визуальный магнитный компас-датчик

Формула изобретения

Визуальный магнитный компас-датчик, содержащий нактоуз, девиационные устройства, размещенный в нактоузе герметичный котелок, заполненный компасной жидкостью, с установленным в нем на опоре магнитным чувствительным элементом, и закрепленный на котелке индукционный преобразователь, отличающийся тем, что дополнительно содержит электронный блок в водозащищенном корпусе, размещенный в нижней части нактоуза и содержащий генератор возбуждения индукционного преобразователя и усилитель-преобразователь выходных сигналов индукционного преобразователя, выполненный с возможностью формирования выходных сигналов постоянного тока, напряжения которых пропорциональны синусу и косинусу магнитного курса судна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к навигационному приборостроению и может быть использован в дистанционных магнитных компасах, а также в качестве источника информации о курсе для авторулевых, радиопеленгаторов, автопрокладчиков.

Известны дистанционные магнитные компасы, КМ 145-3/КБ1.150.031-02/, КМ 145-4/КБ1.150.031-03/, КМ 145-7/КБ1.150.031-06/, КМ 145-8/КБ1.150.031-07/, описанные в [1]

Компасы предназначены для использования в качестве главных и путевых компасов на судах и кораблях большого и среднего водоизмещений.

Компасы содержат собственно визуальный магнитный компас-датчик (соответственно, приборы 52А, 52А-1, 52В, 52В-1), предназначенные для выработки информации о курсе с помощью магнитного чувствительного элемента (МЧЭ) и первичного преобразователя индукционного чувствительного элемента (ИЧЭ), построенного на двух ортогональных стержневых феррозондах; электрическую передачу показаний курса в компасах КМ 145-3 и КМ 145-4 и электрическую, и оптическую передачи курса в КМ 145-7 и КМ 145-8; прибор 50 - центральный прибор, предназначенный для преобразования электрического сигнала о курсе, поступающего от датчика (от первичного преобразователя). Для этого прибор 50 содержит (см. рис.1. КБО.115.097.ТО) электромеханическую следящую систему, включающую вращающийся трансформатор, полупроводниковый блок I V1, усилитель, двигатель- генератор, полупроводниковый блок II V2, механический дифференциал, сельсин (датчик), информация о курсе с которого поступает на репитеры, девиационные устройства.

Основным недостатком компасов КМ 145-3, КМ 145-4, КМ 145-7 и КМ 145-8 являются.

1. Значительные габаритные размеры 1650х450 мм и масса до 95 кг собственно компаса-датчика, что исключает возможность его размещения на судах малого водоизмещения.

2. Техническое решение компаса, при котором первичный преобразователь (ИЧЭ) размещается в датчике, а устройства его питания и обработки его информации в центральном приборе 50. Это приводит к необходимости использования длинных линий связи между первичным преобразователем, источником его питания (возбуждения) и нагрузкой (вращающимся трансформатором), что, в свою очередь, приводит к погрешностям вырабатываемой информации о курсе. Последнее связано со снижением помехоустойчивости в результате использования длинной линии связи между ИЧЭ и его нагрузкой и трудностями согласования по сопротивлению первичного преобразователя, длинной линии связи, источника питания и нагрузки,

Известен также дистанционный магнитный компас "Сектор", описанный в книге "Магнитные компасы" В.П. Кожухов, В.В. Воронов, В.В. Григорьев, М. Транспорт, 1981, с. 173-181.

Компас "Сектор" предназначен для транспортных и рыбопромысловых судов большого водоизмещения и содержит собственно визуальный магнитный компас-датчик (прибор 52), который содержит магнитный чувствительный элемент (МЧЭ) катушку, размещенную на опоре-шпильке в герметичном котелке, заполненном компасной жидкостью. Котелок установлен в нактоузе, в котором размещены также девиационные устройства: девиационный прибор и компенсатор четвертной девиации. В котелке размещен датчик дистанционной электрической передачи информации о курсе индукционный чувствительный элемент, построенный на трех стержневых феррозондах датчик ЧЭ (см. рис. 90, с. 177); центральный прибор (прибор 50), содержащий устройства преобразования сигнала индукционного чувствительного элемента ЧЭ (см. рис. 90, с.177); сельсин приемник М1; усилитель; двигатель М2; механический дифференциал Д1; механический дифференциал Д2; сельсин-датчик синхронной передачи М3.

