, mặt khác xâm thực bề mặt hai cực A và B nên hệ số cảm ứng thay ñổi so với thiết kế ban ñầu ñó thị vận tốc và thị quãng ñường sai số so với thực tế Tốc ñộ kế cảm ứng ñược dùng trên các tàu vận tải biển có thể cho phép ta ño ñược tốc ñộ tàu khoảng từ 0,5 ñến 25 nơ với ñộ chính xác 0,15 ñến 0,20 nơ ðối với tàu quân sự, cánh ngầm có thể ño ñến 120 nơ 3.7 Sai số tàu chuyển ñộng gây ra: (nói thêm) www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Ưu ñiểm: ðo ñược tốc ñộ và góc dạt tàu Nhược ñiểm: ñộ chính xác kém ñi vào vùng nước Sơ ñồ khối tổng quát máy ño tốc ñộ cảm ứng Khi tàu chạy với tốc ñộ v, thì dòng nước chuyển ñộng ñáy tàu có vận tốc - v (nếu không có sai số) Lúc này suất ñiện ñộng từ phận nhạy cảm E1 = k1.v Suất ñiện ñộng này sau ñưa qua vi phân và khuếch ñại cho suất ñiện ñộng E2 Suất ñiện ñộng này ñược ñưa ñến ñộng thị tốc ñộ ñể ñưa mặt báo tốc ñộ và ñưa qua phận phản hồi ta ñược E3 Lúc này ñầu vào biến áp vi phân xuất suất ñiện ñộng tổng hợp ∆E = E1 - E3 Bộ thị vận tốc ngừng quay ∆E = Lúc này tốc ñộ báo trên máy không thay ñổi, chính tốc ñộ tàu chạy (giả thiết không có dòng hải lưu) Chỉ thị quãng ñường Mặt báo tốc ñộ Bộ phản hồi ðộng thị vận tốc Bộ khuếch ñại Bộ nhạy cảm Bộ tích phân vận tốc Dao ñộng thạch anh ðộng ñồng hồ Khuếch ñại Biến áp vi phân Hình vẽ 4.4 ðể có ñược quãng ñường, từ ñộng thị vận tốc tín hiệu vận tốc tàu ñược ñưa vào tích phân vận tốc cùng với thời gian ñược lấy từ ñộng ñồng hồ (nguồn nuôi ñồng hồ là dao ñộng thạch anh và khuếch ñại), ñó ta có tích phân là tích phân xác ñịnh và quãng ñường tàu chạy ñược thời gian t là t S = ∫ v.dt hay S = ∑ v.t Từ ñây tín hiệu ñược ñưa phận báo cho ta quãng ñường mà tàu chạy ñược Máy ño tốc ñộ hiệu ứng Doppler 5.1 Cơ sở lí thuyết - Trường hợp 1: người ta ñặt máy phát trên vật chuyển ñộng chạy tới gần vật cố ñịnh Vật cố ñịnh Máy thu phát www.hanghaikythuat.edu.tf V www.hanghaikythuat.tk Hình vẽ 4.5 Giả sử nguồn phát ban ñầu có hàm sóng là: φ = φ0.sin2Πf0t Trong ñó: f là tần số phát ban ñầu, t là thời gian Khi sóng phát ñập vào vật cố ñịnh phản xạ trở máy thu có hàm sóng là: φ = φ0.sin2Πf0( t + ∆t) ( Giả sử không có tổn hao) Trong ñó: ∆t =2D/C là khoảng thời gian sóng phát ñi cho ñến sóng phản xạ trở lại máy thu (ñơn vị là giây), D là khoảng cách máy thu, phát và vật cố ñịnh, C là vận tốc truyền sóng Như ta có pha dao ñộng máy thu là: φ1 = 2Πf0( t + 2D/C) (7) Theo vật lí, ñạo hàm pha dao ñộng sóng thời ñiểm tần số góc hàm sóng thời ñiểm ñó, nên ta có: dϕ 2dD = 2π f (1 + ) = ω1 = 2π f dt C.dt Trong ñó (8) dD = v là vận tốc chuyển ñộng vật ñặt máy thu phát sóng dt Từ công thức ta có: f (1 + ( f1 − f ) C.