Магнитный компас

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в дистанционных стрелочных магнитных компасах. Заявлен компас, содержащий корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент, индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента, и компенсатор электромагнитной девиации, выполненный в виде катушек с обмотками. Индукционный преобразователь содержит четыре однокомпонентных феррозонда. Феррозонды размещены на съемной обойме попарно параллельно, диаметрально противоположно и попарно ортогонально. Оси сигнальных обмоток феррозондов совпадают с четырьмя горизонтальными осями, расположенными в четырех вертикальных попарно ортогональных плоскостях. Сигнальные обмотки каждой пары параллельно расположенных феррозондов соединены последовательно и согласно. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в дистанционных стрелочных магнитных компасах.

Известен стрелочный дистанционный магнитный компас по патенту РФ №2104489 G 01 С 17/02 (заявка №94043729/28 от 10.02.89 г.).

Компас содержит корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент (МЧЭ) и индукционный преобразователь (ИП), размещенный в магнитном поле МЧЭ. ИП содержит два однокомпонентных феррозонда с кольцевыми сердечниками, размещенных ортогонально по отношению друг к другу в магнитном поле кольцевого магнита МЧЭ и закрепленных с помощью съемной обоймы на боковой поверхности корпуса.

Основным недостатком компаса является отсутствие в техническом решении, использованном в его конструкции, компенсатора электромагнитной девиации (ЭМК), что исключает использование компаса на судах (кораблях), имеющих источники электромагнитной девиации.

Известен также магнитный компас по патенту РФ №2161775 G 01 С 17/02 (заявка №99102426/28 от 10.01.2001 г.).

Компас содержит корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, МЧЭ и ЭМК, включающий катушки, установленные попарно симметрично относительно вертикали компаса. Оси, совпадающие с направлениями магнитных осей катушек ЭМК, наклонены относительно линий, проходящих через центры катушек и МЧЭ, и размещены в плоскостях, проходящих через вертикаль компаса.

В компасе обеспечено повышение эффективности ЭМК путем увеличения пределов компенсации девиации на единицу массы компенсатора.

Основным недостатком компаса является отсутствие в его составе ИП, что исключает возможность дистанционной передачи информации о курсе, измеряемом компасом.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является магнитный компас с электрической дистанционной передачей курса, снабженный компенсатором электромагнитной девиации, КМ 145-4, описанный в книге «Магнитные компасы», В.В.Воронов, Н.Н.Григорьев, А.В.Яковенко, Санкт-Петербург, «Элмор», 2004 г., стр.118-125, рис.57 и рис.58 (прототип).

Компас серийно изготавливается приборостроительным заводом, г.Катав-Ивановск, Челябинской области.

Компас КМ145-4 (прототип) описан также в «Компас КМ145. Техническое описание и инструкция по эксплуатации КБ0.115.071 ТО», стр.19-20, рис.1 и рис.3.

Компас содержит (см. книгу «Магнитные компасы») герметичный корпус - датчик курса рис.57, позиция 12, рис.58, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент рис.58, позиция 6. На грузе датчика курса закреплен индукционный (феррозондовый) преобразователь рис.58, позиция 1. Компенсатор электромагнитной девиации рис.57, позиция 13 размещен на уровне магнитного чувствительного элемента.

Конструкция компаса КМ145-4 в «Техническом описании и инструкции по эксплуатации КБ0.115.071 ТО» представлена на рис.1, позиции 12 и 13 и рис.3, позиция 6.

Основными недостатками компаса КМ145-4 (прототипа) являются:

1. Размещение ЭМК на уровне МЧЭ, что обуславливает неоднородность (разность) магнитных полей от катушек с обмотками ЭМК в областях размещения МЧЭ и ИП из-за разности расстояний от них до катушек компенсатора. Неоднородность магнитных полей вызывает погрешность дистанционной электрической передачи и, соответственно, погрешность выработки информации о курсе судна (корабля).

