WO2005101953A2

WO2005101953A2 - Procedimiento para obtencion de parametros de estabilidad de barcos

Info

Publication number: WO2005101953A2
Application number: PCT/ES2005/000200
Authority: WO
Inventors: Mª del Rosario BRAVO RAMOS; Ricardo Abad Arroyo
Original assignee: Universidad Politecnica De Madrid
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2005-11-03
Also published as: WO2005101953A3; ES2242533A1; EP1749739A2; ES2242533B2

Abstract

Este procedimiento para la realización de la experiencia de estabilidad en buques mediante la utilización de clinómetros se fundamenta en un algoritmo desarrollado para poder utilizar clinómetros gravitacionales en buques discriminando la componente de la señal debida al ángulo de escora, aunque el buque esté balanceándose, y en una metodología que se fundamenta en considerar los estados de equilibrio desde un punto de vista dinámico, teniendo en cuenta las perturbaciones del par escorante, a diferencia del tradicional, que se basa en una consideración estática del proceso. El procedimiento se materializa en un equipo que consta de un sistema original de calibración del clinómetro y de otro sistema, que permite registrar la evolución en el tiempo de la medida, analizarla y establecer índices de fiabilidad. El sistema desarrollado permite también determinar el centro de gravedad de un buque mediante un sistema nuevo e independiente de la experiencia de estabilidad.

Description

Procedimiento para obtención de parámetros de estabilidad de barcos

Se trata de un procedimiento para obtener los parámetros de estabilidad de barcos, aplicable a todo tipo de barcos y artefactos flotantes. En adelante, el término "barco" engloba a todos ellos: barcos, buques, yates, artefactos flotantes, vehículos semisumergibles, etcétera.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector naval, más concretamente en la experiencia de estabilidad que se realiza en los barcos, necesaria para determinar los parámetros referentes a su estabilidad, concretamente la altura metacéntrica inicial (GM) y el centro de gravedad.

Estado de la técnica

De todos los parámetros que definen la estabilidad inicial de un barco, el único que no es posible determinar, con la precisión necesaria, mediante cálculos teóricos es la posición vertical del centro de gravedad. Para obtener este parámetro se realiza un proceso experimental con el barco denominado "la experiencia de estabilidad".

La experiencia de estabilidad es una prueba exigida por la Administración en barcos de nueva construcción (antes de salir del astillero) y en todos aquellos barcos que hayan sufrido alguna modificación estructural. La prueba es determinante para conocer todos los parámetros indicadores de las características de estabilidad de un barco, de ahí su importancia y exigencia de realización.

La experiencia de estabilidad básicamente consiste en someter al barco a diferentes pares escorantes conocidos, por lo general moviendo pesos de banda a banda del barco, y medir, para cada par escorante, el ángulo de escora que adopta el barco, en cada una de las situaciones de equilibrio estático. También en la prueba se toman otros datos (marcas de calados del barco cuando está adrizado para obtener, mediante las curvas hidrostáticas, el desplazamiento y la posición del metacentro, relación de pesos del barco (magnitud y posición), tanto propios, que no forman parte de su peso en rosca, como ajenos; superficies libres, etc.). Con la información obtenida y aplicando leyes básicas de hidrostática se obtienen los parámetros buscados: la altura metacéntrica transversal y la posición vertical del centro de gravedad.

Como es lógico, por la naturaleza de la prueba, durante la realización de la misma no puede hacerse ninguna actividad en el barco, salvo la de la experiencia, y no puede haber más personas en el barco que las dedicadas a realizar la experiencia.

Debido a que el enfoque tradicional aborda la prueba como un proceso estático, cuando las condiciones meteorológicas (viento, olas, etc.) son relativamente desfavorables, no se puede realizar la experiencia.

En la actualidad la medida del ángulo de escora, en la experiencia de estabilidad, se realiza, mayoritariamente, mediante péndulos. El empleo de clinómetros está contemplado en la resolución A749 (18) de la Organización Marítima Internacional (O.M.I.).

El problema técnico que plantea el empleo de péndulos en la medida del ángulo de escora es que, en la inmensa mayoría de las ocasiones, el proceso en el que se realiza la experiencia de estabilidad es un proceso dinámico y no estático. Es decir, según la teoría en la que se apoya la metodología tradicional, el único par escorante al que está sometido el barco, es el debido al par estático producido por las diferentes disposiciones de los pesos utilizados en la experiencia, sin embargo, la realidad es bien distinta: al estar el barco a la intemperie, está sometido a la acción de pares escorantes incontrolados provocados por rachas de viento, la acción de las olas, tensiones imprevistas en las amarras, etcétera. Esto hace que el barco no adquiera un ángulo de escora estático sino que oscile en torno a diferentes posiciones de equilibrio.

Desde el enfoque estático del proceso, lo anterior es correcto, es decir, si representáramos las evoluciones del par escorante y de los ángulos de escora y del péndulo, en función del tiempo, éstas serían líneas rectas horizontales y el ángulo del péndulo coincidiría, dentro de los márgenes del error de la medida, con el ángulo de escora. También habría una correspondencia biunívoca entre el ángulo de escora (ángulo del péndulo) y el par escorante.

Sin embargo, el enfoque dinámico del proceso de cada una de las situaciones de equilibrio del barco en las que se realizan las medidas es una combinación de dos sistemas dinámicos: el del barco y el del péndulo.

En este caso (dinámico), las evoluciones del ángulo del péndulo no coinciden con las del ángulo de escora y no hay una correspondencia biunívoca con el par escorante. Es decir, en un instante dado, el ángulo del péndulo no coincide con el ángulo de escora y éste no coincide con el correspondiente el par escorante en ese instante.

