Студеникин - Технические средства судовождения
.pdf
торными обмотками синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ). Получая от зондов напряжение, пропорциональное указанным компонентам маг- нитного поля картушки, эти обмотки создают внутри СКВТ ортогональные магнит- ные потоки Ф1 и Ф2, образующие в сумме магнитный поток, ориентация вектора Ф которого внутри статора определяется положением картушки относительно диамет- ральной плоскости судна. Магнитный поток Ф индуктирует в обмотках ротора СКВТ напряжения, которые будут зависеть как от величины потока, так и направле- ния вектора Ф относительно плоскости роторных обмоток. Если плоскость обмотки ротора параллельна вектору Ф, то ЭДС, индуктированная в ней, при любом значе- нии его модуля будет равна нулю. Таким образом, устанавливая ротор СКВТ в та- кое положение, когда на одной из его обмоток сигнал постоянно будет равен нулю, мы будем отслеживать изменение ориентации картушки относительно диаметраль- ной плоскости судна.
Сэтой целью, сигнал с роторной обмотки СКВТ после его усиления усилителем
Апоступает на двигатель Д, который через редуктор Р поворачивает ротор СКВТ. Когда сигнал, поступающий на двигатель, станет равным нулю, вращение ротора прекратится.
Описанная система была использована в отечественном компасе КМ-145[2].
Аналогичная система использована и в компасе КМ 145-С с той лишь разницей, что на дне котелка закреплен двухкомпонентный кольцевой феррозонд.
В трёхзондовом датчике (рис. 1.8) оси зондов образуют равносторонний тре- угольник [9]. Сигнальные обмотки соединены в треугольник и подключены к ста-
Н1 |
Ф1 |
Н2 |
Р |
Ф2
Ф3 
Н3
Сельсин
К усилителю
Рис. 1.8
торным обмоткам сельсина. Ротор сельсина с помощью следящей системы, анало- гичной рассмотренной выше, будет приводиться в состояние, при котором сигнал, снимаемый с его обмотки, будет равен нулю. Таким образом, осуществляется от- слеживание поворотов картушки компаса и, как следствие, изменения курса судна.
Имеются системы дистанционной передачи, построенные с использованием цифровой техники. Так в компасе КМ 145-М для преобразования истинного курса в импульсный код служит дополнительное электронное устройство, выполненное на плате, поставляемой Пермским приборостроительным объединением. Очевидным недостатком такой схемы является ее сложность, вызванная необходимостью двой- ного преобразования курса.
Более совершенный вариант цифровой системы использован в компасе КМ 11507, в котором два однокомпонентных кольцевых феррозонда размещены ортого- нально на внешней поверхности стенки котелка на уровне кольцевого магнита чув- ствительного элемента.
1.4. Принцип действия индукционного магнитного компаса
Как уже отмечалось выше, наряду со стрелочными МК для морских судов стали разрабатываться индукционные компасы. Основными их достоинствами являются:
∙отсутствие картушки и, как следствие, ошибки из-за наличия углов её застоя;
∙отсутствие погрешности, обусловленной увлечением картушки поддерживающей жидкостью, заполняющей котелок МК;
∙меньшие величины динамических погрешностей МК;
∙отсутствие необходимости устанавливать магнитный датчик прибора в громозд- ком нактоузе, что позволяет размещать его в наиболее благоприятных в магнит- ном отношении местах на судне;
∙малые габариты магнитного датчика и компактное девиационное устройство или его отсутствие.
Чувствительным элементом рассматриваемого МК является индукционный дат- |
|||
чик (ИД), содержащий, как и в электромеханической системе дистанционной пере- |
|||
дачи информации, два или три магнитных зонда, каждый из которых позволяет оп- |
|||
ределить составляющую напряжённости магнитного поля вдоль его собственной |
|||
оси. Только теперь измеряется судовое магнитное поле, основу которого составляет |
|||
|
3 |
|
магнитное поле Земли. Совместное ис- |
|
4 |
|
пользование сигналов этих зондов даёт |
|
|
|
возможность определить направление |
|
о |
х |
вектора горизонтальной составляющей |
3 |
1 |
|
судового магнитного поля относительно |
|
диаметральной плоскости и, как следст- |
||
у |
2 |
4 |
вие, курс судна. Для этих же целей могут |
|
применяться и двухкомпонентные коль- |
||
Рис. 1.9 |
|
z |
цевые ИД. |
|
|
||
Алгоритмы вычисления компасного курса судна зависят от способа установки ИД компаса. И здесь возможны два варианта. В первом индукционный датчик 1 (рис. 1.9) устанавливается в корпусе 3 прибора в кардановом подвесе таким обра- зом, чтобы центр масс системы был ниже центра подвеса, совпадающего с точкой о.
