船用測(cè)深儀的安裝和檢修
船用測(cè)深儀的安裝和檢修
黃劍
南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司
摘要：文中介紹了船用回聲式測(cè)深儀的工作原理、安裝要求，并針對(duì)測(cè)深儀的安裝檢修中碰到的問(wèn)題，結(jié)合多年對(duì)測(cè)深儀的安裝、維護(hù)、修理的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行總結(jié)歸納，以便今后工作的查詢。
關(guān)鍵詞：測(cè)深儀；回聲式；換能器；型號(hào)；安裝注意事項(xiàng)；常見(jiàn)故障；水深模擬器；
一、測(cè)深儀的概述
1. 測(cè)深儀在航海上的作用
測(cè)深儀（echo sounder ）是測(cè)量超聲波信號(hào)自反射經(jīng)水底反射至接受的時(shí)間間隔,用以確定水深的一種儀器.在航海上,測(cè)深儀的用途是:
(1) 船舶在情況不明的海域或狹窄水道航行時(shí),測(cè)量水深以確保航行安全;
(2) 在能見(jiàn)度不良或?qū)Ш絻x器失效時(shí),用測(cè)量水深來(lái)辨認(rèn)航位;
(3) 對(duì)海域的水深進(jìn)行精密測(cè)量,提供確保船舶安全航行的水深資料.
(4) 現(xiàn)代化多功能的船用測(cè)深儀還可實(shí)現(xiàn)水下勘測(cè)、魚(yú)群探測(cè)跟蹤等功能
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9168.png" width="302" height="283" /> 因此,測(cè)深儀是一種重要的航海儀器.
2. 回聲測(cè)深儀原理
回聲測(cè)深儀是利用測(cè)量超聲波自發(fā)射至被反射接收的時(shí)間間隔來(lái)確定水深的。
測(cè)量水深的原理如圖6-1所示。在船底裝有發(fā)射超聲波的發(fā)射換能器A和接收超聲波的接收換能器B，A與B之間的距離為S，S稱為基線。發(fā)射換能器A以間歇方式向水下發(fā)射頻率為20-200KHz的超聲波脈沖，聲波經(jīng)海底發(fā)射后一部分能量被接收換能器B接收。從圖6-1知，只要測(cè)出聲波自發(fā)射至接收所經(jīng)歷的時(shí)間，就可由下列公式求出水深：
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19617.png" width="346" height="47" /> （6-1）
式中：H為水面至海底的深度；D為船舶吃水；h為測(cè)量水深；S為基線長(zhǎng)度；C為聲波在海水中的傳播速度，標(biāo)準(zhǔn)聲速為1500m/s；t為聲波自發(fā)射至接收所經(jīng)歷的時(shí)間。
顯然，只要測(cè)出時(shí)間t,即可求出水深H，若換能器是收發(fā)兼用換能器，即AB=S=0，取C=1500 m/s,
則測(cè)量深度h可表示為：
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-23973.png" width="143" height="58" /> （6-2）
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32674.png" width="292" height="240" />回聲測(cè)深儀整機(jī)方框圖及工作過(guò)程：
回聲測(cè)深儀的整機(jī)方框圖如圖6-2所示。
顯示器是整機(jī)的中樞，其作用是控制協(xié)調(diào)整機(jī)工作；測(cè)量聲波往返時(shí)間并將其換算成水深加以顯示。
發(fā)射系統(tǒng)將顯示器的發(fā)射指令變?yōu)橐欢}沖寬度、頻率和輸出功率的電振蕩脈沖去推動(dòng)發(fā)射換能器工作。
發(fā)射換能器將電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)信號(hào)，即將電能轉(zhuǎn)換為聲能，形成超聲波信號(hào)向海底發(fā)射。
接收換能器的作用與發(fā)射換能器正好相反，它將從海底反射來(lái)的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬袷幮盘?hào)，即將聲能轉(zhuǎn)換為電能。
接收系統(tǒng)的作用是：將來(lái)自接收換能器的回波信號(hào)加以適當(dāng)?shù)胤糯�、選擇和處理，變換為適合顯示器所需要的回波脈沖信號(hào)。
