Звуковой эхолот для лодок

Раньше звучание (измерение морского дна) выполнялось с помощью «пули», то есть с тяжелым свинцовым объектом, который моряки, вырванные в море, свисали с калиброванной веревки. Как только «пуля» достигла дна, глубина снималась прямо из калибровки веревки. Такое расположение все еще существует на некоторых яхтах.Большим недостатком этого метода является то, что его можно использовать только в положении остановки или очень низкой скорости и что также нелегко провести глубокие измерения глубины. Электронный гидролокатор, который мы собираемся построить, не страдает от этих недостатков, и его указание может быть сделано в кабине вместе с другими навигационными приборами. Это, по сути, система сонара, которая измеряет время между испусканием ультразвукового импульса и получением его отражения от дна. Для ультразвукового излучения используется акустический преобразователь, называемый подводным звуковым проектором, а отраженный сигнал принимается гидрофоном.

 Обычное расположение электронного гидролокатора состоит из ультразвукового передатчика, который испускает короткий ультразвуковой импульс 150-200 кГц. Этот импульс отражается в нижней части, а его эхо-сигнал определяется гидрофоном. Гидрофон преобразует эхо в электрический сигнал, используемый для освещения небольшого неонового света, движущегося с фиксированной частотой двигателем на концентрическом откалиброванном диске. Таким образом, неоновый свет загорается в подразделении, соответствующем измеренной глубине. Поскольку ультразвуковое излучение происходит в тот момент, когда лампа проходит от нуля, калибровка шкалы диска указывает глубину непосредственно. Опытные моряки все еще могут понять тип морского дна, от того, как загорается свет. Например, песчаное дно вызывает краткий проблеск, камни более длинны, нечеткие вспышки, в то время как мягкое дно вызывает более длительное мгновение на нечеткой основе. Наша конструкция имеет цифровой знак, который, к сожалению, не дает подробной информации о типе дна. Но он меньше и дает более точное указание глубины.

Как показывает функциональная диаграмма, ее легко построить. Интересным упрощением является то, что передатчик и гидрофон встроены в один и тот же корпус. Приемопередатчик подключается к IC9 (LM 1812 National Semiconductor). Ультразвуковой импульс проходит вдвое больше расстояния до глубины воды. Поскольку средняя скорость звука в воде составляет 1500 м / с (при 20 ° C и содержании соли 2%), время, затрачиваемое на двухстороннюю глубину, например, 7,5 м, составляет 10 мс. Если, следовательно, частота таймера IC1 составляет 750 Гц, и регистрируются импульсы при 10 мс, звучание составляет 7,5 м. Однако, поскольку дисплей отображает только целые числа, дисплей будет 7 м. Для более точных показаний тактовая частота может быть 7500 Гц, поэтому звучание будет точным до десятой доли метра. Дисплей, память и привод отображения содержатся в IC1. Когда эхосигналы принимаются, на дисплей поступает импульс остановки от IC9. Затем информация о дисплее переходит в память и, наконец, отображается в семисегментных светодиодах. Затем новый цикл измерения начинается с импульса нулевого цикла, генерирующего IC5, каждые 200 мс. Максимально 1500 ударов можно пересчитать. Это означает, что схема может использоваться для глубин до 1500 десятых метра, то есть до 150 метров. Сигнал сброса выполняет две другие функции, запускает передачу импульсов и активирует сигнал тревоги через MMV4 и FF2. Выход FF2 объявляет о существовании «мелкой», если выходной уровень MMV4 является логическим 1 во время обнаружения эха. Порог срабатывания тревоги настраивается с помощью P1 от 1 до 10 м. Моностабильная MMV3 отключает дисплей, если в течение определенного времени нет эхо-сигнала, установленного на P2. Когда эхо не получено, светодиод D2 остается выключенным. Дисплей работает до тех пор, пока не будет изменен MMV2. Когда получено эхо, D2 сразу начинает мигать. Стоит рассмотреть IC9 более внимательно. который является сердцем устройства. Следующая диаграмма показывает отдельные этапы IC9 вместе с необходимым периферийным элементом.