В этом случае из-за наличия маятниковости ИД располагается в плоскости гори- зонта и остается вблизи ее во время качки судна. Элементами карданового подвеса являются наружное кольцо 4 и внутреннее кольцо 2. Первое может поворачиваться в корпусе прибора вокруг оси оу, а второе относительно кольца 4 вокруг оси ох. Кор-
пус прибора заполняется жидкостью, обеспечивающей |
|
|
|
демпфирование колебаний индукционного датчика при |
Nk |
|
|
воздействии внешних возмущающих факторов. |
KK |
||
|
|||
Таким образом, в случае использования двухкомпо- |
|
х |
|
нентного индукционного датчика его выходные напря- |
H´ |
X´ |
|
жения в рассматриваемом случае будут определять со- |
|
|
|
ставляющие Х´ и Y´ (рис. 1.10) напряженности судового |
Y´ |
|
|
магнитного поля, направленные вдоль диаметральной |
Рис. 1.10 |
у |
|
плоскости и плоскости шпангоутов, соответственно. Эти |
составляющие связаны с вектором Н´ горизонтальной составляющей судового маг- нитного поля следующими равенствами:
Х ′ = Н′cos KK, Y′ = −H′sin KK . |
(1.1) |
Текущий компасный курс КК судна определяется путем вычисления отношения
выходных сигналов: |
|
|
|
КК = arctg |
Y ′ |
. |
(1.2) |
|
|||
|
X ′ |
|
|
Значение курса рассчитывается в пределах от 00 до 900 для того квадранта, в ко- тором он находится. Номер квадранта устанавливается по знакам X´ и Y´, которые соответствуют приведенным в таблице 1.1.
Для того чтобы исключить появление в знаменателе выражения (1.2) величин, близких к нулю, значения курсов, лежащих в пределах от 00 до 450, рассчитываются в соответствие с равенством (1.2), а при 450 < КК < 900 для расчета используется об-
ратное отношение
КК = arcctg |
X ′ |
. |
(1.3) |
|
|||
|
Y ′ |
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.1. |
||
Указанный способ определения те- |
|
|
|
|
|
|
Квадрант |
00-900 |
900- |
1800- |
2700- |
||
кущего курса судна не является единст- |
Параметр |
1800 |
2700 |
3600 |
||
|
||||||
венно возможным, однако его несомнен- |
|
|
|
|
|
|
X´ |
+ |
_ |
_ |
+ |
||
ным достоинством является то, что он |
||||||
|
|
|
|
|
||
исключает влияние на полученный ре- |
Y´ |
_ |
_ |
+ |
+ |
|
зультат таких факторов, как вариации на- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
пряжения питания феррозондов, нестабильность их характеристик, колебания темпера- туры окружающей среды и т.п. Это происходит потому, что названные факторы оказы- вают влияние одновременно как на Х´, так и на Y´.
Структурная схема, в соответствие с которой вырабатывается информация о
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
Н´ |
|
Х´ |
|
|
|
КодХ´ |
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
4 |
6 |
||||
|
Y´ |
|
КодY´ |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
5 Рис. 1.11
курсе судна, представлена на рис. 1.11. Феррозонды с ортогональным расположени- ем осей чувствительности, входящие в комплект ИД 1, выдают значения Х´ и Y´ в виде напряжений постоянного тока, которые через коммутатор 2 последовательно подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3.
