книга "НИС". Вагущенко Л. Л. Судовые навигационно информационные системы одесса 2004
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
неавтономность. 152 4.6. Измерители скорости и проходимого расстояния. Лаги являются датчиками скорости судна и проходимого им расстояния. В настоящее время на судах применяются относительные и абсолютные лаги. Первые измеряют скорость судна относительно воды, а вторые – относительно грунта. Принципы работы, конструкция и эксплуатация основных видов лагов достаточно полно освещены в литературе для судоводителей. Поэтому здесь дается лишь краткая характеристика этих приборов. Требования к лагам Минимальные эксплуатационные требования к измерителям скорости и проходимого расстояния определены в Резолюции ИМО А.824(19), 1995г. Ниже приведен ряд положений из этого документа. Значение скорости в лагах может показываться как в цифровом, так и в аналоговом виде. Информация о проходимом расстоянии должна отображаться в цифровой форме с шагом, не превышающим 0.1 морской мили. Если лаг имеет режимы измерения скорости «относительно воды» и «относительно грунта», то название используемого в данный момент режима следует показывать на устройстве отображения. Когда прибор способен определять вектор путевой скорости, то необходимо иметь возможность отображения значения продольной и поперечной ее составляющих. Погрешность показания скорости на глубокой воде при отсутствии ветра, течения, приливных явлений не должна превышать 2% от скорости судна, или 0.2 узла (в зависимости от того, что больше). Для таких же условий требуется, чтобы погрешность отсчетов проходимого расстояния была в пределах 2% от его значения или 0.2 морской мили за каждый час (в зависимости от того, что больше). Если какая-то из причин (состояние моря, глубина под килем, скорость звука в воде, дифферент и т.д.) влияют на показания скорости и проходимого расстояния, то необходимо в документации лага иметь детальное описание этого эффекта. Эксплуатационные качества прибора не должны ухудшаться при бортовой качке до ±10 0 и килевой качке – до ±5 0 Электромагнитные лаги . Лаги современных судов могут измерять скорость на переднем и заднем ходу. Из относительных лагов такой способностью обладают электромагнитные (индукционные) лаги . К этому виду измерителей скорости относятся: лаги «ИЭЛ-2», «ЛИ-2», «ЛЭМ-2» (Россия), датчики “Aquaprobe” (EM100) и “Aquacatch” (EM200) фирмы Chernikeeff Instrument Ltd. 153 (Великобритания), лаг “SAL-EM” фирмы Jungner Marine AB (Швеция), прибор “Naviknot II” фирмы C.Plath (Германия), оборудование “Skipper EML 224” фирмы Skipper Electronics A/S (Норвегия) и ряд других. По своим эксплуатационным характеристикам все эти лаги удовлетворяют требованиям ИМО. Электромагнитные лаги обычно измеряют продольную составляющую скорости судна. Имеются и двухкоординатные лаги, например, “Skipper EML 224”, который показывает как продольную, так и поперечную составляющие скорости судна. Ряд лагов могут работать как в однокоординатном, так и в двухкоординатном режиме измерения скорости. Диапазоны значений скорости судна, измеряемых электромагнитными лагами, зависят от вида аппаратуры. Для лагов обычных гражданских морских водоизмещающих судов этот диапазон находится в пределах от –20 до +60 узлов. Приведем для примера основные эксплуатационные характеристики лага ЛЭМ-2: – диапазон скоростей: от –6 до 60 узлов; – инструментальная погрешность: ≤0.1 уз (V от –6 до 50уз) и ≤0.15 уз (V от 50 до 60уз); – погрешность вычисления расстояния S: ≤0.01 мили (S до 100 миль), и ≤0.1% (S свыше 100 миль); – время прихода в готовность после включения: меньше 5 мин. Гидроакустические доплеровские лаги Согласно переработанному правилу 19, главыV конвенции СОЛАС-74 для судов валовой вместимостью 50 тыс. рег.