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 громоздком нактоузе, что позволяет размещать его в наиболее благоприятных в магнитном отношении местах на судне;

· малые габариты магнитного датчика и компактное девиационное устройство или его отсутствие.

Чувствительным элементом рассматриваемого МК является индукционный датчик (ИД), содержащий, как и в электромеханической системе дистанционной передачи информации, два или три магнитных зонда, каждый из которых позволяет определить составляющую напряжённости магнитного поля вдоль его собственной оси. Только теперь измеряется судовое магнитное поле, основу которого составляет магнитное поле Земли. Совместное использование сигналов этих зондов даёт возможность определить направление вектора горизонтальной составляющей судового магнитного поля относительно диаметральной плоскости и, как следствие, курс судна.

Рис. 3.1

В последнее время вместо стержневых феррозондов стали применяться кольцевые, имеющие одну обмотку возбуждения 2 (рис. 3.1) и одну или несколько сигнальных обмоток 1. Это обусловлено наличием у последних ряда преимуществ, к числу которых можно отнести:

· однородность механических и магнитных параметров сердечника, а также параметров цепи возбуждения, что обеспечивает низкий уровень шума и более высокую стабильность “нуля” феррозонда;

· симметричная форма сердечника позволяет использовать несколько сигнальных обмоток, охватывающих сердечник и имеющих разные направления относительно вектора измеряемого поля, что исключается для стержневых феррозондов;

· размеры кольцевых сердечников могут быть значительно уменьшены по сравнению со стержневыми;

· отсутствует необходимость подбора сердечников.

Отечественные кольцевые феррозонды для двухкомпонентных измерений имеют сердечники в виде набора шайб из листового материала. Две сигнальные обмотки располагаются ортогонально друг к другу, причем с целью обеспечения возможности точной относительной ориентации обмоток одна из них выполняется подвижной.

Феррозонды могут питаться синусоидальным или прямоугольным напряжениями. Второе предпочтительнее, так как позволяет получить более устойчивую работу датчика при значительных коэффициентах усиления его сигнала, дает возможность построить систему в удобном микромодульном исполнении, которое не требует существенной настройки [4]. В обоих случаях выходные сигналы чувствительного элемента представляют собой напряжения постоянного тока, полученные в результате синхронного детектирования гармоник выходных сигналов феррозондов, пропорциональных напряженностям измеряемых магнитных полей.

о

х

3 1

у 4

Рис. 3.2

z

Алгоритмы вычисления компасного курса судна зависят от способа установки ИД компаса. И здесь возможны два варианта. В первом индукционный датчик 1 (рис. 3.2) устанавливается в корпусе прибора 3 в кардановом подвесе таким образом, чтобы центр масс системы был ниже центра подвеса, совпадающего с точкой о. В этом случае из-за наличия маятниковости ИД располагается в плоскости горизонта 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. Корпус прибора заполняется жидкостью, обеспечивающей демпфирование колебаний индукционного датчика при воздействии внешних возмущающих факторов.

Таким образом, в случае использования двухкомпонентного индукционного датчика его выходные напряжения в рассматриваемом случае будут определять составляющие Х´ и Y´ напряженности судового магнитного поля, направленные вдоль диаметральной плоскости и плоскости шпангоутов, соответственно. Эти составляющие связаны с вектором Н´ горизонтальной составляющей судового магнитного поля следующими равенствами (рис. 3.3):

. (3.1)

Текущий компасный курс КК судна определяется путем вычисления отношения выходных сигналов:

. (3.2)

Значение курса рассчитывается в пределах от 0⁰ до 90⁰ для того квадранта, в котором он находится. Номер квадранта устанавливается по знакам X´ и Y´, которые соответствуют приведенным в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Для того чтобы исключить появление в знаменателе выражения (3.2) величин, близких к нулю, значения курсов, лежащих в пределах от 0⁰ до 45⁰, рассчитываются в соответствие с равенством (3.2), а при 45⁰ < КК < 90⁰ для расчета используется обратное отношение

(3.3)

Указанный способ определения текущего курса судна не является единственно возможным, однако его несомненным достоинством является то, что он исключает влияние на полученный результат таких факторов, как вариации напряжения питания феррозондов, нестабильность их характеристик, колебания температуры окружающей среды и т.п. Это происходит потому, что названные факторы оказывают влияние одновременно как на Х´, так и на Y´.

Структурная схема, в соответствие с которой вырабатывается информация о курсе судна, представлена на рис. 3.4. Феррозонды с ортогональным расположением 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

. (3.4)
Значения Н´ используются для определения поправок МК, знание которых позволяет вычислить магнитный курс МК судна:

или . (3.5)

Компас может указывать и истинный курс ИК судна, измеренный относительно географического меридиана. Для этого в него следует ввести информацию о текущем значении магнитного склонения d, снятую с карты.

. (3.6)

Выходные сигналы отображаются устройствами индикации курса 6. Генератор 5 вырабатывает напряжение возбуждения феррозондов и формирует тактовые импульсы для вычислителя.