Феррозондовый компас Советский патент 1990 года по МПК G01C17/30 

L.L//

Изобретение относится к навигацинному приборостроению и может быть спользовано в различных курсовых системах.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На чертеже представлена схема феррозондового компаса.

Компас содержит генератор 1 воз- JQ буждения, фазоинвертор 2, коммутаторы 3, феррозондовый датчик 4,коммутатор 5, сумматор 6, усилитель 7, фазочувствительный детектор 8, счетный триггер 9, блок 10 управления, 15 формирователь 11 кодов, группу элеентов ИЛИ 12, цифроаналоговый преобразователь (ДАН) 13, группу элементов И 14, регистр 15 памяти, блок 16 вычислений. Пунктирной линией объеди- 20 нены элементы, составляющие систему управления и преобразования-информации.

Компас работает следующим образом.25

С первого выхода генератора 1 сигнал U, переменного тока с частотой fz через фазоинвертор 2 и коммутатор 3 поступает на обмотку возбуждения (на вход) феррозондового датчика 4 зо и периодически насыщает его магнито- провод (сердечник). Выходной сигнал генератора 1 в фазоинверторе 2 сдвигается по фазе на 180°(т.е., фаза инвертируется) и поступает на один 35 из его выходов. На другой выход фазо- инвертора 2 сигнал генератора 1 поступает без сдвига фазы. За счет переключения подвижного контакта коммутатора 3 (что осуществляется сигна- до лами с выхода счетного триггера 9) фаза сигнала, возбуждающего феррозондовый датчик 4 ,может меняться (инвертироваться) на 180 , а следовательно, на 180° может меняться фа- 45 за сигнала на выходе феррозондового датчика 4.

В устройстве компаса используется кольцевой феррозондовый датчик,содер- жащий кольцевой сердечник на который Q нанесена обмотка возбуждения,один конец которой подключен к общей шине компаса, а другой - к подвижному контакту коммутатора 3, а также две измерительные (выходные) взаимно пер- пендикулярные обмотки, диаметрально охватывающее сердечник, одни концы которых подключены к общей шине компаса, а другие - к соответствующим

неподвижным контактам коммутатора 5. Феррозондовый датчик 4 работает в режиме с выходным сигналом, содержащим информацию об измеряемой величине на второй гармонике 2fb0

Фаза (0 или 180 или условно знак фазы - или +) каждого из сигналов U+ или TJ4 на выходах первой и второй измерительных обмоток феррозондового датчика 4 относительно фазы сигнала возбуждения U, указывает полуплоскости расположения магнитных осей К( и Н2 этого датчика относительно горизонтальной составляющей Нт геомагнитного поля. При этом знаки фаз относительно друг друга сигналов TJ и позволяют определить номер квадран а расположения вектора горизонтальной составляющей Нг. Амплитуды сигналов U и 11 связаны с горизонтальной составляющей Нт геомагнитного поля соответственно по зависимостям

U4 К sincЈ и

uj К IV cosci,

где К - коэффициент преобразования

феррозондового датчика; Ј - угол между измерительной осью феррозондового датчика и горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Коммутатор 5 предназначен для подключения одного из выходов феррозондового датчика 4 к первому входу сумматора 6, На второй вход сумматора 6 поступает компенсирующий сигнал с выхода ЦАП 13, на вход опорного сигнала которого со второго выхода генератора 1 возбуждения поступает сигнал с частотой 2fb. Этот сигнал также поступает на опорный вход фазо- чувствительного детектора 8. В сумматоре 6 осуществляется компенсация выходного сигнала П4 феррозондового датчика 4 выходным сигналом П,э ЦАП 13 (сигнал П1Э противофазен сигналу 114)0 Выходной сигнал сумматора 6 усиливается в избирательном усилителе 7, настроенном в резонанс с частотой 2fb, с выхода которого поступает на вход фазочувствительного детектора 8, В последнем происходит сравнение фазы опорного сигнала с фазой сигнала, поступающего с выхода усилителя 7. Если сигнал на выходе сумматора 6 имеет фазу, соответствующую фазе выходного сигнала U4 ферро эондового датчика 4, то на выходе детектора 8 формируется логический уровень напряжения 1. Если фазч этого сигнала соответствует фазе сиг нала компенсации U , то на выходе детектора 8 формируется логический уровень напряжения О. В момент компенсации сигнала U,j. сигналом 11 код Ny на цифровых входах ЦАП 13 соответствует (с погрешностью квантований компенсирующего сигнала Т1(Э ) амплитуде измеряемого сигнала П. По значению кода Nt на цифровых вхо- дах ЦАП 13 в момент равновесия сигналов IJ4 и U,3 судят о величине выходного сигнала феррозондового датчика 4.

Управление работой компаса осуще- ствляется импульсами, подаваемыми с 1 - 5-го выходов блока 10 управления соответственно на вход управления коммутатора 5, на счетный вход триггера 9, на вход управления фор- мирователя 1 кодов, на входы сброса формирователя 11 кодов и регистра 15 памяти, на вход блока 16 вычислений.

