МАГНИТНЫЙ КОМПАС
MAGNETIC COMPASS

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в стрелочных дистанционных магнитных компасах с электронно-цифровыми передачами информации о курсе, содержащими электронно-цифровой вычислитель, для обеспечения автономного автоматизированного уничтожения полукруговой девиации компаса и ее изменений в процессе плавания судна, корабля.
Известен магнитный компас КМ-145, рассмотренный в справочнике «Морская навигационная техника». Справочник. Под общ. ред. Е.Л.Смирнова - СПб.: «Элмор», 2002. - 224 с. (см. стр.94-99, рис.4.1-4.3). Компас серийно изготавливается ОАО «КИПЗ» (Приборостроительный завод, г.Катав-Ивановск Челябинской обл.).
Компас КМ-145 имеет несколько вариантов комплектации, в том числе КМ-145-3 с электрической дистанционной передачей курса.
Компас содержит корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент (МЧЭ), установленный на опоре, индукционный преобразователь (ИП), размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента, девиационный прибор, содержащий компенсатор полукруговой девиации компаса, и электромеханическую дистанционную передачу информации о курсе.
Основные недостатки технического решения, использованного в компасе, вызваны прежде всего взаимным размещением МЧЭ, ИП и компенсатора полукруговой девиации (В составе девиационного прибора) - размещением компенсатора полукруговой девиации 15 рис.,4.2 под ИП (индукционным феррозондовым датчиком) 1 рис.4.3, размещенным на грузе датчика курса (см. рис.4.3), установленного в нактоузе компаса рис.4.2 позиция 12.
Указанное размещение компенсатора полукруговой девиации возможно при значительной высоте нактоуза, обеспечивающей необходимое удаление магнитов компенсатора полукруговой девиации от МЧЭ ИП с целью обеспечения в зонах их размещения относительной однородности магнитного поля, создаваемого магнитами компенсатора полукруговой девиации. Необходимость удаления компенсатора полукруговой девиации от ИП приводит к увеличению габаритных размеров и массы компаса и самого девиационного прибора, а также нактоуза компаса.
Вместе с тем, погрешность информации о курсе, выработанная дистанционной передачей компаса, обусловленная практически имеющейся неоднородностью магнитного поля в месте размещения МЧЭ и ИП, из-за несимметричного размещения компенсатора относительно МЧЭ и ИП может достигать единиц градусов.
Другим недостатком компаса является использование электромеханической дистанционной передачи информации о курсе.
Перечисленные недостатки компаса КМ 145-3 исключают возможность использования автоматизированного учета или компенсации полукруговой девиации и ее изменений в процессе плавания судна из-за размещения МЧЭ и ИП на расстоянии, не соответствующем строго регламентированному математической зависимостью ряда параметров, в том числе параметров МЧЭ и ИП, и отсутствия в составе компаса электронно-цифрового вычислителя.
Известен также дистанционный магнитный компас КМ 145-П2, описанный в «Техническом описании и инструкции по эксплуатации КБ1.150.143 ТО, 1982 г., стр.18-26 (компас серийно изготовляется ОАО «Штурманские приборы».).
Компас содержит курсовой преобразователь - герметичный корпус, заполненный демпфирующей (компасной) жидкостью, стрелочный магнитный чувствительный элемент (МЧЭ) с постоянными магнитами в виде 6 стрелок, установленный на опорном устройстве-шпильке, индукционный преобразователь (ИП) - двухкомпонентный первичный преобразователь, построенный на кольцевом феррозонде, размещенном в магнитном поле магнитного чувствительного элемента и конструктивно закрепленном на грузе курсового преобразователя; компенсатор полукруговой девиации, выполненный в виде двух конструктивных узлов, содержащих постоянные магниты: продольные и поперечные; компенсатор электромагнитной девиации, выполненный в виде двух бескаркасных катушек, расположенных перпендикулярно продольной плоскости прибора, двух бескаркасных катушек, расположенных параллельно продольной плоскости прибора, и катушки, ось которой направлена вертикально.
