Разработка автономного радиомаяка

Диплом Разработка автономного радиомаяка

Введение

Актуальной проблемой на сегодняшний день является разработка новых методов получения электрической энергии, необходимой для питания электрооборудования автономных устройств, к которым относятся навигационные буи, речные бакены и т. п. В них источниками электропитания обычно являются сухие гальванические батареи и аккумуляторы различных типов. Существуют устройства, в которых энергия вырабатывается от течения воды и ветра. Эти устройства состоят из гидротурбины или лопастей, соединяющиеся с электрогенератором.

В данном дипломном проекте предлагается навигационный буй, в котором электрическая энергия вырабатывается при воздействии на него течения, ветровой нагрузки и волнения поверхности воды. Устройство содержит маятник, находящийся в надводной части буя, отклоняясь на некоторый угол, он воздействует на пьезоэлемент, в результате механические напряжения вызывают появление электрических зарядов на электродах пьезоэлемента, полученная электрическая энергия преобразуется в необходимое напряжение питания, накапливается и поступает к электрооборудованию буя: фотоавтомат (с лампой накаливания), радиопередатчик. Таким образом, в данном устройстве используется свойство прямого пьезоэлектрического эффекта, т. е. возникновение электрической поляризации под действием механического напряжения.

1. Анализ состояния проблемы навигационный буй пьезоэлектрический генератор Буй (гол. boei) устанавливается на якоре в проливах, каналах, портах или морях с целью ограждения банок, мелей, рифов и других опасных мест. В зависимости от места расположения различают морские, речные, лиманные и канальные буи. По характеру видимого силуэта сигнальной фигуры плавучие знаки делятся на четыре типа: 1-й тип — треугольный, 2-й тип — прямоугольный, 3-й тип — круглый, 4-й тип — линейный. К последнему типу относятся знаки удлинённой формы — ледовые буи и вехи. Высота расположения огня над уровнем воды составляет от 1 до 3 м. Буи в основном изготавливают из металла, причём морские буи обладают к тому же хвостовой частью (противовесом). Могут дополнительно снабжаться огнями, отличительными фигурами, радиолокационными маяками-ответчиками и звукосигнальными устройствами (свистком, колоколом). Окраска и освещение зависят от принятой системы расстановки плавучих знаков.

Принятые в 1979 году на XI Ассамблее Международной морской организации (IMO) решения о создании Глобальной морской системы связи при бедствии (ГМССБ или GMDSS) стимулировали создание специальных, принципиально новых средств для подачи сигналов бедствия и проведения поисково-спасательных операций, позволяющих потерпевшим бедствие стать их активными участниками на любом этапе.

Входящие в состав ГМССБ радиоэлектронные средства, предназначенные для использования при бедствии, выполняют следующие функции:

1) передачу сигналов для сообщения о бедствии, опознавания терпящего бедствие и определения его координат вне зависимости от района аварии;

2) передачу сигналов для обнаружения терпящих бедствие и наведения на них спасательных судов или летательных аппаратов;

3) обеспечение связи на месте проведения поисково-спасательных работ и координации действий спасателей и спасаемых.

Для выполнения этих функций в состав каждого судна должны входить следующие обязательные радиоэлектронные средства:

1) аварийный радиобуй АРБ-406 спутниковой системы поиска и спасения КОСПАС-САРСАТ;

2) радиолокационный маяк-ответчик;

3) переносная УКВ — радиостанция.

Особое место в Глобальной морской системе связи при бедствии занимает Международная спутниковая система поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ, являющаяся единственным средством, способным в любое время суток, в любых гидрометеорологических условиях и в любой точке земного шара обнаружить терпящее бедствие судно, опознать его и определить с высокой точностью его координаты.

При аварии судна радиобуй активируется. Это либо происходит автоматически при попадании радиобуя в воду, либо буй активируется вручную. Включенный АРБ излучает радиосигналы на частотах 406,025 МГц (спутниковый канал) и 121,5 МГц (радиомаяк). На большинстве радиобуев устанавливаются световые импульсные маяки для их визуального обнаружения в темное время суток, а иногда и радиолокационный спасательный ответчик.

Сигналы спутникового канала используются для передачи сигналов бедствия, опознавания (определения идентификационного номера АРБ) и определения его координат. Сигналы радиомаяка с частотой 121,5 МГц используются для поиска терпящих бедствие и наведения на них поисковых самолетов, вертолетов и судов, оснащенных УКВ — пеленгаторами.

Сигналы АРБ с частотой 406 МГц принимаются вращающимися на низких орбитах ИСЗ и ретранслируются на наземные станции для дальнейшей обработки — определения координат, опознавания и передачи сообщения о бедствии в координационный центр, в зону ответственности которого входит место бедствия. Идентификация и опознавание АРБ осуществляется по идентификационному номеру, выделяемому в России Государственным предприятием МОРСВЯЗЬСПУТНИК, устанавливаемому на заводе-изготовителе и содержащемуся в сигнале спутникового канала.

К аварийным радиобуям можно отнести следующие: АРБ-М-406, АРБ-МКС, АРБ-МКС-01, АРБ-ПК, АРБ-ПК-10, АРБ-ГС, АРБ-Е3 и др. [3,4].

В таблице 1.1 приведены технические характеристики АРБ-М-406.

Таблица 1.1

Для улучшения эффективности радиолокационного обнаружения объектов с низкой эффективной поверхностью рассеивания в ГМССБ введен радиолокационный маяк-ответчик (РМО), предназначенный для установки на спасательные плоты и шлюпки и являющийся обязательным элементом любых морских судов.