En la metodología tradicional se supone que el péndulo oscila alrededor de una posición de equilibrio y que ésta coincide con el ángulo de escora debido al par escorante "conocido". La realidad es que esa posición de equilibrio, alrededor de la que oscila el péndulo, irá fluctuando de acuerdo con las variaciones del par escorante.

Por otro lado, la metodología tradicional recomienda que los péndulos utilizados sean de la mayor longitud posible con objeto de conseguir las mayores precisiones posibles en la lectura del ángulo de escora. Esto plantea problemas, en ocasiones, para encontrar la adecuada ubicación de los péndulos en el barco y en la comodidad del observador (factor esencial en la medida) para tomar las lecturas.

Es importante hacer notar que las lecturas del péndulo en el caso dinámico difieren notablemente del caso de que se trate de un proceso estático. En el caso estático, el péndulo se queda en una posición fija y el observador dispone de todo el tiempo que sea necesario para realizar la lectura. Sin embargo en el caso dinámico, el péndulo está en constante movimiento, por lo que habrá errores asociados con el observador.

En resumen la utilización de péndulos, en la medida del ángulo de escora en la experiencia de estabilidad presenta numerosas desventajas:

• Es un sistema dinámico y las evoluciones del ángulo que forma con la vertical (que es la medida que facilita) no siguen a las evoluciones del ángulo de escora producidas por los momentos escorantes incontrolados que se producen durante la medida, por lo que introduce errores en la misma. Estos errores son mayores cuanto mayores sean los pares escorantes incontrolados llegando a un límite a partir del cual hay que suspender la experiencia.

• No hay registro de la medida y se deja a la pericia del observador la asignación de la medida por lo que introduce un factor subjetivo que conlleva errores asociados con el observador.

• El hecho de que los péndulos sean de longitud grande plantea, en ocasiones, problemas para encontrar una ubicación adecuada y en la comodidad del observador, factor esencial en la precisión de la medida.

La utilización de sistemas basados en clinómetros, en lugar de péndulos, en la medida del ángulo de escora presenta básicamente dos ventajas y una dificultad en el caso de clinómetros gravitacionales. Las ventajas son:

• El sistema registra directamente el ángulo de escora por lo que se elimina el sistema dinámico del péndulo. • Registra y almacena la evolución en el tiempo del ángulo de escora durante el tiempo en que se realiza la medida. El análisis de este registro permitirá determinar con más precisión la medida del ángulo de escora.

Los clinómetros los podemos clasificar en dos grandes grupos:

• inerciales. Son aquellos que, tanto en estático como en dinámico, generan una señal proporcional al ángulo de inclinación.

• Gravitacionales. Son los que toman como referencia la aceleración de la gravedad. En realidad son acelerómetros que, en estático, generan una señal proporcional al seno del ángulo de inclinación. Sin embargo en dinámico, se ven afectados por las aceleraciones en la dirección de la medida.

La dificultad, a la que hacíamos referencia anteriormente, en el empleo de clinómetros gravitacionales en la medida del ángulo de escora es que cuando el barco está oscilando alrededor de la posición de equilibrio, la lectura del clinómetro se ve afectada por las aceleraciones inducidas por el movimiento de balance.

Sin embargo, la presente invención incorpora un algoritmo, entendido como un conjunto ordenado y finito de operaciones que permite hallar la solución de un problema, en el que, a partir del registro del clinómetro gravitacional, se obtiene la componente debida al ángulo de escora que va adoptando el barco en cada instante.

La invención también analiza la evolución temporal del ángulo de escora y establece unos índices de calicac on la medida. Igualmente incluye un procedimiento original de calibración/comprobación del sistema de medida del ángulo de escora con objeto de dotarle de la fiabilidad necesaria para cumplir los requisitos de la O.M.I.

Finalmente, el sistema es susceptible de ser implementado con las conexiones de un anemómetro y una veleta con objeto de registrar, simultáneamente con el ángulo de escora, la dirección y velocidad del viento, lo que permitirá aumentar las prestaciones del sistema, pudiendo realizar experiencias de estabilidad en condiciones meteorológicas que, con la metodología tradicional, no se realizarían.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad de barcos, especialmente la altura metacéntrica inicial (GM) y la posición del centro de gravedad, mediante medidas con clinómetros y se lleva a cabo mediante tres modos de realización.

El procedimiento para la realización de la experiencia de estabilidad en buques mediante un equipo basado en la utilización de clinómetros se fundamenta en un algoritmo desarrollado para poder utilizar clinómetros gravitacionales en buques discriminando la componente de la señal debida al ángulo de escora, aunque el buque esté balanceándose, y en una metodología que se fundamenta en considerar los estados de equilibrio desde un punto de vista dinámico teniendo en cuenta las perturbaciones del par escorante. El procedimiento se materializa en un equipo que consta de un sistema original de calibración del clinómetro y en otro sistema, que permite registrar la evolución en el tiempo de la medida, analizarla y establecer índices de fiabilidad. El algoritmo desarrollado permite también determinar el centro de gravedad de un buque mediante un sistema independiente de la experiencia de estabilidad. El primer modo consiste en la obtención de los parámetros de estabilidad mediante la realización de la experiencia de estabilidad basándose en la medida y registro, mediante clinómetros, del ángulo de escora del barco en las diferentes situaciones de equilibrio en las que se basa la experiencia de estabilidad, así como en el análisis del registro del ángulo de escora, que permite considerar los efectos dinámicos, que se producen en dichas situaciones de equilibrio, debidos a pares escorantes incontrolados (principalmente rachas de viento y olas) y evaluar las zonas del registro donde la fiabilidad de la medida del ángulo de escora es mayor. Este modo de realización es aplicable tanto a clinómetros inerciales como a gravitacionales ya que en el caso de que se utilicen clinómetros gravitacionales se ha desarrollado un algoritmo que permite filtrar la componente de la señal del clinómetro debida al ángulo de escora, eliminando la componente debida al movimiento de balance del barco.

El segundo modo de realización consiste en la determinación del centro de gravedad del barco mediante el análisis de los registros de dos clinómetros gravitacionales situados en crujía, en la misma vertical y a diferentes alturas sobre la línea base del barco.

El tercer modo de realización consiste en determinar el período propio de balance del barco mediante un procedimiento basado en el análisis espectral del registro de balance obtenido con el clinómetro. A partir del período propio de balance se determina el GM del barco a partir de la fórmula que los relaciona:

Siendo B, la manga del barco, T_ó, el período propio de balance del buque y K un coeficiente que se obtiene a partir de unas pruebas preliminares que se hacen con el barco A continuación se describen las etapas en las que se basa la invención. El procedimiento objeto de la invención se describe en los dos modos de realización de la misma.

1^a) Comprobación, calibración y puesta del cero del clinómetro. La primera etapa consiste en la comprobación, calibración y puesta a cero del clinómetro y se realiza en tierra firme mediante las siguientes piezas: un acoplamiento del clinómetro (figura 1 ), una plataforma niveladora (figura 2) y diferentes generadores de ángulos calibrados (figura 3), y siguiendo una metodología desarrollada específicamente para este fin. El material en que constituye las piezas debe de ser rígido, indeformable y de muy bajo coeficiente de dilatación térmica, inferior a 2x10^{"5 S}K^"1, como por ejemplo el metacrilato. Las medidas de las piezas deben satisfacer las siguientes condiciones y hay infinitos conjuntos de medidas, manteniendo la proporción de las piezas, con los que se puede construir el sistema de piezas.

La metodología desarrollada es la siguiente: El clinómetro (E) se fija al acoplamiento (A) como se representa en la figura 1. El acoplamiento está construido a partir de un prisma rectangular cuyas caras superior (donde va apoyado el clinómetro) e inferior son perfectamente paralelas. En los extremos de la cara inferior están alojados dos cilindros, D, calibrados de 6 mm de diámetro. Los cilindros son paralelos y sus ejes están separados una distancia B de 101 .56 mm, o múltiplos. El espesor de la pieza, C, será el suficiente para dotar de rigidez a la pieza, al menos, 10 mm.

Sobre una mesa estable se coloca la pieza representada en la figura 2, que es una plataforma niveladora (K) y que consiste en un tablero horizontal de superficies perfectamente lisas. La plataforma se apoya en la mesa mediante los tres tornillos H, I y J. Los tornillos H e I están separados una distancia (f) de, como mínimo, 120 mm y en la parte superior llevan unos mandos para poder ser accionados con las manos. El tornillo J está separado una distancia (G) de, como mínimo, 100 mm de la recta que une H e I y está embutido en la plataforma para dejar espacio para las maniobras que se hacen con el clínómetro. Con ayuda de un nivel de burbuja bidimensional y los tornillos niveladores, H e I, se nivela la plataforma con la precisión del nivel de burbuja.

A continuación se utiliza el clinómetro como nivel de precisión de centésima de grado. Para ello se coloca en la dirección de nivelación

(paralela a línea que une los tornillos niveladores, H e I) y se toma lectura. Seguidamente se gira el clinómetro 180^Q y se vuelve a tomar lectura. Se corrige con los tornillos niveladores, H e I, buscando la convergencia de las dos lecturas. Se repite el proceso hasta que ambas lecturas sean iguales. En este momento la plataforma está nivelada en la dirección de nivelación con la precisión de centésima de grado y se toma el cero del clinómetro.

Con ayuda de generadores de ángulos calibrados, que son piezas como la reflejada en las figura 3, colocados en la plataforma niveladora y en la dirección de nivelación, con un valor de L de 100.00 mm y con diferentes valores de M y N, ajustados a la centésima de milímetro, se consiguen ángulos ajustados a la centésima de grado, colocando la pieza de acoplamiento del clinómetro (con el clinómetro), representada en la figura 1 , sobre esta pieza, como se indica en la figura 4. Con ello se comprueba la calibración del clinómetro. En caso necesario, y con ayuda de esas piezas, se realiza el calibrado del clinómetro.

Registro, mediante el clinómetro, de la evolución temporal del ángulo de escora del barco. El clinómetro se instala en el barco en crujía con su eje sensible en la dirección perpendicular al plano de crujía. En función del modo de realización se procede de diferente manera.

En el caso de que los parámetros de estabilidad se obtengan a partir de la experiencia de estabilidad, se instalará sólo un clinómetro que registrará las evoluciones del ángulo de escora del barco en las diferentes situaciones de equilibrio en las que se basa la experiencia de estabilidad. Es recomendable que la duración de los registros sea superior a diez veces el período propio de balance del barco.

En este caso, si el clinómetro utilizado es del tipo gravitacional, el registro se procesará mediante un algoritmo desarrollado para filtrar la componente de la señal del clinómetro correspondiente al ángulo de escora. Las hipótesis en las que se basa el algoritmo son las siguientes:

• Las aceleraciones perturbadoras de la señal son debidas a las aceleraciones transversales inducidas por giros respecto a un eje. • Los ángulos que se producen deben de ser tales que la diferencia entre el ángulo (expresado en radianes) y el seno del ángulo sea inferior a la precisión establecida en la medida.

En el caso de la experiencia de estabilidad estas condiciones se cumplen ya que las oscilaciones de balance son muy pequeñas y se realizan en torno del eje longitudinal que pasa por el centro de gravedad del barco y los ángulos que se producen son del orden de 2 grados.

