|
Et ekkolods princip ses af nedenstående skitse fig. 1. Pulsgeneratoren udsender en kort firkantet impuls (tp) til en "svinger" også kaldet transducer og en tidsmåler. Transduceren består af "barium titanated keramisk element" med en afstemt frekvens på f.eks. 125kHz. Transduceren udsender i denne korte pulstid (tp) en lydbølge med den afstemte frekvens i vandet. Denne lydbølge forplanter sig gennem vandet med en hastighed af ca. 1500 m/sec ned mod bunden, hvor lydbølgen bliver reflekteret og igen modtaget af en "modtager" igen en transducer. For små vanddybder d.v.s lille effekt, kan "svinger" og "modtager" være en og samme transducer. Det modtagne signal er dæmpet ret meget, så derfor forstærkes det op i en egnet forstærker inden det integreres og sendes ind i tidsmåleren. Tidsmåleren starter, når pulsgeneratoren sender den første impuls (tp), og stopper, når ekkoet kommer tilbage til modtageren. Man ser at lydbølgen har bevæget sig med den dobbelte dybde i den målte tid (tm), heraf fås:
|
||
|
Fig. 3 |
Fig. 4 |
|
Vi kan finde det grundareal G på de forskellige dybder, som dækkes af transduceren ved hjælp af flg. formel: G = phi * r2
Den halve topvinkel v er 4 grader og højden er henholdsvis 10 meter, 30 meter og 60 meter. Dette giver en radius og grundareal for 10 meter vanddybde: r = h * tgv = 10 * 0,07 = 0,7 meter G = phi * 0,72 = 1,5 kvadratmeter Dette giver en radius og grundareal for 30 meter vanddybde: r = h * tgv = 30 * 0,07 = 2,1 meter G = phi * 2,12 = 14 kvadratmeter Dette giver en radius og grundareal for 60 meter vanddybde: r = h * tgv = 60 * 0,07 = 4,2 meter G = phi * 4,22 = 55 kvadratmeter Test din egen transducer her i dette regneark Et svagt punkt er at beregne den nøjagtige effekt, der skal afsættes i transduceren for at være sikker på at få et ekko hjem. Der er så mange faktorer, som spiller ind, først og fremmest bundens beskaffenhed. Er det en hård bund, der reflekterer godt eller en blød bund, der absorberer de fleste lydbølger. Dernæst hældningen af bunden eller af skibet, for som bekendt vil lydbølgerne reflekteres således, at udfaldsvinklen er lig med indfaldsvinklen, som i værste tilfælde ingen ekko vil give. Se skitsen fig. 4. Flere firmaer, der sælger ekkolod, oplyser fejlagtig en effekt på flere 100 W ja sågar 1000W er nødvendig for at opnå et ekko på flere 100 meter vand. Jeg skal prøve på at komme med en redegørelse, hvorfor det er forkert at bruge betegnelsen Watt, og størrelser på nævnte effekter er vildt overdrevet. Måske sælger det bedre? Eller er det en misforståelse mellem Watt og VA? En effekt målt i Watt (Real power) afsætter varme i en Ohmsk modstand. En blindeffekt (Reactive power) målt i VA er en tilsyneladende effekt i en tabsfri kondensator eller tabsfri spole, der ikke afsætter varme i kondensatoren eller spolen. Forbindes en tabsfri kondensator og en tabsfri spole enten i serie eller i parallel over 230 Volt, vil man ikke se måleren dreje rundt. Der optages ingen effekt. Først en forklaring på transducerens krystal. Små krystalplader af kvarts vil, hvis der udøves et tryk eller træk på en bestemt måde i forhold til krystallens akse, afgive en spænding vinkelret på kraftretningen på krystallens overflade. Størrelsen af spændingen er proportional med den virksomme kraft. Ved bevægelse i begge retninger opstår der en vekselspænding. Det er det, der kaldes for den piezoelektriske effekt. De fleste af den "ældre" årgang, som havde en grammofon, husker nok krystal pick-up'en. Det var nemlig denne, der gav lyd fra sig, når den kørte i rillerne. Det omvendte kan også lade sig gøre. Nemlig at påtrykke krystallen en vekselspænding, og den vil komme i mekaniske svingninger med denne vekselspændings frekvens. En krystal har en uendelig stor Ohmsk modstand, der faktisk ikke kan måles. Derfor hed det også en højimpedans pick-up. I modsætning til magnet pick-up, der var lavimpedans. Når du køber et ekkolod får du to dele, som er tilpasset til hinanden. Ekkoloddets elektronik der indeholder generatorspolen med den nødvendige spændingskilde til at give den afstemte kreds et "spark". Det ses tv. for skillelinjen på fig. 5. Transduceren med en ganske bestemt kabellængde, og dermed en bestemt kapacitet. Det ses th. for skillelinjen på fig. 5. Nu forstår du sikkert, hvorfor kablet ikke må afkortes? Skitse fig. 5 herunder viser et ækvivalent diagram for ekkolod og transducer