РМО представляет собой приемопередатчик, работающий на частоте 9 ГГц, выделенной для судовых и авиационных радиолокаторов. РМО имеет встроенный источник питания — батареи, обеспечивающие их длительное хранение в заряженном состоянии. На больших судах РМО входят в комплект спасательных плотов или шлюпок и после их спуска на воду устанавливаются на заранее предусмотренные для этого места. Будучи включенным, РМО сразу начинает работу в ожидающем режиме.

При облучении РМО сигналами радиолокатора он начинает излучать ответные сигналы, которые легко обнаруживаются радарами и отображаются на их экранах в виде характерной прямой прерывистой линии из точек, позволяющей легко обнаружить терпящих бедствие на фоне отражений от различных объектов, определить направление на ответчик и дальность до него. Для оповещения терпящих бедствие о подходе спасателей в РМО имеется звуковая или световая индикация, сообщающая об их облучении сигналами судовых или авиационных радиолокаторов.

Согласно техническим условиям, РМО должны работать в ожидающем режиме в течение 96 часов при температуре окружающей среды от -20 до +50°С и обеспечивать прием радиолокационных сигналов и генерацию ответного сигнала в штормовых условиях на расстоянии по меньшей мере 15 миль от радиолокатора.

К РМО можно отнести следующие: радиомаяк Р-855А2, РМО RT-9, РМО «ГУММИТ» и др. [4,5,6].

В таблице 1.2 приведены технические характеристики радиомаяка Р-855А2.

Таблица 1.2

Светосигнальные приборы, применяемые на внутренних водных путях, содержат источник света и оптическую систему (линзу или отражатель), перераспределяющую световой поток источника. Для изменения цветности светового пучка используют соответствующие светофильтры. Сочетание источника света, оптической системы и светофильтра принято называть светооптической системой или световой частью прибора.

Источники света подразделяются на два основных вида — тепловые и люминесцентные. К тепловым источникам относятся электрические лампы накаливания и все пламенные источники света (ацетиленовые, пропановые).

В таблице 1.3 приведены технические характеристики электрических ламп накаливания.

Для водных сигнальных ламп нормируется минимальная продолжительность горения — число часов горения, до которого должно догорать не менее 85% ламп. При этом снижение светового потока от минимального, установленного техническими условиями, должно быть не более чем на 11 — 14% у ламп на 6 В и не более чем на 28 — 40% у ламп на 2,5 В.

К люминесцентным источникам света относятся газоразрядные, полупроводниковые и радиоизотопные.

Газосветные трубки — газоразрядные источники света, в которых используют свечение тлеющего разряда в инертных газах. К ним можно отнести ГР-20 (газосветная, рекламная, номинальный ток 20 мА) с диаметром от 10 до 18 мм, ГСК-5 и ГСЗ-5 (номинальный ток 5 мА). Напряжение горения может изменяться от нескольких сот до 1000 В и более. Напряжение зажигания в 1,5 — 2 раза выше напряжения горения. Продолжительность горения составляет 6000 часов и выше.

Таблица 1.3

Существуют автоматические устройства, управляющие навигационными огнями, которые называются фотоавтоматами. Их основные функции:

1) включение навигационных огней на период тёмного времени суток и выключение их на светлое время суток (для этого в фотоавтоматах имеются светочувствительные фотодатчики);

2) создание временных режимов горения огней (предусмотренных ГОСТ 133 311–74) — проблескового, затмевающегося, двухпроблескового, частопроблескового, группочастопроблеско-вого и режима постоянного горения огня. Для этого в фотоавтоматах имеются времязадающие генераторы.

В зависимости от применяемых ламп напряжение источника питания фотоавтоматов может составлять 1,7 — 16,0 В и 220 В (сетевое напряжение).

Для плавучих навигационных знаков к автономными источниками питания можно отнести сухие гальванические батареи (для разных типов батарей начальное напряжение составляет 1,28 — 1,3 В, конечное напряжение — 0,7 — 1,0 В; допустимый ток разряда при непрерывном режиме горения — 0,25 -0,6 А, в проблесковом режиме — 0,5 — 1,2 А; диапазон рабочих температур составляет от минус 15 до плюс 40 ⁰С), щелочные аккумуляторы (ЭДС полностью заряженного аккумулятора составляет 1,4 — 1,45 В, при подключении нагрузки — 1,2 В; номинальный зарядный и разрядный ток составляет 11,25 — 31 А и 5,65 — 12,50 А соответственно; диапазон рабочих температур составляет от минус 20 до плюс 40 ⁰С), солнечные батареи (ЭДС, не менее 9,1 В; ток короткого замыкания, не менее 0,78 А; номинальный ток при напряжении 7 В, не менее 0,66 А; диапазон рабочих температур составляет от минус 30 до плюс 50 ⁰С), радиоизотопные генераторы и др.

Сухие гальванические батареи и щелочные аккумуляторы содержат в себе редкоземельные материалы, что является причиной высокой стоимости таких источников питания.

Известны устройства, которые вырабатывают энергию при воздействии альтернативных источников, таких как проточная вода (реки, ручьи), ветер, обладающие кинетической энергией, основным элементом которых является гидротурбина или лопасти и генератор электрической энергии.

Гидравлической турбиной называется двигатель, предназначенный для преобразования энергии водного потока в механическую энергию. При помощи гидрогенератора, ротор которого обычно укрепляется на одном валу с турбиной, механическая энергия вращения преобразуется в электрическую.

