第六章 船用计程仪资料

第七章船用计程仪第一节概述船用计程仪是一种测量船舶航速和累计航程的导航仪器。

计程仪所提供的航速信息对船舶驾驶极为重要，其主要作用如下：1.计程仪测量的航速信息结合陀螺罗经或磁罗经提供的航向信息，可进行船舶船位推算。

2.向卫星导航仪、自动综合导航仪、ARPA和真运动雷达等导航仪器提供航速信息，可实现船舶自动定位和利于船舶操纵及自动避让。

3.向现代化大型或超大型船舶提供纵向和横向速度信息，保证这些船舶在狭水道航行、靠离码头和锚泊时的安全。

船用计程仪按其测量参考坐标系的不同，可分为相对计程仪和绝对计程仪两类。

相对计程仪只能测量船舶相对于水的速度并累计其航程，如水压式、电磁式等计程仪。

绝对计程仪可以测量船舶对地的速度并累计其航程，如多普勒计程仪和声相关计程仪。

但是当测量水深超过其跟踪深度范围时，绝对计程仪便转换成为跟踪水层的相对计程仪。

具体地讲，工作于“海底跟踪”方式的多普勒、声相关计程仪属于绝对计程仪，工作于“水层跟踪”方式的多普勒、声相关计程仪属于相对计程仪。

水压式计程仪是第二次世界大战后，应用流体力学的伯努利定理制成的，即船舶航行时的水流动压力与航速平方成正比的原理。

这种计程仪在中高速测速时精度较高，但在低速测量时精度和灵敏度均较差，而且其操作维护也不方便，已基本被淘汰。

电磁计程仪是应用电磁感应原理来测量船舶相对于水的航速和累计其航程的。

其优点是测速线性好，测速范围大，而且可测量船舶后退速度，精度较高（1%～2%或0.2Kn），成本低且使用方便。

因此，这种型号的计程仪目前在船舶上得到了普遍的使用。

典型的如国产的CDJ型、日本的EML型、法国的BEN型等。

多普勒计程仪是20世纪70年代初期的产品，它是随着航运事业的发展，为了解决某些大型、超大型船舶的进出港、靠离码头和锚泊等问题而制成的。

这种计程仪是利用声波的多普勒效应进行测速的，它可以提供船舶相对于海底的绝对航速和航程信息，同时还可以测量船舶后退及船首尾横移速度。

它具有测速精度高（0.2%～0.5%或0.1Kn），测速门限低（0.01Kn）等优点。

其典型产品如美国的SRD-331型，德国的ATLAS DOLOG20系列，日本的TD-501型、MF-100型和国产的MCDL-1型等。

声相关计程仪是于20世纪70年代中期问世的产品，它是利用相关技术对声波信号进行处理来测速的，其特点是测速精度高（0.2%或0.1Kn），测量精度不受海水中声速变化的影响，它可测速计程，还可兼作测深仪使用。

其典型产品有瑞典的SAL-ACCOR型、SAL-R1型和SAL-865型等。

第二节电磁计程仪一、电磁传感器的工作原理：电磁计程仪（electromagnetic log ）是利用电磁感应原理来测量船舶航速和累计航程的一种相对计程仪。

电磁传感器是根据电磁感应原理，产生一个与船舶速度成正比的电信号。

常用的传感器有两种：平面式和导杆式。

平面式传感器的底面与船底平齐；导杆式传感器为一根可升降的圆柱形导杆，计程仪工作时伸出船底，不工作时可将导杆升起。

平面式电磁传感器的结构原理图如图7-1所示：倒“山”字型铁芯沿船舶横向安装在船底板开孔处。

铁芯的中间柱上绕有激磁绕组；在铁芯的两个空隙中嵌有间距为L 的两个电极a 和b 及其引出导线；电极和导线用非导磁材料填封并固定。

当激磁绕组通入220V50Hz 的交流电E~时，在铁芯两侧形成交变磁场B~。

当船以航速V 向前（或向后）航行时，则水流相对船的速度V 大小相等，方向相反。

由于海水可导电，可将流过两电极间的海水看作无数根运动的“导体”在切割磁力线，根据电磁感应原理，在电极a 、b 和海水形成的回路中将产生感应电动势Eg ：)(10~B 8v Lv E g -∙= （7-1）式中，B~为交流磁感应强度（Gs ），L 为两电极间距（cm ），V 为航速（cm/s ）。

