книга "НИС". Вагущенко Л. Л. Судовые навигационно информационные системы одесса 2004
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
Рис. 4.5. Элемент MR-датчика в виде пластины из пермаллоя. Максимальное ΔR m изменение сопротивления проводника под влиянием магнитного поля зависит от геометрии проводника и его материала. Для пластины из пермаллоя оно составляет от 2 до 3% от R 0 . Здесь R 0 – сопротивление проводника при │ = Н 0 ⊥ H Уравнение, описывающее зависимость сопротивления проводника от значения напряженности магнитного поля, имеет следующий вид: ( ) [ ] 2 0 0 / 1 H H R R R m ⊥ − Δ + = R Рис. 4.6. R-H характеристика пластины из пермаллоя. R-H характеристика пластины из пермаллоя показана на рис. 4.6. Для оптимизации характеристик MR-датчика его элементы изготавливается в виде пластины, состоящей из чередующихся полос из пермаллоя и алюминия, расположенных под углом 45 0 к линии тока (рис. 4.7). Такие элементы называют зубчатополюсными. ΔR R 0 0 H H ⊥ -1 0 +1 135 R-H характеристики зубчатополюсных элементов, показанных на рисунках 4.7,а,б, имеют вид, представленный соответственно на рис. 4.8, а,б. Al Пермаллой a) б) Рис. 4.7. Зубчатополюсные элементы MR-датчика. Рис. 4.8. R-H характеристики зубчатополюсных элементов Сам MR-датчик представляет собой мостиковую схему (Рис. 4.9), где U П – постоянное напряжение питания, U С – сигнальное напряжение. Рис. 4.9. Схема MR-магнетометра. Значение напряженности внешнего магнитного поля в MR- датчике получается путем измерения сигнального напряжения U С Напряжение питания реальных MR-магнетометров находится в пределах от 2 до 10 вольт. Значение выходного сигнала этих датчиков, при измерении горизонтальной составляющей магнитного поля Земли может достигать 1.5 mV. б) R -1 0 +1 R 0 ΔR m 0 H H ⊥ a) R ΔR m R 0 0 H H ⊥ -1 0 +1 R 0 +ΔR R 0 +ΔR R 0 -ΔR R 0 -ΔR U П U С + - 136 Магнетометры, основанные на эффекте Холла, используют явление возникновения поперечного электрического поля и разности потенциалов в металле или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока. 4.3.3. Состав электронного магнитного компаса. Электронные магнитные компасы могут иметь разное построение. В компасах с двухкоординатными датчиками направления измерений магнетометров ориентируются по осям ОХ и ОY декартовой системы ОXYZ, полужестко связанной с судном. Начало этой системы закреплено в центре массы судна. Оси ОХ и ОY лежат в плоскости горизонта. Первая из них направлена на нос судна, а вторая – в сторону правого борта. Ось ОZ ориентирована по направлению отвесной линии. Чувствительный элемент этих компасов изменяет свое положение относительно корпуса судна при изменении его посадки и на качке в условиях волнения. Компасы с системой трех ортогональных магнетометров не имеют движущихся частей. Их элементы не меняют своего положения относительно корпуса судна. При установке на судне компасы ориентируют так, чтобы направления измерений магнетометров совпадали с осями прямоугольной системы координат OLBG, жестко связанной с корпусом судна. Начало системы OLBG находится в центре массы судна. Ось OL лежит в ДП и направлена параллельно линии киля в сторону носа судна. Ось OG также находится в ДП судна и ортогональна к OL. Ось OB перпендикулярна ДП и направлена в сторону правого борта. Когда судно не имеет крена и дифферента, координатные системы OLBG и ОXYZ совпадают. Компас с системой двух магнетометров включает платформу с X- и Y-магнетометрами, измеряющими напряженность магнитного поля по осям ОХ и ОY, модуль обработки сигналов и коррекции работы датчиков, индикатор курса и систему, обеспечивающую стабилизацию платформы в горизонтальной плоскости. Блок-схема электронного компаса с двумя магнетометрами представлена на рис. 4.10. Обычно платформа с датчиками имеет пониженный центр тяжести, создаваемым свинцовым грузиком. Для обеспечения горизонтального положения она устанавливается на кардановом подвесе и помещается в камеру, заполненную легким маслом. Масло служит для демпфирования колебаний платформы на качке. Задачи обработки сигналов датчиков и коррекции их работы включают учет различных факторов с целью получения точного 137 значения истинного курса. Эти функции могут реализовываться программно или конструктивно. Обычно используется первый путь. В этом случае сигналы датчиков преобразуются в цифровую форму и обрабатываются в микроконтроллере. Дополнительно к выполняемым расчетам микроконтроллер вырабатывает сигналы, обеспечивающие эффективную работу датчиков (устранение дрейфа нуля и подавление ряда возмущений). При обработке данных компенсируется влияние температуры на результаты измерений, учитываются магнитное склонение и девиация. Горизонтальная платформа Рис. 4.10. Блок-схема электронного компаса с двумя магнетометрами. Компасы с системой трех магнетометров не имеют движущихся частей. Дополнительно к магнетометрам они включают датчик килевой и бортовой качки (двухкоординатный инклинометр). Блок-схема электронного компаса с тремя магнетометрами представлена на рис. 4.11. Рис. 4.11. Блок-схема электронного компаса, не имеющего подвижных частей. Магнетометры измеряют составляющие напряженности геомагнитного поля в системе координат OLBG, жестко связанной с судном. Значения горизонтальных составляющих H X , H Y рассчитывается аналитически по данным магнетометров и инклинометра. В инклинометрах могут использоваться разные принципы для получения углов килевой и бортовой качки. В частности, они могут H X H Y Сигналы коррекции Сигналы коррекции Х-магнетометр М икроко нтро лле р Дисплей Интерфейс с другими приборами Y-магнетометр H L H B H G ψ θ М икроко нтро лле р L-, B-, G- магнетометры Датчик килевой и бортовой качки Дисплей Интерфейс с другими приборами 138 включать в себя систему из двух или трех акселерометров, измеряющих ускорения по взаимно ортогональным осям. 4.3.4. Характеристики электронных МК. Морские электронные магнитные компасы изготавливаются и поставляются рядом фирм и организаций. В качестве примеров таких курсоуказателей можно назвать: «Аврал» ЦНИИ Электроприбор (г. Санкт-Петербург), «Горизонт» приборостроительного завода Элара (г. Чебоксары), «Azimuth 1000» фирмы KVH Industries, «AQCD-FX360» кампании Aquamatic, «PG-100» корпорации Furuno. ЭМК разных производителей имеют определенные отличия. На рис. 4.12 приведен вид компаса «Azimuth 1000». Рис. 4.12. Флюксгейт компас “Azimuth 1000”. Этот компас в одном компактном водозащитном модуле содержит цифровые флюксгейт датчики и LCD-дисплей. «Azimuth 1000» имеет цифровой выход значений курса, соответствующий протоколу МЭК 61162, что позволяет использовать его информацию в авторулевом и в других судовых системах. Вес компаса составляет 340 г. Все ЭМК имеют небольшие габариты, массу и потребляют мало энергии. Они обеспечивают устойчивые показания курса с точностью 0,5÷2,0 0 и разрешение 0,1 0 Вес основного блока обычного электронного магнитного компаса лежит в пределах 200÷400 грамм. Микроэлектронные компасы весят во много раз меньше. Микроэлектронные компасы могут встраиваться в бинокли и подзорные трубы, что позволяет при наблюдении производить пеленгование объектов. На судне главный МК устанавливают там, где напряженность судового магнитного поля мала. Преимуществом ЭМК перед традиционными магнитными компасами является возможность размещения чувствительного элемента на удалении от устройства отображения курса. Это создает больше возможностей для выбора на 139 судне места, наиболее подходящего для точной работы чувствительного элемента. Другое достоинство ЭМК - цифровая форма сигналов. Она позволяет математически выполнять компенсацию погрешностей. В большинстве ЭМК расчет девиации с последующим ее учетом выполняются автоматически. Для нахождения таблицы девиации достаточно перейти в предусмотренный в ЭМК для этой цели режим и выполнить циркуляцию (поворот на 360 0 ). Для компенсации магнитного склонения в ЭМК используются: компенсационные таблицы, представляющие карты изогон земной поверхности, либо математическая модель геомагнитного поля, обеспечивающая расчет склонения на текущее время в любой точке Земли. Такая международная модель уточняется через каждые пять лет. Магнитное склонение находится по координатам места судна. С этой целью к ЭМК подключается приемоиндикатор GPS. Электронные магнитные компасы имеют следующие операционные режимы : Установка курса. В этом режиме судоводитель может установить заданный для следования курс. ЭМК запоминает его. Затем на устройстве отображения компас способен показывать отклонение действительного курса от заданного. Демпфирование показаний. В этом режиме оператор имеет возможность изменить коэффициент сглаживания значений курса ЭМК и интервал обновления данных на дисплее с целью приспособления к состоянию моря и скорости судна. Автокомпенсация. Режим автокомпенсации используется для автоматического нахождения графика девиации при циркуляции судна. Девиация должна определяться после каждых существенных изменений в магнитном поле судна. Непрерывная автокомпенсация. Этот режим должен устанавливаться только в открытом море. При включенной непрерывной автокомпенсации, в любое время, когда судно осуществит поворот на 360 0 за короткое время, будет автоматически определяться девиация ЭМК и затем учитываться в его показаниях. Предвычисление склонения. В этом режиме по данным о позиции судна находится магнитное склонение и учитывается в показаниях ЭМК. Источники погрешностей Основными источниками погрешностей электронных магнитных компасов являются: – наклон платформы в приборах с двухкоординатными датчиками или погрешности измерения углов бортовой и килевой качки в компасах с системой трех магнетометров; – дрейф нуля магнетометров; 140 – неортогональность измерительных осей магнетометров; – погрешности учета влияния судового железа; – погрешности коррекции магнитного склонения. 4.4. Фиброоптические гирокомпасы. 4.4.1. Виды ГК и предъявляемые к ним требования. Основные виды ГК . Главными курсоуказателями на большинстве морских судов являются гирокомпасы. Они могут базироваться на разных видах гироскопов (гирометров). Под гироскопом в общем случае понимается устройство, содержащее материальный объект, который совершает быстрые периодические движения, в результате которых устройство становится чувствительным к вращению в инерциальном пространстве. На практике наибольшее распространение получили гироскопы с вращающейся массой (ротором), которые называют классическими. На протяжении многих лет только на их основе строились курсоуказатели, получившие название традиционных или классических гирокомпасов С ходом времени классические гироскопы улучшались. Появились различные их подвиды: с воздушной подушкой, поплавковые, динамически настраиваемые, бесконтактные. Все они нашли применение при совершенствовании гироскопических систем. К классическим курсоуказателям относятся: ГК типа «Курс», «Вега», «Гюйс», «Меридиан» (Россия), «Круиз» (Украина), «SKR-82» фирмы Robertson (Норвегия), «SCB-1000» фирмы Brown (Великобритания) и ряд других. Традиционные гирокомпасы достаточно хорошо представлены в учебной литературе для судоводителей и ниже не освещаются. Постоянно возрастающие требования к точности измерений угловых движений стимулировали ученых не только к дальнейшему совершенствованию классических гироскопов, но и к поиску принципиально новых гиродатчиков. Среди них можно назвать: – Оптические гироскопы (лазерные и фиброоптические); – Вибрационные гироскопы (камертонные, волновые твердотелые, кольцевые обычные и микромеханические); – Другие виды гиродатчиков (ионные, ядерные и т.п.). В последние годы на судах появились промышленные образцы фиброоптических (волоконно-оптических) гирокомпасов Эксплуатационные стандарты морских гирокомпасов для обычных и высокоскоростных судов определены соответственно в 141 резолюциях Ассамблеи ИМО А.424(XI), 1979г. и А.821(19), 1995г. Приведем ряд положений из этих документов. Установленные на судах ГК должны нормально работать в следующих условиях: при скоростях судна до 30/70 узлов (при характеристике стандартов ГК, если приведена дробь, то в числителе указаны значения из требований для обычных судов, а в знаменателе - для высокоскоростных); при угловых скоростях поворота до 20 0 /с; в диапазоне широт между 70 0 N и 70 0 S. Предписано снабжать ГК квалифицированным описанием погрешностей, возникающих от скорости судна, ускорений, изменений курса, состояния моря и т.