Рекомендации по эксплуатации
Лабораторная работа №10
НАВИГАЦИОННЫЕ ЭХОЛОТЫ
1. Изучить принцип работы эхолота.
2. Изучить основные технические характеристики эхолотов НЭЛ-5 и НЭЛ-М3Б.
3. Составить отчет о работе.
Теоретические положения
Принцип работы эхолота
В настоящее время наиболее совершенными средствами измерения глубин являются эхолоты, которые обеспечивают полную автоматизацию промеров. Определение глубин с помощью эхолотов основано на измерении промежутка времени между моментом посылки ультразвукового сигнала по направлению ко дну и моментом возвращения отраженного от дна эхо-сигнала. По физической природе звук (ультразвук) представляет собой механические колебания частиц упругой среды, источником которых является помещенное в водную среду колеблющееся твердое тело. Колеблясь, источник звука вызывает периодическое сжатие и растяжение прилегающих слоев. Благодаря взаимодействию соседних элементов среды, упругие деформации передаются от одного участка к другому. В результате в водной среде образуются области сгущений и разряжений, которые последовательно удаляются от источника колебаний. Этот процесс называется распространением акустической волны.
Прием и излучение ультразвуковых сигналов у эхолотов производится акустическими антеннами. Основной частью ультразвуковых антенн являются электроакустические преобразователи (вибраторы), в которых происходит преобразование электрической энергии в механическую и наоборот. Поверхность вибратора находится в соприкосновении с водной средой. В режиме излучения сигнала под действием переменного магнитного или электрического поля поверхность вибратора приходит в состояние колебания, передаваемого водной среде. В режиме приема поверхность вибратора под действием отраженной звуковой волны начинает совершать механические колебания, преобразуемые в электрический сигнал. В настоящее время применяются акустические преобразователи, обладающие магнитострикционным или пьезоэлектрическим эффектом.
Явление изменения линейных размеров ферромагнитных тел (железо, никель, кобальт) при изменении напряженности пронизывающего их магнитного поля или изменение магнитного состояния этих тел вследствие их деформации под действием механических сил называется магнитострикцией.
Прямым магнитострикционным эффектом называется явление изменения линейных размеров ферромагнетиков при помещении их в переменное магнитное поле. Прямой эффект используется в передающих антеннах.
Изменение напряженности магнитного поля, создаваемого поляризованным (намагниченным) ферромагнетиком вследствие изменения его линейных размеров под действием внешних сил, называется обратным магнитострикционным эффектом. Обратный эффект используется в приемных антеннах.
Конструктивно магнитострикционный преобразователь представляет собой пакет никелевых пластин, который охватывает катушка (обмотка). В передающих антеннах для создания переменного магнитного поля в пакете пластин через катушку пропускают переменный ток. Находясь в переменном магнитном поле, предварительно намагниченные пластины изменяют свою длину с той же частотой, с которой меняется магнитное поле. Механические колебания вибратора передаются водной среде, что приводит к излучению ультразвукового сигнала.
В приемных антеннах с обмотки снимают электрический сигнал, наводимый переменным магнитным полем, возникающим при деформациях пакета пластин. Отразившийся от дна ультразвуковой сигнал воздействует на предварительно намагниченный пакет никелевых пластин и изменяет его продольные размеры. В результате механических колебаний вибратора возникает магнитное поле, которое наводит электрический импульс в охватывающей пакет обмотке.
Магнитострикционные антенны имеют КПД порядка 0,3—0,5 и удовлетворительно работают на частотах до 30 — 40 кГц.
Пакет вибратора-излучателя и вибратора-приемника располагают в одном водонепроницаемом корпусе – обтекателе забортного устройства. Забортное устройство снабжено приспособлением для крепления его к борту судна при выполнении промеров глубин. При этом обтекатель забортного устройства устанавливают параллельно поверхности воды. Его нижняя плоскость должна быть заглублена не менее чем на 0,3 м.
Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на пьезоэффекте, которым обладают некоторые естественные и искусственные кристаллы. В настоящее время в качестве пьезоэлектрического материала используется керамика титаната бария или цирконата титаната свинца.
Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется явление, состоящее в том, что при деформациях сжатия или растяжения поляризованного кристалла, на его поверхности появляются электрические заряды. Этот эффект используется в вибраторах-приемниках.
Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что кристалл, помещенный в электрическое поле, будет изменять свои линейные размеры с частотой изменения электрического поля. Это свойство используется в излучающих антеннах.
Поскольку пьезоэлектрические преобразователи обычно обладают и прямым и обратным пьезоэффектом, то у многих эхолотов для излучения и приема ультразвука используется одна и та же антенна.
Пьезоэлектрические антенны имеют КПД до 0,6—0,7 и позволяют преобразовывать колебания частотой до сотен килогерц.
Рабочая частота эхолота, длительность импульсов и их скважность выбираются с учетом измеряемой глубины, затухания акустических колебаний в воде, акустических шумов, создаваемых судном, диаграммы направленности вибраторов и их размеров. В эхолотах последних разработок используется импульсный способ возбуждения, обеспечивающий большую точность измерения малых глубин.
В целях безопасности мореплавания последние навигационные эхолоты включают устройство, сигнализирующее о выходе судна на заданную глубину.
Принцип определения глубины с помощью эхолота заключается в измерении промежутка времени Dt между посылкой ультразвукового импульса и приходом отраженного от дна эхо-сигнала. Считая скорость распространения ультразвука в воде C0 постоянной, глубина h определится по формуле: h = 0,5ct. Скорость распространения ультразвука при температуре воды 15º составляет ≈1465 м/с.
Структурная схема эхолота представлена на рис. 1. Блок управления БУ предназначен для включения, настройки, регулировки эхолота и контроля за его работой.
Рис. 1. Структурная схема эхолота
Блок питания БП служит для преобразования постоянного тока источника питания ИП (аккумулятор или судовая сеть) в переменный ток с последующим его выпрямлением в постоянные токи различных напряжений для питания электрических цепей эхолота.
Генератор Г вырабатывает электрические импульсы заданной частоты и подает их на электроакустический преобразователь (вибратор-излучатель ВИ), который излучает ультразвуковой сигнал в водную среду.
Отраженный от дна эхо-сигнал поступает на вибратор-приемник ВП, где преобразуется в электрический сигнал, который после усиления в усилителе У поступает на индикатор И. Индикатор И принимает сигналы, фиксирует их и управляет посылкой следующих импульсов генератором.
По способу определения промежутка времени Δt эхолоты подразделяются на приборы с электромеханической разверткой времени и с электронной разверткой времени. Существуют также комбинированные эхолоты, использующие оба принципа развертки времени.
Электромеханическая развертка времени реализуется в электромеханических самописцах. Электронная – в цифровых указателях глубин, использующих либо цифровой индикатор, либо электронный самописец (жидкокристаллический дисплей) с блоком памяти, либо их комбинацию.
Эхолот НЭЛ-5
Эхолот НЭЛ-5 позволяет измерять глубины от 1 до 2000 м при скорости хода до 20 уз, бортовой качке до 10° и килевой качке до 2°.
Время непрерывной работы 12 ч.
Электропитание осуществляется переменным однофазным током частотой 50 Гц, напряжением 127 В, потребляемая мощность не более 300 ВА.
При электропитании постоянным током напряжением 110 или 220В применяются преобразователи. Потребляемая мощность от сети постоянного тока не более 600 Вт.
В состав эхолота входят:
— фильтры постоянного и переменного тока;
— две кабельные коробки;
— переменное гасительное сопротивление.
Эхолот НЭЛ-М3Б
Эхолот НЭЛ-М3Б предназначен для измерения, индикации и регистрации глубин моря в навигационных целях.
Эхолот позволяет измерять глубины от 0,5 до 500 м (НЭЛ-М3Б) при скоростях хода до 40 уз, бортовой качке до 10°, килевой качке до 3°, уклоне дна до 15°.
Время непрерывной работы 60 ч.
Электропитание осуществляется переменным однофазным током частотой 50 Гц, напряжением 220/127 В или частотой 400 Гц, напряжением 220 В, потребляемая мощность не более 130 В·А.
При бортовой сети постоянного тока напряжением 220 В используется преобразователь, потребляемая мощность при этом не более 250 Вт.
