SONDA ULTRASON tip KUBAN

Sonda ultrason face parte din categoria mijloacelor de masurare a adancimii.

Necesitatea cunoasterii cu precizie a adancimii oceanelor, marilor lacurilor si fluviilor, cunoasterea profilului acestora in vederea navigatiei, a cercetarilor hidrografice si biologice, a impus din cele mai vechi timpuri folosirea unor instrumente sau aparate numite sonde care au evoluat de-a lungul anilor.

De la sonde de mana s-a trecut la sonde din ce in ce mai perfectionate, mecanice si ultrason care ofera posibilitatea unor sondaje la viteze ridicate ale navei si inregistrarea adancimii si profilului la intervale mici de timp cu o precizie suficient de mare.

Proprietatile deosebite ale ultrasunetelor, viteza mare de propagare in apa (aproximativ 1500 m/s)- ceea ce reduce practic la zero erorile provocate de viteza navei si micsorarea timpului de masurare a adancimii au impus tot mai mult folosirea sondelor ultrason ca o aplicatie a ultrasunetelor.

1. Producerea ultrasunetelor

Distributia regulata in spatiu a particulelor in reteaua cristalina duce la existenta unui efect special care poarta numele de efect piezoelectric.

Daca unele substante cristaline cum sunt cuartul, sarea Seignette, cloratul de potasiu, turmalina, zaharul, plechbenda, etc., sunt taiate in lamele intr-un anumit fel din cristale, prezinta insusiri piezoelectrice si anume cand sunt supuse la solicitari de comprimare sau intindere 8deformare mecanica), pe fetele lamelelor apar sarcini electrice.

Sarcinile electrice ce apar pe fetele opuse ale lamelei sunt cu atat mai mari cu cat forta aplicata este mai mare.

Daca sarcinile electrice apar sub actiunea unor forte exterioare care actioneaza pe directia axei electrice sau mecanice de simetrie se obtine efectul piezoelectric direct.

Daca deformarea placutelor se realizeaza prin aplicarea unei tensiuni alternative la doua placute metalice fixate pe suprafetele placutei cristalului se obtine efectul piezoelectric invers.

Pentru obtinerea unor puteri mari placutele de cuart se asambleaza sub forma de mozaic intre doua placi de otel inoxidabil care are aceeasi viteza pe propagare a ultrasunetelor si frecarile interioare egale cu ale cuartului. Placutele sunt lipite intre ele cu un clei special.Dupa tipul placutelor acest ansamblu poarta denumirea de piezocuart, piezoceramic, etc.

Ultrasunetele se pot produce si pe baza fenomenului de magnetostrictiune si anume proprietatea unor metale de a se contracta si dilata sub actiunea unui camp magnetic alternativ(proprietate magneto-strictiva).

Aceasta proprietate s-a observat la fier, cobalt, nichel si unele aliaje. Daca din aceste metale se confectioneaza un miez ce se introduce intr-o bobina prin care circula curent electric alternativ, miezul se va dilata si contracta in raport cu frecventa curentului.

Aceste miscari se vor transmite mediului inconjurator sub forma de unde elastice producand ultrasunete.

Pentru anumite dimensiuni ale miezului se obtine o rezonanta intre vibratiile proprii si frecventa curentului alternativ, fenomen ce se numeste magnetostrictiune directa.

Ultrasunetele determina contractari si dilatari succesive ale miezului feromagnetic inducand in bobina o tensiune electromotoare, fenomen ce se numeste magnetostrictiune inversa.

2. Folosirea ultrasunetelor la masurarea adancimilor apei

Datorita caracteristicilor deosebite, ultrasunetele se folosesc pe scara larga la masurarea adancimilor . Sondele care se bazeaza pe ultrasunete au posibilitatea sa le produca, sa le dirijeze spre fundul apei sub forma de impulsuri si dupa reflectarea lor de catre fundul apei sa le receptioneze.

Adancimea apei se determina dupa formula:

H = vt/2

v – este viteza de propagare a ultrasunetelor prin apa care in conditii normale de temperatura, salinitate si presiune este de 1450 m/s.

T – este timpul in care ultrasunetele parcurg distanta de la nava la fundul apei si inapoi si se masoara in secunde.

