LÝ THUYẾT VỀ MÁY ĐO TỐC ĐỘ

<span class='text_page_counter'>(1)</span>www.hanghaikythuat.tk MÁY ðO TỐC ðỘ CƠ SỞ VỀ TỐC ðỘ KẾ 1. Khái quát chung Tốc ñộ kế là một thiết bị ñiện dùng ñể xác ñịnh tốc ñộ chuyển ñộng của tàu ñồng thời ghi lại quãng ñường tàu chạy. Có 2 loại tốc ñộ kế: tuyệt ñối và tương ñối. -Tốc ñộ kế tuyệt ñối: là máy ño tốc ñộ chuyển ñộng của tàu so với ñáy biển. ðể xác ñịnh tốc ñộ tuyệt ñối của tàu người ta có thể dùng các hệ thống sau: - Hệ thống thuỷ âm học (Doppler): người ta tiến hành ño tần số của tín hiệu phát ra và tín hiệu thu ñược sau khi phản xạ từ ñáy biển trở về. Sự thay ñổi tần số giữa phát và thu tỉ lệ với tốc ñộ tàu và do vậy ta xác ñịnh ñược tốc ñộ tàu chạy. - Hệ thống quán tính: dựa trên cơ sở ño gia tốc xuất hiện khi tàu chuyển ñộng so với trái ñất ñể suy ra tốc ñộ tàu. - Hệ thống ñiện từ trường: tiến hành ño suất ñiện ñộng xuất hiện trong dây dẫn chuyển ñộng cùng tàu trong từ trường trái ñất. Từ ñó xác ñịnh ñược tốc ñộ tàu. -Tốc ñộ kế tương ñối: là máy ño tốc ñộ chuyển ñộng của tàu so với nước. Ở ñây ta xem tàu ñứng yên còn nước chuyển ñộng ngược so với tàu với vận tốc bằng vận tốc tàu. ðể xác ñịnh tốc ñộ tương ñối của tàu người ta có thể dùng các loại tốc ñộ kế sau: - TðK thuỷ lực: dưạ trên cơ sở ño áp lực tĩnh và ñộng của dòng nước chảy quanh tàu khi tàu chuyển ñộng ñể xác ñịng tốc ñộ tàu. - TðK thuỷ cơ học: ngưòi ta cho một chong chóng nằm trong dòng nước chuyển ñộng xung quanh tàu và từ ñó xác ñịnh ñược tốc ñộ tàu. - TðK cảm ứng: ño suất ñiện ñộng xuất hiện giữa 2 cặp cực nhúng trong nước biển ngoài mạn tàu do nam châm ñiện gắn liền với ñáy tàu gây ra khi tàu chuyển ñộng. 2. Máy ño tốc ñộ tàu thủy bằng cảm ứng ñiện từ .2.1. Cơ sở vật lý ứng dụng trong máy ño tốc ñộ cảm ứng ñiện từ. Như ta ñã biết, một thanh dây dẫn hoặc một khung dây dẫn dịch chuyển trong một từ trường, theo ñịnh luật cảm ứng (Faraday) thì trong dây dẫn ñó sẽ xuất hiện một suất ñiện ñộng, suất ñiện ñộng này phụ thuộc vào kích thước của dây dẫn, cường ñộ từ trường và vận tốc dịch chuyển của dây dẫn. Ta xét hai trường hợp sau: A. Trường hợp 1: Khi ta cho một thanh dây dẫn dịch chuyển trong từ trường của một thanh nam châm vĩnh cửu (gọi là từ trường ñều). Giả sử thanh dây dẫn ñặt cố ñịnh, vuông góc với từ trường, thì suất ñiện ñộng ra của thanh dây dẫn ño ñược bằng không. Khi ta cho thanh dây dẫn dịch chuyển vuông góc với từ trường thì suất ñiện ñộng ra E = B.l.v Trong ñó B là cường ñộ từ trường, l chiều dài của thanh dây dẫn, v là vận tốc dịch chuyển của thanh dây dẫn. ðối với một thanh nam châm vĩnh cửu cố ñịnh thì B là không ñổi, ñối với một thanh dây dẫn nhất 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 của thanh dây dẫn trong từ trường v =. www.hanghaikythuat.edu.tf. E . k. 1.