電源設(shè)備通常為機(jī)器內(nèi)部的電源或?qū)Ｓ玫淖兞鳈C(jī)，目前大多數(shù)測(cè)深儀都可直接接船電工作。
回聲測(cè)深儀的工作過(guò)程可以由工作時(shí)序圖（圖6-3）予以描述：
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-29755.png" width="318" height="314" />顯示器內(nèi)的發(fā)射觸發(fā)器按一定時(shí)間間隔T（稱為脈沖重復(fù)周期）產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，該脈沖觸發(fā)發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生一定寬度τ（稱為脈沖寬度）和一定輸出功率的電振蕩發(fā)射脈沖。發(fā)射換能器將電振蕩發(fā)射脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為20～200KHz的超聲波脈沖向海底發(fā)射。在發(fā)射同時(shí)，顯示器將產(chǎn)生與發(fā)射脈沖同步的零點(diǎn)信號(hào)，表示計(jì)時(shí)開(kāi)始。接收換能器將來(lái)自海底的聲波反射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬袷幗邮彰}沖信號(hào)，經(jīng)接收系統(tǒng)放大、處理后形成回波信號(hào)送至顯示器。顯示器累計(jì)回波信號(hào)和零點(diǎn)信號(hào)間的時(shí)間間隔，并按深度公式轉(zhuǎn)換為深度予以顯示。
3. 性能指標(biāo)
（1） 測(cè)量范圍:
A. 最大測(cè)量深度是測(cè)深儀可能測(cè)量到的最大深度。國(guó)際海事組織（IMO）建議，適用于遠(yuǎn)洋船舶的測(cè)深儀，其最大測(cè)量深度為400m；沿海船舶的測(cè)深儀的最大測(cè)量深度為100m～200m。
B. 最小測(cè)量深度是測(cè)深儀能測(cè)量出來(lái)的最小深度。適用于遠(yuǎn)洋船舶的測(cè)深儀的最小測(cè)量深度一般為1～2m，而淺水測(cè)深儀的最小測(cè)量深度可達(dá)0.2～0.3m
C. 因此對(duì)于遠(yuǎn)洋船舶來(lái)說(shuō)通常換能器的測(cè)量范圍在2～400m之間;
（2） 顯示方式:
IMO規(guī)定記錄式顯示方式為測(cè)深儀必須具備的顯示方式。數(shù)字式顯示方式在現(xiàn)代測(cè)深儀中應(yīng)用較多，常用的如發(fā)光二極管LED顯示方式，以及兼具探魚(yú)與水下勘測(cè)功能的陰極射線管（CRT）顯示方式和液晶（LCD）顯示方式。
（3） 測(cè)量精度：
測(cè)深儀的誤差包括聲速誤差、時(shí)間電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差、基線誤差、零點(diǎn)誤差等，將在以后章節(jié)詳細(xì)介紹。測(cè)深儀的誤差在淺水范圍內(nèi)允許誤差為±1m，深水范圍內(nèi)允許誤差為±5m或±5%。
（4） 工作環(huán)境：
在船舶橫搖10°、縱搖5°的情況下，儀器能正常工作。
4. 水聲換能器
回聲測(cè)深儀的換能器（transducer）是實(shí)現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的`器件。用于將電振蕩能量轉(zhuǎn)換為聲能向水下發(fā)射超聲波的換能器稱為發(fā)射換能器，用于將海底反射回來(lái)的超聲波聲能轉(zhuǎn)換為電振蕩能量的換能器稱為接收換能器。發(fā)射換能器和接收換能器可以收發(fā)分開(kāi)，也可收發(fā)兼用。
1.換能器的分類
換能器按材料劃分為兩種，一是以鎳或鎳鐵合金為材料的磁致伸縮換能器（magnetostrictive transducer）；另一種是以鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷為材料的電致伸縮換能器（electrostrictive transducer）。這兩種換能器是基于磁致伸縮效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲能（機(jī)械能）和電能的相互轉(zhuǎn)換的。
目前的磁致伸縮換能器一般都采用鎳和鎳鐵合金材料制作，它們具有不易受海水腐蝕且加工容易等特點(diǎn)。實(shí)際使用時(shí)，必須對(duì)新的或長(zhǎng)期不用的鎳換能器事先給其繞組通以直流電，使其具有或恢復(fù)磁性，該措施稱為充磁。充磁的目的，是為了獲得較高的磁致伸縮效應(yīng)。
