Кардашинский-Брауде Л.А. - Эволюция дистанционных передач отечественных магнитных стрелочных морских компасов

Опубликовано 21 Сентября 2002 года в 01:52:18
Просмотров: 9420

Магнитный дистанционный компас был создан в нашей стране впервые в 1938 году. С тех пор за 64 года было создано 12 различных типов таких компасов.

Настоящая статья позволяет, на основе анализа тенденций их развития, выполнить прогнозирование новых технических решений при последующих разработках в этой области морского навигационного приборостроения.

Основными целями создания дистанционных передач курса магнитных компасов являются:

Для достижения первой из указанных целей используется оптическая передача магнитного курса.

Для достижения остальных целей используются электрические (аналоговые и цифровые) передачи истинного курса.

Для достижения всех целей используются комбинированные (оптические и электрические) передачи.

Как правило, в аварийной ситуации курсоуказание компаса-датчика, сохраняющееся при отсутствии электропитания, является единственным на корабле или судне.

Принципы построения передачи и некоторые их характеристики приведены в таблице 1. Таблица составлена в хронологической последовательности дат окончания разработок.

Принципы построения передачи и некоторые их характеристики приведены
Таблица 1

Примечание: сокращения (аббревиатуры), примененные в таблице, имеют следующие значения:

Переходим к кратким описаниям устройств передач (с комментариями).

1. Оптические передачи

1.1. Компас ГОН (поз.1, табл.1)

Котелок компаса заполнен прозрачной жидкостью, имел прозрачные крышки и дно. Шкала (картушка) чувствительного элемента имела сквозные штрихи делений через каждый градус, оцифровку через 10о и обозначения румбов через 45о. В треугольном горизонтальном курсовом указателе имелась прорезь. Котелок был размещен в верхней части вертикального колена трубы герметичного нактоуза, находящейся вне боевой рубки п/л. Горизонтальное колено трубы вводилось через уплотненное отверстие в передней стенке рубки в ее внутренний объем. На торце горизонтального колена были размещены источник света (сменная лампа накаливания) и матовый экран. Световой поток, собранный в параллельный пучок с помощью конденсора, был направлен вдоль горизонтального колена трубы внутрь ее полости, затем, с помощью призмы, вдоль полости вертикального колена вверх. После этого, направление потока было изменено на обратное с помощью крышеобразной призмы и поток проходил через прозрачные элементы котелка компаса сверху вниз. Изображение сектора шкалы, охватывающее 35о и содержащее светлые штрихи делений, оцифровку, обозначения румбов, а также светлое изображение прорези указателя на темном фоне, передавалось по вертикальному колену световым потоком, падающим на вторую призму, преломляющую поток в направлении горизонтального колена. Затем изображение увеличивалось с кратностью увеличения 3х с помощью линзовой оптической системы (окуляра) и проецировалось на матовый экран.

Качество изображения на экране было высоким, однако, подчас элементы геометрической оптики (линзы, призмы) не выдерживали (1941-44 гг.) ударных перегрузок при гидравлических ударах от взрывов немецких глубинных бомб. Это вынудило ГУН и О (Главное управление навигации и океанографии) перейти в первые послевоенные годы от заказов оптических передач с геометрической оптикой к электрическим передачам.

1.2 Компас КМО-Т (поз.4, табл.1)

Был первым компасом с оптической передачей для надводных кораблей и судов. Котелок компаса по своему устройству был аналогичен котелку компаса ГОН, но отличался от него бoльшими размерами. Нактоуз имел внутренний полый вертикальный канал, начинающийся под котелком и защищенный сверху стеклянной пластиной. К нактоузу через отверстие в крыше ходовой рубки присоединялась вертикальная телескопическая труба оптического перископа. Источником света является дневной свет, освещавший котелок сверху через застекленное отверстие в колпаке нактоуза, или две лампы накаливания, установленные под котелком и равномерно освещавшие снизу участок шкалы и курсовой указатель. Изображение участка шкалы, содержащее 32°, и прорези курсового указателя передавалось в свете, проходящем днем через прозрачные штрихи, оцифровку шкалы и прорезь указателя и проецировалось на зеркальный экран с помощью двухлинзового окуляра Рамсдена. Одна из линз помещалась в верхней, другая – в нижней части канала в нактоузе. В ночное время оптическая передача работала в свете, отраженном от посеребренных нижних поверхностей шкалы и указателя. Положение зеркального экрана в нижней части трубы перископа могло изменяться на ±0,5 м по вертикали путем перемещений телескопических секций перископа, поворачиваться на 360° вокруг вертикальной оси и наклоняться на любой угол относительно горизонтальной оси, обеспечивая возможность использования передачи рулевым любого роста. Для предотвращения запотевания линз в зимнее время вследствие конденсации на них влаги из теплого воздуха ходовой рубки, в верхней части телескопической трубы было размещено электрообогревное стекло, качество изображения было хорошим, что и определило широкое и длительное использование передачи в составе нескольких типов компасов.

