МАГНИТНЫЙ КОМПАС Российский патент 2008 года по МПК G01C17/02 

Предлагаемое изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в визуальных и дистанционных магнитных компасах для судов и кораблей, имеющих магнитную систему чувствительного элемента в виде системы стрелок или монолитного кольцевого магнита, для увеличения индукции (или напряженности) внешнего магнитного поля, действующего на чувствительный элемент.

Известен магнитный компас, описанный в книге «Девиация магнитного компаса», В.П.Кожухов, В.В.Воронов, В.В.Григорьев, Л.: Морской транспорт, 1960 г., стр.198-200, рис.70, стр.207-209.

Компас содержит магнитный чувствительный элемент, нактоуз-корпус. В верхней части нактоуза компаса справа и слева от его продольной плоскости размещены поперечные бруски мягкого (магнитомягкого) железа. Бруски установлены в поперечной плоскости ОУ (рис.70).

При размещении компаса на судне (корабль) воздействие внешнего Земного магнитного поля на его чувствительный элемент ослабляется за счет экранирующего влияния судового железа - элементов судовых (корабельных) конструкций. При этом магнитные условия работы компаса, его чувствительного элемента, ослабленные судовым (корабельным) железом, характеризуются коэффициентом λ₀ (стр.208), значение которого всегда меньше единицы.

При установке на компас поперечных брусков магнитомягкого железа бруски намагничиваются и образуют положительный параметр е₁ - параметр Пуассона (стр.209), а коэффициент λ₁, характеризующий отношение индукции (напряженности) магнитного поля (в зоне размещения его чувствительного элемента) от влияния брусков, к индукции (напряженности) внешнего поля больше единицы (стр.209)

при e₁>0.

Этим обуславливается увеличение и суммарного коэффициента λ (стр.208), характеризующего влияние на чувствительный элемент компаса одновременно судового железа и поперечных брусков по сравнению со значением коэффициента λ₀

Магнитный компас, нактоуз которого снабжен поперечным мягким (магнитомягким) железом в виде брусков, рассмотрен также в книге «Магнитно-компасное дело», Н.Ю.Рыбалтовский, Л.: Государственное издательство водного транспорта, 1954 г., стр.312-314.

Из табл. 33 (стр.313) следует, что увеличение суммарного коэффициента, характеризующего магнитные условия работы компаса (в книге обозначен λ₂), при установке на его нактоуз поперечных брусков мягкого (магнитомягкого) железа, на практике составляет не более 9% (1,09 λ₀).

Основным недостатком технического решения, использованного в аналогах, рассмотренных в книгах «Девиация магнитного компаса» и «Магнитно-компасное дело», является малое, не более 9%, увеличение суммарного коэффициента λ (λ₂ - по книге «Магнитно-компасное дело»).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является магнитный компас, рассмотренный в статье «Об увеличении коэффициента λ», Б.Страхов, записки по Гидрографии, том 40, выпуск 3, 1916 г., стр.474-489 - прототип.

Ссылка на прототип содержится в книге «Магнитно-компасное дело», стр.313.

Компас содержит магнитный чувствительный элемент, нактоуз, бруски мягкого (магнитомягкого) железа, размещенные радиально к центру компаса (к центру симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента) в горизонтальной плоскости, образующие концентратор индукции магнитного поля.

В статье «Об увеличении коэффициента λ» рассмотрены конкретные варианты исполнения концентратора индукции магнитного поля и приведены соответствующие им численные значения коэффициента λ (приращений коэффициента Δλ), полученные экспериментально. В статье символом λ обозначен коэффициент, характеризующий отношение индукции магнитного поля в области чувствительного элемента от влияния брусков магнитомягкого железа концентратора к индукции внешнего магнитного поля (магнитного поля Земли). Влияние судовой (корабельной) стали отсутствует.

Основные недостатки прототипа

- использованный концентратор индукции магнитного поля не соответствует строго регламентированному математической зависимостью соотношению его основных параметров: магнитных характеристик материала и размеров брусков, их количества, расположения относительно чувствительного элемента компаса в зависимости от требуемого приращения Δλ коэффициента λ;

- вследствие этого возникает необходимость выполнения трудоемкого процесса экспериментального подбора составных частей концентратора - брусков магнитомягкого железа: их магнитных характеристик, размеров, количества, расположения относительно магнитного чувствительного элемента для обеспечения необходимого приращения Δλ коэффициента λ в зоне размещения магнитного чувствительного элемента компаса для компасов каждого типа.