La sonda ,,KUBAN” ultrasunetele se obtin folosind elementi piezoceramici.

3. Descriere tehnica a sondei ultrason tip KUBAN

Destinatie sonda este destinata pentru a fi montata pe navele fluviale. Sonda asigura masurarea si inregistrarea adancimilor la nave cat si la convoaie ce naviga prin impingere.

Cand se monteaza pe nave impingatoare se folosesc doua complete de vibratori: un complet se monteaza la nava impingatoare iar celalalt la slepul din capul convoiului. Cablul vibratorilor are lungimea maxima de 250m. Vibratorii sunt protejati mecanic de avariile ce pot apare in cazul lovirii cu obiecte ce plutesc la semiimersiune.

Date tehnice :

sonda asigura inregistrarea adancimilor de la 0,2m pana la 20m; Eroarea instrumentala a inregistrarii ( la o probabilitate de 0,95) pentru adancimea cuprinsa intre 0,2m si 5 m este de 0,15m iar pentru adancimea cuprinsa intre 5m si 20m este de 4% din adancimea masurata;

REFERAT: Ce sa faceti inainte de inundatie? REFERAT: Executarea si receptionarea ancorajelor metalice tip inel-con si dorn

sonda asigura inregistrarea precisa a adancimii cand:

- viteza navei este pana la 35km/h, iar viteza convoiului impins pana la 15km/h.;

- ruliul este pana la 5s, iar tangajul pana la 10s;

temperatura mediului inconjurator este cuprinsa intre -5sC si + 35sC;

umiditatea relativa este de pana la 95% ±3% * la temperatura de +20s±5sC ;i la o presiune atmosferica egala cu 750 mm coloana de Hg);

nivelul parazitilor hidroacustici la locul de montaj a vibratoarelor , redusi la o frecventa de 1KHz si cu o banda de trecere de 1Hz la o receptie nedirectionala, este de maxim 4 dyne/cm²;

sonda satisface cerintele normelor generale admise pentru parazitii radioindustriali;

sonda asigura o functionare neintrerupta timp de 12 ore;

alimentarea sondei se face de la reteaua de curent alternativ cu tensiunea de 127V/220V cu frecventa de 50 Hz.

cand alimentare ase face de la reteaua de curent continuu de 24 V, 110 V, 220 V, in completul sondei se introduce suplimentar un convertizor de tipul OP-120F ;

functionarea normala a sondei este asigurata la o variatie a tensiunii fasa de valoarea nominala de ±10% si a frecventei cu ±5%;

fara convertizorul OP-120 F puterea consumata de sonda este de 75V.A;

frecventa de repetare a impulsului emis este:

pe timpul functionarii inregistratorului F= 12Hz;

- pe timpul functionarii schemei de la multivibrator F= 25Hz la 32Hz ;

frecventa impulsului emis este 150Hz;

primul etaj de amplificare al amplificatorului are banda de trecere de 13±3 KHz;

posibilitatea reglarii adancimii periculoase la 4m, 2m, 1m si 0,5m;

tensiunea de alimentare a motorului inregistratorului este 22 ± 2V;

turatia motorului inregistratorului este 4500 ± 22 rot/min.

4. Compunerea sondei ultrason conform schemei de principiu

Sonda ultrason se compune din urmatoarele blocuri:

1.Inregistratorul cu

- Dispozitivul (canalul)de emisie;

- Canalul de receptie (amplificatorul;

- Semnalizarea adancimilor periculoase (S.A.P.);

Blocul de alimentare;

2. Doza de adaptare - din aliaj de Al cu o constructie etansa, folosita la legarea vibratorului emitator cu cablul lung de 80m sau 250m;

3. Doza de legatura - se foloseste pentru a lega vibratorul receptor cu cablul lung de 80m sau250m;

4. Vibratoarele sondei – folosite la emiterea si receptarea ultrasunetelor;

5. Convertizorul – pentru a transforma curentul continuu in curent alternativ monofazat cu tensiunea de 127V si frecventa de 50Hz. Pot fi urmatoarele modele OP-120 F1, OP-120 F2;

OP120 F3;

6.  Filtrul – un bloc separat inchis intr-o cutie metalica, montat in apropierea sondei, pe cablul de alimentare al instalatiei;

7. Piesele de rezerva – conform completului    

5. Principiul de functionare

Functionarea sondei se bazeaza pe masurarea timpului necesar oscilatiilor ultrasonore care parcurg spatiul de la vibratorul emitator pana la fundul apei si inapoi la vibratorul receptor.