Компенсаторы полукруговой и креновой девиации размещены в верхней части нактоуза компаса симметрично относительно МЧЭ и ИП.
Компас содержит электромеханическую дистанционную передачу.
Основным недостатком компаса КМ 145-П2 является размещение МЧЭ и ИП на расстоянии, не соответствующем строго регламентированному математической зависимостью ряда параметров (в том числе параметров МЧЭ, ИП), что не обеспечивает условия, необходимые для автоматизированного учета или компенсации полукруговой девиации и ее изменений.
Другим недостатком компаса является использование электромеханической дистанционной передачи, не содержащей электронно-цифрового вычислителя, что также не обеспечивает автоматизированный учет или компенсацию девиации и ее изменений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является магнитный компас по патенту №2239787 (заявка №2001121205/28 (022554) от 27.07.2001 г. - прототип.
Компас содержит (фиг.1) корпус 1, заполненный демпфирующей жидкостью 2. Внутри корпуса на опорном устройстве 3 размещен магнитный чувствительный элемент 4, содержащий магнитную систему в виде кольцевого магнита 5. На грузе 6, обеспечивающем устойчивое горизонтальное положение корпуса 1, соосно с магнитным чувствительным элементом 4 размещен двухкомпонентный индукционный преобразователь 7, выполненный, например, на двухкомпонентном кольцевом феррозонде с сердечником кольцевой формы или на двух ортогональных однокомпонентных феррозондах.
В верхней части компаса размещен компенсатор полукруговой девиации, состоящий из двух наборов постоянных магнитов продольных 8 и 9 и поперечных 10 и 11, размещенных симметрично относительно магнитного чувствительного элемента 4 и двухкомпонентного индукционного преобразователя 7 и создающих в зоне размещения магнитного чувствительного элемента 4 и индукционного преобразователя 7 равные магнитные поля.
Магниты 8 и 9 лежат в плоскости, параллельной продольной плоскости прибора. Магниты 10 и 11 лежат в плоскости, перепендикулярной продольной плоскости прибора.
Расстояние R (фиг.2) между центром А пересечения осей симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента 4 и центром Б пересечения осей сигнальных обмоток индукционного преобразователя 7 регламентировано и определяется формулой:
где ∆δ/δ - относительная погрешность измерения и учета полукруговой девиации δ компаса;
х
у
x
y
∆U/U - относительная погрешность преобразования индукционным преобразователем компоненты горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли, судна и магнитного чувствительного элемента (Н или Н) в электрический сигнал (соответственно U или U);
М - магнитный момент магнитной системы магнитного чувствительного элемента;
мчэ
∆Н - погрешность измерения горизонтальной составляющей напряженности (или индукции) магнитного поля магнитной системы в области расположения индукционного преобразователя;
θ - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси магнитной системы магнитного чувствительного элемента, и направлением оси, соединяющей центры пересечения осей сигнальных обмоток индукционного преобразователя.
1
2
x
y
Рассматриваемый компас-прототип содержит двухканальный электронно-цифровой вычислитель (в составе электронно-цифровой дистанционной передачи), обеспечивающий вычисление девиации компаса δ и δпо электрическим сигналам U и U двухкомпонентного индукционного преобразователя 7 по формулам на компасном курсе 0°:
где n - коэффициент преобразования сигнальной обмотки индукционного преобразователя;
λН - Горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли на судне (корабле);
λ - коэффициент экранирования магнитного поля Земли судовыми конструкциями;
Н - индукция (напряженность) горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в районе плавания;
мчэ
Н - индукция (напряженность) горизонтальной составляющей поля магнитного чувствительного элемента в зоне размещения индукционного преобразователя;
В и С - коэффициенты, определяющие значения полукруговой девиации;
на компасном курсе 180°:
1
Значение девиации δ определяется зависимостью:
1
что справедливо при значениях δ, равных единицам градусов;
на компасном курсе 90°:
на компасном курсе 270°
2
Значение девиации δ определяется зависимостью:
1
2
Таким образом, компас-прототип обеспечивает автономное определение полукруговой девиации δ и δ без какой-либо внешней по отношению к компасу информации о курсе за время выполнения всего одной полной циркуляции судна. Полученная информация о девиации и ее изменениях в процессе плавания может быть автоматически учтена в показаниях компаса-прототипа или скомпенсирована вручную и использована для получения информации о магнитном и истинном курсах без проведения дополнительных работ с компасом.
Значение магнитного курса определяется зависимостью:
где МК - магнитный курс;
КК - компасный курс;
1
2
δ и δ- значения девиаций, определенных по формулам (4) и (7).
Основным недостатком компаса-прототипа по патенту №2239787 является отсутствие в составе компаса устройств, обеспечивающих автоматическую компенсацию вычисленной девиации и ее приращений в процессе плавания судна, корабля.
Учет девиации, а не компенсация девиации, изменяющейся в процессе плавания, созданием противополя в области размещения магнитного чувствительного элемента, может привести при совпадении значений или преобладании горизонтальной составляющей напряженности (индукции) магнитного поля судна (корабля) в месте установки компаса над горизонтальной составляющей магнитного поля Земли к потере компасом работоспособности на тех курсах, на которых напряженности этих двух полей вычитаются (направлены встречно). Поэтому обязательным условием сохранения работоспособности компаса при любых значениях указанных магнитных полей является компенсация, а не учет девиации компаса.
Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение автоматизированной компенсации полукруговой девиации и ее изменений в процессе плавания судна, корабля. Для решения указанной задачи в магнитном компасе, содержащем корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент с магнитной системой, двухкомпонентный индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента соосно с ним, компенсатор полукруговой девиации, размещенный симметрично относительно магнитного чувствительного элемента и индукционного преобразователя, двухканальный электронно-цифровой вычислитель, при этом расстояние между центром пересечения осей симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента и центром пересечения осей сигнальных обмоток индукционного преобразователя определяется формулой:
,
где R - расстояние между центром пересечения осей симметрии магнитной системы чувствительного магнитного элемента и центром пересечения осей сигнальных обмоток индукционного преобразователя;
∆δ/δ - относительная погрешность измерения и учета полукруговой девиации δ компаса;
х
у
x
y
∆U/U - относительная погрешность преобразования индукционным преобразователем компоненты горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли, судна и магнитного чувствительного элемента (Н или Н) в электрический сигнал (соответственно U или U);
М - магнитный момент магнитной системы магнитного чувствительного элемента;
мчэ
∆Н - погрешность измерения горизонтальной составляющей напряженности или индукции магнитного поля магнитной системы в области расположения индукционного преобразователя;
θ - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси магнитной системы магнитного чувствительного элемента, и направлением оси, соединяющей центры пересечения осей симметрии магнитной системы и осей сигнальных обмоток индукционного преобразователя;
при этом информация о полукруговой девиации компаса на выходах двухканального вычислителя определяется зависимостями:
,
,
x
y
где U и U - сигналы на выходах двухкомпонентного индукционного преобразователя соответственно,
на компасном курсе 0°:
,
;
на компасном курсе 180°:
,
;
на компасном курсе 90°:
,
;
на компасном курсе 270°:
,
,
где n - коэффициент преобразования обмотки индукционного преобразователя;
λ - коэффициент экранирования магнитного поля Земли судовыми конструкциями;
Н - индукция (напряженность) горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в районе плавания;
мчэ
Н - индукция (напряженность) горизонтальной составляющей поля магнитного чувствительного элемента в зоне размещения индукционного преобразователя;
В и С - коэффициенты, определяющие значения полукруговой девиации;
первый выход двухканального вычислителя подключен ко входу первого блока управления, выходом подключенному к первому двигателю, связанному механической передачей с поворотными магнитами компенсатора полукруговой девиации, размещенными в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии компаса; а второй выход вычислителя подключен ко входу второго блока управления, выходом подключенному ко второму двигателю, связанному механической передачей с поворотными магнитами компенсатора полукруговой девиации, размещенными в плоскости, перпендикулярной продольной плоскости симметрии компаса.
