Relative wave measurement concepts for Oksøy Alta and Skjold class vessels

På de nye MTB-fartøyene i Skjold-klassen kan grønn sjø på dekk føre til brå nedbremsing og utgjøre en trussel mot mannskapets sikkerhet og skrogets integritet. FFI planlegger å utvikle et skrogovervåkningssystem for Skjold-klassen, og tar sikte på å inkludere verktøy som kan varsle mannskapet når det er risiko for å få grønn sjø på dekk. I det planlagte prosjektet, vil FFI analysere data fra treghetsnavigasjonssystemet (INS) og, hvis mulig, utvikle et varslingssystem mot baugdykking basert på INS. Det er imidlertid sannsynlig at en sensor som kan måle avstanden mellom våtdekket og sjøoverflaten forut vil øke ytelsen på et slikt varslingssystem. Også skrogovervåkningssystemet som utvikles for Oksøy/Alta-klassen vil kunne gi bedre varsler om det suppleres med en slik sensor. En tidligere rapport ga en evaluering av kommersielt tilgjengelige ultralyd- og mikrobølgealtimeter. Dessverre viste det seg at ingen av instrumentene eller teknologiene var til å stole på for vårt bruk. I denne rapporten blir en rekke alternative og noen nye måleideer diskutert. De utnytter forskjeller i de elektromagnetiske, optiske og mekaniske egenskapene mellom luft og sjøvann. Flesteparten av teknikkene som er blitt overveid baserer seg på distribuerte eller en rekke sensorer montert på forskjellige høyder bak, i eller på utsiden av skrogplatene. Tilstedeværelsen av vann blir målt lokalt rundt sensoren, og ved å sammenligne data fra alle enkeltsensorene i rekken, evt. fra den distribuerte sensoren, finnes vannivået på skroget. Av alle de forskjellige teknikkene som er diskutert i denne rapporten, synes vi fem er lovende. Siden luft er en isolator, mens sjøvann er elektrisk ledende, er kanskje den enkleste teknikken å bare måle strømmen mellom to spenningssatte elektroder. Selv om en kunne tenke seg å bare bruke ett trådpar langs skutesiden, bør man bruke en rekke sensorpar siden ledningsevnen til saltvann er sterkt varierende. Selv om en tynn sjøvannsfilm mellom elektrodene også vil være svakt ledende, kan dette problemet stort sett unngås ved å ha stor nok avstand mellom elektrodene. Denne rapporten foreslår også monteringsmetoder som vi tror vil være robuste nok mot den store påkjenningen sensorene vil utsettes for utenfor skroget nær baugen. En annen konsekvens av sjøvannets ledningsevne er at et tidsvarierende elektromagnetisk felt vil sette opp virvelstrømmer og tilhørende motfelt som vil svekke det opprinnelige påførte feltet. Denne effekten er grunnlaget for to lovende teknikker. Såkalte induktive sensorer brukes i en rekke anvendelser, og er basert på å måle og analysere motfeltet som blir indusert i en leder. I vårt tilfelle kan man alternativt måle svekkingen av et utsendt elektromagnetisk RF (radio) felt ved hjelp av en antennerekke. Selv om mange forskjellige induktive sensorutformninger blir foreslått i denne rapporten, tror vi at måling av radiosignalers dempningskarakteristikk er mest attraktiv. I forhold til induktive teknikker kreves svakere felt og enklere antenner kan brukes Den fjerde lovende, man ganske innlysende, metoden å måle relativbølger på er å benytte en rekke med trykksensorer. En fordel er at små men robuste trykksensorer med stor dynamikk basert på moden teknologi er kommersielt tilgjengelige. Rapporten gir noen eksempler på hvordan trykksensorene kan bli montert på en robust måte. Til slutt vil det også være mulig å måle en detaljert bølgeprofil foran skipet ved å bruke en pulset laser med strålesveiping. Vi tror imidlertid at både utviklings- og komponentkostnadene for et slikt system vil være for høy for den noe spesielle problemet vi ønsker å løse. Vi anbefaler at det neste steget i utviklingen av relativbølgemålingsutstyr er en realistisk test av en enkel motstandsmåler-, radioantenne- eller trykksensorrekke langs skutesiden på et av de aktuelle skipene. En fordel med trykk- eller motstandsmåling er at teknikkene er veletablerte på andre områder, men mekanisk robusthet og virkningen av sjøsprøyt etc. må studeres i en realistisk test. Den store fordelen med radiomåling er at alle delene av systemet kan plasseres på innsiden av skroget, men vi må også få bekreftet at teknikken virker i praksis. Hvis prototypene blir laget enkle nok, kan man kanskje også teste flere alternativ samtidig. Sannsynligvis kan man da bruke de samme skroghullene for både trykk- og konduktansmåling.