koblet sammen. Inde i elektronikken befinder sig spændingskilden og generatorspolen med sin serietabsmodstand RsL. I transduceren med kabel befinder sig en kapacitet med sin paralleltabsmodstand RpC, samt krystallen, der er tabsfri. Det er lederne i kablet, der danner en kapacitet, og det er isolationen (dielektrikum) mellem lederne der er årsagen til tabet. Sådan et LC kredsløb hedder parallelsvingningskreds. Dette kredsløb er afstemt til en resonansfrekvens, som i dette tilfælde er 125 kHz. Reaktansen ZL udgøres af generatorspolen. Serietabsmodstand RsL er den Ohmske modstand i kobbertråden og kan måles med et Ohmmeter. Her målt til 8,6 Ohm. Reaktansen Zc udgøres af kablets kapacitet. Paralleltabsmodstand RpC er afhængig af det anvendte dielektrikum, men er normalt uendelig stor > 2.500 MOhm, så man kan se bort fra denne i beregningerne. Nu skal vi se på værdierne og foretage nogle computer beregninger. Hertil anvendes en Dell Computer med dobbelt RAM. Alle værdier skal indsættes i MKSA systemet. Frekvensen i Hz, Kapaciteten i Farad, Selvinduktionen i Henry, Modstand i Ohm, Strøm i Ampere og spænding i Volt. Der er brugt flg. præfikser i formlerne: M=106, K=103, m=10-3, µ=10-6, n=10-9 |
|
De kendte størrelser for min transducer er:
C = 3nF, RsL = 8,6Ohm, f = 125kHz og Vpp 500V = Vp 250V
|
For resonansbetingelse i en elektrisk svingningskreds gælder flg. ZL = Zc, (induktive modstand ZL og kapacitive modstand Zc ophæver hinanden ved resonans også kaldet reaktanser = blindmodstande. Der bliver kun den Ohmske modstand tilbage - tabsmodstanden hvori den virkelige effekt afsættes).
Zc = 1/(omega * C) = 1/(2*phi*125K*3n) = 424 Ohm L = ZL / 2 * phi * f = ZC / 2 * phi * f = 424 / 2* phi * 125K = 540 uH ZL = omega*L = 2*phi*125K*540u = 424 Ohm Omega = 2*phi*f (vinkelhastighed m/sec), ( f = 1/t ) f = 1/(2*phi*(L*C)^-2) = 1/(2*phi*(540u*3n)^-2) = 125 kHz Serietabsmodstanden RsL i generatorspolen kan omregnes til en paralleltabsmodstand Rp efter flg. formel: Rp = ZL2/RsL = 4242/8,6 = 21 KOhm Godheden for en spole Q = ZL/RsL = 424/8,6 = 49 Rres = ZL*Q = 424*49 = 21 KOhm En tabsfri parallelsvingningskreds ved resonans har uendelig stor modstand. Men virkeligheden er, at den virker som en almindelig Ohmsk modstand med Rres = Rp her 21 KOhm. Vi kan derfor tegne et nyt ækvivalent diagram fig. 6. En vekselspænding behøver ikke altid at gå gennem 0 (nul). Den kan godt være overlejret på en jævnspænding. Vpp er målt til 500 Volt, hvilket giver Vp 250 Volt, men vi skal bruge Vrms for at udregne den effekt, der afsættes i Rres = Rp. Vrms = Vpp/(2 * 2-^2) eller Vp/2-^2 = 500/2,82 eller 250/1,41 = 177 V Vi har nu alle værdier til at udregne den afsatte effekt i transduceren: P = Vrms^2/Rres = 177^2/21K = 1,492 W eller 1.492 mWatt |
|
Som man kan se, der er langt op til 100W eller mere, som nogle hævder der afsættes i transduceren. Hvis der virkelig skulle afsættes 1000W i en transducers ækvivalente tabsmodstand ville regnestykket se således ud:
Vrms = (P*Rres)-^2 = (1000*21K)-^2 = 4.573 V over transduceren. Irms = (P/Rres)-^2 = (1000/21K)-^2 = 0,22 A udgangsstrøm. Forklaringen på dette ligger i begrebet "Vekselstrømseffekt". Beregner man den øjeblikkelige effekt (V*A) under hensyntagen til fortegn, viser det sig, at effekten ved en Ohmsk modstand er en stadig vekslende værdi, som dog altid vil være positiv. Ved en kondensator eller en spole vil der opstå en vekslende positiv og negativ værdi, således at middelværdien over en periode vil være 0 (nul). Der er her ikke tale om nogen effekt, men derimod om en blindeffekt. Her bliver der i den ene halvperiode optaget en effekt fra strømkilden, mens den igen afgives til strømkilden i den næste halvperiode. Forekommer der i en vekselstrømskreds en impedans, vil produktet af spændingen og strømmen (V*A) give en tilsyneladende effekt, der måles i Volt Ampere (VA), der vil være større end den virkelige effekt. Der er netop en impedans (ZL og Zc) på 424 Ohm i svingningskredsen. Det er disse der er begrebet til blindeffekt: Pblind = Vrms^2/ZL eller Vrms^2/Zc = 177^2/424 = 73,6311 VA ~= 74 VA Den effektive effekt og blind effekt kan sammenstilles geometrisk (ved trekanter) eller Pythagoras læresætning: Pres = (P^2 + Pblind^2)-^2 = (1,492^2+73,6311^2)-^2 = 73,6461 VA ~= 74 VA. Heraf ses, at det er blind effekten, der er den dominerende størrelse. Du kan se ovenstående computer beregningerne