เครื่องวัดกระแสน้ำแบบเวกเตอร์ (VMCM) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวัดความเร็ว ในแนวนอน ในมหาสมุทรส่วนบน ซึ่งใช้เซ็นเซอร์ใบพัดตอบสนองโคไซน์ตั้งฉากสองตัวที่วัดส่วนประกอบของความเร็วในแนวนอนโดยตรง^{[ 1 ]} VMCM ได้รับการพัฒนาในช่วงปลายทศวรรษ 1970 โดย ดร. โรเบิร์ต เวลเลอร์ และ ดร. รัสส์ เดวิส และผลิตเชิงพาณิชย์โดยEG&G Sealink System (ปัจจุบันคือ EdgeTech) เครื่องมือนี้สามารถใช้งานได้นานหนึ่งปีที่ระดับความลึกสูงสุด 5000 เมตร ผลการทดสอบทั้งในห้องปฏิบัติการและภาคสนามแสดงให้เห็นว่า VMCM สามารถวัดความเร็วในแนวนอนในมหาสมุทรส่วนบนได้อย่างแม่นยำ VMCM เป็นมาตรฐานปัจจุบันสำหรับการวัดความเร็วที่มีคุณภาพสูงในบริเวณใกล้ผิวน้ำ^{[ 2 ]}และถูกใช้สำหรับการเปรียบเทียบเครื่องวัดกระแสน้ำอื่นๆ^{[ 3 ] [ 4 ]}

ส่วนประกอบหลักของ VMCM คือเซ็นเซอร์ใบพัดตอบสนองโคไซน์แบบตั้งฉากสองตัว ซึ่งวัดส่วนประกอบของความเร็วในแนวนอนที่ขนานกับแกนของเซ็นเซอร์โดยตรง การวางแนวของเครื่องมือเทียบกับทิศเหนือแม่เหล็กจะถูกตรวจจับด้วยเข็มทิศ ฟลักซ์เกต ซึ่งช่วยให้สามารถประเมินทิศทางของฟลักซ์ได้ โดยให้มุมของแกน Y เทียบกับทิศเหนือแม่เหล็กไมโครโปรเซสเซอร์จะหมุนพิกัด XY ในส่วนประกอบความเร็วแบบดั้งเดิมคือทิศตะวันออก-ตะวันตกและทิศเหนือ-ใต้ การหมุนนี้จะทำหนึ่งครั้งในแต่ละช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่าง และเมื่อสิ้นสุดช่วงเวลาการบันทึก ส่วนประกอบความเร็วแบบดั้งเดิมจะถูกหาค่าเฉลี่ย และค่าเฉลี่ยจะถูกบันทึกไว้ในเทปแม่เหล็ก แบบคาสเซ็ ต ส่วนประกอบอื่นๆ ของระบบได้แก่ ตัวยึดตลับลูกปืน ฝาปิดปลาย วงแหวนตลับลูกปืนด้านนอก ตัวยึดลูกบอลและลูกบอลตลับลูกปืน ตัวเข้ารหัส และแผ่นพลาสติกอีพ็อกซีหรือโนริลที่มีแม่เหล็กสี่ตัว ช่องรับแรงดัน แผ่นอลูมิเนียม แมกเนโตไดโอดสองตัวที่ติดตั้งแบบไม่สมมาตรบนวงแหวนวงจรพิมพ์ ดุม และเพลาที่มีวงแหวนด้านในกลึงอยู่ หน้าที่ของแมกเนโตไดโอดคือการตรวจจับการหมุนของเซ็นเซอร์ใบพัด