2. Размещение ЭМК на уровне МЧЭ вызывает необходимость значительного увеличения габаритных размеров компаса за счет увеличения диаметра верхней части нактоуза компаса в соответствии с размерами катушек ЭМК. Последнее, в свою очередь, вызывает увеличение размеров компенсатора четвертной девиации, при снабжении компаса указанным компенсатором (увеличение набора пластин мягкого железа, см. книгу «Магнитные компасы», рис.57, позиция 4), габаритных размеров и массы компаса.

Основными задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются:

1. Улучшение эксплуатационных характеристик компаса за счет уменьшения погрешности курсоуказания при снижении погрешности электрической дистанционной передачи информации о курсе путем обеспечения однородности магнитных полей, создаваемых катушками ЭМК в зонах размещения МЧЭ и ИП.

2. Улучшение эксплуатационных характеристик компаса за счет уменьшения его массогабаритных характеристик обеспечением значительного уменьшения габаритных размеров - диаметра нактоуза при размещении ЭМК под герметичным корпусом компаса с МЧЭ.

Для решения указанных задач в магнитном компасе, содержащем корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент, индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента, и компенсатор электромагнитной девиации, выполненный в виде катушек с обмотками, индукционный преобразователь содержит четыре однокомпонентных феррозонда, закрепленных с помощью съемной обоймы на корпусе, феррозонды размещены на съемной обойме попарно параллельно и диаметрально противоположно, и попарно ортогонально, причем оси сигнальных обмоток феррозондов совпадают с четырьмя горизонтальными осями, расположенными в четырех вертикальных попарно ортогональных плоскостях, расположенных попарно диаметрально, и параллельных плоскостям, направленным по касательным к боковой поверхности корпуса, при этом сигнальные обмотки каждой пары параллельно расположенных феррозондов соединены последовательно и согласно, а расстояние от горизонтальной плоскости, проходящей через центры сердечников феррозондов, до горизонтальной плоскости, проходящей через центры обмоток катушек компенсатора электромагнитной девиации, определяется формулой:

где h₂ - расстояние от горизонтальной плоскости, проходящей через центры сердечников феррозондов, до горизонтальной плоскости, проходящей через центры обмоток катушек компенсатора электромагнитной девиации;

h₁ - расстояние от горизонтальной плоскости, проходящей через центр магнитной системы магнитного чувствительного элемента, до горизонтальной плоскости, проходящей через центры обмоток катушек компенсатора электромагнитной девиации;

r - расстояние между центром сердечника феррозонда и вертикалью, проходящей через центр магнитной системы магнитного чувствительного элемента.

Предлагаемый магнитный компас представлен на фиг.1-5.

На фиг.1 представлен общий вид компаса в разрезе.

На фиг.2 - индукционный преобразователь, вид сверху.

На фиг.3 - схема соединения обмоток феррозондов индукционного преобразователя.

На фиг.4 - взаимное расположение ФЗ и катушек ЭМК.

На фиг.5 - основные параметры магнитного чувствительного элемента, феррозонда, катушки компенсатора электромагнитной девиации и их взаимное расположение.

Предлагаемый магнитный компас содержит (фиг.1) корпус 1, заполненный демпфирующей жидкостью 2, магнитный чувствительный элемент 3, индукционный преобразователь 4, закрепленный на боковой поверхности корпуса 1 снаружи, и компенсатор электромагнитной девиации, включающий две продольные катушки с обмотками X 5 и две поперечные катушки У 6. Катушки X 5 и У 6 установлены с наклоном таким образом, что ось АВ, совпадающая с направлением магнитной оси катушки, наклонена относительно горизонтальной плоскости на угол θ₁. Катушки X 5 и У 6 установлены попарно симметрично относительно вертикали компаса АА₁.

Индукционный преобразователь (ИП) (фиг.2) содержит четыре однокомпонентных феррозонда (ФЗ) 7, 8, 9, 10, каждый из которых состоит из, например, кольцевого сердечника с намотанными на него обмотками возбуждения и сигнальной обмоткой. ФЗ размещены на съемной обойме 11 попарно параллельно, диаметрально противоположно и попарно ортогонально. При размещении ИП 4 на корпусе 1 (фиг.1) оси сигнальных обмоток ФЗ совпадают с четырьмя горизонтальными осями, расположенными в четырех вертикальных попарно ортогональных плоскостях, расположенных попарно диаметрально, и параллельных плоскостям, направленным по касательным к боковой поверхности корпуса 1.