Para explicar el algoritmo supongamos que el clinómetro está a una altura "h" sobre el eje de giro y sometido a un movimiento oscilatorio irregüar , el proceso es el siguiente: 1⁹) Se hace la transformada de Fourier del registro del clinómetro. 2^S) A cada armónico de la transformada de Fourier se le corrige del siguiente modo: φ = C Si h está por encima del eje de giro, g + ω h φ = C Si h está por debajo del eje de giro, g- αrh

Siendo: φ: la amplitud del ángulo de escora correspondiente al armónico g: la aceleración de la gravedad ω: la frecuencia angular del armónico C: la amplitud de la señal del clinómetro correspondiente al armónico 3^Q) Se suman todos los armónicos y la señal obtenida corresponde al registro de la evolución del ángulo en el tiempo.

En el caso de la obtención del centro de gravedad del barco mediante el análisis de los registros de dos clinómetros gravitacionales, se instalarán dos clinómetros gravitacionales, en la misma vertical y a diferentes alturas en el barco, y se registrará la evolución temporal del ángulo de escora en ambos.

En el segundo y tercer modo de realización, la duración de los registros se recomienda que sea del orden de 100 veces el período propio de balance del barco. -) Análisis de los registros obtenidos. La última etapa consiste en el análisis de los registros de la evolución en el tiempo del ángulo ce escora, obtenidos en la etapa anterior. . _.

También en esta etapa, el análisis de los registros es diferente en función del modo de realización del procedimiento objeto de la invención.

En el caso de que los parámetros de estabilidad se obtengan a partir de la experiencia de estabilidad, el análisis consiste en determinar la zona del registro en la que los pares escorantes incontrolados (debidos a rachas de viento, olas, etcétera) han sido mínimos. Para ello se establece, en primer lugar, la secuencia de máximos y mínimos del registro y los instantes en los que se producen estos máximos y mínimos. Seguidamente, a partir de la relación anterior, se define una nueva relación de los ángulos de escora del barco, junto con los instantes en los que se producen, correspondientes a los pares escorantes que han actuado sobre el barco durante el registro. Finalmente haciendo un análisis estadístico de esta última relación se define la zona del registro óptima y con ella el ángulo de escora asociado al registro que será el promedio de los ángulos de escora de la zona óptima del registro y el error asociado a la medida del ángulo de escora, que será el error cuadrático medio de dichos ángulos de escora.

En el caso de que los parámetros de estabilidad se obtengan mediante el segundo modo de realización de la invención, el análisis de los registros se basa en el algoritmo desarrollado para "filtrar" la componente del ángulo de escora de las señales producidas por los dos clinómetros gravitacionales.

En el caso de que los parámetros de estabilidad se obtengan mediante el tercer modo de realización de la invención, el análisis de los registros consiste en un procedimiento basado en la transformada de Fourier. Descripción de las figuras.

La figura 1 representa el acoplamiento (A) del clinómetro (E). Dicho acoplamiento está construido a partir de un prisma rectangular cuyas caras superior (donde va apoyado el clinómetro) e inferior son perfectamente paralelas. En los extremos de la cara inferior están alojados dos cilindros, D, calibrados de 6 mm de diámetro. Los cilindros son paralelos y sus ejes están separados una distancia B de 101.56 mm, o múltiplos. El espesor de la pieza, C, será el suficiente para dotar de rigidez a la pieza, al menos, 10 mm.

La figura 2 representa la plataforma niveladora (K) y consiste en un tablero horizontal de superficies perfectamente lisas. La plataforma se apoya en la mesa mediante los tres tornillos H, I y J. Los tornillos H e I están separados una distancia (F) de, como mínimo, 120 mm y en la parte superior llevan unos mandos para poder ser accionados con las manos. El tornillo J está separado una distancia (G) de, como mínimo, 100 mm de la recta que une H e I y está embutido en la plataforma para dejar espacio para las maniobras que se hacen con el clinómetro. La figura 3 representa los generadores de ángulos calibrados, que son piezas en forma de U, con un valor de L de 100.00 mm, o múltiplos y con diferentes valores de M y N, ajustados a la centésima de milímetro, se consiguen ángulos ajustados a la centésima de grado.

La figura 4 indica como colocar las diferentes piezas para conseguir los ángulos calibrados a la centésima de grado. Para ello se coloca, sobre la plataforma estabilizadora (K), el generador de ángulo calibrado (Ñ) y sobre éste, la pieza de acoplamiento del clinómetro (A) (con el clinómetro (E)). El ángulo al que se somete el clinómetro en la figura es arcsen(N/B). Si se gira la pieza de acoplamiento (A) (con el clinómetro (E)) 180^Q, el ángulo que se obtiene es -arcsen(N. B). Si la pieza de acoplamiento (A) (con el clinómetro (E)) se apoya de tal forma que el cilindro (D) apoye sobre el lado de cota M, se obtienen los ángulos arcsen(M/B) y -arcsen(M/B). 1^er Modo de realización de la invención: Experiencia de estabilidad.

El procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad mediante la invención consiste en hacer la experiencia de estabilidad, pero utilizando el clinómetro en lugar del péndulo para la medida del ángulo de escora. Las etapas de este modo de realización son las siguientes:

1 -) Comprobación / calibración y puesta del cero del clinómetro. Se realiza en tierra firme antes de comenzar la experiencia. Para ello se coloca la plataforma niveladora (figura 2) en una mesa estable y, con la ayuda de un nivel de burbuja bidimensional, se nivela. Después se utiliza el clinómetro, que se coloca en la pieza de acoplamiento como se indica en la figura 1 , como nivel de precisión, colocándose en la plataforma niveladora en la dirección paralela a los tornillos de nivelación (H e I de la figura 2), tomándose lectura de la señal del clinómetro. Posteriormente se gira el clinómetro 180^Q y se vuelve a tomar lectura. Si las dos lecturas anteriores no son iguales, se ajustan los tornillos de nivelación hasta que las dos lecturas converjan. En este momento el clinómetro está en posición horizontal con precisión de centésima de grado y en esa posición la lectura debería ser "0.00³". Si no fuera así, se tara el clinómetro asignando a esa posición el valor "cero".