<span class='text_page_counter'>(2)</span> www.hanghaikythuat.tk Nếu thanh dây dẫn dịch chuyển trong từ trường hợp với hướng từ trường một góc α thì E B.l . sin α. v =. B. Trường hợp 2 Nếu trong một từ trường biến ñổi của nam châm ñiện, ta ñặt cố ñịnh một thanh dây dẫn vuông góc với từ trường, lúc này trong thanh dây dẫn xuất hiện một suất ñiện ñộng E0, gía trị E0 luôn cố ñịnh nếu nguồn ñiện xoay chiều tác dụng và chiều dài dây dẫn thay không ñổi.. V L. Bây giờ ta cho thanh dây dẫn dịch chuyển trong và vuông góc với từ trường, thì trong thanh dây dẫn xuất U = U0. sinωt hiện thêm một suất ñiện ñộng thứ hai, suất ñiện ñộng này luôn tỉ lệ với vận tốc dịch chuyển của thanh dẫn, ñược tính là: Ev = k.v. Hình vẽ 4.1. - k: hệ số cảm ứng - v: vận tốc dịch chuyển của thanh dây dẫn trong từ trường. Vậy ta có suất ñiện ñộng tổng cộng trong dây dẫn : Et = E0 + Ev Hay v =. (E − E ) t. 0. 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 của thanh dây dẫn trong từ trường. Người ta áp dụng phương pháp này ñể chế tạo máy ño tốc ñộ tàu thuỷ bằng cảm ứng ñiện từ. 2.2. Nguyên lý cơ bản của máy ño tốc ñộ tàu thuỷ bằng cảm ứng ñiện từ. A. Cấu tạo bộ nhạy cảm. www.hanghaikythuat.edu.tf. 2.

<span class='text_page_counter'>(3)</span> www.hanghaikythuat.tk. Cuộn ωk. Cuộn ω 1 Vòng dẫn ñiện 3. Hình vẽ 4.2 Bộ phận nhạy cảm của tốc ñộ kế (hình vẽ 2) là một hình trụ, có tiết diện là dạng khí ñộng học bằng ñồng thau 1 mặt ngoài có phủ lớp cách ñiện, nhô ra dưới ñáy tàu. Phía trong của hình trụ 1 có gắn một thanh xolenôit 2 xung quanh có quấn hai cuộn dây: cuộn chính ω và cuộn cân bằng ωk , dòng ñiện xoay chiều ñi qua cuộn ω. Nhờ vậy mà xung quanh thanh xolenôit hình thành một ñiện từ trường mạnh. Bên mặt ngoài của hình trụ có gắn hai ñiện cực A và B người ta nối hai ñiện cực này với hai sợi dây ñưa ra ngoài (như hình vẽ 2). Bộ phận nhạy cảm ñược thiết kế ñể dễ dàng ñưa ra khỏi ñáy tàu hoặc kéo lên. B. Nguyên lý hoạt ñộng: Người ta ñưa bộ phận nhạy cảm nhô ra khỏi ñáy tàu tiếp xúc với nước ngoài mạn tàu khi ñó nước là chất dẫn ñiện nên giữa các cực ñiện A và B ở mặt ngoài của ống hình trụ sẽ hình thành vòng dẫn ñiện 3 (ñóng vai trò như một dây dẫn). Nếu như cuộn dây có ñiện thì theo ñịnh luật cảm ứng Farañây thì trong vòng dẫn ñiện 3 có suất ñiện ñộng bằng E Giả sử rằng 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 của mặt xoay mà từ thông xuyên qua.. ω - Tần số dòng ñiện cung cấp Như vậy, vì rằng ф là hàm số của thời gian nên trong trường hợp ta xét thì sức ñiện ñộng sinh ra trong vòng 3 sẽ là: E0 = Bm Q. ω. cos ω t. www.hanghaikythuat.edu.tf. 3.

