МАГНИТНЫЙ КОМПАС Российский патент 1998 года по МПК G01C17/02 

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в визуальных и оптических магнитных компасах с дистанционной передачей информации о курсе.

Известны стрелочные магнитные компасы, содержащие корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент, установленный на опоре, и индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента, например, описанные в книге "Магнитные компасы", В. П. Кожухов, В.В. Воронов, В.В. Григорьев, М., Транспорт, 1981, с. 173-180 и в "Техническом описании и инструкции по эксплуатации КБО. 115.097 ТО" магнитного компаса КМ 145-С4 (компас серийно изготавливается АООТ "Завод штурманские приборы", г. С.-Петербург, 195112, Новочеркасский проспект, д. 1).

Магнитный компас "Сектор", описанный в книге "Магнитные компасы", содержит котелок, заполненный демпфирующей (компасной) жидкостью, стрелочный магнитный чувствительный элемент (МЧЭ) с постоянными магнитами в виде 6 стрелок, установленный на опорном устройстве - на шпильке, индукционный преобразователь - индукционный чувствительный элемент, построенный на трех линейных феррозондах, размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента и конструктивно закрепленный на грузе котелка, и девиационное устройство, содержащее постоянные магниты и размещенное в нактоузе компаса.

Основные недостатки технического решения, использованного в компасе "Сектор", вызваны размещением индукционного преобразователя (ИП) - индукционного чувствительного элемента в нижней части котелка - в его грузе.

Такое размещение ИП возможно только при определенных габаритных размерах компаса - при значительной высоте его нактоуза, обеспечивающей возможность значительного удаления магнитов девиационного прибора от МЧЭ и ИП. Только при этом условии в зоне размещения МЧЭ и ИП может быть обеспечено достаточно однородное магнитное поле, создаваемое магнитами девиационного прибора.

Последнее является необходимым условием исключения погрешностей ИП за счет влияния на него магнитного поля от магнитов девиационного прибора, которое может быть соизмеримо с полем МЧЭ при незначительном расстоянии между девиационным прибором и котелком компаса.

Для уменьшения влияния девиационного прибора на ИП возможно размещение ИП в верхней части котелка, например, на верхнем стекле. Однако, такое решение в значительной степени ухудшает эксплуатационные характеристики компаса, так как в этом случае затрудняются работы, связанные с пеленгованием (мешает ИП).

Кроме того, токоподвод - монтажный жгут ИП, проложенный по стеклу, закроет участки стекла и затруднит как пеленгование, так и отсчеты курса, при любом исполнении визуального или оптического компаса.

Другими недостатками компаса "Сектор" являются:
- использование ИП, построенного на трех линейных феррозондах, имеющего значительную инструментальную погрешность до ± 2,5^o (см. книгу "Судовые индукционные и гиромагнитные компасы, стрелочные магнитные компасы с индукционными датчиками", Казакова Г. Ф., Кардашинский-Брауде Л.A., Фомкин Я.М., ЦНИИ "Румб", 1991 г. с. 23-25; книгу "Магнитные конпасы", В.В. Воронов и др. с. 180);
- использование стрелочного МЧЭ. Магнитное поле, создаваемое стрелочным МЧЭ в непосредственной близости от МЧЭ, имеет неоднородный характер, обусловленный увеличением напряженности поля возле полюсов его магнитов-стрелок. Последнее обстоятельство в свою очередь требует для уменьшения погрешностей ИП из-за неоднородности поля МЧЭ располагать их также на определенном удалении друг от друга, т.е. располагать ИП в зоне, где магнитное поле МЧЭ однородно.

Для магнитных компасов с низким нактоузом при расположении девиационного прибора на незначительном удалении от котелка, использование технического решения компаса "Сектор" - размещение ИП в грузе котелка приведет к значительным погрешностям ИП, которые могут составлять единицы и десятки градусов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является магнитный компас КМ 145-С4, содержащий котелок, заполненный демпфирующей (компасной) жидкостью; стрелочный магнитный чувствительный элемент (МЧЭ) с постоянными магнитами в виде 6 стрелок, установленный на опорном устройстве - на шпильке; индукционный преобразователь (ИП) - индукционный чувствительный элемент, построенный на двухкомпонентном кольцевом феррозонде (с кольцевым сердечником), размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента и конструктивно закрепленный на грузе котелка; девиационное устройство, содержащее постоянные магниты, расположенное в нактоузе котелка, описанный в "Техническом описании и инструкции и по эксплуатации" КБО. 115.097 ТО (прототип).

Основными недостатками компаса КM 145-С4 (прототипа) являются:
1. Расположение ИП в грузе котелка, что допустимо только при значительной высоте нактоуза компаса и удалении девиационного прибора (с постоянными магнитами) от котелка для обеспечения малых погрешностей ИП из-за возможного влияния магнитного поля магнитов девиационного прибора на ИП, т. е. создание условий, при которых магнитное поле девиационных устройств пренебрежимо мало по сравнению с полем МЧЭ.

