Sisteme pentru masurarea ruliului si tangajulului navelor maritime

Sisteme pentru masurarea ruliului si tangajulului navelor maritime

1. Introducere

Exploatarea eficienta a navelor maritime moderne impune existenta unor sisteme de comanda, supraveghere si protectie fiabile care permit transmiterea, prelucrarea si receptionarea semnalelor cu viteza sporita si erori reduse. La majoritatea navelor comerciale supravegherea ruliului si tangajului se face cu instrumente conventionale de genul pendulului gravitational. Indicarea parametrilor specifici este continua, operatiile de reglare sunt manuale si nu este posibila transmiterea la distanta a informatiei obtinuta in procesul de masurare.

Un sistem de supraveghere automat si eficient asigura indicarea permanenta a gradului de inclinare al navei, avertizarea optica si sonora in cazul depasirii unghiului maxim admisibil si transmiterea simpla a informatiei la distanta.

Caracterizare generala a magnetotranzistoarelor pnp laterale cu colector dublu

1. Structura dispozitivului si principiul de functionare

In figura 13.3 este prezentata sectiunea transversala intr-o structura de magnetotranzistor pnp lateral cu colector dublu la care alegerea corespunzatoare a conditiilor de functionare poate determina aparitia efectului modulatiei injectiei de purtatori.

Pe un substrat de siliciu de tip sunt dispuse simetric cinci regiuni puternic dopate: emitorul E cei doi colectori CS si CD precum si cele doua contacte ale bazei BS si BD [9]. Un inel adanc de tip inconjoara re-giunea activa a dis-pozitivului, delimi-tand astfel curentul intr-un plan perpen-dicular pe inductia ceea ce conduce la cresterea sensibi-litatii magnetice.

Specific aces-tui dispozitiv este faptul ca la nivele scazute ale injectiei, eficienta emitorului depinde puternic de tensiunea de polarizare emitor-baza. Aceasta se obtine constructiv scurtcircuitand emitorul prin intermediul diodelor Schottky sau a unor contacte ohmice (metal-).

Presupunand ca magnetotranzistorul este polarizat corespunzator regiunii active directe, iar cele doua contacte de baza au acelasi potential, neglijand offsetul, in absenta campului magnetic cei doi curenti de colector sunt egali. Daca se stabileste un camp magnetic orientat ca cel din figura 13.13, creste diferenta dintre curentii de colector aceasta asimetrie fiind datorata efectului modulatiei injectiei de purtatori.

Tensiunea Hall generata in regiunea bazei in apropierea peretilor laterali ai emitorului moduleaza tensiunea emitor-baza astfel incat cei doi curenti de colector stang si drept vor fi:

(13.6)

Prezentarea traductorului

Informatia primara despre unghiul de ruliu sau tangaj se obtine cu ajutorul sistemului clasic utilizat pe nave, cu deosebire ca la capatul liber al pendulului se fixeaza un magnet permanent de dimensiuni reduse prevazut cu piese polare avand forma acelora utilizate in constructia dispozitivelor de masurat magnetoelectrice. De-a lungul arcului de cerc descris de capatul liber al pendulului sunt dispuse la distante egale, corespunzatoare deplasarilor de 1 pentru ruliu si 1 30' pentru tangaj, douazeci de magnetotranzistoare cate zece de o parte si de cealalta a pozitiei de echilibru.

Datorita momentului de inertie ridicat, pendulul isi mentine pozitia verticala, si de fapt in timpul ruliului si tangajului se deplaseaza odata cu nava, scara gradata fixata pe un perete al acesteia.

Traductorul pentru indicarea ruliului este dispus intr-un plan vertical, transversal pe axa longitudinala a navei, iar cel pentru tangaj, intr-un plan vertical care contine, sau este paralel cu axa longitudinala a navei. Pentru simplificarea prezentarii se va considera ca pendulul este acela care se deplaseaza in raport cu scara gradata.

In figura 1 este redata schema de principiu a traductorului realizat pe baza unui magnetotran-zistor bipolar lateral cu colector dublu[9].

