Bài 1: Nguyên lý máy đo tốc độ kế thủy lực

1.Nguyên lý tốc độ kế áp lực

Theo hình , đưa một cái ống B, gọi là ống Pitot, có một đầu khoét lỗ qua đáy tàu xuống sâu vào trong nước, lỗ đầu ống hướng về phía mũi tàu, khi tàu chạy trong ống sẽ có áp lực nước tác dụng vào bên trong ống. nếu ống đặt cố định, khi tàu dừng, thì áp kực nước không đổi gọi là áp lực tĩnh. Nếu cho ống di chuyển (tàu chạy tới) với tốc độ V thì một áp lực mới được tạo ra trong ống gọi là áp lực động, áp lực trong ống B bây giờ là tổng áp lực động và áp lực tĩnh. Theo định luật Pitot trong cơ học chất lỏng thì áp lực động p tỷ lệ thuận với tốc độ V,

                                   p = K.V2

Trong đó K – hệ số phụ thuộc vào hình dáng, độ sâu của ống Pitot dưới đáy tàu.

Rõ rang là mối quan hệ giữa áp lực động và tốc độ không phải là tuyến tính, quan hệ hànm số của chúng mô tả trên đồ thị

Theo công thức trên, nếu đo được áp lực động thì có thể xác định tốc độ V. Để đo áp lực động, tốc độ kế áp lực được thiết kế dựa trên nguyên lý sau. Gần ống B đặt thêm ống A, ống này không lấy áp lực động, tức áp lực động luôn luôn bằng 0 , mà chỉ có áp lực tĩnh tác dụng trong đó. Cả 2 ống đều dẫn về hộp áp lực, trong đó có một màn ngăn lượn sóng ở giữa, ống A dẫn áp lực tĩnh về nữa bên trên  còn ống B dẫn áp lực động và áp lực tĩnh về nữa bên dưới của hộp áp lực. Trên màn ngăn lượn sóng gắn cố định một cần nối cơ học. Dưới tác dụng tổng hợp của áp lực trong ống B và áp lực trong ống A, áp lực tĩnh triệt tiêu, còn lại áp lực động tác dụng từ nữa dưới của hộpáp lực đẩy màn ngăn lượn sóng và đội cần nối cơ học dịch chuyển lên phía trên. Nếu tốc độ tàu càng  lớn thí áp lực động đẩy tàu cần nối càng mạnh, cần nối tác dụng qua một hệ thống cơ học để chỉ báo tốc độ của tàu.

2. Hoạt động của hệ thống cơ học chỉ báo tốc độ

Khi tàu tăng tốc độ thì làm cho áp lực động trong hộp áp lực (1) tăng lên đẩy màn ngăn lượn sóng và cần nối (2) lên phía trên, đẩy cánh tay đòn (3) về bên phải quanh trũc (4). Khi đầu phía trên của cánh tay đòn (3) lệch bên phải làm lệch bên phải làm lệch điểm tiếp xúc công tắc điện (5) khiến môtơ 2 chiều (6) nối nguồn điện, môtơ quay. Môtơ quay làm cho trục chính (7) quay và kéo theo trục cam xoắn ốc (8) quay theo chiều kim đồng hồ. Động tác này làm cho cần (9) bị đẩy về bên trái quanh trục (4) , khiến lò xo móc ở đầu trục (9) bị kéo và tạo ra một áp lực qua cần (3) tác dụng vào màn ngăn lượn sóng trong hợp áp lực làm cho cần nối dừng lại ở vị trí trung gian gian cân bằng. Khi đạt tới sự cân bằng giữa áp lực động tác động phía dưới màn ngăn lượn sóng và áp lực do lò xo trên (9) tạo ra khiến tiếp điểm (5) trở về vị trí ban đầu và làm ngắt nguồn điện và môtơ (6) dừng quay và giữ trục cam (8) tại vị trí chỉ chỉ đúng tốc độ tàu. Khi tàu tăng tốc độ thì các hoạt động của hệ thống lặp lại quá trình như vừa trình bày ở trên, trục cam (8) dừng lại ở vị trí tốc độ mới. Khi tàu giảm tốc độ thì hoạt động của hệ thống diễn ra ngược lại với trường hợp tăng tốc.