После их преобразования в цифровые коды, последние поступают в вычислитель 4. В вычислителе, как это уже было описано выше, рассчитывается значение КК и
одновременно модуль вектора
Н |
′ |
= |
′ 2 |
′ |
2 |
. |
(1.4) |
|
(Х ) |
+ (Y ) |
|
Значения Н´ используются для определения поправок МК, знание которых позволя- ет вычислить магнитный курс МК судна:
МК = arctg |
Y′ + |
Y |
или MK = arcctg |
X ′ + |
X |
. |
(1.5) |
X ′ + |
X |
Y ′ + |
|
||||
|
|
Y |
|
||||
Компас может указывать и истинный курс ИК судна, измеренный относительно географического меридиана. Для этого в него следует ввести информацию о теку- щем значении магнитного склонения d, снятую с карты.
ИК = МК + d . |
(1.6) |
Выходные сигналы отображаются устройствами индикации курса 6. Генератор 5 вырабатывает напряжение возбуждения феррозондов и формирует тактовые им- пульсы для вычислителя.
Одним из существенных недостатков индукционных компасов рассматриваемо- го типа является наличие значительных погрешностей, возникающих в результате отклонения осей ИД от плоскости горизонта, которое имеет место в процессе качки судна. Поэтому эти компасы рекомендуется применять только на динамически ус- тойчивых судах.
Во втором варианте выполнения индукционных компасов, как правило, исполь- зуются трехкомпонентные ИД, которые монтируются в корпус без карданового под- веса и остаются все время неподвижными относительно него. Это упрощает конст- рукцию датчика, но для определения курса судна требуется информация о про- странственной его ориентации. Указанная информация, как правило, получается с помощью трех акселерометров с взаимно ортогональными осями чувствительности, совпадающими по направлению с осями, связанными с судном. В то время как ИД вырабатывает информацию о компонентах X´, Y´ и Z´ судового магнитного поля, ак- селерометры измеряют проекции gx, gy и gz вектора ускорения силы тяжести Земли на судовые оси. Алгоритмы обработки этой информации можно найти в [6,9].
1.5. Погрешности индукционных компасов
Основные погрешности индукционного магнитного компаса обусловлены:
∙наличием не скомпенсированного судового магнитного поля и его неравномер- ностью;
∙влиянием качки судна;
∙ошибками систем дистанционной передачи информации;
∙инструментальными ошибками;
∙неточностью ориентации индукционного датчика относительно диаметральной плоскости судна.
Влияние не скомпенсированного судового магнитного поля будет подробно рас- смотрено в последующих разделах пособия. Здесь лишь отметим, что имеются све- дения [5], что влияние неоднородности судового магнитного поля может быть дос- таточно большим, что может потребовать специальных мер для его ослабления.
В результате качки судна, даже при наличии маятниковой стабилизации, индук- ционный датчик отклоняется от плоскости горизонта, и на него начинает оказывать влияние вертикальная составляющая судового магнитного поля. Это приводит к по- явлению периодической составляющей погрешности компаса, которая может за- труднять съём показаний. С целью уменьшения влияния этой погрешности произво-
дится осреднение мгновенных значений курса судна за определённый промежуток времени.
Если ИД не стабилизирован, на показания акселерометров оказывает влияние не только поле силы тяжести Земли, но и ускорения качки судна, которые в силу несо-
вершенства алгоритмов вычисления и неточности информации о параметрах этих ускорений не могут быть полностью учтены в процессе расчета текущего курса суд- на.
Ошибки системы дистанционной передачи и инструментальные ошибки являют- ся пренебрежимо малыми по сравнению с влиянием судового магнитного поля.
Ошибки из-за неточности ориентации чувствительного элемента компаса и ре- питеров для пеленгования обычно не превышают 0,20.
1.6. Девиация магнитных компасов
Как известно, девиация МК возникает в результате воздействия на него судового магнитного поля, которое образуется в результате сложения земного магнитного поля с магнитным полем, возникающим за счёт наличия на борту судна ферромаг- нитных материалов, являющихся элементами его конструкции, силовой установки, а не редко и перевозимого на судне груза. Суммарное поле по своим параметрам мо- жет существенно отличаться от земного, в результате чего девиация МК может дос- тигать значительных величин. Указанное обстоятельство требует проведения специ- альных работ, направленных на компенсацию влияния судового магнетизма на по- казания компаса.