<span class='text_page_counter'>(4)</span> www.hanghaikythuat.tk Bây giờ ta giả thiết rằng xeloit cũng chuyển ñộng với tàu chuyển ñộng với tốc ñộ Vc: lúc ñó trong vòng sẽ sinh ra sức ñiện ñộng phụ thêm:. ∫. Ev =. / vc X B / dl. trong ñó: l - chiều dài của vòng. Gọi khoảng cách giữa 2 cực là 2b ta sẽ có: ∞. Ev = 2Vc Bm sinωt. ∫ dl. (*). b. Như vậy, trong trường hợp chung thì sức ñiện ñộng trong vòng ñược xác ñịnh bởi biểu thức: E = E0 + Ev Thành phần E0 không phụ thuộc vào vC và có thể xem như nhiễu loạn số không. Thường thì E0 ñược bù trừ bằng cách ñưa vào cuộn ωk muộn ñiện áp xoay chiều và pha tương ứng. Nếu như việc bù trừ ñược thực hiện thì từ biểu thức (*) ta thấy phương trình của tốc ñộ kế sẽ có dạng:. E. Vc =. v. K. Khi tàu không chuyển ñộng (giả sử không có dòng hải lưu), nếu cấp ñiện cho cuộn dây ω ta thấy ñầu ra của hai ñiện cực A và B xuất hiện một suất ñiện ñộng E0 không ñổi. Khi cho tàu chạy, tức là vòng dẫn ñiện 3 dịch chuyển ta thấy ở hai ñầu ra của hai ñiện cực A và B có thêm suất ñiện ñộng Ev = k. Vc - Trong ñó k là hệ số cố ñịnh nếu như bộ phận nhạy cảm không thay ñổi thông số, ñược tính theo công thức ∞. K = ( 2 B m sin ω .t.∫ dl ) b. - Vc là vận tốc ñang chuyển ñộng của tàu Ta có suất ñiện ñộng tổng cộng: Et = E0 + Ev Vậy vận tốc chuyển ñộng của tàu Vc =. (E − E ) 0. t. k. Nhìn vào công thức ta thấy muốn ño tốc ñộ của tàu thì ta cần ño suất ñiện ñộng tổng cộng của 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 0. 2.3. Nguyên lý ño tốc ñộ và góc dạt của tàu bằng cảm ứng ñiện từ: Dưới ñáy tàu người ta ñặt một bộ nhạy cảm có 2 cặp cực chéo nhau, ñiện áp ra của cặp cực thứ nhất 1 và 3 là U1 ñiện áp ra của cặp cực thứ hai 2 và 4 là U2 , ở giữa bộ phận nhạy cảm này có một nam châm ñiện xoay chiều. Giả thiết rằng tàu có ñộ dạt là β (hình vẽ 3). Với ñiều kiện ñó thì thành phần của v c không phải chỉ có v y mà còn có thành phần nằm ngang v X . Vì vậy ñiện áp U1 và U2 trên các cực tương ứng sẽ là kết quả tác dụng tổng hợp của tốc ñộ vy và vX và có thể biểu thị bởi những biểu thức sau ñây: U1 = vc (K1cosβ + K2sinβ). (2). U2 = vc (K1cosβ - K2sinβ) Trong ñó K1 và K2 là hệ số cảm ứng của cặp cực thứ nhất và cặp cực thứ hai. www.hanghaikythuat.edu.tf. 4.

<span class='text_page_counter'>(5)</span> www.hanghaikythuat.tk. Từ ñó:. U1 + U2 = 2vcK1cosβ. (3). U1 - U2 = 2vcK2sinβ. β Vy Vc. Nam châm ñiện 1. 2. U2. U1 4. 3. Hình vẽ 4.3 Từ công thức (3) lấy bình phương lên sau ñó cộng lại thì ta ñược môñun của Vc ñối với tốc ñộ tàu, còn tỉ lệ giữa chúng sẽ xác ñịnh ñộ dạt gió β dưới ki tàu. Kết quả sau khi biến ñổi ta sẽ có:.  U + U 1 2 vc =   2 K 1. 2.  U1 −U 2   +     2K 2 . 2.   . 1 2. (4).  K 1 (U 1 − U 2 )  .   K 2 (U 1 + U 2 ) . β = arctg . Như vậy, tốc ñộ kế cảm ứng có thể ño ñược góc dạt và tốc ñộ toàn phần vc của tàu ñối với nước. 3. Sai số của tốc ñộ kế cảm ứng ñiện từ 3.1. Sai số cố ñịnh: Như ta ñã biết khi tàu không chạy thì ở ñầu ra cặp cực tồn tại 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 chỉ báo tốc ñộ sẽ cho ta một giá trị nào ñó, ta chỉ cần chỉnh ñể kim chỉ về vị trí số 0 là ñược. Phương pháp này ñơn giản và ñược sử dụng rộng rãi.. . Phương pháp 2 (phương pháp bù trừ): Trong chế tạo, người ta tính ñược giá trị E0 và loại trừ giá trị này bằng cách ñưa cuộn ωk vào thanh xolenôit 2, sau ñó ñưa vào cuộn. www.hanghaikythuat.edu.tf. 5.