Гидравлические турбины по характеру передачи энергии водного потока рабочему колесу делятся на две группы: реактивные и активные. К реактивным турбинам можно отнести три типа: радиально-осевые, пропеллерные и поворотно-лопастные, а к активным — ковшовые (свободноструйные) турбины.

Классификация гидротурбин приведена в таблице 1.4.

Таблица 1.4

Серьёзным недостатком гидротурбин является резкое снижение к. п. д. при расходах, меньших расчётного. Например, у пропеллерных турбин при расходе воды около 30% расчётного к. п. д. приближается к нулю.

К устройствам, содержащих гидротурбину или лопасти и генератор электрической энергии, можно отнести речной навигационный буй со встроенной гидроэнергетической установкой, генератор универсальный, машина для преобразования энергии воды, сигнальный буй, энергоагрегат, плавучая маломощная гидроэлектростанция с вертикальным ротором, бакен с автоматическим проблесковым огнём, устройство для преобразования энергии гидравлического потока в электрическую [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15].

Наиболее уязвимым элементом таких устройств является гидротурбина. К её недостаткам можно отнести непостоянные обороты, ржавление, что требует проведения регулярного технического обслуживания. Также гидротурбина может подвергаться механическим повреждениям от мусора, плывущего по реке.

Наиболее ярким представителем этой группы устройств является речной навигационный буй со встроенной гидроэнергетической установкой.

Сущность этого устройства поясняется на рисунке 1.1, на котором изображена конструктивная схема буя со встроенной гидроэнергетической установкой. Центральным элементом буя является поплавок 1, соединяющий надводную часть, выполненную в виде сигнальной фигуры 2, и подводную часть, имеющую ферменную конструкцию. Эта конструкция включает в себя две вертикальные пластины 3, жестко связанные с поплавком 1 и нижней поперечной пластиной 4, которая дополнительно связана с поплавком 1 четырьмя стойками 5. Между вертикальными пластинами 3 и стойками 5 установлена рама 6, в которой на опорах 7 размещена гидротурбина 8 с вертикальным валом 9, соединенным гибкой передачей с валом генератора 10. Генератор 11 размещен в водозащитной камере 12, которая смонтирована на поплавке 1 внутри сигнальной фигуры 2. Вдоль нижнего края поплавка установлен мусорозащитный щиток 13.

Данное устройство функционирует следующим образом. Буй обтекается потоком воды, который взаимодействует с гидротурбиной, поплавком и неподвижными деталями конструкции подводной части буя. Взаимодействие потока с гидротурбиной приводит к её вращению, которое через вал турбины передается ротору генератора. В результате в генераторе вырабатывается электрический ток, необходимый для питания электрооборудования буя.

Монтаж гидротурбины в раме и размещение этой рамы внутри ферменной конструкции в подводной части буя защищают гидротурбину от повреждений. Защита от мусора осуществляется двумя способами. Первый способ — установка мусорозащитного щитка вдоль нижнего края поплавка и второй способ защиты — выбор расстояния между вертикальными пластинами, конструкции гидротурбины и ее размеров такими, чтобы плывущий мусор, мог беспрепятственно проходить через ферменную конструкцию подводной части буя. Вращение гидротурбины способствует ее самоочищению.

1 — поплавок; 2 — надводная часть в виде сигнальной фигуры; 3 — вертикальная пластина; 4 — нижняя поперечная пластина; 5 — стойка; 6 — рама; 7 — опора; 8 — гидротурбина, 9 — вертикальный вал; 10 — вал генератора, 11 — генератор; 12 — водозащитная камера; 13 — мусорозащитный щиток.

Рисунок 1.1 — Речной навигационный буй со встроенной гидроэнергетической установкой Известны также устройства, в которых электрическая энергия вырабатывается в результате прямого пьезоэффекта. К ним можно отнести пьезоэлектрическую газовую зажигалку с узлом жиклера, устройство для воспламенения и сжигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, способ получения разности электрических потенциалов, колесо с трансформацией энергии механической деформации в электрическую, пьезоэлектрический генератор, пьезоэлектрический генератор постоянного тока, устройство для преобразования энергии гидравлического потока в электрическую, генератор постоянного тока, пьезоэлектрическая система зажигания для двигателя внутреннего сгорания [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26].

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями Пьером и Жаком Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии [27, 28, 29].

Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля, причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индивидуальный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им. Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов. Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.

Существует четыре основные группы материалов, из которых изготавливается пьезокерамика: титанат бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС), ниобат свинца, ниобат натрия-калия. Из них наиболее широкое применение получили материалы на основе цирконата-титаната свинца, что объясняется как высокими пьезоэлектрическими параметрами этих материалов, так и возможностью изменять их в широких пределах. В таблице 1.5 приведены характеристики некоторых материалов ООО «Аврора-ЭЛМА». В настоящие время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находят практическое применение.

Таблица 1.5

В работах [27, 28, 29, 30, 31, 32] процессы в пьезоэлектрической среде обычно описывают посредством матричных пьезоэлектрических уравнений (фундаментальных уравнений элементарного объема пьезоэлектрической среды). Эти уравнения выглядят следующим образом:

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

где: D — электрическая индукция;

S — механическая деформация;

Е — электрическое поле;

Т — механическое напряжение;

— модули упругости (модули Юнга), измеренные соответственно при постоянных индукции или поле (тензоры четвертого ранга);

— коэффициенты податливости (тензоры четвертого ранга);

— величины, обратная диэлектрической постоянной (тензоры второго ранга);

— пьезоэлектрический модуль (тензор третьего ранга) численно равен заряду, возникшему на единице поверхности пьезоэлемента при приложении к нему единицы давления [32];

,

— модули, связывающие в определенных условиях электрические и механические величины (тензоры третьего порядка).