Процесс измерения угловой величины «6 между магнитной (измерительной) осью компаса и горизонтальной составляющей магнитного поля состоит из двух циклов.

В первом цикле измерения амплитуда сигнала 11 на первом выходе феррозондового датчика 4 преобразуется в цифровой эквивалент Nx, и определяется знак фазы этого сигнала относительно сигнала возбуждения UK.Для этого сигнал с первого выхода блока

10управления подключает подвижный контакт коммутатора 5 к первому выходу феррозондового датчика 4, Затем

на четвертом выходе блока 10 управ- ления формируется импульс, который поступает на входы сброса регистра 15 памяти и формирователя 11 кодов, в результате чего выходные коды регистра 15 памяти и формирователя

11кодов устанавливаются в нулевое значение, а следовательно, нулевое значение принимает компенсирующий сигнал на выходе ЦАП 13. При это фаза сигнала на выходе сумматора 6 соответствует фазе выходного сигнала феррозондового датчика 4.

Если фаза выходного сигнала U4 феррозондового датчика 4 соответст

г

0 5

5 0

0

5

0

тзует фазе компенсирующего сигня U,. i что на выходе фазочувс ьител,}- ного детектора 8 устанавливается сч, нал с логическим уровнем напряжен О, который поступает на вчод уаг- решения триггера 9 и переводит его в режим счета. Если фаза сигпапа т| противоположна фазе когпексчрушце/о сигнала И( , то на выходе детектора 8 устанавливается сигнал с логическим уровнем напряжения 1, запрещающий режим счета триггера 9. После этого на втором выходе блока 10 упр-евления формируется импульс,который поступает на счетный вход триггера Ч и в зависимости от логического уровня (О или 1) сигнала на его выходе разрешения либо переводит триггер 9 в новое состояниеs либо не изменяет его состояния, следовательно, подвижный контакт коммутатора 3 либо переключается, либо остается в своем первоначальном состоя- ниио При этом фаза сигналп V. на выходе феррозондового датчика противоположна фазе сигнала компенсации П ЦАП 13, а логическое значение сигнала на выходе триггера у указывает знак фазы сигнала в первой измерительной обмотке датчика 4 относительно фазы сигнала возбуждения U генератора 1.

Татем осуществляется уравновешивание выходного сигнала феррозонде вого датчика 4 сигналом компенсации U а ЦАП 1 0 В первом такте уравновешивания с третьего выхода блока 10 управления на вход управления формирователя 11 кодов поступает первый импульс и на первом выходе Аормнрова- теля 11 кодов появляется единичный сигнал, который через первый элемент группы элементов ИЛИ 12 включает первый (старший) разряд ЦАП 13. При этом компенсирующий сигнал U ц на выходе ЦАП 13 получает скачкообразное приращение по величине, соответствующей весу старшего разряда.

Если в результате включения старшего разряда ЦАП 13 амплитуда компенсирующего сигнала U s меньше амплитуды выходного сигнала U4 Леррозондо- вого датчика 4 (т.е., U э U.J,), то на выходе сумматора 6 фача сигнала соответствует фазе выходного сигнала и| феррочондового датчика 4, и на выходе флзочувствитепьного детсктогт 8 сигнал имеет логический

1. Если в результате включения старшего разряда ЦАП 13 оказывается, что U „ - TJ, то на выходе фазочувст- вительного детектора 8 устанавлива- ется сигнал с логическим уровнем О, Затем с третьего выхода блока 10 управления на вход управления формирователя 11 кодов поступает второй импульс и на выходе формирова- теля 11 кодов происходит сдвиг единичного сигнала с первого выхода на второй. При этом единичный сигнал со второго выхода формирователя 1 1 Кодов поступает на второй вход перво- о элемента группы элементов И 14 и разрешает запись выходного сигнала (соответствующего 1 или О) фазо- чувствительного детектора 8 в первый (старший) разряд регистра 15 памя- ти, с первого выхода которого этот сигнал (1 или О) через первый элемент группы элементов ИЛИ 12 фиксирует старший разряд ЦАП 13 в состоянии 1 или О.

Во втором такте уравновешивания с третьего выхода блока 10 управления на вход управления формировате- я 1 кодов поступает третий импульс и на выходе формирователя 11 кодов происходит сдвиг единичного сигнала со второго выхода на третий. Этот единичный сигнал через второй элемент группы элементов ИЛИ 12 включа-1 ет второй (последующий младший) разряд ЦАП 13 и тем самым вызывает скач1 кообразное приращение амплитуды компенсирующего сигнала и«з. В зависимости от того, что U |з U или U 19 U, на выходе фазочувствитель- ного детектора 8 устанавливается сигнал с логическим уровнем 1 или О, Затем с третьего выхода блока 10 управления на вход управления формирователя 11 кодов поступает импульс, единичный сигнал с третьего выхода формирователя 11 кодов передвигается на четвертый,, откуда поступает на второй вход элемента группы элементов И 14 и разрешает запись выходного сигнала (1 или О) фазочувствитель ного детектора 8 во второй разряд регистра 15 памяти, а следовательно, второй разряд ЦАП 13 фиксируется в

состоянии 1 или О и т.д.

