Эхолот — Погрешности эхолота

Содержание

Погрешности эхолота

Эхолотам свойственны методические и инструментальные погрешности. Методические погрешности зависят от внешних факторов или возникают непосредственно при работе прибора. Инструментальные погрешности являются следствием конструктивных недостатков и неточной установки или регулировки прибора.
К методическим погрешностям относятся:
-отклонение фактической скорости звука от расчетной;
-погрешность эхолота вызванная наклоном морского дна.

К инструментальным погрешностям относятся:
-наличие базы между вибраторами;
-нестабильность частоты вращения электродвигателя;
-неточная установка нуля шкалы прибора.

Погрешность, обусловленная отклонением фактической скорости звука в воде от расчетной . Скорость распространения акустических колебаний в морской воде является функцией ее солености S , температуры t и гидростатического давления p_c . При расчете эхолотов скорость распространения звука в воде принимается постоянной и равной 1500м/с. в различных районах плавания скорость распространения звука неодинакова и колеблется от 1420 до 1548 м/с. отклонение фактической скорости распространения звука с от расчетной с₀ для эхолота вносит в измеряемую глубину погрешность δ _hc . в этом случае измеряемую глубину необходимо исправить поправкой

Поправка может быть автоматически учтена регулировкой частоты вращения электродвигателя времени в соответствии со скоростью звука в воде, либо ручным вводом скорости распространения звука в воде в прибор управления ЦУГ.
Погрешность измеряемых глубин, вызванная наклоном морского дна. Современные эхолоты работают в ультразвуковом диапазоне частот и, следовательно, имеют определенную направленность излучения. Погрешность дна пропорциональна измеряемой глубине, даже для небольших глубин (50-100м) может достигать 5м и более. Поправка за наклон дна равна

Уменьшить величину погрешности можно уменьшением величины угла направленности вибратора.
Погрешность базы между вибраторами. Если в эхолоте используется два вибратора, то при наличии базы L между вибраторами фактическая измеряемая глубина равна

Неучет при расчете эхолота базы между вибраторами приводит к появлению погрешности в измеряемой глубине. Разность между фактической глубиной h и измеряемой h ₀ эхолотом называется поправкой за базу

Поправка всегда отрицательна и должна вычитаться из показаний эхолота, так как эхолот будет всегда показывать глубину больше фактической. Величина погрешность базы между вибраторами убывает с увеличением измеряемой глубины и с уменьшением базы. Погрешность базы имеет заметную величину при глубинах меньше 5-6м.
Погрешность вследствие отклонения частоты вращения электродвигателя от расчетной. При расчете регистрирующих устройств эхолота принимается, что время оборота диска указателя или пера самописца соответствует времени измерения максимальной глубины. Следовательно, при данной скорости распространения звука в воде с диск указателя или перо самописца должны делать строго определенное число оборотов. Если фактическая частота вращения n диска или пера будет больше расчетной n ₀, то диск или перо повернется на больший угол, а следовательно, эхолот покажет большую глубину, если n n ₀, то индикаторы укажут меньшую глубину. Исключение этой погрешности из измеряемых глубин достигается регулировкой числа оборотов электродвигателя с помощью автоматического центробежного регулятора (АЦР). Если погрешность невозможно устранить регулировкой прибора, то вводят поправку за отклонение фактической скорости вращения двигателя от расчетной:

Погрешность, обусловленная неточной установкой нуля шкалы прибора. При несовпадении нулевой отметки с нулевым делением шкалы прибора в измеряемые глубины вносится систематическая погрешность, величина которой равна отстоянию нулевой отметки от нулевого деления шкалы прибора. По величине и знаку она постоянна. Ее можно исключить из измеряемых глубин введением поправки или регулировкой прибора. Положение нулевой отметки на шкале глубин регулируется поворотом кулачка или контактной группы формирователя запуска.
Влияние качки корабля на точность измерения глубин. При сильной качке корабля эхолот работает неустойчиво, точность показаний снижается и измеряемые эхолотом глубины отличаются от истинных. Это объясняется тем, что при качке акустическая энергия излучения распространяется не перпендикулярно к дну, а под углом, зависящим от угла качки. Кроме того, во время качки в верхнем слое воды образуется большое количество воздушных пузырьков. Влияние качки на работу эхолота можно уменьшить выбором места установки вибратора. Для исключения погрешности на качке отсчет глубин необходимо брать в момент, когда крен и дифферент корабля минимальны. Отклонения в показаниях эхолота в этом случае будут наименьшими.