При деформации пьезоэлектрика ему сообщается механическая энергия, при приложении электрического поля — электрическая. Коэффициент электромеханической связи есть квадратный корень из той доли механической энергии, которая преобразуется в электрическую, или наоборот. Остальная энергия во время каждого цикла теряется на упругий или диэлектрический гистерезис или рассеивается.

В [17, 21, 24, 25, 26] основным элементом устройства является пьезоэлектрический генератор, который состоит из нажимного элемента, контактирующего с пьезоэлементом и механический привод или магнитострикционный элемент. Привод установлен с возможностью воздействия на нажимной элемент.

Рассмотрим устройство Ч.-К. А. Будревича для преобразования энергии гидравлического потока в электрическую, которое может быть применено для получения электрической энергии из энергии водного потока рек, ручьёв и т. д.

На рисунке 1.2 показано устройство, вид сбоку; на рисунке 1.3 — вид сверху.

Устройство для преобразования энергии гидравлического потока в электрическую содержит пару цилиндрических плавучих колёс 1, снабжённых лопастями 2, закреплёнными на их обечайках, и установленных на концах рамы 3. Колёса 1 могут вращаться вокруг горизонтальных осей 4, поперечных направлению потока, указанного стрелкой. На раме 3 установлен кинематически связанный с колёсами 1 генератор, подключенный кабелем 5 к береговому потребителю электроэнергии. Устройство снабжено механизмом ориентации по потоку, включающим в себя трос 6, закреплённый на береговой опоре.

Генератор выполнен в виде гибкой бесконечной пьезоэлектрической ленты 7, снабжённой электродами, установленной между приводными шкивами 8 и 9. Ветви ленты пропущены между рядами промежуточных контактных роликов 10 и 11, которые изолированы от рамы и кинематически связаны со шкивами 8, 9 и осями 4 плавучих колёс 1 при помощи передачи 12. Ролики 10, 11 выполнены в виде «беличьего колеса» из стержней, которые имеют возможность упругого контакта с одной из сторон верхней или нижней ветви пьезоэлектрической ленты 7, на которых находятся электроды 13 и 14 противоположной полярности.

Для начала работы устройство устанавливают на плаву в потоке. Под действием потока на нижние лопасти 2 плавучие колёса 1 приводятся во вращение и через кинематическую передачу 12 вращают с одинаковой угловой скоростью приводные шкивы 8 и 9, а также ролики 10 и 11. При этом приводится в движение пьезоэлектрическая лента 7. Стержни роликов 10 и 11, входящие как зубья шестерён один в пазы другого, изгибают ленту 7 в противоположные стороны, что вызывает появление на электродах 13 и 14 ленты 7 противоположных электрических зарядов, которые по кабелю 5 передаются береговому потребителю электрической энергии.

1 — цилиндрическое плавучее колесо; 2 — лопасть; 3 — рама; 4 — горизонтальная ось; 5 — кабель; 6 — трос; 7 — пьезоэлектрическая лента; 8, 9 — приводные шкивы; 10, 11 — ролики; 12 — передача; 13, 14 — электроды.

Рисунок 1.2 — Устройство для преобразования энергии гидравлического потока в электрическую (вид сбоку) Рисунок 1.3 — Устройство для преобразования энергии гидравлического потока в электрическую (вид сверху) Недостатками данного устройства являются непостоянные обороты плавучих колёс, а также ржавление элементов конструкции в результате взаимодействия с водной средой. К устройствам, содержащим гидротурбину или лопасти, при достаточно слабом течении, сложно подобрать низкооборотистый электрогенератор. Они эффективны только при постоянном сильном течении реки и не могут быть использованы в водоёмах со стоячей водой.

Конструкция проектируемого устройства позволяет устранить эти недостатки. Здесь не используется гидротурбина, и принцип работы основан на свойстве прямого пьезоэффекта. Все элементы буя располагаются внутри его корпуса, который полностью изолирует их от контакта с внешней средой. Для выработки электрической энергии достаточно небольшого угла крена буя.

2 Выбор и обоснование структурной схемы Исходя из проведённого анализа устройств преобразования механической энергии в электрическую, оценки их достоинств и недостатков выберем структурную схему энергетической установки буя, в состав которой входят:

1) МПВ — механический преобразователь внешнего воздействия в усилие (маятник). Внешним воздействием могут являться волнение водной поверхности, течение и ветровая нагрузка;

2) ПП — пьезоэлектрический преобразователь (набор пьезоэлементов), на который воздействует маятник;

3) П — преобразователь. Преобразует импульсы, вырабатываемые ПП, в необходимое напряжение питания;

4) А — аккумулятор, являющийся резервным источником питания, в случае, когда пьезоэлектрический генератор не вырабатывает энергию;

5) ФА — фотоавтомат (функции см. в первой главе). В состав фотоавтомата входит сигнальный фонарь (лампа накаливания).

Обобщённая структурная схема устройства изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Структурная схема энергетической установки навигационного буя На рисунке 2.2 изображена структурная схема фотоавтомата.

Рисунок 2.2 — Структурная схема фотоавтомата Фотоавтомат состоит из нескольких функциональных блоков: фотодатчика ФД, времязадающего генератора ВЗГ, переключателя ПК и стабилизатора напряжения СН (последний обведен на рисунке пунктирной линией).

