МАГНИТНЫЙ КОМПАС (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01C17/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в конструкциях магнитных компасов преимущественно для применения в спортивном ориентировании и туризме.

Известен магнитный компас [1] содержащий корпус, намагниченный элемент, установленный в корпусе на острие шпильки и обеспечивающий намагниченному элементу (магниту) три угловые степени свободы. С магнитом жестко связана шкала, линия "север-юг" которой параллельна направлению намагниченности магнита и своим северным концом совпадает с его северным направлением. Из-за наклона полного вектора напряженности T магнитного поля Земли под углом θ магнитного наклонения к горизонту центр масс системы "магнит-шкала" смещен относительно точки опоры вдоль линии указателя севера на величину и в направлении, при которых намагниченный элемент, преодолевая стремление к совмещению направления своей намагниченности с вектором T в плоскости магнитного меридиана, своим направлением намагниченности и линией указателя севера устанавливается в горизонт. Известен магнитный компас [2] с теми же существенными признаками, что и в приведенном выше аналоге, но с указателем севера в виде полосы, жестко прикрепленной к магниту вдоль линии его намагниченности. Центр масс системы "магнит-указатель" здесь также смещен от точки опоры вдоль продольной линии указателя для придания ему горизонтального положения. Недостатками этих компасов является неэффективное использование полного вектор T Земли, в результате чего снижаются точность и быстродействие компаса, а из-за смещения при этом центра масс подвижной системы вдоль линии указателя компас является чувствительным к линейным ускорениям. При вертикальном действии ускорений магнитная система отклоняется от плоскости и может соприкоснуться с корпусом компаса. При действии ускорений в горизонтальной плоскости магнитная система отклоняется от магнитного меридиана и появляется погрешность в его показаниях.

Задачей изобретения является создание магнитного компаса с лучшей точностью, большим быстродействием и уменьшенной чувствительностью к линейным ускорениям со сведением всех их к минимуму, вплоть до практически полной нечувствительности компаса от смещения центра масс вдоль линии указателя севера.

Задача решается тем, что в магнитном компасе, содержащем корпус, намагниченный элемент с опорой в корпусе, обеспечивающей намагниченному элементу три угловые степени свободы, и с жестко скрепленным с ним в горизонтальной плоскости указателем севера, угол a в вертикальной плоскости между северной стороной указателя и северным направлением намагниченности намагниченного элемента формируется и выбирается из условия выполнения одновременно двух неравенств


с тем же знаком α, что и знак угла магнитного наклонения q Земли в данной местности, где b-возможный угол поворота намагниченного элемента в корпусе.

Однако при некоторых значениях (α), близких к значению (2θ), погрешность предлагаемого компаса по сравнению с прототипом при действии линейных ускорений в горизонтальной плоскости, падая до этой критической величины, затем начинает увеличиваться при сохранении улучшений по статической точности, быстродействию и уменьшению угла отклонения указателя в вертикальной плоскости.

Устранение этого недостатка в предлагаемом компасе решается тем, что в нем
,
где α₁ предельное значение угла α, определяемого из соотношения
(3)
с сохранением в нем неравенства (2) и при .

Однако предлагаемый компас с выполнением в нем неравенств (1), (2) или (3), (2) не обеспечивает минимальных значений его погрешностей и максимального быстродействия.

Для решения этой задачи в предлагаемом компасе берут значение α = θ, опять-таки с условием выполнения в нем неравенства (2) и для .

Формирование необходимого угла α может производиться как путем намагничивания заготовки из магнитного материала в необходимом направлении a относительно плоскости, предназначенной для установки на ней указателя севера, так и путем обработки уже намагниченного в произвольном направлении магнитного элемента таким образом, чтобы плоскость, предназначенная для установки указателя севера, была под углом a к этому направлению намагниченности магнитного элемента.

Известны магнитные компасы [1] [2] содержащие корпус, намагниченный элемент, жестко скрепленный с осью, установленной на двух опорах. При таком способе установки подвеса намагниченного элемента в корпусе на двух опорах ось вращения может проходить через центр масс подвижной магнитной системы, так как момент магнитных сил в вертикальной плоскости магнитного меридиана
M_вр = T•M•sinθ
здесь уравновешивается моментом сил реакции опор в той же плоскости.

Однако любая механически сбалансированная система имеет точность балансировки, т. е. достаточное несовпадение оси вращения подвижной системы с ее центром масс.

Недостатком этих компасов является то, что при наличии такого смещения компас становится чувствительным к линейным ускорениям, действующим в горизонтальной плоскости. Намагниченный элемент при этом отклоняется от своего направления "север-юг", т. е. возникает погрешность компаса. Кроме того, из-за неэффективного использования полного вектора T Земли снижаются точность и быстродействие компаса.

Задачей изобретения является создание магнитного компаса с лучшей точностью, большим быстродействием и с уменьшенным влиянием остаточной несбалансированности магнитной системы на точность показаний компаса при действии линейных ускорений в горизонтальной плоскости и сведение всех этих погрешностей к минимуму.