∆f 2v C = ) = f1 suy v = f0 f0 C (9) - Trường hợp 2: Vật ñặt máy thu phát chuyển ñộng xa vật cố ñịnh Ta có: v=− C.∆f f0 (10) - Trường hợp 3: Hướng phát sóng hợp với phương chuyển ñộng góc α, từ công công thức ta có : V cos α = v=± C.∆f f cos α (11) C.∆f f suy ; + α <900 ; - α > 900 Nhận xét: Từ công thức (9), (10), (11) muốn ño tốc ñộ vật ta cần ño ñộ lệch tần số ∆f là xong, C vì tỉ số f cos α là số Ứng dụng: ðể kiểm soát tốc ñộ phương tiện giao thông thuỷ bộ, người ta dùng công thức (11) C.∆f v=± f cos α 5.2 Nguyên lý hoạt ñộng www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Khi máy phát ñặt trên cố ñịnh phát sóng vào vật ñang chuyển ñộng máy phát ñặt trên di ñộng phát sóng vào vật ñang chuyển ñộng, lúc ñó người ta ño ñạc tần số thu thì nhận thấy tần số thu khác với tần số phát ñại lượng là ∆f = f1 - f0 khác ðây chính là hiệu ứng Doppler thay ñổi tần số sóng, ñược áp dụng các máy ño vận tốc v.sinα α v.cosα O đáy biển Hình vẽ 4.6 Nguyên lý hoạt ñộng máy ño tốc ñộ hiệu ứng Doppler sau: ñáy tàu người ta ñặt màng dao ñộng thu phát kép sóng siêu âm và phát chéo phía mũi phía lái hợp với mặt phẳng ñường nước góc α cố ñịnh, tần số phát ñi sóng siêu âm là f0, ta thu ñược tần số phản xạ trở từ ñáy biển là f1 Tốc ñộ tàu ñược tính theo công thức sau: Theo hiệu ứng Doppler ta có: giả sử màng phát và thu tiến ñến ñiểm với cùng vận tốc v.cosα ta có: f1 = f C + V cos α = C − V cos α áp dụng ñẳng thức Taylor f .(1 + V cos α ) C − (V ) cos α C = + x + x2 + x3 + ta có: 1− x V V V f1 =f0 (1+ cos α )(1 + cos α + cos α + ) loại bỏ các số hạng vô cùng bé bậc cao ta ñược: C C C ( V = C f − 2f f 0 ) ∆f 1 = C f cos α cos α (12) Nhìn vào công thức (12) ta thấy C là vận tốc sóng siêu âm môi trường nước biển 1500 m/s, góc α không ñổi, muốn ño tốc ñộ tàu ta cần ño lệch tần số thời ñiểm phát và thời ñiểm thu sóng siêu âm (∆f ) là xong 5.3 Sơ ñồ khối máy ño tốc ñộ Doppler tia: f0 Bộ phát Bộ tính tốc ñộ v=∆f c/ 2f0.cosα Máy phát Chỉ thị vận tốc f0 f1 Bộ thu f1 Khuếch www.hanghaikythuat.edu.tf ñại Chỉ thị quãng ñường t www.hanghaikythuat.tk Hình vẽ 4.7 5.4 Tốc ñộ kế Doppler hai tia: V α α Hình vẽ 4.8 ðể giảm sai số góc α thay ñổi tàu lắc (ñặc biệt là lắc dọc), ñồng thời nâng cao ñộ chính xác ño tốc ñộ tàu Người ta phát tia thứ hai phía lái ñối xứng với tia thứ qua mặt phẳng ngang, mặt phẳng trục dọc tàu Trong phương pháp này hai phát cùng phát với tần số f0 và tần số thu ñược phía mũi là f1, phía lái là f’1 Ta có: 2 f1 = f 2V cos α V co sα (1 + + + ) ; C C f’1 = f1-f’1 = ∆f = f .