Студеникин - Технические средства судовождения

ВВЕДЕНИЕ

Технические средства судовождения представляют собой комплекс различных

изделий, позволяющий определить текущее место судна, параметры его движения, а также решить ряд задач, связанных с обеспечением безопасности мореплавания и выполнения швартовых операций.

При изучении указанные средства условно разделяют на две самостоятельные группы – средства, основанные на использовании радиочастотного (радиолокацион- ного) излучения, и средства, не использующие его. Именно последние в рамках

учебного процесса именуются техническими средствами судовождения в отличие от первых, именуемых радионавигационными приборами и системами, в состав ко- торых входят радиолокационные и спутниковые системы. В соответствие указанно- му разделению в дальнейшем под техническими средствами судовождения (ТСС) будем понимать устройства, работающие без использования радиоизлучений.

Сметодической точки зрения изучение ТСС удобно осуществлять, группируя их по принципам действия, поскольку в указанных рамках легче проследить основ- ные факторы, оказывающие то или иное влияние на качество работы прибора вне зависимости от того, какую конкретно задачу решает этот прибор или изделие. По- этому курс лекций включает в себя четыре самостоятельных раздела:

∙Основы теории магнитного компаса;

∙Основы работы гидроакустических приборов и индукционных лагов;

∙Основы теории инерциальных датчиков информации;

∙Основы построения гироскопических компасов и инерциальных систем.

Сдругой стороны, при планировании курса лекций учитывалось, что студенты

ускоренного цикла подготовки уже знакомы с основами работы рассматриваемых приборов, и ими проработана основная часть вопросов, подлежащих самостоятель- ному изучению. Исходя из этого, в лекционном курсе рассматриваются в основном вопросы повышенной сложности и недостаточно полно изложенные в учебной ли- тературе.

Конструктивные особенности рассматриваемых изделий изучаются в лабора- торном цикле.

ВВЕДЕНИЕ К РАЗДЕЛУ

Магнитный компас (МК) является одним из наиболее древних приборов, кото- рый в течение многих столетий успешно помогал судоводителям решать их профес- сиональные задачи. Его по праву можно отнести к категории самых надежных изде- лий, используемых на морских судах. Однако развитие альтернативных, более точ- ных методов определения курса судна несколько снизили его значимость. Тем не менее, указанное обстоятельство не дает оснований предполагать, что в ближайшее время компас будет снят с эксплуатации.

В канун наступающего столетия Международная морская организация (ИМО) подготовила новые правила, направленные на повышения безопасности судоходст- ва. 24 сентября 1999 г. на 45 сессии Подкомитета ИМО по безопасности мореплава-

ния завершилась работа по подготовке в значительной степени пересмотренной Главы 5 Конвенции СОЛАС-74. Новым в этой главе является Правило 15, в котором изложены принципы, связанные с конструкцией мостика и порядком его оснащения навигационными системами и оборудованием. В соответствии с этими правилами магнитный компас по-прежнему остается в составе оборудования в качестве резерв- ного курсоуказателя, позволяющего осуществлять контроль качества работы гиро- компаса и решать навигационные задачи при выходе гирокомпаса из строя.

Как и все другие приборы, магнитные компасы постоянно совершенствуются. Разрабатываются новые их модели, улучшается конструктивное оформление основ- ных элементов компаса, внедряются новые способы получения, обработки и ото- бражения информации, развивается и уточняется теория девиации МК, отрабатыва- ются способы автоматической коррекции ошибок компаса. Все это диктует необхо- димость постоянного совершенствования знаний специалистов, практически ис- пользующих компасы в своей профессиональной деятельности.

