Измеритель осадки, на судах Опции

[tobias_ivan]

Хочу предложить Вашему вниманию проблему, суть которой заключается в следующем. Издавна мореплаватели для измерения осадки использовали насечки (метки) на корпусе судна. Пользуются этим до сих пор и ничего подходящего для автоматизации этого процесса не придумали.
Сложность заключается в том, что на внешлюю сторону корпуса нельзя навешивать дополнитьельные устройства из-за специфики работы: где-то швартовались, ударились бортом о причал, устройтсво разбили в дребезги.
Т.е. измерение возможно только изнутри (это одно из конструктивных требований). Но материал корпуса неоднороден по строению, у различных судов разный...
Нуже такой датчик, который сможет определить наличие воды за преградой (корпусом судна).
Как вариант предлагаю ультразвуковой датчик (а точнее датчики). Возможно ли измерить отражение от морской воды и воздуха звуковую волну? И на этом принципе построить измерительную систему.

Прошу Всех принять участие в дискуссии, может кто-то решал подобные задачи.

[veter]

на мой взгляд это решаемая проблема. какую точность и диапазон измерений хотите получить?

[tobias_ivan]

Диапазон: от 3 до 30 метров
Дискретность (и точность): 10 сантиметров

для начала пойдет.

[kons]

В качестве идейки: на любом приличном судне есть эхолот. После импульса первое и очень сильное отражение приходит не от дна а от поверхности воды. Во всех эхолотах его старательно давят как паразитное при помощи ВАРУ и направленности антенны. А его бы принять (хотя бы отдельной антенной и через корпус, сигнал-то зверский) да обработать - наверняка можно что-то выцепить.

[tobias_ivan]

2kons Нет, это не подойдет
Антенный эхолота располагаются в днище. То о чем Вы упомянули действительно имеет место. С одним уточнением: не от поверхности воды (границы воды с воздухом), а от слоев воды, имеющих разную скорость, образующихся при движении судна и/или течении.
Вот схемка (очень схематично ):
........... _________________________________
........... \ .............................. /
............ \ ........................... /
...........~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~.....^ пов-ть воды
.............. \....................... / ........| осадка, которую нужно измерить
..................--------UU---------- ...........\/ днище судна с эхолотом

...........-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~ ......... слой со скоростью V1
...........---~----~----~-----~---- .........слой со скоростью V2
______________________________________________ дно

Короче, эхолот не пойдет.

[kons]

В случае настоящего эхолота с правильными антеннами вы, наверное, правы. Мой опыт несколько дилетантский - лет 15 назад делал эхолот для рыболовов-любителей с отдельно опускаемым в воду датчиком (частота 150 кГц). Там отражение от поверхности перло во всей красе...
Еще одна идейка сухопутного человека - мерить осадку по разности между давлением в любой постоянно погруженной точке судна (там где есть трубка, к которой можно прицепить датчик) и атмосферного. К результату прибавить расстояние от точки съема давления до киля.

[tobias_ivan]

Идея хорошая. Надо подумать.
Навскидку, если не ошибаюсь, в свое время от такого типа датчиков отказались в лагах (измерителях скорости). Главный недостаток - в случае наличия подводного течения он врет и нет ни какой возможности устранить эту погрешность.

Может имеется датчик какой нибудь массы (воды)?

ЗЫ. еще наличие всяких отверстий нарушает прочность корпуса, хотя надо проконсультироваться с корпусниками.

[BVU]

Возьмите обыкновенную трубу (металл, пластик, ...) вставте туда датчик давления и загерметизируйте с верхней стороны. Нижней стороной опустите в воду. И измеряйте давление в трубе. Это будет дешевле и проще любого сонара...

[tobias_ivan]

Возьмите обыкновенную трубу (металл, пластик, ...)

Это хорошо для лаборатории или для проектировщиков судов, а как этим оборудовать уже существующие суда.

Тут господа англичане (IMO которые) в пух и прах разнесут эту конструкцию .

Нужно что-то такое, чтобы не влияло на мореходные качества и прочую судов(ре)одительскую ерунду.
Вот и думайте... элементарная вещь, а мореплаватели до сих пор за борт выглядывают...

ЗЫ. Глючки прскакивают с форумом.

[BVU]

Возьмите обыкновенную трубу (металл, пластик, ...)

Это хорошо для лаборатории или для проектировщиков судов, а как этим оборудовать уже существующие суда.

Тут господа англичане (IMO которые) в пух и прах разнесут эту конструкцию .

Нужно что-то такое, чтобы не влияло на мореходные качества и прочую судов(ре)одительскую ерунду.
Вот и думайте... элементарная вещь, а мореплаватели до сих пор за борт выглядывают...

ЗЫ. Глючки прскакивают с форумом.