В СН входят три функциональных узла — измерительный мост ИМ, усилитель рассогласования УР и регулирующий элемент РЭ. Источником питания является преобразователь, а лампа накаливания обозначена буквой Л.

Пояснение назначения каждого из функциональных блоков и узлов структурной схемы и их взаимодействия следует начать со стабилизатора напряжения СН.

Измерительный мост ИМ отрегулирован так, что при номинальном напряжении на лампе на выходе ИМ управляющего сигнала нет. Если источник питания имеет повышенное напряжение, то на лампе напряжение также может оказаться выше номинального. В этом случае на выходе ИМ появится управляющее напряжение (сигнал рассогласования). Этот сигнал подается к усилителю рассогласования УР, который непосредственно управляет регулирующим элементом РЭ: В результате воздействия УР на РЭ сопротивление РЭ возрастет на величину, необходимую для того, чтобы погасить излишек напряжения на лампе Л. Благодаря этому на лампе непрерывно будет поддерживаться напряжение, равное номинальному.

При напряжении источника питания меньше 2,7 В СН прекращает свое действие как стабилизатор и напряжение на лампе будет равно напряжению на выходе преобразователя за минусом 0,2 В (0,2 — минимальное падение напряжения на РЭ, который включен последовательно с Л).

Действие других блоков осуществляется следующим образом. При освещенности, превышающей пороговую (от 40 до 120 лк), фотодатчик ФД вырабатывает сигнал, необходимый для сработки переключателя ПК. Переключатель через усилитель рассогласования УР воздействует на регулирующий элемент РЭ. Это воздействие приводит к увеличению сопротивления РЭ до величины, при которой ток через него и лампу Л практически прекращается и лампа гаснет. Другими словами, с ростом освещенности ФД посредством ПК гасит лампу. При освещенности меньшей пороговой действие фотодатчика прекращается и лампа загорается вновь.

Времязадающий генератор ВЗГ также вырабатывает сигналы, вызывающие периодическую сработку ПК, который, воздействуя на УР и РЭ, гасит или зажигает лампу Л в нужной последовательности, т. е. создает требуемый режим горения огня (проблесковый, затмевающийся и т. д.). Каждому режиму горения соответствует свой ВЗГ. Шунтирование ВЗГ путем установки предусмотренной в схеме перемычки переводит фотоавтоматы в режим постоянного горения огня.

На водных путях эксплуатируются светящие и несветящие буи. Несветящие буи, число которых незначительно, должны иметь такую площадь сигнальной фигуры, чтобы их можно было обнаружить на заданном расстоянии, и обладать параметрами остойчивости, исключающими их опрокидывание при сильном волнении и при навалах и ударах судов. Ограничений по углам качки и крена к ним не предъявляется.

Основная масса буев — светящие плавучие знаки. Поскольку угол рассеяния света в вертикальной плоскости у светосигнальных приборов мал, а источники света маломощны, крен и качка светящих буев должны быть минимальными.

Создать такую конструкцию буя, которая при приемлемых весовых характеристиках будет иметь малый угол крена на течении и, одновременно, малые углы качки на волне, принципиально затруднительно. Поэтому по своему устройству буи делятся на две группы: одна приспособлена к работе в районах, где преобладающими факторами являются течение и ветровая нагрузка, другая — к работе в районах, где главным фактором является волнение водной поверхности. Буи первой группы называются речными, буи второй группы — озерными и озерно-речными.

Рассмотрим требования к конструкции речных буев.

Максимальный угол крена плавучего знака (в град.) под действием течения или ветровой нагрузки где к — коэффициент обтекания, зависящий от формы (для сплошных цилиндров и конусов подводной части принимается равным 0,46, для подводной части — 1,0 — 1,2);

p — сила давления воды, или ветровая нагрузка, Н;

l — расстояние от точки крепления якорной цепи до центра давления воды или центра парусности, м;

P — водоизмещение буя с навигационным оборудованием и якорной цепью, Н;

h₀ — начальная метацентрическая высота, м.

Выражение 2.1 показывает, что уменьшить угол крена можно за счет увеличения начальной метацентрической высоты, уменьшения площади подводной поверхности буя и парусности надводной сигнальной надстройки, выполнения их в виде хорошо обтекаемых фигур (например, цилиндра или конуса).

Крена на течении теоретически вообще можно было бы избежать, если бы удалось закрепить якорную цепь точно в точке приложения равнодействующей силы давления воды. Во всяком случае, при разработке конструкции речного буя следует предусматривать возможность крепления якорной цепи вблизи этой точки. В нашем случае отклонение буя должно быть таким, чтобы маятник мог воздействовать на пьезоэлектрический преобразователь, исходя из этого, произведём приближённый расчёт среднего угла крена буя согласно выражению (2.1).

Исходные данные (выбраны средние значения параметров по для металлических буев 2-, 4-, 5-, 6-го типоразмеров):

— коэффициент обтекания, k: 0,46;

— сила давления воды, или ветровая нагрузка, p: 1,611•10⁴ Н;

— среднее расстояние от точки крепления якорной цепи до центра давления воды или центра парусности, l: 0,05 м;

— водоизмещение буя, P: 6,807•10³ Н;

— средняя начальная метацентрическая высота, h_0., 0,242 м.

Таким образом, согласно выражению (2.1) угол равен:

Отсюда можно сделать вывод, что отклонения маятника должно быть меньше расчётного угла крена. При воздействии маятника на пьезоэлемент необходимо учитывать предел прочности на сжатие, который по составляет 1,5?10⁷ — 3,5?10⁷ Па.