1.3. Компас "Сектор" (поз.5, табл.1)

Оптическая передача была аналогична передаче компаса КМО-Т. То же относится к компасу "Сектор-К" (поз.6, табл.1).

1.4. Компас "Поток" (поз.7, табл.1)

Компас "Поток" был первым компасом с оптической передачей, основанной на применении в ней гибких стекловолоконных световодов с регулярной укладкой волокон для передачи изображения шкалы. Преимуществами такой передачи было отсутствие необходимости жесткой привязки места установки компаса вне основного корпуса п/л к месту установки оптического репитера в ее центральном посту, повышение надежности передачи за счет упрощения герметизации в основном корпусе прочного стекловолоконного диска с диаметром 75 мм, выдерживающего давление 600 кг/см2, вместо полой трубы с диаметром 250 мм компаса ГОН. Кроме того, передача имела длину 6 м вместо 1,5 м, что также было ее преимуществом. Для дополнительного повышения надежности передачи и защиты световода от воздействия соленой воды между корпусами компаса и п/л, световод был заключен в герметичную трубу. Котелок компаса по конструкции был аналогичен котелку компаса КМО-Т.

Источником света для передачи была галогенная лампа накаливания, расположенная над котелком. Вторая, запасная лампа находилась над ней и состояла в холодном резерве. Параллельный пучок света, собранный с помощью двухлинзового конденсора, проходил сверху вниз через прозрачные штрихи, оцифровку 35° дуги шкалы компаса и прорезь курсового указателя. Светлые изображения этих элементов на темном фоне проецировались с помощью фотообъектива на верхний торец прочного жесткого стекловолоконного диска с регулярной укладкой волокон, уплотненного в дне корпуса компаса-датчика.

Далее изображение передавалось с помощью гибкого стекловолоконного жгута, присоединенного к нижнему торцу этого диска на верхний торец второго аналогичного диска уплотненного в нижней части вертикальной герметичной трубы, соединявшей корпус компаса с основным корпусом п/л. Изображение с нижней поверхности второго диска транспортировалось внутри основного корпуса с помощью другого гибкого стекловолоконного жгута в оптический репитер. Изображение с торца этого жгута оборачивалось с помощью зеркала и увеличивалось линзой, размещенной на лицевой панели репитера. В результате работы схемы изображение участка шкалы и указателя увеличивалось в 2х, было достаточно ярким и было хорошо видно вне зависимости от уровня освещенности в центральном посту п/л возле поста управления вертикальными рулями.

1.5. Компас КМ 145 (поз.8, табл.1)

Котелок компаса КМ 145 был аналогичен котелку компаса "Поток". Источник света – сменная галогенная лампа накаливания была размещена над котелком в контейнере, вентилируемом за счет естественной конвекции воздуха. Параллельный цилиндрический поток света, собранный с помощью двухлинзового конденсора, проходил через прозрачные штрихи делений, оцифровку дуги 35° картушки и прорезь курсового указателя; полученное изображение проецировалось на входной торец составного гибкого световолоконного жгута с помощью фотообъектива. Изображение, полученное на выходном торце жгута, увеличивалось в оптическом репитере с помощью второго фотообъектива, выполнявшего функции окуляра, оборачивалось зеркалом и проецировалось на матовый экран. Увеличение составляло 2х. Качество изображения было удовлетворительным.

Для предотвращения засветки изображения на экране посторонними источниками света на репитер была надета бленда.

1.6. Компас КМ 145-П (поз.9, табл. 1)

Оптическая схема компаса КМ 145-П была принципиально совпадающей со схемой компаса ГОН в том отношении, что сменный источник света (галогенная лампа накаливания с рефлектором) находится внутри основного корпуса п/л. Параллельный поток света, собранного с помощью двухлинзового конденсора и фотообъектива на торце стекловолоконного жгута передавался через стекловолоконный диск, уплотненный в основном корпусе п/л. Затем поток света передавался через стекловолоконный жгут, заключенный в герметичную трубу, другой диск, уплотненный в дне корпуса компаса и жгут в верхнюю часть внутренней полости корпуса компаса. Далее световой поток был направлен сверху на котелок. Проеционная часть съемы оптической передачи была аналогична схеме компаса "Поток". Увеличение составляло 2х. Качество передачи было удовлетворительным.

1.7. Компасы КМ 145-С (поз.10, табл.1) и КМ 145-М (поз.12, табл.1)

Оптическая схема компаса 145-С1 и КМ 145-М аналогичны схеме компаса КМО-Т. Оптическая схема компаса КМ 145-С4 аналогична схеме компаса КМ 145.

2. Электрические передачи

2.1. Компас КМД (поз.2, табл.1)

Чувствительный элемент компаса имел непрозрачную шкалу (картушку) с дугообразной прорезью, охватывающей центральный угол 180°. Над верхнем стеклом котелка на металлической крышке были размещены рабочая и запасная лампы накаливания, расположенные над прорезью на общем диаметре, проходящем через центр котелка. Под лампами в специальных патронах размещались конденсорные линзы, световой поток рабочей лампы проецировался через прорезь в картушке на фоторезистор, размещенный в прозрачном контейнере в жидкости котелка. Фоторезистор был включен в плечо электрической мостовой схемы. С помощью переменного резистора, включенного в противоположное плечо мостовой схемы, устанавливалось равновесное состояние схемы, соответствующее отсутствию тока в диагонали схемы, при положении светового потока, разделенного кромкой прорези пополам. Любое изменение освещенности фоторезистора, вызванное изменением курса корабля, вызывало появление тока в диагонали схемы той или иной полярности вследствие изменения сопротивления фоторезистора. Включение поляризованного реле, включенного своей обмоткой в диагональ, вызывало срабатывание одного из двух силовых реле, подключенных к обмотке управления двигателя постоянного тока так, чтобы направление вращения его оси менялось на противоположное при замыканиях каждого из силовых реле.

Двигатель вращал через зубчатый редуктор и валик котелок компаса в сторону, противоположную направлению рассогласования замкнутой следящей системы, состоящей из вышеуказанных элементов.

Преимуществом следящей системы с вращающимся котелком было исключение влияния на чувствительный элемент компаса увлекания его компасной жидкостью при циркуляциях п/л. С редуктором был связан специальный коммутационный ключ, переключавший токи в обмотках шаговых двигателей через четырехпроводную схему связей ключа с двигателями, установленными в аналоговых репитерах. Шаговые двигатели вращали шкалы с ценами деления 1°. Эксплуатация компасов КМД показала, что их электрическая схема имела низкую надежность из-за большой интенсивности отказов фоторезисторов, в особенности при плаваниях в тропической зоне. Это привело к необходимости разработки компаса КДЭ-П.

2.2. Компас КДЭ-П (поз.3, табл.1)

Жидкость, заполнявшая котелок, была электропроводной (электролитом). В стенке пластмассового котелка имелись три электрода, из которых два, расположенные диаметрально противоположно, были питающими, а третий, размещенный на перпендикулярном диаметре, являлся токосъемным. На наружной вертикальной поверхности пластмассового чувствительного элемента была закреплена изогнутая металлическая пластинка, охватывающая центральный угол 180°. При симметричном расположении электродов котелка и пластинки чувствительного элемента, сопротивления участком компасной жидкости между токосъемным и каждым из питающих электродов равны и на диагонали дифференциальной схемы (мостовой съемы на переменном токе) в плечи которой включены электроды, напряжение отсутствует. При нарушении симметрии на диагонали возникает напряжение, фаза которого относительно фазы питания зависит от знака угла рассогласования. В диагональ были включены объединенные сетки и катоды электровакуумной лампы (двойного триода), на аноды которой подавалось переменное напряжение, вследствие чего лампа работала в режиме фазочувствительного выпрямителя. Между цепями катодов лампы была включена обмотка управления магнитного усилителя, который управлял асинхронным двигателем с полым ротором следящей системы, размещенной в центральном приборе компаса.

Двигатель отрабатывал котелок через синхронную передачу между двумя сельсинами-датчиками, работавшими в режиме "электрического вала", и замедляющий редуктор.