Предлагаемый магнитный компас представлен на фиг.1-7.
На фиг.1 представлен магнитный компас в разрезе.
На фиг.2 представлена схема взаимного расположения магнитного чувствительного элемента, индукционного преобразователя и магнитов компенсатора полукруговой девиации.
На фиг.3 представлена структурная схема компаса.
На фиг.4 представлена векторная диаграмма магнитных полей в области ИП на компасном курсе 0°.
На фиг.5 - векторная диаграмма магнитных полей в области ИП на компасном курсе 180°.
На фиг.6 - векторная диаграмма магнитных полей в области ИП на компасном курсе 90°.
На фиг.7 - векторная диаграмма магнитных полей в области ИП на компасном курсе 270°.
Предлагаемый магнитный компас содержит (см. фиг.1) корпус 1, заполненный демпфирующей жидкостью 2. Внутри корпуса на опорном устройстве 3 размещен магнитный чувствительный элемент 4, содержащий магнитную систему в виде кольцевого магнита 5. На грузе 6, обеспечивающем устойчивое горизонтальное положение корпуса 1, соосно с магнитным чувствительным элементом 4 размещен двухкомпонентный индукционный преобразователь 7, выполненный, например, на двухкомпонентном кольцевом феррозонде с сердечником кольцевой формы или на двух ортогональных однокомпонентных феррозондах.
В верхней части компаса размещен компенсатор полукруговой девиации, состоящий из двух наборов постоянных магнитов - продольных 8 и 9 и поперечных 10 и 11, размещенных симметрично относительно магнитного чувствительного элемента 4 и двухкомпонентного индукционного преобразователя 7 и создающих в зоне размещения магнитного чувствительного элемента 4 и индукционного преобразователя 7 равные магнитные поля.
Магниты 8 и 9 лежат в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии прибора 12.
Магниты 10 и 11 лежат в плоскости, перпендикулярной продольной плоскости симметрии прибора 12.
Расстояние R (см. фиг.2) между центром А пересечения осей симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента 4 и центром Б пересечения осей сигнальных обмоток индукционного преобразователя 7 регламентировано и определяется формулой:
где R - расстояние между центром пересечения осей симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента и центром пересечения осей сигнальных обмоток индукционного преобразователя;
∆δ/δ - относительная погрешность измерения и учета полукруговой девиации δ компаса;
х
у
x
y
∆U/U - относительная погрешность преобразования индукционным преобразователем компоненты горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли, судна и магнитного чувствительного элемента (Н или Н) в электрический сигнал (соответственно U или U);
М - Магнитный момент магнитной системы магнитного чувствительного элемента;
мчэ
∆Н- погрешность измерения горизонтальной составляющей напряженности или индукции магнитного поля магнитной системы в области расположения индукционного преобразователя;
θ - угол между осью, совпадающей с направлением магнитной оси магнитной системы магнитного чувствительного элемента, и направлением оси, соединяющей центры пересечения осей сигнальных обмоток индукционного преобразователя.
На фиг.2 обозначены также: М - магнитный момент магнитной системы магнитного чувствительного элемента 4; 7 - индукционный преобразователь; В - компенсатор продольной составляющей магнитного поля ВλH, содержащий поворотные магниты 8 и 9, вызывающий полукруговую девиацию; С - компенсатор поперечной составляющей магнитного поля СλH, содержащий поворотные магниты 10 и 11, вызывающий полукруговую девиацию.
В выражениях ВλH и СλH: λ - коэффициент экранирования магнитного поля Земли судовыми конструкциями, Н - индукция (напряженность) горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в районе плавания, В и С - коэффициенты, определяющие значения полукруговой девиации.
0
0
На фиг.3 представлена структурная схема компаса, обеспечивающая выполнение автоматизированной компенсации полукруговой девиации компаса - продольной ВλH и поперечной СλH составляющих магнитного поля, вызывающих полукруговую девиацию.