Atunci cand nava se inclina magnetul perma-nent al pendulului va baleia pe rand un numar de magnetotranzistoare, iar semnalele de la iesirile acestora vor determina bascularea comparatoarelor. Pentru a elimina starea de incertitudine care apare cand pendulul ocupa o pozitie intermediara, intre doua magnetotranzistoare, se alege lungimea polilor magnetici ai magnetului permanent egala cu distanta dintre doua magnetotranzistoare succesive. In circuitul pentru comanda afisajului se folosesc tiristoare, acestea realizand si functia de memorare in sensul ca odata amorsate, isi mentin aceasta stare, deci memoreaza ultima valoare indicata pana la anularea tensiunii de alimentare. Astfel daca ruliul sau tangajul au valori intermediare cuprinse intre reperele succesive ale scarii gradate, ramane afisata ultima valoare intreaga masurata.

4. Schema bloc de principiu. Descrierea functionarii

Atunci cand nava se inclina, magnetul permanent al pendulului va baleia pe rand un numar de magnetotranzistoare, iar semnalele de la iesirile acestora vor determina bascularea comparatoarelor. Se obtin astfel impulsuri care se aplica printr-un circuit SAU la intrarea CBM (figura 13.15). Acesta comanda blocul pentru intreruperea alimentarii (BIA), realizandu-se anularea potentialelor in anodul tiristoarelor pentru un interval de timp de ordinul mili-secundelor. Totodata im-pulsurile generate de traductoare se transmit prin intermediul etajelor separatoare , , ., pe portile tiristoa-relor, determinand intra-rea lor in conductie. Odata amorsate tiris-toarele isi mentin aceasta stare, deci memoreaza ultima valoare indicata, pana la anularea ten-siunii de alimentare. Astfel daca ruliul sau tangajul au valori inter-mediare, cuprinse intre reperele succesive ale scarii gradate, ramane afisata ultima valoare intreaga masurata.

Pentru o valoare a ruliului notata prin k, vor fi aprinse toate afisoarele de la 1 la k, deci schema permite afisajul analogic in modul bara. Eliminandu-se diodele , , . afisajul, va lucra in modul "punct luminos" cand pentru aceeasi valoare "k" a ruliului va fi aprins doar afisorul k .

Daca inclinarea navei atinge o valoare limita L, prestabilita cu ajutorul comutatorului K, atunci semnalul de la iesirea x_L (L=1,2,10) comanda bistabilul de tip T care comuta declansand dispozitivul de alarmare sonora (DA).

Presupunand ca unghiul de inclinare al navei creste, pendulul depaseste pozitia L si dupa ce atinge o deviatie maxima incepe cursa de intoarcere in care va trece iarasi prin dreptul magnetotranzistorului L. Impulsul generat de catre acesta va rebascula bistabilul si alarma sonora inceteaza.

O situatie nedorita apare atunci cand inclinarea maxima a navei are chiar valoarea prestabilita L, sau depaseste foarte putin aceasta valoare. In acest caz, in cursa de intoarcere a pendulului nu se mai genereaza un nou impuls x_L care sa rebasculeze bistabilul si deci avertizarea sonora se mentine desi unghiul de inclinare s-a redus.

Acest inconvenient se poate elimina folosind iesirea x_L-1 pentru comanda bistabilului pe intrarea de reset. sau inlocuind bistabilul cu unul de tipul R-S sau J-K comandat de semnalele x_L si x_L-1. Semnalul x_L determina punerea in functiune a dispozitivului de alarmare, iar semnalul x_L-1 blocarea acestuia, ceea ce permite obtinerea unui histerezis de siguranta.

Presupunand ca in schema se mentine bistabilul de tip T si tinand seama de necesitatea resetarii acestuia la cuplarea tensiunii de alimentare cat si de eventuale situatii care impun o resetare manuala, rezulta ca in principiu comanda de reset la acest bistabil trebuie data printr-un circuit SAU cu trei intrari: o intrare pentru resetare manuala, alta pentru resetarea automata la punerea schemei sub tensiune (semnalul de comanda se obtine dupa schema clasica cu circuit RC) si a treia intrare pentru resetare cu semnalul     x_L-1.

Sistemul prezentat permite atat indicarea locala a valorilor ruliului si tangajului cat si transmiterea la distanta a rezultatelor masurarii. Poate fi relativ usor adaptat pentru realizarea unui afisaj digital al ruliului si tangajului.

