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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Echosondeur. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Maison, ménage, passe-temps L'échosondeur porté à la connaissance des lecteurs peut être utilisé pour déterminer la topographie du fond et mesurer la profondeur des réservoirs, rechercher des objets coulés, mais aussi trouver les endroits les plus prometteurs pour la pêche. L'appareil est très simple à configurer, pratique à utiliser et ne nécessite pas d'étalonnage. L'échosondeur est conçu pour mesurer la profondeur des réservoirs à quatre limites : jusqu'à 2,5 ; 5 ; 12,5 et 25 m. La profondeur minimale mesurée est de 0,3 m. L'erreur de lecture ne dépasse pas 4 % de la valeur supérieure à n'importe quelle limite de mesure. L'appareil est équipé d'un contrôle automatique temporaire du gain (TAG), qui vous permet de modifier son gain à chaque cycle de mesure du minimum au maximum et augmente ainsi l'immunité au bruit. La nécessité du VARU est due au fait que tout rayonnement d'énergie acoustique dans l'eau entraîne une réverbération intense, c'est-à-dire une réflexion répétée du signal ultrasonore depuis le fond et la surface de l'eau. Par conséquent, à faible profondeur, de fausses alarmes de l'unité d'enregistrement du signal d'écho peuvent se produire. Grâce au VAG, les performances de l'appareil sont considérablement améliorées lors de la mesure de profondeur dans la plage de 0,3 à 3 m. L'échosondeur utilise une échelle de profondeur linéaire comme indicateur, composée de 26 LED, sur lesquelles jusqu'à quatre limites de mesure réfléchies peuvent être affichées. La période de mise à jour des informations sur l'indicateur est d'environ 0,1 s, ce qui facilite la surveillance de la topographie du fond lors du déplacement. De plus, l'immunité au bruit de l'échosondeur est renforcée par un filtre d'impulsions logiciel qui le protège des interférences aléatoires. Lorsque le filtre est activé, l'indicateur affiche uniquement les signaux réfléchis dont les valeurs pendant la période de mesure (0,1 s) n'ont pas changé de plus de 1/50 de la limite de mesure incluse. L'appareil est alimenté par six éléments A316 et sa fonctionnalité est maintenue lorsque la tension chute à 6 V. La consommation de courant est comprise entre 7 et 8 mA (à l'exclusion du courant traversant les LED - 10 mA pour chaque LED allumée ). L'échosondeur offre la possibilité de changer rapidement la limite de mesure, le nombre de réflexions affichées, ainsi que d'ajuster l'efficacité du TVG. Le filtre à impulsions peut être désactivé si nécessaire. Les valeurs de tous les paramètres peuvent être stockées en mémoire en mode "SLEEP". Dans ce mode, le courant consommé par l'appareil est d'environ 70 μA, ce qui n'a pratiquement aucun effet sur la durée de vie des batteries. L'échosondeur se compose de quatre unités fonctionnellement complètes : un générateur d'impulsions de sondage, un récepteur, une unité de commande et une unité d'indication (Fig. 1).
Le diagramme schématique du générateur d’impulsions de sondage est présenté sur la Fig. 2.
Le générateur d'impulsions maître est assemblé sur la puce DD1. Il génère des impulsions d'une fréquence de 600 kHz, qui sont ensuite divisées en deux par un déclencheur sur la puce DD2. La puce DD3 contient une cascade de tampons qui associe le déclencheur à un amplificateur de puissance réalisé selon un circuit push-pull utilisant des transistors composites VT1, VT2 et un transformateur T1. Depuis son enroulement secondaire, des vibrations électriques d'une fréquence de 300 kHz sont fournies à un émetteur piézocéramique - le capteur BQ1 et sont émises dans l'environnement extérieur sous forme de messages ultrasonores. Le fonctionnement du générateur est autorisé s'il existe un niveau zéro logique aux broches 12, 13 de la puce DD1 et 4, 6 de la puce DD2. Une impulsion de validation d'une durée de 50 μs arrive au générateur au début de chaque cycle de mesure depuis le dispositif de commande (Fig. 3). Tous les signaux nécessaires au fonctionnement de l'appareil sont générés par un microcontrôleur monopuce DD1 (AT89C2051). Les codes machine du programme de contrôle situés dans la mémoire de programme interne du microcontrôleur sont indiqués dans le tableau.