for transduceren på en ny side ved at klikke her. Derfor er det den på 74 VA, som forhandlerne opgiver, det lyder af mere end blot 1492 mW eller 1,492 W. Må jeg også prøve på at forklare fænomenet uvidenskabeligt: Måske mere forståeligt for menig mand/kvinde. Prøv at sammenlign en parallelsvingningskreds med en gynge, hvor begge to er sat i gang. Parallelsvingningskredsen med en spænding. Gyngen med dine hænder. I parallelsvingningskredsen skifter energien mellem kondensatoren og spolen i al evighed, HVIS disse to komponenter var tabsfrie. Gyngen vil også svinge i al evighed, HVIS der ingen luftmodstand, gnidningsmodstand og tyngdekraft var. Der er altså et tab begge steder. Hvis vi tilføre parallelsvingningskredsen en energi, der svarer til dette tab, fortsætter parallelsvingningskredsen med at svinge med sin resonans frekvens. I det beregnede tilfælde var energitabet 1,492 W for at udnytte en blindeffekt inde i parallelsvingningskredsen på 74 VA. Du kan holde gyngen i gang med et lille "puf", hver gang den kommer tilbage til dig med en kinetisk energi, der svarer til: Ek = ½ * m * (v1-v2)^2. Det er dette, der udgør tabet i gyngen. |
|
Vi skal nu se på, hvilke blokke der er nødvendige for at konstruere et simpel ekkolod til brug for fiskeri fra en båd. Ekkoloddet skal naturligvis være batteri drevet og må gerne kunne tilsluttes en 12 V akkumulator i en motorbåd. Strømmen i ekkoloddet skal være moderat, således at batterierne ikke drænes for hurtigt. Komponenterne skal være billige, let tilgængelig, og det skal være muligt at lave ekkoloddet hjemme på "køkkenbordet". Blokdiagrammet ses ovenfor på fig. 2, og jeg skal nu beskrive hver enkelt bloks funktion og lave et egnet kredsløb. De tre blokke er: Pulsgenerator med pulsed 125 kHz oscillator, 125 kHz forstærker med integrator og Bistabil MultiVibrator (BMV).
|
|
Først strømforsyningen. Der bruges 8 stk 1,5 V batterier. Det er op til dig selv at vælge størrelsen på disse. Finder du et egnet kabinet, som kan indeholde 8 stk D Size, så brug dem. Ellers går du ned i størrelse: C Size. Jeg selv har brugt AA Size.
Transduceren er købt færdig hos en forhandler, der sælger ekkolod. Jeg har valgt en transducer der "svinger" med en frekvens på 125 kHz. Pulsgeneratoren er opbygget som en blokeringsoscillator, hvori transformatoren går i mætning. Med denne kobling er man ud over problemet med varierende pulstider ved udskiftning af transistorer med forskellige ß værdier. Der kræves kun, at ß er over en hvis størrelse, så det ikke er transistoren, der går i mætning først. I princippet er en blokeringsoscillator en modkoblet forstærker med positiv tilbagekobling. Da man kan vende faserne med en transformator, er det vigtig, at disse vendes korrekt. Virker det ikke, vendes blot en af ledningerne på enten primær siden eller sekundær siden. Tiden tp er altså bestemt af den tid det tager for at transformatoren går i mætning. Pulsafstanden T skal bestemmes ud fra F.S.D. for de tre vanddybder. Løses ligningen overfor: s = c * t / 2 med hensyn til T, får vi følgende tre tider: T = 2 * s / c = 2 * 10 / 1500 = 0,013 Sec = 14 mSec for 10 meter T = 2 * s / c = 2 * 30 / 1500 = 0,040 Sec = 42 mSec for 30 meter T = 2 * s / c = 2 * 60 / 1500 = 0,080 Sec = 84 mSec for 60 meter Der gives ca. 5% tillæg på tiderne. På det endelige diagram ses de tre trimmer P1, P2 og P3, som indstilles for korrekte tider. Blokeringsoscillatoren efterfølges af en emitterfølger forstærker med høj indgangsimpedans, således kredsløbet ikke belastes nævneværdigt. En emitterfølger forstærker har altid en forstærkning under 1. Pulsen tages ud over emittermodstanden R4 og føres ind på basis af transistoren Q1. Q1 er en pulserende oscillator og generatorspolen skal både afstemmes til transducerens frekvens - se ovenfor - og have impedans tilpasning til Q1. Jeg skal afholde mig fra at komme ind på beregningen af impedans tilpasningen af spolen (foreløbig). Udtagne er fundet ved en forsøgs opstilling, og det virker. |
Fig. 7 |
|
På diagrammet fig. 7 ses en omskifter med 2 lag og 3 stillinger, det er denne, man vælger vanddybden med. Den anden "omskifter" (S1) er en push-switch, som bruges til at indstille instrumentet 0-stilling med. Pulsgeneratorens signal til målekredsen - den bistabile multivibrator - kortsluttes og derved skal instrumentet vise 0. 0 stilling indstilles med P4 i den bistabile multivibrator.