由于鋯鈦酸鉛材料來(lái)源豐富、成本低、性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好，所以目前選用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料制成的電致伸縮換能器極為普遍。
2.換能器的安裝
換能器的安裝要求有如下幾點(diǎn)：
（1）換能器在船底的安裝位置應(yīng)使其周圍雜聲干擾最小。應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)艙、螺旋槳，也不能靠近船首的水流平滑處；同時(shí)應(yīng)避開(kāi)排水口、海底閥及其它有礙水流平順的凸出物。換能器一般裝于離船首1/2～1/3船長(zhǎng)處。
（2）換能器的安裝不能降低船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水密性能。換能器安裝于船底，無(wú)論是開(kāi)啟式或密封式安裝，均需在船底開(kāi)洞，因此應(yīng)在開(kāi)洞處采用法蘭盤(pán)進(jìn)行加固；同時(shí)，在安裝換能器的艙室內(nèi)，應(yīng)增設(shè)便于安裝和維護(hù)的水密艙，以保證船舶安全和防止?jié)B漏。
（3）換能器的工作面應(yīng)力求與水平面平行。
（4）換能器的工作面不得涂敷油漆。油漆對(duì)聲能吸收很大，將使回波信號(hào)顯著減弱，甚至測(cè)深儀不能工作。若發(fā)現(xiàn)換能器表面有油漆或其他油污，應(yīng)徹底予以清除干凈。
（5）換能器的引出電纜應(yīng)使用屏蔽電纜；換能器的兩根引出導(dǎo)線之間應(yīng)有良好的絕緣，屏蔽層與鋼管應(yīng)良好接地。
5. 常見(jiàn)測(cè)深儀型號(hào)
（1） SKIPPER公司的ED161HE和 ED162型.GDS101
（2） JRC公司的JFE-570S
（3） FURUNO公司的FE700，F(xiàn)-851D。
（4） Ocean Data公司的IES-10
二、施工常見(jiàn)的問(wèn)題
1． 換能器安裝的工藝要求較高，安裝不到位會(huì)直接影響使用和測(cè)量結(jié)果。
2． 如何對(duì)換能器進(jìn)行清潔、保養(yǎng)。
3． 換能器好壞的判斷較難。
4． 在換能器的好壞不確定時(shí)，主機(jī)單元如何判斷。
5． 如何快速修理常見(jiàn)故障。
三、問(wèn)題的解決
在實(shí)際的測(cè)深儀安裝，檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象、產(chǎn)生故障的原因有一定的相似之處，現(xiàn)將這些問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)：
1. 換能器的安裝與注意事項(xiàng)：
（1） 能器的安裝要事先計(jì)劃好，要考慮安裝位置和換能器電纜的長(zhǎng)度。
（2） 換能器安裝位置的選擇，主要應(yīng)考慮使氣泡影響最小，且船舶在最小吃水和最大搖擺時(shí)，換能器始終保持在水下部位。如果只安裝一只換能器，建議安裝在船前部；如果有兩只，通常一前一后。為了避免產(chǎn)生氣泡或渦流干擾，換能器不能安裝在船尾過(guò)于靠近螺旋槳的地方、船底進(jìn)出水管附近。換能器前4-5米內(nèi)不能有突出物。應(yīng)盡可能的平滑。盡可能靠近龍骨。換能器平面應(yīng)與船底齊平，換能器平面與水平面的最大傾角不大于7°；遠(yuǎn)離其它水聲換能器，若船舶同時(shí)裝有測(cè)深儀等水聲換能器時(shí)，應(yīng)分別安裝在龍骨兩側(cè)，間距不得小于1m，且越遠(yuǎn)越好。
（3） 換能器的工作表面應(yīng)小心處置，不能涂上油漆等物。除換能器平面外，周圍1m范圍內(nèi)的船底鋼板和艙內(nèi)焊縫等應(yīng)涂刷防銹或防污涂料。
（4） 鋼罩的焊接需按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行。使用低氫焊條，為了避免材料收縮而引起的變形，在進(jìn)行下一焊點(diǎn)的焊接之前用錘子敲擊前焊縫，在焊接期間允許鋼罩冷卻，決不能敲擊最后一個(gè)焊接點(diǎn)。在換能器前5米和其他面3米的范圍內(nèi)，所有突出物都要磨平，盡可能的光滑。最后，在鋼罩內(nèi)外涂上防銹漆。
（5） 換能器在鋼罩中安裝。在安裝時(shí)，應(yīng)將約0．75米的換能器電纜線盤(pán)入鋼罩中，然后用特制扳手將密封旋塞擰緊，最后再用6只螺釘將鋼罩蓋板緊固在鋼罩上。