( f 2V cos α V co sα (1 − + + ) C C 4.V cos α ); C ∆f C hay: V= f cos α (13) Trong ñó cosα = (cosαm + cosαl )/ Nhìn vào công thức (13) ta thấy cần ño tần số sóng phản xạ phía mũi và phía lái là tính ñược tốc ñộ chuyển ñộng tàu 10 www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk 5.5 Tốc ñộ kế Doppler tia: V α β θ Hình vẽ 4.9 Nguyên lý hoạt ñộng máy ño tốc ñộ tia (hình vẽ 9): ∆f Từ công thức V = C ∆f ta ñặt ñại lượng Φ = suy Φ = 2f 2f cos α gọi là biến số Doppler Vậy ta có V= C Φ cos α V cos α C Trong máy ño tốc ñộ tia ,các tia âm truyền theo hướng hợp với mặt phẳng trục dọc tàu góc θ Tàu có ñộ dạt là β Tất các biến số Φ1, Φ2, Φ3, Φ4 ñược chiếu lên hướng HTTβ , xét lần ño riêng rẽ ta có: Φ1 = V cos α cos(θ − β ) C Φ2 = V cos α cos(θ + β ) C Φ3 = - V cos α cos(θ − β ) C Φ4 = - V cos α cos(θ + β ) C (14) α là góc hợp mặt phẳng ñi qua chùm tia 1, (về phía mũi) và chùm tia 3, (về phía lái) và mặt phẳng ñường nước Sau ñó ta lấy hiệu biến số Doppler tia 1và 3, và ta có: Φ1,3= Φ1- Φ3 = V cos α cos(θ − β ) C Φ2,4= Φ2- Φ4 = (15) V cos α cos(θ + β ) C www.hanghaikythuat.edu.tf 11 www.hanghaikythuat.tk Ta tính tổng và hiệu theo công thức (15) ta có: ΦT = Φ1,3 + Φ2,4 = V cos α cos θ cos β C ΦH = Φ1,3 - Φ2,4 = V cos α sin θ sin β C Từ ñây ta có: V= tgβ = Φ Φ H Φ T .C cos α cos θ cos β = Φ H .C cos α sin θ sin β (16) cot gθ T Công thức (16) cho phép ta xác ñịnh ñược vận tốc thật tàu so với ñáy biển và góc dạt thực tế tàu 5.6 ðộ chính xác tốc ñộ kế Doppler: a) Ưu ñiểm: ðo ñược tốc ñộ tuyệt ñối tàu so với ñáy biển, phát tia thì ño ñược góc dạt và tốc ñộ tàu b) Nhược ñiểm: Tầm hoạt ñộng tốc ñộ kế Doppler chủ yếu là khu vực ven bờ với ñộ sâu nhỏ 1500 mét c) Các sai số: - Sai số tàu lắc: Khi tàu lắc góc α thay ñổi dẫn ñến vận tốc báo trên máy thay ñổi theo, ñặc biệt là tàu lắc dọc ðể giảm sai số này thì góc α ≤ 750 - Sai số tốc ñộ truyền âm sóng âm nước biển: Trong tình toán C lấy giá trị xấp xỉ 1500 m/s, thực tế C =f(S‰, t0, P, H ), ñó S‰ là ñộ nặm nước biển, H là ñộ sâu Trong máy ño tốc ñộ dùng cho ngành hàng hải người ta bỏ qua biến thiên tốc ñộ truyền âm - Sai số tần số phát thay ñổi: Yêu cầu chế tạo máy phát phải tạo tần số f0 số, lão hoá linh kiện máy phát, màng dao ñộng phát và các linh kiện bán dẫn theo thời gian dẫn ñến số vận tốc báo trên máy có sai số ðể khắc phục sai số này người ta ñưa vào máy ño tốc ñộ phận tự ñộng ñiều chỉnh tần số (Automatic Frequency Control) - Ảnh hưởng ñộ sâu ñáy