Этот же двигатель приводил в движение кинематическое счетно-решающее устройство, содержащее два суммирующих дифференциала для ввода остаточной девиации, снимаемой с тонкого вырезного отградуированного эксцентрика с помощью щупа и связанной с ним зубчатой рейки, и магнитного склонения, вводимого вручную.

На выходе кинематического устройства имелся сельсин-датчик (на цене оборота 3°), соединенный с сельсинами – принимающими в репитерах.

Поскольку синхронная передача была одноотсчетной, шкалы репитеров нужно было вручную синхронизировать со шкалой истинного курса центрального прибора. Компас КДЭ-П был крупносерийным изделием ЗШП и его эксплуатационная надежность была удовлетворительной, однако, наличие в датчике компаса сельсина вызывало появление помехи работе гидроакустической аппаратуры. Это привело к необходимости разработки компаса КМ 145-П.

2.3. Компас "Сектор" (поз.5, табл.1)

На дне котелка был закреплен горизонтально индукционный датчик с тремя феррозондами, образовывавшими равносторонний треугольник. Сигнальные обмотки феррозондов были соединены по электрической схеме "треугольника" и подключены с трехфазной обмоткой сельсина, соединенной "звездой", трехпроводной линией; сельсин, размещенный в центральном приборе компаса, работал в трансформаторном режиме. При воздействии на индукционный датчик магнитного поля чувствительного элемента компаса, в трехпроводной линии возникали токи, в результате чего на выходной обмотке ротора сельсина напряжение отсутствовало только при одном положении ротора относительно статора, отвечающего взаимному положению чувствительного элемента компаса и индукционного датчика.

При изменении курса на выходной обмотке возникало напряжение сигнала, фаза которого определялась знаком угла рассогласования. Напряжение сигнала подавалось на вход полупроводникового транзисторного усилителя, состоящего из следующих каскадов: входного усилителя напряжения, фазочувствительного выпрямителя, низкочастотного фильтра с большой постоянной времени для уменьшения влияния воздействия качки на изменения показаний передачи, модулятора, выходного каскада – усилителя мощности. Усилитель управлял работой асинхронного двигателя с полым ротором, размещенным в центральном приборе. Двигатель отрабатывал ротор сельсина через кинематическую схему, содержащую редуктор, два дифференциала для автоматического ввода остаточной девиации и инструментальной погрешности индукционного датчика, а также ручного ввода склонения.

На выходе схемы был сельсин-датчик (на цене оборота 1°) синхронной передачи, работающий на принимающие, установленные в репитерах гирокомпаса в случае отказа последнего, а также в РЛС, РП и АР. В состав компаса входил прибор для автоматического непрерывного сличения его показаний с показаниями гирокомпаса.

Прибор содержал дифференциальный сельсин, поворот ротора которого на заданный угол взывал срабатывание микровыключателя, включавшего ревун. Компас "Сектор" выпускался на КИП3е небольшими сериями и использовался, главным образом, на рыболовных судах.

2.4. Компас "Сектор-К" (поз.6, табл.1)

Схема передачи была аналогична схеме компаса "Сектор" и отличалась только тем, что вместо сельсина-датчика синхронной передачи на выходе кинематической схемы был установлен СКВТ на цене оборота 360°, связанный четырехпроводной линией связи с СКВТ в навигационном комплексе "КАМА". Компас "Сектор-К" изготавливался двумя предприятиями: компас КМО-Т изготавливал КИПЗ, а центральный прибор передачи – ЗШП.

Компасы изготавливались в единичных количествах.

2.5. Компас "Поток" (поз.7, табл.1)

Был первым отечественным компасом с электронно-цифровой передачей передачей показаний. В донной части котелка был установлен миниатюрный двухкомпонентный феррозонд с ортогональными сигнальными обмотками. Феррозонд возбуждался прямоугольными импульсами тока с частотой W, полученной в результате деления частоты импульсов высокочастотного (1 МГц) кварцевого генератора.

