ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЛАГ-ДРЕЙФОМЕР
ELECTROMAGNET LOG-DRIFT SIGHT

Изобретение относится к области средств измерения скорости, в частности, измерения скорости перемещения твердых тел относительно жидких сред, и может быть использовано в навигационном приборостроении, а именно - при конструировании и изготовлении индукционных лагов судов.
Электромагнитные лаги являются сравнительно простыми и распространенными измерителями относительной скорости судов. Важнейшими отличительными признаками электромагнитных лагов являются приемные устройства - датчики лага и способ их установки на судах. Как правило, датчик лага устанавливают вблизи места пересечения основной и диаметральной плоскостей судна, так чтобы магнитное поле, создаваемое излучателем магнитного поля, размещенным в датчике лага, охватывало некоторый объем встречного потока воды.
На точность измерения скорости судна значительное влияние оказывает гидродинамическое поле самого судна, увлекаемый им «пограничный» слой воды, толщина которого зависит от многих факторов, в частности, от водоизмещения и осадки судна. В этой связи, датчики существующих электромагнитных лагов могут быть выполнены не выступающими за контуры водоизмещения судна или «выстреливаемые» из специального устройства - клинкета.
Существенным недостатком лагов с не выступающим датчиком является невысокая точность измерения скорости, но они более надежны по механической прочности и находят применение, например, для судов, предназначенных для плавания во льдах или на мелководье.
Лаги с «выстреливаемым» датчиком, несомненно, характеризуются большей точностью измерения скорости судна.
Однако общим недостатком известных электромагнитных лагов является то, что они измеряют только продольную составляющую скорости судна, поскольку измерительная ось лага ориентирована по диаметральной плоскости судна. Именно поэтому практически все электромагнитные лаги являются одноосевыми.
В реальных условиях плавания, направление движения судна часто не совпадает с заданным курсом, например при ветровом дрейфе, и зависит от множества факторов: от скорости и направления ветра, скорости и курса судна, а так же от размеров и формы надводной и подводной частей судна, водоизмещения и осадки судна.
Существуют, и до настоящего времени используются, «практические руководства» по оценке и учету величины ветрового дрейфа, основанные на наблюденных элементах, например, кажущемся направлении ветра, отклонении кильватерной струи. Заметим, что кажущийся ветер, который наблюдается на движущемся судне это суммарный ветер определяемый векторами скорости хода судна и истинного ветра.
Несколько лучше, когда в полигонных условиях составляются таблицы углов дрейфа при различных соотношениях скорости кажущегося ветра к скорости судна и курсовых углах кажущегося ветра. Так, чтобы войти в указанные таблицы, для определения направления движения судна, надо предварительно измерить параметры кажущегося ветра при естественных вариациях его силы и направления в условиях взволнованного моря.
Тем не менее, такая оценка - крайняя необходимость, связанная и с безопасностью плавания.
По технической сущности, близкими к заявляемому изобретению являются лаги российского производства: лаг электромагнитный типа ЛЭМ-2М (ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»); лаг индукционный типа ИЭЛ-3 (Катав-Ивановский приборостроительный завод); лаг индукционный электромагнитный типа «Лагуна» (ОАО «Штурманские приборы»).
Лаг ЛЭМ-2М базовой модификации с выстреливаемым датчиком считается лагом нового поколения (Каталог вооружения и военной техники - Оружие России http://www.armsexpo.ru/site.xp/054057048124056054050056.html). Эти современные лаги являются одноосевыми, с фиксированным положением датчика лага и предназначены для измерения продольной составляющей скорости судна.
Из зарубежного производства следует отметить электромагнитные лаги типа «Calypso» (AMI Maritime, Франция), типа «Naviknot-350E» (Northrop Grumman Sperry Marine, США), а так же двухосевые электромагнитные лаги, например, типа «EML-500» (Yokogawa, Япония). Зарубежные электромагнитные лаги характеризуются теми же недостатками, что и отечественные лаги, то есть они так же измеряют скорость только по курсу судна.
Некоторого внимания заслуживают двухосевые лаги, в частности «EML-500», предназначенные для измерения так же и траверсной скорости судна, например при швартовых операциях. Такой лаг правомерно считают двухосевым лагом, и он действительно может измерять скорость в двух направлениях по раздельности. Одновременное измерение в двух ортогональных направлениях для определения вектора скорости судна, тем более при высоких значениях скорости хода судна и при фиксированном положении датчика лага принципиально невозможно. Современный уровень развития не позволяет с достаточной точностью предсказать характер обтекания измерительных электродов во всем диапазоне скоростей и углов дрейфа. Разработчики двухосевых лагов функционально точно ограничивают их назначение, а именно «для измерения траверсной скорости судна» (в этом смысле название «двухосевой лаг» функционально является все же довольно ограниченным).
Стремление преодолеть общий недостаток всех известных электромагнитных лагов привело к разработке современного комбинированного лага: одноосевого электромагнитного лага с двухосевым спутниковым лагом типа «Naviknot-600S» (Northrop Grumman Sperry Marine, США), однако комбинированный лаг требует наличия устойчивого спутникового сигнала, что ограничивает автономность лага.
