船用測深儀的安裝和檢修
船用測深儀的安裝和檢修
黃劍
南通中遠船務工程有限公司
摘要：文中介紹了船用回聲式測深儀的工作原理、安裝要求，并針對測深儀的安裝檢修中碰到的問題，結合多年對測深儀的安裝、維護、修理的經驗，進行總結歸納，以便今后工作的查詢。
關鍵詞：測深儀；回聲式；換能器；型號；安裝注意事項；常見故障；水深模擬器；
一、測深儀的概述
1. 測深儀在航海上的作用
測深儀（echo sounder ）是測量超聲波信號自反射經水底反射至接受的時間間隔,用以確定水深的一種儀器.在航海上,測深儀的用途是:
(1) 船舶在情況不明的海域或狹窄水道航行時,測量水深以確保航行安全;
(2) 在能見度不良或導航儀器失效時,用測量水深來辨認航位;
(3) 對海域的水深進行精密測量,提供確保船舶安全航行的水深資料.
(4) 現代化多功能的船用測深儀還可實現水下勘測、魚群探測跟蹤等功能
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,測深儀是一種重要的航海儀器.
2. 回聲測深儀原理
回聲測深儀是利用測量超聲波自發射至被反射接收的時間間隔來確定水深的。
測量水深的原理如圖6-1所示。在船底裝有發射超聲波的發射換能器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。發射換能器A以間歇方式向水下發射頻率為20-200KHz的超聲波脈沖，聲波經海底發射后一部分能量被接收換能器B接收。從圖6-1知，只要測出聲波自發射至接收所經歷的時間，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為測量水深；S為基線長度；C為聲波在海水中的傳播速度，標準聲速為1500m/s；t為聲波自發射至接收所經歷的時間。
顯然，只要測出時間t,即可求出水深H，若換能器是收發兼用換能器，即AB=S=0，取C=1500 m/s,
則測量深度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" />回聲測深儀整機方框圖及工作過程：
回聲測深儀的整機方框圖如圖6-2所示。
顯示器是整機的中樞，其作用是控制協調整機工作；測量聲波往返時間并將其換算成水深加以顯示。
發射系統將顯示器的發射指令變為一定脈沖寬度、頻率和輸出功率的電振蕩脈沖去推動發射換能器工作。
發射換能器將電振蕩信號轉變為機械振動信號，即將電能轉換為聲能，形成超聲波信號向海底發射。
接收換能器的作用與發射換能器正好相反，它將從海底反射來的聲波信號轉變為電振蕩信號，即將聲能轉換為電能。
接收系統的作用是：將來自接收換能器的回波信號加以適當地放大、選擇和處理，變換為適合顯示器所需要的回波脈沖信號。
電源設備通常為機器內部的電源或專用的變流機，目前大多數測深儀都可直接接船電工作。
回聲測深儀的工作過程可以由工作時序圖（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" />顯示器內的發射觸發器按一定時間間隔T（稱為脈沖重復周期）產生觸發脈沖，該脈沖觸發發射系統產生一定寬度τ（稱為脈沖寬度）和一定輸出功率的電振蕩發射脈沖。發射換能器將電振蕩發射脈沖轉變為頻率為20～200KHz的超聲波脈沖向海底發射。在發射同時，顯示器將產生與發射脈沖同步的零點信號，表示計時開始。接收換能器將來自海底的聲波反射信號轉變為電振蕩接收脈沖信號，經接收系統放大、處理后形成回波信號送至顯示器。顯示器累計回波信號和零點信號間的時間間隔，并按深度公式轉換為深度予以顯示。
3. 性能指標
（1） 測量范圍:
A. 最大測量深度是測深儀可能測量到的最大深度。國際海事組織（IMO）建議，適用于遠洋船舶的測深儀，其最大測量深度為400m；沿海船舶的測深儀的最大測量深度為100m～200m。
B. 最小測量深度是測深儀能測量出來的最小深度。適用于遠洋船舶的測深儀的最小測量深度一般為1～2m，而淺水測深儀的最小測量深度可達0.2～0.3m
C. 因此對于遠洋船舶來說通常換能器的測量范圍在2～400m之間;
（2） 顯示方式:
IMO規定記錄式顯示方式為測深儀必須具備的顯示方式。數字式顯示方式在現代測深儀中應用較多，常用的如發光二極管LED顯示方式，以及兼具探魚與水下勘測功能的陰極射線管（CRT）顯示方式和液晶（LCD）顯示方式。
（3） 測量精度：
測深儀的誤差包括聲速誤差、時間電機轉速誤差、基線誤差、零點誤差等，將在以后章節詳細介紹。測深儀的誤差在淺水范圍內允許誤差為±1m，深水范圍內允許誤差為±5m或±5%。
（4） 工作環境：
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
回聲測深儀的換能器（transducer）是實現電能與聲能相互轉換的`器件。用于將電振蕩能量轉換為聲能向水下發射超聲波的換能器稱為發射換能器，用于將海底反射回來的超聲波聲能轉換為電振蕩能量的換能器稱為接收換能器。發射換能器和接收換能器可以收發分開，也可收發兼用。
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和電致伸縮效應來實現聲能（機械能）和電能的相互轉換的。
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。實際使用時，必須對新的或長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。
由于鋯鈦酸鉛材料來源豐富、成本低、性能優良、穩定性好，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：
（1）換能器在船底的安裝位置應使其周圍雜聲干擾最小。應盡量遠離機艙、螺旋槳，也不能靠近船首的水流平滑處；同時應避開排水口、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船長處。
