Pitometer Log - Pitometer log

Abbildung 1: Foto des U-Boot-Pitometers der US Navy aus dem Zweiten Weltkrieg . Dieses Gerät verwendet ein Manometer auf Quecksilberbasis, um den Unterschied zwischen statischem und dynamischem Wasserdruck zu messen.

Pitometer-Protokolle (auch als Pit-Protokolle bezeichnet) sind Geräte, mit denen die Geschwindigkeit eines Schiffes relativ zum Wasser gemessen wird. Sie werden sowohl auf Überwasserschiffen als auch auf U-Booten eingesetzt. Daten aus dem Pitometerprotokoll werden normalerweise direkt in das Schiffsnavigationssystem eingespeist.

Geschichte

Alle nautischen Instrumente zur Messung der Geschwindigkeit eines Schiffes durch Wasser werden als Protokolle bezeichnet. Diese Nomenklatur stammt aus Segeltagen, als Seeleute einen Baumstamm, der an einem Seil befestigt war, in regelmäßigen Abständen vom Heck eines Schiffes geworfen hatten. Die Seeleute zählten die Anzahl der Knoten, die in einem bestimmten Zeitraum durch ihre Hände gingen. Noch heute verwenden Seeleute die Knoteneinheit , um die Geschwindigkeit eines Schiffes auszudrücken. Die Geschwindigkeit des Schiffes wurde benötigt, um das Schiff mit Dead Reckoning zu navigieren , was in den Tagen vor modernen Navigationsinstrumenten wie GPS Standard war .

Während des Zweiten Weltkriegs wurden Pitometerprotokolle häufig direkt in Kriegsschiff- Feuerleitsysteme eingebunden. Diese Schnittstelle war erforderlich, damit Schieß- und Torpedo-Feuerleitsysteme Ziele automatisch verfolgen konnten.

Das Pitometerprotokoll wurde 1899 von Edward Smith Cole patentiert.

Technologie

Funktionsprinzipien

Abbildung 2: Abbildung eines Pitometer-Protokolls auf der Basis eines Quecksilbermanometers.

Die Grundtechnologie des Pitometerprotokolls ähnelt der des Pitotrohrs in einem Flugzeug. Typischerweise hat das Pitometer ein langes Rohr, das in der Nähe des Kiels in den Schiffsrumpf eindringt. Der Teil des Pitometers, der aus dem Schiff herausragt, wird manchmal als Pit-Schwert oder Rodmeter bezeichnet . Dieses Rohr hat normalerweise zwei Öffnungen: eine in Richtung der Meerwasserbewegung, mit der der dynamische Druck des Meerwassers gemessen wird, und eine in 90 ° zur Richtung der Meerwasserbewegung, in der der statische Meerwasserdruck gemessen wird. Der dynamische Druck des Meerwassers ist eine Funktion der Wassertiefe und der Geschwindigkeit des Schiffes.

In frühen Realisierungen des Pitometerprotokolls wurden Quecksilbermanometer verwendet, um die Druckunterschiede zu messen (siehe Abbildung 1). Spätere Realisierungen verwendeten Ansätze, die Ausgleichsdrücke innerhalb des Pitometers erzeugen würden, die den dynamischen Druck ausgleichen würden. Dadurch wurden keine Quecksilbermanometer mehr benötigt.

Analyse

Nach dem Bernoulli-Prinzip kann ein Ausdruck für die Geschwindigkeit des auf das Schiff auftreffenden Wassers als Funktion der Differenz des dynamischen und statischen Wasserdrucks abgeleitet werden . Der Gesamtdruck des Wassers in der Röhre mit fließendem Meerwasser kann durch Gleichung 1 beschrieben werden.

(Gleichung 1)	${\ displaystyle p_ {Total} = p_ {Static} + p_ {Dynamic} \, \!}$

wo

• p _Gesamt ist der gesamte Flüssigkeitsdruck.
• p _Statisch ist der statische Druck, der streng von der Tiefe abhängt.
• p _Dynamisch ist der Flüssigkeitsdruck, der durch Flüssigkeitsbewegung verursacht wird.

Da Wasser ein inkompressibles Fluid ist, kann die dynamische Druckkomponente des Gesamtdrucks als Wasserdichte und Wassergeschwindigkeit ausgedrückt werden, wie in Gleichung 2 gezeigt.

(Gleichung 2)	${\ displaystyle p_ {Total} = p_ {Static} + \ rho \ cdot {\ frac {v_ {Water} ^ {2}} {2}} \, \!}$

wo

• v _Wasser ist die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses.
• ρ ist die Flüssigkeitsdichte.

Gleichung 2 kann für die Geschwindigkeit des Wassers in Bezug auf die Druckdifferenz zwischen den beiden Schenkeln des Manometers gelöst werden. Gleichung 3 zeigt, dass die Geschwindigkeit eine Funktion der Quadratwurzel der Druckdifferenz ist.