Viteza de propagare a sunetului in apa se considera 1450m/s.

Sonda foloseste schema cu doua vibratoare. Vibratoarele sunt piezoceramice.

Principiul de functionare al sondei este prezentat in fig. 1.

Fig. 1.

Electromotorul ,,M se roteste cu un numar constant de turatii si, printr-un reductor, roteste axul pe care este fixata placa cu penita, cama si dispozitivul colector de curent.

In momentul cand penita se gaseste pe linia zero la marginea de sus a hartiei, cama inchide contactul de emisie formandu-se un impuls de pornire. Acest impuls se aplica la intrarea dispozitivului de emisie.

La iesirea dispozitivului de emisie se formeaza un impuls radio cu o frecventa purtata

F= 150 KHz ce soseste la vibratorul emitator. Sub actiunea impulsului radio in vibratorul emitator apare un efect piezoelectric, adica apar oscilatii ale membranei vibratorului. Oscilatiile membranei dau nastere la oscilatii elastice ale apei.

Oscilatiile ultrasonore se propaga in apa, ating fundul apei si reflectandu-se sunt captate de vibratorul receptor.

In vibratorul receptor, oscilatiile magnetice se transforma in impuls electric care, este amplificat de amplificatorul sondei si este transmis la penita prin dispozitivul colector de curent.

In momentul cand impulsul electric ajunge la penita are loc strapungerea hartiei( prin ardere), adica pe hartie apare o inregistrare.

Pozitia inregistrarii pe hartie va fi deplasata in raport cu linia zero, la o distanta oarecare, proportionala cu timpul parcurs de semnal in apa, deci si cu adancimea masurata, in concordanta cu gradatiile scarii de inregistrare.

Sonda KUBAN este prevazuta sa lucreze si in regim fara inregistrator.   In acest caz pornirea dispozitivului de emisie este asigurata de schema multivibratorului P.M.(Z.M.).

Frecventa de repetare a impulsului pe timpul functionarii inregistratorului este egala cu

F= 12Hz, iar pe timpul functionarii schemei de la multivibrator este cuprinsa intre 25Hz si 32Hz.

In afara de penita, semnalul ecou reflectat se transmite la schema de semnalizare a adancimilor periculoase S.A.P. in care este prevazuta posibilitatea de fixare a adancimii dorite ce trebuie sa fie prelucrata de blocul  semnalizator.

Daca adancimea devine egala cu adancimea fixata se conecteaza automat semnalizarea sonora.

Pe timpul exploatarii sondei s-a prevazut posibilitatea  functionarii cu doua complete de vibratoare din care unul din complete se fixeaza pe remorcherul impingator si celalalt pe slepul din capul convoiului.

6. Organele de comanda si control

Sonda are 3 comutatoare principale de comanda:

REGIM DE FUNCTIONARE;

AMPLIFICARE;

FIXAREA ADANCIMII PERICULOASE.

a) Comutatorul REGIM DE FUNCTIONARE are 4 pozitii:

1 - DECONECTAT- circuitul de alimentare este intrerupt;

2 - REGIM PASIV- nu functioneaza motorul inregistratorului, nu se ilumineaza scala, inregistratorul nu functioneaza dar cand nava ajunge la adancimea fixata functioneaza sistemul de semnalizare;

3 - REGIM AUTOMAT – sonda este alimentata iar inregistratorul si iluminarea scalei functioneaza cand nava ajunge la adancimea fixata;

4 – REGIM ACTIV – inregistratorul functioneaza continuu asigurandu-se inscrierea neintrerupta a adancimilor pe hartia electrochimica.

