Mentor: prof. Valter SUBAN
Avtor: Tomaž URBANČIČ
KAZALO
MERJENJE GLOBINE
MERJENJE GLOBINE S PRIROČNIMI SREDSTVI
HIDROSTATIČNI (TOMSONOV) GLOBINOMER
ULTRAZVOČNI GLOBINOMER
NAPAKE ULTRAZVOČNIH GLOBINOMEROV
ZAKLJUČEK
LITERATURA IN OSTALI VIRI
MERJENJE GLOBINE
Poznavanje globine morja izpod ladje je eden najvažnejših elementov za varnost plovbe. Pri plovbi v bližini obale, v področjih plitkih voda, v bližini rečnih ustij in pri slabi vidljivosti, pripomore točno poznavanje globine k varnejši plovbi in vodenju ladje.Izmerjena globina se primerja z globinami, ki so zabeležene na pomorski karti, upoštevajoč, da se globine lahko spreminjajo, še posebej v bližini rečnih ustij, peščenih obal in v področjih z veliko bibavico (velika razlika med plimo in oseko).
Sicer pa so področja z izrazitim reliefom dna uporabna tudi za določevanje pozicije ladje, še posebej kadar je na karti relief vrisan s pomočjo izobar in v barvnih odtenkih.
V praksi so za navigacijo najbolj pomembne globine do 100 m, v izjemnih primerih do 200 m. Za manever pristajanja v lukah je potrebno operirati z majhnimi globinami, običajno do 20 m, za sidranje pa do nekaj deset metrov.
Podatek o globini vode se dobi z neposrednim odčitavanjem s pomorske karte na osnovi trenutno določene pozicije in s pomočjo neposrednega merjenja globine z globinomerom.
Sredstva za merjenje globin - globinomeri, se delijo na tri skupine:
- Priročna sredstva
- Hidrostatični globinomer
- Ultrazvočni globinomer
MERJENJE GLOBINE S PRIROČNIMI SREDSTVI
Za merjenje globin v lukah se uporablja lesena palica, premera približno 80 mm in dolžine 5 m. Palica je razdeljena na decimetre, ki so označeni izmenično z belo in črno barvo. Vsak zadnji centimeter v metru je v celoti pobarvan z rdečo barvo. Merilna palica se običajno uporablja pri plovbi blizu obale oziroma pri prehodu ladje skozi zelo plitka področja. Merjenje z merilno palico se izvaja iz čolna oziroma iz nizke platforme in sicer takrat, kadar je zaradi varnosti plovbe nujno potrebna kontrola globine pred prehodom ladje skozi nevarno območje.Poleg merilne palice je ročni globinomer eden najstarejših načinov merjenja globine. Sestavni deli so utež in merilna vrv na katero je utež pritrjena.
Utež je ponavadi svinčena in je težka okrog 2, 3.75 in 5 kg, odvisno za kakšno ladjo oziroma za kakšne globine se bo globinomer uporabljal. Utež ima na spodnji strani luknjo katero se napolni z voskom ali podobno snovjo in nam pokaže sestavo dna, ko utež zadane obenj. Po vsakem merjenju moramo vosek očistiti, da bi lahko pri ponovnem merjenju nemoteno razbrali trenutno sestavo dna.
Vrv za merjenje je narejena ali iz naravnih materialov ali iz sintetičnih snovi. Včasih so se uporabljale vrvi iz konoplje in lana, danes pa jih vse bolj izpodrivajo vrvi narejene iz sintetike, ki so manj občutljive na zunanje vplive in zaradi tega tudi bolj natančne. Vrv iz naravnih materialov je debeline 8-9 mm, sintetična pa 5 mm in ima dolžino ponavadi nekaj čez 50 m, izjemoma več, odvisno od globine, ki jo merimo.