<span class='text_page_counter'>(6)</span> www.hanghaikythuat.tk dây này một ñiện áp xoay chiều, kí hiệu là Uk, ñiện áp Uk phải ñược tính toán sao cho nó tạo ra một suất ñiện có ñộ lớn ñúng bằng E0 nhưng ngược dấu. Nhược ñiểm của phương pháp này là chế tạo rất phức tạp, trong quá trình sử dụng thì suất ñiện ñộng E0 luôn luôn thay ñổi vì tính lão hoá của vật liệu luôn thay ñổi cho nên ñiện áp ñưa vào cuộn dây khử nhiễu loạn số không ωk phải ñiều chỉnh theo, ngoài ra nó còn tạo ra sai số nhiễu loạn bậc hai khó xác ñịnh ñược trị số, do ñó hiện nay ít sử dụng ( chỉ còn ở một số máy Nga). 3.2.Ảnh hưởng của tàu lắc: Tốc ñộ kế cảm ứng có ñộ nhạy rất cao, vì vậy kim chỉ tốc ñộ lúc tàu lắc có thể dao ñộng với biên ñộ từ 0,1 ñến 1 hải lý. Như vậy ta có thể không ñọc ñược trị số tốc ñộ một cách chính xác. Cách ñọc tốt nhất là ta ñọc giá trị cực ñại và cực tiểu sau ñó lấy giá trị trung bình. Có thể khử sai số bằng cách lắp thêm bộ phận làm thay ñổi từ trường ñồng bộ với tàu lắc. 3.3.Sai số do dòng chảy rối loạn tạo ra: Khi tàu chuyển ñộng tạo ra một lớp nước chuyển ñộng rối loạn dưới ñáy tàu mà vận tốc của lớp nước này không thể xác ñịnh ñược. ðộ dày của lớp nước chảy rối phụ thuộc vào từng vị trí của vỏ tàu và vận tốc chuyển ñộng của tàu. Do vậy vận tốc ño ñược sẽ khác với vận tốc thực của tàu. ðể giảm sai số này người ta ñưa bộ phận nhạy cảm nhô ra khỏi ñáy tàu vượt qua lớp nước dòng chảy rối, thường từ 0,3 ñến 0,8 mét và chọn vị trí lắp ñặt bộ phận nhạy cảm ở vị trí có dòng chảy rối là bé nhất. 3.4 Sai số bình phương: ðể tránh sự cực hoá tự do của các cực ñiện, trong sơ ñồ của tốc ñộ kế cần phải tránh dùng từ trường một chiều. Mặt khác, khi dùng ñiện từ trường thì do có quá trình tự cảm ứng xảy ra nên trong mạch ra sẽ sinh ra sức ñiện ñộng vô ích mà ta gọi là nhiễu bậc hai. Nghiên cứu kĩ hiện tượng này ta thấy rằng, nhiễu bậc hai không phụ thuộc vào tốc ñộ tàu vc nó lệch pha với ñiện áp hữu ích một góc 900 còn về biên ñộ thì nó thường lớn hơn tín hiệu hữu ích. Kết quả là ở mạch ra của bộ phận nhạy cảm sẽ sinh ra ñiện áp: U = Uc + Un = k1 sinωt + k2cosωt Trong ñó:. (5). k1 = f(vc, β). k1 < k2 = const. Mặc dù UC < Un nhưng do có sự khác pha của ñiện áp tín hiệu hữu ích Uc và của ñiện áp sai số Un nên có thể dễ dàng tách Uc và vì vậy sai số chính có thể loại bỏ ñược.. 3.5. Sai số do ñộ mặn của nước biển gây ra: Theo nguyên lý hoạt ñộng của máy ño tốc ñộ cảm ứng thì nước biển ñóng vai trò như 2 nửa vòng dây dẫn bao quanh thiết diện của bộ phận nhạy cảm ñi qua hai ñiện cực A và B. Nếu ta gọi R là ñiện trở của chất lỏng ta có: R = ρ.. L S. (6). Trong ñó S là thiết diện của bộ phận nhạy cảm ñi qua 2 ñiện cực. L là chu vi của bộ phận nhạy cảm ñi qua 2 ñiện cực. ρ là ñiện trở suất của nước biển. Trong công thức (6) ñại lượng S và L là không ñổi ñối với một bộ nhạy cảm, ρ phụ thuộc hoàn toàn vào ñộ mặn. Thực nhiệm cho thấy ñộ mặn càng cao thì ñộ chính xác khi ño tốc ñộ càng cao và ngược lại. Do vậy khi tàu hành trình ở các khu vực nước ngọt thì tốc ñộ ño ñược kém chính xác. 3.6. Sai số do thay ñổi tính chất vật liệu gây ra: Theo thời gian từ tính của nam châm ñiện thay ñổi, mặt khác sự xâm thực bề mặt của hai bản cực A và B nên hệ số cảm ứng thay ñổi so với thiết kế ban ñầu do ñó chỉ thị vận tốc và chỉ 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 của tàu trong 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 do tàu chuyển ñộng gây ra: (nói thêm) www.hanghaikythuat.edu.tf. 6.

