Материал: Проектирование судового измерительно-вычислительного комплекса, предназначенного для осуществления измерений навигационных параметров судна и их дальнейшей математической обработки

Проектирование судового измерительно-вычислительного комплекса, предназначенного для осуществления измерений навигационных параметров судна и их дальнейшей математической обработки

Анотація

У даному курсовому проекті розробляється вимірювально-обчислювальний комплекс.

Початковим етапом розробки є проектування і розрахунок п`єзоелектричного перетворювача і розрахунок характеристик приймально-передавального тракту акустичної антени ехолота.

Далі виробляється аналіз вхідних даних у вимірювально-обчислювальний комплекс пристроїв: геоэлектромагнитного вимірника плину і швидкості судна; кореляційного лага, використаного для виміру відносної швидкості судна. Для збільшення точності визначення миттєвих координат місця розташування судна до складу вимірювально-обчислювального комплексу введена система корекції координат по супутниковiй радионавiгационнiй системi (GLONASS).

Також у проект включене складання структурної схеми числення шляху за інформацією від лага і гірокомпаса; структурної схеми автопрокладки;

алгоритму аналітичного числення навігаційних даних, по якому задача числення буде виконуватися в процесорі.

У завершенні розробки є розрахунок надійності перетворювача кореляційного лага SAL-840.

Розробка системи ґрунтується на аналізі існуючих аналогічних систем з використанням джерел патентної інформації.

Аннотация

В данном курсовом проекте производится разработка измерительно-вычислительного комплекса.

Начальным этапом разработки является проектирование и расчет пьезоэлектрического преобразователя и расчёт характеристик приёмо-передающего тракта акустической антенны эхолота.

1. Далее производится анализ входящих в измерительно-вычислительный комплекс устройств: геоэлектромагнитного измерителя течения и скорости судна; корреляционного лага, используемого для измерения относительной скорости судна. Для увеличения точности определения мгновенных координат местоположения судна в состав измерительно-вычислительного комплекса введена система коррекции координат по спутниковой радионавигационной системе (glonass).

Также в проект включены составление структурной схемы счисления пути по информации от лага и гирокомпаса; структурной схемы автопрокладки;

алгоритма аналитического счисления навигационных данных, по которому задача счисления будет выполняться в процессоре.

В завершении разработки является расчет надежности корреляционного лага SAL-840.

Разработка системы основывается на анализе существующих аналогичных систем с использованием источников патентной информации.

Annotation

the given academic year project development of the measure-computer complex is made.initial stage of development is designing and calculation magnetstriction the converter and characteristics of a receiv-transmitting path of the acoustic aerial echolot.the analysis of devices included in the measure -computer complex is made: a geoelectromagnetic measuring instrument of current and speed of a vessel; the induction log used for measurement of relative speed of a vessel and a corner сноса under influence of a wind. For increase in accuracy of definition of instant coordinates of a site of a vessel the system of correction of coordinates is entered into structure of the measure -computer complex on global positioning system (GLONASS).in the project are included drawing up of the block diagram of notation of a way under the information from a log and a magnetic compass; the block diagram of an autolining;of analytical notation of the navigating data on which the problem of notation will be carried out in the processor.

In end of development calculation of reliability of the converter pressure - time of induction log “SAL-840” is.engineering is based on the analysis of existing similar systems with use of sources of the patent information.

Введение

В настоящее время на судах нашли широкое применение комплексные измерительно-вычислительные системы, осуществляющие измерения, обработку навигационной информации и определение требуемых параметров путем обработки сигналов и решения соответствующих аналитических зависимостей.

Комплексирование упрощает эксплуатацию и управление аппаратурой, снижает массогабаритные и мощностные характеристики, уменьшает общую стоимость и значительно повышает эффективность использования и надежность.

В данном курсовом проекте проектируется судовой ИВК, предназначенный для осуществления измерений навигационных параметров судна и их дальнейшей математической обработки. Комплекс позволяет производить определение глубины в районе местонахождения судна, сноса судна под воздействием течения и ветра, счисление текущих координат его местоположения, коррекцию счисленных координат по информации от радионавигационной системы.

1. Требования Регистра к навигационному оборудованию морских судов

. Навигационные приборы и устройства должны быть по возможности простыми по конструкции и электрической схеме, удобными в обслуживании и безопасными в работе.

. Навигационное оборудование судна должно иметь высокую надёжность, обеспечивающую длительную работу в судовых условиях.

. Отдельные виды навигационных приборов и устройств, предназначенные для постоянного нахождения в рабочем состоянии (компасы, лаги и т.п.), должны быть рассчитаны на длительную непрерывную работу.

. Все навигационные приборы и устройства должны иметь соответствующее защитное исполнение, быть рассчитаны на рабочие условия и выдерживать механические и климатические испытания не ниже следующих норм :

a) при качке и длительных наклонах не менее чем до 45º с периодами качки 7-9 с, в 2-х взаимно перпендикулярных эксплуатационных положениях в течении 5 мин.

б) при ударных нагрузках с ускорением 10g и частоте 40-80 ударов в минуту в 3-х взаимоперпендикулярных положениях с общим количеством ударов не менее 1000.

в) при вибрациях в диапазонах частот от 5 до 80 Гц с амплитудой ±1,6 мм - для частот от 5 до 13,2 Гц, и ускорения 1g для частот от 13,2 до 80 Гц в 3-х взаимоперпендикулярных положениях.

г) при t = 55 ± 3ºС - для оборудования предназначенного для работы во внутренних помещениях судна; 65 ± 3ºС - для оборудования предназначенного для работы на открытых палубах судна в течении 10 часов в рабочем состоянии, а также при t = 70 ± 3ºС - в нерабочем состоянии в течении 6 часов.