Za lažje odčitavanje globin je merilna vrv označena s posebnimi oznakami na določenih globinah. Sistem označevanja je povzet po angleških pravilih in sicer:
| Fathom | oznaka | Fathom | oznaka |
| 2 | 2 usnjena traka | 15 | Bel bombažni trak |
| 3 | 3 usnjeni traki | 17 | Rdeč flanelast trak |
| 5 | Bel bombažni trak | 20 | 2 vozla v vrvi |
| 7 | Rdeč flanelast trak | 25 | 1 vozel v vrvi |
| 10 | Kos usnja z luknjo v sredini | 30 | 3 vozli |
| 13 | 3 usnjeni traki | 35 | 1 vozel |
1 fathom = 2 yds. = 6' = 6*0,3048 m = 1,8288 m
Ročni globinomer se uporablja za merjenje globin kadar ladja stoji. V kolikor se ladja premika lahko merimo le do hitrosti 10 vozlov (1 vozel = 1 NM/h = 1.852 km/h) in takrat merimo le globine do 15 m.
Kadar ladja miruje je merilna vrv v vertikalni poziciji in nanjo vpliva le eventualni morski tok, ki pa je v zalivih oziroma lukah zanemarljiv. V tem primeru je odmerjena globina tudi dejanska globina morja pod ladjo. V primeru gibanja ladje z neko hitrostjo pa merilna vrv ni več v vertikalni legi, ampak z navpičnico tvori nek kot, ki je večji, temvečja je hitrost plovbe. Zaradi tega kota je odmerjena globina večja od dejanske globine pod ladjo in sicer pri kotu 10° za 2% (pri 20° za 5-6%).
Pomembno vlogo pri merjenju pa igra tudi pravilno merjenje globine z ročnim globinomerom. Pri merjenju globine med plovbo moramo utež metati zmeraj daleč naprej v smeri plovbe ladje tako, da se utež potopi na dno do trenutka, ko je mesto merilca navpično nad mestom merjenja. S tem se izognemo prej opisani napaki zaradi odklonskega kota merilne vrvi. Pri tem si pomagamo s podatkom, da utež s težo 8 kg, tone s hitrostjo cca. 3 m/s.
Pri merjenju globine podnevi, odčitamo globino pri gladini vode. Kadar pa merimo globino ponoči ali ob zmanjšani vidljivosti, pa odčitamo globino pri roki (tam kjer merilno vrv držimo) in upoštevamo višino od vodne linije do roke.
Merjenje globine z ročnim globinomerom je relativno natančno a ga vse bolj izpodrivajo sodobnejše metode merjenja globin. Kljub temu pa sodi ročni globinomer še vedno med obvezne pripomočke na ladjah.
HIDROSTATIČNI (TOMSONOV) GLOBINOMER
Zaradi prej opisanih pomanjkljivosti se ročni globinomer ne more uporabljati kadar je hitrost plovbe večja od 10 vozlov. Poiskati je bilo treba globinomer, ki bi opravljal merjenje globine morja ne glede na dolžino iztečene žice oziroma vrvi, kot je to delal ročni globinomer.Prvi tak globinomer je bil Tomsonov globinomer, ki meri globino na osnovi hidrostatskega pritiska. Princip delovanja Tomsonovega globinomera je Boyle-Mariottov zakon, ki pravi, da je zmnožek pritiska in volumna enak oziroma konstanten.
Glavna dela tega globinomera sta boben z vrvjo iz pocinkanega jekla in utež z globinomerom.
Na boben je navita pocinkana jeklena vrv, premera približno 1 mm (pletena iz 4 ali 6 niti) in dolžine do 600 m. Utež na koncu vrvi je težka med 8 in 10 kg in ima približno 1 m dolg ročaj z utorom za vosek na koncu. Vdolž tega ročaja je pritrjena zaščitna cev za Tomsonov globinomer. Tomsonov globinomer je steklena cevka, notranjega premera 3mm in dolžine do 610 mm. Indikator se vstavi v zaščitno cev, ki je navzdol odprta.
Pritisk na morski gladini je 1013 mb oziroma 1 bar. Na globini h, do koder bomo potopili indikator bo tlak narastel za 1 bar na vsakih 10 m vodnega stolpa. Zaradi povečanega tlaka okolice se bo zrak v cevki skrčeval in voda bo prodrla v indikator ter ga zalila do določene mere glede na globino. Voda bo izpolnila prostor v cevki, kot kaže tabela:
| 0m - 1 bar | 10m - 2 bar | 20m - 3 bar | 30m - 4 bar | 40m - 5 bar |
| 0% | 50% | 2/3 = 66.66% | 75% | 4/5 = 80% |
Pri dvigovanju indikatorja bo zrak zaradi padanja tlaka okolice v cevki ekspandiral in izpodrinjal vodo. Zaradi lažje ocene, do kod je prodrla voda, je notranjost cevke premazana s temno snovjo, ponavadi srebrov kromat (Ag2Cr2O7), ki zelo hitro reagira z morsko vodo in ga le-ta obarva sivo.