<span class='text_page_counter'>(7)</span> www.hanghaikythuat.tk Ưu ñiểm: ðo ñược tốc ñộ và góc dạt của tàu. Nhược ñiểm: ñộ chính xác kém khi ñi vào vùng nước ngọt. 4. Sơ ñồ khối tổng quát của máy ño tốc ñộ cảm ứng. Khi tàu chạy với tốc ñộ v, thì dòng nước chuyển ñộng dưới ñáy tàu có vận tốc bằng - v (nếu không có sai số). Lúc này suất ñiện ñộng ra từ bộ phận nhạy cảm E1 = k1.v. Suất ñiện ñộng này sau khi ñưa qua bộ vi phân và bộ khuếch ñại cho ra một suất ñiện ñộng E2. Suất ñiện ñộng này ñược ñưa ñến ñộng cơ chỉ thị tốc ñộ ñể ñưa ra mặt chỉ báo tốc ñộ và ñưa qua bộ phận phản hồi ta ñược E3. Lúc này ñầu vào của biến áp vi phân xuất hiện một suất ñiện ñộng tổng hợp ∆E = E1 - E3. Bộ chỉ thị vận tốc ngừng quay khi ∆E = 0. Lúc này tốc ñộ báo trên máy không thay ñổi, chính bằng tốc ñộ tàu chạy (giả thiết không có dòng hải lưu).. Chỉ thị quãng ñường. Mặt chỉ báo tốc ñộ. Bộ phản hồi. ðộng cơ chỉ thị vận tốc. Bộ khuếch ñại. Bộ nhạy cảm. Bộ tích phân vận tốc. Dao ñộng thạch anh. ðộng cơ ñồng hồ. Khuếch ñại. Biến áp vi phân Hình vẽ 4.4. ðể có ñược quãng ñường, từ ñộng cơ chỉ thị vận tốc tín hiệu vận tốc của tàu ñược ñưa vào bộ tích phân vận tốc cùng với thời gian ñược lấy từ ñộng cơ ñồng hồ (nguồn nuôi ñồng hồ là bộ dao ñộng thạch anh và bộ khuếch ñại), do ñó ta có bộ tích phân là tích phân xác ñịnh và quãng ñường tàu chạy ñược trong thời gian t là t. S = ∫ v.dt hay S =. ∑ v.t. 0. Từ ñây tín hiệu ñược ñưa ra bộ phận chỉ báo cho ta quãng ñường mà tàu chạy ñược.. 5. Máy ño tốc ñộ bằng hiệu ứng Doppler 5.1 Cơ sở lí thuyết -. Trường hợp 1: người ta ñặt máy phát trên một vật chuyển ñộng chạy tới gần vật cố ñịnh. Vật cố ñịnh. Máy thu phát. www.hanghaikythuat.edu.tf V. 7.

