УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ КУРСА

Полезная модель относится к области измерений курса речных и морских судов и может использоваться для дистанционной передачи значений магнитного и истинного курсов, измеряемых визуальными магнитными компасами, а также в качестве самостоятельного магнитного компаса.
Известен электронный компас, содержащий феррозонд кольцевого типа с расположенными на нем сигнальными обмотками и обмотками возбуждения, генератор, удвоитель частоты, два избирательных усилителя, два фазовых детектора, два усилителя и индикатор [Авторское свидетельство №495528, G01С 17/30, опубл. в БИ №46, 1975 г.].
Недостатком компаса является низкая точность измерений курса, обусловленная температурными дрейфами параметров избирательных усилителей и отсутствием отрицательных обратных связей в каналах преобразования сигналов феррозондов, а также отсутствие функциональных элементов, обеспечивающих цифровую индикацию значений измеряемого курса и сопряжение компаса с цифровыми навигационными системами.
Известен магнитный компас, содержащий маятниковый датчик с двумя феррозондами, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго усилительно-преобразовательных блоков, подключенные к их выходам соответственно первый и второй усилители с регулируемым коэффициентом усиления, подключенный к их выходам указатель курса, генератор, реверсивный счетчик, выход которого подключен ко входам управления усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, подключенные к их выходам соответственно первый и второй блоки формирования модуля, подключенный к их выходам блок выделения максимума, подключенные к его выходу первый и второй пороговые блоки, подключенный к их выходам элемент «И», выход которого соединен со входом блокирования реверсивного счетчика, вход направления счета которого подключен к выходу второго порогового блока, а вход счета «С» - к выходу генератора [Патент РФ №2126524, G01С 17/30, 1999 г.].
В данном магнитном компасе осуществляется стабилизация чувствительности каналов преобразования сигналов датчика, что является существенным достоинством компаса, поскольку обеспечивает одинаковую точность измерения курса в различных широтах.
Однако недостатком компаса, как и у предыдущего аналога, является отсутствие функциональных элементов для сопряжения компаса с навигационными системами и репитерами. Кроме этого, недостаток компаса состоит в отсутствии генератора, который должен выполнять функции возбуждения феррозондового датчика и тактирования усилительно-преобразовательных блоков с целью фазочувствительного выпрямления сигналов датчика, необходимого для измерения курса в диапазоне 0°-360°.
Известен также дистанционный магнитный компас, содержащий последовательно соединенные датчик, управляемый кварцевый генератор, смеситель, формирователь импульсов, вычислительный блок и интерфейс, а также опорный кварцевый генератор, подключенный к опорному входу смесителя, программатор, подключенный к вычислительному блоку, и подключенные к выходам интерфейса индикатор и буферный регистр [Патент РФ №2047838, G01С 17/00, G01С 17/02, 1995 г.].
Благодаря наличию буферного регистра к этому компасу могут быть подключены цифровые репитеры и навигационные системы. Тем самым устраняются недостатки, которые имели предыдущие аналоги.
Недостатком компаса является применение датчика, механически связанного с магнитной стрелкой, что требует существенного усложнения конструкции используемых в нем визуальных магнитных компасов.
Недостатком компаса является также применение линейного емкостного датчика для измерения угла поворота картушки компаса в диапазоне 0°-360°, т.к. в этом случае при измерении углов, близких к 0°(360°) имеет место разрыв статической характеристики датчика и связанные с этим нестабильные показания индикатора, мешающие считыванию значений курса. Кроме того, соединение датчика с управляемым кварцевым генератором посредством кабеля, обеспечивающего дистанционную передачу данных, приводит к суммированию емкостей датчика и кабеля и появлению соответствующей аддитивной погрешности, которая зависит от параметров применяемого кабеля и должна учитываться при обработке сигналов. При этом использование длинных кабелей с большими емкостями может приводить к сбоям в работе управляемого кварцевого генератора.