2. Использование стрелочного МЧЭ из-за неоднородности его магнитного поля в непосредственной близости от МЧЭ, что вызывает необходимость размещения ИП на значительном удалении от МЧЭ в зоне однородного поля МЧЭ.

Основными задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются:
1. Улучшение эксплуатационных характеристик компаса, а именно: уменьшение высоты, а, следовательно, массы и металлоемкости (при изготовлении).

2. Обеспечение возможности использования индукционного преобразователя в магнитном компасе с целью, например, дистанционной передачи курса на репитера, введения значения курса в радиолокатор, радиопеленгатор или авторулевой, и уменьшение погрешностей индукционного преобразователя при незначительном удалении девиационного устройства с постоянными магнитами от котелка компаса, т. е. при ограничении высоты нактоуза компаса и расположении девиационного прибора и непосредственной близости от котелка компаса.

3. Уменьшение погрешности индукционного преобразователя от неоднородности магнитного поля МЧЭ компаса за счет использования феррозондов с сердечниками замкнутой формы, например, кольцевой, в виде сплюснутого тороида и т. д. , работающих в однородном магнитном поле кольцевого магнита (см. книгу "Средства измерений параметров магнитного поля" Ю.В. Афанасьев и др., Л., Энергия, 1979 г., с. 209).

На уровнях, близких к расположению магнита, в отличии от МЧЭ с системой магнитных стрелок, у МЧЭ с кольцевым магнитом собственное магнитное поле имеет характер плавной, монотонно убывающей (возрастающей) зависимости. У МЧЭ со стрелками на уровнях, близких к расположению стрелок, имеют место значительные неоднородности (в форме всплесков), обусловленные увеличением поля возле полюса каждой стрелки.

Плавность зависимости поля кольцевого магнита обусловлена формой магнита - кольцом, а также однородностью его намагниченности; обеспечивает возможность размещения феррозондов индукционного преобразователя на уровнях, близких к расположению магнита, и уменьшение погрешностей по сравнению со случаем использования стрелочного МЧЭ.

Использование феррозондов, например, с кольцевыми сердечниками в свою очередь обеспечивает вполне удовлетворительную инструментальную погрешность преобразователя курса (см. книгу "Судовые индукционные и гиромагнитные компасы, стрелочные магнитные компасы с индукционными датчиками", Г.ф. Казакова, Л.А. Кардашинский-Брауде, Я.М. Фомкин, ЦНИИ "РУМБ", 1991 г., с. 24-25).

Для решения указанных задач в магнитном компасе, содержащем корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент и индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента, индукционный преобразователь содержит два однокомпонентных феррозонда с сердечниками замкнутой формы, размещенных ортогонально по отношению друг к другу в магнитном поле кольцевого магнита магнитного чувствительного элемента и закрепленных с помощью съемной обоймы на боковой поверхности корпуса, при этом плоскости сердечников феррозондов лежат в двух ортогональных вертикальных плоскостях, параллельных плоскостям, направленным по касательным к боковой поверхности корпуса, а оси сигнальных обмоток феррозондов совпадают с двумя ортогональными горизонтальными осями, лежащими в этих же вертикальных плоскостях.

На фиг. 1 изображен общий вид магнитного компаса в разрезе; нa фиг.2 - индукционный преобразователь, вид сверху; на фиг. 3 и 4 - расположение магнитного поля МЧЭ и взаимное расположение МЧЭ и феррозондов.

Предлагаемый магнитный компас содержит (фиг. 1) корпус 1, заполненный демпфирующей жидкостью 2. Внутри корпуса 1 на опорном устройстве 3 размещен магнитный чувствительный элемент 4, содержащий кольцевой магнит 5.

На боковой поверхности корпуса 1 снаружи закреплена съемная обойма 6 с индукционным преобразователем.

Индукционный преобразователь (фиг. 2) содержит два феррозонда, размещенных ортогонально, каждый из которых состоит, например, из кольцевого сердечника 1 или 2 с намотанной на него сигнальной обмоткой соответственно 3 или 4, закрепленных на кольце 5. Плоскости сердечников 1 и 2 лежат в двух ортогональных вертикальных плоскостях, параллельных плоскостям, направленным по касательным к боковой поверхности корпуса 1 (фиг. 1). Один из феррозондов может быть закреплен на кольце 5 (фиг. 2) с возможностью смещения и поворота на небольшой угол относительно вертикальной оси для обеспечения регулировки взаимной перпендикулярности сигнальных осей феррозондов при изготовлении преобразователя. Плоскости витков сигнальных обмоток 3 и 4 перпендикулярны соответственно плоскостям сердечников 1 и 2, а оси сигнальных обмоток лежат в горизонтальной плоскости и совпадают с плоскостями сердечников соответственно 1 и 2.