т. и более становится обязательным абсолютный лаг для измерения продольной и поперечной составляющих скорости судна относительно грунта. Для измерения абсолютной скорости на морских судах применяются гидроакустические доплеровские и корреляционные лаги. В зависимости от вида решаемой судном задачи эти измерители скорости подразделяются на лаги для использования на переходах (Speed Log), приборы для швартовки (Docking Log) и комбинированные лаги. В качестве примеров доплеровских измерителей первого вида можно назвать: аппаратуру «ЛА-53» (Россия), датчики “SRD-331”, “SRD-421/S”, “SRD-401” фирмы Sperry Marine (США), оборудование “DOLOG 20” фирмы STN Atlas Marine Electronics (Германия), лаг “JLN 203” фирмы Japan Radio Co., Ltd (Япония) и ряд других. Названные приборы с высокой точностью измеряют скорость судна, как на переднем, так и на заднем ходу. Глубины работы этих лагов по грунту могут достигать 600÷800 м. При плавании на больших глубинах эти лаги работают относительно слоя воды. В этом случае 154 при измерении скорости не учитывается перемещение этого слоя относительно грунта (течение). Доплеровский лаг в абсолютном режиме работы имеет точность измерений: скорости – около ±0.2%, пройденного расстояния – ±0.2%, угла сноса – ±0.2 0 Приведем характеристики доплеровского лага “DOLOG 20” фирмы STN Atlas Marine Electronics при работе его по грунту: – диапазон измерения продольной скорости – от –5 до +30 уз; – диапазон измерения поперечной скорости – от –5 до +5 уз; – точность измерений скорости – 0.01 узла или 0.2% от измеряемого значения, в зависимости от того, что больше; – максимальная глубина работы по грунту – 600 м. Гидроакустические корреляционные лаги . По сравнению с доплеровскими измерителями скорости и проходимого расстояния корреляционные лаги имеют следующие достоинства: • одновременно измеряют скорость и глубину под килем; • на точность измерения скорости судна не влияют условия распространения звука; • благодаря широким диаграммам направленности, акустические антенны не требуется стабилизировать на качке. К корреляционным измерителям скорости и пройденного расстояния относятся лаги “SAL-840”, “SAL-860” фирмы Consilium Marine (Швеция). Корреляционный лаг характеризуется высокой точностью: погрешность измерения скорости лежит в пределах ±0.1 уз, пройденного расстояния – ±0.2%, глубины под килем – ±1%. Для примера приведем характеристики доплеровского лага “SAL- 860” фирмы Consilium Marine при измерении абсолютной скорости судна: – диапазон измерения продольной скорости – от –8 до +30 уз; – диапазон измерения поперечной скорости – от –8 до +8 уз; – точность измерений скорости – 0.1 узла или 0.5%, в зависимости от того, что больше; – максимальная глубина работы по грунту – 300 м. В режиме работы относительно воды этот лаг измеряет скорость в диапазоне от 0 до +30 узлов. Точность измерения скорости относительно воды составляет 0.1 узла (V до 10 узлов) и 1%, когда V больше 10 узлов. Погрешность в проходимом относительно воды расстоянии лежит в пределах 1% от его значения. Радиодоплеровский лаг . Этот датчик предназначается для судов с динамическими принципами поддержания, а также для ледоколов. Он служит для измерения продольной, поперечной скорости судна и проходимого им расстояния относительно поверхности моря, льда или суши. 155 По принципу работы рассматриваемый прибор аналогичен гидроакустическому доплеровскому лагу, только в первом датчике применяются электромагнитные волны, а во втором – ультразвуковые. Из существующих образцов радиодоплеровских лагов можно назвать «РДЛ-3» (Россия). Этот лаг имеет следующие характеристики: – диапазон измерения продольной скорости: от 0.5 до 100 уз; – диапазон измерения поперечной скорости: от –25 до +25 уз; – погрешность измерения скорости: от ±0.1 до ±0.4 узла; – СКП вычисления расстояния S: ±0.1% (S до 100 миль). По данным измерений скорости этот лаг находит угол дрейфа, приращения к начальным координатам и отображает вычисленные значения. 4.7. Указатели скорости поворота судна, акселерометры, датчики параметров качки. Датчики угловой скорости и акселерометры (устройства, измеряющие линейные ускорения) могут быть многих видов и разных классов точности. Целям судовождения гражданских морских судов удовлетворяет названная аппаратура невысокой степени точности. 4.7.1. Датчики скорости поворота судна. Согласно правилу 19, V главыконвенции СОЛАС-74 для судов, валовой вместимостью 50 тыс. рег.