<span class='text_page_counter'>(8)</span> 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 ra ñập vào vật cố ñịnh phản xạ trở về 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 khi sóng phản xạ trở lại máy thu (ñơn vị là giây), D là khoảng cách giữa máy thu, phát và vật cố ñịnh, C là vận tốc truyền sóng. Như vậy ta có pha dao ñộng tại máy thu là: φ1 = 2Πf0( t + 2D/C) (7) Theo vật lí, ñạo hàm pha dao ñộng sóng tại một thời ñiểm bằng tần số góc của hàm sóng tại thời ñiểm ñó, nên ta có: dϕ 1 2dD = 2π . f 0 (1 + ) = ω1 = 2π . f 1 dt C.dt. Trong ñó. (8). dD = v là vận tốc chuyển ñộng của vật ñặt máy thu phát sóng. dt. Từ công thức 2 ta có: f 0 (1 +. ( f1 − f 0 ) C.∆f 2v .C = ) = f1 suy ra v = 2 f0 2 f0 C. (9). - Trường hợp 2: Vật ñặt máy thu phát chuyển ñộng ra xa vật cố ñịnh. Ta có:. v=−. C.∆f 2 f0. (10). - Trường hợp 3: Hướng phát sóng hợp với phương chuyển ñộng một góc α, từ công công thức ta có : V . cos α = v=±. C.∆f 2 f 0 . cos α. (11). C.∆f 2 f 0 suy ra ; + khi α <900 ; - khi α > 900. Nhận xét: Từ công thức (9), (10), (11) muốn ño tốc ñộ của vật ta chỉ cần ño ñộ lệch tần số ∆f là xong, C vì tỉ số 2 f . cos α là một hằng số. 0. Ứng dụng: ðể kiểm soát tốc ñộ phương tiện giao thông thuỷ bộ, người ta dùng công thức (11) C.∆f v=± 2 f 0 cos α 5.2. Nguyên lý hoạt ñộng. www.hanghaikythuat.edu.tf. 8.

<span class='text_page_counter'>(9)</span> www.hanghaikythuat.tk Khi một máy phát ñặt trên một nền cố ñịnh phát sóng vào một vật ñang chuyển ñộng hoặc máy phát ñặt trên một nền di ñộng phát sóng vào một vật ñang chuyển ñộng, lúc ñó người ta ño ñạc tần số thu thì nhận thấy tần số thu khác với tần số phát một ñại lượng là ∆f = f1 - f0 khác 0. ðây chính là hiệu ứng Doppler về sự thay ñổi tần số sóng, ñược áp dụng trong các máy ño vận tốc. v.sinα. α. v.cosα O. đáy biển. 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 phía lái hợp với mặt phẳng ñường nước một góc α cố ñịnh, tần số phát ñi của sóng siêu âm là f0, ta thu ñược tần số phản xạ trở về từ ñáy biển là f1 . Tốc ñộ của tàu ñược tính theo công thức sau: Theo hiệu ứng Doppler ta có: giả sử màng phát và thu tiến ñến ñiểm 0 với cùng một vận tốc v.cosα ta có: f1 =. f. 0. .. C + V . cos α = C − V . cos α. áp dụng ñẳng thức Taylor. f. 0. .(1 +. V 1 . cos α ). C 1 − (V ). cos α C. 1 = 1 + x + x2 + x3 + ... ta có: 1− x 2. V 2 V V f1 =f0. (1+ . cos α )(1 + cos α + 2 . cos α + ..) loại bỏ các số hạng vô cùng bé bậc cao ta ñược: C C C. (. V = C.. f. 1. −. 2f. f 0. 0. ) .. ∆f 1 1 . = C. 2 f cos α cos α 0. (12). Nhìn vào công thức (12) ta thấy C là vận tốc sóng siêu âm trong môi trường nước biển bằng 1500 m/s, góc α không ñổi, vậy muốn ño tốc ñộ của tàu ta chỉ cần ño sự lệch tần số giữa thời ñiểm phát và thời ñiểm thu sóng siêu âm (∆f ) là xong.. 5.3. Sơ ñồ khối của máy ño tốc ñộ Doppler một 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. 9.