1.1. Классификация магнитных компасов

На сегодняшний день разработаны МК для различного типа судов, которые от- личаются друг от друга типом чувствительного элемента, точностными характери- стиками, компенсаторами его девиации и устройствами отображения информации. Исторически сложилось так, что на морском флоте преимущественное распростра-

нение получили МК с подвижным чувствительным элементом (картуш-

кой), которые часто называют стрелочными [6]. Их несомненным достоинст- вом является то, что наличие картушки, самостоятельно устанавливающейся в ме- ридиан, позволяет снимать значение курса судна непосредственно со шкалы этой картушки, что обеспечивает возможность ориентации даже при отсутствии электро- питания. Относительная простота конструкции такого МК обеспечивает высокий уро- вень его надежности.

В последнее время на судах стали применять индукционные МК, которые не имеют картушки. Вместо нее используются специальные датчики, измеряющие па- раметры судового магнитного поля. Эти датчики определенным образом ориентиро-

ваны относительно диаметральной плоскости судна и неподвижны относительно нее. Названные компасы являются дистанционными, имеют меньшие габариты чувстви- тельного элемента, допускают бòльшую свободу в выборе места их установки. Однако они требуют электропитания и наличия специальных указателей курса, которые называются

репитерами.

Современные стрелочные компасы, предназначенные для использования на су- дах дальнего плавания, также снабжаются устройствами для дистанционной переда- чи информации. Необходимость таких устройств диктуется внедрением на судах «черных ящиков» и интегрированных навигационных систем. Устройства дистан-

ционной передачи информации могут быть оптическими, электромеханиче-

скими или электронными (цифровыми).

Информация о курсе может отображаться как в аналоговом, так и в цифровом виде и, как правило, на нескольких указателях курса (репитерах).

Различают главные и путевые МК. Главный магнитный компас устанавли- вается на верхнем мостике в диаметральной плоскости судна или, как исключение, вблизи её и может использоваться для пеленгования различных ориентиров. Ин- формация с главного МК может сниматься непосредственно с его картушки или, при наличии системы дистанционной передачи информации, в ходовой рубке. Если главный компас не имеет дистанционной передачи, то в ходовой рубке устанавлива- ется путевой МК. Имеется ряд других признаков, по которым классифицируются магнитные компасы.

1.2. Особенности построения современных стрелочных компасов

Как уже отмечалось выше, в настоящее время наиболее широко распространены на флоте магнитные компасы с картушкой (стрелочные МК). Как известно [6,7,9], основным элементом такого компаса является котелок, в котором собрана его изме-

рительная система. Для определения пеленгов и курсовых углов на котелке компаса устанавливается пеленгатор. Сам котелок размещается в нактоузе, в котором также размещаются устройства для компенсации девиации МК.

рождаемой магнитомягким судовым железом. Компенсаторы других видов де- виации размещены внутри котелка компаса. Диаметр шкалы этого компаса составляет

95мм.

В шлюпочном или яхтенном варианте котелок снабжается осветительными устройствами, рас-

считанными на работу при отсутствии бортовой сети питания. Такими устройствами могут быть масляные фонари и осветители, потребляющие постоянный ток от сухих элементов или аккуму- ляторов. Указанные компасы используются, как правило, без нактоуза.

курсом позволяет измерять его крен в диапазоне ± 450. Диаметр шкалы такого ком- паса составляет 48 мм, а его вес – 470 грамм.

Устройство котелка магнитного компаса, в своей основе, является типовым и хорошо вам известным. Отличительные особенности конкретных моделей МК опре-

деляются наличием или отсутствием встроенных элементов систем дистанционной

передачи информации, а также геометрическими особенностями картушки и других элементов котелка.

Картушка компаса может иметь 2, 4, или 6 постоянных, жестко с нею связан- ных, стержневых магнитов 1, оси которых параллельны, а размеры попарно одина- ковы.

Имеются компасы, в которых вместо стержневых магнитов используется один кольцевой. Это позволяет улучшить динамику картушки МК и снизить уровень де- виации высших порядков. Кроме того, снижается трудоемкость изготовления ком- паса за счет упрощения балансировки картушки и исключения необходимости про- верок магнитов-стрелок.