д. Считается, что находящийся в горизонтальном положении на стационарной основе гирокомпас установился, если любые три его отсчета, взятые с интервалом времени 30 мин, находятся в пределах 0.7 0 Установившееся направление ГК означает среднее значение из 10-ти отсчетов, взятых через 20-ти минутные интервалы после того, как гирокомпас установился. Статической погрешностью ГК называется разность между установившимся направлением компаса и истинным курсом. Динамическая погрешность ГК представляет собой отклонение показаний курса от установившегося направления компаса. В статических условиях в широтах, вплоть до 70 0 : – ГК должен приходить в меридиан в течение времени, не превышающего 6 часов; – На любом курсе статическая погрешность ГК не должна превышать ±0.75 0 secφ. Установившееся значение ГК в этом случае должно определяться как среднее значение из 10-ти отсчетов, взятых через 20-ти минутные интервалы. Среднее квадратическое значение разностей между индивидуальными отсчетами и установившимся направлением должно быть меньше ±0.25 0 secφ. – Повторяемость значений статической погрешности ГК от одного пуска к другому должна быть в пределах ±0.25 0 secφ. В динамических условиях эксплуатации к ГК предъявляются следующие требования. При пуске, выполняемом в соответствии с рекомендациями производителя, ГК должен устанавливаться в пределах 6 часов в широтах вплоть до 70 0 при гармонической бортовой и килевой качке, характеризуемой периодом от 6 до 15 с, амплитудой - до 5 0 , горизонтальным ускорением - до 0.22м/с 2 Повторяемость установившейся погрешности основного прибора ГК от пуска к пуску должна быть в пределах ±1 0 secφ. 142 В пределах полосы 10 0 на разных широтах, вплоть до 70 0 , качество показаний ГК в указанных ниже ситуациях должно быть следующим: – На неизменном курсе при ходе со скоростью до 20/70 узлов после коррекции скоростной погрешности остаточная установившаяся погрешность ГК не должна выходить за пределы ±0.25 0 secφ. – На постоянном курсе при быстром изменении скорости хода до 20/70 узлов погрешность ГК не должна превышать по модулю 2 0 – На постоянной скорости хода (до 20/70 узлов) при изменении курса на 180 0 с угловой скоростью до 20 0 /с погрешность ГК должна находиться в пределах ±3 0 – На любом курсе, особенно 45 0 , 90 0 , 315 0 , переходная и установившаяся погрешность ГК, возникающая из-за регулярной килевой, бортовой качки и рыскания (характеризуемых периодом от 6 до 15 с, амплитудой - до 20 0 , 10 0 и 5 0 соответственно, горизонтальным ускорением - до 1м/с 2 ), не должна превышать по модулю 1 0 Требуется, чтобы расхождение показаний основного прибора гирокомпаса и его репитеров при всех условиях эксплуатации не выходило за пределы ±0.5 0 Ограничения классических ГК . Традиционные гирокомпасы имеют следующие недостатки. Они тяжелы и громоздки, потребляют много энергии, требуют постоянного и непрерывного электропитания, имеют высокую стоимость. После включения время прихода в готовность таких датчиков курса составляет несколько часов. На судне к установке классических ГК предъявляются довольно жесткие требования. Эти приборы чувствительны к ударам, к вибрации, к изменениям температуры, к качке и имеют ограничения по этим параметрам. Классические ГК обычно требуют обслуживания и выполнения профилактических мероприятий. 4.4.2. Общие сведения о фиброоптических ГК. В настоящее время на смену классическим ГК приходят более совершенные приборы, основанные на современных технологиях и исключающие использование кардановых подвесов (стабилизируемых в плоскости горизонта платформ). Такие новые датчики курса имеют чувствительные элементы, жестко связанные с корпусом судна. Движущиеся части в них отсутствуют. Бесплатформенные гирокомпасы и другие измерительные устройства, в которых нет движущихся частей, более надежны, потребляют мало энергии, требуют незначительного ухода или вообще не нуждаются в обслуживании. Технологии производства таких приборов получили в англоязычной литературе название « |