Hình dáng của trục cam (8) đã được tính toán kĩ để tạo ra chỉ báo tuyến tính của tốc độ từ đặc tính phi tuyến tính của hệ thống.

Một hệ thống bánh răng (19) được gắn vào cam xoắn ốc (8) để truyền động tốc độ chỉ báo về hệ thống phát tốc độ 3 pha. Một máy thu servo đặt trên buồng láisẽ thu nậhn tín hiệu tốc độ từ thiết bị trung tâm và chỉ báo tốc độ trên buồng lái.

Lộ trinh (đường đi) được tích phân bằng cơ học gồm môtơ quay tốc độ đều số (10), môtơ này quay lien tục bánh xe ma sát hình nón (14). Nhờ ma sát, bánh xe (14) quay đồng hồđếm hành trình (11) qua trục (15). Đồng hồ đếm lộ trình nhanh hay chậm phụ thuộc vào vị trí của bánh xe (13) trên bánh xe ma sát hình nón (14). Vị trí của bánh xe (13) do trục (7) điều khiển (quay theo tốc độ của tàu), thong qua vít vô tận (12). Khi tốc độ bằng 0, do tác động của cam (8) và trục (7) thì bánh xe (13) nằm đúng trên đỉnh chópcủa bánh xe ma sát hình nón (14), dù cho bánh xe (14) quay nhưng đồng hồ đếm lộ trình không chạy. Chỉ cần tàu có tốc độ thì banh xe (13) dịch chuyển đến vị trí tương ứng với tốc độ. Lúc này bánh xe hình nón (14) kéo bánh xe (13) quay đồng thời quay đồng hồ đo lộ trình. Vòng quay của trục (15) cũng đồng thời được truyền về buồng lái thong qua hệ thống phát và thu servo(16) và (17) đặt tại thiết bị trung tâm và trên buồng lái.

Hình              mô tả hệ thống Pitot trên mộ tàu đáy đôiđược lắp ráp qua đường ống xuyên đáy tàu nhờ một van chặn để có thể rút ống khi tau 2chạy cặp cầu, hoặc đưa nhô ra khi tàu hành trình. Ống áp lực cũng được kiểm tra bằng các van. Cả áp lực tĩnh hay áp lực động đều được đưa qua bộ phận xả khí  và qua van tiết chế trước khi đưa vào buồng áp lực. Các van tiết chế này có tác dụng chống rung động mạnh của nước vào màn ngăn lượn sóng để giảm sai số đo tốc độkhi màn ngăn lượn sóng hoạt động.

Bài 2: Nguyên lý máy đo tốc độ kế cảm ứng từ

Nguyên lý cơ bản của tốc độ kế điện từ

Tốc độ kế điện từ (Electronicmagnetic Log) là thiết bị vận dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để đo tốc độ tức thời của tàu tương đối với nước và tích phân tốc độ để xác định quãng đường tàu chạy. một thiết bị tốc độ kế điện từ gồm có: một bộ cảm biến, bộ khuếch đại và thiết bị chỉ báo.

Thiết bị cảm biến là một bộ phận nhạy cảm, áp dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để chuyển tốc độ cơ học của tàu thành tín hiệu điện tỷ lệ thuận với tốc độ của tàu. Trong các loại tốc độ kế điện từ hiện nay sử dụng 2 loại thiết bị cảm biến gồm loại phẳng và loại hình trụ. Bộ cảm biến phẳng lắp cố định vào vỏ đáy tàu, loại hình trụ có thể đưa thò ra đáy tàu khi hoạt động hoặc có thể thu vào khi dừng hoạt động nhờ một thiết bị nâng hạ.