Влияние судового магнетизма определяется коэффициентами девиации и соот- ветствующими им судовыми магнитными силами, которые порождают круговую, полукруговую и четвертную ее составляющие.
Текущее значение девиации магнитного компаса можно оценить различными способами. Наиболее часто девиация определяется:
§путем сличения показаний магнитного и гироскопического компасов,
§путем пеленгования отдаленного предмета или створа,
§по вееру створов,
§по пеленгам небесных светил.
Задача сводится к сравнению значений компасного курса КК судна или компасно- го пеленга КП (обратного компасного пеленга ОКП), снятых с магнитного компа- са, с магнитным курсом МК или магнитным пеленгом МП (обратным магнитным пеленгом ОМП), полученными иными путями и считающимися эталонными [4,7].
Уничтожение девиации МК осуществляется путем компенсации судовых маг- нитных сил, порождающих ее, магнитным полем, создаваемым постоянными магни- тами, брусками и шарами из магнитомягких материалов, а также обмотками с током, располагаемыми определенным образом в районе картушки магнитного компаса. Такое разнообразие средств, используемых для компенсации судового магнитного поля, обусловлено тем, что в процессе перемещении судна в различные районы пла- вания параметры его поля претерпевают определенные изменения. Для того чтобы в этих условиях степень компенсации СМС оставалась постоянной, магнитные поля, создаваемые магнитомягкими материалами, устраняются компенсаторами, изготов- ленными из того же материала, который порождает эти поля, а для компенсации де- виации от магнитотвердых материалов применяют постоянные магниты или обмот- ки с током. Обмотки с током также используются для устранения девиации, создавае- мой средствами размагничивания судна. Иными словами, при проведении девиацион- ных работ следуют правилу: что порождает девиацию, то и используется для ее компен- сации, “клин” выбивают “клином”.
Девиационные работы завершаются составлением таблицы остаточной девиации маг- нитного компаса, которую используют в рейсе для оценки поправки МК.
При проведении девиационных работ в ряде случаев требуется измерение на- пряженности судового или земного магнитных полей, а также их магнитного накло- нения. Для этого используются специальные приборы – дефлектор и инклинатор
[7,9].
1.7. Уничтожение полукруговой девиации
Преимущественное влияние на величину полукруговой девиации оказывают cоставляющие, обусловленные наличием на борту судна магнитотвердых материа- лов. Это дает основание уничтожать данную девиацию с помощью постоянных магни- тов. Составляющие, порождаемые магнитомягкими материалами, проявляют себя, в ос- новном, в относительно высоких широтах и при необходимости их влияние может быть устранено дополнительно. Методика выполнения этих работ рассмотрена, например в
[7,9].
Уничтожение полукруговой девиации способом Эри производится на четы-
рех главных магнитных курсах судна. Порядок приведения судна на задан-
ные курсы не имеет значения. Девиационные работы можно начинать с любого кур- са и в дальнейшем следует выбирать их исходя из имеющейся навигационной об- становки и удобства маневрирования.
На магнитных курсах 00 и 1800 компенсируется поперечная составляющая по- стоянного судового магнетизма, а на курсах 900 и 2700 - продольная. Для этого с по- мощью соответствующих постоянных магнитов, размещаемых в девиационном уст- ройстве, на первом из указанной пары магнитных курсов полностью устраняем на- блюдаемую девиацию, а на противоположном курсе уменьшаем наблюдаемую де- виацию в два раза.
Уничтожение полукруговой девиации способом Колонга осуществляется на
четырех главных компасных курсах.
При выполнении работ устраняется или уменьшается не наблюдаемая девиа- ция, а непосредственно СМС, ее вызывающие. С этой целью на указанных выше компасных курсах судна с помощью дефлектора производится измерение гори- зонтальной составляющей судового магнитного поля. Описание дальнейших дей- ствий оператора можно найти, например [7,9].
