计程仪
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计程仪
计量舰船航程及航速的导航仪器。用于推算航行、综合导航、自适应操舵，并为舰艇指挥控制系统和减摇装置等提供信息。有相对计程仪和绝对计程仪两类。相对计程仪只能测出相对于水的航速和航程，误差较大，但结构简单，使用较广泛。绝对计程仪可测得相对于海底(地)的航速和航程，灵敏度和精确度较高，发展较晚，舰船已有少量装用。
历史沿革 古代用流木法计量海上航程。中国在三国时期东吴万震的《南洲异物志》记载：在船头把木块投入海中，然后向船尾跑去，其速度要与木块同时从船头到达船尾，以测算航速和航程。16世纪欧洲荷兰等国也用类似的流木法测速计程。后又有沙漏计程法，是用一个14秒或28秒的沙漏计计时，另以木板一块系在一根长绳索的一端。如用14秒沙漏计，则在绳索上每隔23英尺又7．5英寸的等间隔打结，两结之间称为一节。舰船航行时，顺势向尾部海面不断放出此系有木板的绳索，观测每14秒钟内放出的节数，即表示该舰船每小时航行的海里数(1海里=6076英尺)。因此，舰船航速单位至今仍沿用“节”(1节=1海里／小时)。机动船问世后，航速有了提高，在19世纪相应地发明了近代计程仪，曾得到广泛使用的有“梅西”式和“沃克”式拖曳计程仪。20世纪30年代出现转轮计程仪和水压计程仪。50年代有了电磁计程仪。以上几种均为相对计程仪，只有在修正海流的影响后，才能得到对地的航速和航程。50年代问世的多普勒计程仪和70年代发明的声相关计程仪，在数百米水深的海域内都是绝对计程仪，工作性能明显改善，使舰船测速计程技术又有新的水平。
结构、工作原理和性能 各类计程仪基本结构由测量、指示和发送三部分组成。测量部分用以检测并放大航程或航速信号；指示部分用机械或电气形式首先显示航程或航速数据，再通过微分法或积分法分别解算并再显示相应的航速或航程；发送部分则用来向有关部位传送各种航速和航程信号。按工作原理不同，分为拖曳计程仪、转轮计程仪、水压计程仪、电磁计程仪、多普勒计程仪、声相关计程仪等。
拖曳计程仪 在舰船尾部用一根长约100米的绳子，拖一带翼片的铜质管状转子，航行时相对水流使转子旋转。转子每转一圈对应一定航程，再通过拖绳的扭力，将转子的转数送到装在舰尾指示器上累计显示航程。同时又经指示器内传动机械控制一个微动开关反复通断，不断接通和断开装在海图室中复示器内脉动继电器的电路，频频吸动复示器航程指针与指示器同步工作，将航程复示到海图室。这种计程仪仅能指示航程，可用的最高航速只能到18节左右；受风浪海流影响大，工作精确度和线性度差，高速时误差更大；收放操作不便，停车或倒车时还须及时收起拖绳和转子。但结构简单，价格低廉，可靠性好，即使电源中断，指示器仍能正常工作，因而在有的民船上还留作备用计程仪。
转轮计程仪 改革拖曳计程仪在舰尾拖长绳的缺陷，用一计程仪杆伸出舰底，杆上装一向舰首方向的转轮。航行时相对水流使转轮旋转，通过机械传动并变换成断续的电脉冲，送到装在海图室内的指示器，使航程指针脉冲式跳动，累计指示航程。再测定单位时间内产生电脉冲使航程指针跳动的次数，即可求得航速。这种计程仪线性好，低速灵敏度较高，结构简单，价格低廉。但机械部分容易磨损；转轮易被水中杂物缠绕堵塞；在渔网区、浅水区等须及时收起计程仪杆，以防碰坏。除低速小型民船还有少量装用外，已渐趋淘汰。但70年代以来，随着转轮和轴承制造工艺的提高和电子技术的完善，改进后的转轮计程仪在小船上又有较多装用的趋势。
水压计程仪 利用伸出舰底并向舰首方向开口的计程仪杆(专称皮托管)，接收舰船航行时相对水流的动压力。通过水压盒和机械、电气的测量以及补偿装置，将动压力转换成速度指针的转角指示速度。再由机械积分器将速度对时间积分指示航程。动压力与速度平方成正比，速度越高动压力变化越急剧，由此水压计程仪在高速时精确度高，低速灵敏度很差，适合在高速舰船上装用；传送水压的管路系统易发生漏水或被堵等问题；在过渔网区、浅水区或进出港时须及时收起计程仪杆。由于技术陈旧，使用不便，已渐趋淘汰。
