Een elektromagnetisch log voor kleine schepen

Rapport No. 367

r

december 1972

LABORATORIUM VOOR

SCHEEPSBOUWKUNDE

TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT

EEN ELECTHOMAGNETISCH LOG VOOR KLEINE SCHEPEN door

Inhoud

1.0 Samenvatting

2.0 Inleiding 3.0 Het principe

14.0 Het blokschevan het electromagnetinch log

14.0.1

De opnemer

14.0.2

De oscillator

14.0.3

De eindversterker en stroomstabilisator 14.0.14 De voorversterker

14.0.5

Het acieve laagdoorlaat filter

14.0.6

De nulcompensator 14.0.1 De gelijkrichter

14.0.8

De gelijkspanningsversterker 14.0.9 De batteri5-test 14.10 De voeding 14.11 Het aanwijsinstrunient 5.0 Het totaalschema 6.0 De calibratie 1.0 Specificatie 8,0 Foto's

9.0 Lijst van figuren

10.0 Referenties

-1-1. Samenvatting

In dit rapport wordt een electromagnetisch scheepsiog besproken, dat gebruikt zou kunnen worden op zeiljachten en kleine motorjaóhten, waar een eenvoudige mechanisch sterke opnemer goede diensten kan bewi,zen.

Kleine af'metingen van de opnemer, een laag energieverbruik en een eenvoudige schakeling waren de voornaamste eisen die aan bet te ontwikkelen apparaat gestela werden.

-2-2. Inleiding

Voor het meten van de scheepssnelheid t.o.v. het omringende water kan o.a. gebruik gemaakt worden van de volgende methoden

het meten van de waterweerstand van een uitgestoken Opnemer, aarbij de kracht omgezet kan worden in een elektrische grootheid.

liet meten van een verschildruk met behulp van een pitot buis. het meten van het toererital van een impeller.

het bepalen van de watersnelheid. met behulp van akoestisch doppler-effect. het bepalen van de watersnelheid met behulp van een laser doppler.

het bepalen van de watersnelheid doorhet meten van de door het water

in een magnetisch veld opgewekte electromotorische kracht.

De onder f genoemde methode wordt gebruikt in het bekende Electromagn'etìsch

Log (EM.-log).

Voordelen van een E.M.-log zijn o.a.

het ontbreken van bewegende of draaiende delen in de onderwateropnemer, waardoor geen veranderingen optreden door lijtage.

ongevoelig voor de samenstelling of mate van vervuiling van het water.

e. de opgewekte .M.k is rechtevenredig met de watersnelheid.

U

U - bewegingsricl-iting. B - magnetisch veld.

Fig.l:Principe van opwekking van electromotorische kracht E.M.K.

-3-3. Het principe

Door een geleider in een magnetisch veld te bewegen wordt een E.M.k. opge.-wekt in de richting die loodrecht staat op de bewegingsrichting en loodrecht op de richting van het magnetisch veld

In f iguur i is hiervan een schematische voorstelling gegeven.

Uitgegaan wordt van een oneindig lange geleidende balk met een rechthoekige doorsnede. Wordt de balk in de lengterichting met een sneiheid u door een homogeen magnetisch veld B bewogen, dan is de opgewekte E.M.k.

y

_u..i.

o8

_(volt)

waarin u = de sneiheid van de geleider in cm/sec.

B = de magnetische flux in gauss

i de afstand tussen de Iontakten in cm.

Hieruit voigt dat de te meten spanning V evenredig is ¡net de sneiheid waarmee de geleider zich t.o.v. het magnetisch veld. verpiaatst.

Door de geleidende balk te vervangen door water is met behuip van bovenstaand principe het meten van watersnelheden mogelijk geworden, waarbij de

In figuur 2 is een électromagnetische doórstrootnmetèr geschetst.

Wanneer een vloeistof door de geisoleerde pijp stroomt die zich tussen de 2 polen van een magneet bevindt, wordt een E.M.k. opgewekt, in de richting die oodrecht staat op de richting van het magnetisch veld en op die van de

pup.

Het gebruik van een permanente inagneet heeft echter de volgende nadelen door de opgewekte geli jkspanning treedt polarisatie op rond de elektrode de optredende kontaktspanning, veroorzaakt door de batteri jvorming

van de elektroden met de vloeistof, is niet te scheiden van het te meten

signaal,

Deze bezwaren kunnen ondervangen worden door gebruik te maken van een wisselend magnetisch veld waardoor het opgewekte meetsignaal een wisseispanning is waar-van de ainplitude-modulatie evenredig is met de stroomsnelheid.

eiektrode _elektrode

5

BIj het scheepslogje wordt de pijp uit de electromagnetische doorstroommetei,

weggelaten en alleen de electromagneet en de electroden ondergebracht in een

geprofileerde houder. In f iguur 3 is de opnemer schematisch weergegeven.

