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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Echolot. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Haus, Haushalt, Hobby Mit dem den Lesern angebotenen Echolot können Sie die Bodentopographie bestimmen und die Tiefe von Gewässern messen, nach versunkenen Objekten suchen und auch die vielversprechendsten Angelplätze finden. Das Gerät ist sehr einfach einzurichten, einfach zu bedienen und erfordert keine Kalibrierung. Das Echolot dient zur Messung der Tiefe von Gewässern innerhalb von vier Grenzen: bis zu 2,5; 5; 12,5 und 25 m. Die minimale gemessene Tiefe beträgt 0,3 m. Der Anzeigefehler überschreitet bei keiner Messgrenze 4 % des oberen Wertes. Das Gerät verfügt über eine temporäre automatische Verstärkungsregelung (TAG), mit der Sie die Verstärkung während jedes Messzyklus von Minimum auf Maximum ändern und so die Störfestigkeit erhöhen können. Der Bedarf an TVG ergibt sich aus der Tatsache, dass jede Einstrahlung akustischer Energie ins Wasser zu einem intensiven Nachhall führt, d. h. zu mehrfachen Reflexionen eines Ultraschallsignals vom Boden und der Wasseroberfläche. Daher kann es in geringen Tiefen zu Fehlalarmen der Echosignal-Registrierungseinheit kommen. Dank VAR wird die Bedienung des Gerätes bei Tiefenmessungen im Bereich von 0,3 ... 3 m deutlich verbessert. Als Anzeige dient dem Echolot eine lineare Tiefenskala bestehend aus 26 LEDs, die bis zu vier reflektierte Messgrenzen anzeigen kann. Die Aktualisierungsdauer der Informationen auf dem Indikator beträgt etwa 0,1 s, was es einfach macht, die Bodentopographie während der Bewegung zu verfolgen. Darüber hinaus wird die Störfestigkeit des Echolots durch einen Software-Impulsfilter erhöht, der es vor zufälligem Rauschen schützt. Bei aktiviertem Filter werden auf dem Indikator nur die reflektierten Signale angezeigt, deren Werte sich während der Messdauer (0,1 s) um nicht mehr als 1/50 der aktivierten Messgrenze geändert haben. Das Gerät wird von sechs A316-Elementen mit Strom versorgt und seine Leistung bleibt erhalten, wenn die Spannung auf 6 V sinkt. Der verbrauchte Strom liegt im Bereich von 7 ... 8 mA (ohne Berücksichtigung des Stroms durch die LEDs - 10 mA für jede leuchtende LED). Das Echolot bietet die Möglichkeit, die Messgrenze, die Anzahl der reflektierten Reflexionen schnell umzuschalten sowie die TVG-Effizienz anzupassen. Der Impulsfilter kann bei Bedarf deaktiviert werden. Die Werte aller Parameter können im Energiesparmodus („SLEEP“) im Speicher abgelegt werden. In diesem Modus beträgt der vom Gerät verbrauchte Strom etwa 70 μA, was praktisch keinen Einfluss auf die Batterielebensdauer hat. Das Echolot besteht aus vier funktional vollständigen Einheiten: einem Sondierungsimpulsgenerator, einem Empfänger, einer Steuereinheit und einer Anzeigeeinheit (Abb. 1).
Das schematische Diagramm des Prüfimpulsgenerators ist in Abb. 2 dargestellt. XNUMX.
Der Master-Impulsgenerator ist auf einem DD1-Chip aufgebaut. Es erzeugt Impulse mit einer Frequenz von 600 kHz, die dann durch einen Trigger auf dem DD2-Chip in zwei Teile geteilt werden. Auf der DD3-Mikroschaltung ist eine Pufferstufe montiert, die den Trigger mit einem Leistungsverstärker abgleicht, der nach einer Gegentaktschaltung auf den Verbundtransistoren VT1, VT2 und dem Transformator T1 aufgebaut ist. Von seiner Sekundärwicklung werden elektrische Schwingungen mit einer Frequenz von 300 kHz einem piezokeramischen Sender – Sensor BQ1 – zugeführt und in Form von Ultraschallpaketen in die äußere Umgebung abgestrahlt. Der Betrieb des Generators ist zulässig, wenn an den Pins 12, 13 des DD1-Chips und 4, 6 des DD2-Chips ein logischer Nullpegel anliegt. Zu Beginn jedes Messzyklus kommt vom Steuergerät ein Freigabeimpuls mit einer Dauer von 50 µs am Generator an (Abb. 3). Alle für den Betrieb des Geräts notwendigen Signale werden von einem Single-Chip-Mikrocontroller DD1 (AT89S2051) bereitgestellt. Die Maschinencodes des im internen Programmspeicher des Mikrocontrollers befindlichen Steuerprogramms sind in der Tabelle aufgeführt.