Устанавливается картушка таким образом, чтобы точка опоры находилась выше её центра масс, что делает подвес устойчивым при наличии внешних возмущающих воздействий, порождаемых, например, качкой судна. Для снижения давления кар- тушки на опорную шпильку она снабжается поплавком. С целью снижения влияния качки судна на работу компаса в ряде изделий, например, в компасе КМ-145 (рис. 1.3), поплавок 1 снабжается дополнительным кожухом 2, сообщающимся с рабочей

камерой котелка, в результате чего он

тельного элемента этого компаса в условиях качки превышает устойчивость кар- тушки компаса УКП-М, не имеющегодополнительного кожуха в два раза [6].

В котелок, куда помещена картушка, заливается морозостойкая жидкость. В верхней части котелка имеется азимутальная шкала, с помощью которой измеряют- ся курсовые углы ориентиров.

Котелок компаса устанавливается в кардановом подвесе. К нижней части котел- ка крепится груз, благодаря чему его центр масс смещается вниз относительно оси подвеса, обеспечивая, тем самым, его повышенную устойчивость при наличии кач- ки судна. Здесь же устанавливается индукционный датчик, измеряющий углы пово- рота картушки, если МК имеет систему дистанционной передачи информации.

Верхняя часть нактоуза может поворачиваться относительно его нижней части вместе с котелком. Кроме того, сам котелок можно разворачивать относительно верхней части нактоуза.

В упомянутых ранее компасах “Галс” для маломерных судов картушка, вклю-

1.3. Системы дистанционной передачи информации

Как уже отмечалось выше, современные МК снабжаются системами дистанци- онной передачи информации. Впервые такой компас был разработан в 1938 году.

Основными целями, достигаемыми при создании дистанционных систем, явля-

ются [11]:

∙обеспечение возможности размещения котелка МК в местах с наиболее при- емлемыми для его работы магнитными условиями (уменьшение экранирова- ния компаса от магнитного поля Земли судовыми конструкциями, отдаление от источников помех) за счет передачи магнитного курса в ходовую рубку к посту управления рулем, где эти условия бывают часто неблагоприятными;

∙выработка истинного курса путем учета общей поправки компаса (суммы ос- таточной девиации и магнитного склонения) и осреднение показаний курса при качке;

∙трансляция курса в несколько постов с визуализацией в репитерах, а также передача информации потребителям, нуждающимся в ней;

∙обеспечение, для повышения надежности курсоуказания непрерывного авто- матического сличения показаний компаса с гирокурсоуказателями и сигнали- зация при превышении разности показаний заранее установленного значения;

∙обеспечение возможности документирования текущих значений курса, кото- рое необходимо, наряду с документированием других параметров движения судна, при анализе причин аварий;

∙обеспечение возможности ускоренного приведения гирокурсоуказателя в ме- ридиан по значениям истинного курса, выработанного в дистанционной пере- даче;

∙сигнализация об отклонениях от заданного штурманом генерального курса судна;

∙автоматическое исключение из показаний истинного курса инструментальных погрешностей компаса, а также изменений девиации.

Учитывая необходимость обеспечения свободного доступа судоводителям к компасу, его, как правило, размещают на верхнем мостике непосредственно над ав- торулевым. Поэтому для отображения значения измеренного курса в рулевую рубку можно использовать оптическую систему. Для достижения всех остальных указан- ных выше целей к ней добавляются электрические (аналоговые или цифровые) сис- темы трансляции.

Оптическая система дистанционной передачи может быть построена путём

∙использования специальной оптической трубы, связывающей МК с ходо- вой рубкой,

∙с помощью волоконного оптического кабеля,

∙с использованием специальной видеокамеры.

Электромеханическая система дистанционной передачи информации, как прави- ло, создаётся на базе индукционного датчика (ИД) ориентации картушки МК. Этот датчик содержит два или три магнитных зонда (часто их называют феррозондами),

каждый из которых позволяет определить значение составляющей напряжённости измеряемого магнитного поля вдоль своей оси чувствительности. Совместное ис- пользование сигналов этих зондов даёт возможность определить направление век- тора напряженности магнитного поля, создаваемого картушкой компаса, относи- тельно диаметральной плоскости судна.