A continuación, y según se indica en la figura 4, se coloca el clinómetro (E) en su pieza de acoplamiento (A), con los diferentes ángulos que proporcionan los generadores de ángulos calibrados (Ñ), que, a su vez, están sobre la plataforma niveladora (K), y se comprueba la calibración del clinómetro. Si fuera necesario, y con ayuda de esas piezas, se vuelve a calibrar el clinómetro.

2°) Registro, mediante el slir.orr.etro, del ángulo de escora deS barco. Una vez calibrado, el clinómetro se coloca en cualquier lugar del barco, la única condición es que esté en crujía. La duración de los registros del ángulo de escora se establecerá en función del período propio de balance del barco y será superior a 10 veces el período propio del barco. Supongamos un barco cuyo período propio está situado en torno a 10 segundos. En este caso la duración del registro será de 2 minutos.

En el caso de que el clinómetro utilizado sea del tipo gravitacional, se anotan las coordenadas del punto donde se coloca el clinómetro, así como el trimado del barco, con objeto de determinar la distancia del mismo al eje horizontal que pasa por el centro de gravedad del barco. A esta distancia la llamaremos h. Como es obvio, inicialmente se desconoce la posición del centro de gravedad del barco (que es uno de los parámetros que se pretende obtener) y, por lo tanto, se desconoce el valor de h. Este problema se resuelve mediante un proceso iterativo:

En primer lugar se asigna un valor estimado de la posición del centro de gravedad del barco. A continuación se ejecuta el proceso obteniéndose la posición del centro de gravedad del barco. Se repite el proceso con el valor de la posición del centro de gravedad del barco obtenido en la primera iteración, etcétera. El proceso converge en dos iteraciones.

En este caso, en el que el clinómetro utilizado es de tipo gravitacional, se utilizará el algoritmo desarrollado para filtrar la componente del registro de la señal del clinómetro correspondiente al ángulo de escora y que consiste en:

a) Hacer la transformada de Fourier del registro del clinómetro. b) A cada armónico de la transformada de Fourier corregirlo del siguiente modo: φ = C Si h está por encima del eje de giro, g + ω h Si h está por debajo del eje de giro. g-αrh

Siendo: h: la distancia del mismo al eje horizontal que pasa por el centro de gravedad del barco φ: la amplitud del ángulo de escora correspondiente al armónico g: la aceleración de la gravedad ω: la frecuencia angular del armónico C: la amplitud de la señal del clinómetro correspondiente al armónico

c) Se suman todos los armónicos y la señal obtenida corresponde al registro de la evolución en el tiempo del ángulo de escora del barco.

Análisis del registro y obtención de los parámetros de estabilidad del barco

El siguiente paso es obtener el ángulo de escora. Para ello se aplica el siguiente procedimiento:

• Con el registro obtenido por el clinómetro, se genera la relación de máximos y mínimos con los instantes en que se producen:

Donde las m mayúsculas indican los máximos y las m minúsculas los mínimos y ti, t₂ t_n son los instantes en los que se producen los máximos y los mínimos. 1 /

De esa tabla se eliminan aquellas parejas de máximos y mínimos consecutivos cuya separación en el tiempo sea inferior a 1.5 segundos (filtrado de armónicos cuyo período es inferior a 3 segundos).

A partir de la tabla anterior se construye una nueva tabla cuyo primer . (M₁ + 2m₂ + M₃ ) . , . . , elemento, , se corresponde con el segundo de la

tabla antigua y el último, ^{n~2 n_1 n} , con el penúltimo de la

tabla antigua, de la forma siguiente:

Si representamos los valores de la última tabla, se podrán apreciar las zonas de inestabilidad de la medida, aquellas en las que se han producido pares escorantes incontrolados de naturaleza aleatoria y se podrá seleccionar la zona del registro más estable. Para ello se construye una rutina mediante la cual se elige la zona continua del registro de un minuto de duración cuyo error cuadrático medio de los valores contenidos en la zona, sea mínima. El valor promedio de los valores de esa zona será el valor asignado al ángulo de escora. El índice de calidad será el error cuadrático medio y en los casos en que no haya una zona lo suficientemente estable del registro, se recomendará repetir la medida. • La rutina anterior permitirá "controlar" los pares escorantes incontrolados de naturaleza aleatoria (errores accidentales), sin embargo cuando se producen pares escorantes incontrolados uniformes (errores sistemáticos), por ejemplo un viento constante sobre un costado del barco, la rutina anterior no es capaz de detectar este error. Para ello se implementa el equipo con uno (o varios) anemómetro(s) y veleta(s) para registrar simultáneamente con el ángulo de escora su información. Esta información permitirá "controlar" los errores sistemáticos de la medida debidos al viento.

El resto de la experiencia de estabilidad es equivalente al método tradicional: A partir de las parejas de puntos (par escorante, ángulo de escora) y del desplazamiento del barco, se construye la curva de brazos adrizantes GZ = f(tangente(ángulo de escora)), y, mediante regresión lineal, se determina la altura metacéntrica (GMc) del barco en la situación de carga de la experiencia de estabilidad. A partir de la altura metacéntrica y con ayuda de las curvas hidrostáticas, se obtiene la posición del centro de gravedad del barco.