Odčitavanje globine sledi s pomočjo "ravnila", s katerim izmerimo dolžino izpolnjenega (obarvanega) dela ter neposredno odčitamo globino v metrih (fathom) ali pa globino izračunamo po formuli:
glob = (p / 1013) * (10,33 / s) * ((L / r) - 1)
, pri čemer je p atmosferski pritisk v milibarih, s specifična teža morske vode, L dolžina cevi, r dolžina izpolnjene cevi.
S Tomsonovim globinomerom se merijo globine do 100m in hitrost plovbe ne sme presegati 15 vozlov. Če je hitrost plovbe manjša od 10 vizlov oziroma, če ladja miruje, se sme globina meriti tudi na osnovi odvite vrvi.
Slabost tega globinomera je ta, da je ladja že prešla točko na kateri smo odčitali globino, razen če miruje. Z istim indikatorjem, torej z že uporabljeno cevko smemo meriti samo globine večje od prej izmerjene.
Poleg novejših izvedb globinomerov, ki delujejo na odboj zvoka, je Tomsonov globinomer še zmeraj predpisani del opreme na ladjah in se uporablja predvsem za določanje koeficienta popravka za le-te globinomere. Koeficient se izračuna po formuli: k=h/h' , pri čemer je h globina izmerjena s Tomsonovim globinomerom in h' globina izmerjena z globinomerom na zvočni impulz.
ULTRAZVOČNI GLOBINOMER
Princip delovanja ultrazvočnega globinomera je beleženje časa, ki ga zvočni impulz potrebuje, da prepotuje od oddajnika do dna ter nazaj do sprejemnika. Merilec časa je prirejen tako, da lahko na osnovi preteklega časa takoj odčitamo metre kot funkcijo časa pri konstantni hitrosti širjenja zvoka skozi vodo.Hitrost zvoka je odvisna od gostote vode, na katero pa vplivajo pritisk, temperatura in slanost. Ker pritisk na gostoto najmanj vpliva, ga pri merjenju globine za potrebe plovbe preprosto zanemarimo. Tako na hitrost zvoka vplivata le slanost in temperatura, kot kaže slika:
Kot je iz slike razvidno, je hitrost zvoka v vodi med 1420 in 1500 m/s (ą), a za lažje računanje se v praksi uporablja hitrost 1500 m/s. Zvočne impulze delimo na infrazvočne (do 16 Hz), zvočne (16 Hz - 17 KHz) in ultrazvočne (nad 17 KHz). Za ultrazvočne globinomere se uporabljajo impulzi ranga nad 14 KHz zaradi več razlogov.
Da se izognemo motnjam, ki jih povzroča ladja, se uporabljajo frekvence med 14 in 400 KHz (glede na namen uporabe globinomera).
Pri višjih frekvencah (17 KHz in več) je zvok lažje usmerjati in ker so to valovi kratkih dolžin, je natančnost merjenja večja (do 0,1 m). Prav tako se poveča tudi dušenje ultrazvoka v vodi. Časovno krajši ultrazvočni impulzi omogočajo večjo ločljivost. V vodi težimo k temu, da dosežemo optimalni ultrazvočni snop, ki pa je odvisen od premera pretvornika in valovne dolžine. Najmočnejši odmev in večjo razdaljo merjenja dosežemo pri ozkem snopu in obratno.
V kolikor se globine izmerjena z ultrazvočnim globinomerom ne ujemajo z globinami, vrisanimi na pomorski karti, se dejanska globina preveri s Tomsonovim globinomerom.