Ну так необязательно трубу постоянно купать. Убирайте когда даешь ход. Ведь эта 'хрень' нужна как я понял в момент загрузки судна 'барахлишком' всяческим... А уж по большому счету на судоходные качества эта 'вещь' практически никакого влияния особливого не окажет! Вы то сами ходили когда нибудь!?

[veter]

мы сейчас изготавливаем УЗ датчики (2-30,6-100,30-4000 см),погрешность(1,2,10 соответственно), одна из областей применения - определения высоты воды в моделях судопропускных сооружений.
если интересно кидайте на мыло обсудим.
как вариант: можно использовать датчик давления.

[tobias_ivan]

Вы то сами ходили когда нибудь!?

Было дело...

Ведь эта 'хрень' нужна как я понял в момент загрузки судна 'барахлишком' всяческим...

В том-то и дело, что не так.
Осадка меняется и на ходу. Судно идет, топливо кушает, масса уменьшается.
При переходах из зимнего в летний порт (или наоборот), в порт с пресной водой. Из-за плотности воды осадка тоже будет менятся.
Поэтому важно контрлировать осадку и на переходе, особенно в узкостях и на малых глубинах.
Но самый страшный случай, не приведи господь, это авария. Когда судно получило пробоину, набрало воды и получило крен/дифферент. Штурмана должны срочно применять меры для срямления судна, иначе опрокидывание будет и пойдете ко дну вместе с грузом.
Существует много методик для расчета спрямления (куда и сколько воды принять). Будучи курсантом выдел даже программы расчета - автоматизация. Но они мало эффективны, т.к. осадку надо вручную вводить. А если еще и "хрень" какуюто опускать в воду... <_<

[kons]

По поводу приемника давления. Скорее всего, подходящая труба где-нибудь внутри судна уже есть и лишнюю дырку сверлить не придется.
А вообще, что-то мне подсказывает, что мое предложение - велосипед и было изобретено лет 100-150 назад...Там ведь можно обойтись одной механикой.

[veter]

а кто сказал что механика дёшево обойдется?

[BVU]

Было дело...

Тогда держи краба!
Конечно, согласен с подобным примитивом много хлопот. Это наверно хорошо для вновь проектируемых судов организация подобного измерителя.
Есть еще наверно такой вариант - использовать чувствительные тензодатчики по борту судна для измерения изменения нагрузки, но возникает проблема измерения на ходу и погодные условия (типа штормяги - там даже среднюю
величину подсчитать не так просто...).
Может то что предлагает veter будет наиболее эфективно?

[tobias_ivan]

О дешевизне речь не идет, господа судовладельцы - очень богатые люди.
Насчет имеющейся дырки попробую уточнить...

Всем до завтра - рабочее время вышло...

[Stanislav]

Можно попробовать определить осадку по разности температур корпуса по вертикали, для чего изнутри поставить линейку термодатчиков. Если это не броненосец, то градиент температуры корпуса вблизи уровня поверхности воды будет максимальным. Правда, граница будет сильно размыта в свежую погоду, но ведь и другие простые методы в этом случае не будут точны...
Если господа судовладельцы все же готовы раскошелиться, хорошим решением будет установка точных GPS/Глонасс приемников. Правда, для этого нужно иметь довольно подробную 3-D модель поверхности мирового океана с учетом приливов и отливов, которая представляет собой довольно сложную геометрическую фигуру с "горами" и "впадинами", но ее можно разместить на винте любого современного компьютера. Причем, кроме осадки, можно довольно просто и с высокой точностью измерять крен и дифферент судна, что, наверное, даже более важно в аварийных ситуациях. Эта тема уже затрагивалась на форуме, посмотрите здесь.

[tobias_ivan]

По сравнению с самолетами на судах измерение крена и дифферента уже решено. Никаких трудностей тут нет, т.к. скорости изменения этих параметров относительно не велики.
Проконсультировался с корпусниками - измерение давления воды не подойдет. За короткое время плавания, особенно в теплых водах, корпус сильно обрастает. И измерение практически невозможно. Очистка корпуса стоит немалых денег (связано с простоем судна), и часто ее делать никто не согласится.

Насчет температуры это мысль. На границе раздела сред (воздух-вода) будет скачок. Надо подумать...

[delta1968]

Согласен со Stanislav, также информацией о осоадке могут служить ультразвуковые датчики, от границ металл - вода и границ металл - воздух будет различный отклик. Также целесообразно разместить данные приборы по бортам, на носу и корме. Можно будет точнее отслеживать крен и дифферент. Можно на этом деле создать предприятие и зарабатывать денги, да кстати как там насчет этого у буржуинов?

[Stanislav]

Согласен со Stanislav, также информацией о осоадке могут служить ультразвуковые датчики, от границ металл - вода и границ металл - воздух будет различный отклик. Также целесообразно разместить данные приборы по бортам, на носу и корме. Можно будет точнее отслеживать крен и дифферент. Можно на этом деле создать предприятие и зарабатывать денги, да кстати как там насчет этого у буржуинов?