（2）換能器的安裝不能降低船體結構強度和水密性能。換能器安裝于船底，無論是開啟式或密封式安裝，均需在船底開洞，因此應在開洞處采用法蘭盤進行加固；同時，在安裝換能器的艙室內，應增設便于安裝和維護的水密艙，以保證船舶安全和防止滲漏。
（3）換能器的工作面應力求與水平面平行。
（4）換能器的工作面不得涂敷油漆。油漆對聲能吸收很大，將使回波信號顯著減弱，甚至測深儀不能工作。若發現換能器表面有油漆或其他油污，應徹底予以清除干凈。
（5）換能器的引出電纜應使用屏蔽電纜；換能器的兩根引出導線之間應有良好的絕緣，屏蔽層與鋼管應良好接地。
5. 常見測深儀型號
（1） SKIPPER公司的ED161HE和 ED162型.GDS101
（2） JRC公司的JFE-570S
（3） FURUNO公司的FE700，F-851D。
（4） Ocean Data公司的IES-10
二、施工常見的問題
1． 換能器安裝的工藝要求較高，安裝不到位會直接影響使用和測量結果。
2． 如何對換能器進行清潔、保養。
3． 換能器好壞的判斷較難。
4． 在換能器的好壞不確定時，主機單元如何判斷。
5． 如何快速修理常見故障。
三、問題的解決
在實際的測深儀安裝，檢修過程中，發現故障現象、產生故障的原因有一定的相似之處，現將這些問題進行總結：
1. 換能器的安裝與注意事項：
（1） 能器的安裝要事先計劃好，要考慮安裝位置和換能器電纜的長度。
（2） 換能器安裝位置的選擇，主要應考慮使氣泡影響最小，且船舶在最小吃水和最大搖擺時，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。為了避免產生氣泡或渦流干擾，換能器不能安裝在船尾過于靠近螺旋槳的地方、船底進出水管附近。換能器前4-5米內不能有突出物。應盡可能的平滑。盡可能靠近龍骨。換能器平面應與船底齊平，換能器平面與水平面的最大傾角不大于7°；遠離其它水聲換能器，若船舶同時裝有測深儀等水聲換能器時，應分別安裝在龍骨兩側，間距不得小于1m，且越遠越好。
（3） 換能器的工作表面應小心處置，不能涂上油漆等物。除換能器平面外，周圍1m范圍內的船底鋼板和艙內焊縫等應涂刷防銹或防污涂料。
（4） 鋼罩的焊接需按有關規范進行。使用低氫焊條，為了避免材料收縮而引起的變形，在進行下一焊點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焊接點。在換能器前5米和其他面3米的范圍內，所有突出物都要磨平，盡可能的光滑。最后，在鋼罩內外涂上防銹漆。
（5） 換能器在鋼罩中安裝。在安裝時，應將約0．75米的換能器電纜線盤入鋼罩中，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進行氣密性試驗。
2．換能器的清潔、保養：
換能器的清潔、保養工作一般在塢內進行。
（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，及時涂上牛油，防止油漆噴到換能器的工作表面。
（3） 在油漆結束后，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） 應在換能器的接線盒處對換能器進行直接測量。
（2） 換能器的測量應使用萬用表電阻檔的10K檔進行測量，兩芯線之間的阻值應無窮大，兩芯線與地之間的阻值應無窮大。
（3） 不能使用搖表進行測量。
4．主機單元的判斷：
對于多數型號的主機單元的判斷一般可通過水深模擬器進行判斷。水深模擬器可模擬測深儀、魚探儀水深換能器的模擬水深，對于校驗和維修各類測深儀非常有效。下面簡單介紹一下模擬器的使用方法：
（1） 模擬器與測深儀的連接：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，將插頭插入模擬器的插座中，然后將兩紅色線與測深儀的換能器端口連接，將另一根黑色線與測深儀的外殼連接。
（2） 頻率的選擇：按接入的測深儀的發射頻率，選擇水深模擬器上所對應的頻率按鍵。
（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按鍵為功率轉換鍵。當該鍵處于按下狀態時，綠燈閃亮，紅燈熄滅，表示測試功率＜600W，若綠燈和紅燈同時閃亮，表示此時的測試功率＞600W，當該鍵處于彈起狀態時，綠燈和紅燈同時閃亮，表示此時的測試功率＜600W。
（5） 定標線按鍵：水深模擬器上的MARK鍵為定標線按鍵，按下該鍵可在測深儀的記錄紙打印出一條垂直標記線。手松開時，該按鍵不起作用。
5．常見故障的修理
根據長期修理工作中發現的問題和自己摸索的一些經驗加以總結歸納如下：
（1） 記錄皮帶轉動時，沒有零線記錄：
a． 零線調整不當。
b． 打印針、饋刷損害或接觸不良。
c． 記錄放大板故障。
（2） 有零線但沒有回波信號
a． 換能器電纜沒接。
b． 換能器損壞。
c． 收發控制板損壞。
（3） JRC的NJH-33數顯復示器不顯示
JFE-570S主機打印正常，但NJH-33不工作，將JFE-570S主機打開，將OUTPUT順時針旋轉，復示器顯示正常。
（4） SKIPPER的IR201復示器數字閃爍，無法顯示
a． 接線不正確，BOTTOME與XMITE必須短接，并接地。
b． 測深儀主機的增益調整不當。
c． IR201復示器損壞。
三、結束語
測深儀的修理在時間上有一定的要求，只有在船進塢的時候才能對換能器進行換新，因此前期的檢查、判斷必須非常準確，以便及時請購備件。所以只有不斷的學習和總結歸納，才能不斷提高維修此類工程的質量和效率。此文不足之處還望各位領導、老師指正，特表感謝。
參考文獻：
⑴ JFE-570S操作手冊
⑵ SKIPPER-ED161操作手冊
⑶ 洪德本， 航海儀器， 大連海事大學出版社
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