Za proizvajanje ultrazvočnih impulzov se uporabljajo PIEZOELEKTRIČNI vibratorji. Ti delujejo na principu piezoelektričnega efekta, ki je značilen za nekatere kristale, med drugim: silicijev oksid (SiO2), barijev titanat (BaTiO3), svinčev titanat (PbTiO3), svinčev cirkonat (PbZrO3),
Kristal silicijevega oksida, vstavljen med dve kovinski ploščici in podvržen zunanjemu pritisku, kaže na eni strani pozitivno in na drugi strani negativno napetost ter obratno; če na kristal dovedemo izmenično napetost, začne kristal spreminjati dimenzije (vibrirati) v ritmu frekvence dovedene napetosti. Temu pravimo piezoelektrični pojav oziroma efekt.
Pri izdelavi SiO3 vibratorja se uporabi več kristalov, ki so sestavljeni v obliki prstana in vstavljeni med dve kovinski ploščici. Ko dovedemo izmenični impulz napetosti, kristali zanihajo glede na frekvenco impulza in nihanje se preko spodnje plošče, ki je v vodi, prenesejo v le-to in se usmerijo proti dnu. Odbiti valovi z dna udarjajo v spodnjo ploščo in mehansko delujejo na SiO3. Zaradi tega se na stranicah pojavi napetost, ki jo preko ojačevalca prenesemo na indikator globinomera.
Za odkrivanje ribjih jat se je najbolje izkazal globinomer s katodno cevjo (ang. Fish Finder). Ti globinomeri zaradi večjega dosega in večje ločljivosti ponavadi uporabljajo dve različni ultrazvočni frekvenci. Za boljši prikaz ultrazvočnih odmevov se je ta oblika globinomerov razvila v globinomer z zaslonom na katodni žarek (ang. Video Sounder). V začetku 80. let so globinomere s katodno cevjo nadomestili globinomeri s tekočekristalnim zaslonom (ang. LCD). To je danes najbolj razširjena oblika ultrazvočnega globinomera.
Razmere pod ladijskim gredljem zelo nazorno prikazuje ultrazvočni globinomer s 3D prikazom na tekočekristalnem zaslonu. Naprava deluje na enakem principu kot vsi ultrazvočni globinomeri, torej oddajanje ultrazvočnih impulzov, le da pretvorniki te naprave sevajo impulze ne samo v smeri navzdol, temveč tudi na obe bočni strani (ang. Multibean Echo Sounder). Grafični podatki se na zaslonu nalagajo v plasteh. Ti najnovejši ultrazvočni globinomeri imajo že vse lastnosti sodobnih sonarjev, so pa neprimerno cenejši in preprostejši za uporabo ter zato pokrivajo področje uporabe kamor sodobni sonarji še ne sežejo.
NAPAKE ULTRAZVOČNIH GLOBINOMEROV
Kljub temu, da globinomere redno in pravilno vzdržujemo se lahko pri merjenju pojavijo napake zaradi:- spremembe hitrosti širjenja zvoka skozi vodo
- hitrosti plovbe
- nagiba in vrste morskega dna
- valjanja ladje (valjanje = močno nihanje ladje glede na vzdolžno in prečno os hkrati)
- instrumentalne napake
Napaka izmerjene globine zaradi spremembe hitrosti širjenja zvoka skozi vodo se lahko izračuna po naslednji formuli:
spremembaglob = globizm * ((bm/b0)-1)
, pri čemer je bm dejanska hitrost zvoka, a b0 hitrost zvoka za katero je preračunana hitrost elektromotorja, ki regulira emitiranje impulzov. Če je bm>b0 bo globinomer pokazal manjšo globino in obratno. Pri podatkih bm = 1550 m/s, b0 = 1500 m/s in globizm = 100 m, bo napaka znašala spremembaglob = 3,3 m, oziroma globinomer bo pokazal 3,3 m manjšo globino od dejanske. Takšna napaka ne vpliva na varnost plovbe, razen kadar vstopamo v luko ali območje plitkega akvatorija. V mnogih primerih pa globinomeri sploh nimajo možnosti nastavitve oziroma korekcije hitrosti elektromotorja. Kadar je zaradi varnosti plovbe potrebno vedeti točno globino, in je korekcijo možno izvesti, merimo temperaturo in slanost vode neposredno ali pa jih vzamemo iz statističnih tablic.