Kernen i generatorspolen kan justeres med en isoleret trimmerpind. Dette kan gøres på to måder, enten ved hjælp af et oscilloscop eller på stor vanddybde. Et oscilloscop tilsluttes TP1 og kernen justeres til max. pulserende 125 kHz amplitude. Det kan også lade sig gøre at finde max. følsomhed på ca. 20 meter vand ved at dreje kernen lidt frem og tilbage, og så finde en midterstilling, hvor signalet er stabilt. Det er en god ide at placere generatorspolen således, at man kan trimme denne gennem et hul i kabinettet. |
|
Det reflekterede ekko er meget svag og skal derfor forstærkes kraftig op, inden det sendes ind i en integrator. Forstærkeren er en tretrins forstærker, hvoraf de to første trin Q1 og Q2 er afstemte kredse og tredje trin Q3 er uafstemt. Integratoren er Q4.
Forstærkeren giver ca. 105 dB inden signalet går ind i integratoren. I skrivende stund eksperimenteres med at gøre anden trin Q2 variabel - indsætte en gain kontrol for max. vanddybde (60 meter) - således evnt. falske ekkoer fra skruens turbulens forhindres under sejllads. Så kan man forøge loddets følsomhed, når man fisker, og derved opspore enkelte mindre fisk eller fiskestimer. |
Fig. 8 |
|
Udlæsningen fra et ekkolod kan vises på mange måder. Man kan købe et færdig ekkolod med en lille plasma skærm for 2.000,00 kr, men det er sjovere at bruge et ekkolod, som man selv har fremstillet og forstår dets virkemåde.
En enkelt måde at vise vanddybden på vil være at bruge et viser instrument, hvor skalaen er inddelt til F.S.D. for de tre vanddybder: 10 meter, 30 meter og 60 meter. Jeg bruger et drejespoleinstrument med F.S.D for 1 mA. Skalaen har jeg selv lavet på en PC og limet over den originale skala. Den bistabile multivibrator kan anvendes til at vise den målte tidsforskel mellem generator pulsen og det reflekterede ekko. Tidsforskellen omsættes dog til vanddybde, da det er denne, vi er interesseret i. |
||
|
||
|
Billedet ovenfor fig. 9 er en opstilling over måden, hvorpå man justerer 'ZERO' på instrumentet. Billedet ovenfor fig. 10 er en opstilling over måden, hvorpå man justerer F.S.D. på instrumentet. Dette er kun vist, hvis man selv ønsker at eksperimentere med bistabile multivibratorer (BMV).
I praksis for dette ekkolod foretages disse indstillinger ved at holde 'Push-SW1' inde og indstille instrumentet til 0 ved hjælp af potentiometeret P4. Dette potentiometer er et internt trimmerpotentiometer, som kun skal indstilles een gang for alle. F.S.D. foretages ved at holde 'Push-SW2' inde og indstille instrumentet til fuldt udslag ved hjælp af potentiometeret P5. Dette potentiometer er et eksternt potentiometer, som skal indstilles, hver gang ekkoloddet tages i brug. Begrundelsen er, at afbryderen også er på dette potentiometer, samt at batterispændingen kan variere med tiden. Komplet diagram findes her. |
I min søgning på nettet har jeg fundet disse artikler: Refitting a Dept Sounder Transducer by Jim Hebert. Artiklen er på engelsk og beskriver de overvejelser, man gør, hvis ens ekkolod er OK, men transduceren er "udbrændt".
Mounting instruction Dept transducer + amplifier box Artiklen er på engelsk og beskriver, hvorledes transduceren og selve ekkoloddet monteres i båden.