Включение кабеля между формирователем импульсов и вычислительным блоком могло бы исключить влияние параметров кабеля на результат измерений. Однако в этом случае кварцевые генераторы, смеситель и формирователь импульсов должны располагаться либо в отдельном корпусе в непосредственной близости от визуального компаса, что приводит к усложнению конструкции дистанционного компаса в целом, либо в корпусе визуального компаса, что противоречит требованиям Морского регистра. Таким образом, указанное возможное включение кабеля ведет к новым недостаткам дистанционного компаса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является электронный компас, который принят в качестве прототипа полезной модели и содержит два магнитных датчика с ортогонально расположенными осями чувствительности, приводной генератор, подключенный к обмоткам возбуждения датчиков, детекторы, подключенные входами к сигнальным обмоткам датчиков, а выходами - через аналого-цифровые преобразователи ко входам процессора со встроенной памятью, выход которого соединен со входом цифрового процессора, дисплей и навигационный компьютер, подключенные к выходу цифрового процессора, клавиатуру, подключенную ко входам цифрового процессора и навигационного компьютера, а также индикатор скорости подвижного объекта, подключенный к соответствующему входу навигационного компьютера [Патент Великобритании №2130729, G01С 17/38, 1983 г.].
Достоинством данного электронного компаса по сравнению с известными аналогами является наличие подключенной к цифровому процессору клавиатуры, которая позволяет оперативно воздействовать на измерительную информацию и тем самым повышать точность измерения и адаптировать характеристики компаса к текущим условиям эксплуатации. Кроме этого, достоинством компаса в сравнении с предыдущим аналогом является применение двух магнитных датчиков с ортогонально расположенными осями чувствительности, чем обеспечивается непрерывность и однозначность статической характеристики компаса.
К общим недостаткам этого компаса относятся сложность конструкции, обусловленная применением двух процессоров, а также отсутствие синхронизации работы приводного генератора с аналого-цифровыми преобразователями, приводящее к увеличению дисперсии данных на выходах аналого-цифровых преобразователей и, соответственно, к увеличению погрешности измерения курса. К общим недостаткам следует отнести также отсутствие связей и сигналов, обеспечивающих синхронное считывание кодов с выходов аналого-цифровых преобразователей, в результате чего в процессоры может поступать неадекватная информация, приводящая к грубым ошибкам и сбоям измерительного процесса.
При использовании электронного компаса на судне его недостатком является отсутствие репитеров, позволяющих получать информацию о курсе в различных местах судна, а также устройств, обеспечивающих подключение к нему репитеров.
Используемые на судах устройства для дистанционной передачи курса (дистанционные компасы) должны удовлетворять специфическим требованиям, к которым относятся: отсутствие электронных блоков в составе визуальных магнитных компасов, совместно с которыми используются устройства, небольшие габариты блоков, имеющих индикаторы для считывания курса, наличие кабелей, обеспечивающих дистанционную передачу сигналов, а также наличие специальных портов для подключения к внешним навигационным системам.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей и улучшение эксплуатационных характеристик устройства для дистанционной передачи курса в соответствии с предъявляемыми к нему вышеуказанными требованиями, а также оптимизация комбинации и размещения входящих в устройство функциональных блоков и унификация блоков.
Технический результат, получаемый от использования модели, состоит в легко изменяемой комплектации устройства, позволяющей применять устройство на судах практически любых типов.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройство для дистанционной передачи курса, содержащее два магнитных датчика с ортогонально расположенными осями чувствительности, генератор, подключенный выходами к цепям возбуждения датчиков, два детектора, подключенные выходами к первому и второму входам процессора со встроенной памятью, клавиатуру, соединенную с третьим входом процессора, а также первый дисплей, подключенный первым входом к выходу процессора, введены первичный и вторичный блоки питания, распределитель, второй, третий и четвертый дисплеи, кабели, формирователи-передатчики, а также формирователи-приемники, при этом последовательно соединенные цепи возбуждения и выходы датчиков посредством первого кабеля подключены соответственно к первому и второму выходам генератора и первым входами детекторов, объединенные вторые входы детекторов соединены с третьим выходом генератора, четвертый выход генератора подключен к четвертому входу процессора, выход процессора через последовательно соединенные первый