МАГНИТНЫЙ КОМПАС И СПОСОБ СМЕЩЕНИЯ ЦЕНТРА МАСС ЕГО МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ 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, установленную в нем на двух опорах ось, с которой жестко связана подвижная относительно только этой оси система, в которой жестко закреплены намагниченные элементы. Центр масс этой подвижной системы находится на оси ее вращения в корпусе.

Недостатком этого компаса является появление погрешности при наклонах оси вращения подвижной системы от вертикали.

Эта погрешность исключается при удержании оси вращения подвижной системы в вертикальном положении с помощью каких-то внешних устройств.

Известен способ смещения центра масс магнитной системы магнитного компаса /2/, который заключается в установке магнитной системы с возможностью вращения на опоре и смещении центра масс вдоль оси вращения.

Однако данный способ не может быть использован для компенсации погрешности наклонов оси вращения в магнитных компасах с двумя опорами.

Задачей изобретения является создание магнитного компаса с уменьшенной погрешностью при наклонах оси вращения магнитной системы от вертикали за счет смещения ее центра масс, а также способа смещения центра масс магнитной системы.

Поставленная задача решается за счет того, что в магнитном компасе, содержащем корпус с установленной в нем с одной угловой степенью свободы магнитной системой с жестко закрепленным в ней намагниченным элементом, центр масс подвижной системы смещен от ее оси вращения в направлении, перпендикулярном этой оси к южному полюсу намагниченного элемента при применении компаса в северном магнитном полушарии Земли или к северному полюсу при применении компаса в южном магнитном полушарии Земли. Причем смещение производят на величину l, определяемую из выражения
,
где 0<n<2, H_b вертикальная составляющая напряженности магнитного поля Земли;
M магнитный момент намагниченного элемента;
P вес подвижной системы.

Конкретный выбор значения l осуществляется, исходя из допустимого значения погрешности компаса при наклонах оси вращения его подвижной системы от вертикали, при этом при любом значении l, удовлетворяющему (1), выполняется цель уменьшение погрешности компаса при его наклонах.

Наименьшую погрешность компас будет иметь при

а при наклонах его только по главным осям компаса от вертикали /по линии меридиана и по линии, ей перпендикулярной/ погрешность в компасе отсутствует, причем при любых значениях углов отклонения оси от вертикали для второго случая.

Поставленная задача также решается за счет того, что в известном способе смещения центра масс подвижной магнитной системы магнитного компаса, заключающегося в том, что устанавливают подвижную магнитную систему с возможностью вращения со смещением центра масс, подвижную магнитную систему устанавливают на двух опорах, смещение l центра масс производят вдоль линии, соединяющей полюса магнитной системы, устанавливают ось вращения под произвольным углом γ /не равном нулю/ к вертикали в плоскости, перпендикулярной линии магнитного меридиана, и обеспечивают расположение линии, соединяющей полюса магнитной системы, под углом b к линии магнитного меридиана, определяемом из выражения

где P₁ вес подвижной магнитной системы в окружающей среде при осуществлении смещения центра масс;
H_b вертикальная составляющая напряженности магнитного поля Земли при осуществлении смещения центра масс;
θ угол магнитного наклонения Земли при осуществлении смещения центра масс;
M магнитный момент магнитной системы;
l выбранная величина необходимого смещения центра масс путем увеличения или уменьшения массы подвижной магнитной системы по линии, соединяющей полюса магнитной системы.

На фиг. 1 и 2 показаны направления векторов сил, действующих на магнитную систему.

Ниже показывается причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом.

Известно /1/, что величина погрешности l при наклоне g вертикальной оси подвижной системы в произвольном направлении определяется выражением

где ψ угол в горизонтальной плоскости между магнитным меридианом и линией, вокруг которой происходит отклонение оси вращения подвижной системы от вертикали на угол g;
q угол магнитного наклонения Земли.

Согласно /1, с.274/, наибольшее значение эта погрешность получается при наклоне оси подвижной системы в направлении, перпендикулярном плоскости магнитного меридиана, т.е. при j 0 и p, при этом
l=arctg (tgθsinγ) (3).

Посмотрим, что произойдет с λ при наличии в подвижной системе смещения l ее центра масс от оси вращения этой системы в направлении полюсов намагниченного элемента.

Для этого составим уравнение равновесия всех моментов, действующих на ось вращения подвижной системы при ее наклоне на угол g при j=0 и π. Пусть при этом система отклонилась на угол /фиг. 1/.