Wordt de opnemer tengevolge van de scheepssnelheid door het water bewogen dan word een spanning opgewekt die evenredig is met de sneiheid waarmee het water de opnemer passeert.

14 Het blokschema

_{van het electromagnetisch log.}

In figuur 5 is het blokschema van het E.M.-log dat opgbouwd is uit de

volgende onderdelen

1.i.01 de opnemer

14.02 de oscillator

14.03 de eindversterker en stroomstaljiljsator

14.014

de voorversterker

14.05 het actieve laagdoorlaat filter

14.06

de nul compensator

14.01 de geli jkrichter

14.08

de gelijkspanningsversterker

14.09

de batterijtest

1-î.iü de voeding

4.11

het aanwijsinstruirient

4.oi

De opnemer

De opnemer is de geprofileerde houder waarin de electromagneet en de electroden

ondergebracht zijn. Een tweetal Uitvperingsmogelijlcj-ieden

_{zijn getest.}

Opnemer I is geschetst in figuur

5.

De electromagneet bevindt zich geheel in

_{het gedeelte dat onder het schip uit-.}

st-eekt, terwiji de electroden ter hoogte

_{van het midden van de spoel}

aange-bracht zijn. De electromagneet bestaat uit

_{een gelamelleerde kern, waarop}

1500

windingen aangebracht zijn met

_0,25

_{mm wikkeldraad. De ohmse weerstand}

bedraagt

1-

18 ohm. De kern is samengesteld uit

₈

_{plaatjes transformatorbljk}

waarvan de afmetingen

_6OxlOxO,35

_{mm bedragen. De electroden van het prototype}

zijn vervaardigd van 0,5 mm zilverplaat. Er zijn echter geen

gegevens bekend

over de zeewaterbestandigheid van dit materiaal. Met behuip van een uit twee

den bestaande mal zijn de spoel en de beide electroden in giethars ingegoen.

De gebruikte Araldit

SW 1418

heeft goede mechanische eigenschappen maar heeft

het nadeel dat metaalpoeder aan de sajiienstelling

a toegevoegd.

Î

Men dient dan ook de opnemer van een niet-.metaalhoudeflde afdeklaag te voorzien. Een tweede uitvoeringsmogelijkheid is geschetst in figuur

6.

De electromagneet b?staat uit een stalen drager waarop 3)400 windingen

aange-bracht zijn met 0,30 nun wiKkeldraad. De ohmse weerstand bedraagt + )4ü ohm.

De electroden zijn asymmetrisch t.o.v. de magneetspoel aangebracht, n.1. juist

onder het punt waar de stalen pen van de magneethouder eindigt.

De houder waarin de electromagneet en de electroden zijn aangebracht is

.02 De

oscillator

Zoals eerder is ppgernerkt, is door de optredende kontaktspfiningen en de versterkerdrift nauwelijks een gelijkspanningssysteem mogelijk.

Uitgaande van een wisselspanningssysteem zal ook de electromagneet gevoed moeten met een w:Lsselspanning.

Bij de keuze van de frequentie van de voedingsoscìllator zijn de volgende punten overwogen

het product van de stroom en het aantal windingen, bet aantal ampère-windingen, dient za groot mogelijk gemaakt te worden i.v.in. de opbouw van het magnetisch veld.

door de beperking van een accu zal de opgenomen stroom za klein moge]Jjk gehouden moeten worden met een groot aantal windingen.

een gröot aantal windingen zal bij een hoge frequentie een te grate impe-dantie veroorzaken, waardoor de beschikbare accuspanning te laag is.

Bij het prototype is de oscillator frequentie + 7'Hz,waarbi,j gebruik gemaakt is van een Wien-oscillator waarvan de amplitude met behuip van een "field effect transistor" gest&biliseerd wordt.

In figuur 7 is het schema van de oscillator gegeven. I.03 -De eindversterker en stroomstabilisator

Omdat de oscillator zelf niet voldoende strooni kan leyeren is gebruik gemaalc.t

van een eindverstrker voor het leyeren van de spoelstroom waarmee het

magnetisch veld opgebouid wordt.