Боюсь, с УЗ будет засада. Очень уж разного отклика не получится. В лучшем случае измерите толщину стенки корпуса. Кроме того, скорость звука в металле слишком велика, а толщина стенок корпуса, наоборот, мала, поэтому такой "эхолокатор" будет весьма сложен в изготовлении (о цене даже не говорим).
Вот сейчас только подумалось: а что, если датчиком непрерывно возбуждать продольную стоячую звуковую волну поперек стенки корпуса и мерять добротность резонатора по ее амплитуде? Ведь в воду "с другой стороны" будет излучаться гораздо больше энергии, чем в воздух? А стоимость такой аппаратуры будет на порядки меньше импульсных УЗ датчиков. Правда, если днище и борта обросли какой-нибудь дрянью, эффект может быть снижен.

[tobias_ivan]

а что, если датчиком непрерывно возбуждать продольную стоячую звуковую волну поперек стенки корпуса и мерять добротность резонатора по ее амплитуде? Ведь в воду "с другой стороны" будет излучаться гораздо больше энергии, чем в воздух?

Вот-вот, и у меня такие мысли крутятся.
Еще желательно исключить контакт с корпусом. В этом случае резонатор будет таким: воздух-металл-воздух(вода). И металл тоже будет неоднородным, покрытие антикоррозионное есть там.

Может кто-то занимался этой проблемой?

[Adviser]

Если деньги не имеют значения, то вероятно можно сделать такую систему на основе гироскопа. Т.е. в порту загрузились, раскрутили гироскоп, выставили 0 - потом имеем перемещения корпуса относительно установленного 0 по вертикальной оси. Волны конечно фильтровать придется, но это наверно реально.

Прошу прощения, немного подумав, понял что с идеей инерциальной системы по вертикальной оси меня понесло

[veter]

на мой взгляд крен измерить проще с помощью креномеров, остаётся только померить осадку. я так и не понял, чем плох метод измерения давления.

[tobias_ivan]

2Veter
Дело в том, что на заре развития автоматики на принципе измерения давления строили лаги (измерители скорости). Сейчас их уже не встретить, т.к. они имеют большую погешность. Наличие подводного течения, равно как и ход судна изменяет давление в мерительной трубке. Заростание корпуса, а вместе с ним и тверстия для забора воды, тоже играет не последнюю роль...

[veter]

принимается, я этого не учёл.
предлагаю следующую схему:
дальномер (допустим закреплен к штанге на корме), и двухосевой креномер. штука очень точная (секунды наклона плоскости улавливает). с помощью этой схемы можно определить точное геометрическое положение судна относительно поверхности воды.

вот с температурой неясности...
если температура воды и воздуха будет примерно равна, темболее металл имеет хорошую теплопроводность. в этом случае приемлемый градиент сложно получить.

интересно про резонатор, но...
пока ничего конкретного не скажу.

[tobias_ivan]

Про углы забудьте, эта задача уже решена и довольно успешно.

дальномер (допустим закреплен к штанге на корме)

Выносные предметы нежелательны. В этом вся загвоздка. Потом с дальномером трудности некоторые. В штормовую погоду на волнении и осадки существенно искажаются показания. Кажется такие испытания проводились, но результатов не знаю.

вот с температурой неясности...

Да, где-то борт солнышко нагрело, вот и помеха...

[Stanislav]

Еще желательно исключить контакт с корпусом. В этом случае резонатор будет таким: воздух-металл-воздух(вода).

Об этом забудьте, т.к. стоячая волна возникнет в воздухе, а не в металле. В корпус же и, тем более, обратно будет передаваться такое ничтожное количество энергии, что измерить его будет никак не возможно. Наоборот, нужно обеспечить как можно более хороший звуковой контакт излучателя с корпусом. При этом толща металла сама будет являться звуковым резонатором, который обязательно должен быть включен в частотозадающую цепь генератора колебаний, иначе "хорошей" стоячей волны не получится.

[tobias_ivan]

Может посоветуете, как эксперимент поставить.

Тут еще возникает конструктивный вопрос. Корпус испытывает ударные нагрузки: при швартовке, буксировке, удар волны. Выдержит ли устройство...?

[veter]

Потом с дальномером трудности некоторые. В штормовую погоду на волнении и осадки существенно искажаются показания.

немного не понятен аргумент. значение расстояния до поверхности воды известно. значение крена известно.

другое дело если в штормовую погоду не ясно относительно какой поверхности воды мерять осадку... Гребень волны или её подошва.
(извиняюсь за сумбурность терминов). но здесь существует понятие эффективная поверхность и она вычисляется.

кстати, меня сегодня на ёмкостные методы потянуло... только как это в шторм работать будет?

