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
Уход за эхолотом во время работы
В процессе эксплуатации эхолота необходимо:
1. содержать вибратор в чистоте, тщательно следить за состоянием механических передач, контактных устройств и других ответственных деталей эхолота.
2. следить за показаниями измерительных приборов. В случае длительных отклонений напряжений судовой сети более чем на 5% от 1номинальных значений производить регулировку питающего напряжения.
3. корректировать регулировку усиления при изменении глубины.
4. при измерении глубин 0-20 м включать тумблер «Гашение нуля».
5. через каждые 6-8 ч работы самописца протирать рабочую часть пишущей линейки чистой ветошью, смоченной в бензине или спирте.
6. еженедельно подмагничивать вибратор-приемник. 0
7. через каждые 30 ч работы эхолота: проверять, а в случае необходимости регулировать обороты двигателей указателя самописца; проверять и корректировать регулировку контактных групп указателя и самописца; смазывать шестерни промежуточного валика, червячные и зубчатые пары лентопротяжного механизма самописца; смазывать поверхность кулачков контактных групп тонким слоем масла.
8. через каждые 100 ч работы эхолота: протирать прерыватели,1контактные группы, контакты и коллекторы АЦР, двигателей самописца, указателя и преобразователя ПО-550 чистой ветошью, смоченной в бензине или спирте; смазывать зубчатую передачу переключателя диапазонов, применяя для этого 0,1-0,2 г смазки.
9. через каждые 6 мес. производить смену смазки в коробках скоростей.
10. ежегодно смазывать подшипники барабана, моторов, кулачкового валика и т. п. Перед смазкой старое масло удалить, а подшипники промыть бензином.
11. указатель глубин и самописец эхолота рассчитаны на основании предположении о том, что оба вибратора расположены в одной точке. В действительности вибраторы монтируются на некотором расстоянии один от другого. Это расстояние (база) колеблется в пределах 1-2 м. В результате при измерении малых глубин в показаниях эхолота возникает погрешность, величину которой можно оценить на основании данных, приведенных в таблице.
12. кроме поправки за базу, измеряемая эхолотом глубина должна быть исправлена поправкой за несоответствие расчетной скорости звука ее действительному значению.
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .
