INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGÍA INDUSTRIAL 1

Ecosonda de Baja Profundidad para el Río de la Plata

Acquaticci, F. (i); Gwirc, S. (i); Martínez del Peso, H. (ii)

(i)INTI-Electrónica e Informática
(i)Instrumental Náutico LEHG II
Introducción
A partir de la prospección y caracterización de
ecosondas de profundidad comerciales, se
desarrollo en el laboratorio de investigación
aplicada en ultrasonido, el prototipo de una
sonda de baja profundidad. Los ecosondas
comerciales están diseñados para funcionar en el
mar donde generalmente la profundidad es
mayor a 2 ó 3 metros y detectan objetos hasta
alrededor de 300 m de profundidad. Estas
características hacen que su utilidad sea
prácticamente nula en un entorno como el del
Río de la Plata en donde las embarcaciones
navegan con profundidades de 60 cm y a veces
menores. Esta situación generó la necesidad de
contar con un dispositivo de calidad adaptado a
las necesidades locales que funcione en
distancias cortas en agua sin que se bloquee su
funcionamiento. Conjuntamente con esta sonda
se diseño e implementó el circuito analógico de
emisión y recepción conformando la etapa de
entrada y salida de la electrónica del sonar.

Descripción Experimental
La ecosonda del sonar de profundidad es
básicamente un emisor y receptor de
ultrasonido, el cual convierte energía eléctrica en
energía mecánica (ondas de presión) y
viceversa, esto es, energía mecánica en energía
eléctrica. Su caracterización comprende la
determinación del patrón de radiación, la
frecuencia de operación y su sensibilidad.
En un ecosonda, un transductor piezoeléctrico
convierte una señal eléctrica de alta tensión y de
una frecuencia determinada en vibraciones
mecánicas. Estas crean ondas de presión que
son transmitidas a través del agua de acuerdo
al patrón de radiación del ecosonda. Si existe un
obstáculo en el camino de propagación de la
onda de ultrasonido, una porción de la energía
es reflejada y el transductor la detecta como un
eco.

Al detectar el eco, el transductor genera una
señal eléctrica, la cual debe ser amplificada y
procesada por el circuito de recepción. De esta
manera es posible determinar la distancia al
obstáculo detectado (por ejemplo, el fondo)
como d = (t · v)/2, donde d es la distancia en
metros, t el tiempo medido por el
microprocesador, que transcurre entre la
emisión del pulso y la detección del eco y v la
velocidad de propagación del sonido, que en el
agua es aproximadamente de 1500 m/s. En la
Fig. 1 se observa los ecos registrados para un
transductor piezoeléctrico utilizado en una
ecosonda y medido a una profundidad de 70 cm
de agua.

Las funciones necesarias para el funcionamiento
del ecosonda se describen en un diagrama en
bloques con los siguientes elementos:

Ecosonda: Elemento transductor final del sonar.
Circuito de protección: Evita que la señal de
excitación de gran amplitud dañe el circuito de
recepción, limitando su amplitud a la entrada del
amplificador diferencial.
Amplificador diferencial: Amplificador
diferencial de entrada, acoplado en AC. Un alto
rechazo en modo común en esta etapa maximiza
la relación señal/ruido durante la recepción del
eco.



Fig. 1: Respuesta típica de una sonda

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Amplificador: Segunda etapa amplificadora.
Amplifica la señal obtenida a la salida del
amplificador diferencial, pudiendo lograr una
gran amplificación del eco. Limita la respuesta
en alta frecuencia a fin de maximizar la relación
señal a ruido a la salida.
Control de ganancia: Permite modificar la
ganancia del amplificador. El factor de
amplificación es determinado por el
microcontrolador.
Extractor de envolvente: Obtiene la
envolvente del eco. Posteriormente es procesada
por el microcontrolador quien discrimina los ecos
del fondo de falsos ecos.
Amplificador de envolvente: Acondiciona la
envolvente del eco para su posterior
digitalización.
ADC: Muestrea y digitaliza la envolvente del
eco.
µC: Microcontrolador. Controla la emisión y
duración de los pulsos de excitación y la
recepción del eco. Procesa la información
proveniente del detector de eco y el extractor de
envolvente realizando la medición de
profundidad, maneja la interfase con el usuario,
alarmas, etc.
Recortador: Limita la amplitud del eco para no
saturar la entrada del detector de eco.
Detector de eco: Consiste en un detector de
tono, el cual genera un pulso en el momento en
que se recibe el eco.
Oscilador sintonizado: Genera una señal
cuadrada a la frecuencia de resonancia de la
ecosonda. La misma señal sirve de referencia
para el detector de eco.
Desfasador y control de activación: A partir
de la señal generada por el oscilador
sintonizado, genera una nueva señal desfasada
180°. Ambas señales, amplificadas por el
circuito de potencia, excitarán el devanado
primario del transformador de pulso. El control
de activación permite al microcontrolador
determinar la duración del pulso de excitación.
Transformador de pulso: Elemento final de la
etapa de salida de la electrónica del sonar.
Permite excitar al elemento piezoeléctrico del
ecosonda con pulsos de frecuencia y amplitud
adecuadas y adaptar la impedancia del elemento
piezoeléctrico, de manera de lograr la mayor
eficiencia posible en la transmisión de energía,
dando como resultado ecos más fuertes.
Resultados

Fig. 2: Diagrama en bloques del ecosonda



µC

Interfase
Detector
De Eco

ADC
Oscilador
Sintonizado
Desfasador y
Control de
Activación
Circuito de
Potencia

Recortador
Amplificador
de
Envolvente
Transformador
De pulso

ECOSONDA
Circuito de
Protección
Amplificador
Diferencial

Amplificador
Control de
Ganancia

Extractor de
Envolvente

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Para el cálculo del transformador de pulso se
implementó un programa de diseño de un
sistema de adaptación para elementos
piezoeléctricos, el cual consta de dos partes:
una para el cálculo de la inductancia que adapta
la impedancia, de manera de compensar la
reactancia de la capacidad paralela equivalente
del transductor, y otra parte para el cálculo de
los devanados primario y secundario del
transformador de pulso. El programa calcula en
la primera parte los siguientes valores:
-Resistencia equivalente serie
-Resistencia equivalente paralelo
-Reactancia capacitiva equivalente paralelo
-Capacidad equivalente paralelo
-Reactancia inductiva de adaptación
-Inductancia de adaptación
-Capacidad de adaptación (dependiendo del
factor de mérito)


Fig. 3: Implementación del ecosonda y su
transformador de pulsos

El cálculo del devanado primario y secundario
del transformador de pulso requiere la siguiente
información que se proporciona al programa de
cálculo:
-Longitud del núcleo
-Diámetro del núcleo
-Permitividad relativa del núcleo
-Diámetro del alambre del devanado secundario
-Inductancia de adaptación
-Tipo de bobina
-Tensión RMS de salida
-Resistencia equivalente paralelo del elemento
piezoeléctrico
-Impedancia del primario

El programa calcula los siguientes valores:
-Cantidad de espiras del devanado secundario
-Cantidad de espiras del devanado primario
-Relación de transformación
-Potencia RMS

En esta etapa se optimizó el circuito de
excitación y medición para una frecuencia de
200 kHz con la que se obtuvieron mejores
resultados en la respuesta, recalculando todos
los componentes que intervienen en la red de
generación y recepción de los pulsos de
ultrasonido. También se estudió el
comportamiento térmico del circuito para
contemplar el funcionamiento en condiciones
ambientales típicas de la embarcación donde
será montado para la medición de profundidad.
Este estudió derivó en la selección de
componentes adecuados para cumplir con las
especificaciones de funcionamiento que el
proyecto requiere.

Características técnicas del sonar

Tensión de alimentación: 12Vcc
Frecuencia de trabajo nominal: 200 kHz
Potencia (RMS): 350 W
Tensión de salida: 350 V
Factores de ganancia: ×1; ×2

Ecosonda:
Diámetro del piezocerámico: 25 mm
Espesor del piezocerámico: 9 mm
Material del transductor piezocerámico: PZT-4
Modo de resonancia: axial
Frecuencia de resonancia: 200 kHz

Conclusiones
El conjunto transductor más la excitación y
detección electrónica mide bien hasta distancias
tan cortas como 30-40 cm en condiciones de
laboratorio. Se deben realizar las pruebas de
campo con las interferencias correspondientes al
movimiento del barco e incluso ramas que se
pueden atravesar en el camino del ultrasonido para
determinar si es necesario modificar el
procesamiento para mantener una medición
correcta de la profundidad.


Para mayor información contactarse con:
Fabian Acquaticci – facq@inti.gov.ar

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