Поэтому при проектировании компаса прототип не обеспечивает оптимизацию одного из основных параметров концентратора - длину его брусков, определяющую габаритные размеры концентратора, а следовательно, и компаса, в зависимости от обеспечения определенного значения приращения Δλ коэффициента λ (обозначение коэффициента в статье «Об увеличении коэффициента λ») или приращение Δλ₁ коэффициента λ₁ в книгах «Девиация магнитного компаса» и «Магнитно-компасное дело».

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является оптимизация параметров концентратора индукции (напряженности) магнитного поля и улучшение, соответственно, эксплуатационных характеристик компаса за счет оптимизации размеров брусков магнитомягкого железа и, соответственно, габаритных размеров самого концентратора и компаса в целом.

Для решения указанной задачи в магнитном компасе, который содержит магнитный чувствительный элемент, нактоуз и систему из четного количества брусков магнитомягкого железа, образующих концентратор индукции магнитного поля, закрепленных на нактоузе и размещенных в горизонтальной плоскости, на уровне магнитного чувствительного элемента, радиально к центру симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента, на равных расстояниях от него, при этом углы между продольными осями симметрии соседних брусков равны между собой, длина бруска концентратора определяется формулой

,

где Δλ₁ - увеличение коэффициента λ₁ - отношения индукции магнитного поля, создаваемого концентратором в зоне размещения центра симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента, к индукции внешнего магнитного поля;

R - расстояние между центром симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента и центром симметрии бруска концентратора;

æ₁ - магнитная восприимчивость бруска концентратора;

S - площадь поперечного сечения бруска концентратора;

n - количество брусков в одном квадранте плоскости размещения брусков концентратора.

Предлагаемый компас представлен на фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 изображен общий вид магнитного компаса с концентратором индукции (напряженности) магнитного поля в разрезе.

На фиг.2 - магнитный компас с концентратором, вид сверху.

На фиг.3 - схема распределения горизонтальной составляющей индукции (напряженности) магнитного поля на судне (корабле).

Предлагаемый магнитный компас содержит (см. фиг.1) магнитный чувствительный элемент 1, размещенный на опорном устройстве внутри корпуса 2, заполненного демпфирующей жидкостью, нактоуз (корпус) 3 с колпаком 4, в верхней части нактоуза 3 закреплены бруски 5 концентратора индукции (напряженности) магнитного поля. Количество брусков 5 четное. Бруски размещены в горизонтальной плоскости на уровне магнитного чувствительного элемента 1, под брусками 5 закреплен компенсатор четвертной девиации компаса 6.

Бруски 5 длиной L (см. фиг.2) расположены радиально к центру симметрии 0 магнитной системы магнитного чувствительного элемента 1 на равных расстояниях от него: расстояние от центра симметрии магнитной системы 0 до центра симметрии А каждого бруска составляет R.

При этом углы между продольными осями симметрии соседних брусков α равны между собой.

Длина брусков 5 регламентирована и определяется формулой

где L - длина бруска концентратора;

Δλ₁ - увеличение коэффициента λ₁ - отношения индукции, создаваемой концентратором в зоне размещения центра симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента, к индукции внешнего магнитного поля;

R - расстояние между центром симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента и центром симметрии бруска концентратора;

æ₁ - магнитная восприимчивость бруска концентратора;

S - площадь поперечного сечения бруска концентратора;

n - количество брусков в одном квадранте плоскости размещения брусков концентратора.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Известно, что на любом современном судне (корабле), корпус и надстройки которого выполнены из стали, имеет место ослабление магнитного поля Земли из-за экранирующего действия стальных элементов конструкций судна (корабля), см. книгу «Девиация магнитного компаса», стр.207-209.

Ослабление Земного магнитного поля, в том числе его горизонтальной составляющей Н₃, характеризуется параметром λ₀ (стр.208), величина которого может достигать значений 0,4-0,6 (стр.209). Таким образом, горизонтальная составляющая индукции (напряженности) судового (корабельного) магнитного поля может составлять

что создает тяжелые магнитные условия для работы магнитного компаса, установленного на судне (корабле). При этом могут иметь место значительные погрешности курсоуказания, в частности, из-за возрастания погрешности от трения в опорном устройстве магнитного чувствительного элемента.