Технические характеристики навигационных эхолотов

Как эхолот определяет глубину

Сегодня рыбак, вооруженный эхолотом, вопросов практически не вызывает. Использование этого прибора помогает:

• находить рыбные места водоема;
• определять размеры имеющейся рыбы;
• прояснять для себя, каков рельеф у дна;
• определять плотность дна и его тип.

И, конечно же, девайс позволяет выяснить глубину водоема. Однако принципы работы устройства могут вызывать ряд вопросов. Давайте разберемся с ними, и тогда работа эхолота будет понятной и эффективной.

Принципы работы устройства

Многие пользователи отмечают, что на экране эхолота изображение выстраивается столбцами. Программное обеспечение выводит таким образом на дисплей результаты измерений, проводимых с помощью ультразвука.

У каждого эхолота две функциональные части:

• первая отвечает за измерения – это датчик, непрерывно выпускающий в пространство сигнал высокой частоты, который и приходит к нему обратно, отразившись от каких-либо препятствий на дне;
• вторая часть – это корпус с дисплеем. Именно здесь происходит обработка полученных результатов.

Сигнал, отражаясь от различных предметов, дна разной плотности, имеет различные показатели, что позволяет программе вычислить, какой именно тип предметов находится в заданной для изучения области.

Время, за которое сигнал достигает дна и, отразившись, возвращается назад, позволяет программному обеспечению сделать заключение о глубине конкретного места водоема.

Как эхолот определяет расстояние

Датчики девайсов способны посылать волны как одним пучком, так и несколькими, которые расходятся, будто свет от небольшого фонарика. Обычно сигналы передаются на очень большой частоте, так что если движется моторная лодка, и в этом случае изображение на экране эхолота будет выстраиваться так же эффективно. Однако большая скорость движения все-таки повлияет на изображение, будто бы спрессовав его в горизонтальном направлении.

Информация о глубине, рельефе дна и находящихся поблизости объектах, в том числе – о рыбе, поступает на дисплей эхолота непрерывно. Однако конкретное расстояние до интересного вам предмета стоит проверять с помощью следующей уловки:

• развернитесь на 180 градусов;
• изучите отрезок, пройдя его на малой скорости;
• когда объект снова возникнет на экране, можно бросать якорь.

У эхолотов может быть различное количество лучей датчика, а также разный угол их расхождения. Это влияет на то, какой именно участок изучает прибор. Обычно диаметр круга равен примерно одной третьей глубины.

Как определить глубину водоема и оценить другие параметры

Обычно осваивать новые места рыбакам довольно сложно, однако, вооружившись эхолотом, они могут не волноваться о поиске рыбных омутов. Данный прибор позволяет выяснить структуру подводного рельефа, вычислить, где именно находится рыба. Однако тут тоже стоит быть внимательным, так как легко допустить ошибку:

• изучая дно водоема, двигайтесь не хаотично, а упорядочено;
• наибольшую информацию позволят получить прямые проходы;
• в качестве ориентира стоит выбрать крупный неподвижный объект, например, заметное дерево.

Прямолинейные проходы – возможность быстрее всего получить корректную информацию о глубине и особенностях дна. Эхолот стоит располагать рядом с собой, картинка на дисплее должна изменяться в противоположном движению направлении: так ее гораздо проще воспринимать.

Прямолинейные проходы – хороший вариант для крупных озер или прудов. Если же речь о подледной рыбалке, все несколько проще, так как здесь четко видно, как работает датчик, и какую зону дна он показывает.

Настройка чувствительности прибора и шкалы глубины

Чтобы получать корректные данные, нужно настроить чувствительность вашего девайса, а также определить диапазон глубин.

Если чувствительность окажется слишком высокой, то даже небольшая рыбка на экране будет выглядеть крупной, и вы зря потратите время на ловлю окуней, вместо действительно стоящих особей. Однако если чувствительность сильно снизить, то можно не заметить крупных рыбин, потому что они будут отражаться лишь мелкой помехой.

Глубина имеет большое значение. Нужно помнить, что если вы изменяете диапазон с десяти метров на двадцать, то метка рыбы будет уменьшена вдвое. Как поступить? Воспользуйтесь простыми рекомендациями:

• устанавливайте диапазон глубин вручную – дно должно находиться у нижнего обреза экрана в наиболее глубокой своей точке;
• чувствительность устанавливается после: сначала поднимайте ее, пока на экране не станут появляться хаотичные точки, затем опустите, чтобы они полностью исчезли.

Разумно будет запомнить на будущее настройки, которые вы устанавливали на конкретном водоеме.

Помните, что именно при настройке вручную эхолот поможет вам найти все, что вы ищете, намного быстрее! Чувствительность же не стоит настраивать заранее – ее лучше проводить исключительно на месте ловли.