Bộ cảm biến (Sensor) loại phẳng và loại hình trụ đều cùng nguyên lý hoạt động. Nguyên lý cấu tạo của một loại cảm biến phẳng gồm một lỏi sắt từ chữ E  đặt nằm, trụ giữa quấn cuộn dây, đầu phía dưới của sắt từ gắn chất cách điện, trên đó đặt 2 cực điện a,b có dây dẫn về thiết bị trung tâm để đo sức điện động cảm ứng. Giữa hai cực điện và xung quanh đều chèn chất cách điện. Khi cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây của lỏi sắt từ thì sinh ra từ trường xoay chiều và hình thành các đường sức từ chạy từ giữa qua môi trường nước dưới đáy tàu về đến hai trụ hai bên, hình thành đường sức từ khép kín. Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, khi tàu chạy tới thì giữa nước và tàu có sự chuyển động tương đối, dòng chảy của nước biển giữa hai cực điện ab có thể coi như có rất nhiều vật dẫn điệnchuyển động song song trong từ trường cắt các đường sức từ và cảm ứng sức điện động Ei giữa hai cực a và b. Vì dòng nước và và đường súc từ vuông góc nên có thể viết,

                                      Ei = B˜.L.V.10-8 (Volt)

Trong đó, B˜ : cường độ cảm ứng từ xoay chiều (Gs)

                 L : khoảng cách giữa hai cực điện a,b (cm)

                 V : tốc độ dòng chảy (cm/s)

Ei và B˜ đều là giá trị tức thời, nếu biểu thị bằng biên độ có thể viết,

                                      EiM = BM.L.V.10-8 (Volt)

Trong biểu thức này BM và L là hằng số phụ thuộc vào kết cấu của thiết bị cảm biến, còn lại EiM và tốc độ V tỷ lệ thuận với nhau. Vì vậy, chỉ cần đo điện áp trên 2 cực của thiết bị cảm biến thì có thể xác định tốc độ V.

Điện áp tín hiệu lấy ra từ bộ cảm biến thường chỉ được vài mili vôn. Mặt khác, trong thực tế, vì bộ cảm biến còn chịu ảnh hưởng của nhiễu từ trường tạp từ bên ngoài nên trong thành phần điện áp đầu ra có nhiễu tín hiệu tạp làm cho độ chính xác của tốc độ đo được không cao.Tín hiệu nhiễu có 2 loại:

            * Loại thứ nhất: tín hiệu nhiễu 900, lệch pha 900 so với dòng điện kích từ, nguyên nhân là do tính chất của nước biển làm phát sinh “hiệu ứng từ trường thứ cấp” và “hiệu ứng máy biến thế” của bản than bộ cảm biến. Khi tín hiệu này vượt quá một giới hạn nào đó sẽ khiến bộ khuếch đại của máy bị bảo hòa không thể làm việc mộ cách bình thường. Để khắc phục nhược điểm này,trong mạch khuếch đại có thiết kế mạch khống chế và khử nhiễu 900.

            *  Loại thứ hai: tín hiệu nhiễu 00, cùng pha với dòng điện kích từ,phát sinh là do cường độ cảm ứng từ của bộ cảm biến phân bố không đều và không đối xứng , khi tàu không còn tốc độ (tốc độ bằng 0) trong nước yên tĩnh, trên bộ cảm biến vẫn còn một điện áp nhỏ xuất hiện làm cho đồng hồ chỉ tốc độ chỉ không đúng số 0., gây ra sai số điểm 0. Khi lắp ráp một bộ cảm biến phải áp dụng các biện pháp hiệu quả để triệt tiêu sai số điểm 0 này. Các biện pháp đó là:

a) lớp bọc dây điện nối với bộ cảm biến và vỏ ngoài của bộ cảm biến phải tiếp đất tốt

b) giảm điện áp kích từ

c) dây cáp dẫn điện phải được cách điện tốt.

Bài 3: Nguyên lý máy đo tốc độ kế Doppler

Nhà vật lý Doppler phát hiện một hiện tương vật lý như sau, nếu có sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát sóng âm và một điểm thu sóng âm thì tần số sóng âm thu được tại điểm thu khác với tần số phát của nguồn, hiện tượng này gọi là hiệu ứng Doppler.