Les sommes de contrôle sont calculées à l'aide de l'algorithme Radio-86RK. Un stabilisateur pour une tension de 1 V est réalisé sur les transistors VT4-VT5. Ses caractéristiques sont une faible consommation de courant - 25 μA et une faible chute de tension aux bornes du transistor de commande - inférieure à 1 V. Le transistor VT5 coupe l'alimentation du récepteur en mode "SLEEP", ce qui, comme indiqué plus haut, réduit la consommation de courant.
Le signal d'impulsion réfléchi par le bas est reçu dans l'intervalle entre les envois par l'émetteur-capteur et envoyé à l'entrée du récepteur (Fig. 4), où il est amplifié par un amplificateur résonant à trois étages utilisant les transistors VT1, VT2, VT4-VT7, après quoi il est détecté par les diodes VD4, VD5. Le déclencheur de Schmitt sur les transistors VT8, VT9 forme des niveaux logiques standard. Les diodes VD1, VD2 protègent l'entrée du récepteur contre les surcharges. Le transistor VT3 remplit les fonctions d'un élément de commande VAG, qui modifie le gain de la cascade sur les transistors VT1, VT2 sur une large plage.
La forme de la tension de commande sur le condensateur C1 au rendement maximum du VAG est représentée sur la Fig. 5.
La durée de charge du condensateur est déterminée par la constante de temps du circuit R2C1, et le niveau de tension inférieur est déterminé par la résistance de la résistance R4 et la durée de l'impulsion de décharge du dispositif de commande, qui peut varier de 0 à 1,25 ms. . En conséquence, l'efficacité du TVG change, ce qui vous permet d'ajuster rapidement la sensibilité de l'échosondeur pour des conditions de fonctionnement spécifiques. À partir du collecteur VT9, l'impulsion réfléchie générée est fournie à la broche P3.2 du microcontrôleur DD1 du dispositif de contrôle pour un traitement ultérieur. Le schéma de l'unité d'indication est présenté sur la Fig. 6. Il s'agit d'un registre à décalage de 32 bits sur quatre microcircuits DD1-DD4 (K561IR2) avec émetteurs suiveurs en sortie.
Les résistances R1-R30 définissent un courant de 10 mA à travers les LED HL1-HL30. Avec ce courant, l'indicateur est bien visible par tous les temps. Les deux derniers bits de la puce DD4 ne sont pas utilisés. Les LED HL1-HL26 constituent l'échelle principale de l'indicateur et HL27-HL30 indiquent la limite de mesure, le nombre de réflexions affichées et l'inclusion d'un filtre de bruit impulsionnel. Leur emplacement sur le panneau avant est indiqué sur la Fig. 7.
Les boutons SB1-SB4 (voir Fig. 1) sont également situés sur le panneau avant, avec leur aide, vous pouvez modifier rapidement les modes de fonctionnement de l'écho-sondeur. La conception de l’émetteur-capteur ultrasonique est illustrée sur la Fig. 8. Il s'agit d'une plaque ronde 1 d'un diamètre de 31 et d'une épaisseur de 6 mm constituée de piézocéramiques TsTS-19 avec une fréquence de résonance de 300 kHz. Trois morceaux de fil MGTF-0,1 sont soudés aux plans argentés de la plaque à l'aide de l'alliage de Wood. Les points de soudure doivent être situés au bord de la plaque et répartis uniformément sur sa circonférence.