Эхолот

Содержание

1. Общие сведения об эхолотах

С проблемой измерения глубин под килем корабля человек столкнулся во время первых же плаваний. Это требовалось морякам не только для того, чтобы обезопасить корабль от посадки на мель, но и для определения своего места по рельефу дна, а также для уточнения навигационных карт. Первым инструментом для замера глубины под килем служило весло или шест с нанесенными на нем делениями, называемый футштоком (от немецкого – рейка с делениями). На судах Древнего Египта, совершавших плавание по Нилу, для измерения глубин применялся лот. Всё его устройство состояло из груза и лотлиня, к которому он крепился. В лотлинь вплетались отметки – марки мер глубины – саженей и футов. (1 фут = 0,3 метра; 1 сажень = 6 футов = 1,83 метра) Наблюдатель, или лотовый, как его называли становился на нос и забрасывал груз вперед по ходу судна. Когда груз касался дна, а лотлинь принимал вертикальное положение, по марке замечалась глубина под килем. О таком способе измерять глубины вблизи берега упоминал еще в 5 веке до н. э. древнегреческий историк Геродот.
В течение многих веков задачи измерения глубины решались с помощью ручных лотов. Большие глубины измерялись лотами ещё древними греками. Во 2 веке до н.э. грек Посейдон замерил в Средиземном море наибольшую по тем временам глубину – 1832 метра (максимальная глубина – 4480 метров). Мореплаватели той поры отмечали, что если при плавании по Средиземному морю по направлению к Египту глубина под килем судна уменьшается до 100 саженей (183 метра), то до Александрии остался один день пути. Успешно использовали метод уточнения места по глубинам и русские моряки при входе в дальневосточную бухту Золотой Рог в условиях плохой видимости.
С помощью лота усовершенствованного Петром 1 штурман Алексей Пушкарев в и горный заседатель Никита Карелин в 1798 г. вполне успешно выполнили промеры озера Байкал, при этом наибольшая глубина была зафиксирована 1238 метров.
В молодой русский физик Э. Х. Ленц во время кругосветного плавания на шлюпе «Предприятие» под командованием О. Е.
Коцебу проводил глубоководный промер и исследование посредством специальной лебедки с самодвижущимся тормозом. В 1868 г. на корвете «Львица» под командованием капитан-лейтенанта Ф. Н. Кумани проводился глубоководный промер Черного моря, во время которого был испытан электролот, разработанный Э. Х. Шнейдером. Лот опускали на изолированном медном кабеле. При ударе о дно отделяющийся груз замыкал электрическую цепь и включал звонок, что служило сигналом о достижении грузом дна. Однако печальная судьба многих дореволюционных русских открытий и изобретений постигла и эти технические решения. В 1872 г. У. Томсон получил патент на глубоководную промерную лебедку с автоматическим тормозом (Ленца), проволочным лотлинем (Шнейдера) и лотом с самосбрасывающимся грузом (Петра 1) и в экспедиция под руководством И. Б. Шпиндлера при промере Черного моря уже использовала эту так называемую глубомерную машину Томсона.
Попытки использовать лот для измерения больших океанских глубин делались ещё во времена Великих географических открытий, но большей частью они заканчивались неудачно: либо лотлинь обрывался, либо оно оказывался слишком коротким. Кроме того, с увеличением глубины трос становился тяжелее прикрепленного к его концу груза и поэтому было трудно определить момент касания грунта грузом, а, следовательно, замер глубин был неточен. Наряду с этим на измерение больших глубин затрачивалось очень много времени. Так измерение глубины в требовалось затратить не менее 5 часов.
Известны лоты, которые не только измеряли глубины, но и вырабатывали сигналы, предупреждающие мореплавателя об опасности. Так в конце 19 века на кораблях различных стран использовался лот-предостерегатель Джемса, получивший название «подводного часового». Его особенность состояла в том, что на конце линя крепился не просто груз, а металлическое устройство, по конструкции напоминающее бумажного змея. Такой змей буксировался на определенной глубине. Его крепление с линем было устроено таким образом, что при касании грунта натяжение линя ослабевало и змей всплывал, что было сигналом об уменьшении глубины под килем до значений, меньших, чем вытравленная длина линя. Такой лот не только предупреждал об опасности, но и помогал отыскивать нужные глубины, например для установки вех. Использовался он на глубинах до 50 метров при скорости до 15 узлов.
Нужды мореплавания и расширение исследовательских работ в морях и океанах требовали изыскания новых методов и способов, которые обеспечивали бы достаточную точность и непрерывность измерений и не имели бы ограничений по диапазону измеряемых глубин. На помощь ученым и инженерам пришел звук. Идея о возможности измерения расстояния по времени распространения звуковых волн высказана давно. Впервые метод эхолокации был практически подтвержден в 1804 году академиком Я. Д. Захаровым. Совершая один из первых в истории исследовательский полет на воздушном шаре, он крикнул в рупор в сторону земли, получив через 10 секунд эхо, определил по скорости распространения звука в воздухе, что шар находится на высоте 1700 метров. Однако потребовалось более100 лет, чтобы достичь в этом вопросе практических результатов. Только в начале 20 века с появлением простых и мощных излучателей звуковых колебаний и чувствительных приемников метод эхолокации в измерении глубин получил распространение.
Большое значение для создания ультразвуковых эхолотов имели исследования по направленному излучению ультразвука в воде, проведенные русским инженером К. В. Шиловским в 1912 году. На их основе Шиловский совместно с известным французским физиком П. Ланжевеном получил патент: «Описание аппаратов и способов их применения для подачи направленных подводных сигналов и для локации подводных препятствий». Ланжевен создал и испытал в проливе и Средиземном море первый ультразвуковой эхолот.
Конечно, он имел довольно отдаленное сходство с современными точными и надежными измерителями глубины. И это понятно. Электричество, электротехника и электроника только начинали развиваться, и нерешенных проблем было много. В то время было ещё не ясно, какую энергию необходимо сообщить этим колебаниям, чтобы они могли достичь дна и вернуться к приемнику; хватит ли чувствительности у приемника, как точно измерить промежуток времени распространения сигнала по трассе излучатель – дно – приемник, в каком виде должна представляться информация о глубине.
Открытие магнитострикционного эффекта позволило создать надежный излучатель акустических колебаний – вибраторы. Суть эффекта заключается в способности отдельных элементов (никеля, железа, кобальта и др.) менять свои линейные размеры при изменении окружающего их магнитного поля. Магнитострикционный эффект используется в излучающих антеннах эхолотов для преобразования колебаний магнитного поля, формируемого в схеме эхолота, в механические. Механические колебания частиц воды устремляются в сторону дна, отражаются и приходят к приемной антенне эхолота. Здесь происходит обратный магнитострикционный эффект – под действием механических колебаний стержень (например из никеля) изменяет свои размеры, что приводит к изменению напряженности магнитного поля, которое затем преобразуется в электрический сигнал. Теперь только остается замерить промежуток времени между посылкой и приходом колебаний и, зная скорость распространения звука в воде, рассчитать глубину под килем корабля.