b) Comutatorul AMPLIFICARE – permite schimbarea amplificarii deci si calitatea inregistrarii in diferite conditii de functionare;

c) Comutatorul FIXAREA ADANCIMII PERICULOASE – schimba durata impulsurilor multivibratorului din schema S.A.P. ;

d) Butonul NOTAREA OPERATIVA – cand este apasat se aplica la penita o tensiune continua de +250V si simultan se intrerupe circuitul care o alimenteaza cu impulsuri de la iesirea amplificatorului;

b)     Butonul SEMNALIZARE LUMINOASA – becul semnalizare luminoasa ramane conectat dar se intrerupe circuitul de alimentare al bobinei sirenei;

c)      Comutatorul ILUMINARE – este un reostat care modifica tensiunea la becurile de iluminare a scalei inregistratorului;

d)     Intrerupatorul basculant CONTROLUL TURATIEI – situat in interiorul inregistratorului , aplica la un bec cu neon o tensiune de +250, prin camele dispozitivului de derulare. Sclipirile becului, corespund cu turatia motorului si trebuie sa fie 60/minut;

e)     Intrerupatorul basculant VIBRATOARE – asigura conectarea pe rand , la inregistrator a vibratoarelor de pe nava sau de pe slepul din capul convoiului. 

7. Exploatarea sondei ultrason KUBAN

Pregatirea pentru functionare

Inainte de alimentare este necesar ca printr-un control exterior sa se verifice prezenta becurilor in socluri, prezenta si integritatea sigurantelor, pozitia comutatoarelor de comanda, existenta tensiunii retelei bordului.

Comutatorul REGIM DE FUNCTIONARE trebuie sa fie in pozitia  DECONECTAT.

Comutatorul de conectare a vibratorilor sa fie in pozitia ce corespunde vibratorilor folositi.

Comutatorul AMPLIFICARE sa fie pe pozitia limita stanga.

In inregistrator sa existe hartie si aceasta sa fie bine intinsa.

Ne convingem ca reductorul functioneaza usor, rotind cu mana placa cu penita, in sens invers acelor de ceasornic.( nu se va roti in sensul acelor de ceasornic)

Penita sa atinga usor suprafata hartiei sub un unghi de 35-40 grade. Ca material pentru penisa se poate folosi sarma de otel de Ǿ 0,3mm.

Exploatarea sondei in diferite regimuri de functionare

Daca nu este necesara inregistrarea continua a adancimii, sonda poate functiona in regim pasiv sau automat.

Se fixeaza comutatorul REGIM DE FUNCTIONARE pe pozitia corespunzatoare modului de lucru dorit. In acest timp se aprinde becul indicator CONECTAT.

Comutatorul ADANCIME PERICULOASA se va fixa pe adancimea aleasa sa fie semnalizata.

Cand nava ajunge la aceasta adancime se conecteaza sirena de semnalizare dispusa in corpul inregistratorului. Cand se apasa butonul SEMNALIZARE LUMINOASA in locul sirenei se conecteaza becul ADANCIME PERICULOASA.

Pentru a se inregistra adancimile mai mici decat adancimea aleasa, comutatorul REGIM DE FUNCTIONARE va fi trecut in mod de lucru REGIM AUTOMAT – cand nava a ajuns la adancimea fixata simultan cu semnalizarea va porni inregistratorul.

Modul de functionare ACTIV.

Se realizeaza dupa ce s-a executat verificarea preliminara si pregatirea pentru functionare prin fixarea comutatorului REGIM DE FUNCTIONARE in pozitia REGIM ACTIV.

In acest moment se aprinde becul indicator CONECTAT si becurile ce ilumineaza scala, porneste inregistratorul, iar pe hartie se inregistreaza indicatiile de zero si de adancime.

Cand se apasa butonul NOTARE OPERATIVA pe hartie trebuie sa apara o linie groasa arcuita.

Calitatea inscrierii se regleaza cu butonul AMPLIFICARE.

Suprapunerea inscrierii liniei de zero cu gradatia zero a scalei se face prin rotirea rozei pentru fixarea nulului, dispusa sub capacul inregistratorului, in partea de sus a corpului aparatului.                                                                                

Viteza de tragere a hartiei se schimba prin rotirea stanga sau dreapta, pana la refuz, a parghiei dispusa in partea laterala sus a mecanismului pentru intinderea benzii.

OPRIREA sondei se face prin fixarea comutatorului REGIM DE FUNCTIONARE in pozitia initiala DECONECTAT.