т. и более, становится обязательным указатель скорости поворота судна (УСП), который относится к датчикам угловой скорости (ДУС). Информация УСП оказывает помощь судоводителю при швартовках, при маневрировании в стесненных водах, при постановках судна в док. Она также нужна в авторулевых для обеспечения требуемого качества стабилизации курса и для автоматического выполнения поворотов. Требования ИМО к указателям скорости поворота Эксплуатационные требования к датчикам скорости поворота морских судов изложены в резолюции ИМО А.526(13), принятой в 1983 году. Приведем выдержки из этого документа. УСП может быть отдельным устройством либо входить в состав других навигационных приборов. Он должен показывать угловую скорость при поворотах судна вправо и влево. Необходимо, чтобы УСП имел линейный масштаб в диапазоне измерений, не меньшем ±30 0 /мин. Расхождение отображаемой скорости поворота с ее действительным значением не должно быть больше, чем 0.5 0 /мин плюс 156 5% от индицируемого значения скорости. В эту цифру следует включать и влияние скорости вращения Земли. Бортовая качка судна с амплитудой 5 0 и периодом вплоть до 25 с. и килевая качка с амплитудой 1 0 и периодом до 20 с. не должны вызывать отклонений в показаниях прибора, превышающих 0.5 0 /мин. Требуется, чтобы после включения УСП приходил в готовность в интервале времени, не превышающем 4 мин. Датчики скорости поворота с классическими гироскопами При швартовках крупнотоннажных судов опасными при соприкосновении с причалом могут быть даже очень малые значения угловой скорости, которые находятся за пределом восприятия человеком. Поэтому УСП должны измерять скорость поворота судна с точностью не ниже, указанной в требованиях ИМО. Гироскопические УСП измеряют скорость поворота судна относительно инерциального пространства и их данные включают составляющую скорости суточного вращения Земли. Возникающей в результате погрешностью пренебрегают, так как угловая скорость Земли мала. Основной прибор Модуль отображения и контроля Рис. 4.20. Датчик скорости поворота судна фирмы Raytheon. До недавнего времени судовые УСП основывались только на классических гироскопах. В качестве примеров таких УСП можно привести: навигационный гиротахометр «Галс-3» (Россия), датчик “Naviturn” фирмы C.Plath (Германия), указатель “RoT Indicator H-110” (Нидерланды) и другие. Принцип работы, конструкция и эксплуатация УСП с классическими гироскопами достаточно хорошо освещены в специальной литературе для судоводителей. На рис 4.20 представлен общий вид классического указателя скорости поворота фирмы Raytheon. Он включает основной прибор, устройство отображения и контроля. Этот датчик имеет встроенную 157 систему проверки своей работы. Его чувствительность составляет 0.1 0 /мин, а разрешение - 0.3 0 /мин. Вес прибора – 3.5 кг. Время прихода в готовность после включения занимает менее 160 с. Фиброоптические УСП . В настоящее время в качестве УСП начали применяться датчики с оптическими и вибрационными гироскопами. Оптические гирометры были освещены в параграфе 4.4. Аппаратура невысокой точности этого типа приборов, применяемая для измерения скоростей поворота водоизмещающих судов, является дешевой, благодаря простоте своей конструкции. Можно ожидать, что со временем она вытеснит УСП с классическими гироскопами. В качестве примера фиброоптических датчиков невысокой точности приведем прибор ВГ951, выпускаемый в России. Он имеет следующие характеристики: – Диапазон измерений – 40 0 /с; – Стабильность нуля – 0,7 0 /с; – Уровень шума, Гц / 1 – 1 0 /час; – Нестабильность масштабного коэффициента – 0,2%; – Масса – 680 г; – Габаритные размеры – Ø150х30 мм. Вибрационные гироскопы . Вибрационные измерители угловых скоростей могут быть разных видов, разных классов точности, обычного и микроисполнения. На судах и кораблях они уже начали использоваться в датчиках параметров качки. Чувствительный элемент рассматриваемых датчиков (вибрационный резонатор) при вращении подвержен эффекту Кориолиса. В нем возникает вторичная вибрация, ортогональная по направлению с инициированной вибрацией резонатора. Интенсивность вторичной вибрации пропорциональна угловой скорости поворота чувствительного элемента. Для создания вибрационных колебаний в резонаторе часто используется пьезоэлектрический эффект. Поэтому чувствительные вибрационные элементы называют также «пьезо», «кремниевыми», «керамическими» или «кварцевыми» гироскопами, хотя фактически имеются и вибрационные датчики, не использующие пьезоэффект. Наиболее прогрессирующими в настоящее время (из-за низкой цены и малых размеров) являются микромеханические вибрационные датчики, изготавливаемые на базе современных кремниевых технологий. Большинство из них относится к области низких точностей. Благодаря малым размерам и низкой стоимости открываются перспективы широкого использования кремниевых ДУС во многих 158 областях (автомобили, бинокли, видеокамеры, телескопы, различного вида роботы), не говоря уже о традиционных приложениях, таких как навигационные системы и устройства для судов и самолетов. По своим характеристикам ряд из кремниевых датчиков может быть применен в качестве УСП. Такие приборы уже используются в устройствах для измерения параметров качки морских судов. Наиболее совершенным видом кремниевых микромеханических устройств для измерения угловых скоростей являются, так называемые, кольцевые виброгироскопы. Рассмотрим их подробнее. Состав кольцевого вибрационного датчика угловой скорости Кольцевой виброгироскоп (рис. 21,а) состоит из вибрационного кольца, восьми поддерживающих кольцо пружин, управляющих, сигнальных, и настраивающих электродов. Рис. 21. Структура вибро-гироскопического ДУС. Вибрационное кольцо и электроды изготовлены из кремниевой пластины с низким сопротивлением (0.002 Ω/см). На них с помощью фотолитографии нанесена металлическая сетка. На вибрационное кольцо подается поляризованное напряжение V P Поддерживающие пружины имеют форму полуокружности. Они укреплены на круглой основе внутри кольца. Эта основа и электроды закреплены на стеклянной пластине. В последних видах гироскопов чаще используется вид пружин, показанный на рис. 21,б. Принцип измерения угловой скорости . Поясним принцип измерения угловых скоростей с помощью кольцевого виброгироскопа упрощенно, в популярной форме. В этом ДУС выделяют два режима вибрации кварцевого кольца. С помощью управляющих электродов, на которые подается переменное напряжение, инициируется первый режим вибрации кольца с постоянной амплитудой А Y (возбуждаемый режим). V P Сигнальные электроды Поддерживающая пружина Основание Вибрационное кольцо Управляющие электроды а) б) 159 Когда происходит вращение гироскопа вокруг оси кольца с той или иной угловой скоростью ω, сила Кориолиса вызывает второй (сигнальный) режим совместной вибрации, отклоненной по направлению от первого на 45 0 . Направления вибрации кольца в возбуждаемом и сигнальном режимах представлены на рис. 22. Формы кольца, соответствующие четырем фазам его колебаний в этих режимах, показаны на рис. 23. Амплитуда колебаний кольца во втором режиме пропорциональна ω. Таким образом, если по направлению второго режима расположить сигнальный электрод, то максимальный зазор между этим электродом и вибрирующим кольцом будет изменяться пропорционально угловой скорости поворота. Амплитуда А С колебаний кольца в этом направлении может быть получена по формуле: ω ω Y C A Q K A 0 4 = ; где А Y – амплитуда вибрации кольца в возбуждаемом режиме; К ≈ 0.37 – коэффициент, зависящий от геометрии кольца; Q – фактор качества конструкции гироскопа; ω 0 – резонансная частота колебаний кольца. Режим -1 Режим -2 45 0 Возбуждаемый режим вибрации Сигнальный режим вибрации ω Рис. 22. Направления вибрации первого и второго режимов Рис. 23. Формы кольца в четвертных фазах вибрации Для мониторинга амплитуды А С используется емкостный метод измерений. Колебание величины зазора между поверхностями кольца и сигнального электрода приводит к пропорциональному изменению емкости между ними. В результате появляется синусоидальное напряжение на сигнальном электроде с частотой колебаний кольца. С помощью специальной схемы из этого сигнала выделяется компонента, соответствующая амплитуде вибрации А С , и по ней получается значение ω угловой скорости поворота. Для возбуждения вибрации кольца может применяться три электрода. Такое же количество используется и для съема сигналов. Обычно четыре электрода служат для настройки (балансировки) гироскопа. Остальные электроды заземлены. Достоинствами кольцевых вибрационных ДУС являются: 160 относительно высокая точность измерений; низкая чувствительность к внешним ускорениям и ударам; малая подверженность влиянию изменений температуры; возможность настройки (балансировки) на оптимальный режим; малый вес, размеры, стоимость, не требуют обслуживания. В качестве примера вибрационных микроизмерителей угловой скорости, способных обеспечивать разрешающую способность до 0,2 0 /мин, можно привести однокристальный кремниевый микродатчик с кольцевым резонатором фирмы Silicon Sensing Systems Japan Ltd (рис. 4.24). Его вибрационное кольцо имеет диаметр всего 2.7 мм. Чувствительность этого датчика составляет 140 mV на 1 0 /с. Микродатчик обладает высокой надежностью, не требует обслуживания. |