Daca in schema din figura 13.15 se elimina diodele D₁ D₉, atunci in fiecare moment se va afla in conductie un singur tiristor, corespunzator unui anumit unghi.

Semnalele in anozii celorlalte tiristoare blocate vor fi la nivelul "1" logic si doar in anodul tiristorului amorsat semnalul va avea nivel logic "0". Aceste semnale se aplica unui circuit codor zecimal-binar, la iesirea caruia se obtine valoarea unghiului in cod binar. Un decodor BCD-7 segmente care comanda un afisaj cu 7 segmente permite afisarea digitala a valorii masurate. (figura 13.16).

Codorul zecimal-binar poate fi o matrice de diode, o matrice de porti conectate intr-un mod corespunzator, sau un circuit specializat de tipul celor utilizate in tastaturile numerice.

Drept decodor BCD-7 segmente se utilizeaza orice circuit integrat de acest gen.    

5. Instalatie pentru masurarea ruliului si tangajului care utilizeaza fototranzistoare

1. Prezentarea traductorului

Schema de principiu a traductorului fotoelectric este prezentata in figura 13.17. Se foloseste sistemul clasic de la bordul navelor, dar la extremitatea libera a pendulului gravitational se plaseaza o dioda electroluminescenta (LED) in vizibil, sau infrarosu. La inclinarea navei, dioda LED se va deplasa prin vecinatatea fototranzistoarelor dispu-se de-a lungul arcului de circum-ferinta descris de capatul liber al pendulului.

Constructia este plasata intr-o incita obscura pentru a se evita patrunderea luminii din exterior. Alimentarea se face de la o sursa stabilizata de 12 V.

Printr-un fototranzistor, cu baza libera, in absenta luminii va circula intre emitor si colector asa-numitul curent de intuneric , in care este factorul de amplificare al tranzistorului, iar curentul generat de jonctiunea baza-colector in absenta iluminarii. Cand jonctiunea baza colector este iluminata, prin aceasta ia nastere un curent de iluminare cu atat mai intens cu cat iluminarea este mai mare, iar curentul de colector devine:

(13.7)

Deoarece in absenta iluminarii fototranzistoarele sunt blocate tensiunea de iesire din colectorul acestora este practic egala cu valoarea a sursei de alimentare. In momentul iluminarii fototranzistoarele se satureaza si tensiunea colectorului lor scade la valoarea . Deci semnalul furnizat de traductoare este sub forma unor impulsuri de tensiune negativa avand amplitudinea aproximativ egala cu valoarea tensiunii de alimentare.

6. Schema bloc. Descrierea functionarii

Intrucat masurarea ruliului sau a tangajului se reduce de fapt la masurarea unui unghi, sistemul de masurare este constituit din doua blocuri de masurare identice, unul pentru ruliu si celalalt pentru tangaj, cu deosebirea ca traductoarele de masura vor fi pozitionate diferit: cel de ruliu intr-un plan vertical paralel cu axa transversala a navei, iar cel de tangaj intr-un plan vertical ce contine axa longitudinala a acesteia.

Figura 13.18. Schema bloc a sistemului de masurare a ruliului cu fototranzistoare

In figura 13.18 este prezentata schema bloc a sistemului de masurare a unghiului de inclinare a navei pe axa longitudinala (transversala) a navei. In aceasta schema s-au folosit notatiile:

TM - traductor de masura a ruliului (tangajului); CF - circuit formator; CM - celula de memorare; IO - indicator optic; CR - circuit de stergere; OC - oscilator comandat; AAF - amplificator de audiofrecventa; BA - bloc de alimentare; HA - hupa de avertizare.