Die Prüfsummen wurden mit dem „Radio-86RK“-Algorithmus berechnet. Die Transistoren VT1-VT4 sind mit einem Spannungsstabilisator von 5 V ausgestattet. Seine charakteristischen Merkmale sind ein geringer Stromverbrauch – 25 μA und ein geringer Spannungsabfall am Steuertransistor – weniger als 1 V. Der VT5-Transistor schaltet die Stromversorgung des Empfängers im „SLEEP“-Modus ab, was, wie oben erwähnt, den Stromverbrauch reduziert.
Das vom Boden reflektierte Impulssignal wird im Sendeintervall vom Sender-Sensor empfangen und dem Eingang des Empfängers zugeführt (Abb. 4), wo es von einem dreistufigen Resonanzverstärker auf Basis der Transistoren VT1, VT2, VT4-VT7 verstärkt und anschließend von den Dioden VD4, VD5 erfasst wird. Der Schmitt-Trigger an den Transistoren VT8, VT9 erzeugt Standard-Logikpegel. Die Dioden VD1, VD2 schützen den Empfängereingang vor Überlastung. Der Transistor VT3 übernimmt die Funktionen eines Steuerelements VAG, das die Verstärkung der Kaskade an den Transistoren VT1, VT2 über einen weiten Bereich verändert.
Die Form der Steuerspannung am Kondensator C1 bei maximalem Wirkungsgrad des TVG ist in Abb. dargestellt. 5.
Die Dauer des Kondensatorladens wird durch die Zeitkonstante der R2C1-Schaltung bestimmt, und der niedrigere Spannungspegel wird durch den Widerstandswert des Widerstands R4 und die Dauer des Entladeimpulses vom Steuergerät bestimmt, die zwischen 0 und 1,25 ms variieren kann. Dementsprechend ändert sich auch die Effizienz des TVG, wodurch Sie die Empfindlichkeit des Echolots schnell an bestimmte Betriebsbedingungen anpassen können. Vom Kollektor VT9 wird der erzeugte reflektierte Impuls zur weiteren Verarbeitung dem Ausgang P3.2 des Mikrocontrollers DD1 des Steuergeräts zugeführt. Das Diagramm der Anzeigeeinheit ist in Abb. dargestellt. 6. Es handelt sich um ein 32-Bit-Schieberegister auf vier Mikroschaltungen DD1-DD4 (K561IR2) mit Emitterfolgern am Ausgang.
Die Widerstände R1-R30 stellen einen Strom von 10 mA durch die LEDs HL1-HL30 ein. Bei dieser Strömung ist der Indikator bei jedem Wetter gut sichtbar. Die letzten beiden Bits des DD4-Chips werden nicht verwendet. Die LEDs HL1-HL26 bilden die Hauptskala des Indikators und HL27-HL30 zeigen die Messgrenze, die Anzahl der angezeigten Reflexionen und die Einbeziehung eines Impulsrauschfilters an. Ihre Platzierung auf der Frontplatte ist in Abb. dargestellt. 7.
Auf der Frontplatte werden auch die Tasten SB1-SB4 (siehe Abb. 1) angezeigt, mit deren Hilfe sie schnell die Betriebsarten des Echolots ändern. Der Aufbau des Ultraschall-Emitter-Sensors ist in Abb. dargestellt. 8. Es handelt sich um eine runde Platte 1 mit einem Durchmesser von 31 mm und einer Dicke von 6 mm aus Piezokeramik TsTS-19 mit einer Resonanzfrequenz von 300 kHz. Drei Stücke MGTF-0,1-Draht werden mit Woods Legierung an die versilberten Ebenen der Platte gelötet. Die Lötpunkte sollten sich am Rand der Platte befinden und gleichmäßig über den Umfang verteilt sein.
