Учебное пособие Владивосток 2003
 Скачать 0.93 Mb.
|
|
АИ. Саранчин, В.Ф. Полковников, В.В. Завьялов Индукционный электронный лаг ИЭЛ-2М Учебное пособие Владивосток 2003 УДК 629.5.058.45 Саранчин АИ, В.Ф. Полковников, В.В. Завьялов Индукционный электронный лаг ИЭЛ-2М: Учеб. пособие. – Владивосток 2003. – 40 с. Впервые в специальной литературе для судоводителей дана физическая интерпретация теории индукционного лага, рассмотрены физические механизмы возникновения пропорционального сигнала, квадратурной и других помех. Приводится описание функциональной схемы, правил эксплуатации лага и его калибровки на мерной линии. Рисунки в главах 2-5 выполнены по учебнику Воронова В.В. и др. "Технические средства судовождения. Конструкция и эксплуатация. Предназначено для студентов и курсантов судоводительских факультетов морских вузов. Ил. 19, табл. 3, библиогр. 12 назв. Рецензенты начальник кафедры технических средств кораблевождения ТОВМИ им. СО. Макарова профессор Сидорко С.П. доцент кафедры судовождения ДВГМА им. адм. Г.И. Невельского Спасский С.С. © Саранчин АИ, В.Ф. Полковников, В.В. Завьялов Оглавление 1. Принцип работы индукционного лага __________________5 1.1. Измерение скорости индукционным методом ______________ 5 1.2. Квадратурная помеха 8 1.3. Погрешности измерения скорости индукционным лагом ___ 12 2. Состав комплекта, технические характеристики, устройство приборов 14 2.1. Назначение, комплектация, технические характеристики __ 14 2.2. Конструкция приборов лага 15 3. Блок-схема и функциональная схема лага ИЭЛ-2М _____17 3.1. Блок-схема ____________________________________________ 17 3.2. Функциональная схема _________________________________ 19 4. Обслуживание и навигационное использование лага ИЭЛ-2М____________________________________________26 4.1. Подготовка к работе и включение лага ___________________ 26 4.2. Проверка и регулировка лага перед выходом в море _______ 27 4.3. Обслуживание лага ИЭЛ-2М в море 29 Equation Section (Next) 5. Регулировка лага на мерной линии __31 5.1. Характер систематических погрешностей лага ИЭЛ-2М ___ 31 5.2. Методика регулировки лага ИЭЛ-2М на мерной линии ____ 34 Список литературы __________________________________42 ВВЕДЕНИЕ Измеритель скорости – лаг является важнейшим техническим средством навигации, которым оборудуется морское судно. Несмотря на бурное развитие высокоточных навигационных приборов и систем, в особенности спутниковых, необходимость в измерителях скорости не исчезла, что закреплено многими руководящими документами. Российский Морской Регистр Судоходства с учетом рекомендаций Международной Морской Организации (ИМО) предъявляет определенные требования к судовым измерителям скорости. В качестве обязательных параметров лаг должен измерять продольную составляющую скорости перемещения судна на переднем ходу относительно воды или грунта, а также пройденное расстояние в этом направлении. Лаг должен нормально функционировать на всех скоростях переднего хода судна, вплоть до максимальной, и глубинах под килем болеем. Погрешность измерения скорости лагом (при условии, что судно свободно от влияния эффектов мелководья, ветра, течения, а также прилива и отлива) не должна превышать ± 0,2 уз при скорости судна до 10 уз и ± 2 % при скорости свыше 10 уз. Конструкция приборов лага должна быть такой, чтобы ни способ их крепления к корпусу судна, ни профилактический осмотри замена на плаву, ни повреждение любой части донно-забортного оборудования не могли привести к нарушению общей прочности корпуса судна и попаданию воды внутрь его. Информация о скорости может представляться лагом в аналоговой (на шкалах) или цифровой формах, либо одновременно в двух видах. При использовании цифрового индикатора шаг показаний не должен превышать 0,1 уз при частоте обновления данных 1 разв секунду. Аналоговый дисплей должен быть отградуирован по крайней мере через каждые 0,5 уз с укрупненной оцифровкой делений не более чем через каждые 5 уз. Информация о пройденном расстоянии должна отображаться в цифровом виде. Указатель должен охватывать диапазон от 0 до отсчета не менее 9999,9 мили с шагом не более 0,1 мили. Индикация указателей должна быть легко воспринимаемой для снятия отсчетов в дневное и ночное время. Эксплуатационно-технические характеристики лага не должны ухудшаться при бортовой качке судна дои килевой качке до ± 5°. Всем перечисленным требованиям в полной мере удовлетворяет индукционный электронный лаг ИЭЛ-2М. В настоящем пособии обращено особое внимание на физические принципы, используемые при измерении скорости индукционным способом. В отечественной учебной литературе для судоводителей эти вопросы освещены неполно. Пособие предназначено для студентов и курсантов высших морских учебных заведений. 