2° Modo de realización de la invención: Determinación de la altura del centro de gravedad de un barco mediante los registros simultáneos de dos clinómetros gravitacionales.

El algoritmo desarrollado para "filtrar" la componente del ángulo de escora de las señales producidas por los clinómetros gravitacionales, puede tener una segunda aplicación y es la determinación directa del centro de gravedad de un barco.

Para ello se colocan dos clinómetros en el barco, en crujía y en la misma vertical. Cuanto mayor sea la separación entre ellos, mayor será la precisión de la medida. La hipótesis en la que se basa este procedimiento es que el movimiento de balance se produce en torno al eje longitudinal (horizontal) que pasa por el centro de gravedad del barco, o bien, respecto de un eje paralelo al anterior del cual se puede deducir la posición vertical del centro de gravedad.

El procedimiento consta de las siguientes fases:

1 -) Comprobación / calibración y puesta a cero de los clinómetros. En este modo de realización de la invención es muy importante que las señales generadas por los dos clinómetros sean completamente iguales cuando los clinómetros están en la misma situación tanto estática como dinámica. Para ello será necesario realizar, aparte del calibrado estático, un calibrado dinámico consistente en colocar los dos clinómetros en un oscilador mecánico y ajustar los filtros del sistema para que en la banda de frecuencias en torno al período natural de balance del barco, las señales sean completamente iguales.

2°) Registro y procesado de las señales de los dos ciinómetros. Se registrarán las señales procedentes de los clinómetros durante un tiempo suficientemente largo (del orden de 100 veces el período propio de balance del barco). A partir de los registros se establece un rutina de optimación consistente en lo siguiente:

1 ) Se establece un conjunto de valores de KG (distancia del c.d.g. del barco a la línea base) fijando un KG mínimo, un KG máximo y un incremento de KG.

2) Para cada KG del conjunto anterior se aplica el algoritmo a los registros C1 (t) y C2(t) de los 2 clinómetros obteniéndose C1corr(t) y C2corr(t) de la siguiente forma: a) Se hace la transformada de Fourier de los registros C1 (t) y C2(t). b) A cada armónico de la transformada de Fourier se le corrige del siquiente modo: Φ_ω ¹ - C_ω1 Para el clinómetro C1. g + ω h1

2 = ⁹„ C_m2 Para el clinómetro C2. g + ω²h2 Siendo: φ_ω1 : la amplitud del ángulo de escora correspondiente al armónico del clinómetro C1. φ_ω2: la amplitud del ángulo de escora correspondiente al armónico del clinómetro C2. g: la aceleración de la gravedad. ω: la frecuencia angular del armónico. h1 = KC1 -KG (KC1 es la altura del clinómetro 1 sobre línea base). h2= KC2-KG (KC2 es la altura del clinómetro 2 sobre línea base). C₍₀1 : la amplitud de la señal del clinómetro correspondiente al armónico del clinómetro C1. C₍„2: la amplitud de la señal del clinómetro correspondiente al armónico del clinómetro C2. c) Se suman todos los armónicos de cada clinómetro y las señales obtenidas son C1 corr(t) y C2corr(t).

3) Se calcula el valor del KG para el cual los dos registros, C1corr(t) y C2corr(t), son iguales, que corresponde a la posición vertical del centro de gravedad del barco.

3^er Modo de realización de la invención: Determinación de la altura metacéntrica de un barco mediante el cálculo del período propio de ¿ ' Λ

La hipótesis en la que se basa este procedimiento es considerar la respuesta en balance del barco como un filtro pasabanda, es decir, ante un espectro de oleaje en el que el barco navega, se van a amplificar las amplitudes de balance de los armónicos que estén en la zona de resonancia del movimiento de balance del barco y se van a atenuar las correspondientes a los armónicos que estén fuera de esta zona. De tal forma que si se hace un registro de balance suficientemente amplio y con el barco variando el rumbo, con objeto de que no haya un período de encuentro dominante, quedará definido el período propio de balance del buque mediante un análisis espectral estadístico del registro de balance obtenido con el clinómetro.

El procedimiento consta de las siguientes fases:

1 ^Q) Comprobación / calibración y puesta a cero del clinómetro. En tierra firme se realizará una comprobación de la señal del clinómetro y, en caso necesario, un calibrado y puesta a cero del mismo.

2°) Pruebas preliminares con el barco. Una vez calibrado, el clinómetro se coloca en cualquier lugar del barco, la única condición es que esté en crujía. Con objeto de obtener el coeficiente que relaciona el período propio de balance del barco y su GM, se hará una prueba de estabilidad con el buque, para determinar su GM, y se tomarán registros de balance del barco en diferentes situaciones de navegación: navegando en mares abrigadas a diferentes velocidades y en mar abierto a diferentes velocidades, con el fin de tener el período propio de balance del buque en las diferentes situaciones de navegación y con ello el coeficiente que relaciona período propio de balance y GM.

3^Q) Registro y procesado de la señal del clinómetro. Se registrará la señal procedente del clinómetro durante un tiempo suficientemente largo (del orden de 100 veces el período propio de balance del barco). A partir de los registros se establece un procedimiento de análisis espectral estadístico consistente en lo siguiente: 1 ) Denominaremos LP al tiempo que dura el registro. Si, por ejemplo, el período propio de balance del barco es del orden de 10 segundos, supongamos que LP es 1000 segundos.

2) Dividiremos el registro principal en muestras de tamaño LM y decaladas un tiempo dM. LM y dM dependerá del tipo de barco y, sin pérdida de generalidad, supongamos que dM es igual a 20 segundos y LM igual a 300 segundos. La primera muestra empezará en el instante cero y acabará en el instante LM (300), la segunda muestra empezará en el instante dM (20) y acabará en LM+dM (320), y así sucesivamente hasta llegar a la muestra que empieza en LP (1000) y acaba en LP + LM (1300). Con objeto de que todas las zonas del registro tengan igual peso, al registro principal se le han añadido los primeros LM (300) segundos.