Уравновешивание выходного сигнала феррозондового датчика 4 завершается за га тактов, равных числу разрядов ЦАП 13е По окончании уравновешивания код N на выходе регистра 15 памяти соответствует амплитуде измеряемого сигнала Т14 с погрешностью шага квантования . С выхода регистра 15 памяти код Nx, поступает в блок вычислений. Также в блок 16 вычислений поступает сигнал с выхода триггера 9, индицирующий знак фазы сигнала И4 относительно сигнала возбуждения U/.

После этого выполняется второй цикл измерения, в котором амплитуде сигнала U на втором выходе феррозондового датчика 4 преобразуется в цифровой эквивалент Ny , и определяется знак фазы этого сигнала относительно сигнала возбуждения. Для этого сигнал с первого выхода блока 10 управления поступает на вход управления коммутатора 5 и подключает второй выход феррозондового датчика 4 к сумматору 6, после чего устройство компаса работает аналогично первому циклу измерения. По окончании второго цикла измерения логические сигналы с выходов регистра 15 памяти и триггера 9 поступают в блок 16 вычислений,,

После завершения первого и второго циклов измерения на пятом выходе блока 10 управления формируется импульс, который поступает на вход управления блока 16 вычислений и разрешает выполнение вычислений, В блоке 16 производится вычисление угловой величины рб между измерительной осью компаса и горизонтальной составляющей Нт геомагнитного поля в соответствии с зависимостью

oi arctg

«-J„-

arctg

NX, N

г

а логические значения сигналов,поступивших со счетного триггера 9 в блок 16 дают информацию о квадранте расположения вектора Н относительно1 измерительной оси компаса0

Генератор возбуждения, фазоинвер- тор, коммутаторы, феррозондовый датчик, сумматор, усилитель и фазочувст- вительный детектор используются для аналогово-измерительного преобразования Остальная часть компаса (обве9156

денная на чертеже пунктирной линией) выполняет вычислительно-управляющие функции (выполняет вычислительную и логическую обработку сигналов).Поэтому эта часть компаса может быть выполнена на микропроцессорной элементной базе, что позволяет сделать предлагаемый компас конструктивно простым и работающим с сигналами на низких уровнях мощностио Это в свою очередь дает1 возможность использовать компас в компактных автономных системах, например в морских зондах, где существенную роль играют габариты и потребляемые мощности от источника питания.

Формула изобретения

Феррозондовый компас, содержащий последовательно соединенные генератор возбуждения, феррозондовый датчик с кольцевым сердечником, обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, усилитель, фазочувствитель- ный детектор и систему управления и преобразования информации, связанную с соответствующими блоками,причем второй выход генератора возбуждения подключен к опорному входу фазочувст вительного детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен последовательно соединенными фаз инвертором и первым коммутатором, через которые осуществлена связь генератора возбуждения с феррозондовым датчиком, и последовательно соединенным вторым

7

10

коммутатором и сумматором, через ко-ч торые осуществлена связь феррозондо- вого датчика с усилителем, система управления и преобразования информа- ции выполнена в виде блока управления, счетного триггера и формирова

5

0

S

0

5

теля кодов, подключенного соответствующими выходами через вторые входы элементов ИЛИ к цифровым входам циф- роаналогового преобразователя, а через вторые входы элементов И и регистр памяти - к соответствующим входам блока вычисления, причем первый выхЪд блока управления связан с управляющим входом второго коммутатора, второй выход подключен к счетному входу счетного триггера, третий выход - к управляющему входу формиро.ва-- теля кодов, четвертый выход - к входом сброса регистра памяти и формирователя кодов, а пятый выход соединен с управляющим входом блока вычисления, выход фазочувствительного де тектора подключен к входу разрешения счетного триггера и к первым входам элементов И, выход счетного триггера соединен с входом управления первого коммутатора и с соответствующим входом блока вычисления, вход опорного сигнала цифроаналогового преобразователя связан с вторым выходом генератора возбуждения, выход цифро- аналогового преобразователя подключен к соответствующему входу сумматора, а выходы регистра памяти соединены с первыми входами соответствующих элементов ИЛИ.

Изобретение относится к навигационному приборостроению и может быть использовано в различных курсовых системах. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство содержит генератор 1 возбуждения, феррозондовый датчик 4, усилитель 5, фазочувствительный детектор 8, первый вход которого соединен с выходом усилителя 7, а второй вход - с вторым выходом генератора 1 возбуждения, а также первый коммутатор 3, выход которого соединен с входом феррозондового датчика 4, дополнительно снабжен фазоинвертором 2, вторым коммутатором 5, сумматором 6, счетным триггером 9, блоком 10 управления, формирователем 11 кодов, группой элементов ИЛИ 12, цифроаналоговым преобразователем 13, группой элементов И 14, резистором 15 памяти и блоком 16 вычисления.