В состав эхолотов входят:
— пульт управления цифрового указателя глубин (ЦУГ);
— прибор сигнализации глубины;
— электронная часть ЦУГ;
Рис. 2. Эхолот НЭЛ-М3Б
Эхолоты с электронной разверткой времени
Большинство современных эхолотов являются цифровыми с электронной разверткой времени (рис. 3).
Рис. 3. Цифровой эхолот:
а – преобразователь; б – крепление преобразователя к транцу промерного судна;
в – жидкокристаллический дисплей эхолота; г – полноэкранный режим представления диаграммы записи на экране дисплея
Электронная развертка времени осуществляется с помощью счетных импульсов, вырабатываемых генератором. Генератор запускающих импульсов вырабатывает импульсы запуска. Эти импульсы поступают в блок посылки и блок управления и индикации. Получив импульс запуска, блок посылки формирует мощный зондирующий импульс, поступающий в вибратор-излучатель (преобразователь). Одновременно, блок управления и индикации дает команду на обнуление счетчика и открывает электронный ключ, который пропускает счетные импульсы с генератора на счетчик.
Отраженный от дна эхо-сигнал приходит на вибратор-приемник (преобразователь) и после усиления поступает в блок управления и индикации. Блок управления закрывает электронный ключ, останавливает счетчик, который преобразует подсчитанные импульсы в цифровое значение текущей глубины, включает цифровой индикатор и подключает счетчик к входу графопостроителя. Графопостроитель отображает точку, соответствующую текущей глубине на жидкокристаллическом дисплее. Совокупность точек на дисплее образует профиль дна (рис.3, г, текущая глубина – 15,6 м).
До начала промеров глубин выполняют полевую подготовку эхолота, которая заключается в введении поправки на глубину погружения вибраторов и тарировании эхолота.
Поправку на глубину погружения вибраторов вводят с целью получения записи глубин не от нижней плоскости вибраторов, а непосредственно от поверхности воды. Определяют эту поправку при полной загрузке промерного судна по делениям на штанге забортного устройства или измерением расстояния от поверхности воды до нижней плоскости вибраторов. Эта поправка вводится соответствующей настройкой эхолота.
Тарирование эхолота заключается в проверке точности измерения глубин эхолотом. Обычно тарирование выполняют сличением показаний эхолота с показаниями наметки (лота). Для этого промерное судно устанавливают на якоре в месте наибольших глубин. Включают эхолот и измеряют глубину. Тут же тщательно измеряют глубину наметкой (лотом) под вибраторами и сравнивают с глубиной, измеренной эхолотом. В случае расхождения глубин вводят поправку в измеренные эхолотом глубины. У эхолотов с электромеханическим самописцем поправку обычно компенсируют регулировкой частоты вращения электродвигателя самописца, а у цифровых эхолотов ее вводят в измеренные глубины при обработке результатов промеров.
Погрешности эхолотов
Они возникают при отклонении действительной скорости распространения звука от расчетной. Скорость распространения звука в морской воде зависит от температуры, солености и гидростатического давления. При повышении температуры на 1° скорость уменьшается на 4 м/с, при увеличении солености на 1% возрастает на 1 м/с, при увеличении глубины на 10 м повышается на 0,2 м/с. Значение поправки к измеренной глубине Δh за счет отклонения действительной скорости звука oт расчетной:
где С0 — расчетная скорость звука; С — фактическая скорость звука.
Поправка Dh положительна, если С>С0, и отрицательна, если С
Эхолот. Технические характеристики. Принцип действия эхолота НЭЛ-5.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
__________________________________
Студент(ка) группы _____________
Подпись преподавателя __________
Содержание:
1. Эхолот. Технические характеристики. Принцип действия эхолота НЭЛ-5……………………………………………………………………………………3
2. Радиолокационная станция «Донец-2». Назначение блоков РЛС. Индикатор, его структурная схема. 7
3. Правила эксплуатации радиопеленгатора СРП-5: подготовка, прием сигналов, пеленгование. 17
Список литературы.. 19
Эхолот. Технические характеристики. Принцип действия эхолота НЭЛ-5.
Эхолот НЭЛ-5 позволяет измерять глубины от 1 до 2000 м при скорости хода до 20 уз, бортовой качке до 10° и килевой качке до 2°.
Время непрерывной работы 12 ч.