3) A cada muestra del registro se le aplica la transformada de Fourier de la siguiente forma: Se define un rango amplio de períodos que contenga los posibles períodos propios de balance del barco definidos por Pinic (Período más bajo), Pfin (período más alto) y Pdelta (incremento de períodos). Por ejemplo en el caso de un barco que sus posibles períodos propios de balance oscilen entre 8 y 20 segundos, se elige Pinic = 5 segundos, Pfin = 30 segundos y Pdelta = 0.1 segundos. A cada armónico del conjunto de períodos comprendidos entre Pinic y Pfin y separados Pdelta, se le aplica la transformada de Fourier sobre la muestra del registro eligiendo la máxima longitud de la muestra que sea múltiplo del período sobre el que se aplica la transformada de Fourier. Aplicándolo a todas las muestras se obtendrá una tabla como la siguiente:

Siendo A,, la amplitud correspondiente al armónico i de la muestra j y M, el máximo de las amplitudes de la muestra j.

A partir de la tabla anterior se construyen los dos espectros que denominaremos acumulado y normalizado:

Espectro acumulado

Espectro normalizado

En el espectro normalizado todas las muestras tienen el mismo peso, independientemente de la magnitud del movimiento de balance en la muestra. ) A partir del estudio de ambos espectros se determina el período propio de balance del barco (T_ó) y el GM se obtiene por la fórmula: GM = (K-B T_ó)²

Siendo K el coeficiente obtenido en las pruebas realizadas con el barco y B su manga.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad de barcos mediante medidas con clinómetros caracterizado porque para la medida del ángulo de escora del barco, en las situaciones de equilibrio de la experiencia de estabilidad, está compuesto de las siguientes 3 etapas: 1 ) Comprobación, calibración y puesta a cero del clinómetro en tierra firme. 2) En el caso de emplearse clinómetros gravitacionales: Filtrado de los registros del clinómetro eliminando la componente debida al movimiento de balance del barco, y obtención de las evoluciones del ángulo de escora en las diferentes situaciones de equilibrio de la experiencia de estabilidad. 3) Análisis de los registros del ángulo de escora obtenidos y determinación de las zonas óptimas en las que los pares escorantes incontrolados han sido mínimos con objeto de asignar el ángulo de escora del barco, en cada situación de equilibrio, más preciso y asignar también la precisión de la medida con objeto de su validación o su repetición.

2. Procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad de barcos mediante medidas con clinómetros según reivindicación 1 , caracterizado porque el procedimiento de comprobación, calibración y puesta a cero del clinómetro consiste en:

1 ) Se coloca la plataforma niveladora (figura 2) en una mesa estable y, con la ayuda de un nivel de burbuja bidimensional, se nivela. 2) Después se utiliza el clinómetro, que se coloca en la pieza de acoplamiento (figura 1 ), como nivel de precisión, colocándose en la plataforma niveladora en la dirección paralela a los tornillos de nivelación (H e I de la figura 2), tomándose lectura de la señal del clinómetro. 3) Posteriormente se gira el clinómetro 180^δ y se vuelve a tomar lectura. Si las dos lecturas anteriores no son iguales, se ajustan los tornillos de nivelación hasta que las dos lecturas converjan. En este momento el clinómetro está en posición horizontal con precisión de centésima de grado y se asigna a esa posición el valor "cero". 4) A continuación, con ayuda de los generadores de ángulo calibrado (figura 3), se coloca el clinómetro con los diferentes ángulos que proporcionan esas piezas (figura 4), y se comprueba la calibración del clinómetro. Si fuera necesario, y con ayuda de esas piezas, se vuelve a calibrar el clinómetro.

3. Procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad de barcos mediante medidas con clinómetros según reivindicación 1 , caracterizado porque el filtrado de los registros se aplica al caso de que se utilicen clinómetros gravitacionales y consiste en un algoritmo que filtra la señal correspondiente al ángulo de escora de la señal obtenida por el clinómetro.

Para explicar el algoritmo supongamos que el clinómetro está a una altura "h" sobre el eje de giro y sometido a un movimiento oscilatorio irregular. 1 ^s) Se hace la transformada de Fourier del registro del clinómetro. 2^Q) A cada armónico de la transformada de Fourier se le corrige del siguiente modo: φ = C Si h está por encima del eje de giro, g + ω h q φ = % C Si h está por debajo del eje de giro. g- ω h Siendo: φ: la amplitud del ángulo de escora correspondiente al armónico g: la aceleración de la gravedad ω: la frecuencia angular del armónico C: la amplitud de la señal del clinómetro correspondiente al armónico. 3^Q) Se suman todos los armónicos y la señal obtenida corresponde al registro de la evolución del ángulo en el tiempo.

Procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad de barcos mediante medidas con clinómetros según reivindicación 1 , caracterizado porque la asignación del ángulo de escora se realiza mediante el análisis de los registros de las evoluciones del ángulo de escora para determinar las zonas óptimas en las que los pares escorantes incontrolados han sido mínimos, con objeto de asignar el ángulo de escora del barco, en cada situación de equilibrio, más preciso y asignar también la precisión de la medida.

1 ^Q) Se establece la longitud del registro en función del período natural de balance del barco. Del orden de 20 veces el registro.

2^S) Con el registro obtenido se genera la relación de máximos y mínimos con los instantes en que se producen.