Сигнальные обмотки о.с. каждой пары параллельно расположенных ФЗ, 7 и 9, 8 и 10 (фиг.3), соединены последовательно и согласно: конец обмотки одного ФЗ, например К7 ФЗ 7, - с концом обмотки К9 второго ФЗ 9, соответственно, конец обмотки К8 ФЗ 8 - с концом К10 обмотки ФЗ 10.

Обмотки возбуждения о.в. всех четырех ФЗ соединены, например, последовательно: конец К о.в. ФЗ 7 - с началом Н о.в. ФЗ 8, конец К о.в. ФЗ 8 - с началом Н о.в. ФЗ 9, конец К о.в. ФЗ 9 - с началом Н о.в. ФЗ 10, начало Н о.в. ФЗ 7 и конец К о.в. ФЗ 10 подключаются к источнику напряжения возбуждения U_возб.

Сигнальные обмотки, с которых снимаются рабочие сигналы U_сигн.1 и U_сигн.2, H7-H9 и Н8-Н10 подключаются к устройствам аппаратуры обработки информации.

Для подключения к аппаратуре ИП снабжен внешним монтажным жгутом 12 с разъемом 13 (фиг.2).

Прелагаемое устройство работает следующим образом.

При неработающем оборудовании судна (корабля), создающем электромагнитную девиацию, на МЧЭ компаса воздействует только магнитное поле Земли и МЧЭ устанавливается по направлению горизонтальной составляющей Н₃ вектора напряженности земного поля. Одновременно на сердечники феррозондов ИП воздействуют совпадающие по направлению горизонтальные составляющие напряженности магнитного поля Земли Н₃ и МЧЭ Н_МЧЭ. При этом на сигнальных обмотках феррозондов формируются сигналы

где U_сигн.1 и U_сигн.2 - выходные сигналы феррозондов;

К - коэффициент преобразования напряженности магнитного поля в напряжение сигнала феррозонда;

Н_МЧЭ - горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля МЧЭ в области размещения феррозонда;

Н₃ - горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли;

МК - магнитный курс судна (корабля).

После обработки полученной информации (3) в аппаратуре вырабатывается значение магнитного курса судна (корабля), как отношение

где МК - магнитный курс судна (корабля);

U_сигн.1, U_сигн.2 - выходные сигналы феррозондов.

При работе электрооборудования судна (корабля), являющегося источником электромагнитной девиации компаса, в месте размещения компаса возникает магнитное поле с горизонтальной составляющей Н_об, которая воздействует на МЧЭ и отклоняет его от направления Н₃, т.е. создает электромагнитную девиацию. Одновременно составляющая Н_об воздействует и на сердечники феррозондов ИП. Вследствие малости расстояний между МЧЭ и феррозондами ИП, по сравнению с расстоянием между компасом и электрооборудованием, магнитное поле Н_об в зонах размещения МЧЭ и сердечников феррозондов однородно, т.е. векторы его напряженности имеют одинаковые модули и направлены параллельно в одну сторону.

Катушки ЭМК X 5 и У 6 (см. фиг.1) установлены попарно симметрично относительно вертикали компаса AA₁ и с наклоном, обеспечивающим направленность магнитной оси катушки АВ на центр А магнитной системы МЧЭ. При подаче тока в катушки ЭМК в центре магнитной системы МЧЭ создается магнитное поле.

Горизонтальная составляющая вектора напряженности этого поля Н_ЭМК равна по модулю и направлена противоположно составляющей Н_об. При этом имеет место компенсация электромагнитной девиации и МЧЭ устанавливается по направлению Н₃.