формирователь-передатчик, второй кабель и первый приемник-формирователь подключен к первому входу распределителя, выход которого через второй, третий и четвертый формирователи-передатчики и соответствующие им третий, четвертый, пятый кабели и второй, третий, четвертый формирователи-приемники подключен к первым входам второго, третьего и четвертого дисплеев, а также непосредственно ко входам пятого и шестого формирователей-передатчиков, входы первичного блока питания имеют возможность подключения к внешним цепям переменного и постоянного токов, первый выход первичного блока питания подключен ко второму входу распределителя, а второй выход соединен через второй кабель со входом вторичного блока питания, вторым входом первого дисплея и первым кабелем, и через третий, четвертый и пятый кабели со вторыми входами соответствующих дисплеев, выход вторичного блока питания подключен к соединенным между собой входам питания генератора, детекторов и процессора, при этом магнитные датчики объединены в блоке датчиков, генератор, детекторы, процессор, клавиатура, первый дисплей, первый формирователь-передатчик и вторичный блок питания объединены в центральном приборе, первый формирователь-приемник, распределитель, остальные формирователи-передатчики и первичный блок питания образуют блок питания и сопряжения, а второй, третий и четвертый приемники-формирователи и соответствующие им дисплеи образуют репитеры, при этом блок датчиков, центральный прибор, блок питания сопряжения и репитеры выполнены в виде отдельных конструктивно законченных устройств, соединяемых между собой соответствующими кабелями. Кроме того устройство для дистанционной передачи курса включает в себя источник света, который подключен через регулятор и первый кабель ко входу вторичного блока питания и выполнен в виде трех или более точечных источников света, встроенных в блок датчиков и расположенных по периметру окружности, охватывающей место расположения магнитных датчиков.
Существенным отличием предлагаемого устройства от известных устройств является применение в нем двух блоков питания - первичного и вторичного. Первый из них, являясь основным силовым агрегатом, обеспечивает подключение к устройству необходимого числа репитеров, а также сопряжение репитеров с центральным прибором. Второй обеспечивает работу датчика и центрального прибора с дисплеем. Последнее дает возможность получить функционально законченное устройство дистанционной передачи курса с минимальной конфигурацией, т.е. устройство, содержащее только блок датчиков и центральный прибор. При этом к центральному прибору через встроенный в него первый формирователь-передатчик могут быть подключены репитер или внешняя навигационная система.
Такая компоновка устройства позволяет уменьшить габариты и удобно разместить в нужных местах судна центральный прибор и репитеры, а тяжелый и громоздкий блок питания и сопряжения расположить, например, в нижних (трюмных) отсеках судна, где для него найдется достаточно места. Именно благодаря такому построению устройства удается оптимизировать его применение на судах различных классов, решить поставленную выше задачу и получить указанный технический результат.
Существенным отличием устройства от прототипа является также наличие в нем источника света, позволяющего в темное время суток освещать шкалу визуального магнитного компаса, совместно с которым используется предлагаемое устройство для дистанционной передачи курса.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для дистанционной передачи курса.
Устройство содержит блок датчиков 1, подключенный с помощью первого кабеля 2 к центральному прибору 3, который через второй кабель 4 соединен с блоком питания и сопряжения 5. К выходам блока питания и сопряжения 5 через третий 6, четвертый 7 и пятый 8 кабели подключены соответственно первый 9, второй 10 и третий 11 репитеры.
В блоке датчиков расположены магнитные датчики 12, 13 (феррозонды) с ортогональными осями чувствительности. Последовательно соединенные цепи возбуждения магнитных датчиков через первый кабель 2 соединены с выходами «1» и «2» генератора 14, расположенного в центральном приборе 3, а сигнальные цепи - со входами «1» детекторов 15, 16. Выход «3» генератора 14 подключен к объединенным входам «2» детекторов 15, 16, выходы которых соединены со входами «1» и «2» процессора 17. Третий «3» и четвертый «4» входы процессора соединены соответственно с выходом «4» генератора 14 и выходом клавиатуры 18. Выход процессора 17 подключен ко входу «1» первого дисплея 19 и через первый формирователь-передатчик 20, второй кабель 4 и первый формирователь-приемник 21 ко входу «1» распределителя 22, расположенного в блоке питания и сопряжения 5. Вход вторичного блока питания 23 через первый кабель 2 и регулятор 24 соединен с источником света 25, а выход подключен к объединенным входам питания генератора 14, детекторов 15, 16 и процессора 17.