1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНДУКЦИОННОГО ЛАГА 1.1. Измерение скорости индукционным методом Работа индукционного лага основана на явлении электромагнитной индукции, открытом в 1831 году великим английским физиком М. Фарадеем. Определим это явление в форме, удобной для дальнейших рассуждений. Если проводник находится в изменяющемся магнитном потоке Ф, тов проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС d dt ε Φ = − . (1.1) Изменение магнитного потока, и, следовательно, возникновение ЭДС в проводнике происходит 1) при движении проводника в магнитном поле 2) при изменении самого магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную проводящим замкнутым контуром (ЭДС возникает в этом контуре. Рис. 1.1 Величина магнитного потока, проходящего через плоскую поверхность площадью S (рис. 1.1), может быть найдена из выражения B S Φ = ⋅ , (1.2) где B – вектор магнитной индукции. Уравнение справедливо для однородного магнитного поля, причем поверхность S расположена перпендикулярно вектору B. Первая часть определения электромагнитной индукции говорит о том, что ЭДС, наводимая в проводнике, зависит от его движения в магнитном поле (рис. 1.1). Очевидно, что это обстоятельство позволяет измерить скорость движения проводника относительно магнитного потока, изменение которого происходит за счет изменения площади поверхности, описываемой проводником dS l dR lV dt = ⋅ = ⋅ . Следовательно, ЭДС в проводнике будет п − ⋅ = − . (1.3) Этот сигнал называется пропорциональным, или полезным, так как содержит информацию о скорости и прямо пропорционален ей п. (1.4) Механизм возникновения указанной ЭДС стал понятен после открытия Э. Резерфордом вначале века изменения траектории электрически заряженных частиц при их движении в магнитном поле. Х. Лоренц объяснил отклонение таких частиц действием особой силы, названной его именем – силой Лоренца. Сторону этого отклонения можно определить, пользуясь правилом левой руки если расположить руку так, чтобы вектор магнитной индукции B входил в ладонь, а вытянутые четыре пальца совпали с направлением движения частиц, то отставленный большой палец покажет направление силы Лоренца, куда движется положительный заряд (отрицательный – в противоположную сторону. Известно, что электропроводность материала объясняется наличием в нем свободных электрических зарядов. В металлическом проводнике это электроны. На рис. 1.1 показан отрезок металлической проволоки. При его движении в магнитном поле электроны под действием силы Лоренца перемещаются к концу Э, который приобретает отрицательный заряд (правило левой руки. На конце Э образуется недостаток электронов, ион становится положительно заряженным. Сила взаимодействия между положительно и отрицательно заряженными концами проводника компенсирует силу Лоренца, и перераспределение электронов прекращается. Уравнения (1.3) и (1.4) справедливы как раз для такого равновесного состояния. Измерив напряжение на концах проводника, можно получить скорость его движения. Следует отметить, что данное явление не зависит от выбора системы отсчета, то есть при движении магнитного поля относительно проводника, в нем также наводится ЭДС в соответствии с теми же выражениями (1.3) и (1.4), что и используется в индукционных лагах. Для этого в днище судна устанавливается электромагнита проводником является морская вода. Чувствительный элемент (ЧЭ) индукционного лага (рис. 1.2) представляет собой изолированный корпус 1, внутри которого помещен электромагнит 2. Корпус установлен в подводной части судна так, что магнитный поток излучается вводу, освещая участок поверхностью S. При движении судна под действием силы Лоренца в соответствии с правилом левой руки положительные ионы перемещаются в пределах участка S, как ив линейном проводнике, в направлении левого борта, а отрицательные – в направлении правого. Для измерения возникшей ЭДС п в корпусе ЧЭ установлены электроды Э и Э в плоскости, параллельной плоскости шпангоута. Напряжение с электродов поступает в схему лага для обработки. Схема решает зависимость (1.4) и преобразует электрический сигнал в показания скорости судна. Рис. 1.2. 1 – корпус ИППС, 2 – электромагнит, 3 – днище судна Чувствительный элемент лага имеет и собственное название индукционный первичный преобразователь сигнала (ИППС). Часто в литературе встречается более простое название – индукционный преобразователь (ИП). Казалось бы, задача решена, скорость получена. Однако закон Фарадея в чистом виде наблюдается только в металлическом проводнике. Вводной среде на это явление накладываются многие факторы, зависящие от свойств морской воды. Их влияние настолько велико, что измерение скорости без дополнительных мер становится невозможным. Рассмотрим наиболее значительные помехи измерениями способы их исключения. 