Основными недостатками дистанционного магнитного компаса "Спектр" являются.

1. Значительные размеры 1650х470 мм и масса до 85 кг, исключающие возможность размещения собственного датчика на судах малого водоизмещения.

2. Использование в качестве датчика дистанционной электрической передачи трехкомпонентного индукционного датчиках, построенного на стержневых феррозондах, имеющего значительные инструментальные погрешности до 2,5^o (см. с. 180), по сравнению, например, с двухкомпонентным индукционным датчиком, имеющим существенно меньшую инструментальную погрешность (см. книгу "Теория и расчет гидроскопических приборов". Киев: Вища школа, 1985, с. 79-94).

3. Использование трехкомпонентного индукционного датчика, что вызывает необходимость использования в качестве его нагрузки электромеханического элемента сельсина-приемника. Это ограничивает возможность использования собственно компаса-датчика в составе других навигационных систем, не использующих в качестве входного устройства электромеханический элемент - сельсин-приемник.

3. Размещение устройств преобразования рабочего сигнала переменного тока датчика (ЧЭ) в отдельном приборе в центральном приборе 50. Это вызывает необходимость использования длинных линий связи ЧЭ с сельсино-приемником, что снижает помехоустойчивость дистанционной передачи компаса и приводит к погрешности передачи информации о курсе.

Наиболее близким по технической сущности и изобретению являются дистанционные магнитные компасы КМ 145-С3 и УМ 145-С4 (прототип).

Компасы различаются только типом оптической передачи, которая не является предметом рассмотрения в рамках изобретения. В остальном состав и устройство компасов полностью идентичны, описаны в "Техническом описании и инструкции по эксплуатации КБО.115.097 ТО, 1983 г.

Компасы предназначены для использования в составе судового навигационного комплекса "Бирюза-НК", изготавливаемого отечественной промышленностью для крупнотоннажных судов, схемы функциональные электрические комплексов представлены на рис.3 и 4 ТО.

Дистанционный магнитный компас-прототип содержит:

а) собственно визуальный магнитный компас-датчик с оптической и электрической передачами информации о курсе в навигационный комплекс, в датчике размещены курсовой преобразователь-котелок компаса, заполненный компасной жидкостью, в котором на опорном устройстве размещен магнитный чувствительный элемент (МЧЭ); первичный преобразователь индукционный чувствительный элемент (ИЧЭ), построенный на двухкомпонентном кольцевом феррозонде; девиационные устройства (компенсаторы шириной, полукруговой, креновой, четвертной и электромагнитной девиации);

б) устройство, обеспечивающее работу ИЧЭ генератор, вырабатывающий напряжение возбуждения ИЧЭ, размещенный на плате питания (ПП)в приборе 50;

в) устройство, формирующее из сигналов ИЧЭ информацию о магнитном курсе Кмк в виде двух сигналов, пропорциональных sin Кмк и cos Кмк, представляющие собой электромеханическую следящую систему, размещенную в приборе 50 и содержащую вращающийся трансформатор Т1 (типа ВТ5), усилитель УРМ-1Б, корректор КИ-3, электродвигатель АДТ-32 ВРМ, механический дифференциал, вращающийся трансформатор Т2, вращающийся трансформатор Т3.

Информацию о магнитном курсе Кмк в виде двух сигналов переменного тока с каждого вращающегося трансформатора Т2 и Т3, пропорциональных sin Кмк и cos Кмк, передается в навигационный комплекс "Бирюза НК" и используется далее в репитерах, авторулевом, радиолокаторе и радиопеленгаторе.

Основными недостатками дистанционного магнитного компаса прототипа являются.

1. Значительные габаритные размеры 1650х450 мм и масса до 95 кг собственно компаса-датчика, обусловленные использованием оптической системы передачи показаний МЧЭ, что обеспечивает возможность его использование только на крупнотоннажных судах и исключает его размещение на судах среднего и малого водоизмещения.

2. Размещение устройства питания ПП и приемного устройства вращающегося трансформатора Т1 (нагрузка ИЧЭ) в отдельном приборе приборе 50. Это вызывает необходимость использовать длинные линии связи (межприборный кабель) между ИЧЭ и указанными устройствами, т.к. компас датчик и прибор 50 размещаются в различных местах на судне: датчик на палубе, прибор 50 во внутренних помещениях судна.

