Pitometerlogg

Bild 1: Foto av andra världskrigets ubåtspitometer för amerikanska flottan. Denna enhet använder en kvicksilverbaserad manometer för att mäta skillnaden i statiskt och dynamiskt vattentryck.

Pitometerloggar (även känd som groploggar) är enheter som används för att mäta ett fartygs hastighet i förhållande till vattnet. De används på både ytfartyg och ubåtar. Data från pitometerloggen matas vanligtvis direkt in i fartygets navigationssystem.

Historia

Alla nautiska instrument konstruerade för att mäta farten på ett fartyg genom vatten kallas stockar. Denna nomenklatur går tillbaka till dagar av segling när sjömän kastade en stock fäst vid ett rep knutet med jämna mellanrum utanför aktern på ett fartyg. Sjömännen skulle räkna antalet knop som passerade deras händer under en given tidsperiod. Idag använder sjömän fortfarande enheten knop för att uttrycka ett fartygs hastighet. Fartygets hastighet behövdes för att navigera skeppet med dödräkning , vilket var standardpraxis under dagarna innan moderna navigationsinstrument som GPS .

Under andra världskriget var pitometerloggar ofta kopplade direkt till krigsfartygs eldledningssystem . Detta gränssnitt var nödvändigt för att tillåta skytte- och torpedeldningskontrollsystem att automatiskt spåra mål.

Pitometerstocken patenterades 1899 av Edward Smith Cole.

Teknologi

Funktionsprinciper

Figur 2: Illustration av en kvicksilvermanometerbaserad pitometerlogg.

Den grundläggande tekniken för pitometerloggen liknar den för pitotröret på ett flygplan. Vanligtvis har pitometern ett långt rör som penetrerar fartygets skrov nära kölen. Den del av pitometern som sticker ut från fartyget kallas ibland för gropsvärd eller stavmätare . Detta rör har vanligtvis två öppningar: en vänd mot havsvattnets rörelseriktning som används för att mäta havsvattnets dynamiska tryck och en i 90° mot havsvattenrörelsens riktning som används för att mäta det statiska havsvattentrycket. Sjövattnets dynamiska tryck är en funktion av vattnets djup och fartygets hastighet.

I tidiga realiseringar av pitometerloggen användes kvicksilvermanometrar för att mäta tryckskillnaderna (se figur 1). Senare realiseringar använde tillvägagångssätt som skulle generera utjämningstryck inom pitometern som skulle balansera ut det dynamiska trycket. Detta eliminerade behovet av kvicksilvermanometrar.

Analys

Ett uttryck kan härledas för vattenhastigheten som påverkar fartyget som en funktion av skillnaden i dynamiskt och statiskt vattentryck med hjälp av Bernoullis princip . Det totala trycket av vattnet i röret med rörligt havsvatten kan beskrivas med ekvation 1.

(Ekvation 1)	$p_{Total}=p_{Statisk}+p_{Dynamisk}\,\!$

var

• p _Totalt är det totala vätsketrycket.
• p _Statiskt är det statiska trycket, som strikt beror på djupet.
• p _Dynamiskt är vätsketrycket som orsakas av vätskerörelse.

Eftersom vatten är en inkompressibel vätska, kan den dynamiska tryckkomponenten av det totala trycket uttryckas i termer av vattendensiteten och vattenhastigheten som visas i ekvation 2.

(Ekvation 2)	$p_{Total}=p_{Statisk}+\rho \cdot {\frac {v_{Vatten} ^{2}}{2}}\,\!$

var

• v _Vatten är hastigheten på vätskeflödet.
• ρ är vätskedensiteten.

Ekvation 2 kan lösas för vattnets hastighet i termer av skillnaden i tryck mellan manometerns två ben. Ekvation 3 visar att hastigheten är en funktion av kvadratroten av tryckskillnaden.

(Ekvation 3)	$v_{Vatten}={\sqrt {\frac {2\cdot \left(p_{Totalt }-p_{Statisk}\right)}{\rho }}}\,\!$

Eftersom hastigheten som beräknas av pitometern är en funktion av skillnaden mellan tryckavläsningar, ger pitometern inte ett exakt resultat när fartygets hastighet är låg och de två tryckavläsningarna är nästan desamma.

Alternativ till pitometern

Även om pitometerstocken är mycket vanlig idag, finns det ett antal andra stockar som också används. Dessa loggar inkluderar:

• Impellerlogg: En variant av detta tillvägagångssätt är känd som en patentlogg, som bogseras från aktern på ett fartyg. Patentloggen innehåller ett mekaniskt register som räknar stockens rotationer när den bogseras. Patentstocken uppfanns 1688 av den engelske instrumentmakaren Humphry Cole . Patentstocken är också känd som en skruvstock eller taffrailstock .

• Propeller RPM : Hastigheten för ett fartyg är ungefär proportionell mot rotationshastigheten för propellern. Detta tillvägagångssätt är mest användbart när propellern har konstant stigning. Det är mindre användbart på fartyg med propellrar som har propellrar med variabel stigning eller inga propellrar (som segelfartyg) . En variant av detta tillvägagångssätt användes av ubåtar under andra världskriget för att bestämma hastigheten på mål. Ekolodsoperatören lyssnade på ljudet från ett måls propeller och bestämmer dess rotationshastighet eller "bladantal". Genom att känna till propellerns rotationshastighet och visuellt identifiera typen av fartyg, kunde målets hastighet uppskattas.

• GPS- mätningar ger bara en position och varken hastighet eller rörelseriktning. De flesta GPS-mottagare kan dock automatiskt härleda hastighet och riktning från två eller flera positionsmätningar. Nackdelen med denna princip är att förändringar i hastighet eller riktning endast kan beräknas med en fördröjning, och att den härledda riktningen blir felaktig när avståndet tillryggalagt mellan två positionsmätningar faller under eller nära det slumpmässiga felet för positionsmätningen . För att motverka denna effekt använder mer avancerade navigationssystem ytterligare sensorer som en kompass eller ett tröghetsnavigationssystem för att komplettera GPS.

• Dopplerhastighetslogg (DVL): Vissa fartyg är utrustade med ekolodsinstrument som kan mäta dopplerskiftet i en ljudpuls som genereras av fartygets rörelse när den reflekteras från havsbotten eller från partiklar i vattnet. Hastighetsmätningarna från ett Dopplerinstrument kan därför vara relativt marken, eller till vattnet.

• Correlation Velocity Log (CVL): En CVL består av en ljudsändare och ett antal mottagare. Dessa mycket dyra enheter mäter fartygets markhastighet genom att utföra korrelationsbehandling mellan de signaler som tas emot av de olika mottagarna vid olika tidpunkter. Denna korrelation kan relateras till den sträcka som fartyget flyttar. CVL:er används främst av fartyg som behöver mycket exakta mätningar av låga hastigheter, vilket en pitometer har svårt att mäta exakt.