ระบบนี้ประกอบด้วยอิเล็กทรอนิกส์การหาค่าเฉลี่ยเวกเตอร์ ซึ่งใช้พัลส์จากแมกนีโตไดโอดและทิศทางของเครื่องมือจากเข็มทิศฟลักซ์เกตเพื่อคำนวณและบันทึกส่วนประกอบความเร็ว ในช่วงทศวรรษ 1990 Way และคณะ^{[ 2 ]}ได้ปรับปรุงอิเล็กทรอนิกส์โดยการออกแบบวงจรการวัดเวกเตอร์การรับข้อมูลและส่วนประกอบการจัดเก็บข้อมูลใหม่ และคงชุดประกอบเซ็นเซอร์ใบพัดไว้ ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าเชื่อถือได้ในการทดสอบหลายครั้งที่ดำเนินการ^{[ 1 ] [ 5 ]}ตัวเรือนรับแรงดันบรรจุอิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบที่ติดตั้งใบพัด

ในการออกแบบครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1970 VMCM มีความสูงประมาณ 2.56 เมตร และมีมวล 34.5 กิโลกรัมในอากาศ VMCM รุ่นดั้งเดิมไม่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์อีกต่อไปจากEG&G (ปัจจุบันคือ EdgeTech) ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงทศวรรษ 1970 นั้นล้าสมัยและหาได้ยาก หากไม่เป็นไปไม่ได้เลย เช่นเดียวกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เข็มทิศฟลักซ์เกตแบบดั้งเดิมก็ไม่มีจำหน่ายอีกต่อไป^{[ 2 ]}

นวัตกรรมที่ VMCM นำมาเหนือเครื่องวัดกระแสอื่นๆ เกิดจากการเลือกใช้เซ็นเซอร์ใบพัดแบบสองแกนที่พัฒนาขึ้นโดยมีการตอบสนองโคไซน์ที่แม่นยำ และการออกแบบเครื่องมือเพื่อให้การรบกวนการไหลกับตัวเครื่องมีน้อยที่สุด^{[ 1 ]}

"การตอบสนองแบบโคไซน์" หมายถึงใบพัดที่ตอบสนองเฉพาะต่อส่วนประกอบของการไหลที่ขนานกับแกนการหมุนของมันเท่านั้น อัตราการหมุนของใบพัดจะเป็นสัดส่วนกับขนาดของการไหลคูณด้วยโคไซน์ของมุมระหว่างแกนและเวกเตอร์การไหล หากฟังก์ชันการตอบสนองเชิงมุมของใบพัดเป็นแบบโคไซน์ เซ็นเซอร์สองตัวที่ตั้งฉากกับแกนในระนาบแนวนอนจะวัดส่วนประกอบตั้งฉากของความเร็วในแนวนอนได้โดยตรง ไม่จำเป็นต้องคำนวณส่วนประกอบ (แม้ว่าจะมีการหมุนจากกรอบอ้างอิงของเครื่องมือไปเป็นส่วนประกอบทิศตะวันออก-ตะวันตกและทิศเหนือ-ใต้แบบดั้งเดิม) และการรวมส่วนประกอบจะทำให้ได้ค่าเฉลี่ยเวกเตอร์

ข้อดีของใบพัดที่มีการตอบสนองแบบโคไซน์ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง^{[ 1 ] [ 6 ]}เวลเลอร์และเดวิสออกแบบเซ็นเซอร์ใบพัดและตำแหน่งของเซ็นเซอร์ภายในกรงแรงดันเพื่อให้ได้การตอบสนองที่ใกล้เคียงกับการตอบสนองเชิงมุมโคไซน์ในอุดมคติมากที่สุด หลังจากผลิตและทดสอบใบพัดหลายตระกูล พวกเขาพบว่าการตอบสนองที่ดีที่สุดอยู่ในเซ็นเซอร์ใบพัดคู่ (ใบพัดสองตัวยึดอยู่บนแกนเดียวกัน) ที่มีใบพัดห้าใบสองใบ มุมเอียง 30 องศา เส้นผ่านศูนย์กลาง 22 ซม. ^{[ 1 ]}ใบพัดได้รับการชุบแข็งด้วยอะโนไดซ์ เคลือบอีพ็อกซีที่ด้านนอก และป้องกันด้วยขั้วบวกสังกะสี ใบพัดทำจาก พลาสติก โพลีคาร์บอเนต (LEXAN) และล่าสุดทำจาก Noryl เซ็นเซอร์ใบพัดใช้ระบบพิกัดคาร์ทีเซียนและให้ส่วนประกอบความเร็วตั้งฉากในระนาบแนวนอน พิกัดที่วัดได้จำเป็นต้องหมุนในทิศทางปกติคือตะวันออก-ตะวันตกและเหนือ-ใต้เท่านั้น

ตัวเรือนรับแรงดันบรรจุอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบที่ใช้ยึดใบพัด ตัวเรือนนี้ผลิตจากแท่งโลหะผสมไทเทเนียม 6A1-4V (เส้นผ่านศูนย์กลาง 1.27 ซม.) ซึ่งมีความแข็งแรงในการรับแรงดึงสูงกว่าเหล็ก และมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนและความล้าของโลหะในน้ำทะเลได้ดีกว่า ด้วยการออกแบบในลักษณะนี้ กรงรับแรงดันจึงสามารถรับแรงดึงได้ถึง 10,000 ปอนด์^{[ 2 ]}และยึดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซ็นเซอร์ใบพัดแยกจากแรงดึง ซึ่งช่วยให้สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยจนถึงระดับความลึก 5,000 เมตร

ในช่วงแรก ตลับลูกปืนใบพัดเป็นสาเหตุของความล้มเหลว หลังจากการทดสอบอย่างละเอียด ตลับลูกปืนได้รับการปรับปรุงจากพลาสติกโพลีคาร์บอเนตเป็นไนไตรด์ซิลิคอนและจากการเปลี่ยนแปลงนี้ จึงไม่มีความล้มเหลวของตลับลูกปืนอีกเลย^{[ 2 ]}

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 Brian S. Way และคณะ^{[ 2 ]}ได้พัฒนา VMCM เวอร์ชันใหม่และปรับปรุงระบบอิเล็กทรอนิกส์ให้ดีขึ้นอย่างมาก VMCM เวอร์ชันใหม่นี้ประกอบด้วยหน่วยย่อยหลักคือส่วนหน้าสำหรับการวัดเวกเตอร์ (ประกอบด้วยอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์โรเตอร์และเข็มทิศ) และไมโครคอนโทรลเลอร์พลังงานต่ำเพื่อทำการสุ่มตัวอย่าง การตั้งค่าการสุ่มตัวอย่างเริ่มต้น (เช่น อัตราการสุ่มตัวอย่าง ช่วงเวลาเฉลี่ย ปัจจัยการสอบเทียบ) จะถูกตั้งค่าโดยคำสั่งจากคอมพิวเตอร์ Onset (Tattletale 8, TT8) อย่างไรก็ตาม การสุ่มตัวอย่างและการคำนวณค่าเฉลี่ยเวกเตอร์จริงจะดำเนินการในหน่วยย่อยส่วนหน้าของ VMCM ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC ของ Microchip Technology จะจัดการงานทั้งหมดเหล่านี้ โดยสร้างค่าเวกเตอร์ทิศเหนือและทิศตะวันออก (Vn และ Ve) ปัจจุบันตามช่วงเวลาที่ต้องการ

ในการทำงานตามปกติด้วย VMCM เวอร์ชันใหม่ ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC ในส่วนหน้าของ VMCM จะสุ่มตัวอย่างโรเตอร์และเข็มทิศตามอัตราที่ตั้งค่าไว้โดย TT8 ในตอนเริ่มต้น ในแต่ละครั้งที่สุ่มตัวอย่าง ค่าที่อ่านได้จากโรเตอร์และเข็มทิศจะถูกสะสมเพื่อหาค่าเฉลี่ยเวกเตอร์ และในช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างที่เลือกไว้ ค่าเฉลี่ยเวกเตอร์ Vn และ Ve จะถูกส่งต่อไปยัง TT8 เพื่อประมวลผลและ/หรือจัดเก็บต่อไป