Выход распределителя 22 подключен к объединенным входам второго 26, третьего 27, четвертого 28, пятого 29 и шестого 30 формирователей-передатчиков, выходы которых соответственно через третий 6, четвертый 7 и пятый 8 кабели, второй 31, третий 32 и четвертый 33 формирователи-приемники соединены с первыми входами «1» второго 34, третьего 35 и четвертого 36 дисплеев. Посредством формирователей передатчиков 29 и 30 устройство может подключаться к внешним навигационным системам и РЛС.
Входы первичного блока питания 37 подключены к бортовым сетям с напряжениями «~220 В» и «=24 В». Его первый выход «1» подключен ко второму входу распределителя 22, а второй выход «2» через второй кабель 4 соединен со входом вторичного блока питания 23 и входом «2» первого дисплея 19, и через 6, 7 и 8 кабели со входами «2» соответствующих второго 34, третьего 35 и четвертого 36 дисплеев.
Устройство для дистанционной передачи курса работает следующим образом. При подаче на первичный блок питания 37 переменного напряжения 220 В или постоянного напряжения 24 В на его выходе «1» возникает низковольтное напряжение постоянного тока (например,+5 В), которое используется для питания формирователя-приемника 21, распределителя 22 и формирователей-передатчиков 26-30, а на выходе «2» - постоянное напряжение, равное напряжению бортовой сети постоянного тока, т.е. 24 В.
Варианты построения схем первичного блока питания 37 позволяют осуществлять ручное подключение его к одной из указанных бортовых сетей или автоматическое подключение блока к (аварийной) сети постоянного тока при пропадании напряжения в сети переменного тока.
Постоянное напряжение с выхода «2» первичного блока питания 37 подается через соответствующие кабели на центральный прибор 3 и репитеры 9-10, обеспечивая тем самым их работоспособность.
На блоки центрального прибора 3 подаются низковольтные напряжения от вторичного блока питания. При этом генератор 14 через первый кабель 2 питает переменным током обмотки возбуждения феррозондов 12 и 13, в результате чего на сигнальных обмотках феррозондов возникают напряжения, которые через первый кабель 2 поступают на входы «1» соответствующих детекторов 15 и 16. На входы «2» детекторов с выхода «3» генератора подается опорный сигнал, имеющий удвоенную по сравнению с током возбуждения феррозондов частоту. Вследствие этого детекторы формируют сигналы постоянного тока, уровни которых линейно связаны с амплитудами вторых гармоник в составе сигналов феррозондов и имеют вид
12
13
15
16
150
160
где U, U - амплитуды вторых гармоник сигналов феррозондов, k, k - коэффициенты преобразования детекторов 3.2 и 3.3, U, U - постоянные смещения нулевых уровней сигналов на выходах детекторов.
Сигналы (1) поступают на аналоговые входы процессора 17, в котором производится их преобразование в цифровые коды и вычисление текущих значений магнитного курса. При этом значения смещений нулевых уровней выбирают равными половине диапазона входных аналоговых сигналов процессора и используют для определения знаков сигналов феррозондов.
С целью упрощения алгоритмов обработки сигналов работа процессора 17 тактируется сигналом, снимаемым с выхода «4» генератора 14 и подаваемым на вход «4» процессора.
12
13
Если учесть, что амплитуды вторых гармоник сигналов феррозондов U и U соответствуют косинусу и синусу магнитного курса, то вычисление магнитного курса производится по формуле
0
15
0
16
0
где U - приведенное ко входам процессора значение половины диапазона входных аналоговых сигналов процессора, которое генерирует процессор, F - функция выбора квадранта, которой в зависимости от знаков величин U-U и U-U придаются значения 0°, 180° или 360°.
150
160
0
Значение курса (2) определяется с погрешностью, обусловленной неточным расположением осей чувствительности феррозондов, разбросом коэффициентов преобразования детекторов 15, 16, а также несовпадением смещений нулевых уровней сигналов U, U с заданным значением U. Поэтому для увеличения точности измерений оно корректируется с помощью поправки Δ, а результирующее значение магнитного курса определяется равенством
Поправка формируется в виде кусочно-линейной функции, образованной набором коэффициентов, которые вводятся в процессор с помощью клавиатуры 18 в процессе калибровки устройства.