<span class='text_page_counter'>(10)</span> 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 khi góc α thay ñổi do tàu lắc (ñặc biệt là lắc dọc), ñồng thời nâng cao ñộ chính xác khi ño tốc ñộ tàu. Người ta phát một tia thứ hai về phía lái ñối xứng với tia thứ 1 qua mặt phẳng ngang, trong mặt phẳng trục dọc của tàu. Trong phương pháp này cả hai bộ phát cùng phát với tần số f0 và tần số thu ñược ở phía mũi là f1, ở phía lái là f’1 Ta có: 2. 2. f1 =. f. 2V cos α 2 V co sα .(1 + + + ..) ; 2 0 C C 2. f’1 =. f1-f’1 = ∆f =. f. 0. .(. f. 2. 2V cos α 2 V co sα .(1 − + + ..) 2 0 C C. 4.V cos α ); C. ∆f .C. hay:. V= 4. f. 0. . cos α. (13). Trong ñó cosα = (cosαm + cosαl )/ 2 Nhìn vào công thức (13) ta thấy chỉ cần ño tần số của sóng phản xạ phía mũi và phía lái là tính ngay ñược tốc ñộ chuyển ñộng của tàu. 10 www.hanghaikythuat.edu.tf.

<span class='text_page_counter'>(11)</span> www.hanghaikythuat.tk 5.5 Tốc ñộ kế Doppler 4 tia:. V. α. 3. 2 β. 4. 1. θ. Hình vẽ 4.9. Nguyên lý hoạt ñộng của máy ño tốc ñộ 4 tia (hình vẽ 9): ∆f Từ công thức cơ bản V = C. ∆f ta ñặt ñại lượng Φ = suy ra Φ =. 2f. .. 2f. . 0. 1 cos α. gọi là biến số Doppler. Vậy ta có V= C. .. 0. Φ cos α. V . cos α C. Trong máy ño tốc ñộ 4 tia ,các tia âm truyền theo hướng hợp với mặt phẳng trục dọc của tàu một góc θ. Tàu có ñộ dạt là β. Tất cả các biến số Φ1, Φ2, Φ3, Φ4 ñược chiếu lên hướng HTTβ , xét 4 lần ño riêng rẽ nhau 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 bởi mặt phẳng ñi qua chùm tia 1, 2 (về phía mũi) và chùm tia 3, 4 (về phía lái) và mặt phẳng ñường nước Sau ñó ta lấy hiệu của biến số Doppler tia 1và 3, 2 và 4 ta có:. Φ1,3= Φ1- Φ3 = 2. V . cos α . cos(θ − β ) C. Φ2,4= Φ2- Φ4 = 2. (15). V . cos α . cos(θ + β ) C. www.hanghaikythuat.edu.tf. 11.