Электропитание осуществляется переменным однофазным током частотой 50 Гц, напряжением 127 В, потребляемая мощность не более 300 В·А.
При электропитании постоянным током напряжением 110 или 220 В применяются преобразователи. Потребляемая мощность от сети постоянного тока не более 600 Вт.
Комплект эхолота содержит следующие приборы:
футляр с бумагой,
ящик с запасными частями и инструментом.
Все приборы эхолота работают от переменного тока 127 в, 50 гц. Если на судне отсутствует переменный ток, то питание прибора осуществляется через преобразователь ПО-550. Одновременная работа осуществляется с помощью реле переключения, расположенного в самописце.
Указатель глубин (рис. 1) предназначен для визуальных отсчетов глубин и для управления посылкой и приемом ультразвуковых импульсов. Отсчет глубины производится по вспышкам неоновой лампочки, которая вращается с постоянной скоростью относительно неподвижной шкалы, укрепленной на крышке указателя глубин. Шкала имеет два диапазона — от 0 до 100 и от 0 до 2000 м.
На корпусе указателя расположены рукоятки управления эхолотом в случае работы указателя глубин, а именно: выключатель 1 переключатель диапазона 5, регулятор усиления 3, выключатель 4 гашения нулевой вспышки неоновой лампочки и вольтметр 2, контролирующий величину рабочего напряжения.
При работе с указателем глубин необходимо:
— выбрать нужный диапазон измеряемой глубины и установить переключатель диапазонов в положение от 0 до 100 или от 0 до 2000 м;
— включить указатель глубин, поставив включатель в положение «Включено»;
— с помощью регулятора усиления и регулятора в усилителе добиться яркой вспышки неоновой лампочки;
— при измерении малых глубин включить «Гашение нуля».
Рис. 1. Указатель глубин
В самописце эхолота НЭЛ-5 используется электротермический метод записи.
Внешний вид самописца показан на рис. 2.
На лицевой стороне крышки самописца расположены: два предохранителя 1, вольтметр 3, лампочка 2, сигнализирующая о включении в работу указателя, выключатель самописца 10, переключатель диапазонов 9, рукоятка 6 регулятора усиления, выключатель 8 гашения нулевой вспышки, кнопка 7 оперативных отметок, тумблер 5 и лампа 4 контроля скорости вращения двигателя самописца. Крышка самописца имеет застекленное окно 11 для наблюдения за записью глубин и для заправки бумаги.
При работе самописца необходимо:
— поставить выключатель в самописце в положение «Включено»; выбрать нужный диапазон измеряемой глубины и переключатель диапазонов поставить в положение «200», «1000» или «2000»;
— с помощью регулятора усиления и регулятора в усилителе добиться отчетливой записи глубин;
— при измерении малых глубин включить тумблер «Гашение нуля».
Посылочное реле осуществляет автоматическое переключение конденсаторов, заряженных до высокого напряжения, на обмотку вибратора-излучателя. Реле состоит из двух катушек, подвижного контакта, являющегося якорем реле, спиральной пружины и неподвижного контакта. Питание реле осуществляется через выпрямитель. В коробке реле расположены также посылочные конденсаторы и высоковольтный выпрямитель для зарядки посылочных конденсаторов.
Рис. 2. Внешний вид самописца
Усилитель резонансного типа настроен на частоту принимаемого сигнала. Максимальный коэффициент усиления около 10 6 раз. На передней стенке шасси расположены кнопка подмагничивания, регулятор смещения на тиратроне, плавкий предохранитель, включенный в первичную обмотку силового трансформатора и патрон с сигнальной лампой.
Фильтр предназначен для защиты судовой сети от проникновения высокочастотных помех со стороны эхолота. Состоит из дросселей и конденсаторов. На фильтре имеется рубильник для подачи питания на комплект эхолота.
Пуск эхолота НЭЛ-5 производится следующим образом. В случае питания от сети переменного тока следует выключатель фильтра поставить в положение «Включено», при этом будет подано питание на силовой трансформатор усилителя, посылочное реле и на выключатель питания самописца и указателя.
Для остановки эхолота следует:
— вывести регулятор усиления;
— выключатель самописца или указателя глубин поставить в положение «Выключено».