（6） 換能器安裝完畢后應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。
2．換能器的清潔、保養(yǎng)：
換能器的清潔、保養(yǎng)工作一般在塢內(nèi)進(jìn)行。
（1） 檢查換能器的工作表面，使用木片或砂紙清潔換能器表面的附著物。
（2） 清潔完畢，及時(shí)涂上牛油，防止油漆噴到換能器的工作表面。
（3） 在油漆結(jié)束后，船舶出塢前清潔換能器表面的牛油。
（4） 換能器鋼罩可用砂紙砂干凈后涂上防銹漆。
3．換能器的檢查：
（1） 應(yīng)在換能器的接線盒處對(duì)換能器進(jìn)行直接測(cè)量。
（2） 換能器的測(cè)量應(yīng)使用萬(wàn)用表電阻檔的10K檔進(jìn)行測(cè)量，兩芯線之間的阻值應(yīng)無(wú)窮大，兩芯線與地之間的阻值應(yīng)無(wú)窮大。
（3） 不能使用搖表進(jìn)行測(cè)量。
4．主機(jī)單元的判斷：
對(duì)于多數(shù)型號(hào)的主機(jī)單元的判斷一般可通過(guò)水深模擬器進(jìn)行判斷。水深模擬器可模擬測(cè)深儀、魚(yú)探儀水深換能器的模擬水深，對(duì)于校驗(yàn)和維修各類測(cè)深儀非常有效。下面簡(jiǎn)單介紹一下模擬器的使用方法：
（1） 模擬器與測(cè)深儀的連接：隨水深模擬器提供的三芯插頭上焊有三根連接線，兩根紅色，一根黑色。使用時(shí)，將插頭插入模擬器的插座中，然后將兩紅色線與測(cè)深儀的換能器端口連接，將另一根黑色線與測(cè)深儀的外殼連接。
（2） 頻率的選擇：按接入的測(cè)深儀的發(fā)射頻率，選擇水深模擬器上所對(duì)應(yīng)的頻率按鍵。
（3） 量程選擇：水深模擬器有3M、20M、120M三種量程可選擇。
（4） 功率選擇：水深模擬器上的T.PWR按鍵為功率轉(zhuǎn)換鍵。當(dāng)該鍵處于按下?tīng)顟B(tài)時(shí)，綠燈閃亮，紅燈熄滅，表示測(cè)試功率＜600W，若綠燈和紅燈同時(shí)閃亮，表示此時(shí)的測(cè)試功率＞600W，當(dāng)該鍵處于彈起狀態(tài)時(shí)，綠燈和紅燈同時(shí)閃亮，表示此時(shí)的測(cè)試功率＜600W。
（5） 定標(biāo)線按鍵：水深模擬器上的MARK鍵為定標(biāo)線按鍵，按下該鍵可在測(cè)深儀的記錄紙打印出一條垂直標(biāo)記線。手松開(kāi)時(shí)，該按鍵不起作用。
5．常見(jiàn)故障的修理
根據(jù)長(zhǎng)期修理工作中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和自己摸索的一些經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)歸納如下：
（1） 記錄皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，沒(méi)有零線記錄：
a． 零線調(diào)整不當(dāng)。
b． 打印針、饋刷損害或接觸不良。
c． 記錄放大板故障。
（2） 有零線但沒(méi)有回波信號(hào)
a． 換能器電纜沒(méi)接。
b． 換能器損壞。
c． 收發(fā)控制板損壞。
（3） JRC的NJH-33數(shù)顯復(fù)示器不顯示
JFE-570S主機(jī)打印正常，但NJH-33不工作，將JFE-570S主機(jī)打開(kāi)，將OUTPUT順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，復(fù)示器顯示正常。
（4） SKIPPER的IR201復(fù)示器數(shù)字閃爍，無(wú)法顯示
a． 接線不正確，BOTTOME與XMITE必須短接，并接地。
b． 測(cè)深儀主機(jī)的增益調(diào)整不當(dāng)。
c． IR201復(fù)示器損壞。
三、結(jié)束語(yǔ)
測(cè)深儀的修理在時(shí)間上有一定的要求，只有在船進(jìn)塢的時(shí)候才能對(duì)換能器進(jìn)行換新，因此前期的檢查、判斷必須非常準(zhǔn)確，以便及時(shí)請(qǐng)購(gòu)備件。所以只有不斷的學(xué)習(xí)和總結(jié)歸納，才能不斷提高維修此類工程的質(zhì)量和效率。此文不足之處還望各位領(lǐng)導(dǎo)、老師指正，特表感謝。
參考文獻(xiàn)：
⑴ JFE-570S操作手冊(cè)
⑵ SKIPPER-ED161操作手冊(cè)
⑶ 洪德本， 航海儀器， 大連海事大學(xué)出版社
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