ИЧЭ, построенный на кольцевом феррозонде, имеет низкое входное сопротивление, первичной обмотки обмотки возбуждения порядка 5-6 Ом (обмотка содержит 250 витков проводом диаметром 0,125 мм, диаметр витка не более 3 мм), соизмеримое с сопротивлением соединительного межприборного кабеля. Это затрудняет согласование генератора возбуждения (платы ПП ) с ИЧЭ, т.к. в значительной степени сказывается как активное, так и индукционное сопротивления соединительного кабеля Последнее вызывает погрешность, а, следовательно, погрешность вырабатываемой информации о Кмк.

3. Рабочий сигнал ИЧЭ изменяется и может достичь уровней от 0,1-0,2 до 100-150 мВ в зависимости от курса судна. Использование длинной линии связи между ИЧЭ и его нагрузкой вращающимися трансформатором Т1 при уровнях передаваемых сигналов ИЧЭ, составляющих десятые доли единицы мВ (при значениях курса кратных 90^o) приводит к низкой помехоустойчивости устройства даже при тщательном экранировании линии, что, в свою очередь, вызывает погрешность передачи информации о курсе от ИЧЭ к нагрузке - вращающемуся трансформатору Т1.

Рабочие сигналы (два сигнала) первичного преобразователя - двухкомпонентного ИЧЭ представляет собой сигналы переменного тока сложной формы в виде спектров гармонических составляющих, из которых после селекции используют только по одной гармонической составляющей, несущей информацию о курсе. Поэтому использование информации от компаса-датчика в навигационной аппаратуре требует обязательных сложных преобразований рабочих сигналов, связанных с их селекцией и усилением. В связи с этим, использование только собственно визуальных магнитных компасов датчиков, входящих в состав рассмотренных выше аналогов и прототипа (компасов КМ 145-3, КМ 145-4, КМ 145-7 и т.д.), в составе любой навигационной аппаратуры, например, в авторулевом, радиопеленгаторе и, т. д. без крупногабаритного и тяжелого прибора 50 представляется затруднительным из-за необходимости передачи по длинным линиям связи малых сигналов переменного тока, низкой помехозащищенности, сложности преобразования этих сигналов.

Кроме того, как уже отмечалось, габаритные размеры и масса компасов - датчиков и центрального прибора (с электромеханической следящей системой)ограничивают типы объектов (по водоизмещению) судов, кораблей, на которых они могут быть размещены.

Задачи, на решение которых направлено изобретение, следующие.

Основная задача создание визуального магнитного компаса-датчика для судов и кораблей различного водоизмещения, в том числе, средне и малотоннажных судов (рыболовных траулеров, судов типа "река-море", буксиров, катеров и др. ), обеспечивающего работу навигационной аппаратуры, например, авторулевого, радиопеленгатора непосредственно от компаса-датчика без использования промежуточных приборов.

Другими задачами являются.

1. Снижение погрешностей формирования информации о курсе и повышение помехозащищенности за счет исключения длинных линий связи между индукционным чувствительным элементом и источником его питания (генератором), между индукционным чувствительным элементом и его нагрузкой путем размещения электронных устройств (генератора, усилителя, устройств селекции сигнала и др.) в самом компасе-датчике, обеспечив защиту компаса-датчика от их влияния по магнитному полю.

2. Упрощение согласования индукционного чувствительного элемента с генератором и нагрузкой.

3. Обеспечение условий универсальности использования компаса-датчика с различными потребителями и повышения помехозащищенности за счет формирования его выходной информации в виде сигналов постоянного тока.

4. Защита электронных устройств, размещенных в компасе-датчике, от воздействия влажности внешней среды и конденсата, имеющего место внутри нактоуза компаса-датчика при перепадах температуры.

Для решения указанных задач в визуальный магнитный компас-датчик, содержащий нактоуз, дистанционное устройство, размещенный в нактоузе герметичный котелок, заполненный компасной жидкостью, с установленным в нем на опоре магнитным чувствительным элементом и с закрепленными на котелке индукционным преобразователем, в нижнюю часть нактоуза введен конструктивный узел, выполненный в водозащищенном исполнении, содержащий электронные устройства в виде генератора возбуждения индукционного преобразователя и усилителя-преобразователя выходных сигналов индукционного преобразователя, при этом компас-датчик формирует информацию о магнитном курсе судна в виде сигналов постоянного тока, напряжения которых пропорциональны соответственно синусу и косинусу магнитного курса.

На чертеже показан предлагаемый визуальный магнитный компас-датчик, разрез.