2. Принцип работы и основы построения эхолотов

Глубина, измеряемая эхолотом,определяется из соотношения:

С – скорость распространения звука в воде [м/с];
t – время прохождения звука до дна и обратно [с].
Звук распространяется в воде со средней скоростью 1500 м/с. Таким образом, время прохождения сигнала до дна и обратно будет измеряться секундами для больших глубин и долями секунд для малых. Для измерения с необходимой точностью таких малых временных интервалов и преобразования их в значения глубины в состав эхолота входят специальные индикаторы – самописцы и цифровые указатели. В самописцах производится автоматическая непрерывная регистрация измеренной глубины на специальную электротермическую бумагу. В цифровых указателях глубины (ЦУГ) используется преобразователь в котором промежуток времени между моментами посылки зондирующего импульса излучающей антенны и моментом приема преобразуется в пропорциональное соответствующей глубине число счетных импульсов.
Современные эхолоты – это сложные электронные приборы, обеспечивающие измерение глубин под килем корабля в любых районах океана. В настоящее время существуют различные эхолоты, типа: НЭЛ –навигационные, ГЭЛ – глубоководные, ПЭЛ – промерные, РЭЛ – речные. На отечественных кораблях и судах для обеспечения навигационной безопасности плавания устанавливают эхолоты унифицированного ряда состоящего из моделей которые обеспечивают надежное измерение глубины на кораблях любого водоизмещения – от катеров до авианосцев. Эхолоты рассчитанные на измерение больших глубин – 6000 и 3000 метров соответственно, имеют 2 рабочие частоты излучения. При этом измерение глубины на поддиапазонах производится высокочастотным каналом, а глубины свыше 400 метров – низкочастотным. Это обусловлено тем, что высокочастотные колебания обеспечивают измерение глубины при сильной аэрации воды, т. е. когда вода насыщена пузырьками воздуха, что особенно характерно для мелководных районов; а низкочастотные колебания имеющие меньший коэффициент затухания, обеспечивают надежное измерение больших глубин. Кроме того, для обеспечения работы низкочастотного канала требуются генераторы большой мощности и антенны, имеющие значительные размеры. Использовать их на малоразмерных кораблях прибрежного плавания нецелесообразно.
Эхолоты построены по одновибраторной схеме, т. е. одна антенна используется как излучатель и как приемник. Такой режим работы обеспечивает специальное коммутирующее устройство. При длительной непрерывной работе самописца на бумаге записывается профиль морского дна под килем корабля. В эхолоте предусмотрена автоматическая подача звукового сигнала о том, что корабль вышел на заданную глубину. Эта задача решается с помощью прибора сигнализации глубины и ревуна.
Особенностью эхолотов является возможность подключения к ним до 4 х антенн. Дополнительно антенны подключают, как правило, на крупногабаритных кораблях и судах, на которых при следовании узкостями, каналами и фарватерами необходимо знать глубину под килем не в одной точке, а в разных.
Наряду со своим основным назначением – измерять глубину и предупреждать об опасности – эхолот в ряде случаев, например в местах с характерными глубинами и в районах с большими их перепадами, помогает штурману уточнять координаты. Эхолоты позволили на только повысить безопасность плавания, но и помогли составить точные карты рельефа морского дна, необходимые как для мореплавания, так и для решения других задач, связанных с изучением морей, океанов и использования их богатств.