Se remarca faptul ca sistemul de masurare este constituit din lanturi de masura si afisare identice:

un lant corespunzator pozitiei de echilibru (de zero);

n lanturi corespunzatoare unui numar de n valori ale unghiului de inclinare babord (pupa);

n lanturi corespunzatoare unui numar de n valori ale unghiului de inclinare tribord (prova);

Traductorul de masura TM furnizeaza informatia despre unghiul de inclinare sub forma discreta, in sensul ca unghiul total ce poate fi masurat a fost impartit in 2n sectoare (n     sectoare babord, n sectoare tribord), iar traductorul furnizeaza cate un impuls pe iesirea corespunzatoare unghiului de inclinare atins de nava. Impulsul corespunzator acestui unghi este prelucrat in circuitul formator CF si se aplica celulei de memorare CM corespunzatoare, in care se pastreaza informatia referitoare la unghiul de inclinare al navei. Aceasta informatie este afisata de indicatorul optic IO corespunzator aceluiasi sector, pana cand in miscarea sa nava atinge acelasi unghi de inclinare, dar deplasandu-se in sens invers. Traductorul de masura genereaza la aceeasi iesire un nou impuls care sterge informatia din celula de memorare si totodata afisajul indicatorului optic. In acest mod traductorul de masura furnizeaza cate doua impulsuri pentru fiecare unghi de inclinare al navei, cu exceptia unghiului maxim de inclinare prestabilit. In cazul inclinarii maxime, traductorul produce un singur impuls care este memorat si afisat pana cand nava, dupa ce atinge unghiul de inclinare maxima in sens opus revine la pozitia de echilibru. In momentul trecerii prin pozitia de echilibru impulsul de la iesirea CF sterge prin intermediul unui circuit de resetare CR informatia din toate celulele de memorare si deci si din celulele corespunzatoare unghiurilor maxime pentru cele doua sensuri de inclinare a navei. Din acest moment functionarea sistemului se reia din starea de echilibru. Este de mentionat faptul ca anterior momentului trecerii prin pozitia de zero sunt afisate unghiurile maxime atinse la inclinarea in ambele sensuri ale navei. Acest tip de functionare a sistemului a fost determinat de faptul ca traductorul de unghi folosit este inclinometrul clasic utilizat pe nave, asupra caruia s-au operat cateva modificari. La extremitatea pendulului s-a fixat o sursa de radiatii in vizibil sau infrarosu (LED), iar pe arcul de cerc baleiat de aceasta au fost dispuse la distante egale cate n fototranzistoare de o parte si de alta a pozitiei de echilibru. Acestea vor furniza cate un impuls de tensiune ori de cate ori sunt excitate de LED-ul emitator din capatul pendulului. In functie de precizia de masurare dorita se alege numarul de fototranzistoare (deci si de lanturi de masura si afisare). De exemplu pentru un unghi de inclinare maxim de , pentru o precizie de masurare a inclinarii (ruliu sau tangaj) de sunt necesare fototranzistoare si tot atatea lanturi de masura si afisare. Acesta este dezavantajul principal al sistemului. In schimb aceste lanturi sunt simple, identice si utilizind circuite integrate pentru implementarea schemei, numarul de componente si gabaritul montajului se reduce la minim.

Observatii: Utilizarea unui alt tip de traductor pentru masurarea ruliului si anume folosirea solutiei clasice cu traductoare in cod Gray ar fi redus numarul de componente. Cu un astfel de traductor utilizand opt perechi LED-fototranzistor s-ar fi putut obtine o precizie de masurare a unghiului mai buna de . In plus acest sistem permite o transmitere la distanta a informatiei. Solutia ar fi necesitat insa o parte electronica sofisticata, dificultatea majora constituind-o realizarea constructiva precisa a traductorului Gray pe opt biti.

Schema bloc mai contine si un circuit de avertizare sonora care intra in functiune la un unghi de inclinare maxim prestabilit cu ajutorul comutatorului K. Odata fixat acest comutator pe pozitia dorita, nivelul logic de la iesirea celulei de memorare corespunzatoare unghiului ales, va comanda si declansarea circuitului de avertizare sonora. Acesta este constituit dintr-un oscilator comandat OC, un amplificator audio de putere AAF si o hupa de avertizare HA. Din motive de siguranta a functionarii semnalul de comanda a circuitului de avertizare sonora este preluat de la intrarea indicatorului optic si nu de la iesirea sa, cum ar fi fost mai simplu de realizat. Probabilitatea de defectare a celulei de memorare este mult mai mica decat aceea a indicatorului optic si in plus defectarea indicatorului optic nu atrage dupa sine scoaterea din functiune a circuitului de avertizare sonora.