biển: Như ta ñã biết sóng siêu âm truyền lan nước biển bị tổn hao lượng lớn Tần số càng cao thì tổn hao càng lớn ðối với máy ño tốc ñộ Doppler tần số phát thông thường từ ñến MHz, với tần số này thì tín hiệu phản xạ màng dao ñộng thu khoảng 30 % lượng ñộ sâu 50 mét cho ñộ chính xác cao Ngày nhờ công nghệ khoa học phát triển người ta ñã chế tạo ñược máy ño tốc ñộ Doppler có thể ño tốc ñộ ñối với ñộ sâu ñáy biển là 1500 mét (Bằng cách tăng công suất phát, tăng ñộ nhạy máy thu, tăng hệ số khuyếch ñại máy thu ) Nếu ñộ sâu lớn thì cường ñộ sóng phản xạ màng dao ñộng thu yếu ñó dẫn ñến tốc ñộ ño ñược kém chính xác 5.7 Sơ ñồ khối tốc ñộ kế Doppler tia: Sơ ñồ (hình vẽ 10) gồm bốn cụm máy chính: cụm phát, tách tần số Doppler, tính toán và báo Máy phát (1) có thể hoạt ñộng chế ñộ xung chế ñộ liên tục Nhưng chế ñộ nào tần số phát giống Sau ñược khuếch ñại máy khuếch ñại (2) xung ñiện ñược ñưa ñến kích ñộng màng dao ñộng phát (3 ), màng dao ñộng có phương hướng tính khoảng - 30, chúng phóng vào nước búp tia âm Các tia âm ñi tới ñáy biển, phản xạ trở màng dao ñộng thu (4) Do có www.hanghaikythuat.edu.tf 12 www.hanghaikythuat.tk hiệu ứng Doppler và các hướng tới màng thu không giống nên tần số màng thu (4) thu ñược khác với tần số phát f0 Tần số thu ñược tương ứng f1 , f2 , f3 và f4 Mỗi tín hiệu phản xạ ñược khuếch riêng khuếch ñại và ñi vào các hộp ñể tạo lên biến số Doppler ∆f Φi= 2f Biến số Φi ñôi ñi ñến so sánh và mà từ ñầu chúng, ta có ñược tín hiệu Φ13 và Φ24 Các tín hiệu này lại ñôi ñược ñưa tới cộng và so sánh 10 Trong các ñó hình thành tín hiệu biến số ΦT và ΦH , chúng ñược ñưa ñến biến ñổi tần số 11 Ở ñây biến số ñược biến ñiệu tần số 10 kHz từ máy phát ñặc biệt 12 Kết là từ ñầu máy biến ñổi 11 ta có dao ñộng với tần số 10 kHz có biên ñộ phụ thuộc vào ΦT và ΦH và ñó nó tỉ lệ với v Tín hiệu biến ñiệu ñược ñưa tới khâu tính toán tốc ñộ 13 và ñộ dạt 16 Ngoài ra, tín hiệu ñưa ñến 13 còn có các tín hiệu α, θ, β và tốc ñộ sóng siêu âm C ñược lấy từ nhớ riêng 14 dùng ñể kiểm tra hoạt ñộng máy Tín hiệu vận tốc tàu V từ 13 ñược ñưa tới tích phân 15 ñể tính quãng ñường tàu ñã chạy 10 1 12 ∆V 14 V 13 Vc Máy phát f0 6 6 S 15 t ∫ v dt Máy khuếch ñại (2) 5 5 β 16 β 3 3 4 4 Hình vẽ 4.10 www.hanghaikythuat.edu.tf 13 www.hanghaikythuat.tk 5.8 Chọn tần số làm việc máy ño tốc ñộ Doppler - ðối với máy Nga thường chọn tần số f0 = 1MHz ñến 2MHz góc mở búp phát α = 30 ñến 50 - ðối với máy Nhật, Anh thường chọn tần số f0 = 100 kHz ñến 600 kHz góc mở búp phát α = 50 ñến 80 www.hanghaikythuat.edu.tf 14