Эхолот

Навигационный эхолот предназначен для измерения, индикации и регистрации глубин.
Условия работы:
-Температура окружающего воздуха 0

40°;
-Температура воды −2°

+32°;
-Влажность воздуха до 98%;
-Скорость хода до 35 узлов;
-Бортовая качка до 20° (при измерении глубин до 2000 м); до 10° (до 4000 м); до 5° (свыше 4000 м).

Диапазон измеряемых глубин:
1 – 6000 м (по самописцу);
1 – 3000 м (ЦУГ);
2000 – 6000 м (ЦУГ + самописец).

4 шкалы измерения глубин:
0 –
0 –
0 –
0 –

В самописце используется электротермическая бумага (ЭТБ) с шириной рабочего поля 200 мм. Длина ленты в рулоне 20 метров. Скорость протяжки ЭТБ от 60 до 0,5 мм в мин.
Индикация глубины на ЦУГ: 0,1 м для ВЧ канала; 1 м для НЧ канала.
Имеется возможность выдавать информацию о глубине залегания звукорассеивающих слоёв.
Наличие световой и звуковой сигнализации о выходе на заданную глубину: 1;2;5;20;50;100 метров.
Предельные инструментальные погрешности измерения глубин не превышают:

А. Самописец: Н 20 м ±1,5% измеренной глубины;

Б. >ЦУГ: Н 20 м ±1% измеренной глубины;

В. Прибор сигнализации глубины: Н=1 м ±0,3 м;

Н>5 м ±5% измеренной глубины;

Возможность введения в показания приборов 4 и 11 значения фактической скорости распространения звука в воде в пределах 1460 – 1530 м/с.
При излучении в НЧ канале производится автоматическая регулировка излучаемой мощности. При излучении в ВЧ канале измерение может производиться выборочно с одной из четырёх точек (нос, корма, пр/б, л/б) при установке пр.1 в указанных местах.
Питание однофазный переменный ток 220 В; 127 В частотой 50 Гц.
Время готовности эхолота не более 30 секунд (от момента включения до получения информации о глубине).
Время непрерывной работы эхолота 60 часов.

Состав
-прибор 1 – антенна ВЧ канала;
-прибор 1А – антенна НЧ канала;
-прибор 16 – стойка с электронными блоками;
-прибор 4 – самописец;
-прибор 4Б – пульт управления ЦУГ;
-прибор 4Г – прибор сигнализации глубины;
-прибор 11 – цифровое табло;
-прибор Я – кабельная коробка;
-ЗИП;
-Комплект монтажных частей;
-Комплект эксплуатационной документации.