Задача для случая снижения этих погрешностей компаса-прототипа решается тем, что в магнитном компасе, содержащем корпус, намагниченный элемент, жестко скрепленный с осью, установленной на двух опорах, угол α между плоскостью, перпендикулярной оси, и северным направлением намагниченности намагниченного элемента формируется и выбирается из условия

с тем же знаком α, что и знак угла магнитного наклонения q Земли в данной местности.

Задача для случая сведения указанной погрешности компаса в прототипе к минимуму решается тем, что в предлагаемом компасе с уменьшенным значением этой погрешности формируют значение

Формирование α может быть как путем непосредственного намагничивания магнитного элемента под углом (90 - α)^° к его оси или под углом α к плоскости, перпендикулярной оси или же путем крепления оси под углом (90 - α)^° к направлению намагниченности уже намагниченной заготовки магнита.

На фиг. 1 показан компас, содержащий корпус 1 с установленной в нем шпилькой 2, намагниченный элемент 3 с установленной в нем опорой 4, который установлен на острие шпильки 2 со свободой угловых перемещений в трех направлениях.

К намагниченному элементу 3 прикреплен указатель севера 5. Центр масс ЦМ системы "намагниченный элемент 3 указатель севера 5" смещен в сторону южного конца указателя от точки опоры для придания указателю 5 горизонтального положения, так как Α < θ, и компас предназначен для использования в северном магнитном полушарии Земли и поэтому намагничен под положительным углом a к северному концу указателя севера 5 в соответствии с положительным направлением угла магнитного наклонения q, присущего для северного полушария Земли. При необходимости корпус 1 может быть заполнен демпфирующей жидкостью 6.

На фиг. 2 и 3 показан компас, содержащий корпус 1 с установленными в нем опорами 2, намагниченный элемент 3, жестко скрепленный с осью 4. Намагниченный элемент 3 имеет возможность углового перемещения в корпусе 1 только по одной оси оси 4. К намагниченному элементу 3 может быть прикреплен указатель севера 5. Компас по фиг. 2 предназначен для применения в южном полушарии Земли и поэтому намагничен северной стороной под отрицательным углом a к плоскости, перпендикулярной оси вращения намагниченного элемента 3 в соответствии с отрицательным направлением угла магнитного наклонения Земли.

Компас по фиг. 3 предназначен для применения в северном полушарии Земли и поэтому намагниченный элемент 3 северной стороной наклонен к плоскости, перпендикулярной оси вращения 4, под положительным углом a. Компас при необходимости может быть заполнен демпфирующей жидкостью 6.

На фиг. 4 изображен компас, вид сверху. Максимальный эффект этих компасов получается при применении для магнитов редкоземельных материалов.

Компас работает следующим образом.

Основание корпуса 1 компаса устанавливается в горизонтальной плоскости, при этом намагниченный элемент 3 вместе с указателем севера 5 покажет направление магнитного меридиана. Благодаря наклону направления намагниченности магнитного элемента под соответствующим углом a к горизонту, определенным из неравенств формулы изобретения, компас имеет высокое быстродействие, точность и может линейно перемещаться в пространстве с ускорениями. Компас согласно фиг. 1 может работать при наклонах его от плоскости горизонта до момента соприкосновения намагниченного элемента 3 со шпилькой 2 или указателя 5 с крышкой корпуса 1.

При случайном попадании указателя севера 5 компаса фиг. 1 северным концом в сторону, противоположную северному направлению магнитного меридиана, для убыстрения привода указателя в исходное рабочее положение рекомендуется наклонить компас от плоскости горизонта в сторону расположения северного конца указателя вниз. Тогда подвижная система компаса быстрее освобождается от ее связей с корпусом, препятствующим ее вращению. При удачной конструкции ограничителей наклона указателя от плоскости горизонта, например, выполненных по конусу и с минимальным трением, такой операции по подготовке компаса фиг.1 к работе может не понадобиться.

Использование: для спортивного ориентирования и туризма. Сущность изобретения: в магнитном компасе северное направление намагниченности намагниченного элемента, установленного на опоре с тремя угловыми степенями свободы, отклонено по отношению к направлению индекса указателя севера в вертикальной плоскости в сторону направления вектора магнитного поля Земли. В случае намагниченного элемента, ось которого установлена на двух опорах, его северное направление намагниченности отклонено от плоскости, перпендикулярной к оси, в сторону направления вектора магнитного поля Земли. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Магнитный компас, содержащий корпус, намагниченный элемент, установленный в корпусе на опоре с тремя угловыми степенями свободы и с жестко скрепленным с ним в горизонтальной плоскости индексом указателя севера, отличающийся тем, что северное направление намагниченности намагниченного элемента отклонено по отношению к направлению индекса указателя севера в вертикальной плоскости в сторону направления вектора магнитного поля Земли. 2. Компас по п.1, отличающийся тем, что в нем величина отклонения равна углу магнитного наклонения Земли. 3. Магнитный компас, содержащий корпус, намагниченный элемент, жестко скрепленный с осью, установленной в корпусе на двух опорах и имеющей одну угловую степень свободы, отличающийся тем, что северное направление намагниченности намагниченного элемента отклонено от плоскости, перпендикулярной к оси, в сторону направления вектора магнитного поля Земли.