피토미터 로그

Pitometer log
그림 1: 제2차 세계 대전 미국 해군 잠수함 피트미터 사진 이 장치는 수압과 동적 수압의 차이를 측정하기 위해 수은 기반의 압력계를 사용한다.

피토미터 로그(Pit meter log)는 물에 대한 배의 속도를 측정하는 데 사용되는 장치다. 그들은 수상함과 잠수함 모두에 사용된다. 피토미터 로그의 데이터는 보통 배의 항법 시스템에 직접 공급된다.

역사

물을 통해 배의 속도를 측정하기 위해 고안된 모든 항해 기구는 통나무로 알려져 있다. [1] 이 명칭은 뱃사람들이 밧줄에 매달린 통나무를 배의 선미에서 일정한 간격으로 던졌던 것으로 거슬러 올라간다. 선원들은 주어진 시간 동안 그들의 손을 통과하는 매듭의 수를 세곤 했다. 오늘날 선원들은 여전히 배의 속도를 표현하기 위해 매듭 단위를 사용한다. 선박의 속도는 데드카운팅을 이용해 배를 항해하는 데 필요했는데, GPS와 같은 현대식 항법기구가 등장하기 이전의 일반적인 관행이었다.

제2차 세계 대전 동안 피토미터 통나무는 종종 군함 화재 통제 시스템에 직접 연결되었다. 이 인터페이스는 사격통제시스템과 어뢰발사관제시스템이 목표물을 자동으로 추적할 수 있도록 하기 위해 필요했다.

피토미터 로그는 1899년 에드워드 스미스 콜에 의해 특허를[2] 받았다.

기술

작동 원리

그림 2: Mercury Manometer 기반 피토미터 로그의 그림

피토미터 로그의 기본 기술은 항공기의 피토 튜브와 유사하다. 전형적으로 피토미터는 긴 관을 가지고 있어 용골 근처에 있는 배의 선체를 관통한다. 배에서 튀어나온 핏도계의 부분을 핏도검이나 로드미터라고 부르기도 한다. 이 관에는 보통 두 개의 개구부가 있는데 하나는 해수의 동적 압력을 측정하는 데 사용되는 해수 운동 방향을 향하게 하고 하나는 정적인 해수 압력을 측정하는 데 사용되는 해수 운동 방향과 90°가 된다. 해수의 동적 압력은 수심과 선박 속도의 함수다.

피토미터 로그의 초기 구현에서는 수은 측정기를 사용하여 압력 차이를 측정했다(그림 1 참조).[2] 이후 실현에서는 동적 압력을 균형 있게 분산시키는 피토미터 내에서 균등화 압력을 발생시키는 접근방식을 사용했다. 이것은 수은 측정기의 필요성을 없앴다. [4]

분석

베르누이의 원리를 이용한 동적 및 정적 수압 차이의 함수로서 선박에 영향을 미치는 물의 속도에 대한 표현을 도출할 수 있다. 움직이는 바닷물이 있는 관내의 물의 총 압력은 방정식 1로 설명할 수 있다.

(등분 1)
어디에,
  • p는Total 총 유체 압력이다.
  • p는Static 정압으로, 깊이에 엄격히 의존한다.
  • p는Dynamic 유체의 움직임으로 인한 유체 압력이다.

물은 비압축성 유체이기 때문에 총압력의 동적 압력 구성요소는 식 2와 같이 수밀도와 수속의 관점에서 표현할 수 있다.

(등분 2)
어디에,
  • v는Water 유체 흐름의 속도다.
  • ρ은 유체 밀도다.

등식 2는 압력계의 두 다리 사이의 압력 차이 측면에서 물의 속도에 대해 해결할 수 있다. 방정식 3은 속도가 압력차 제곱근의 함수임을 보여준다.

(등분 3)

피토미터에 의해 계산된 속도는 압력 판독값의 차이에 대한 함수이기 때문에, 피토미터는 배의 속도가 낮고 두 압력 판독값이 거의 같을 때 정확한 결과를 내지 못한다.

피토미터의 대체

피토미터 로그는 오늘날 매우 흔하게 사용되고 있지만, 다른 많은 로그들도 또한 사용되고 있다. 이러한 로그에는 다음이 포함된다.

