Гидрологический магнитный компас Советский патент 1982 года по МПК G01C17/26 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в качестве датчика ориентации по магнитному полю Земли в измерителях морских течений.

Известны гидрологические магнитные компасы, содержащие герметичный неглагнитный корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, внутри которого расположена вращающаяся магнитная KapTjTuка, снабженная оптической кодовой маской, которая предназначена для преобразования угла поворота магнитной картушки в электрический сигнал или непосредственно в цифровой код. В отличие от классической конструкции компаса с самобалансирующейся магнитной картушкой, подвешенной в одной точке на острие опорной иглы, в аналог э картушки установлена на вертикально оси, закрепленной в двух опорных подшипниках. Такое изменение вызвано необходимостью фиксации плоскости картушки с целью обеспечения постоянства весьма малого зазора между оптической маской и элементами освещения и считывания - оптрбнными парами. Вертикальное положение оси вращения картушки обеспечивается кардановой под- веской всего компаса tl.

Недостатком этой конструкции компаса является низкая точность его работы, которая обусловлена влиянием на картушку вредного вргицающегося момента, возникающего за счет неполной сбалансированности веса картушки (смещение центра тяжести от оси вращения) , .которая проявляется при отклонениях оси вращения от вертикали. Величина этого вредного вращающего момента оказывается значительной даже при весьма жестких технологических допусках на точность балансировки ввиду малого полезного вращающего момента, устанавливающего картушку вдоль магнитного меридиана. Наклоны вертикальной оси, при которых проявляется средний вращающий момент, возникают из-за неточности установки