Предлагаемый визуальный магнитный компас-датчик содержит нактоуз 2, в верхней части которого размещен герметичный котелок 2, заполненный компасной жидкостью 3.

Внутри котелка на опорном устройстве-шпильке 4 размещен магнитный чувствительный элемент (МЧЭ) 5. На котелке 2 закреплен преобразователь 6, выполненный в виде обоймы в форме кольца с закрепленными на ней двумя однокомпонентными феррозондами, расположенными ортогонально по отношению друг к другу. Феррозонды расположены в магнитном поле МЧЭ 5 таким образом, что сигнальные оси феррозондов и центр магнитной системы МЧЭ 5 лежат в одной горизонтальной плоскости или в близких горизонтальных плоскостях (возможны другие варианты как взаимного расположения МЧЭ и индукционного преобразователя, так и исполнения индукционного преобразователя).

С нактоузом 1 связаны девиационные устройства: девиационный прибор 7, расположенный внутри нактоуза, содержащий компенсаторы полукруговой и креновой девиации, и компенсатор четвертной девиации 8.

Внутри нактоуза 1 в его нижней части размещен конструктивный узел 9, содержащий электронные устройства: генератор возбуждения для индукционного преобразователя и усилитель-преобразователь для преобразования сигналов индукционного преобразователя. Конструктивный узел 9 удален на максимально возможное расстояние от МЧЭ с целью исключения возможного влияния его на МЧЭ за счет содержания в нем электрорадиоэлементов, выполненных с применением ферромагнитных материалов, а также электрических цепей, обтекаемых постоянным током, создающим магнитные поля, которые могут оказывать влияние на МЧЭ, вызывая погрешности формирования информации о курсе.

Современная элементная база, миниатюризация электрорадиоэлементов позволяют свести к минимуму или исключить влияние электронных устройств узла 9 на МЧЭ по магнитному полю.

Конструктивный узел 9, размещенный внутри нактоуза 1, выполнен в водозащитном исполнении.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Магнитный чувствительный элемент 5, размещенный на опорном устройстве 4, устанавливается по направлению горизонтальной составляющей магнитного поля.

Индукционный преобразователь 6 возбуждается напряжением переменного тока, поступающим от генератора, и работает в магнитном поле магнитного чувствительного элемента 5. При этом с индукционного преобразователя 6, построенного на двух ортогональных однокомпонентных феррозондах, снимаются два сигнала переменного тока. Индукционный преобразователь 6 жестко связан с корпусом котелка 2 и изменяет свое положение относительно магнитного чувствительного элемента при изменении курса судна.

Каждый из сигналов представляет собой спектр гармонических составляющих, часть из которых несет информацию о курсе в виде изменения амплитуды, пропорциональной синусу и косинусу угла, отражающего магнитный курс судна Кмк. Сигналы индукционного преобразователя поступают на усилитель-преобразователь, в котором производится селекция сигналов выделение рабочих гармоник, усиление по напряжению, мощности и преобразование рабочих сигналов (рабочих гармоник) по форме, т.е. преобразование сигналов переменного тока, амплитуды которых пропорциональны синусу Кмк и косинусу Кмк, в сигналы постоянного тока, напряжения которых также пропорциональны синусу Кмк и косинусу Кмк. Эти сигналы являются выходными сигналами и компаса-датчика и могут быть использованы внешними потребителями.

По сравнению с аналогами и прототипами предлагаемое устройство обеспечивает.

1. Использование визуального магнитного компаса-датчика, снабженного электрической дистанционной передачей, с габаритными размерами и массой, допускающими его размещение на судах и кораблях различных классов и водоизмещения, в том числе малотоннажных судах, например буксирах, камерах и т.д.

2. Размещение электронных устройств генератора и усилителя-преобразователя в нактоузе исключает длинные линии связи между ними и индукционным преобразователем, что в значительной степени способствует уменьшению погрешностей выработки информации о курсе Кмк за счет упрощения и улучшения условий согласования указанных устройств друг с другом и за счет повышения помехозащищенности коротких линий связи.

3. Формирование выходных сигналов в виде сигналов постоянного тока способствует увеличению помехозащищенности при их передаче потребителям даже по длинным линиям связи между компасом-датчиком и потребителями.

4. Формирование выходных сигналов компаса-датчика в виде сигналов постоянного тока обеспечивает универсальность его использования различными потребителями.