Кроме этого с помощью клавиатуры 18 в процессор вводится магнитное склонение местности ν, что позволяет вычислять значения истинного (географического) курса, т.е.
Процессор 17 вырабатывает непрерывный импульсный сигнал, который соответствует используемому на судах стандартному протоколу обмена информацией NMEA-0183 (IEC-1162) и подается на вход «1» первого дисплея 19 и вход первого формирователя-передатчика 20. Последний приводит выходной сигнал процессора к стандартным форматам RS-232 или RS-422.
Сигнал с выхода первого формирователя-передатчика 20 через второй кабель 4 подается на вход первого формирователя-приемника 21, который формирует на своем выходе сигнал, повторяющий сигнал на выходе процессора 17. Этот сигнал с помощью распределителя 22 распределяется между входами второго 26, третьего 27, четвертого 28, пятого 29 и шестого 30 формирователей-передатчиков, которые вырабатывают соответствующие сигналы в форматах RS-232 или RS-422 для передачи по третьему 6, четвертому 7 и пятому 8 кабелям к репитерам 9, 10, 11, а также ко внешним навигационным устройствам. Второй 31, третий 32 и четвертый 33 формирователи-приемники вырабатывают сигналы, которые повторяют сигнал на выходе процессора 17 и подаются на входы «1» соответствующих дисплеев 34, 35, 36.
Т.к. на входы всех дисплеев подаются одинаковые сигналы, передающие информацию о магнитном и истинном курсах, на цифровых табло дисплеев могут отображаться значения как магнитного, так и истинного курсов. Выбор между указанными значениями осуществляется при помощи соответствующих кнопок, расположенных на лицевых панелях центрального прибора 3 и репитеров 9, 10, 11.
Заметим, что в процессе калибровки устройства, который выполняется посредством клавиатуры 18, на дисплее центрального прибора 3 и дисплеях репитеров 9, 10, 11 отображаются значения набираемых с помощью клавиатуры коэффициентов и магнитного склонения.
Источник света 25 служит для освещения шкалы визуального магнитного компаса, совместно с которым используется устройство. Практически он представляет собой три или большее число ярких светодиодов, которые закреплены в блоке датчиков 1 и расположены по окружности, охватывающей магнитные датчики 12 и 13.
Необходимая освещенность шкалы устанавливается с помощью регулятора 24, который обычно представляет собой переменный резистор и располагается в котелке визуального магнитного компаса.
При использовании предлагаемого устройства в качестве самостоятельного индукционного компаса, источник света и регулятор в нем отсутствуют.
Таким образом, состав и комбинация функциональных блоков в предлагаемом устройстве дает следующие результаты.
Применение формирователей-передатчиков и формирователей-приемников позволяет подавать на удаленные друг от друга дисплеи одинаковые сигналы. Благодаря этому и выполнению дисплеями одинаковых функций все дисплеи имеют одинаковые схемы и конструкции, чем обеспечивается высокий уровень унификации и технологичности предлагаемого устройства.
Благодаря передаче по кабелям стандартных сигналов вместо блока питания и сопряжения 5 к центральному прибору 3 через второй кабель 4 может быть подключен один из репитеров. Тем самым может быть получено упрощенное устройство для дистанционной передачи курса, которое будет питаться от бортовой сети постоянного тока. Вместо репитера к центральному прибору на выбор может быть подключена навигационная система или РЛС, в которых используют стандартные сигналы. Наконец, в самом простом варианте в состав устройства могут входить только блок датчиков 1, первый кабель 2 и центральный прибор 3.
С другой стороны, необходимое увеличение числа репитеров и внешних устройств, использующих информацию о курсе судна, обеспечивается простым увеличением числа формирователей-передатчиков в блоке питания и сопряжения 5.
Т.е. размещение функциональных узлов устройства в таких основных блоках, как центральный прибор 3, блок питания и сопряжения 5 и репитеры 9, 10, 11, которые связаны между собой кабелями и работают со стандартными сигналами, позволяет получить устройство с адаптивной структурой, позволяющей оптимизировать его применение на судах различных классов.
Устройство для дистанционной передачи курса выпускается Катав-Ивановским приборостроительным заводом и используется в комплекте с визуальными магнитными компасами УКПМ-М4 и УКПМ-145, которые являются продукцией того же завода.