Магнитный зонд может быть построен на базе двух стержневых или одного кольцевого сердечников, выполненных из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, например, из пермаллоя. В первом случае (рис. 1.5) на каждый сердечник 1 наматываются обмотки подмагничивания 2 и 3, имеющие оди- наковое количество витков. Эти обмотки соединяются последовательно и встречно и питаются напряжением Uп переменного тока. Величина указанного напряжения

должна быть достаточной для того, чтобы стержни при любом значении напряжён-

ности измеряемого магнитного поля гарантированно переводились бы в состояние насыщения.

На оба сердечника наматывается общая обмотка 4, с которой снимается выход- ной сигнал Uв магнитного зонда.

вии внешнего поля Х (рис. 1.5) результирующее выходное напряжение Uв оказыва- ется равным нулю.

Если напряжённость Х измеряемого поля не равна нулю, то магнитный поток Фх этого поля в одном стержне будет складываться с потоком подмагничивания, а в другом вычитаться из него. Это приведёт к нарушению симметрии магнитного со-

стояния сердечников в результате чего в выходной обмотке будет индуктироваться напряжение, пропорциональное напряженности Х. Фаза выходного сигнала магнит- ного зонда изменяется на противоположную, если вектор напряжённости измеряе- мого поля меняет свое направление на противоположное. Подробное объяснение

процессов можно найти, например, в [8.19].

Кольцевые феррозонды имеют одну обмотку возбуждения 2 (рис. 1.6) и одну или несколько сиг- нальных обмоток 1. Использование таких сердеч- ников обусловлено наличием у них ряда преиму- ществ, к числу которых можно отнести:

∙ однородность механических и магнитных пара- Рис. 1.6 метров сердечника, а также параметров цепи возбуждения, что обеспечивает низкий уровень шума и более высокую стабиль-

ность “нуля” феррозонда;

∙симметричную форму сердечника, которая позволяет использовать несколько сигнальных обмоток, охватывающих его и имеющих разные направления отно-

сительно вектора измеряемого поля, что исключается для стержневых феррозон- дов;

∙возможность значительно уменьшить размеры кольцевых сердечников по срав- нению со стержневыми;

∙отсутствие необходимости подбора сердечников.

Отечественные кольцевые феррозонды для двухкомпонентных измерений име- ют сердечники в виде набора шайб из листового материала. Две сигнальные обмот- ки располагаются ортогонально друг к другу, причем с целью обеспечения возмож- ности точной относительной ориентации обмоток одна из них выполняется под- вижной.

Феррозонды могут питаться синусоидальным или прямоугольно-импульсным напряжениями. Второе предпочтительнее, так как позволяет получить более устой- чивую работу датчика при значительных коэффициентах усиления его сигнала и да- ет возможность построить систему в удобном микромодульном исполнении, кото- рое не требует существенной настройки [6]. Как уже было указано выше, ИД может содержать в своём составе два или три феррозонда, каждый из которых измеряет со- ставляющую магнитного поля картушки компаса вдоль оси своих сердечников. Как правило, он размещается в котелке МК под картушкой и вместе с котелком ориен- тируется требуемым образом относительно диаметральной плоскости судна. Однако существуют варианты, когда два одноосных магнитометра располагаются таким об- разом, что их оси чувствительности находятся в плоскости картушки. Такой вариант реализован, например, в компасе КМ-115-07 (ОАО «Штурманские приборы »).

Если используется двухзондовый ИД, то ось чувствительности одного зонда ус-

Ф1

Y

Г

Р Д

Рис. 1.7

танавливается вдоль диаметральной плоскости судна, а другого перпендикулярно ей. В этом случае зонд 1 (рис. 1.7) будет измерять продольную составляющую Х по- ля картушки, а зонд 2 – поперечную Y. Сигнальные обмотки зондов связаны со ста-