Когда IC5 обеспечивает длительность импульса 0,5 с каждые 200 мс, контакт 8 IC9 активирует встроенный модулятор и генерирует импульс для передачи ультразвука, который в нашем случае составляет 200 кГц. Модулятор и второй высокочастотный усилитель (hf) используют согласованную схему L1 / C14. В широковещательной передаче эта схема подключается к модулю, а приемник подключен к усилителю. Это обеспечивает ту же частоту настройки в широковещательной и приемной.Абсолютное значение этой частоты не имеет особого значения. Выходной каскад усиливает импульсный сигнал 200 кГц и управляет ультразвуковым передатчиком через транзисторный драйвер Т8 и катушку L2. L2, распределенная пропускная способность и C22 образуют настроенную схему на частоте 200 кГц. В интервале между импульсами передачи обнаружено и оценено эхо. Он применяется к первому высокочастотному усилителю (hf), а затем через P4 ко второму усилителю hf, который теперь подключен к координированному L1 / C14. Потенциометр регулирует чувствительность сонара. Выход селекторного усилителя управляет детектором уровня, который реагирует на сигналы выше определенного уровня. Импульсы шума, присутствующие в принимаемом сигнале, отбрасываются комбинацией импульсного ретранслятора и детектора интегратора. Если последовательность импульсов прерывается, детектор импульсного ретранслятора оценивает эхо-сигнал, полученный как спорадический, и вызывает конденсацию интегрального конденсатора C15. Если принятые импульсы очень короткие (например, шумовые импульсы), C15 не полностью заряжен, а импульсы отбрасываются как случайные. Однако, если детектор импульсного ретранслятора достигает импульса истинного эха, возбуждение изображения активируется. Защитная цепь останавливает дисплей, если он работает слишком долго. Это делается путем зарядки C19 от ведущего сигнала: когда C19 заряжается, он запускает транзистор, встроенный в ИС. C9 гарантирует, что усиление второго hf будет небольшим сразу после передачи импульса, так что любое колебание передающего элемента не будет эхом. Таким образом, минимальная измеряемая глубина составляет около 2 м. Если этот предел неприемлем, значение C9 может быть уменьшено.Обратите внимание, что в этом случае чувствительность устройства должна быть уменьшена.Наиболее интересным моментом является установка элемента передачи / приема. Следующая диаграмма предлагает некоторые решения.

Необходимо расположить перпендикулярно мыслимой линии вдоль сосуда, а также перпендикулярно мыслимой линии, соответствующей ширине сосуда. Может потребоваться, наконец, разместить элемент передачи / приема в коробке адаптера, как показано выше в диаграмме. Если корпус представляет собой стекловолокно, все устройство может быть размещено внутри корпуса.Соединительный кабель ячейки с остальной частью цепи не должен быть привязан к другим кабелям, чтобы не влиять на шумовые импульсы, что ухудшало бы работу схемы. 

Предостережение  : НЕ УКАЗАТЬ кабель к элементу передачи / приема! Если у вас уже есть такой предмет. вам не нужно покупать новую, так как у вас есть почти уверен, что она будет хорошо работать с контуром Sonar. VDO Echo Soynder Modis 120 (работает на частоте 200 кГц), Sacece, Euroromarine, Seafarer (все работают на частоте 150 кГц) имеют элементы передачи / приема, которые трудно отличить. Эти предметы вы найдете в большинстве морских электротехнических / электронных магазинов.

Конструкция печатной платы на представляет собой игрушку для детей, по сравнению с трудностью позиционирования элемента передачи / приема. Катушка L2 должна быть намотана, но L1 можно купить. Трехзначный дисплей выполнен на второй плате.

Стабилизатор напряжения и его холодильник помещаются на медную поверхность с помощью подходящих изоляторов или, после соответствующей изоляции, на одной из стенок коробки. Между двумя досками металлический лист должен быть вставлен для экранирования. Контакты двух плат, имеющих одинаковые символы, должны быть связаны друг с другом.

Внимание : Соединение заземления не находится на той же стороне, что и плата с CL.

DS-контакт на той же плате должен быть соединен с землей, а DP подключен к + 5V.

Коробка может быть пластичной или металлической, но непроницаемой. Оси потенциометров, переключателей, светодиодов и розеток должны быть водонепроницаемыми во время установки.Красное окно дисплея должно быть застряло в коробке с водонепроницаемым клеем. Не забывайте о соединениях при 12 ± 2 В. Настройки должны быть сделаны до того, как платы будут помещены в коробку.

настройки

Сначала установите P4 для максимальной чувствительности приемника. Затем поместите элемент передачи / приема вертикально и в пределах 0,5 м от отражающей поверхности. Если элемент уже был помещен в его постоянное положение, поместите поверхность отражения на расстояние 0,5 м перед ним (лодка не находится в воде!). Затем установите ядро ​​L1, пока дисплей не покажет 2,3 м. Это связано с тем, что звук в воде распространяется только на 0,217 скорости в море. Так как расстояние до цели в воздухе составляет 0,5 м, эквивалент в море составит 0,5 м / 0,217 = 2,3 м. Затем измените расстояние между передающим / принимающим элементом и отражающей поверхностью. В воздухе изменение составляет от 0,5 до 1,5 м, что соответствует изменению глубины в море от 23-6,8 м. На изображении должно отображаться изменение расстояния. Если нет, ядро ​​L1 необходимо отрегулировать для достижения истинной максимальной чувствительности. Если у вас есть осциллограф, настройки несколько упрощены. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ , потому что если вы одновременно касаетесь разъема осциллятора на двух контактах IC9. вам понадобится новый IC9. Подключите датчик осциллографа к контакту 1 IC9 и синхронизируйте осциллограф с сигналом 3 штырька IC9. Затем установите ядро ​​L1 для максимальной амплитуды эха. который видится через несколько мс после импульса передачи. Текущее потребление гидролокатора при работе дисплея составляет около 200 мА или в среднем 40 мА при 12 В. Катушка L2 выполнена вручную. Он завернут в подходящее ядро ​​диаметром приблизительно 18 мм и высотой 11 мм. Индуктивность вторичной обмотки L2b должна быть такой, чтобы резонансная частота схемы, образующей L2b, распределенный коэффициент пропускания / приема и C22, были идентичны с той же частотой передающего / принимаемого элемента.