На фиг.3 обозначены: магнитный чувствительный элемент компаса 4; двухкомпонентный индукционный преобразователь 7; поворотные постоянные магниты компенсатора полукруговой девиации 8 и 9, расположенные в плоскости, параллельной продольной плоскости симметрии компаса 12, и 10 и 11, расположенные в плоскости, перпендикулярной продольной плоскости симметрии компаса 12. Двухканальный электронно-цифровой вычислитель 13, первый блок управления 14 первым двигателем 15, кинематическая передача 16, второй блок управления 17 вторым двигателем 18, вторая кинематическая передача 19.
мчэ
0
0
1
1
На фиг.4, 5, 6, 7 представлены векторные диаграммы горизонтальных составляющих напряженностей магнитных полей Земли λH, магнитной системы магнитного чувствительного элемента Н, магнитных полей оборудования и корпуса судна в диаметральной плоскости ВλH и в плоскости шпангоутов СλH, магнитных полей, создаваемых магнитами компенсатора полукруговой девиации в диаметральной плоскости - BλH и в плоскости шпангаутов - СλH в зонах размещения магнитного чувствительного элемента и индукционного преобразователя на различных компасных курсах: 0° (фиг.4), 180° (фиг.5), 90° (фиг.6) и 270° (фиг.7).
m
к
0
180
90
270
На фиг.4, 5, 6, 7 обозначены: N - магнитный меридиан; N - ось магнитной системы магнитного чувствительного элемента; δ; δ; δ; δ - полукруговая девиация соответственно на компасных курсах 0°, 180°, 90°, 270°; XOY - судовая система координат.
Предлагаемое устройство работает следующем образом.
На индукционный преобразователь (ИП) 7 (фиг.1) компаса, установленного на судне, воздействует сумма горизонтальных составляющих напряженностей перечисленных ниже магнитных полей:
- Земли λH;
мчэ
- магнитной системы 5 магнитного чувствительного элемента (МЧЭ) 4 Н;
0
0
- магнитных полей корпуса и оборудования судна, вызывающих полукруговую девиацию компаса, в диаметральной плоскости судна ВλН и в плоскости шпангоутов СλН.
x
y
При этом на ортогональных сигнальных обмотках индукционного преобразователя 7 (см. фиг.3) индуктируются электрические сигналы U и U, соответствующие значениям компасных курсов, амплитуды которых пропорциональны сумме воздействующих составляющих магнитного поля.
0
0
Вследствие относительно малого расстояния между МЧЭ и ИП по сравнению с размерами судна судовые поля, вызывающие девиацию магнитного компаса и характеризующиеся горизонтальными составляющими ВλH и СλH, в зонах размещения МЧЭ и ИП однородны, так как имеют равные модули и направлены параллельно.
Для получения значения магнитного курса судна из показаний компаса необходимо исключить полукруговую девиацию:
где МК - магнитный курс;
КК - компасный курс;
δ - полукруговая девиация.
Для этого используется компенсатор полукруговой девиаций, содержащий поворотные постоянные магниты 8, 9, 10, 11.
0
0
С помощью компенсатора создаются горизонтальные составляющие напряженности магнитного поля, равные по модулю, но направленные встречно составляющим ВλH и СλH и компенсирующие их в областях размещения МЧЭ и ИП.
0
0
При рациональной конструкции компенсатора и его симметричном размещении относительно МЧЭ и ИП компенсация составляющих ВλН и СλН в зонах размещения МЧЭ и ИП выполняется с высокой степенью точности.
x
y
0
0
При этом амплитуда сигналов ИП U и U также соответственно изменяется за счет исключения воздействия ВλH и СλH.
x
y
x
y
В процессе плавания судна вследствие воздействия на корпус судна, например, механических факторов, вызывающих изменение его намагниченности, или по целому ряду других причин, возникает полукруговая девиация, которая является неучтенной погрешностью компаса. Соответственно изменяются и сигналы ИП U и U, несущие информацию, обеспечивающую вычисление девиации. При этом сигналы U и U определяются следующими зависимостями:
на компасном курсе 0° (см. фиг.4):
где n - коэффициент преобразования сигнальной обмотки ИП;
на компасном курсе 180° (см. фиг.5):
1
При этом значение девиации δ определяется зависимостью:
1
что справедливо при значениях δ, равных единицам градусов.