Одновременно в области размещения каждого феррозонда ИП также возникает магнитное поле, создаваемое катушками ЭМК, но которое отличается от Н_об в центре МЧЭ в силу различия в расположении МЧЭ и феррозондов ИП относительно ЭМК. Это вызывает погрешность индукционного съема, а следовательно, и выработки информации о курсе судна (корабля).

Для минимизации этой погрешности необходимо, чтобы магнитное поле, создаваемое катушками ЭМК в области магнитной системы МЧЭ и сердечников феррозондов, было, также как поле Н_об, однородно, т.е. значения проекций напряженности магнитного поля на горизонтальные плоскости, проходящие через центр магнитной системы МЧЭ и центры сердечников феррозондов ИП, были равны и направлены параллельно и противоположно Н_об.

Решение этой задачи в предлагаемом изобретении обеспечено использованием четырех ФЗ ИП (см. фиг.4, позиции 7, 8, 9, 10), симметрично расположенных относительно вертикали компаса AA₁ и катушек ЭМК (позиции 5, 6), а также размещением ИП 4 (см. фиг.1) относительно ЭМК - катушек 5 и 6.

Задача состоит в определении расстояния между горизонтальной плоскостью, проходящей через центры сердечников феррозондов, до горизонтальной плоскости, проходящей через центры обмоток катушек компенсатора электромагнитной девиации.

Ввиду симметрии расположения катушек ЭМК, достаточно рассмотреть воздействие поля, создаваемого одной катушкой ЭМК, на МЧЭ и один ФЗ.

Значение полного вектора напряженности магнитного поля Т_МЧЭ, создаваемого катушкой ЭМК в центре А магнитной системы МЧЭ (см. фиг.5), равно

где Т_МЧЭ - вектор напряженности магнитного поля, создаваемого катушкой ЭМК в центре А магнитной системы МЧЭ;

М - магнитный момент обмотки катушки ЭМК;

π - константа;

R₁ - расстояние между центрами В (ЭМК) обмотки катушки ЭМК и центром А магнитной системы МЧЭ.

Проекция Т_МЧЭ на горизонтальную плоскость, проходящую через центр магнитной системы МЧЭ, Н_МЧЭ равна

где Н_МЧЭ - проекция вектора Т_МЧЭ на горизонтальную плоскость, проходящую через центр А магнитной системы МЧЭ;

М - магнитный момент обмотки катушки ЭМК;

π - константа;

R₁ - расстояние между центром В обмотки катушки ЭМК и центром А магнитной системы МЧЭ;

θ₁ - угол между линией, соединяющей центр В обмотки катушки ЭМК с центром А магнитной системы МЧЭ, и линией, лежащей в горизонтальной плоскости и соединяющей центр В с точкой А₁ вертикали компаса;

d - расстояние между центром В обмотки катушки ЭМК и вертикалью компаса AA₁;

h₁ - расстояние между горизонтальными плоскостями, проходящими через центр А магнитной системы МЧЭ и центр В обмотки катушки ЭМК.

Полный вектор напряженности магнитного поля Т_ФЗ, создаваемого катушкой ЭМК в центре С (ФЗ) сердечника ФЗ, равен

где Т_ФЗ - полный вектор напряженности магнитного поля, создаваемого катушкой ЭМК, в центре С сердечника ФЗ;

М - магнитный момент обмотки катушки ЭМК;

π - константа;

R₂ - расстояние между центром В обмотки катушки ЭМК и центром С сердечника ФЗ.

Проекция Н_ФЗ вектора Т_ФЗ на горизонтальную плоскость, проходящую через центр С сердечника ФЗ, параллельна проекции Н_МЧЭ и равна

где Н_ФЗ - проекция вектора Т_ФЗ на горизонтальную плоскость, проходящую через центр С сердечника ФЗ, параллельная проекции Н_МЧЭ;

М - магнитный момент обмотки катушки ЭМК;

π - константа;

R₂ - расстояние между центром В обмотки катушки ЭМК и центром С сердечника ФЗ;