Nếu nguồn phát sóng âm và điểm thu tiến đến gần nhau thì tần số thu được cao hơn tần số nguồn.Ngược lại, hai điểm này chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được nhỏ hơn tần số nguồn. Hiệu Δf của tần số thu được và tần số nguồn gọi là tần số dịch chuyển Doppler (Doppler shift). Cho f0 là tần số của nguồn sóng âm, V là tốc độ dịch chuyển tương đối giữa hai điểm, C là tốc độ sóng âm trong nước ta có:

                                               Δf = V/C.f0

Giả sử C va f0 là một hằng số thì tốc độ V và Δf tỉ lệ thuận, nghĩa là thong qau việc xác định dịch chuyển tần số Doppler Δf có thể tính được tốc độ V.

Tốc độ kế Doppler (Doppler Log) hoạt động dựa trên hiệu ứng Doppler.Một bộ tạo dao động (tranducer) đặt ở đáy tàu phát 1 tia dao động sóng âm có tần số f0 vào đáy biển theo hướng tạo thành 1 góc θ (thường là 600) với ki tàu, C là tốc độ sóng âm trong nước , tàu chạy với tốc độ V.Ở đáy tàu đặt một bộ tạo dao động thu tiếp nhận hồi âm gây nên bởi sóng phản hồi khuếch tán từ đáy biển.

Tàu chạy với tốc độ V, có thể coi bộ tạo dao động phát và bộ tạo dao động thu đồng thời tiếp cận đến điểm P. Sóng âm sau khi đến đáy biển thì một phần sóng âm phản x4 về máy thu, coi đáy biển là nguồn phát sóng âm thứ 2. Như vậy, bộ tạo dao động thu ở đáy tàu đã tiếp nhận hai lần dịch chuyển tần số Doppler, cho nên công thức dịch chuyển tần số Doppler phải là

                                                  Δf = 2f0.V.cosθ/C

Trong đó V.cosθ là thành phần tốc độ V trên hướng phát sóng âm(không cần xét tới thành phần Vsinθ)

 Có thể chuyển đổi cong thức trên như sau

                                                 V = C. Δf/2. f0.cosθ

Tốc độ kế Doppler dùng tần số cao hơn tần số sử dụng cho máy đp sâu hồi âm, nhờ các bước sóng ngắn hơn cho nên có thể cải tiến đáng kể sóng tán xạ, máy thu có thể không thu được các phản hồi từ phản xạ gương vì chum tia phát đi xiên nhưng thu được sóng tán xạ. Mặt khác nhờ có bước sóng ngắn hơn làm cho chum tia phát sóng hẹp lại, do đó mặt bức xạ của bộ tạo dao động có thể nhỏ lại. Một đặc điểm khác nhờ có chum tia hẹp làm cho công suất bức xạ dao động âm thanh tập trung vao góc hẹp và làm cho hồi âm mạnh hơn.

Mặc dù không mô tả,ta hiểu rằng trong phạm vi hướng chùm tia trên đáy biển đều nhận năng lượng từ chùm tia và phản hồi về bộ tạo dao động với các cường độ mạnh, yếu khác nhau. Các điểm đó đều có các góc kẹp tính đến mặt phẳng ngang khác với góc θ, vì vậy theo công thức cơ bản trên, mỗi điểm như vậy đều có tần số phản hồi khác nhau. Tuy nhiên, tần số trung bình của chúng gần bằng tần số phản hối tại điểm P so với góc phát θ.

Góc α chọn là 600 là góc tối ưu có thể cho phản hồi tín hiệu với cường độ đủ mạnh trở về bộ tạo dao động thu. Hình dàng của đày biển không ảnh hưởng gì đến sự dịch chuyển tần số theo hiệu ứng Doppler, chỉ cần nó đủ ghồ ghề không qua trơn tru để có thể phản xạ sóng âm phản hồi về thiết bị thu.

Như vậy, chỉ cần đo dịch chuyển tần số Δf thì có thể xác định tốc độ V đồng thời tìm tích phân V với thời gian tàu chạy là có thể tính được lộ trình. Đó là nguyên lý cơ bản của tốc độ kế Doppler.