Одномагнетронный гироскоп с реверсированием вектора магнитной индукции

Полезная модель относится к области приборостроения и предназначена как для использования в системах ориентации и навигации кораблей, самолетов и других подвижных объектов, так и в лабораторных и других стационарных условиях для измерения угловых скоростей и интегралов от них угловых движений тренажеров, поворотных столов и других устройств.
Известен резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона [Пат. на ПМ РФ №116999, 2012 г, авторы Мельников Л.А и др.], в состав которого входят два митрона, каждый из которых состоит из установленных в вакуумированной полости резонаторов в виде холодного катода и концентричного ему резонансного анода со штырями и впадинами, а также электронная пушка, содержащая нить накала, подогревной катод и конический анод, в состав митрона также входят источник постоянного магнитного поля и электрод вывода информации, причем ось симметрии митронов, являющаяся измерительной по абсолютной угловой скорости объекта, параллельна оси магнитной индукции источника постоянного магнитного поля так, что измерительные оси митронов направлены встречно-параллельно. При этом два митрона размещены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности корпуса прибора компланарно, каждый резонансный анод состоит из малого и большого секторов, при этом большой сектор холодного катода первого митрона является неполным круговым, второго - неполным кольцевым, при этом первый из них охватывается соответствующим большим сектором резонансного анода по окружности, а второй охватывает по окружности второй большой сектор резонансного анода до центральной зоны, где напротив друг друга расположены малые секторы холодного катода и резонансного анода, содержащего по длине несколько штырей и впадин, образованные при этом совокупные резонансные аноды, состоящие из малых и больших соответствующих секторов анодов первого и второго митронов, содержат четные одинаковые количества штырей и впадин, расположенные с одинаковым угловым шагом.
Однако, т.к. имеются два резонатора, их полную идентичность обеспечить невозможно, и погрешность имеет место.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является однорезонаторный гироскоп-магнетрон, (патент РФ на полезную модель №163266 от 10.07.2016 г., кл. G01C 19/00, автор Плотников П.К.). Он содержит чувствительный элемент в виде магнетрона, представляющего собой герметичную замкнутую полость с расположенными в ней электродом для вывода информации, резонаторным анодом и холодным катодом, накальным эмитирующим катодом, управляющим коническим анодом электронной пушки; магнитную систему магнетрона, источники питающих напряжений, причем чувствительный элемент укреплен посредством кронштейна и регулируемых опор так, что ось холодного катода и резонаторного анода, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы. Кроме того, в его состав вместо второго магнетрона введен высокостабильный измеритель времени, электрод вывода информации магнетрона и выход высокостабильного измерителя времени соединены с соответствующими входами фазового компаратора, выходы которого соединены с входами микропроцессора, выполненного с возможностью определения по алгоритмам сравнения приращения частоты магнетрона по отношению к частоте эталонного генератора, пропорциональной измеряемой угловой скорости, а также приращения фазы от приращения частоты, являющейся выходным сигналом, пропорциональным приращению интеграла от указанной угловой скорости. Кроме того, однорезонаторный гироскоп-магнетрон отличается еще и тем, что в его состав входит фазовый калибратор, выполненный с возможностью определения собственной частоты генерации магнетрона.
Недостатком данного прибора является недостаточная точность измерения, вызванная изменением во времени магнитной индукции постоянных магнитов, переполнением памяти микропроцессора (компьютера) при длительной работе прибора.
Задачей данной полезной модели является снижение этого недостатка, т.е. повышение точности измерения.
Техническим результатом является то, что накопление информации от генератора ограничивается двумя полупериодами коммутации, при этом за счет реверсирования тока и индукции обеспечивается снижение погрешности от неточности выдерживания индукции в полости резонаторов. Введение стабилизатора анодного напряжения также повышает точность прибора. Формируются условия минимизации размеров магнетрона.
Поставленная задача решается тем, что в однорезонаторном гироскопе-магнетроне, содержащем чувствительный элемент в виде магнетрона-митрона, представляющем собой герметичную замкнутую полость с расположенными в ней электродом для вывода информации, резонаторным анодом и холодным катодом, накальным эмитирующим катодом, управляющим коническим анодом электронной пушки; магнитную систему магнетрона, источники питающих напряжений; причем чувствительный элемент укреплен посредством кронштейна и регулируемых опор так, что ось холодного катода и резонаторного анода, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки и перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, согласно заявляемому техническому решению, в состав введен высокостабильный измеритель времени, при этом электрод вывода информации магнетрона и выход высокостабильного измерителя времени соединены с соответствующими входами фазового компаратора, выходы которого соединены с входами микропроцессора, выполненного с возможностью определения по алгоритмам сравнения приращения частоты магнетрона по отношению к частоте эталонного генератора, пропорциональной измеряемой угловой скорости, а также приращения фазы от приращения частоты, являющейся выходным сигналом, пропорциональным приращению интеграла от указанной угловой скорости.
На фиг. 1 представлена функционально-электрическая схема однорезонаторного гироскоп-магнетрона, на фиг. 2 - график изменения коммутируемого тока электромагнитов.
/
//
/
//
/
//
Принятые обозначения: 1 - корпус магнетрона, соединенный с корпусом подвижного объекта (ПО); 2 - сверхвысокостабильный генератор эталонной (опорной) частоты (таймер); 3 - фазовый компаратор; 4 - контроллер или бортовое микропроцессорное устройство (МПУ), 5 - герметичный вакуумплотный магнетрон; 6 - резонаторный анод; 7 - управляющий конический анод электронной пушки; 8 - накальный эмиттирующий катод, 9 - холодный катод магнетрона; 10 - электрод вывода информации, выполненный, например, в виде петли или коаксиально-полоскового перехода; 11 - корпус магнетрона, соединенный с корпусом ПО; 12, 12 - обмотки электромагнитов; 13, 13 - магнитопроводы электромагнитов; 14 - фазовый калибратор; 15 - стабилизатор тока в обмотках электромагнитов; 16 - коммутатор тока в обмотках 12, 12; 17 - стабилизатор анодного напряжения резонансной системы; 18 - стабилизатор анодного тока; 19 - резистор межанодной цепи.
/
//
/
//
/
//
Однорезонаторный гироскоп-магнетрон содержит чувствительный элемент в виде магнетрона 5, представляющего собой герметичную замкнутую полость с расположенными в ее корпусе 1 резонаторным анодом 6, электродом для вывода информации 10, холодным катодом 9, накальным эмиттирующим катодом 8, управляющим коническим анодом электронной пушки 7. Кроме того, однорезонаторный гироскоп-магнетрон содержит электромагнитную систему 12, 12, 13, 13, источники питающих напряжений, причем чувствительный элемент укреплен посредством кронштейна и регулируемых опор так, что ось холодного катода 9 и резонаторного анода 6, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы. Для выработки опорной частоты напряжения предназначен высокостабильный измеритель времени в виде сверхвысокочастоного генератора эталонной частоты 2, фазовый калибратор 14 выполнен с возможностью определения собственной частоты генерации магнетрона, при неподвижном объекте равной эталонной частоте генератора. Электрод вывода информации 10 и выход высокостабильного измерителя времени соединены с соответствующими входами фазового компаратора 3, подключенного двусторонними каналами связи к бортовому МПУ 4, выход которого связан с фазовым калибратором 14. В состав устройства введены стабилизаторы анодного напряжения 17 и тока магнетрона 18, стабилизатор 15 и коммутатор 16 тока электромагнитов, два соосно расположенных электромагнита, ось которых совпадает с измерительной осью прибора. Обмотки электромагнитов 12, 12 подключены к выходу коммутатора тока 16, со входом которого соединен стабилизатор тока 15. Кроме того, высокостабильный измеритель времени соединен с одним входом контроллера, с другим соединен выход коммутатора тока, с третьим - выходной электрод магнетрона. Контроллер выполнен с возможностью определения на каждом полупериоде коммутации тока по алгоритмам сравнения приращения частоты магнетрона по отношению к частоте эталонного генератора, разность которых пропорциональна измеряемой угловой скорости, а приращение фазы, являющееся выходным сигналом, пропорционально приращению интеграла от указанной угловой скорости. Фазовый калибратор 3 выполнен с возможностью определения собственной частоты генерации магнетрона.
Магнетрон 5 может быть выполнен как в виде классического прибора малой мощности, так и в виде митрона [Лебедев И.А. Техника и приборы СВЧ. Том 2 - М.: «Высшая школа» - 376 с]. Конструкция крепления митрона, которая может быть применена и для одного магнетрона, описана в патенте №2207511. Схема электрическая, изображенная на фиг. 1, одинакова как для магнетрона, так и для митрона.
Фазовый калибратор 3 представляет собой также фазовый детектор, например, описанного выше типа.
-16
-13
Высокостабильный измеритель времени в виде сверхвысокостабильного генератора эталонной частоты 2 может быть выполнен в виде «Стандарта частоты и времени водородного Ч1-95», в случае применения прибора для корабля, подлодки, большого летательного аппарата и другого крупного транспортного средства [http://www.kvarz.com/general/ch1-76a.html]. Частоты выходных синусоидальных сигналов кварцевого генератора: 5, 10 и 100 МГц настраиваются по сигналу излучения квантового водородного генератора (КВГ) с частотой 1420, 405 МГц. Относительная нестабильность (погрешность) частоты: 5⋅10 за сутки и 1,5⋅10 за 1 с.
-11
-11
3
-11
-16
-17
Для малоразмерных ПО и, соответственно, для приборов миниразмеров можно использовать малогабаритный рубидиевый стандарт частоты Ч1-1012, который применяется в ГЛОНАСС/GPS приемниках в качестве синхронизирующего генератора. Масса 0,65 кг, габариты 102×76×51,5 мм. Среднеквадратическое относительное отклонение частоты 3⋅10 за 1 с (10 за 10 с) от номинальной 5 МГц. Есть другие приборы частоты, в том числе зарубежные. Например, атомные часы Quantum, SA4SS, корпорация Microsemi, при объеме 17 см обеспечивает по девиации Аллана относительную нестабильность частоты ≤2,5⋅10 [http://www.joomla3-templates.html]. В [10] приводится нестабильность измерения временных интервалов 10 с с перспективой 10 с.
Выпускается большое количество микропроцессоров. Так, микропроцессоры IntelXenonL3403 характеризуются тактовой частотой 2 ГГц, разрядностью 64 bit и другими параметрами, которые обеспечивают функционирование прибора по данной полезной модели. Могут быть применены и микроконтроллеры, например, Texas Instrument СС2640 с тактовой частотой 2,4 ГГц и разрядностью 32 bit. В его состав входят также два компаратора.
Выпускаются промышленностью и сборки компараторов. Например, отечественная микросхема цифрового фазового генератора 5861 ДФ2У предназначена для измерения фазового рассогласования между двумя гармоническими сигналами. Содержит два делителя частоты и фазовый компаратор, формирователь сигналов рассогласования. Имеются и зарубежные компараторы.
Рассмотрим процесс работы однорезонаторного гироскопа-магнетрона.
/
//
Фазовый калибратор 3 включают в работу при неподвижном объекте и определяют собственные номинальные частоты генерации магнетрона, а также времена коммутации тока питания электромагнитов 12-13.
/
//
/
//
Введенные в состав прибора элементы 15-18 предназначены для повышения точности. Токи обмоток электромагнитов 12, 12, 13, 13 стабилизируются стабилизатором тока 15 и переключаются его коммутатором 16, в результате магнитная индукция стабилизируется в каждый полупериод в рабочей области магнетрона. Реверсирование вектора стабилизированной магнитной индукции за счет коммутатора 16 предназначено для уменьшения дрейфа выходных сигналов прибора  и ω. Стабилизаторы анодных напряжения 17 и тока 18 также служат для повышения точности. Как известно [Коваленко В.Ф. [8], Бычков С.И. [9]], нестабильности анодных тока и напряжения приводят к электронному смещению частоты генерации магнетрона, что приводит к погрешностям выходных сигналов ; Kω; .
-3
-5
-8
-10
Кроме того, введение коммутации тока 16 сопровождается необходимостью измерять времена периодов коммутации порядка 0,5⋅10…10 с, что можно делать с более высокой точностью с помощью таймера 2, чем измерение малых промежутков времени порядка 10…10, с в прототипе.
После подключения питания магнетрон 5 готов к работе. Производят калибровку прибора путем установки магнетрона 5, например, осью чувствительности по линии Восток-Запад в плоскости горизонта. Определяют по выходным сигналам магнетрона 5  и генератора 2  номинальную (при ω=0) частоту магнетрона. В итоге частоты выходных сигналов магнетрона и генератора с помощью фазового калибратора 14 становятся одинаковыми. С помощью 14 регулируется одинаковость положительных и отрицательных импульсов тока.
После этого, например, с помощью поворотного стола, измерительную ось прибора направляют в плоскости горизонта на Север, т.е. вдоль северной составляющей угловой скорости вращения Земли и после обработки сигналов в микропроцессоре 4, определяют масштабный коэффициент прибора К.
В условиях движения, при появлении измеряемой угловой скорости ω ПО вокруг измерительной оси прибора, частота магнетрона изменяется и становится равной:
0
Частоту магнетрона ν определяют при расчетах, например, по книге [Шевчик В.Н. Электронные приборы сверхвысоких частот. - Саратов, Изд-во Сарат. ун-та, 1980. - 416 с.]