Napaka globine zaradi hitrosti plovbe nastane zaradi spremembe mesta sprejemnega vibratorja, od trenutka oddaje impulza do trenutka sprejema impulza. Ta napaka ima le teoretični pomen in se v praksi ne računa. Formula za izračun napake pa je:
spremembaglob = (b2*t2) / (8*globizm)
, pri čemer je b hitrost plovbe, t čas od oddaje do sprejema impulza in globizm izmerjena globina.
Napaka zaradi nagiba in vrste morskega dna se pojavi kadar ladja pluje nad terenom, ki se strmo spušča ali dviguje. Oddajni vibrator emitira ozek snop s kotno vrednostjo a. Kadar dno oklepa nek kot b gleda na horizontalo, se bo povratni odbojni impulz iz točke A vrnil prej kot impulz iz točke B, ki pa je dejanska globina pod gredljem. Jakost oddanega impulza k točki A je manjši od impulza k točki B, pravtako je tudi jakost odmeva oziroma povratnega impulza točke A manjši. Linija na ehogramu bo široka in začetek linije ne bo pokazal prave globine. Do enake napake pride, kadar ladja pluje nad podvodnim jarkom ali kanalom, kjer je odmev iz točke A in C enak odmevu točke B. Linija odmeva ostaja enaka in ne pokaže prave globine pod gredljem.
Kamnito dno daje zelo močan odboj impulzov in lahko se zgodi, da dobimo na ehogramu več linij, ki kažejo globino. To se zgodi zaradi večkratnega odboja impulza. Če vzamemo, da je koeficient odboja na kamnitem dnu enak 1, potem je koeficient odboja na peščenem dnu le 0.02, a na muljnatem dnu samo 0.001. Kadar je kamnito dno prekrito z muljem, dobimo na ehogramu dvoje črt različnih jakosti (prva manj in druga bolj močna). Pri natančnih ehogramih lahko iz diference črt razberemo višino sloja mulja nad kamnitim dnom.
Napaka zaradi valjanja ladje se pojavi, kadar se ladja prekomerno nagiba okrog vzdolžne in hkrati okrog prečne osi, oziroma kadar pride do zamika ravnine membrane vibratorja glede na horizontalo. Do napake lahko pride tudi zaradi povečanega števila zračnih mehurčkov v zgornjih plasteh vode. Napake je lahko znatna ter se zato izogibamo merjenju z ultrazvočnim globinomerom ob slabih pogojih ali pa izberemo drugo metodo.
Instrumentalne napake so lahko številne, a najpogostejša je napaka zaradi netočnega števila obratov diska elektromotorja ali pisala ehografa, imenujemo pa jo Pitagorina napaka.
ZAKLJUČEK
Točno poznavanje globin močno vpliva na varnost plovbe in je zato podatek o globini vode pod gredljem nujne narave. Še posebej nujen je ta podatek, kadar vstopamo v luko ali plitek akvatorij.Načini merjenja globin imajo relativno dolgo evolucijsko dobo, od merjenja z palico do sodobnih ultrazvočnih pripomočkov. Praviloma se nesreče zaradi netočne globine dogajajo zaradi človeškega faktorja. Sodobni merilni instrumenti pa pomorcem močno lajšajo merjenje globin in s tem tudi pripomorejo k varnejši plovbi.
Na zmeraj boljše poznavanje geografskih dimenzij svetovnih morij, vsekakor vpliva uporaba najsodobnejših tehnologij ter digitalne pomorske karte visoke natačnosti s pomočjo globalnega pozicijskega sistema (GPS), ki omogoča natančo določanje pozicije ladje na karti oziroma globine pod ladjo.
LITERATURA IN OSTALI VIRI
BENKOVIĆ, Franjo in ostaliTERESTRIČKA I ELEKTRONSKA NAVIGACIJA, Split, 1986
ČOP, mag. Rudi
ŽIVLJENJE IN TEHNIKA, Ljubljana, 1999
KRAUT, Bojan
STROJNIŠKI PRIROČNIK, Ljubljana, 1987
NOEL, John V.
KNIGHT'S MODERN SEAMANSHIP, Princeton, 1960
SIMOVIĆ, Anton I.
NAVIGACIJA, priručnik za pomorske škole, Zagreb, 1967
Spletne strani:
www. Raymarine.com
www. Submetrix.Co.Uk/esndr.htm
| Avtor: Tomaž Urbančič |
|
|