д) при относительной влажности воздуха 95 ± 3% и t = 40 ± 3ºС в течении 10 суток.

. Все навигационные приборы и устройства должны иметь приспособления для надёжного крепления на штатном месте. Допускается также применение соответствующих амортизирующих устройств.

. Каждый полный комплект навигационного прибора должен быть рассчитан на обслуживание его одним оператором.

. На внешней стороне корпуса каждого прибора, входящего в навигационное оборудование, должны быть указаны изготовитель, тип или модель, номер и год выпуска изделия.

. Число органов управления, их расположение и способ функционирования, место и взаиморасположение, размер должны обеспечивать простое, быстрое и эффективное управление.

. Все узлы, элементы и детали электрической и кинематической схем прибора должны иметь прочную маркировку в соответствии с принципиальными схемами.

. Навигационные приборы должны быть рассчитаны на питание одним или несколькими напряжениями судовой сети : постоянного тока 24, 110, 220 В; однофазного переменного тока частотой 50 Гц - 110, 127, 220 В; трёхфазного переменного тока частотой 50 Гц - 220 В.

. Все навигационные приборы и устройства должны быть такой конструкции, которая обеспечивает сохранение технических параметров при изменении напряжения судовой сети на ±10% и частоты на ±5%.

. Сопротивление изоляции для отдельных цепей должно быть :

a) при нормальных климатических условиях - 20МОм ;

б) при t = 50 ± 2ºС и относительной влажности 95 ± 3% - 5МОм ;

в) при t = 40 ± 2ºС и относительной влажности 95 ± 3% - 1МОм .

. Визуальные указатели отсчётов величин и встроенные электроизмерительные приборы, оперативно используемые при эксплуатации, должны быть расположены на передней панели навигационного прибора.

. В навигационных приборах должна предусматриваться возможность их сопряжения с другими навигационными приборами и с автоматизированным навигационным комплексом.

2 Расчет пьезоэлектрического преобразователя

2.1 Расчет главного максимума характеристики направленности антенны

Расчетное значение скорости звука в воде .

Период килевой качки судна .

Максимальная измеряемая глубина .

Период следования зондирующих импульсов

.

Период бортовой качки судна .

Амплитуда килевой качки .

Амплитуда бортовой качки .

Расчет ширины главного максимума по бортовой качке

Расчет ширины главного максимума по килевой качке

Таким образом, значение ширины главного максимума характеристики направленности антенны, рассчитанное с учетом только бортовой качки, больше значения, полученного при учете килевой качки.

Принимаем

.2 Расчет оптимальной рабочей частоты

Оптимальная рабочая частота определяется по следующей эмпирической формуле

.

Для уменьшения потерь на излучение и улучшения характеристик приемопередающего тракта рабочая частота принята равной .

Угловая частота

.

Длина излучаемой волны

.

Волновое число

.

Площадь излучающей поверхности

.

Пьезоэлектрический преобразователь выполнен из пьезокерамики марки ЦТС-10, некоторые физические свойства которой приведены в таблице 1.

Таблица 2.1- Свойства пьезокерамики ЦТС-10.

2.3 Расчет размеров преобразователя

Активный элемент проектируемого гидроакустического пьезоэлектрического преобразователя имеет форму полого кругового цилиндра (кольца). Работа излучателя основана на продольном пьезоэффекте. Поляризующее электрическое поле создается двумя электродами, расположенными на торцевых поверхностях излучателя. Конструкция активного элемента приведена на рисунке 1.

Для анализа характеристик гидроакустических преобразователей используются эквивалентные схемы, отражающие процесс преобразования энергии из электрической в механическую, происходящий в преобразователе при его работе.

Рисунок 2.1- Активный элемент преобразователя.

Эквивалентная схема преобразователя, работающего в режиме излучения, приведена на рисунке 2. В данном случае ключ  замкнут. Эта схема включает в себя входы для подключения генератора возбуждения, электрическую цепь - параллельное соединение  и , электромеханический трансформатор с коэффициентом передачи  и механическую цепь, , , . Величины ,  и отражают потери энергии в электрической цепи, механической части (главным образом в элементах конструкции) и на излучение соответственно. Составляющие  и  это инерционное и упругое сопротивления преобразователя,  - инерционное сопротивление соколеблющейся массы .

Эквивалентная схема, приведенная на рисунке 2, может быть использована также для анализа характеристик преобразователя, работающего в режиме приема. В данном случае ключ  разомкнут. Таким образом в состав схемы вводится источник энергии звукового поля с ЭДС .

Размеры излучателя рассчитываются из условия возникновения в нем резонанса при воздействии механических колебаний, обусловленных продольным пьезоэффектом.

Длина излучателя

.

Рисунок 2.2 - Эквивалентная схема преобразователя.

Средний радиус излучателя

.

Внешний радиус кольца принят равным .

Толщина кольца

.

Внешний диаметр кольца

.

Внутренний радиус излучателя

.

Расстояние между электродами преобразователя .

Площадь поперечного сечения излучателя

.

Таким образом, площадь сечения излучателя меньше требуемой площади поверхности излучения антенны, поэтому на один торец излучателя необходимо установить накладку.

.4 Расчет накладки

Накладка представляет собой тонкий сплошной диск, ось которого совпадает с осью пьезоэлектрического излучателя. Материал накладки - сталь 35 с плотностью .

Диаметр накладки

.

Толщина накладки принята равной .

Масса накладки

.

Эквивалентная масса преобразователя

.5 Расчет характеристик антенны

Коэффициент электромеханической трансформации

.

Сопротивление излучения

.

Расчет длительности зондирующего импульса

.

Удельная акустическая мощность антенны выбирается таким образом, чтобы предотвратить возникновение кавитации. В таком случае удельная акустическая мощность .