1.8. Особенности устранения девиации в индукционных компасах
В отличие от стрелочных магнитных компасов индукционные МК могут быть установлены в местах, в которых влияние судового железа на их показания мини- мальны. Это позволяет упростить девиационное устройство компаса или вообще не использовать его, автоматизировать процесс уничтожения девиации, а при от- сутствии компенсаторов ограничиться оценкой поправки компаса, позволяющей исключить влияние на его показания судового железа.
Для устранения влияния полукруговой, креновой и электромагнитной девиа- ции, как правило, используются три пары катушек Гельмгольца с взаимно пер- пендикулярными осями, в поле которых находится индукционный датчик. Чет- вертная девиация устраняется с помощью компенсаторов, выполненных из магни- томягких материалов. Определение величины составляющих текущей девиации обычно осуществляется по данным измерений в режиме «калибровка», получен- ных в процессе циркуляции судна. Измеряются по пять значений напряженностей Х´ и Y´ судового магнитного поля на равноудаленных друг от друга курсах [6]. Вычисление интересующих параметров производится встроенным в компас процес- сором с использованием уравнений Пуассона. Как правило для устранения девиации достаточно 1 или 2 циркуляций судна.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Поскольку МК и дальше будет играть роль резервного курсоуказателя, что пре- дусматривается разрабатываемыми резолюциями ИМО, он будет постоянно совер- шенствоваться. И здесь основные усилия, по-видимому, будут направлены на:
∙разработку бесконтактной системы подвеса картушки компаса или системы с минимальным уровнем моментов сил сухого трения в ее опоре;
∙улучшение динамических характеристик картушки и адаптацию их к измене- нию широты места судна;
∙дальнейшее развитие систем автоматического устранения влияния судового магнитного поля на показания компаса;
∙повышение надежности индукционных компасов и систем дистанционной пе- редачи информации;
∙дальнейшую микроминиатюризацию используемой схемотехники;
∙снижение мощности, потребляемой изделием;
∙применение встроенных энергоемких аккумуляторов, обеспечивающих авто- номное электропитание компасов в течение длительного времени (нескольких
суток).
Все это будет способствовать решению основной задачи, направленной на по- вышение безопасности мореплавания.
ЛИТЕРАТУРА К РАЗДЕЛУ
1.Большаков В.И. Очерк истории науки о магнетизме. http://www.nvlab.spb.ru/history.pdf.
2.Воронов В.В., Перфильев В.К., Яловенко А.В. Технические средства судовож- дения: Конструкция и эксплуатация: Учебник для вузов / Под ред Е.Л. Смир- нова. – М.: Транспорт, 1988. – 335 с.
3.Горизонткомпас магнитный электронный МодельДС-83 "Горизонт". http://www.elara.ru/product/1351/html
4.Гуков Ф.Т. Практика уничтожения и определения девиации. – М.: Транспорт, 1960, 200 с.
5.Казакова Г.Ф., Кардашинский-Брауде Л.А., Пугачев В.Н. Исследование по- грешности корабельных и судовых магнитных компасов в неоднородном маг-
нитном поле. – http://www.navydevices.ru
6.Кардашинский – Брауде Л. А. Современные судовые магнитные компасы. – СПб: ФГУП “ГНЦ РФ – ЦНИИ «Электроприбор»”, 1999. - 138 с
7.Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Магнитные компасы – М.: Транс-
порт, 1981. – 212 с.
8.Компасы магнитные. http://www.zora.ru/?a=show&id=48&nodec=1
9.Студеникин А.И. Судовые навигационные системы. Устройство и эксплуата- ция магнитных компасов: Учебное пособие. – Новороссийск, МГА им. адм.
Ф.Ф. Ушакова, 2007. – 144 с
10.Черняев Р.Н. Международная и навигационная регламентация требований к навигационному оборудованию судов. сб. Судостроение за рубежом. ЦНИИ
“Румб”, вып. 8 (200). 1983.
11.Эволюция дистанционных передач отечественных магнитных стрелочных морских компасов. http://www.navydevices.ru/evolution.htm
12.Magnetic Sonde tipe 108-010. Anschütz-Equipment. Technical documentation. 13. Mary Bellis. Compass - Magnetic Innovations, http://inventors.about.com 14.Transmitting Magnetic Compass “CamCourse” http://www.cassens-
plath.de/catalog_web/062e_web.html