В отдельных случаях при эксплуатационной необходимости размещения компаса внутри судна (корабля), в замкнутом помещении, элементы которого выполнены из стали, значения λ₀ внутри помещения на практике могут достигать значений меньших, чем указано выше, до 0,3, что не обеспечивает работоспособность компаса.

При снабжении компаса, установленного не судне (корабле) 7 (фиг.3), предлагаемым концентратором с брусками из магнитомягкого железа 5, закрепленными на нактоузе 3 и охватывающими магнитный чувствительный элемент 1, горизонтальная составляющая индукции (напряженности) ослабленного магнитного поля Н₀=λ₀Н₃ в зоне магнитного чувствительного элемента 1 возрастает.

Это обусловлено значительно меньшим магнитным сопротивлением магнитомягкого материала брусков 5 по сравнению с сопротивлением внешней окружающей среды, пронизываемой ослабленным полем.

При этом внешнее ослабленное магнитное поле Н₀ концентрируется в материале брусков 5 концентратора и, соответственно, в зазоре между брусками 5, в котором находится магнитный чувствительный элемент 1 (в воздушном зазоре и в компасной демпфирующей жидкости, заполняющей корпус 2 с чувствительным элементом 1), вследствие чего и возрастает интенсивность (индукция или напряженность) горизонтальной составляющей Н₀ до значения H₁ в зоне размещения магнитного чувствительного элемента 1

где λ₁ - коэффициент, характеризующий отношение индукции (напряженности), создаваемой концентратором в зоне размещения центра симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента, к индукции (напряженности) внешнего магнитного поля Н₀, λ₁>1;

Н₀ - горизонтальная составляющая индукции (напряженности) внешнего ослабленного магнитного поля;

λ₀ - коэффициент, характеризующий индукцию (напряженность) внешнего магнитного поля, представляющий отношение горизонтальной составляющей индукции (напряженности) магнитного поля в области магнитного чувствительного элемента компаса (без концентратора) к соответствующей составляющей магнитного поля Земли Н_з, λ₀<1;

Н_з - горизонтальная составляющая индукции (напряженности) магнитного поля Земли;

λ - коэффициент, характеризующий суммарное воздействие на компас магнитного поля, ослабленного стальными элементами конструкции судна (корабля), и магнитного поля, усиленного брусками магнитомягкого железа концентратора, λ=λ₁·λ₀.

Погрешность курсоуказания компаса, вызванная трением в опорном устройстве магнитного чувствительного элемента, при этом минимизируется.

При любом изменении курса судна (корабля) ориентация брусков 5 концентратора относительно направления действующей на них горизонтальной составляющей внешнего магнитного поля изменяется. Но вследствие симметричного радиального размещения идентичных брусков 5 с одинаковыми углами α между их продольными осями симметрии (фиг.2), одинаковыми расстояниями R между их центрами симметрии и центром симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента, усиление индукции (напряженности) внешнего магнитного поля не изменяется.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик магнитного компаса за счет

1. Оптимизации параметров концентратора индукции (напряженности) магнитного поля, обеспеченной регламентированным математической зависимостью соотношением основных параметров концентратора, зависимостью длины его брусков от площади поперечного сечения, магнитных характеристик и количества брусков, их расположения относительно магнитного чувствительного элемента, а также требуемого увеличения индукции (напряженности) в зоне размещения магнитного чувствительного элемента по отношению к внешнему магнитному полю.

2. Минимизации расчетным путем длины бруска концентратора, обуславливающей минимизацию габаритных размеров как концентратора индукции (напряженности) магнитного поля, так магнитного компаса в целом.

3. Исключения трудоемкого процесса экспериментального подбора составных частей концентратора - брусков магнитомягкого железа, их параметров, размеров, расположения и его замену определением их расчетным путем при проектировании магнитного компаса.

Выбор места размещения компаса на современных судах (кораблях) представляет значительные трудности из-за насыщенности элементами конструкций и оборудования, выполненными из стали.

Использование предлагаемого изобретения позволит при необходимости размещать магнитный компас даже внутри закрытых помещений, где компас в обычном исполнении (без концентратора) теряет работоспособность из-за экранирования Н₃ корпусом судна (корабля) и элементами его конструкций и оборудования.