Для подключения к аппаратуре преобразователь снабжен внешним монтажным жгутом 6 с разъемом 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Обойма с индукционным преобразователем жестко закреплена на корпусе 1 (фиг. 1). Сердечники феррозондов находятся под воздействием магнитного поля кольцевого магнита 5 магнитного чувствительного элемента 4. Кольцевой магнит 5 МЧЭ имеет четко выраженные полюса N и S. Характер распределения магнитного поля МЧЭ представлен на фиг. 3 и 4.

При изменении курса объекта ИП изменяет свое положение относительно МЧЭ. При этом изменяется и напряженность магнитного поля МЧЭ в зоне расположения каждого из феррозондов. Характер этого изменения определяется синусной и косинусной зависимостями.

При воздействии магнитного поля МЧЭ на феррозонд сердечник последнего подмагничивается этим постоянным магнитным полем (значительно превосходящим земное магнитное поле). При этом в сигнальной обметке феррозонда индуктируется ЭДС, амплитуда которой пропорциональна напряженности магнитного поля МЧЭ и определяется формулой
U ≡ H_МЧЭ • sinК,
или (1)
U ≡ H_МЧЭ • cosК,
где H_МЧЭ - напряженность магнитного поля МЧЭ,
К - курс объекта (угол между диаметральной плоскостью, параллельной оси a"a", H_МЧЭ).

Очевидно, что для феррозонда 1 (фиг. 3) вектор напряженности магнитного поля МЧЭ H_МЧЭ перпендикулярен плоскости сердечника и оси а' а' сигнальной обмотки феррозонда. При этом в сигнальной обмотке феррозонда сигнал будет равен нулю.

U₁ ≡ H_МЧЭ • sinК ≡ H_МЧЭ • sin0^o = 0. (3)
Для феррозонда 2 плоскость сердечника и ось сигнальной обмотки a"a" параллельные вектору H_МЧЭ. При этом в сигнальной обмотке феррозонда индуктируется максимальный сигнал
U₂ ≡ H_МЧЭ • cosК ≡ H_МЧЭ • cos0^o = U_2max (4)
При изменении курса объекта на 90^o (см. фиг. 4) феррозонд 1 будет находиться под воздействием максимального поля МЧЭ и его сигнал будет максимальным
U₁ ≡ H_МЧЭ • sinК ≡ H_МЧЭ • sin90^o = U_1max,(5)
а плоскость сердечника и ось сигнальной обмотки феррозонда 2 будут перпендикулярны вектору H_МЧЭ и сигнал в сигнальной обмотке феррозонда 2 будет равен нулю
U₂ ≡ H_МЧЭ • cosК ≡ H_МЧЭ • cos90^o = 0 (6)
Информация, получаемая с сигнальных обмоток феррозондов 1 и 2 (см. фиг. 3 и 4), может быть использована для выработки информации о курсе объекта и дистанционной передачи курса на репитера, в радиолокатор, радиопеленгатор, авторулевой и т.п.

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность:
1. Использования индукционного преобразователя в компасах с девиационными приборами, оснащенными постоянными магнитами, имеющими незначительную высоту нактоуза, и при размещении девиационного прибора на незначительном расстоянии от котелка.

2. Использование индукционного преобразователя в визуальных и оптических компасах без ухудшения эксплуатационных характеристик компаса за счет обеспечения пеленгования и считывания курса без помех.

Использование: навигационное приборостроение, визуальные и оптические магнитные компасы с дистанционной передачей информации о курсе. Сущность изобретения: магнитный компас состоит из корпуса, заполненного демпфирующей жидкостью, магнитного чувствительного элемента и индукционного преобразователя, размещенного в магнитном поле магнитного чувствительного элемента. Индукционный преобразователь содержит два однокомпонентных феррозонда с кольцевыми сердечниками, размещенных ортогонально по отношению друг к другу в магнитном поле кольцевого магнита и закрепленных с помощью съемной обоймы на боковой поверхности корпуса. 4 ил.

Магнитный компас, содержащий корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, магнитный чувствительный элемент и индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле магнитного чувствительного элемента и содержащий феррозонд, выполненный в виде сердечника замкнутой формы с сигнальной обмоткой, отличающийся тем, что индукционный преобразователь содержит второй феррозонд, выполненный в виде сердечника замкнутой формы с сигнальной обмоткой, феррозонды размещены ортогонально по отношению друг к другу и закреплены с помощью съемной обоймы на боковой поверхности корпуса, при этом оси сигнальных обмоток феррозондов совпадают с двумя ортогональными горизонтальными осями, расположенными в двух ортогональных вертикальных плоскостях, параллельных плоскостям, направленным по касательным к боковой поверхности корпуса.