โปรแกรมการตั้งค่าหลักช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกคำสั่งต่อไปนี้ได้: ช่วงเวลาบันทึก พารามิเตอร์ที่จะบันทึก (สามารถเพิ่มการวัดพารามิเตอร์อื่นๆ เช่น อุณหภูมิค่าการนำไฟฟ้าออกซิเจนเวลาคำที่อัปเดตในแต่ละบันทึก การเอียง แรงดันแบตเตอรี่) ช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างสำหรับแต่ละพารามิเตอร์ที่เลือก เวลาเริ่มต้นในการบันทึก และเวลาสิ้นสุดในการหยุดตัวบันทึก ในเวอร์ชันใหม่ของ VMCM ความง่ายและความยืดหยุ่นในการตั้งค่าและเพิ่มเซ็นเซอร์ช่วยลดเวลาที่จำเป็นสำหรับการเตรียมเครื่องมือก่อนการใช้งานในท่าเรือ^{[ 2 ]}

เซ็นเซอร์ใบพัดตอบสนองโคไซน์ตั้งฉากสองตัวจะวัดส่วนประกอบของความเร็วในแนวนอนที่ขนานกับแกนของพวกมันโดยตรง เข็มทิศฟลักซ์เกตจะตรวจจับทิศทางของเครื่องมือเทียบกับทิศเหนือแม่เหล็กและช่วยให้สามารถประเมินทิศทางของฟลักซ์ได้ ไมโครโปรเซสเซอร์จะหมุนพิกัดในส่วนประกอบความเร็วแบบดั้งเดิมในทิศตะวันออก-ตะวันตกและทิศเหนือ-ใต้ การดำเนินการนี้จะทำหนึ่งครั้งในแต่ละช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่าง และเมื่อสิ้นสุดช่วงเวลาการบันทึก ส่วนประกอบความเร็วแบบดั้งเดิมจะถูกหาค่าเฉลี่ยและค่าเฉลี่ยจะถูกจัดเก็บ การหมุนของเซ็นเซอร์ใบพัดจะถูกตรวจจับโดยแมกนีโตไดโอด อันเป็นผลมาจากความไม่สมมาตรในการจัดวางแมกนีโตไดโอด ทำให้เกิดพัลส์คู่ที่เหลื่อมกันในแต่ละหนึ่งในสี่รอบ ความสัมพันธ์ของเฟสจะบ่งชี้ทิศทางการหมุน และอัตราพัลส์จะบ่งชี้อัตราการหมุน^{[ 1 ]}

เพื่อคำนวณและบันทึกส่วนประกอบความเร็ว วงจรหาค่าเฉลี่ยเวกเตอร์จะถูกเปิดใช้งานโดยการนับโรเตอร์ ซึ่งส่งสัญญาณโดยลำดับการเปลี่ยนแปลงที่เหมาะสมในระดับของแมกนีโตไดโอด ทิศทางของเครื่องมือ ( ) จะถูกกำหนดและจัดเก็บไว้ในรีจิสเตอร์และอัปเดตที่อัตรา 1 เฮิรตซ์ (หนึ่งครั้งต่อวินาที) หากใบพัดใดใบพัดหนึ่งหมุนได้เพียงพอ (เวอร์ชันดั้งเดิมของ VMCM มีเกณฑ์ความเร็วต่ำกว่าหนึ่งเซนติเมตรต่อวินาที^{[ 7 ]} ) พัลส์คู่หนึ่งจะถูกสร้างขึ้นโดยแมกนีโตไดโอดของดุมหนึ่งและมีการนับจากโรเตอร์ จากนั้น ค่าโคไซน์และไซน์ของทิศทาง (ซึ่งปัจจุบันจัดเก็บไว้ในรีจิสเตอร์ทิศทาง) จะถูกบวกเข้ากับรีจิสเตอร์ที่เหมาะสมซึ่งจัดเก็บ ส่วนประกอบความเร็ว และเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ในตอนท้ายของแต่ละช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างซึ่งดำเนินการหาค่าเฉลี่ย ผลรวมต่อไปนี้จะถูกประเมิน: ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle u}$${\displaystyle v}$