Эта частота задается соотношением f = 1 / 2π x L x C , где f - резонансная частота в Гц, L - индуктивность при H и C суммарная емкость в F.

Обращаясь к термам, L = 1 / 4π ² xf ² x C , а для f = 200 кГц C = 3n2 имеем L2b = 198 мкГн.

Соответствующее число витков N вычисляется по соотношению N = L2b / Ls. где Ls - удельная индуктивность ферритового сердечника. Если, например, Ls = 250nH, число витков становится 28.

Если отношение катушки равно 1: 9, L2a должно иметь 3 оборота.

Если используется ферритовый сердечник с другим специальным значением индуктивности, эти расчеты, конечно же, должны быть вновь сгенерированы. Коэффициент поворота можно удерживать на уровне 1: 9. Соответственно, если используется другой элемент передачи / приема, индуктивность L2 должна быть пересчитана.

Кроме того, если частота не равна 200 кГц, C14 следует пересчитать с помощью: C14 = 1 / 4π ² xf ² x L1 , где f - новая частота и L1 = 630μH.

Глубина, на которой срабатывает тревога для «мелкой», определяется следующим соотношением:глубина (m) = 9 x 10 ⁶ x (P1 + R16 + R17), где R16, R17 и P1 находятся в Ω.

Если элемент передачи / приема не находится в самой глубокой точке судна, измерьте расстояние Dk (разность глубин) между положением элемента и более глубокой точкой киля.

Замените 4098 (IC6) на 4538. Сделайте C9 12n и подключите последовательно с R13 к сопротивлению Rk, значение которого рассчитывается по соотношению Dk = 9 x 10 ⁶ x (Rk + 10 ⁴ ) , где Dk находится в m и n Rk в Ω.

Следовательно, Rk = (10 ⁶ Dk / 9) - 10 ⁴ .

Например, Dk = 1.5m Rk = 157k. После этого на дисплее отобразится расстояние до морского дна от самой глубокой точки судна, а не от положения передающего / принимающего элемента.

Внимание: при установке P1 следует учитывать Dk.

Компоненты для основной печатной платы

Резисторы 
R9 = 10 М 
R10, R14, R21, R22 = 1k 
R11 = 11k 
R12 = 470 тыс. 
R13, R15, R17-R20, R25 = 10k 
R16, R23 = 100k 
R24 = 1 М 
R26, R27, R28, R31 = 5k6 
R29, R30 = 100 Ом 
R32 = 10 Ом 
R33 = 5 Ом6 
P1 = 1M линейный потенциометр 
P2 = 1M предварительно установленный 
P3 = 100 тыс. 
P4 = 5k, линейный потенциометр

Конденсаторы 
C4 = 10p 
C5 = 22p 
C6 = 560p 
C7 = 10n 
C8, C12, C16, C26 = 100n 
C9, C10, C14, C17 = 1n (см. Текст для C14). 
C11 = 10μ / 16V 
C13 = 12n MKT 
C15, C18 = 220n 
C19 = 680н 
C20 = 2n2 
C21 = 150p (400V) 
C22 = 1n5 (400V) (см. Текст) 
C23 = 220μ / 25V 
C24 = 470 м / 16 В 
C25 = 100μ / 16V

Полупроводники 
D1, D3 = 1N4148 
D2 = светодиод 
T5, T7 = BC547B 
T6 = BC160 
T8 = BD140 
IC3 = 4060 
IC4 = 40102 
IC5 = 555 
IC6 = 4098 (или 4538, см. Текст) 
IC7 = 4538 
LCMS = 4013 
IC9 = LM1812 (National Semiconductor)

Катушки 
L1 = 630μH = YAN60033 (Toko) 
L2 = см. Текст

Другие 
S1, S2, блокировка SPST 
X1 = кристалл кварца 6 МГц 
Преобразователь 150 кГц или 200 кГц

Компоненты для отображения на печатной плате

Резисторы 
R1-R7 = 22 Ом 
R8 = 82 Ом

Конденсаторы 
C1 = 10μ / 10V тантал 
C2a = 470m / 16V 
C3 = 100 н

Полупроводники 
DP2-DP4 = 7760 (D) 
T2-T4 = BC140 
IC1 = 74C928 
IC2 = 7805

Другие 
Теплоотвод IC2 (5 ° C / W)