1.2. Квадратурная помеха Вернемся к механизму возникновения ЭДС в металлическом проводнике. С увеличением скорости проводника возрастает сила Лоренца, что приводит к повышению плотности электронов, а следовательно, к увеличению электродвижущей силы п. Благодаря свойствам электронов их плотность может возрастать до очень высоких значений, что обеспечивает возможность наблюдать закон Фарадея в большом диапазоне скоростей. В морской воде растворено огромное количество солей, поэтому в ней свободные заряды – это ионы, то есть молекулы, приобретшие или потерявшие один или несколько электронов. При соизмеримости зарядов размеры и массы ионов несоизмеримо больше, чем размеры и массы электронов. Когда судно движется, то под действием силы Лоренца ионы одного знака оказываются на участке S (рис. 1.2) в непосредственной близости друг от друга, то есть их плотность очень быстро становится предельной. Дальнейшее увеличение скорости, а вместе стем и силы Лоренца не приводит к повышению плотности электрического заряда и к увеличению ЭДС п. Таким образом, закономерность (1.4) уже при очень малых скоростях не выполняется. Такое явление называется явлением поляризации участка проводника. Оно делает невозможным измерение скорости судна, если в ЧЭ используется постоянный магнит. Вторая важная причина, не позволяющая использовать лаг предложенной выше конструкции, – это неограниченность проводника, которым, в принципе, является весь Мировой океан. Возникшие при движении судна положительно и отрицательно заряженные зоны участка S притягивают из окружающей воды ионы противоположного знака. Постоянно происходит компенсация ЭДС, что вносит помеху в измерения. Скорость компенсации зависит от скорости движения молекул, то есть от температуры, плотности, солености воды, от степени ее перемешивания вследствие волнения и движения судна. Влияние этого множества случайных факторов приводит к появлению непредсказуемой помехи, отличить которую от полезного сигнала невозможно. Кроме того, накопление электрических зарядов на электродах резко увеличивает переходное сопротивление контакта "вода – электрод, что также ухудшает работу лага. Для исключения поляризации и сопутствующих ей явлений в индукционном преобразователе применяется переменный магнит. Для его питания используется напряжение в промышленной частоты 50 Гц. Вектор магнитной индукции электромагнита 2 изменяется синфазно (то есть, совпадая по фазе) питающему напряжению t max sin B B , (1.5) где B max – амплитуда магнитной индукции ω – круговая частота питающего напряжения. Тогда для полезного сигнала запишем п max sin sin dS B t B lV t dt ε ω = − ⋅ = − ω . (1.6) Теперь возникшая знакопеременная сила Лоренца заставляет ионы двигаться от одного электрода к другому. Причем, чем больше скорость судна, тем выше скорость перемещения ионов, а значит больше величина п. Измерение скорости судна стало возможным, так как пропорциональность сигнала пи скорости восстановлена. Однако применение переменного электромагнита привело к еще одному нежелательному явлению – к возникновению квадратурной помехи к. Для того чтобы исключить ее из показаний лага, необходимо знать ее характеристики. В массивных проводниках, находящихся под действием переменного магнитного потока, также наводится ЭДС. При этом в толще проводника образуется контур, в котором индуцируются токи, носящие вихревой характер, так называемые токи Фуко. Морские воды представляют собой проводник гигантских размеров. Естественно, что вводе вокруг магнитного потока также образуется контур S (рис. 1.2), в котором возникает ЭДС, что следует из второй части формулировки электромагнитной индукции. Данная ЭДС и является квадратурной помехой к. Эта помеха воспринимается электродами вместе с полезным сигналом. Однако она не зависит от скорости (то есть не содержит в себе информации о скорости судна, поэтому из показаний лага ее нужно исключить. С этой целью рассмотрим характер ее изменения. Рис. 1.3 Обратимся к графику (рис. 1.3). Верхняя кривая характеризует изменение магнитного потока, то есть вектора магнитной индукции, синфазно с напряжением в питания электромагнита. Напомним, что наводимая ЭДС, в данном случае квадратурная помеха к, пропорциональна скорости изменения магнитного потока (нижняя кривая. Когда вектор B достигает амплитудного значения, то его изменение минимально, так как это точки перегиба кривой B (моменты t 1 , t 3 , t 5 ...). Следовательно, в эти моменты к = 0. Напротив, в моменты 0, t 2 , t 4 , t 6 … B = 0, но скорость изменения магнитного потока