显然，只要测得感应电动势Eg ，由上式即可求出船舶航速V 。

二、CDJ-6型电磁计程仪的使用与调整CDJ-6型电磁计程仪是由上海船舶仪器设备厂生产的,其设备组成主要有平面式传感器、接线盒﹑主机和航速表等,如图7-2所示：图7-1B~接线指示表速指示表图7-21.整机性能参数测速范围：-5～+25Kn航程范围：0～999，99.99n mile航速精度：±0.15Kn航程精度：±1%功耗： 80VA电源： 220VAC±10%，50Hz±6%2.使用主要的操作功能键位于主机的面板之上，见图7-3所示：（1）接通主机面板上的电源（Power）开关，指示灯亮，仪器开始工作。

仪器将显示三位的速度数据××·×（节）；速度为负值时，显示－××·×（节）。

同时仪器还显示上次关机时存储的七位航程数（2）先按时间常数键T（TIME），再同时按下清零键C（CLEAR），航程清零，仪器将重新开始累计航程。

（3）按存储键MEM图7-3（MEMORY ），可将此时的航程数值存储在EPROM 中。

关机后，该值仍将长久保存，开机后，仪器即显示该值。

（4）递增键INC （INCREASE ）和递减键DEC （DECREAS ）：按递增键（或递减键），预置航程将不断增加（或减少）0.01海里，松开即停。

（5）自检键BIT （BUILT-IN TEST ）：检查各功能键是否正常，按下此键，数码管依次显示从0到9，然后7个功能键指示灯轮亮一次后回到正常显示功能。

（6）亮度键B （BRIGHTNESS ）：控制数码管显示亮度，以适应白天、黑夜航行时不同的亮度要求。

键指示灯有暗、橙、绿、红四种指示分别表示四级亮度显示。

3.维护（1）CDJ-6型计程仪平时维护只需注意保持清洁，避免灰尘。

（2）船舶坞修时，可检查传感器平面和电极，如发现传感器平面或电极表面附有污层时，应用肥皂水或四氯化碳洗净之。

如有海生物，应去除干净，但要注意不得损伤表面橡胶。

（3）定期检查安装传感器舱室内有无积水，发现后应及时处理。

4.叠标测速与航速误差 计程仪指示航速与船舶实际航速不一致，计程仪即产生航速误差。

航速误差的测定与校正必须在叠标测速场进行。

图7-4为船舶在测速场中测速的示意图，设陆地上的叠标aa ′和bb ′是平行的，其距离S 和方位已知，测速时，船舶航向AB 垂直于aa ′和bb ′。

显然，只需记录船舶每一次从A 点到B 点所需时间，便可求出船舶的实际航速Vz 。

计程仪测速应分低、中、高三种航速进行，为消除水流影响，各种航速应往返三次测量，连续三次记下船舶通过第一组和第二组叠标线的时间，求得三个实际航速V1、V2、V3，同时记录三次的计程仪的指示航速V J1、 V J2 和V J3，于是可求得船舶实际航速的平均值V 和计程仪显示航速的平均值V J 。

42;42321321J J J J V V V V V V V V ++=++=（7-2）计程仪的航速误差为：Z J V V V -=∆ （7-3） 计程仪测速的相对误差δV 由下式确定：图7-4%100⨯-=ZZJ V V V V δ （7-4）经过上述的测速和计算，若∣△V ∣大于0.15节时须进行误差校正。