3^e) De esa relación se eliminan aquellas parejas de máximos y mínimos consecutivos cuya separación en el tiempo sea inferior a 1 .5 segundos (filtrado de armónicos cuyo período es inferior a 3 segundos).

4°) A partir de la relación anterior se construye una tabla cuyo primer (M₁ + 2m₂ + M₃ ) elemento, ' ^{¿ J} , se corresponde con el segundo 4 instante (t₂) de la relación anterior y el último, ^{n~2 n_1 n} , con el penúltimo instante (t_n-ι) de la relación anterior. __o

5^S) Se selecciona, de la representación de la tabla, la zona del registro más estable. Para ello se elige la zona continua del registro cuya duración sea la mitad del tiempo del registro y cuyo error cuadrático medio de los valores contenidos en la zona, sea mínima. El valor promedio de los valores de esa zona será el valor asignado al ángulo de escora. El índice de fiabilidad será el error cuadrático medio y en los casos en que no haya una zona lo suficientemente estable del registro, se recomendará repetir la medida. 6⁹) Cuando se producen pares escorantes incontrolados uniformes (errores sistemáticos), por ejemplo un viento constante sobre un costado del barco, se implementa el equipo con uno (o varios) anemómetro(s) y veleta(s) para registrar simultáneamente con el ángulo de escora su información y medir los errores sistemáticos de la medida debidos al viento.

5. Procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad de barcos mediante medidas con clinómetros caracterizado porque la determinación del centro de gravedad de un barco se realiza mediante los registros simultáneos de dos clinómetros situados en el barco en crujía y en la misma vertical y porque comprende las siguientes operaciones:

1 °) Comprobación / calibración y puesta a cero de los clinómetros. Las señales generadas por los dos clinómetros deben ser completamente iguales cuando los clinómetros están en la misma situación tanto estática como dinámica. Para ello se realiza un calibrado estático y un calibrado dinámico consistente en colocar los dos clinómetros en un oscilador mecánico y ajustar los filtros del sistema para que en la banda de frecuencias en torno al período natural de balance del barco, las señales sean completamente iguales. -) Registro y procesado de las señales de los dos clinómetros. Se registrarán las señales procedentes de los clinómetros durante un tiempo suficientemente largo (del orden de 100 veces el período propio de balance del barco). A partir de los registros:

1 ^e) Se establece un conjunto de valores de KG (distancia del c.d.g. del barco a la línea base) fijando un KG mínimo, un KG máximo y un incremento de KG. 2^S) Para cada KG del conjunto anterior se aplica el algoritmo a los registros C1 (t) y C2(t) de los 2 clinómetros obteniéndose C1 corr(t) y C2corr(t) de la siguiente forma: a) Se hace la transformada de Fourier de los registros C1 (t) y C2(t). b) A cada armónico de la transformada de Fourier se le corrige la desviación debida al movimiento de balance del siguiente modo:

Φω^{1 =} _? C_ω1 Para el clinómetro C1. g + ω h1

2 = ⁹„ C '_fC,ú-2 Para el clinómetro C2. g + ω²h2

Siendo: φ_ω1 : la amplitud del ángulo de escora correspondiente al armónico del clinómetro C1. φ_ω2: la amplitud del ángulo de escora correspondiente al armónico del clinómetro C2. g: la aceleración de la gravedad, ω: la frecuencia angular del armónico. 1.1 = KC1 -KG (siendo KC1 la altura del clinómetro 1 sobre línea base). h2= KC2-KG (siendo KC2 la altura del clinómetro 2 sobre línea base). C_ω1 : la amplitud de la señal del clinómetro correspondiente al armónico del clinómetro C1. C₍₀2: la amplitud de la señal del clinómetro correspondiente al armónico del clinómetro C2. c) Se suman todos los armónicos de cada clinómetro y las señales obtenidas son C1 corr(t) y C2corr(t).

3^Q) Se calcula el valor del KG para el cual los dos registros, C1corr(t) y C2corr(t), son iguales, que corresponde a la posición vertical del centro de gravedad del barco.

6. Procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad de barcos mediante medidas con clinómetros caracterizado porque la determinación del GM (altura metacéntrica) se realiza a partir del período propio de balance obtenido por análisis espectral estadístico del registro de balance y porque comprende las siguientes operaciones:

1 ^Q) Comprobación / calibración y puesta a cero del clinómetro en tierra firme 2^o) Obtención del coeficiente que relaciona el periodo propio de balance del barco con su altura metacéntrica, haciendo la prueba de estabilidad para determinar la altura metacéntrica (GM) y tomando registros de balance del barco en diferentes situaciones de navegación, para obtener el período propio de balance del barco 3^Q) Registro y procesado de la señal del clinómetro. Se registrará la señal procedente del clinómetro durante un tiempo suficientemente largo (del orden de 100 veces el período propio de balance del barco), y a partir de los registros se un análisis espectral estadístico

7. Procedimiento para la obtención de los parámetros de estabilidad de barcos mediante medidas con clinómetros, según reivindicación 6, caracterizado por que el análisis espectral estadístico consiste en: 1 ) Dividir el registro principal en muestras de menor tamaño y decaladas un tiempo concreto, que se establecen en función del tipo de barco 2) A cada muestra del registro principal se le aplica la transformada de Fourier, sobre un rango de períodos que abarcan los posibles períodos propíos de balance del barco, y eligiendo la máxima longitud de la muestra que sea múltiplo del período sobre el que se aplica la transformada de Fourier, obteniendo para cada muestra dos espectros, el normalizado (todas las muestras tienen el mismo peso) y el acumulado. 3) A partir del estudio de ambos espectros se determina el período propio de balance del barco (T_ó) y la altura metacéntrica (GM) se obtiene por la fórmula: GM = (K-B/T_Ó)²