Le capteur est assemblé dans une coupelle en aluminium 3 à partir d'un condensateur à oxyde d'un diamètre d'environ 40 et d'une longueur de 30...40 mm. Au centre du fond du verre, un trou est percé pour le raccord 5, à travers lequel entre un câble coaxial flexible 6 de 1...2,5 m de long, reliant le capteur à l'échosondeur. La plaque capteur est collée sur un disque en caoutchouc microporeux souple 2 d'une épaisseur de 5...10 mm et d'un diamètre égal au diamètre de la plaque. Les fils soudés au piézoélément sont assemblés en faisceau de manière à ce que son axe coïncide avec l'axe du piézoélément. Lors de l'installation, la tresse du câble est soudée au raccord, le conducteur central est soudé aux bornes de la gaine du capteur collées au disque en caoutchouc, et les bornes de l'autre gaine sont soudées à la tresse du câble. Les racks technologiques 4 fixent la position de la plaque de manière à ce que sa surface soit encastrée dans le verre 2 mm en dessous de son bord. Le verre est fixé strictement verticalement et rempli jusqu'au bord de résine époxy. Dans ce cas, vous devez vous assurer qu'il n'y a pas de bulles d'air. L'échosondeur utilise des pièces couramment utilisées. La bobine du générateur L1 est enroulée sur un châssis d'un diamètre de 5 mm avec un trimmer 1000NN. Il contient 110 tours de fil PEV 0,12. Le transformateur T1 est réalisé sur un noyau magnétique annulaire K16x8x6 mm en ferrite M1000NM. L'enroulement primaire est enroulé en deux fils et contient 2x20, le secondaire - 150 tours de fil PEV 0,21. Une couche de tissu verni est posée entre les enroulements. Les bobines du récepteur sont enroulées sur des trames issues des circuits FI (465 kHz) des récepteurs de poche. Les bobines de boucle L1, L3, L5 en contiennent chacune 90, et les bobines de communication L2 et L4 contiennent chacune 10 tours de fil PEV 0,12. Vous pouvez également utiliser des circuits FI prêts à l'emploi provenant de récepteurs de poche des années 70 et 80, en sélectionnant des condensateurs pour obtenir une fréquence de résonance de 300 kHz. Les condensateurs C1, C2 du générateur et C5, C9, C13 du récepteur doivent avoir un petit TKE (pas pire que M75), par exemple les condensateurs KSO-G, KM-5, KM-6 conviennent. Condensateur récepteur C1 - K73-17. LED de signalisation rectangulaires rouges HL1-HL30, par exemple KIPM01B-1K. Transistors à effet de champ VT2, VT4 du stabilisateur (voir Fig. 3) - KP303, KP307 avec n'importe quelle lettre d'index, mais avec une tension de coupure ne dépassant pas 2 V. Le microcontrôleur AT89S2051 peut être remplacé par AT89S51 ou 87S51. Dans ce cas, il est nécessaire de prendre en compte les différences de numérotation des broches. L'analogue national du 87S51 est le KR1830BE751. L'utilisation d'un microcontrôleur KR1830BE31 avec mémoire de programme externe n'est pas recommandée, car cela augmenterait considérablement la consommation de courant et les dimensions de l'appareil. Vous pouvez en savoir plus sur la structure interne et le système de commande du microcontrôleur dans [1]. Il n'y a pas d'exigences particulières pour les autres pièces. Toutes les unités d'échosondeur peuvent être montées sur un ou plusieurs circuits imprimés dont les dimensions et la configuration sont déterminées par les dimensions du boîtier disponible, ainsi que les pièces utilisées. Il est conseillé de monter le récepteur sur une carte séparée « en ligne » et de le placer dans le boîtier le plus loin possible du dispositif de commande. Pour réduire la chaleur due à la lumière directe du soleil, le boîtier doit être clair. La mise en place de l'écho sondeur commence par l'installation d'un dispositif de contrôle de tension +5 V à la sortie du stabilisateur, cela se fait à l'aide de la résistance R5. Dans ce cas, la puce DD1 doit être retirée du support. Après avoir installé le microcontrôleur, vous devez vous assurer que le dispositif de commande et l'unité d'affichage fonctionnent. Après la mise sous tension, l'une des LED d'échelle supplémentaires (HL27-HL30) doit s'allumer sur l'indicateur, indiquant la limite de mesure. En appuyant sur les boutons SB2 "Up" et SB3 "Down", vous pouvez changer les limites de mesure. Un appui une fois sur