Der Sensor ist in einem Aluminiumbecher 3 aus einem Oxidkondensator mit einem Durchmesser von etwa 40 und einer Länge von 30...40 mm montiert. In der Mitte des Glasbodens ist ein Loch für die Armatur 5 gebohrt, durch das ein flexibles Koaxialkabel 6 1 ... 2,5 m lang eingeführt wird, das den Sensor mit dem Echolot verbindet. Die Sensorplatte ist auf eine Scheibe aus weichem mikroporösem Gummi 2 mit einer Dicke von 5...10 mm und einem Durchmesser, der dem Durchmesser der Platte entspricht, aufgeklebt. Die mit dem piezoelektrischen Element verlöteten Anschlüsse werden zu einem Bündel zusammengefasst, sodass ihre Achse mit der Achse des piezoelektrischen Elements übereinstimmt. Bei der Montage wird das Kabelgeflecht mit der Armatur verlötet, der Mittelleiter - mit den Anschlüssen der auf die Gummischeibe geklebten Sensorauskleidung, die Adern der anderen Auskleidung - mit dem Kabelgeflecht. Die technologischen Gestelle 4 fixieren die Position der Platte so, dass ihre Oberfläche 2 mm unter der Kante in das Glas eintaucht. Das Glas wird streng vertikal befestigt und bis zum Rand mit Epoxidharz ausgegossen. In diesem Fall müssen Sie darauf achten, dass sich keine Luftblasen darin befinden. Das Echolot verwendet häufig verwendete Teile. Die Spule L1 des Generators ist mit einem Trimmer 5НН auf einen Rahmen mit einem Durchmesser von 1000 mm gewickelt. Es enthält 110 Windungen PEV 0,12-Draht. Der Transformator T1 besteht aus einem Ringmagnetkreis K16x8x6 mm aus M1000NM-Ferrit. Die Primärwicklung ist aus zwei Drähten gewickelt und enthält 2x20, die Sekundärwicklung 150 Windungen PEV 0,21-Draht. Zwischen die Wicklungen wird eine Lage lackiertes Tuch gelegt. Die Empfängerspulen sind auf Rahmen aus den ZF-Kreisen (465 kHz) von Taschenempfängern gewickelt. Die Schleifenspulen L1, L3, L5 enthalten jeweils 90 und die Kommunikationsspulen L2 und L4 enthalten jeweils 10 Windungen PEV-Draht 0,12. Sie können auch vorgefertigte ZF-Schaltkreise von Taschenempfängern der 70er und 80er Jahre verwenden und Kondensatoren auswählen, um eine Resonanzfrequenz von 300 kHz zu erhalten. Die Kondensatoren C1, C2 des Generators und C5, C9, C13 des Empfängers müssen einen kleinen TKE haben (nicht schlechter als M75), zum Beispiel sind die Kondensatoren KSO-G, KM-5, KM-6 geeignet. Kondensator C1 des Empfängers - K73-17. Anzeige-LEDs HL1-HL30 mit rotem Licht und rechteckiger Form, zum Beispiel KIPM01B-1K. Feldeffekttransistoren VT2, VT4 des Stabilisators (siehe Abb. 3) - KP303, KP307 mit beliebigem Buchstabenindex, jedoch mit einer Abschaltspannung von nicht mehr als 2 V. Der Mikrocontroller AT89C2051 kann durch AT89C51 oder 87C51 ersetzt werden. In diesem Fall müssen die Unterschiede in der Nummerierung der Schlussfolgerungen berücksichtigt werden. Das inländische Analogon von 87C51 ist KR1830BE751. Der Einsatz des Mikrocontrollers KR1830BE31 mit externem Programmspeicher ist unpraktisch, da dadurch der Stromverbrauch und die Abmessungen des Gerätes deutlich steigen. In [1] können Sie sich ausführlich mit dem internen Aufbau und dem Befehlssystem des Mikrocontrollers vertraut machen. Für die übrigen Details bestehen keine besonderen Anforderungen. Alle Sonareinheiten können auf einer oder mehreren Leiterplatten montiert werden, deren Abmessungen und Konfiguration durch die Abmessungen des verfügbaren Gehäuses sowie die verwendeten Teile bestimmt werden. Es empfiehlt sich, den Empfänger auf einer separaten Platine „in einer Reihe“ zu montieren und möglichst weit vom Steuergerät entfernt im Gehäuse zu platzieren. Um die Erwärmung durch direkte Sonneneinstrahlung zu reduzieren, sollte das Gehäuse hell sein. Die Einrichtung des Echolots beginnt mit der Anlage von +5 V am Ausgang des Stabilisators des Spannungssteuergeräts. Dies erfolgt über den Widerstand R5. In diesem Fall sollte der DD1-Chip aus dem Sockel entfernt werden. Nach der Installation des Mikrocontrollers muss sichergestellt werden, dass das Steuergerät und die Anzeigeeinheit betriebsbereit sind. Nach dem Einschalten sollte eine der LEDs der Zusatzwaage (HL27-HL30) auf der Anzeige aufleuchten und die Messgrenze anzeigen. Durch Drücken