${\displaystyle {\bar {u}}=\sum _{i=1}^{N}cos(\theta _{i})+\sum _{j=1}^{M}sin(\theta _{j})}$

และ

${\displaystyle {\bar {v}}=-\sum _{i=1}^{N}sin(\theta _{i})+\sum _{j=1}^{M}cos(\theta _{j})}$

โดยที่ N คือจำนวนการหมุนหนึ่งในสี่รอบของเซ็นเซอร์ที่วางแนวตะวันออก-ตะวันตกเมื่อ= 0, M คือจำนวนการหมุนหนึ่งในสี่รอบของเซ็นเซอร์อีกตัว และและคือทิศทางของเครื่องมือในรีจิสเตอร์ทิศทางเมื่อคู่พัลส์ที่ i และ j ถูกส่งมาจากเซ็นเซอร์ใบพัดทั้งสองตัว ส่วนประกอบความเร็วจะถูกเก็บไว้ในรีจิสเตอร์ 12 บิต และเมื่อสิ้นสุดช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างแต่ละครั้ง จะถูกเขียนเป็นคำ 16 บิต (ข้อมูล 12 บิต โดย 4 บิตระบุช่องสัญญาณ) ลงบนแฟลชไดรฟ์ (ในการออกแบบดั้งเดิมในช่วงปลายทศวรรษ 1970 จะใช้เทปคาสเซ็ตที่มีความจุในการจัดเก็บจำกัดกว่า) ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \theta i}$${\displaystyle \theta j}$

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องมือเหล่านี้จะบันทึกค่าเฉลี่ยและค่าเฉลี่ยในช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างทุกชั่วโมง นอกจากนี้ยังสามารถบันทึกข้อมูลอีกสองช่องทาง เช่น อุณหภูมิและความดันได้ สามารถเลือกช่วงเวลาการสุ่มตัวอย่างได้หลากหลาย เนื่องจากวงจรการหาค่าเฉลี่ยแบบเวกเตอร์จะทำงานก็ต่อเมื่อเกิดพัลส์ของแมกนีโตไดโอดคู่หนึ่งเท่านั้น กระแสไฟฟ้าที่ใช้จึงเป็นสัดส่วนกับอัตราการไหลของน้ำ ${\displaystyle u}$${\displaystyle v}$

จากการเปรียบเทียบข้อมูลการทดสอบที่ได้จาก VMCM และเครื่องมือวัดอื่นๆ เช่น Aandera, VACM, เครื่องวัดกระแสน้ำแม่เหล็กไฟฟ้า และ ACM พบว่าเซ็นเซอร์ VMCM มีข้อผิดพลาดน้อยที่สุดในกระแสน้ำเฉลี่ยที่ค่อนข้างเล็ก เมื่อมีการผันผวนแบบสั่นความถี่สูงเกิดขึ้นด้วย^{[ 1 ] [ 5 ]} (เนื่องจากคลื่นผิวน้ำ การเคลื่อนที่ของทุ่น หรือทั้งสองอย่าง) คุณสมบัตินี้ ร่วมกับความแม่นยำของเซ็นเซอร์ใบพัดที่พบในกระแสน้ำคงที่ กระแสน้ำไม่คงที่ และการผสมผสานของทั้งสองอย่าง^{[ 1 ]}ทำให้ VMCM เหมาะสำหรับการวัดที่แม่นยำในมหาสมุทรตอนบน