  • 임펠러 로그: 작은 임펠러(또는 로터)가 "수선 아래" 선체에 장착되거나 선박 뒤쪽으로 끌려간다. 그 장치는 선박이 그것을 통과할 때 물가에 의해 회전된다. 프로펠러의 회전율은 배의 속도에 비례한다. 이 장치는 풍속 측정에 사용되는 풍속계와 원칙적으로 유사하다. 이러한 접근방식의 변화는 특허 로그라고 알려져 있는데, 이것은 배의 선미에서 견인된다. 특허 로그에는 견인되는 동안 로그의 회전수를 세는 기계식 레지스터가 포함되어 있다. 특허 로그는 1688년 영국의 악기 제조사 험프리 콜에 의해 발명되었다. 특허 로그는 나사 로그 또는 태프레일 로그로도 알려져 있다.[5][citation needed]
  • 프로펠러 RPM: 배의 속도는 프로펠러의 회전율에 대략 비례한다. 이 접근법은 프로펠러가 일정한 피치를 가질 때 가장 유용하다. 가변 피치 프로펠러가 있거나 프로펠러가 없는 선박(예: 범선)에서는 덜 유용하다. 이 접근법의 변화는 2차 세계 대전 동안 잠수함에 의해 목표물의 속도를 결정하기 위해 사용되었다. 음파탐지기 운영자는 목표물의 프로펠러 소리를 듣고 회전율이나 "블레이드 카운트"를 결정하게 된다. 프로펠러 회전율을 알고 선박의 종류를 시각적으로 파악하면 목표물의 속도를 추정할 수 있었다.
  • GPS 측정은 단지 위치만을 산출하며, 속도나 이동 방향은 산출하지 않는다. 그러나 대부분의 GPS 수신기는 두 개 이상의 위치 측정에서 속도와 방향을 자동으로 도출할 수 있다. 이 원리의 단점은 속도나 방향의 변화는 지연을 통해서만 계산할 수 있으며, 두 위치 측정 사이의 이동 거리가 위치 측정의 무작위 오차 이하로 떨어지거나 근처에 떨어질 때 파생된 방향이 부정확하게 된다는 것이다. 이러한 효과에 대응하기 위해, 보다 진보된 항법 시스템은 GPS를 보완하기 위해 나침반이나 관성 항법장치와 같은 추가 센서를 사용한다.
  • 도플러 속도 로그(DVL): 일부 선박에는 바다 밑바닥에서 반사되거나 물속의 입자가 떨어져 나가면서 배의 움직임에 의해 발생하는 음파에서 도플러 이동을 측정할 수 있는 음파탐지기구가 장착돼 있다. 따라서 도플러 계측기의 속도 측정은 지면 또는 물과 관련될 수 있다.
  • 상관 속도 로그(CVL): CVL은 음향 송신기와 다수의 수신기로 구성된다. 이 매우 비싼 장치들은 서로 다른 시간에 서로 다른 수신기에 의해 수신되는 신호들 사이의 상관관계 처리를 수행함으로써 배의 지상 속도를 측정한다. 이 상관관계는 선박이 이동한 거리와 관련이 있을 수 있다.[6] CVL은 주로 저속도의 매우 정밀한 측정이 필요한 선박에 의해 사용되며, 피트미터는 정확한 측정이 어렵다.

참조

  1. ^ "Naval Science 203: Navigation and Naval Operations I". Penn State Naval Reserve Officers Training Corps. Archived from the original on 2006-09-05. Retrieved 2006-08-26.
  2. ^ a b "The Photo-Pitometer: An instrument for measuring velocity in water mains". American Artifacts: Scientific Medical & Mechanical Antiques. Retrieved 2006-08-26.
  3. ^ "Submarine Underwater Log Systems, NAVPERS 16168". Standards and Curriculum Division, Training, Bureau of Naval Personnel. 2000-07-11. Retrieved 2006-08-26.
  4. ^ "Underwater Log Systems". USS Bowfin Submarine Museum & Park. 2002. Archived from the original on 2006-08-25. Retrieved 2006-08-26.
  5. ^ "Arctic Corsair - Taffrail Log or Patent Log". Retrieved 2006-08-28.[데드링크]
  6. ^ "Simulation of the Correlation Velocity Log Using A Computer Based Acoustic Model" (PDF). Archived from the original (pdf) on 2006-09-23. Retrieved 2006-08-26.