0
На выходе микропроцессора наблюдают разность частот ν-ν,
0
1
где ν - частота генератора. Имеем [Патент РФ №163266] для первого положительного значения тока (0, T/2):
где
r - средний радиус окружности в зазоре между резонаторными анодом и катодом;
λ - длина волны магнетрона в свободном пространстве;
з
К - коэффициент замедления [Лебедев И.А. Техника и приборы СВЧ. Том 2 - М.: «Высшая школа» - 376 с],
N - целое число, равное числу резонаторов в магнетроне (сдвиг фаз колебаний в соседних резонаторах выбран равным π, основной сдвиг фаз 180° в магнетронах);
c - скорость света;
2
L, s - периметр и площадь средней в зазоре окружности (L=2πr; s=πr);
ω - измеряемая угловая скорость ПО.
Из (2) представляют выражение для масштабного коэффициента прибора:
Справедлива формула, аналогичная формуле (3)
Для получения интегральной информации интегрируют (4):
0
1
0
ЭМ
Н
где ϕ, ϕ - начальная и текущая фазы сигнала от интеграла угловой скорости; t-t=T/2; Δω - угловая скорость дрейфа, вносимая электромагнитами; Δω - составляющая угловой скорости дрейфа от других его источников.
Во второй полупериод изменения тока знак его и индукции изменится на обратный, и направление движения потока электронов и бегущих электромагнитных волн в установившемся режиме будет обратным.
ЭМ
Полагаем, что за время Т знаки  не изменятся, а знак Δω изменится на обратный. Следовательно, соответствующие выходы контроллера по частоте и фазе изменятся:
1
2
В контроллере (МПУ) определяется разность фазовых углов ϕ и ϕ:
1
2
Н
2
1
Δν-Δν=2К(ω+Δω); ; T=t-t.
Приращение фазы измеряют через приращения Δτ времени, задаваемое генератором 2 в микропроцессоре 4:
После n-го периода для фазы имеем:
Для угловых скоростей вид формул (2) и (6) будет повторяться для каждого периода Т.
Отметим, что, в силу закона Био-Савара-Лапласа, индукция определяется магнитной проницаемостью сердечника, величиной тока в катушке и конструктивными параметрами.
Рассмотрим пример.
Одномагнетронный гироскоп-магнетрон имеет следующие параметры:
R=3,82 см,
N=4;
λ=2 см.
Так как , то получим:
2
K=π⋅(1,91)=3,14⋅3,65=11,46.
Значит, на первом периоде Т имеем для частот по полупериодам и за период (в т.ч. для фазы):
1
ξ
ЭМ
Н
Δν=К⋅(ω+Δω+Δω);
2
ξ
ЭМ
Н
Δν=К⋅(ω-Δω+Δω);
1
2
Δν=Δν-Δν;
ξ
Н
Δν=11,46(ω+Δω), рад/с;
ξ
Н
Δϕ=11,46(ω+Δω)Т, рад;
ξ
Н
После n-го периода Δϕ=11,46(ω+Δω)nT. Погрешность измерения прибора в приборе снижена по расчету в 2 раза по отношению к ПМ №163266. Возможно и большее снижение погрешностей при практическом использовании прибора. Выкладки и пример имеют целью показать достоинства предложенного технического решения по отношению к аналогу и прототипу.
Источники информации
1. Патент РФ №2207511, класс G01C 19/64, опубликовано 27.06.2003 г., автор П.К. Плотников.
2. Патент на ПМ РФ №116999, 2012 г, авторы Мельников Л.А и др.
3. Лебедев И.А. Техника и приборы СВЧ. Том 2 - М.: «Высшая школа» - 376 с.
4. http://www.kvarz.com/general/ch1-76a.html.
5. http://www.joomla3-templates.html.
6. Шевчик В.Н. Электронные приборы сверхвысоких частот. - Саратов, Изд-во Сарат. ун-та, 1980. - 416 с.
7. Патент РФ на ПМ №163266 Однорезонаторный гироскоп-магнетрон, класс G01C 19/00, опубликовано 10.07.2016 г., автор П.К. Плотников.
8. Коваленко В.Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот. - М.: Советское радио. 1955. - 344 с.
9. Бычков С.И. Вопросы теории и практического применения приборов магнетронного типа. - М.: Советское радио. 1967. - 216 с.
10. http://www.vniiftri.ru/index.php/ru/struct/gsvch#get-1-2012.