Getracht is deze stroom, die afkomstig is uit de voedingsaccu za klein mage-lijk te houden. Rekeninghoudend met de stabiliteit van de versterker voor het

meetsignaal is de stroom op i- 80 m A ingesteld. Omdat de waarde van de

&f-lezing van het aanwijsin8trument bêinvloed wordt door de spoelatroom, is een

stroonistabilisatie toegepast met behulp van een rekenversterker. In figuur 8 zijn de schema's gegevens, terwijl in f iguur 9 de spoelstroom als funktie van de aceuspanning is gegeven.

De voorversterker

Als voorversterker is gebruik gemaakt van een operationele versterker, waarbij

het ingangssignaal, afkomstig van de eleetroden, via condensatoren op de

dif-ferentiaal ingang aangesloten is. De coridensatoren blokkeren de contactspanningen. 8

14.05 Het actieve laagdoorlaat filter

Door het gebruik van een eenvoudige gelijkrichtschakeling waarop later nog

wordt ingegaan, wordt de aflezing van bet aanwijsinstrument ulede beinvloed door

parasitair geinduceerde spariningen in de lange verbindingen tussen de opnemer

en het aanwijsinstrument.

0m deze invloed te elimineren is, met behuip van een operationele versterker,

gebruik gemaakt van een laagdoorlaat filter.

In figuur 10 en 11 zijn

respec-tievelijk het schema en de amplitudekarakteristiek gegeven vañ het filter.

14.06 De nulcompensator

Tengevolge van parasitair geinduceerde spanningen, b.v. in de bedrading naar

de opnemer, is de sigriaal-spanning na het iaagdoorlaat filter, wareer

e

opnemer zich niet t.o.v. hat water beweegt, iiet gelijk aan iíui. M%ehulp

van een potentiometer, in het schema aangeduid met P1, is de aanwezige

wissel-spanning te compenseren. Deze compensatie, in amplitude en fase, wordt bi

de

fabricage afgeregeld en zal op het schip niet herhaald. behoeven te worden.

14.o

De gelijkrichter

Uit het oogpunt van eenvoud is, voor het omzetten van het meetsinaal van een

wisseispanning naar een ge1ijkspanning

gebruik gemaakt van een lineaire

gelijk-richtschakelirig. Een nadeel van de gebruikte schakeling is het ontbteken van een

richtingsgevoeligheid. In figuur 12 en 13 zijn respectievelijk het schema en

bet verband tussen de ingangs- èn uitgangsspanning gegeven.

14,08 De gelijkspanninsversterker

Met behulp van deze versterker, die dient voor de uitsturing 1.n het

aanwijsin-strument, kan tevens een electronische demping aangebracht worden

die nodig is

bij een bewegend schip. Door de versterkingsfactor te veranderen is het

mo-gelijk meer dan

i bereik aan te brengen. Door middel van schakelaar S, is een

keus te maken uit 2 tijd constanten, respectievelijk 0,Tsec. en 3,Osec; op het

instrument aangeduid met tca1mIt en "rough"

Schakelaar S2 geeft de mogelijkheid

het aanwijsinstrument geschikt te maken voor 0-8 knopen of v-oor o-16 knopen.

14.09 De batteri j-test

Schakelaar 83 heeft 3 standen, respetievelijk uit, batteri.j-test en aan. In de stand "batterïj-test" dient de aflezing op het aanwi.jsinstrument groter te zijn dan 6,5.

14.10 De voeding

Uitgegaan is van de veronderstelling dat een 12-volt accu beschikbaar is. Rekeninghoudend met een variatie in de afgegeven spanning, afhankelijk van de ladingstoestand van de accu, is een stabilisatie schakeling opgenonìen die de ge-venste voedingsspanning constant houdt. Omdat in het instrument versterkers

toegepast ijn die een positieve en een negatieve voedingsspanning nodig hel5ben, zijn deze spanningen, met behuip van operationele versterkers, afgeleid van de accu-spanning en afgeregeld op + 5volt en -5volt.

Ook is rekening gehouden met het fett, dat de ininpool van de accu, door middel van de schroefas, electrisch met het water verbonden kan zijn.

In figuur 114 is het schema getekend.

li.i1 Het aanwijsinstrunient

Van het aanwijsinstruinent zijn de volgende gegevens bekend fabrikaat Kyoritsu

gevoeligheid : i m A

wijzeruitslag : 2140

schaallengte : 130 mm

verdeling : O - 80

5.0 Het totaal schema

In f iguur 15 is het schema getekend van de gehele electronische sch&eling.