Тогда момент M_в, действующий по оси вращения системы от взаимодействия проекции вектора H_b на наклоненную под углом γ плоскость от плоскости горизонта и проекции отклоненного на угол вектора M на направление магнитного меридиана, будет
M_в=H_в•sinγ•M•cosλ_т (4)
согласно правилу векторного произведения перпендикулярных векторов, лежащих в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

Кроме того, на ось вращения подвижной системы действует возвращающий ее в исходное состояние момент М_г от взаимодействия векторов М и Н_г, находящихся в плоскости, перпендикулярной оси вращения системы под углом λ_т, который направлен противоположно М_в и равен
M_г=M•H_г•sinλ_т (5)
И, наконец, на ось вращения подвижной системы действует момент М_с от смещения центра масс системы на величину l, который определяется как двойная проекция момента от взаимодействия смещенной массы ml с полем земного тяготения q сначала на ось, перпендикулярную плоскости магнитного меридиана, находящейся под углом λ_т к поперечной линии полюсов магнита, а затем на ось вращения подвижной системы, находящейся под углом γ к плоскости меридиана, т.е.

M_c= m•l•g•cosλ_т•sinγ= P•l•cosλ_т•sinγ (6)
Вектор М_с b направлен также против вектора М_в при смещении центра масс системы в направлении южного полюса намагниченного элемента при применении компаса в северном полушарии.

Тогда уравнение равновесия моментов запишется

из которого требуемая величина смещения центра масс подвижной системы l при заданной допустимой погрешности λ_т компаса при наклоне вертикальной оси на произвольный угол γ от плоскости меридиана определяется как

Поставляя в (8) значения λ_т из (3) сначала как положительное значение, соответствующее отклонению /погрешности/ компаса в одну сторону, а затем отрицательное значение, соответствующее погрешности компаса в другую сторону, найдем предельные значения смещения l, при которых изобретение сравнивается с погрешностью в прототипе.

Т.е. из (3) tgλ = tgθ sinγ и тогда
при положительном l l=0.
при отрицательном
Между этими значениями l и должно находиться смещение центра масс подвижной системы заявляемого компаса для того, чтобы его погрешность от наклона вертикальной оси вращения подвижной системы не превысила и не сравнялась с погрешностью в прототипе.

Из (8) видно, что в заявляемом компасе можно достичь нулевой погрешности λ при что получается, подставляя в /8/ tgλ =0.
При наклоне оси подвижной системы на угол γ при т.е. при наклоне в плоскости магнитного меридиана погрешность отсутствует как в прототипе /1/, так и в заявляемом компасе, т.к. момент от смещения центра масс при этом не проектируется на ось вращения магнитной системы.

При наклоне оси вращения подвижной системы компаса в произвольном направлении, т. е. при ψ ≠ 0 значение
M_с=P•l•sinγcos(ψ-λ_т)
и становится меньше, чем при ψ 0, то оно есть, и существенного увеличения погрешности l_т здесь не происходит по сравнению с ψ0, т.к. при этом становится меньшим и само значение l, определяемое (2), согласно сказанному в /1, с. 274/.

Т. о. и при любых j также происходит компенсация погрешности l смещением центра масс подвижной системы, но не полная как при , т.к. закон изменения λ. здесь сложнее /2/.

Можно сказать, что выбирая необходимое значение смещения l в пределах возможного по изобретению, можно находить разумный компромисс между допустимым значением λ при наклонах компаса и допустимым значением его погрешности от действия линейных ускорений в горизонтальной плоскости.

В случае заполнения компаса жидкостью учитывают выталкивающую силу ее при определении веса подвижной системы.

Возможность осуществления способа смещения центра масс можно пояснить следующим образом.

Если подвижную магнитную систему с возможностью вращения расположить так, чтобы ее ось вращения была в горизонте /т.е. при g 90^o/, но под прямым углом к линии магнитного меридиана, то можно записать следующее уравнение ее равновесия по оси вращения /фиг. 2/.

P₁•l•cosβ= M•T•sin(θ-β) (9),
где T вектор полной напряженности магнитного поля Земли.

Из (9), с учетом H_в= T•sinθ, находим

Для получения по этому способу необходимого смещения центра масс магнитной системы компаса по п. 2 формулы заявленной группы изобретений вместо l следует подставить в (10) значение

где 0<n<2.

Для получения компаса по п.3 формулы, т.е. компаса с нулевыми ошибками при его наклонах от плоскости горизонта, при смещении центра масс по данному способу добиваются, чтобы

а при осуществлении предлагаемого способа в той же рабочей среде, в которой будет работать магнитная система в компасе по п. 3, добиваются горизонтального положения линии, соединяющей полюса системы, т.е. того, чтобы tgβ 0.