θ₂ - угол между линией, соединяющий центр обмотки В катушки ЭМК с центром С сердечника ФЗ, и линией, лежащей в горизонтальной плоскости и соединяющей центр В с проекцией C₁ центра С на горизонтальную плоскость, проходящую через центр В;

θ₃ - угол между линией BC₁ и линией, соединяющей проекцию A₁ центра А магнитной системы МЧЭ на горизонтальную плоскость, проходящую через центр В, с центром В;

d - расстояние между центром В обмотки катушки ЭМК и вертикалью компаса AA₁;

r - расстояние между центром С сердечника ФЗ и вертикалью компаса AA₁;

h₂ - расстояние между горизонтальными плоскостями, проходящими через центр С сердечника ФЗ и через центр В обмотки катушки ЭМК.

Для обеспечения однородности поля, создаваемого обмоткой катушки ЭМК в центре А магнитной системы МЧЭ и в центре С сердечника ФЗ, с целью минимизации погрешности передачи показаний магнитного курса судна (корабля), необходимо обеспечить равенство

где Н_МЧЭ - проекция вектора Т_МЧЭ на горизонтальную плоскость, проходящую через центр А магнитной системы МЧЭ;

Н_ФЗ - проекция вектора Т_ФЗ на горизонтальную плоскость, проходящую через центр С сердечника ФЗ.

Приравняв правые части выражений (6) и (8), получим

где h₂ - расстояние между горизонтальными плоскостями, проходящими через центр С сердечника ФЗ и через центр В обмотки катушки ЭМК;

h₁ - расстояние между горизонтальными плоскостями, проходящими через центр А магнитной системы МЧЭ и центр В обмотки катушки ЭМК.

Предложенное в изобретении размещение в магнитном компасе МЧЭ, ИП и ЭМК в соответствии с выражением (10) обеспечивает минимизацию погрешности дистанционной электрической передачи курса при работающем на судне (корабле) электрооборудовании, являющемся источником электромагнитной девиации.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает уменьшение погрешности курсоуказания дистанционного стрелочного магнитного компаса за счет снижения погрешности электрической дистанционной передачи путем обеспечения однородности магнитных полей, создаваемых катушками компенсатора электромагнитной девиации, в зонах размещения магнитного чувствительного элемента и феррозондов индукционного преобразователя. При этом улучшаются эксплуатационные характеристики компаса.

Улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемого компаса обеспечивается также уменьшением его массогабаритных характеристик за счет размещения катушек компенсатора электромагнитной девиации под герметичным корпусом компаса с МЧЭ, что позволяет значительно уменьшить диаметр нактоуза компаса.

Магнитный компас, содержащий корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент, индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента, и компенсатор электромагнитной девиации, выполненный в виде катушек с обмотками, отличающийся тем, что индукционный преобразователь содержит четыре однокомпонентных феррозонда, закрепленных с помощью съемной обоймы на корпусе, феррозонды размещены на съемной обойме попарно параллельно и диаметрально противоположно, и попарно ортогонально, причем оси сигнальных обмоток феррозондов совпадают с четырьмя горизонтальными осями, расположенными в четырех вертикальных попарно ортогональных плоскостях, расположенных попарно диаметрально, и параллельных плоскостям, направленным по касательным к боковой поверхности корпуса, при этом сигнальные обмотки каждой пары параллельно расположенных феррозондов соединены последовательно и согласно, а расстояние от горизонтальной плоскости, проходящей через центры сердечников феррозондов, до горизонтальной плоскости, проходящей через центры обмоток катушек компенсатора электромагнитной девиации, определяется формулой:

где h₂ - расстояние от горизонтальной плоскости, проходящей через центры сердечников феррозондов, до горизонтальной плоскости, проходящей через центры обмоток катушек компенсатора электромагнитной девиации;

h₁ - расстояние от горизонтальной плоскости, проходящей через центр магнитной системы магнитного чувствительного элемента, до горизонтальной плоскости, проходящей через центры обмоток катушек компенсатора электромагнитной девиации;

r - расстояние между центром сердечника феррозонда и вертикалью, проходящей через центр магнитной системы магнитного чувствительного элемента.