Пр. 1 и 1А гидроакустические антенны эхолота и служат для преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Состоит из: блока пьезоэлементов, крышки и кабеля.
Пр.16 предназначен для размещения электронных блоков и связи приборов эхолота между собой. Состоит из: комбинированных блоков, генератора НЧ, накопителя ёмкости, коммутирующего устройства, реле коммутации антенн ВЧ канала, элементов делителя мощности ГНЧ, счетчика моточасов, сетевого выключателя, предохранителей и индикаторных ламп.
Пр.4 предназначен для регистрации измеряемой глубины на ЭТБ, формирования синхронизирующего импульса запуска и управления работой эхолота. Состоит из: механизма развертки (У1) с устройством формирования запуска (К3), привода (У2), усилителя записи (У3), формирователя нулевой отметки (У4), формирователя условной отметки (У5), и органов управления и коммутации.
Пр.4Б предназначен для управления работой эхолота при отключенном пр.4 и ввода в показания эхолота значения скорости распространения звука в воде.
Пр.4Г предназначен для включения сигнализации о выходе объекта на заданную глубину. Состоит из: селектора импульсов 1 (У1), формирователя (У2), селектора импульсов 2 (У3) и органов управления.
Пр.11 предназначен для индикации измеренной глубины и установленного значения скорости звука в воде. Состоит из: платы, индикаторных ламп и указателя измерения.
Пр.Я предназначен для соединения приборов 1 и 1А с пр.16

Калибровка эхолота

-Выбрать ровное место с глубиной и хорошим грунтом, убедиться в отсутствии крена и дифферента;
-Отрегулировать самописец и ЦУГ;
-Измерить ручным лотом глубину места в районе расположения вибратора с одного, а затем с другого борта корабля с предельно возможной точностью (до 0,01 м). Одновременно замерить глубину по эхолоту;
-Вычислить среднее арифметическое значение глубин Нл и Н;
-Сравнить полученные значения и рассчитать поправку: Нр = Нл – Нэ;
-Записать в журнал ЭНП и в дальнейшем учитывать при исправлении глубин.

Тракт управления эхолота

Для управления работой вибратора, т. е. для перевода его из режима излучения в режим приема, имеется специальное коммутирующее устройство. В качестве коммутирующего устройства может быть использовано электромагнитное реле или коммутирующий трансформатор. Импульсы ультразвуковой частоты вырабатываются импульсным генератором. Управление посылками осуществляется электромагнитным реле и посылочными контактами. Мощный импульс ультразвуковой частоты поступает одновременно на подмагничивающее устройство и коммутирующий трансформатор. В подмагничивающем устройстве ультразвуковой импульс преобразуется в импульс постоянного тока и в виде импульса тока подмагничивания подается на коммутирующий трансформатор. Под действием импульса тока подмагничивания индуктивное сопротивление обмоток коммутирующего трансформатора уменьшается, в результате чего вся энергия ультразвукового импульса, поступившая от импульсного генератора на коммутирующий трансформатор, поступает на вибратор и происходит излучение.
Импульс тока подмагничивания кроме управления работой коммутирующего устройства подмагничивает пакеты вибраторов в момент излучения, вследствие чего их КПД значительно возрастает. Отраженный от грунта сигнал индуцирует в обмотке ЭДС, которая подается на коммутирующий трансформатор. Индуктивное сопротивление обмотки коммутирующего трансформатора в промежутке между посылками велико, так как на него не поступает в этот момент ток подмагничивания, в результате чего вся энергия отраженного сигнала выделяется на первичной обмотке трансформатора; со вторичной обмотки этого трансформатора эхосигнал поступает на усилитель, а затем на регистрирующее устройство.

Методы измерения коротких промежутков времени в эхолоте

В основу акустического принципа измерения глубин заложен метод измерения времени, в течение которого импульс акустических колебаний проходит расстояние от излучателя до грунта и обратно от грунта до приемника. Так как за одну секунду звук проходит в воде расстояние около 1500 м, то измерение малых глубин означает измерение малых промежутков времени, равных сотым долям секунды.
В настоящее время разработаны методы измерения малых промежутков времени, которые применяют в эхолотах. К ним относятся:
-частотно-модуляционный метод;
-метод заряда конденсатора пропорционально глубине;
-метод среднего значения анодного тока тиратрона, пропорционально глубине;
-метод линейной развертки времени.