Можно показать, что данный способ можно осуществлять не обязательно при горизонтальном положении оси вращения системы, а в общем случае при любом ее наклоне g от вертикали /только при g ≠0/, сохраняя при этом ее перпендикулярность к линии магнитного меридиана.

При этом выражения (11) и (12) примут соответственно вид

Действительно, из (8) видно, что (13) являются следствием (8) относительно λ_т, т. к. в заявленном способе λ_т обозначено как β из-за того, что здесь, в способе, рассматривается преимущественно горизонтальное положение оси вращения магнитной системы.

При этом P P₁, т.е. при осуществлении способа в той же среде, что и рабочая среда системы в компасе (13) примут вид соответственно

В случае, если осуществление предлагаемого способа производится в другой по ширине Земли местности, где Н_в не равно тому Н'_в, где предполагается применение компаса, то при переходе от (10) к (11) и последующим выражением, эти значения Н_в и Н'_в не сокращаются математически, и выражение для tgβ в общем случае после подстановки выбранного значения l выглядит

Способ смещения центра масс подвижной магнитной системы магнитного компаса может быть применен при другой окружающей подвижную магнитную систему среде, в отличие от рабочей среды в компасе, а также для применения компаса в другом диапазоне широт Земли, т.е. не для широт Земли, где осуществляется способ смещения центра масс.

Использование: в конструкциях магнитных компасов, в т.ч. для спортивного ориентирования и туризма. Сущность изобретения: в корпусе компаса на двух опорах установлена подвижно система с жестко закрепленным в ней намагниченным элементом. Центр масс этой системы смещен от оси ее вращения в направлении под прямым углом к этой оси в сторону южного полюса магнита при применении компаса в северном полушарии Земли и в сторону северного полюса магнита при применении его в южном полушарии. Величина смещения определяется из соотношения , где 0<n<2, M - магнитный момент магнита; H_в - вертикальная составляющая напряженности магнитного поля Земли; P - вес магнитной подвижной системы в ее рабочей среде. При осуществлении способа смещения центра масс магнитную систему устанавливают на двух опорах и производят смещение центра масс вдоль линии, соединяющей полюса магнитной системы, для чего устанавливают ось вращения под произвольным углом γ к вертикали в плоскости, перпендикулярной линии магнитного меридиана, и обеспечивают расположение линии, соединяющей полюса магнитной системы под углом b, определяемым из приведенного соотношения, путем увеличения или уменьшения массы магнитной системы по линии, соединяющей полюса магнитной системы. 2 ил.

1. Магнитный компас, содержащий корпус с установленной в нем с одной угловой степенью свободы подвижной магнитной системой с жестко закрепленным в ней намагниченным элементом, отличающийся тем, что центр масс подвижной системы смещен от ее оси вращения в направлении, перпендикулярном этой оси к полюсу намагниченного элемента противоположного наименования по отношению к наименованию полюса того магнитного полушария Земли, в котором используется компас. 2. Компас по п.1, отличающийся тем, что центр масс смещен на величину

где 0 < n < 2,
H_b вертикальная составляющая напряженности магнитного поля Земли для данной местности;
M магнитный момент намагниченного элемента;
P вес подвижной магнитной системы в ее рабочей среде. 3. Компас по п.1 или 2, отличающийся тем, что в нем центр масс смещен на величину

4. Способ смещения центра масс подвижной магнитной системы магнитного компаса, заключающийся в том, что устанавливают подвижную магнитную систему с возможностью вращения со смещением центра масс, отличающийся тем, что подвижную магнитную систему устанавливают на двух опорах, смещение центра масс производят вдоль линии, соединяющей полюса магнитной системы, устанавливают ось вращения под произвольным углом γ к вертикали в плоскости, перпендикулярной линии магнитного меридиана, и обеспечивают расположение линии, соединяющей полюса магнитной системы, под углом b к линии магнитного меридиана, определяемым из соотношения

где P₁ вес магнитной системы при осуществлении смещения центра масс;
H_b вертикальная составляющая напряженности магнитного поля Земли при осуществлении смещения центра масс;
θ - угол магнитного наклонения Земли при осуществлении смещения центра масс;
M магнитный момент магнитной системы;
l выбранная величина необходимого смещения центра масс,
путем увеличения или уменьшения массы подвижной магнитной системы по линии, соединяющей полюса магнитной системы.