第三节 多普勒计程仪一、多普勒效应多普勒计程仪（Doppler log ）是应用多普勒效应进行测速和累计航程的一种水声导航仪器。

所谓的多普勒效应是指：当声源与接收者之间存在相对运动时，接收者接收到声波的频率与声源频率不同的现象。

当声源与接收者接近时，接收者收到声波的频率将升高；当两者相互远离时，则接收者收到声波的频率将降低。

接收频率与声源频率之差值△ƒ称为多普勒频移（Doppler shift ）。

△ƒ与声源的频率ƒ0、声波在介质中的传播速度C 和声源与接收点之间的相对运动速度V 的关系如下：0f CVf =∆ （7-5） 当ƒ0与C 为常数时，△ƒ与V 成正比，因此可以通过测定多普勒频移来进行测速。

二、单波速测速原理如图7-5所示，在船底部装置一个收、发兼用的换能器O 。

船舶以速度V 向前航行，换能器以频率ƒ0向海底发射超声波脉冲。

声波束的发射方向与船舶速度方向成θ角，称之为波束发射俯角，一般θ取60°。

换能器向海底发射的超声波经海底发射后，一小部分声波能量被换能器接收。

换能器O 既是声源又是接收者，由于发射点和接收点之间有相对位移，故换能器O 收到声波的频率和发射声波的频率并不相同（又称为二次多普勒效应）。

测得的多普勒频移△ƒ表示如下：)67(cos 20-=∆CV f f θ式中，声波发射频率ƒ0、船速V 及波束俯角θ均为已知量，只要测出多普勒频移△ƒ，即可求出船速。

三、双波速测速原理上述是一种只向前发射单一声波束的多普勒计程仪。

这种单波束计程仪在实际使用时会因船舶摇摆而产生测速误差，故不能得到广泛的应用。

船舶摇摆时，由于船舶上下颠簸和纵向摇摆会产生船舶在垂直方向上的运动速度U ，如图7-6所示。

图7-6图7-7图7-5垂向速度U 在波束发射方向上的分量为–U sinθ,在波束发射方向上的合成速度为（V cosθ-Usinθ），则单波束多普勒频移公式变化为：)77()sin cos (20--=∆CU V f f θθ比较式7-6和7-7可知，在船舶上下颠簸和纵向摇摆时，如果仍按7-6式进行测速计算，显然会产生测量误差。

为了消除这种测量误差，目前船用多普勒计程仪普遍采用双波束系统测速，即以相同的发射俯角分别向前和向后发射对称的超声波波束，如图7-7所示。

按式7-7，朝船首向及船尾向波束的多普勒频移分别为：)87()sin cos (2)sin cos (20201---=∆-=∆CU V f f CU V f f θθθθ用Δƒ1减去Δƒ2有：)97(cos 421-=∆-∆=∆CV f f f θ式7-9称为双波束多普勒频移公式，由公式可知，船舶摇摆颠簸引起的垂向运动速度U 的影响已完全被消除。

四、多普勒计程仪的分类目前船用多普勒计程仪有三种类型。

第一种类型是双波束系统，又称一元多普勒计程仪。

它只能测量船舶纵向速度并累计其航程，通常用于船舶的导航功能；第二种类型是四波束系统，即换能器向船体的前后左右四个方向发射波束，又称二元多普勒计程仪。

它除了可测量船舶纵向速度外，还能测量横向速度，可作为船位推算导航使用。

一元和二元多普勒计程仪的换能器均安装在船首部位。

第三种类型是六波束系统，它除了在船首装置四波束换能器外，还在船尾部安装一对向船尾左右方向发射波束的换能器，它又称为三元多普勒计程仪。

这种计程仪既可测量船舶纵向速度，又能测量船首部和船尾部的横向速度，能反映船舶运动的全貌，通常用于大型或超大型船舶的进出港、靠离码头和锚泊等作业中，可确保航行的安全。