le bouton SB4 « Select » fait passer l'appareil en mode de réglage du nombre de réflexions affichées. De même, en appuyant sur les boutons SB2 et SB3, vous pouvez changer ce chiffre de 1 à 4, ce qui est indiqué par une LED clignotante sur l'échelle limite. La prochaine fois que vous appuyez sur le bouton SB4, le mode de réglage du degré de VARU est activé, qui est également ajusté par les boutons SB2 ou SB3 et est indiqué par une LED clignotante sur l'échelle de profondeur principale. En appuyant à nouveau sur le bouton SB4, vous pouvez éteindre ou activer le filtre de bruit pulsé également en utilisant respectivement les boutons SB2 et SB3. Enfin, la quatrième pression sur le bouton SB4 ramène l'appareil au mode de commutation de fin de course principal. Dans tous les modes, les impulsions réfléchies (le cas échéant) seront affichées sur l'indicateur de profondeur, et si la profondeur est supérieure à la limite définie, en mode principal, la dernière LED de l'indicateur de profondeur - HL26 - clignotera. Pour mémoriser les modes sélectionnés, maintenez enfoncé le bouton SB4 pendant environ 2 s. Après cela, le voyant s'éteint et l'appareil passe en mode faible consommation « SLEEP ». On quitte ce mode en appuyant sur le bouton SB1 "Reset". Cependant, si vous appuyez sur SB1 en mode de fonctionnement, tous les paramètres seront réinitialisés à leur état d'origine enregistré dans la ROM. Après s'être assuré que le microcontrôleur fonctionne correctement, ils procèdent à la configuration du générateur d'impulsions de la sonde. Tout d'abord, vous devez utiliser un oscilloscope pour vérifier la présence d'une impulsion négative d'une durée de 50 μs et d'une période de 100 ms sur la broche P1.0 du microcontrôleur. Ensuite, l'oscilloscope est connecté en parallèle à l'émetteur-capteur et les impulsions de sondage générées sont observées. Leur amplitude peut atteindre 100 V. En plongeant l'émetteur dans un récipient contenant de l'eau d'au moins 40 cm de profondeur, des impulsions réfléchies peuvent également être observées. En tournant le trimmer de la bobine L1, vous devez ajuster le générateur à la fréquence de résonance de l'émetteur, en vous concentrant sur l'amplitude maximale des impulsions réfléchies. L'amplitude du premier d'entre eux peut atteindre 5...10 V. L'amplitude de l'impulsion de sondage est pratiquement indépendante de la fréquence. La configuration du récepteur commence par le réglage des modes des transistors pour le courant continu conformément à ceux indiqués sur le schéma de circuit. Cette opération doit être effectuée avec le microcontrôleur retiré du support. Si nécessaire, les modes peuvent être ajustés à l'aide de résistances diviseuses dans le circuit de base des transistors. Ensuite, vous devez régler les circuits résonants sur la fréquence du générateur. Pour ce faire, l'émetteur situé dans l'air est placé à une distance de 15...20 cm de tout obstacle et, à l'aide d'un oscilloscope, les circuits sont réglés en fonction de l'amplitude maximale des impulsions sur les collecteurs VT1, VT4, VT6. Il faut tenir compte du fait que le diagramme de rayonnement de l’émetteur dans l’air est très étroit. Au fur et à mesure du réglage, vous devez augmenter l'efficacité du VAG ou augmenter la distance par rapport à l'obstacle pour éviter l'écrêtage du signal. Les circuits sont enfin ajustés en observant le signal après le détecteur au point de connexion des éléments R21, C17, C18. Enfin, en connectant l'oscilloscope au collecteur du transistor VT9, la résistance d'accord R22 définit le seuil de déclenchement du déclencheur de Schmitt, obtenant ainsi une sensibilité maximale et l'absence de fausses alarmes. La sensibilité du récepteur est d'environ 15 µV. Le fonctionnement du VAG est contrôlé en observant la forme d'onde de tension sur le condensateur du récepteur C1. Si nécessaire, il peut être modifié en sélectionnant les valeurs des éléments R4 et C1. La théorie et la pratique de la mesure de la profondeur des réservoirs avec un échosondeur à ultrasons peuvent être trouvées dans la littérature ci-dessous [2-7]. littérature
Auteur : I. Khlyupin, Dolgoprudny, région de Moscou.
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