Из всех методов метод линейной развертки времени получил широкое распространение в эхолотах как наиболее простой, надежный и обеспечивающий автоматическую запись глубин сравнительно простыми средствами. Сущность этого метода состоит в измерении линейного перемещения l отметчика за время Δ t распространения акустических колебаний в воде. При равномерном перемещении отметчика пройденное им расстояние l прямо пропорционально времени Δ t , т. е. l = k Δ t (1)
Откуда Δ t = l / k
где к – коэффициент пропорциональности.
Подставив в формулу h= c Δ t /2 значение Δ t из формулы (1), получим h = cl /2 k
Т.е. измеренная эхолотом глубина пропорциональна величине l перемещения отметчика.в качестве отметчиков используется бесконечная лента с укрепленными на ней перьями, вращающийся барабан со спиралями, электронно-лучевая трубка с отклоняющимся лучом, электронный счетчик с цифровой индикацией.
В современных эхолотах в качестве индикаторных устройств служат указатели глубин, самописцы с линейной механической разверткой времени и цифровые указатели глубин.
Самописцы предназначены для автоматической записи измеряемых глубин. В качестве индикаторов самописца могут быть отметчики с бесконечной лентой или вращающимся барабаном. Электродвигатель через редуктор вращает с постоянной скоростью барабан и кулачек. В момент, когда точка касания струны с токопроводящей планкой находится против нулевого деления шкалы, кулачек с помощью пружины размыкает посылочные контакты, вследствие чего разрывается цепь питания посылочного реле. Под действием пружины замыкаются контакты. Конденсатор, заряженный от источника постоянного тока высокого напряжения, разряжается через обмотку вибратора излучателя, который излучает акустические колебания. Отраженный от грунта сигнал принимается вибратором-приемником, усиливается усилителем и подается на первичную обмотку трансформатора. Со вторичной обмотки трансформатора напряжение поступает на токопроводящую планку и через бумагу на струну барабана. Следовательно, в момент прихода в точке соприкосновения планки и струны через токопроводящую бумагу пройдет ток, оставляя отметку, соответствующую измеренной глубине, которая отсчитывается по шкале линейки. Отметки глубины образуют непрерывную линию, соответствующую профилю дна по направлению движения корабля. Частота вращения барабана, а следовательно, и кулачка может изменяться в зависимости от диапазона измеряемых глубин. Самописец обычно работает в нескольких диапазонах и имеет несколько шкал. Для увеличения масштаба записи глубин на ленте самописца применяется фазировка посылки импульса.
Глубины на ленте самописца записываются электротермическим способом. При этом способе применяется трехслойная бумага. Верхний слой серого цвета, покрыт окисью свинца, средний слой черного цвета, имеет волокнистое строение и пропитан графитом. Нижний слой покрыт алюминием. В момент приема на линейку подается электрический импульс напряжением 100В. Током, проходящим через бумагу, выжигается ее верхний слой. Обнажившийся в этом месте в виде точки средний черный слой обозначает измеренную глубину.
Цифровой указатель глубин (ЦУГ) применяется при электронном методе измерения малых промежутков времени. ЦУГ представляет собой преобразователь Он преобразует промежуток времени между моментом посылки и моментом приема в пропорциональное число счетных импульсов, соответствующее глубине. Генератор счетных импульсов (ГСИ) вырабатывает счетные импульсы (СИ) с частотой повторения f _п=7500Гц, которые поступают на схему совпадения (СС). Период следования, а следовательно, и цена одного счетного импульса соответствует глубине

В момент излучения блок посылок вырабатывает импульс посылки, который поступает к задающему генератору и триггеру управления. Триггер управления сбрасывает счетные декады с цифрового табло в нулевое положение. Одновременно триггер управления выдает на схему совпадения разрешающий сигнал, и с этого момента счетные импульсы начинают поступать на счетную декаду десятых долей. Задающий генератор вырабатывает мощный импульс, и вибратор-излучатель производит посылку. Счетная декада десятых долей подсчитывает счетные импульсы и при поступлении десяти счетных вырабатывает импульс с ценой 1м, который подается на счетную декаду единиц. Счетная декада единиц подсчитывает единицы импульсов и при поступлении десяти импульсов с ценой 1м вырабатывает импульс с ценой 10м. Счетные декады десятков и сотен работают аналогично.
Отраженный от дна принимается вибратором-приемником и после усиления подается на триггер управления. Триггер управления снимает разрешающий сигнал со схемы совпадения, и счет импульсов прекращается. Одновременно импульс триггера управления включает цифровое табло и подсчитанный счетными декадами результат подается через дешифратор на цифровое табло. Цифровое табло имеет 4 индикатора. Каждый индикатор представляет собой лампу тлеющего разряда, состоящую из цоколя со стеклянным баллоном, в котором имеются анод и 10 катодов в форме цифр от 0 до 9. В зависимости от количества подсчитанных знаков дешифраторы подают напряжение на соответствующие катоды цифровых индикаторов.
В эхолоте имеется блок сигнализации, предназначенный для сигнализации (лампочкой и ревуном) прохождения заданной глубины в диапазоне глубин от 5 до 50м. Опорное напряжение, которое определяет длительность задающего импульса, устанавливается с помощью специального потенциометра. Схема блока сигнализации глубины запускается импульсом нуля, поступающим из блока посылок, и задает импульс, длительность которого соответствует времени прохождения заданной глубины. При совпадении длительности задающего импульса и времени между посылкой и приемом импульса схема срабатывает, на ее выходе появляются световой и звуковой сигналы.