Рассмотрим требования, которым должны, отвечать конструкции озерного и озерно-речного буев.

Эффективность использования различных конструкций озерных и озерно-речных буев на водохранилищах можно оценить достаточно точно путем рассмотрения вынужденных угловых колебаний этих буев на регулярном установившемся волнении. Амплитуда вынужденных угловых колебаний буя (амплитуда качки) на регулярном установившемся волнении определяется из условия, что его поплавковая часть имеет симметричную обтекаемую форму и малые поперечные размеры па сравнению с длиной волны, а якорная цепь при относительно малой массе допускает свободное перемещение буя на волне. Эта амплитуда равна (в град.)

где ч_и — редукционный коэффициент, учитывающий влияние на качку формы и размеров подводной части буя, а также интенсивности волнения (принимается равным 0,45 — 0,98);

б₀ — наибольший угол волнового склона, град;

Т_и — период свободных колебаний буя на спокойной воде, с;

ф_В — период волны, с;

2м — коэффициент гашения качки (для буев с цилиндрическим хвостовиком большого диаметра он равен 0,2 — 0,3, а для буев с хвостовиками малого диаметра — 0,35 — 0,4).

Рассматривая выражение (2.2), можно сделать вывод, что для уменьшения углов качки нужно, чтобы период свободных колебаний буя Т_и был возможно больше периода волны ф_В.

Период свободных колебаний буя:

где I_X — момент инерции массы буя, кг•м²;

k_и — коэффициент, учитывающий момент инерции присоединенных масс воды и форму подводной части (для буев с цилиндрическим хвостовиком большого диаметра, свободно сообщающегося с забортной водой, k_и = 1,3 — 1,9, а для буев с хвостовиками малого диаметра k_и = 0,2 — 0,7).

Выражение (2.3) показывает, что для буев с заданными весовыми характеристиками I_X и P увеличение периода свободных колебаний возможно за счет уменьшения до допустимых пределов метацентрической высоты h₀ и за счет увеличения влияния момента инерции присоединенных масс воды k_и.

Допустимым для озерных и озерно-речных буев является снижение начальной метацентрической высоты до 0,25 — 0,4 м, что еще позволяет сохранить положительную остойчивость при обслуживании буев с борта судна (без высадки на буй человека), а также при обледенении в осенний период навигации у навалах на буй проходящих судов.

Наглядно зависимость угла качки от параметров волны (б₀ и ф_В) и характеристик буя можно проиллюстрировать на графиках, показывающих связь между так называемым коэффициентом динамичности качки К_Д = и_m/(б₀ ч_и) и отношением периодов Т_и/ф_В для различных значений коэффициента гашения м. Указанные графики, построенные на базе выражения (2.2), приведены на рисунке 2.3.

Из рисунка 2.3 видно, что значительное уменьшение качки достигается, когда период свободных колебаний буя в 1,5 — 2 раза превышает период волны. И, наоборот, наибольшие амплитуды качки, сопровождающиеся резонансными явлениями, будут иметь место, когда период свободных колебаний буя близок к периоду волны или меньше его.

В среднем, на большинстве водохранилищ периоды волны составляют 2,2 — 4,5 с при высоте их 0,5 — 0,2 м, причем в течение 70 — 80% длительности навигации высота волн не превышает 0,5 — 1,0 м, а периоды 2,7 — 3,5 с. Для более эффективного действия установленных на буях светосигнальных приборов нужно, чтобы периоды собственных колебаний озерных буев были не менее 5 — 7 с, а озерно-речных буев, эксплуатируемых при более слабом волнении, — не менее 4 — 4,5 с.

Рисунок 2.3 — Зависимость коэффициента динамичности качки буя К_Д от отношения периода качки буя Т_и к периоду волны ф_В и коэффициента гашения качки 2 м Из сказанного можно сделать вывод, что требования, которым должна отвечать конструкция речных буев, существенно отличаются от требований к конструкции озерных буев. Так, если первые должны иметь по возможности большую метацентрическую высоту, а период собственных колебаний не имеет при этом существенного значения, то вторые должны иметь, возможно, меньшую метацентрическую высоту и по возможности больший период собственных колебаний. Это определяет конструктивные параметры каждой из групп буев, в частности размеры и форму подводной части корпуса.

3 Расчёт пьезоэлектрического генератора

3.1 Расчёт механического преобразователя воздействия Согласно высота огня над уровнем воды для буев составляет от 1 до 3 м, поэтому длина механического преобразователя воздействия (далее маятник) должна быть не больше этого диапазона (возьмём 80 см). Для конструкции маятника достаточно небольшого угла отклонения от положения равновесия (см. 2 главу). Пьезоэлектрический преобразователь (ПП) нужно расположить так, чтобы усилие маятника на него было максимальным, т. е. точка, в которой маятник воздействует на ПП, должна быть как можно ближе к точке подвеса (рисунок 3.1). Далее ПП будем обозначать одним пьезоэлементом (ПЭ).

Исходные данные:

— отклонение маятника, r: от 2 до 5 мм (шаг 0,2 мм);

— длина маятника, B: 80 см;

— длина плеча, b₁: от 1 до 7 см (шаг 1 см);

— длина плеча, b₂: B — b₁;

— масса маятника, m: от 4 до 8 кг (шаг 1 кг);

— ускорение свободного падения, g: 10 м/с².