(Gleichung 3)	${\ displaystyle v_ {Water} = {\ sqrt {\ frac {2 \ cdot \ left (p_ {Total} -p_ {Static} \ right)} {\ rho}}} \, \!}$

Da die vom Pitometer berechnete Geschwindigkeit eine Funktion der Differenz zwischen den Druckwerten ist, liefert das Pitometer kein genaues Ergebnis, wenn die Schiffsgeschwindigkeit niedrig ist und die beiden Druckwerte nahezu gleich sind.

Alternativen zum Pitometer

Während das Pitometerprotokoll heutzutage sehr häufig verwendet wird, gibt es eine Reihe anderer Protokolle, die ebenfalls verwendet werden. Diese Protokolle umfassen:

• Impeller lügt : Ein kleines Laufrad (oder Rotor ) auf dem Rumpf montiert ‚‘ unterhalb der Wasserlinie ‚‘ oder hinter dem Schiff geschleppt. Das Gerät wird beim Durchlaufen des Gefäßes vom Wasser gedreht. Die Rotationsgeschwindigkeit des Propellers ist proportional zur Geschwindigkeit des Schiffes. Dieses Gerät ähnelt im Prinzip einem Windmesser , mit dem die Windgeschwindigkeit gemessen wird. Eine Variation dieses Ansatzes ist als Patentprotokoll bekannt, das vom Heck eines Schiffes gezogen wird. Das Patentprotokoll enthält ein mechanisches Register, das die Umdrehungen des Protokolls beim Ziehen zählt. Das Patentprotokoll wurde 1688 vom englischen Instrumentenbauer Humphry Cole erfunden . Das Patentprotokoll wird auch als Schraubenprotokoll oder Taffrailprotokoll bezeichnet .

• Propeller RPM : Die Geschwindigkeit eines Schiffes ist in etwa proportional zu der Drehgeschwindigkeit des Propellers. Dieser Ansatz ist am nützlichsten, wenn der Propeller eine konstante Steigung aufweist. Es ist weniger nützlich auf Schiffen mit Propellern, die Propeller mit variabler Steigung oder ohne Propeller haben (wie Segelschiffe ). Eine Variation dieses Ansatzes wurde von U-Booten während des Zweiten Weltkriegs verwendet , um die Geschwindigkeit von Zielen zu bestimmen. Der Sonarbediener würde das Geräusch des Propellers eines Ziels hören und dessen Rotationsrate oder „Blattanzahl“ bestimmen. Wenn die Propellerdrehzahl bekannt ist und der Schiffstyp visuell identifiziert wird, kann die Geschwindigkeit des Ziels geschätzt werden.

• GPS- Messungen ergeben nur eine Position und weder Geschwindigkeit noch Bewegungsrichtung. Die meisten GPS-Empfänger können jedoch Geschwindigkeit und Richtung automatisch aus zwei oder mehr Positionsmessungen ableiten. Der Nachteil dieses Prinzips besteht darin, dass Änderungen der Geschwindigkeit oder Richtung nur mit einer Verzögerung berechnet werden können und dass die abgeleitete Richtung ungenau wird, wenn die zwischen zwei Positionsmessungen zurückgelegte Strecke unter oder nahe den zufälligen Fehler der Positionsmessung fällt . Um diesem Effekt entgegenzuwirken, verwenden fortschrittlichere Navigationssysteme zusätzliche Sensoren wie einen Kompass oder ein Trägheitsnavigationssystem, um GPS zu ergänzen.

• Doppler Velocity Log (DVL): Einige Schiffe sind mit Sonarinstrumenten ausgestattet, die die Doppler-Verschiebung in einem Schallimpuls messen können, der durch die Schiffsbewegung erzeugt wird, wenn er vom Meeresboden oder von Partikeln im Wasser reflektiert wird. Die Geschwindigkeitsmessungen von einem Doppler-Instrument können daher relativ zum Boden oder zum Wasser sein.

• Korrelationsgeschwindigkeitsprotokoll (CVL): Eine CVL besteht aus einem Tonsender und mehreren Empfängern. Diese sehr teuren Geräte messen die Bodengeschwindigkeit des Schiffes, indem sie eine Korrelationsverarbeitung zwischen den von den verschiedenen Empfängern zu unterschiedlichen Zeiten empfangenen Signalen durchführen. Diese Korrelation kann mit der vom Schiff zurückgelegten Entfernung in Beziehung gesetzt werden. CVLs werden hauptsächlich von Schiffen verwendet, die eine sehr genaue Messung niedriger Geschwindigkeiten benötigen, die ein Pitometer nur schwer genau messen kann.

Verweise