<span class='text_page_counter'>(12)</span> www.hanghaikythuat.tk Ta tính tổng và hiệu theo công thức (15) ta có:. ΦT = Φ1,3 + Φ2,4 = 4.. V . cos α . cos θ . cos β C. ΦH = Φ1,3 - Φ2,4 = 4.. V . cos α . sin θ . sin β C. Từ ñây ta có: V=. tgβ =. Φ Φ. H. .. Φ. T. .C. 4. cos α . cos θ . cos β. =. Φ. H. .C. 4. cos α . sin θ . sin β. (16). . cot gθ. T. Công thức (16) cho phép ta xác ñịnh ñược vận tốc thật của tàu so với ñáy biển và góc dạt thực tế của tàu.. 5.6. ðộ chính xác của tốc ñộ kế Doppler: a) Ưu ñiểm: ðo ñược tốc ñộ tuyệt ñối của tàu so với ñáy biển, nếu phát 4 tia thì ño ñược góc dạt và tốc ñộ của tàu. b) Nhược ñiểm: Tầm hoạt ñộng của tốc ñộ kế Doppler chủ yếu là khu vực ven bờ với ñộ sâu nhỏ hơn hoặc bằng 1500 mét. c) Các sai số: - Sai số do tàu lắc: Khi tàu lắc góc α thay ñổi dẫn ñến vận tốc chỉ báo trên máy cũng thay ñổi theo, ñặc biệt là khi tàu lắc dọc. ðể giảm sai số này thì góc α ≤ 750 - Sai số do tốc ñộ truyền âm của sóng âm trong nước biển: Trong tình toán C lấy giá trị xấp xỉ bằng 1500 m/s, nhưng trong thực tế C =f(S‰, t0, P, H..), trong 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 về tốc ñộ truyền âm. - Sai số do tần số phát thay ñổi: Yêu cầu trong chế tạo máy phát phải tạo ra một tần số f0 bằng một hằng số, nhưng do lão hoá linh kiện của máy phát, màng dao ñộng phát và các linh kiện bán dẫn theo thời gian dẫn ñến chỉ số vận tốc báo trên máy có sai số. ðể khắc phục sai số này người ta ñưa vào máy ño tốc ñộ một bộ phận tự ñộng ñiều chỉnh tần số (Automatic Frequency Control). - Ảnh hưởng của ñộ sâu ñáy biển: Như ta ñã biết khi sóng siêu âm truyền lan trong nước biển bị tổn hao năng lượng rất lớn. Tần số càng cao thì sự tổn hao càng lớn. ðối với máy ño tốc ñộ Doppler tần số phát thông thường từ 1 ñến 3 MHz, với tần số này thì tín hiệu phản xạ về màng dao ñộng thu khoảng 30 % năng lượng ở ñộ sâu 50 mét cho ñộ chính xác cao. Ngày nay 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 ở ñộ sâu lớn hơn thì cường ñộ sóng phản xạ về màng dao ñộng thu yếu do ñó dẫn ñến tốc ñộ ño ñược kém chính xác.. 5.7. Sơ ñồ khối của tốc ñộ kế Doppler 4 tia: Sơ ñồ (hình vẽ 10) gồm bốn cụm máy chính: cụm phát, tách tần số Doppler, tính toán và chỉ báo. Máy phát (1) có thể hoạt ñộng ở chế ñộ xung hoặc ở chế ñộ liên tục. Nhưng chế ñộ nào tần số phát ra cũng giống nhau. Sau khi ñược khuếch ñại trong máy khuếch ñại (2) xung ñiện ñược ñưa ñến kích ñộng màng dao ñộng phát (3 ), mỗi màng dao ñộng có phương hướng tính khoảng 2 - 30, chúng phóng vào nước những búp tia âm. Các tia âm ñi tới ñáy biển, phản xạ trở về màng dao ñộng thu (4). Do có. www.hanghaikythuat.edu.tf. 12.

<span class='text_page_counter'>(13)</span> www.hanghaikythuat.tk hiệu ứng Doppler và do các hướng tới màng thu không giống nhau nên tần số màng thu (4) thu ñược sẽ khác với tần số phát f0 . Tần số thu ñược sẽ tương ứng bằng f1 , f2 , f3 và f4. Mỗi tín hiệu phản xạ sẽ ñược khuếch riêng trong bộ khuếch ñại 5 và ñi vào các hộp 6 ñể tạo lên biến số Doppler. ∆f. Φi=. 2f. . 0. Biến số Φi từng ñôi một sẽ ñi ñến bộ so sánh 7 và 8 mà từ ñầu ra của chúng, ta có ñược tín hiệu Φ13 và Φ24 . Các tín hiệu này lại từng ñôi một ñược ñưa tới bộ cộng 9 và so sánh 10. Trong các bộ ñó sẽ hình thành tín hiệu biến số ΦT và ΦH , chúng ñược ñưa ñến bộ biến ñổi tần số 11. Ở ñây biến số ñược biến ñiệu bởi tần số 10 kHz từ một máy phát ñặc biệt 12. Kết quả là từ ñầu ra của máy biến ñổi 11 ta có dao ñộng với tần số 10 kHz có biên ñộ phụ thuộc vào ΦT và ΦH và do ñó nó cũng 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 bộ 13 còn có các tín hiệu α, θ, β và tốc ñộ sóng siêu âm C ñược lấy từ bộ nhớ riêng 14 dùng ñể kiểm tra sự hoạt ñộng của máy. Tín hiệu vận tốc tàu V từ bộ 13 ñược ñưa tới bộ tích phân 15 ñể tính quãng ñường tàu ñã chạy.. 10 9. 1. 1 1. 12 ∆V. 14 7. 8. V. 13 Vc. Máy phát f0. 6. 6 6 6. S. 15 t. ∫ v . dt. Máy khuếch ñại (2). 0. 5 5 5. 5. β. 16 β. 3 3 3 3. 4 4 4 4. Hình vẽ 4.10. www.hanghaikythuat.edu.tf. 13.

<span class='text_page_counter'>(14)</span> www.hanghaikythuat.tk. 5.8. Chọn tần số làm việc của 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.

<span class='text_page_counter'>(15)</span>