Маятник будем считать математическим, совершающий гармонические колебания. Поскольку угол отклонения мал, то колебания маятника являются собственными (незатухающими). Сила, действующая на тело в любой точке траектории, направлена к положению равновесия, а в самой точке равновесия равна нулю. Необходимо найти силу F₁, действующую на ПЭ.

Рисунок 3.1 — Механический преобразователь воздействия (маятник) Сила F₂ направлена к положению равновесия и определяется выражением где, а — ускорение, изменяющееся по гармоническому закону.

Перемещение X определяется по формуле где X₀ — амплитуда колебания маятника;

щ_М — собственная частота колебаний маятника (щ_М = 2р/T, где — период колебаний маятника), B = b₁ + b₂;

t — время.

Таким образом, собственная частота равна Ускорение, а будет равно второй производной от X, следовательно Подставляя (3.2) и (3.3) в (3.4), получим ускорение (по модулю) Перемещение X можно определить также через синус угла отклонения где б = 2•arcsin (r/2b₁). (3.7)

Подставим (3.6) в (3.5) и получим Запишем условие равновесия маятника при отклонении его на некоторый угол

F₁•d₁ = F₂•(b₁+b₂), т. е.

Подставим (3.8) в (3.1) и полученное выражение в формулу (3.9), следовательно В таблице 3.1 приведены значения углов отклонения маятника в зависимости от длины плеча b₁ согласно формуле (3.7).

Таблица 3.1

Для конструкции маятника и размещения ПЭ достаточно, чтобы плечо b₁ было равно 3 см (b₂ = 77 см). Согласно этому рассчитаем усилие, оказываемое на ПЭ при разных значениях массы маятника, пользуясь выражением (3.10) и таблицей 3.1. Отклонение маятника r возьмём от 3 до 4 мм. Необходимо учитывать предел прочности на сжатие ПЭ, который по составляет 1,5?10⁷ — 3,5?10⁷ Па. Полученные значения занесём в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

Построим график зависимости усилия F₁ от отклонения r при разных значениях массы маятника (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 — График зависимости усилия F₁ от отклонения r при разных значениях массы маятника

3.2 Расчёт пьезоэлектрического преобразователя В качестве ПЭ выберем пьезокерамический диск из керамики ЦТС-19М, который работает на продольном пьезоэффекте. Расчёт будем производить при разных значениях толщины ПЭ (рисунок 3.3).

Исходные данные (взяты из таблицы 1.5 первого раздела):

— радиус ПЭ, R_ПЭ: 8 мм;

— толщина ПЭ, L: от 0,5 до 2,5 см;

— пьезомодуль, d₃₃: 410?10^-12 Кл/Н;

— пьезомодуль, d₃₁: -183?10^-12 Кл/Н;

— модуль Юнга, Y₃₃: 3,845?10¹⁰ Па;

— коэффициент электромеханической связи, K_эмс: 0,62;

— диэлектрическая постоянная, е₀: 8,85?10^-12 Ф/м;

— относительная диэлектрическая проницаемость, е₃₃: 1900;

— плотность, с: 7600 кг/м³.

Рисунок 3.3 — Пьезоэлемент Площадь сечения ПЭ Давление, оказываемое на ПЭ Примем отклонение для маятника 3,2 мм (6,114⁰) и найдём давление при разных значениях массы маятника, пользуясь формулой (3.12) и таблицей 3.2. Полученные результаты занесём в таблицу 3.3.

Таблица 3.3

При усилии 113,616 Н (см. таблицу 3.2) давление составляет 5,651•10⁵ Па, что соответствует пределу прочности на сжатие ПЭ.

Рассчитаем мощность, которую выдаёт ПЭ при воздействии на него маятника.

Электрическая ёмкость ПЭ определяется выражением [33]

Построим график зависимости электрической ёмкости C от длины ПЭ L (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 — График зависимости электрической ёмкости C от длины пьезоэлемента L

Для расчёта выходного напряжения (разности потенциалов) U_вых необходимо знать заряд Q, появляющийся на электродах ПЭ. Заряд равен [1]

выходное напряжение будет равно [1]

Значения заряда Q приведены в таблице 3.5 (значения усилия F₁ взяты из таблицы 3.2).

Выходной ток согласно равен где щ — собственная частота, которая определяется выражением [33]

Значения электрической ёмкости и частоты при разной толщине ПЭ приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4

В таблице 3.5 и 3.6 приведены значения выходного напряжения и тока пьезогенератора соответственно (при разном усилии). Значения тока необходимо брать по модулю, так как выражение (3.16) представлено в комплексной форме.

Таблица 3.5

Таблица 3.6

Пьезоэлементы необходимо расположить вокруг стержня маятника, чтобы образовать при помощи протекторов кольцо. Протектор также служит для защиты от повреждений ПЭ, которые может нанести маятник. На рисунке 3.5 показано расположение пьезоэлементов, образующих пьезоэлектрический преобразователь (ПП).

Приведём размеры ПП и стержня маятника:

— количество ПЭ: 5 шт.;

— радиус ПЭ, R_ПЭ: 8 мм;

— зазор между двумя соседними протекторами 1,75 мм;

— расстояние от стержня до протектора, x (x = b₁•sin (6.114⁰)): 3,195 мм;

— радиус стержня маятника в точке приложения усилия на ПЭ, R_СТ: 7,305 мм.

Рисунок 3.5 — Расположение пьезоэлементов (вид сверху) Построим семейство вольтамперных характеристик пьезогенератора при разном усилии F₁ на ПЭ (рисунок 3.6).