Соответственно на компасном курсе 90° (см. фиг.6):
на компасном курсе 270° (см. фиг.7):
Значение девиации δ2 определяется зависимостью:
2
что справедливо при значениях δ, равных единицам градусов.
Значение магнитного курса определяется зависимостью:
где МК - магнитный курс;
КК - компасный курс;
1
2
δ и δ значения девиаций, определенные по формулам (5) и (8).
Предлагаемый магнитный компас, содержащий двухканальный электронно-цифровой вычислитель (фиг.3) аналогично прототипу, обеспечивает автономное определение полукруговой девиации без какой-либо внешней по отношению к компасу информации о курсе за время выполнения всего одной полной циркуляции судна.
Но в отличие от прототипа в предлагаемом магнитном компасе обеспечивается автоматизация компенсации полукруговой девиации.
Для уничтожения полукруговой девиации корабль (судно) ложится последовательно на главные компасные курсы (КК) 0°, 180°, 90°, 270°.
0
180
мчэ
1
При этом на главных КК 0° и 180° осуществляется преобразование сигналов ИП  и , возникающих под воздействием на ИП напряженностей магнитного поля H, H и Н, в цифровую форму и вычисление электронно-цифровым вычислителем значения девиации δ по формуле (5) в цифровой форме и радианной мере.
0
180
мчэ
2
Аналогично на курсах 90° и 270° осуществляется преобразование сигналов ИП  и , возникающих под воздействием на ИП напряженности магнитного поля Н, H и Н, в цифровую форму и вычисление электронно-цифровым вычислителем значения девиации δ по формуле (8) в цифровой форме и радианной мере.
1
2
1
2
Оба вычисленные значения девиации δ и δ преобразуются цифроаналоговым преобразователем, входящим в состав электронно-цифрового вычислителя 13, в напряжения двух электрических сигналов Uδ и Uδ соответственно на первом и втором выходах вычислителя 13.
1
1
1
1
С первого выхода вычислителя 13 сигнал Uδ с напряжением, пропорциональным вычисленной девиации δ, поступает на вход первого блока управления 14, выходом подключенного к первому двигателю 15, связанному механической передачей 16 с поворотными магнитами 8 и 9 компенсатора полукруговой девиации. При этом осуществляет поворот магнитов, обеспечивающих компенсацию составляющих СλН в зоне размещения МЧЭ 4 и ИП 7; вызывающих девиацию δ до получения минимального значения δ.
2
2
2
2
Со второго выхода вычислителя 13 сигнал δ с напряжением, пропорциональным вычисленной девиации δ, поступает на вход второго блока управления 17, выходом подключенного ко второму двигателю 18, связанному механической передачей 19 с поворотными магнитами 10 и 11 компенсатора полукруговой девиации. При этом осуществляется поворот магнитов, обеспечивающих компенсацию составляющих СλН в зоне размещения МЧЭ 4 и ИП 7, вызывающих девиацию δ, до получения минимального значения δ.
Предлагаемое изобретение обеспечивает:
1. Возможность автономного уничтожения полукруговой девиации или ее приращений автоматически за одну циркуляцию корабля (судна) без выполнения дополнительных работ.
2. Возможность уничтожения полукруговой девиации компаса в процессе плавания судна без использования специального полигона.
3. Исключение возможности потери работоспособности компаса за счет автоматического уничтожения девиации, а не ее учета, в случае совпадения значений или преобладания горизонтальной составляющей напряженности (индукции) магнитного поля корабля (судна) в месте установки компаса над горизонтальной составляющей магнитного поля Земли на тех курсах, на которых напряженности этих двух полей вычитаются (направлены встречно).