наибольшая, значит, е к = е к max . Очевидно, что квадратурная помеха изменяет свое значение со сдвигом по фазе на 90° относительно вектора B, а следовательно, и относительно полезного сигнала е п : к cos dB e S B S t dt ω ω = − = − cos U B lV t B S . (1.7) Продифференцирована формула (1.2) с учетом (1.5). Для данного случая, то есть при отсутствии движения, S = const, а изменяется только вектор B. Сравнивая выражения (1.6) и (1.7), приходим к выводу, что значение квадратурной помехи сдвинуто по фазе на π/2 относительно полезного сигнала, что и определило ее название. Подобное явление, кстати, происходит в трансформаторе. В его первичной обмотке образуется магнитный поток, который по сердечнику, играющему роль магнитопровода, доставляется ко вторичной обмотке. Пересекая контуры витков перпендикулярно их плоскости, он наводит во вторичной обмотке ЭДС. Величина электродвижущей силы во вторичной обмотке без нагрузки сдвинута по фазе относительно первичной также на 90°. По этой причине квадратурную помеху иногда называют трансформаторной. В конечном итоге на электродах образуется суммарный сигнале е п + е к Входное сопротивление лага очень велико, поэтому можно считать, что напряжение U ип на электродах равно величине E. Тогда с учетом (1.6) и (1.7): t ип max max sin ω ω = − − ω . (1.8) Сдвиг по фазе на 90° позволяет отделить квадратурную помеху от полезного сигнала. В аналоговых лагах это производят на стенде, когда нет относительного движения воды и магнита. Для этого подбирают с помощью, например, синусно-косинусного вращающегося трансформатора напряжение, равное по величине и противоположное по фазе напряжению квадратурной помехи. В электронных лагах помеха отделяется и исключается другими способами (см. 4). В конечном итоге схема лага решает уравнение п п sin U B lV , (1.9) ε ω ≈ = откуда п sin U V B l t ω ≈ . (1.10) Так индукционный лаг измеряет скорость судна относительно воды. 1.3. Погрешности измерения скорости индукционным лагом Индукционный лаг по сути является электротехническим измерительным устройством. Любые электрические измерения могут проводиться с определенной степенью точности. Погрешности лага можно классифицировать по различным признакам. Для индукционного электронного лага погрешности удобно разделить наследующие группы 1. Погрешности измерительной схемы 2. Погрешности чувствительного элемента 3. Погрешности, обусловленные влиянием внешней среды. 1.3.1. Погрешности измерительной схемы Применение для обработки информации электронной схемы позволило повысить точность измерения скорости, снизить порог чувствительности лага, упростить приемы его обслуживания. Возникающие в схеме погрешности незначительны и обусловлены, в основном, изменением характеристик электроэлементов и наводками паразитных напряжений в отдельных цепях схемы. Погрешность выявляется при отсутствии сигнала от индукционного преобразователя. Для данной проверки предусмотрен специальный режим работы лага, при котором входная цепь замыкается накоротко, ас помощью специального регулятора устанавливается нулевое значение скорости с точностью до 0,1 узла. 1.3.2. Погрешности чувствительного элемента Основными причинами возникновения данной погрешности являются собственная ЭДС электродов и токи утечки и наводок в контуре приемного устройства. Первая причина обусловлена явлениями электролиза. Морская вода является электролитом, поэтому на опущенных в нее электродах происходят окислительно-восстановительные реакции, которые сопровождаются электрическими токами. Последние и создают погрешность в измерении скорости. Для уменьшения этой ЭДС подбирают пары электродов с идентичными характеристиками и изготовляют их из малоактивных, то есть благородных металлов. Токи утечки возникают из-за недостаточного качества изоляции измерительной цепи приемного устройства и наличия емкостной связи этой цепи с обмотками электромагнита. Наводки токов индукции от посторонних полей вводе ив контуре, образованном цепью "вода – провода собирательных электродов, приводят к появлению дополнительной ЭДС в измерительной схеме чувствительного элемента. Наибольшее влияние оказывают судовые электротехнические установки, питающиеся током той же частоты, что и электромагнит ЧЭ (50 Гц. Устранение этих наводок достигается экранировкой отводящих от электродов проводов и их сплетением в жгута также заземлением всех приборов лага. Кроме того, нелинейность характеристики электромагнита приемного устройства приводит к искажению гармонического закона изменения его магнитного поля, что также сказывается на точности показаний лага. Суммарную погрешность от всех перечисленных явлений можно считать систематической хотя бы на небольшом промежутке времени. |