Импульсная мощность на выходе пьезоэлектрического генератора равна где Q_И — скважность где ф_И — длительность импульса (ф_и = 0,173 с);

Т_И — период следования импульсов (Т_И = 0,2 с).

Таким образом, скважность равна

Q_И = 0,173 с/0,2 с = 0,865.

Рисунок 3.6 — Семейство вольтамперных характеристик пьезогенератора

Таблица 3.7

Согласно выполненным расчётам, приведём физические и электрические параметры пьезоэлектрического генератора (ПГ).

Механический преобразователь воздействия:

— длина маятника, B: 80 см;

— отклонение маятника, r: 3,2 мм (6,114⁰);

— длина плеча, b₁: 3 см;

— длина плеча, b₂: 77 см;

— масса маятника, m: 4 кг.

Пьезоэлектрический преобразователь (5 пьезокерамических диска ЦТС19-М):

— радиус ПЭ, R_ПЭ: 8 мм;

— толщина ПЭ, L: 1,5 см;

— усилие, оказываемое на ПЭ, F₁: 113,616 Н;

— амплитуда выходного напряжения ПГ, U_вых: 335,729 В;

— амплитуда выходного тока ПГ, |I_вых|: 16,744 мА;

— выходная импульсная мощность ПГ, P_вых: 4,863 Вт.

4. Расчёт преобразователя Для преобразования импульсов, выдаваемых пьезоэлектрическим генератором (ПГ), в необходимое напряжение питания фотоавтомата (ФА) с лампой накаливания, построим следующую структурную схему преобразователя, представленной на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 — Структурная схема преобразователя В состав преобразователя входят:

1) Ф — RC-фильтр;

2) ППН — преобразователь постоянного напряжения.

На рисунке 4.2 изображён RC-фильтр.

Рисунок 4.2 — Схема RC-фильтра На выходе ПГ необходимо параллельно включить 5 диодов (так как пьезоэлектрический преобразователь (ПП) состоит из 5 пьезоэлементов) для предотвращения обратного пьезоэффекта. Диоды выберем на 500 — 600 В, поскольку амплитуда импульсов на выходе ПГ (U_ф.вх) составляет 335,729 В (ф_и — длительность импульса: 0,173 с; Т_и — период следования импульсов: 0,2 с).

Зададим напряжение на выходе фильтра U_ф.вых = 300 В, тогда сопротивление будет равно где I_ф.вх — входной ток фильтра (17 мА), тогда получим

Ёмкость высоковольтного конденсатора C1 определяется выражением Смоделируем при помощи пакета Micro-CAP 7.0 схему фильтра (рисунок 4.3) и построим график зависимости выходного напряжения от времени.

Рисунок 4.3 — Схема RC-фильтра в Micro-CAP 7.0

Для построения графика в меню «Analysis» выберем «Transient…». Далее появится окно «Transient Analysis Limits» (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 — Окно «Transient Analysis Limits»

Согласно рисунку 4.4 зададим параметры построения графика и нажмём клавишу «Run». В результате появится график зависимости выходного напряжения от времени (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 — График зависимости выходного напряжения от времени По графику на рисунке 4.5 определяем, что напряжение на выходе RC-фильтра равно 300±1 В.

Далее необходимо преобразовать полученное напряжение (300 В) в требуемое напряжение питания 2,7 В. Выберем согласно преобразователь постоянного напряжения серии MSS-MH фирмы CRANE (Interpoint). MSS-MH являются преобразователями военного и авиационно-космического класса, также используется в коммерческом и промышленном применении. ППН этого класса созданы с применением передовых технологий высокочастотного преобразования энергии. Герметичные блоки обеспечивают полную мощность в температурном диапазоне от минус 55 до плюс 100 °C.

Функции MSS-MH:

1) защита от короткого замыкания нагрузки;

2) автоматическое выключение преобразователей при чрезмерном понижении входного напряжения (< 79 В);

3) возможность внешней синхронизации рабочей частоты преобразования (от 450 до 550 кГц) и др.

Из этой серии выберем преобразователь MSS-MHL (характеристики приведены в таблице 4.1). Он состоит из входного фильтра (Ф1), конвертора (тоже, что ППН) и выходного фильтра (Ф2). Номинальное напряжение пульсаций на выходе Ф2 составляет 12 мВ в диапазоне частот от 10 кГц до 2 МГц и 75 мВ — от 2 до 20 МГц. Усилительный каскад конвертора обеспечивает низкий входной шум и высокую фильтрацию в диапазоне входного напряжения от 200 до 400 В.

Таблица 4.1

На рисунке 4.6 условно показаны выводы ППН.

Рисунок 4.6 — Наименование выводов MSS-MHH

Поясним назначение выводов:

1) 1, 2 — выходные выводы (для подключения нагрузки);

2) 3, 4, 5 — используются для регулирования выходного напряжения. На рисунках 4.7 и 4.8 показаны схемы включения данных выводов;

3) 6, 9 — выводы внешней синхронизации;

4) 7 — является общим обратным проводом для 6, 8, и 9 выводов;

5) 8 — вывод «запрета». Если 8 вывод закоротить с 7 выводом, то на выходе преобразователя не будет сигнала, при этом схема будет потреблять ток (5 мА);

6) 10, 11 — входные выводы.

Рисунок 4.7 — Схема соединения MSS-MHL, когда U_вых > 6 В

где R_a — подстроечный резистор;

V_a — требуемое выходное напряжение.

Рисунок 4.8 — Схема соединения MSS-MHL, когда U_вых < 6 В где R_t — подстроечный резистор;

V_t — требуемое выходное напряжение.