20 компаса в кардановом подвесе или при раскачивании последнего, например, под действием волнения моря. Вторым недостатком является низкая эксплуатационная надежность конструкции, которая также :обусловлена факторами, связанными с нарушением начгшьной балансировки компасной картушки. Нарушения балансировки вызываются изменениями формы картушки и искривлеки ем ее оси под действием ударов, вибраций, явлений старения конструкцио ных материалов в процессе эксплуата Наиболее близким к изобретению п технической сущности и достигаемому результату является магнитный компа с гениометрическим преобразователем содержащий герметичный немагнитный ttopnyc, заполненный демпфирующей жи костью, а внутри корпуса на вертикальной оси подвешена магнитная кар тушка с емкостным преобразователем гониометрического типа. Емкостный преобразователь состоит из системы электродов. Подвижный электрод расположен на верхней плоскости картуш ки и имеет форму эвольвенты, котора обеспечивает линейность выходной ха рактеристик. На верхней крьтпсе корпуса в параллельной плоскости подви ному электроду установлены с малым зазором три секторных питающих элек рода и один кольцевой токосъемный. Принцип действия гониометрического емкостного преобразователя требует строгого соблюдения параллельности и постоянства зазора между подвижHbw и неподвижным электродами. Это требование должно соблюдаться и в фотооптическом преобразователе аналога. Для выполнения этого требования ось магнитной картуиши также подвешена на двух опорных агатовых подшипниках, обеспечивая стабильность зазора и требуемую параллельность электродов. Вертикальность оси вращения,-картушки достигается применением карданового подвеса 2 Однако для данного устройства характерны недостаточно высокая точность измерения Направления магнитного поля Земли, а также низкая эксплуатационная надежность. Причина низкой точнорти магнитного компаса заключается в недостаточной то ности балансировки веса картушки и проявляется при отклонении оси от вертикального положения. Отклонение от вертикальности возникают при неточности установки компаса в кардановом подвесе, а также при неизбежном раскачивании прибора Б котором установлен компас, морскими течениями и волнениями. Низкая эксплуатационная надежность вызывается неустойчивостью первоначальной заводской балансировки ввиду очень жестких требований к величине допустимо го смещения центра тяжести от оси вращения (не более 0,01-0,02 мм). Цель изобретения - повышение точ ности измерений направления магнитного поля и повьцмение эксплуатацион ной надежности. Указанная цель достигается тем, гидрологический магнитный компа содержащий заполненный демпфирующей жидкостью Герметичный корпус цилинд рической формы с верхней крышкой, выполненные из немагнитного диэлектрического материала и подвешенную в корпусе магнитную картушку, снабженную емкостным преобразователем угла поворота картушки в электрический сигнал, магнитная картушка выполнена в виде сферы, усеченной свер ку и снизу и подвешенной на острие опорной иглы в точке геометрического центра, а емкостный преобразователь в виде неподвижных электродов, которые нанесены на корпус с равномерным шагом по его наружному периметру таким образом, что высота их средней линии лежит в горизонтальной плоскости, проходящей через точку подвеса магнитной картушки и подвижного электрода, который нанесен на боковую сферическую поверхность картушки и связан с ними емкостной связью, причем его ширина равна ширине неподвижных электродов, а передача сигнала от подвижного электрода осуществлена через связанные взаимной емкостью вспомогательные электроды, первый из которых нанесен на верхнюю плоскость картушки и гальванически соединен с подвижным электродом, а второй нанесен на коническую поверхность внутренней части верхней крышки корпуса. Повышение точности измерений достигается за счет конструктивного сочетания Элементов компасной картушки и емкостного преобразователя. Магнитная картушка из-за традиционной системы подвески в одной точке на острие опорной иглы обладает свойством самобалансировки и поэтому точно устанавливается вдоль линии магнитного поля Земли. При наклонах корпуса компаса балансировка картушки не нарушается, поэтому в предлагаемой конструкции компаса отпадает необходимость применения карданового подвеса и всех связанных с ним элементов (переходных токосъемных и т.п.) Применение классической системы подвески картушки возможно за счет сферичности ее формы и усовершенствования конструкции емкостного преобразователя угла поворота картушки в электрический сигнал. В компасе при расположении подвижного токосъемного электрода на боковой сферической поверхности, а питающих электродов с шестифазной системой питания - на цилиндрической поверхности корпуса, сохраняется постоянство зазора между электродами;., даже при наклонах компаса, а отношение величин переходной емкости остается постоянным, несмотря на изменения их взаимной ориентации. Последнее условие выполняется только в том случае, если выполняются определеннее геометрические соотношения между шириной электродов и соблюдение их симметрии относительно точки подвеса картушки. Конструктивное исполнение вспомогательных электродов также играет существенную роль, так как позволяет передать выходной сигнал наружу корпуса без искажений при наклонах компаса до . Отсутствие искажений сигнала достигается (Конической формой верхнего электрода при которой обеспечивается постоянст во взаимной емкости вспомогательных электродов при различных углах накло на компаса. Картушка при этом сохраняет свое положение (горизонтальност верхней плоскости), а конический электрод изменяет угол наклона относительно первого вспомогательного электрода, но в силу осевой симметрии их взаимная емкость остается неизменной. Повышение эксплуатационной надежности конструкции компаса обеспечивается отсутствием требований к балансировке веса магнитной карту1:;хи. На фиг. 1 показана конструктивная схема компаса, вид сбоку; на фиг. 2 то же, вид сверху. Устройство содержит герметичный корпус 1, выполненный из немагнитного диэлектрического материала и заполненный демпфирующим маслом 2. Корпус закрыт герметизирующей крышкой 3, внутри него помещена магнитная картушка сферической формы с усеченными сверху и снизу полюсами 4. Картушка 4 подвешена в геометрическом центре на острие опорной иглы 5. На боковой сферической поверхности картушки нанесен (например, методом электролиза) подвижный электрод б. На верхней плоскости картушки нанесен вспомогательный электрод 7, галь ванически соединенный с электродом Ь По наружному периметру цилиндрического корпуса 1 с равномерным шагом нанесены шесть питающих электродов 8 (прямоугольной формы). Средняя линия этих электродов лежит в горизонтальной плоскости, которая проходит через центр подвеса картушки 4. Ширина питающих электродов 8 равняется ширине подвижного электрода 6. На внут ренней поверхности верхней крышки 3, имеющей коническую форму, обращенную вершиной вниз, нанесен второй вспомогательный электрод 9, который имеет емкостную связь с электродом 7. Работа компаса происходит следующим образом. Под воздействием внешнего магнитного поля Земли магнитная гсартушка 4 поворачивается и встает точно здол магнитного поля. За счет подвески в одной точке центр тяжести карт:/шни автоматически занимает положение в точке, лежащей на оси вращения. По этой причине паразитные моменты остаточного небаланса отсутствуют .и точность установки картушки 4 вдол магнитного поля значительно повышается, ограничиваясь только моментом трения в опоре иглы 5. На питающие электроды 8 подключается шестифазный синусоидальный источник переменного тока. Подвижный электрод 6 устанавливается против произвольного электрода 8 и в нем из-за нашичия емкостной связи наводится напряжение такой фазы, которая подана от многофазного генератора на противостоящий питающий электрод 8, При промежуточном положении подвижного электрода 6 между двумя смежными электродами 8 происходит интерполяция фазы выходного напряжения между двумя питающими эти электроды напряжениями. Результирующая фаза оказывается пропорциональной отношению переходных емкостей между электродом б и двумя электродами 8. При наклонах корпуса-1 положение картушки 4 остается неизменным, поэтому ориентация подвижного 6 и питающих электродов 8 изменяется, изменяется и их взаимная емкость, но за счзт симметрии их расположения отношение емкостей остается постоянным. Это обстоятельство является главным свойством предлагаемой конструкции емкостного преобразователя, которое обеспечивает независимость фазы выходного сигнала от наклонов компаса. Далее наведенный на электрод б сигнал поступает на вспомогательный электрод 7 за счет их гальванической связи, а затем через емкостную связь передается на выходной электрод 8. Коническая форма электрода 8 позволяет при максимально достижимой переходной емкости, с(пределяемой величиной зазора между электродами 7 и 8, обеспечить независимость этой емкости от наклонов компаса за счет осевой симметрии конструкции. Выходной сигнал с электрода 8 поступает на схему электронного фазометра, который измеряет фазу сигнала, равноценную углу направления магнитного поля относительно корпуса 1. На этом цикл измерений заканчивается. Технико-экономический эффект от применения изобретения заключается в значительном повышении точности измерения направления морских течений и повышении метрологической надежности измерений. Экономический эффект от внедрения прибора проявится также в существенном снижении себестоимости производства в связи с упрощением конструкции и исключением трудоемкой технологической операции балансировки магнитной катушки. При внедрении прибора может быть достигнут высокий уровень автоматизации производства, так как все элементы конструкции могут быть изготовлены методом ютамповки из пластмассы и электролитического осаждения электродов.