Теоретическое приложение к изобретению «Магнитный компас».

Из книги «Девиация магнитного компаса», Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В., Л.: Морской транспорт, 1960 г., стр.207 известно, что значение коэффициента λ₁ определяется выражением

где λ₁ - отношение горизонтальной составляющей индукции (напряженности) магнитного поля H₁, действующей на магнитный чувствительный элемент компаса, к индукции (напряженности) внешнего поля Н₀;

а и е - параметры Пуассона - отношения индукции (напряженности) по продольной и поперечной осям концентратора.

В каждом квадранте плоскости, проходящей через центры симметрии брусков концентратора, параметры

где а₁ - параметр Пуассона одного продольного бруска;

n - количество брусков в одном квадранте указанной выше плоскости концентратора (1, 2, 3...).

Суммарный параметр а для всего концентратора (в четырех квадрантах) определяется выражением

Аналогично, суммарный параметр е для всего концентратора

где е₁ - параметр Пуассона одного поперечного бруска.

Подставив в (1) значения а и е из (3) и (4), получим

Поскольку, вследствие идентичности брусков концентратора и их расположения на одинаковых расстояниях относительно центра симметрии магнитной системы чувствительного элемента компаса,

получим из (5) и (6)

Приращение λ₁, создаваемое концентратором, Δλ₁, равно

Известно из книги «Девиация магнитного компаса», стр.12, что индукция (напряженность) магнитного поля Н_x в точке x, находящейся на продолжении оси симметрии цилиндрического магнита или намагниченного бруска, определяется зависимостью

где М - магнитный момент бруска;

R - расстояние между точкой x и центром симметрии бруска;

l - половина длины бруска.

Значения М определяется формулой (стр.16)

где æ₁ - магнитная восприимчивость бруска;

V - объем бруска;

Н - индукция (напряженность) внешнего магнитного поля, действующего на брусок.

Параметр Пуассона (стр.32 и 33)

Из выражений (9), (10), (11) следует, что

Подставляя значение а₁ из выражения (12) в (8), получим

Поскольку объем бруска V определяется зависимостью

где S - площадь поперечного сечения бруска;

L - длина бруска,

то выражение (13) может быть преобразовано в

Принимая во внимание, что , в выражении (15) можно пренебречь значением , так как на практике длина бруска концентратора L значительно меньше удвоенного расстояния 2R между центрами симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента и бруска. И тогда из (15) следует, что длина бруска концентратора может быть с достаточной степенью точности определена выражением

Формула (16) приведена в формуле заявки на изобретение.

Источники информации

1. Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Девиация магнитного компаса. Л.: Морской транспорт, 1960 г., стр.12, 16, 32, 33, 207.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения. Сущность: устройство содержит магнитный чувствительный элемент, нактоуз и систему из четного количества брусков магнитомягкого железа, образующих концентратор индукции магнитного поля. Бруски магнитомягкого железа закреплены на нактоузе и размещены в горизонтальной плоскости на уровне магнитного чувствительного элемента, радиально к центру симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента, на равных расстояниях от него. При этом углы между продольными осями симметрии соседних брусков равны между собой. Технический результат: улучшение эксплуатационных характеристик устройства, расширение функциональных возможностей. 3 ил.

Магнитный компас, содержащий магнитный чувствительный элемент, нактоуз и систему из четного количества брусков магнитомягкого железа, образующих концентратор индукции магнитного поля, закрепленных на нактоузе и размещенных в горизонтальной плоскости на уровне магнитного чувствительного элемента, радиально к центру симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента, на равных расстояниях от него, при этом углы между продольными осями симметрии соседних брусков равны между собой, отличающийся тем, что длина бруска концентратора определяется формулой

,

где L - длина бруска концентратора;

Δλ₁ - увеличение коэффициента λ₁ - отношения индукции, создаваемой концентратором в зоне размещения центра симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента к индукции внешнего магнитного поля;

R - расстояние между центром симметрии магнитной системы магнитного чувствительного элемента и центром симметрии бруска концентратора;

ae₁ - магнитная восприимчивость бруска концентратора;

S - площадь поперечного сечения бруска концентратора;

n - количество брусков в одном квадранте плоскости размещения брусков концентратора.