6.0

De calibratie

Het resultaat van de calibratie is weergegeven in f iguur

16.

7.0 Specificatie

Voedings8panning : 12 volt ± 1,5 volt

Opgenomen stroom

Opnemer I, fig. 5 :

loo

mA

Opnemer II, fig. 6 : 50 mA

Meter gevoeligheid O - 8 en O - 16 niijl/uur. nauwkeurigheid. : + 1,5%.

8.0 Foto's

Figuur 17 en 18 zijn foto's van zowel de opnemer als het kastje met aanwijs-instrument.

-- -

12-9.0 Lijst van figuren

Principe van opwekking van electromotorische kraht E.M.K. Principe electromagnetische doorstroommeter

Schets electromagnetisChe watersnelheidsmeter Electronisch blokschema

Schets van opnemer I fig. 6 : Schets van opnemer II

fig. 7 : Schema van de oscillator

fig. 8 : Schema van de eindversterker

fig. 9 : Verbana tussen accuspanning en spoelstroom van opnemer

I

: Schema van het "Low Pass" fi1te'

: Verband tussen frequentie en amplitudeirerhOUdiflg van het flter : Schema van de gelijkrichter

Verband tussen de ingangs- en uitgangsspanniflg van de gelijkrichter

: Schema van de gestabiliseerde voeding : Compleet schema

: Vebaridissen de

watersnelheid en de meteraanwijziflg

: Foto fig.

i8

Foto fig. 10 11 fig. 12 fig. 13 fig. 114 fig. 15 fig. 16 fig. 17 fig. i fig. 2 : fig. 3 : fig. 14 : fig. 5

10.0 fleferenties

Introduction to electromagnetic fields by Ph.D. Samuel Seely Mac Graw-Hill Book Company, Inc.

Classical Electricity and Magnetism by Wolfgang K.H. _{Panofsky and} Melba Phillips

stroorn

stabilisa tor

voor

vers

ter-Fig. : Electroniscli blokschema

oscillator actief filter nul compensator ges tab. voeding demodulator accu

fig. 5

:

Schets van opnemer I

o

Fig.

6 :

Schts van opnemer II

o

o

o

o

220k

d

T20k

ad741c

C1

2 fl4360

g

o

o

I-(D U)

Fig. T

Schema va

_{de oscillator}

33k

i2ßJf

.

_.

.

5k 1

10k

0V.

+5V.

Fig. 8 Schema van e eindversterker -5 V.

0

T4 = 2N2219 T5 = _2N290)4 IC 3 spoel 1C3 = AD 7)41 C luF 10k

IIEJ

s

.

.

.

4

E

loo

E

o 75

o

t-4-I (n

-I

Q'

o

U)

i 50

25

o g

lo

11

fignur 9. _{Verband tussen accuspanning en spoelstroom}

4i

opnemer i

12 13

figuur 10. _{Schema van het "Low Pass1' filter}

w

lo

C

08

.c I-G,

>

Q,

V

4.' E

o

l

f iguur 11. 2 1. 6 8 10 20 _1.0

60

80 100

- Frequentie

Hz

10k 200k 10k 100k .

11

tJ

E1 $

4k7 10k D1 50k 200k

cJ.

IC 9

f iguur 12. Het schema van de gelijkrichter.

Dl en D2 = BAY 9

o

¡46

T

_(OP4

0,2

02

0,4

13

t

_US$e

_Iflgarg

_ez

I

0,8

Uitgang

SsPannig

9fl9SSPøflflfr

1,0

yaz2 de gel

9 Vo

1jk.rj

figuur

i4.

Het schema van 1e gestabiliseerde voeding.

z = zG

Ti en T2 = 2N2219 T3 = 2N29O4

o,

spoel

o 5E V. 10k o +5 V.

56k

56k

T5 1M 5k1

10Ç

11k

11

1133k

3,2 uFL k

56k

1 01 1k 5k9

t7k

figuur 15.

Compleet schema

2n4360

100k

56k

100k

+5 100k 0

220k

00

220k

T50

+5 V.

200k

lok

T3

2k7

c aim

rough

820 u

₈₂₀

10k d=ZG1 ö=ZG1

10k lin.

11 uF

3,1v uF

200k

-5 V.

o

batt.

o-8 mijl

o-16 miji

80

C w

-6O

-a

-I

D D C-) u, D) D -e In 4-e . Io L-ai -'-I w

20

0'

fig. _{Verband tussen de watersnelheid}1 2

en de meteraanwijzing 3 L

Wcitersnetheid

rn/sec