电磁计程仪 利用平装在舰底或用计程仪杆伸出舰底的电磁传感器，根据导体切割磁力线感应电动势和感应电动势与切割速度成正比的原理，通过航行时舰底水流(导体)切割电磁传感器的磁场，将舰船相对于水的运动速度转换为与航速成正比的感应电动势(速度电势)。杆式传感器感应速度电势的原理(见图)，航行时舰底相对水流相当于有一段段的导体相继切割由传感器激磁线圈产生的磁力线，感应的速度电势通过传感器左右两个电极输出，经放大后再用全电子解算装置或机电解算装置，算出并指示相应的航速和航程。电磁计程仪为相对计程仪，主要优点是：使用方便，测速线性好，在低中高速都可保持相当的工作精度，还可测量倒车航速；对速度变化反应快，测速灵敏度高；工作不受航区水文条件如海水温度、密度、盐度、压力和导电率的影响等。一般电磁计程仪的主要技术性能是：测速范围在－5～25节或－10～+50节；测速精度为0．1～0．2节；测速灵敏度通常是0．05节；解算航程的精度可达1%。自20世纪60年代以来，电磁计程仪得到广泛使用。
感应速度电势原理图
多普勒计程仪 在舰底装有发射和接收超声波的换能器，利用向前下方的发射波和接收由海底漫反射后的回波之间正比于航速的多普勒频移，测量舰船相对于海底的航速并累计显示绝对航程。为克服风浪中舰体上下颠簸和横摇纵倾对测速的影响，还对称地向后下方发射和接收一束超声波，以综合测速。优点是准确性好；灵敏度高，可测极微速度；若再增设向左右下方分别发射和接收超声波的装置，还可精测横移速度和横向航程，导航精度高。但测速结果受海水温度、盐度和压力(深度)等的影响，须采用手动或自动补偿。价格较贵。主要用于大型舰船，尤其是在靠离码头、进出港和狭水道航行时可提供精确的纵横运动数据，以利于船舶的操纵。还可结合罗经提供的航向，实现较精确的定位导航。各型多普勒计程仪的技术性能一般是：工作频率200～600千赫，多普勒进港系统有的可达2兆赫；测速范围纵向为－10～+10节(高的可达+50节)，横向约0～9节；最低测速门限可达0．01节；对地测速水深一般为50～200米，高的可达600米；最小工作水深约1米。当水深大于实际对地测速极限值时，可利用离船底20～60米深度中的水团质点作反射层，转为相对计程仪使用，工作精度明显高于一般相对计程仪。只有向前后下方发射和接收超声波装置仅能测定纵向航速和航程的多普勒计程仪，结构和电路均较简单，价格低，发展前景较好。
声相关计程仪 在舰船底部装一超声波发射器，向海底发射超声波，利用声相关原理测量航行中来自海底同一散射源的回波到达装在舰底前后对称于发射器的两个接收器的时间差别，解算相对于海底的航速和航程。工作不受航区水文条件的影响，还可兼用于测深。一般在水深超过200米时也可转换为相对计程仪使用。20世纪80年代尚处于改进和完善阶段。
计程仪改正率 计程仪工作时，受外界条件和内部结构的影响，虽经调整还会有剩余误差。尤其是相对计程仪，因精度较差，在航海工作中通常需用改正率改正其航程示数。关系式是：
式中：ΔL%为计程仪改正率
SL为计程仪实际航程
L2－L1为相应的计程仪读数差，即仪器指示的航程。
SL及L2－L1可在海上专设的测速场实测求得。由此即可算出对应于低中高三种不同速度的改正率备用。《航海表》中列有《计程仪里程改正表》，以改正率和计程仪航程为查表引数，即可查得改正后的航程。
发展趋势 相对计程仪工作受海流影响，精确度不高，但价格低廉，其中性能较好的电磁计程仪还会在较长时间内广为应用。绝对计程仪的发展方向主要是：改进结构，降低造价；提高低速精度，进一步减小测速下限；增大对地测速的工作深度。一种采用差频原理发射，工作在超长波段，声波频率为11千赫，对地测速深度可达6000米左右的新型多普勒计程仪已在试验中。