der Tasten SB2 „Up“ und SB3 „Down“ können Sie die Messgrenzen umschalten. Durch einmaliges Drücken der SB4-Taste „Select“ wechselt das Gerät in den Modus zur Einstellung der Anzahl der reflektierten Reflexionen. Ebenso können Sie durch Drücken der Tasten SB2 und SB3 diese Zahl von 1 auf 4 ändern, was durch eine blinkende LED auf der Grenzwertskala angezeigt wird. Beim nächsten Drücken der Taste SB4 wird der Modus zur Einstellung des VAGC-Grades aktiviert, der ebenfalls über die Tasten SB2 oder SB3 reguliert und durch eine blinkende LED auf der Haupttiefenskala angezeigt wird. Durch erneutes Drücken der SB4-Taste können Sie den Impulsrauschfilter auch mit den Tasten SB2 bzw. SB3 ein- oder ausschalten. Durch das vierte Drücken der SB4-Taste kehrt das Gerät schließlich in den Hauptmodus der Grenzwertumschaltung zurück. In allen Modi werden reflektierte Impulse (falls vorhanden) auf der Tiefenanzeige angezeigt, und wenn die Tiefe größer als der eingestellte Grenzwert ist, blinkt die letzte Tiefenanzeige-LED – HL26 – im Hauptmodus. Um die ausgewählten Modi zu speichern, halten Sie die SB4-Taste etwa 2 Sekunden lang gedrückt. Danach erlischt die Anzeige und das Gerät wechselt in den Energiesparmodus „SLEEP“. Das Verlassen dieses Modus erfolgt durch Drücken der Taste SB1 „Reset“. Wenn Sie jedoch im Betriebsmodus SB1 drücken, werden alle Parameter auf den im ROM aufgezeichneten Originalzustand zurückgesetzt. Nachdem sichergestellt wurde, dass der Mikrocontroller ordnungsgemäß funktioniert, wird mit der Einrichtung des Prüfimpulsgenerators fortgefahren. Zunächst müssen Sie mit einem Oszilloskop sicherstellen, dass am P50-Pin des Mikrocontrollers ein negativer Impuls mit einer Dauer von 100 μs und einer Periode von 1.0 ms anliegt. Anschließend wird das Oszilloskop parallel zum Emitter-Sensor geschaltet und die erzeugten Tastimpulse beobachtet. Ihre Amplitude kann 100 V erreichen. Durch Absenken des Senders in ein mindestens 40 cm tiefes Gefäß mit Wasser kann man auch die reflektierten Impulse beobachten. Durch Drehen des Spulentrimmers L1 sollten Sie den Generator auf die Resonanzfrequenz des Emitters abstimmen und sich dabei auf die maximale Amplitude der reflektierten Impulse konzentrieren. Die Amplitude des ersten kann 5...10 V erreichen. Die Amplitude des Tastimpulses ist praktisch unabhängig von der Frequenz. Die Einrichtung des Empfängers beginnt mit der Einstellung der Transistormodi für Gleichstrom gemäß den Angaben im Schaltplan. Dieser Vorgang sollte durchgeführt werden, wenn der Mikrocontroller aus dem Sockel entfernt ist. Bei Bedarf können die Modi mit Teilerwiderständen in der Basistransistorschaltung angepasst werden. Dann müssen Sie die Schwingkreise auf die Frequenz des Generators abstimmen. Dazu wird der in der Luft befindliche Emitter in einem Abstand von 15 ... 20 cm zu jedem Hindernis platziert und mit einem Oszilloskop werden die Schaltkreise entsprechend der maximalen Amplitude der Impulse an den Kollektoren VT1, VT4, VT6 angepasst. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Strahlungsdiagramm des Emitters in Luft sehr schmal ist. Beim Abstimmen sollten Sie die Wirksamkeit des TVG erhöhen oder den Abstand zum Hindernis vergrößern, um Signalbeschneidungen zu vermeiden. Abschließend werden die Konturen angepasst, indem das Signal nach dem Detektor an der Verbindungsstelle der Elemente R21, C17, C18 beobachtet wird. Schließlich stellt der Trimmerwiderstand R9 durch den Anschluss des Oszilloskops an den Kollektor des VT22-Transistors die Schmitt-Trigger-Schwelle ein, wodurch maximale Empfindlichkeit und das Fehlen falsch positiver Ergebnisse erreicht wird. Die Empfindlichkeit des Empfängers beträgt etwa 15 μV. Die Arbeit des TVG wird durch Beobachtung der Spannungswellenform am Kondensator C1 des Empfängers gesteuert. Bei Bedarf kann es durch Auswahl der Werte der Elemente R4 und C1 geändert werden. Theorie und Praxis der Messung der Gewässertiefe mit einem Ultraschall-Echolot finden Sie in der untenstehenden Literatur [2-7]. Literatur
Autor: I. Khlyupin, Dolgoprudny, Moskauer Gebiet
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