Погрешности эхолота

Эхолотам свойственны методические и инструментальные погрешности. Методические погрешности зависят от внешних факторов или возникают непосредственно при работе прибора. Инструментальные погрешности являются следствием конструктивных недостатков и неточной установки или регулировки прибора.
К методическим погрешностям относятся:
-отклонение фактической скорости звука от расчетной;
-погрешность эхолота вызванная наклоном морского дна.

К инструментальным погрешностям относятся:
-наличие базы между вибраторами;
-нестабильность частоты вращения электродвигателя;
-неточная установка нуля шкалы прибора.

Погрешность, обусловленная отклонением фактической скорости звука в воде от расчетной . Скорость распространения акустических колебаний в морской воде является функцией ее солености S , температуры t и гидростатического давления p_c . При расчете эхолотов скорость распространения звука в воде принимается постоянной и равной 1500м/с. в различных районах плавания скорость распространения звука неодинакова и колеблется от 1420 до 1548 м/с. отклонение фактической скорости распространения звука с от расчетной с₀ для эхолота вносит в измеряемую глубину погрешность δ _hc . в этом случае измеряемую глубину необходимо исправить поправкой

Поправка может быть автоматически учтена регулировкой частоты вращения электродвигателя времени в соответствии со скоростью звука в воде, либо ручным вводом скорости распространения звука в воде в прибор управления ЦУГ.
Погрешность измеряемых глубин, вызванная наклоном морского дна. Современные эхолоты работают в ультразвуковом диапазоне частот и, следовательно, имеют определенную направленность излучения. Погрешность дна пропорциональна измеряемой глубине, даже для небольших глубин (50-100м) может достигать 5м и более. Поправка за наклон дна равна

Уменьшить величину погрешности можно уменьшением величины угла направленности вибратора.
Погрешность базы между вибраторами. Если в эхолоте используется два вибратора, то при наличии базы L между вибраторами фактическая измеряемая глубина равна

Неучет при расчете эхолота базы между вибраторами приводит к появлению погрешности в измеряемой глубине. Разность между фактической глубиной h и измеряемой h ₀ эхолотом называется поправкой за базу

Поправка всегда отрицательна и должна вычитаться из показаний эхолота, так как эхолот будет всегда показывать глубину больше фактической. Величина погрешность базы между вибраторами убывает с увеличением измеряемой глубины и с уменьшением базы. Погрешность базы имеет заметную величину при глубинах меньше 5-6м.
Погрешность вследствие отклонения частоты вращения электродвигателя от расчетной. При расчете регистрирующих устройств эхолота принимается, что время оборота диска указателя или пера самописца соответствует времени измерения максимальной глубины. Следовательно, при данной скорости распространения звука в воде с диск указателя или перо самописца должны делать строго определенное число оборотов. Если фактическая частота вращения n диска или пера будет больше расчетной n ₀, то диск или перо повернется на больший угол, а следовательно, эхолот покажет большую глубину, если n n ₀, то индикаторы укажут меньшую глубину. Исключение этой погрешности из измеряемых глубин достигается регулировкой числа оборотов электродвигателя с помощью автоматического центробежного регулятора (АЦР). Если погрешность невозможно устранить регулировкой прибора, то вводят поправку за отклонение фактической скорости вращения двигателя от расчетной:

Погрешность, обусловленная неточной установкой нуля шкалы прибора. При несовпадении нулевой отметки с нулевым делением шкалы прибора в измеряемые глубины вносится систематическая погрешность, величина которой равна отстоянию нулевой отметки от нулевого деления шкалы прибора. По величине и знаку она постоянна. Ее можно исключить из измеряемых глубин введением поправки или регулировкой прибора. Положение нулевой отметки на шкале глубин регулируется поворотом кулачка или контактной группы формирователя запуска.
Влияние качки корабля на точность измерения глубин. При сильной качке корабля эхолот работает неустойчиво, точность показаний снижается и измеряемые эхолотом глубины отличаются от истинных. Это объясняется тем, что при качке акустическая энергия излучения распространяется не перпендикулярно к дну, а под углом, зависящим от угла качки. Кроме того, во время качки в верхнем слое воды образуется большое количество воздушных пузырьков. Влияние качки на работу эхолота можно уменьшить выбором места установки вибратора. Для исключения погрешности на качке отсчет глубин необходимо брать в момент, когда крен и дифферент корабля минимальны. Отклонения в показаниях эхолота в этом случае будут наименьшими.

Технические характеристики навигационных эхолотов