[Stanislav]

Может посоветуете, как эксперимент поставить.

Тут еще возникает конструктивный вопрос. Корпус испытывает ударные нагрузки: при швартовке, буксировке, удар волны. Выдержит ли устройство...?

О постановке эксперимента говорить рано. Сначала надо бы документацию изучить по данной тематике. Далее выбрать подходящий тип излучателя, ведь скорость продольной звуковой волны в стали может превышать 6 км/сек, при этом частота ультразвука должна составить единицы МГц при толщине стенки порядка 1 см (сдается, пойдут титанат-бариевые).
Жесткие удары снаружи по корпусу такие датчики выдержать должны, при условии, конечно, что их масса и линейные размеры малы. Удары же волны даже не приведут к искажению их показаний - другой частотный диапазон.

[tobias_ivan]

Хорошо, будем искать...

[Adviser]

Тут разговор в теме начался с возможностей применения ультразвука условно говоря для измерения уровня. Сейчас для такого рода задач имеется вроде бы хорошая альтернатива ультразвуку, лишенная ряда его недостатков, - уровнемеры, работающие в миллиметровом диапазоне. Попалась ссылка на такие конструкции. Меряет расстояние до 30 м с погрешностью 1мм, может работать через герметизирующую фторопластовую прокладку.

Радарный уровнемер

[tobias_ivan]

Дело тут вот в чем: как таковой уровнемер (дальномер) использовать не желательно, т.к. есть предпложение что вынесение за обводы корпуса излучающих и пр. частей измерителя.
Идея резонаторов заключается в том, что по вертикали с внутренней стороны обшивки корпуса устанавливаются такие датчики, с дискретностью 10 см. Если за обшивкой присутсвует вода (это я фантазирую), колебаний нет, если отсутвует - колебания с выхода датчика есть. Сумматор анализирует, например, 10-30 датчиков (10-30 м) и определяет границу воздух-вода.

[anton]

с температурными датчиками нужно поступать по другому не мерить температуру а мереть тепло отвод т.е. пропускаеш через терморезистор хороший ток чтобы он нагрелся а в воде он примет температуру воды.

Плюс можеш вывести ряд электродов и мерить сопротивление.

[Stanislav]

Идея резонаторов заключается в том, что по вертикали с внутренней стороны обшивки корпуса устанавливаются такие датчики, с дискретностью 10 см. Если за обшивкой присутсвует вода (это я фантазирую), колебаний нет, если отсутвует - колебания с выхода датчика есть. Сумматор анализирует, например, 10-30 датчиков (10-30 м) и определяет границу воздух-вода.

Есть определенные сомнения, что удастся так настроить генераторы, чтобы они надежно возбуждались только при отсутствии воды за бортом. Более реалистичный подход заключается в том, что колебания должны быть в любом случае, однако их амплитуда должна зависеть от потерь в резонаторе. Можно попробовать также отслеживать огибающую картины затухания звуковых колебаний при резком прекращении подачи энергии в резонатор - его добротность таким образом можно измерить довольно точно, а она-то должна различаться в двух рассматриваемых случаях в несколько раз.

[tobias_ivan]

Понятно, а можно где-то прочитать теоретические основы озвученных процессов?

[Stanislav]

Понятно, а можно где-то прочитать теоретические основы озвученных процессов?

На форуме поискать. Давеча решил посмотреть, что народ мыслит об УЗ датчиках расстояния, собираюсь сделать для нужд фирмы. Почитайте и Вы здесь
По-моему, Adlex дело говорит - нужно возбуждать короткими импульсами. Сразу подумалось о Вашей задаче - прямо в тему. Нужно прикрепить датчик к корпусу и шарахнуть по нему коротким импульсом. Картина затухания четко скажет о наличии воды за бортом (проверено в тяпницу с помощью полупустой банки с пивом и ногтя).

[Avlad]

А что если применить технологию сверширокополосного маломощного когерентного излучения ? Что-то типа того, на чем делают радары, чтобы видеть через стены: RadarVision2i.

Здесь-то задача гораздо проще, чем небольшие предметы на большом расстоянии определять, так что можно достаточно простой электроникой обойтись. При выходной мощности 50 мкВт разрешение примерно 10 см на расстоянии 10 м (через стены).

Принцип там простой: задающий генератор формирует отсчеты каждые 100...1000 нс. Инофрмационным элементом является сдвиг выходного импульса длительностью 0.1...2 нс (один период гауссовой формы) на полпериода в одну или другую сторону (эквивалентно задержке на полпериода или период). Все это вполне реализуется полностью в цифре. На выходе просто ключ, нагруженный на сверхширокополосную антенну, которая работает в качестве фильтра.
В приемнике на входе аналоговый или цифровой коррелятор с динамической подстройкой под нужный сигнал.