Таким образом, известные электромагнитные лаги, характеризующиеся высокой инструментальной точностью, при плавании судна в условиях дрейфа, например ветрового, отягощены эксплуатационными ошибками в определении скорости, как по величине, так и по направлению.
Между тем, с повышением скоростей хода морских судов и увеличением длительности плавания в сложных гидрометеорологических условиях возрастают требования к точности навигационного оборудования, в том числе и к электромагнитным лагам.
В качестве аналога разработанного устройства использован известный электромагнитный лаг, конструкция которого раскрыта в патенте РФ 2407020. Известный электромагнитный лаг содержит стержень, в нижней части которого закреплены наконечник из изоляционного материала с размещенной внутри него электромагнитной системой возбуждения и измерительными электродами, установленными на плоских боковых сторонах наконечника, сходящихся под острым углом друг к другу к его носовой части и стыкующихся с кормовой частью, имеющей закругленный профиль, кромки стыка плоских боковых сторон наконечника с его кормовой частью расположены вне проекций на эти стороны магнитопровода электромагнитной системы возбуждения, измерительные электроды расположены внутри этих проекций, а носовая часть наконечника имеет закругленный профиль.
Благодаря размещению кромок стыка плоских боковых сторон наконечника с его кормовой частью вне проекций на эти стороны магнитопровода электромагнитной системы возбуждения, т.е. в местах, где напряженность магнитного поля мала, возникающая на этих кромках при больших скоростях хода кавитация обтекающего наконечник потока воды не создает больших электрических помех, что позволяет без нарушения процесса измерения расположить измерительные электроды внутри проекций магнитопровода электромагнитной системы возбуждения на плоские боковые стороны наконечника, где напряженность магнитного поля высока и соответственно высока крутизна снимаемого с измерительных электродов выходного сигнала. Кроме того, удаление измерительных электродов от носовой части наконечника позволяет придать ей закругленный профиль и благодаря этому увеличить площадь поперечного сечения электромагнитной системы возбуждения при сохранении габаритных размеров наконечника, что ведет к увеличению напряженности магнитного поля и соответственно к увеличению крутизны выходного сигнала устройства.
Недостатки указанного электромагнитного лага перечислены выше.
В ходе проведения патентно-информационного поиска не выявлен источник, который может быть использован в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного устройства, состоит в расширении номенклатуры навигационных приборов.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в повышении точности определения скорости и направления движения судна в условиях дрейфа, а так же получении значения угла дрейфа и определении маневровых параметров судна
Для достижения указанного технического результата предложено использовать электромагнитный лаг-дрейфомер разработанной конструкции. Электромагнитный лаг-дрейфомер содержит клинкет, в котором размещен датчик скорости, выполненный с возможностью поворота относительно оси установленного в диаметральной плоскости судна клинкета, проходящей через плоскость симметрии датчика. На указанном датчике установлены излучатель электромагнитного поля, а так же два боковых относительно направления осевой линии судна электрода, и один электрод управления в передней части датчика. Боковые электроды подключены к входам первичного преобразователя скорости, выход которого подключен к центральному прибору. Каждый боковой электрод дополнительно соединен с электродом управления. Кроме того, электроды подключены к входам блока сравнения и управления, соединенного с синхронно-следящим приводом. При этом лаг - дрейфомер дополнительно содержит датчик угловой скорости, к выходу которого подключен блок радиуса циркуляции. Также лаг - дрейфомер подключен к источнику питания, к которому подключены первичный преобразователь скорости, блок сравнения и управления, центральный прибор, датчик лага, синхронно-следящий привод, датчик угловой скорости и блок радиуса циркуляции. В качестве источника питания может быть использована бортовая электрическая сеть судна.
Указанные блок сравнения и управления, первичный преобразователь скорости, центральный прибор, блок радиуса циркуляции, датчик угловой скорости могут быть выполнены в виде промышленных компьютеров или микропроцессоров с «зашитой» программой. Однако возможны и другие варианты выполнения указанных блоков.
Синхронно-следящий привод в конструкции лага-дрейфомера является сервоприводом, кинематически соединенным с поворотным валом с установленным на валу датчиком лага, и призван обеспечить поворот вала с датчиком из одного крайнего положения (180 градусов) в противоположное крайнее положение (-180 градусов) за время значительно меньшее среднего времени маневра судна, а так же сохранять работоспособность в соответствующих судоходству климатических и температурных условиях. В качестве исполнительной части синхронно-следящего привода для большинства судов можно использовать сервопривод с однооборотным исполнительным механизмом, идентичным по конструкции механизмам серии МЭО и МЭОФ производства НПО «Спектр», г.Новочеркасск, подключенный для получения управляющих сигналов к центральному прибору и, для обеспечения энергопитанием, к источнику питания, например, бортовой электросети судна. Возможны так же и другие варианты исполнения ССП.
Одна из конструктивных особенностей разработанного лага-дрейфомера, обеспечивающая достижение указанного технического результата, состоит в том, что датчик лага выполнен поворотным, при этом его измерительная ось может занять любое положение в горизонтальной плоскости, неизменно оставаясь направленным навстречу «набегающему» потоку воды.
Для автоматизации и синхронизации этого процесса в носовой части датчика лага установлен третий, управляющий электрод, который попарно соединен с двумя боковыми электродами, а так же с блоком сравнения сигналов и управления синхронно-следящим приводом, так, чтобы измерительная ось лага была всегда направлена навстречу набегающему потоку воды, обеспечивая симметричное обтекание боковых электродов независимо от дрейфа судна или изменений направления движения.
Также конструктивной особенностью разработанного лага-дрейфомера, обеспечивающей достижение указанного технического результата, является введение датчика угловой скорости, обеспечивающего определение величины радиуса циркуляции, как отношение линейной скорости по лагу к угловой скорости судна в реальном времени при установившемся режиме маневрирования судна.
Схема лага-дрейфомера разработанной конструкции приведена на рисунке, при этом использованы следующие обозначения: клинкет 1, датчик 2 лага, излучатель 3 магнитного поля, электрод 4 левый, электрод 5 правый, электрод 6 управления, блок 7 сравнения и управления, первичный преобразователь 8 скорости, источник 9 питания, центральный прибор 10, блок 11 радиуса циркуляции, датчик 12 угловой скорости, синхронно-следящий привод 13.
Выступающий из клинкета 1 датчик лага 2 выполнен поворотным для автоматической установки и синхронного поддержания его оси чувствительности в направлении движения судна. В дополнение к двум электродам измерения скорости 4 и 5 установлен третий электрод 6 для управления поворотом датчика лага. Все электроды расположены в зоне излучателя 3 электромагнитного поля. Электрод управления 6 попарно с левым 4 и правым 5 электродами вырабатывает в блоке сравнения и управления 7 сигнал, соответствующий правому или левому дрейфу судна. Синхронно-следящий привод 13 кинематически связан с поворотным датчиком 2 лага и электрически с центральным прибором 10, на который так же поступает сигнал от первичного преобразователя скорости 8.
Таким образом, предлагаемый лаг-дрейфомер вырабатывает значение скорости и направления движения судна в условиях дрейфа, где величина истиной скорости судна относительно среды определяется по показаниям первичного преобразователя скорости и, в случае поддержания синхронно следящим приводом датчика лага в направлении набегания воды - значение скорости, выдаваемое первичным преобразователем скорости, будет равно истинному значению скорости судна относительно среды в направлении истинного движения судна, не требуя использования обладающих высокой погрешностью практических руководств определения истиной скорости и дрейфа или использования таблиц углов дрейфа, а угол поворота оси ССП относительно нулевого положения оси ССП, совпадающего с направлением диаметральной оси судна, даст истинное значение угла дрейфа и, соответственно, истинное направление движения судна.
Кроме того, благоприятные гидродинамические условия неизменно симметричного обтекания профиля датчика позволят повысить точность и диапазон измерения скорости судна.
Другая сущность изобретения основана на том, что при маневрировании судна лаг в режиме дрейфомера вырабатывает значение траекторией скорости. На основе информационного сигнала от дополнительно введенного датчика угловой скорости 12 в блоке выработки радиуса циркуляции 11, на вход которого с датчика угловой скорости поступают текущие значения линейной и угловой скоростей судна, определяют значение радиуса циркуляции как отношение линейной скорости судна к угловой.
Сущность изобретения составляет включение в структуру традиционного электромагнитного лага новых элементов: выполнение датчика лага поворотным с дополнительно введенным электродом управления в носовой его части, синхронно-следящей системы, включающей блок сравнения и управления и синхронно-следящий привод, а так же датчика угловой скорости и блока выработки радиуса циркуляции.
Осуществление изобретения и его практическое использование можно ожидать в двух основных направлениях:
1. Разработка и производство электромагнитного лага нового поколения повышенной точности определения скорости и направления движения судна в условиях ветрового воздействия на судно, а так же повышенной маневренной характеристикой судна за счет определения параметров циркуляции в реальном времени.
2. Модернизация находящихся в серийном производстве или эксплуатации лагов, без существенных изменений бортовой аппаратуры судна.
При этом представляется целесообразным предусмотреть два основных режима работы лага: традиционный одноосевой для измерения продольной передней и задней скорости судна, при котором поворотный датчик лага фиксируется в направлении диаметральной плоскости судна и режим работы в условиях дрейфа, для определения скорости и направления движения судна при ветре или при маневрировании.
Так же возможно использование двух режимов измерения траверсной скорости с фиксацией положения датчика лага «Правый борт» и «Левый борт», соответственно +90° и -90° от диаметральной плоскости судна.
Режим работы в условиях дрейфа может быть целесообразным во многих других случаях, например, для повышения эффективности управления тралами рыболовецких судов и специальных кораблей тральщиков при маневрировании и/или ветре; для авианесущих судов и кораблей в режиме посадки летательных аппаратов на палубу; для определения маневренных характеристик судов вне специальных полигонов.