При воздействии на феррозонд поля чувствительного элемента компаса на сигнальных обмотках возникали сигналы U1 и U2 , которые могут быть записаны как
U1 = ASin2WtSinK (1)
U2 = ASin2WtCosK
где А – амплитуды сигналов, t – время, К – магнитный курс

Для выделения курса К сигнал U1 сдвигался по фазе на 90°:
U1'= ACos2WtSinK (2)

После этого сигналы U1' и U2 суммировались:
U1' + U2 = A(Cos2W · SinK + Sin2WtCosK) = Asin(2Wt + K) (3)

Как следует из (3) суммарный сигнал имел постоянную амплитуду и фазовый сдвиг относительно удвоенной частоты возбуждения феррозонда 2Wt, равный магнитному курсу К. Для регистрации значения К использовалась ключевая схема, открывающая вход для высокочастотных импульсов, создаваемых генератором, на промежуток времени пропорциональный К, значение К сосчитанное счетчиком, включенным на выход ключевой схемы, преобразовывалось в двоично-десятичный код (десятые доли, единицы, десятки и сотни градусов курса К) с последующей дешифровкой в код засветки четырехразрядных вакуумных цифровых индикаторов курса, размещенных в центральном приборе и цифровых репитерах компаса. Для ручного ввода в показания индикаторов общей поправки компаса (сумма остаточной девиации и склонения) использовался электромашинным фазовращатель, включенный последовательно после сумматора.

Компас "Поток" разрабатывался в период использования малоинтегрированной элементной базы, вследствие чего схема передачи была весьма объемистой. Кроме того, фазовый метод измерения курса определял неудовлетворительное качество передачи при значениях К, близких к 0°; из-за этого потребовалось дополнить схему блоком, "гасящим" ложные отсчеты возле 0° и превращающими их в нулевые отсчеты в зоне ±1° от К = 0°. Поэтому дальнейшие разработки передач для компасов КМ 145, КМ 145-М, КМ 145-П были основаны на более надежных электромеханических устройствах.

2.6. Компас КМ 145 (поз.8, табл.1)

На дне котелка были установлены два ортогональных линейных дифференциальных феррозонда. При воздействии на них поля чувствительного элемента компаса, напряжения сигналов U1 и U2, снимаемые с их сигнальных обмоток, определялись как:
U1 = ASin2WtSinK (4)
U2 = ASin2WtЧCosK

Сигналы U1 и U2 подавались на синусную и косинусную обмотки СКВТ, размещенного в центральном приборе компаса; сигнал с выходной обмотки СКВТ, работавшего в трансформаторном режиме, подавался на вход полупроводникового усилителя. К выходу усилителя была подключена обмотка управления двигателя-тахогенератора. Напряжение с выхода тахогенератора суммировалось с сигналом СКВТ на входе усилителя, но было в фазе, противоположной сигналу. Это напряжение (обратная связь) повышало устойчивость следящей системы и, при его увеличении, уменьшало скорость отработки изменений курса для осреднения показаний компаса в случае качки. Двигатель приводил через редуктор вал нелинейного индукционного ленточного корректора, сигнал которого также подавался на вход усилителя и служил для ввода в вырабатываемый курс инструментальных поправок феррозондов.

Также, как в предшествующих передачах, общая поправка вводилась вручную через дифференциал.

На выходе следящей системы на цене оборота 1° работал сельсин-датчик, связанный с сельсинами-приемниками в стандартных репитерах несамосинхронизирующимися связями.

Передача компаса КМ 145 применена в составе компаса КМ 145-П (поз.9, табл.1).

2.7. Компас КМ 145-С (поз.10, табл.1)

На дне котелка был закреплен двухкомпонентный кольцевой феррозонд. Усилитель следящей системы был унифицированным. На выходе следящей системы вместо сельсина-датчика были установлены на ценах оборота 360° два одинаковых СКВТ, передающих по линиям связи значения истинного курса в навигационный комплекс, причем информация с одного из них использовалась для документирования значений курса.

2.8. Компас КМ 115-07 (поз.11, табл.1)

Два однокомпонентных кольцевых феррозонда размещены ортогонально на внешней поверхности стенки котелка на уровне кольцевого магнита чувствительного элемента. Под воздействием магнитного поля магнита возникают сигналы U1 и U2:
U1 = A Sin2WtCosK (5)
U2 = ASin2WtSinK

Напряжения U1 и U2 преобразуются после фазочувствительного выпрямления с помощью двух аналого-цифровых преобразователей в импульсные двоичные коды. Оба закодированные сигнала подаются на входы программируемого микропроцессора, в котором осуществляется операция деления:
U2/U1=SinK/CosK=tgK (6)
а также вычисление
K=arctg U2/U1 (7)

При этом номер квадранта учитывается по фазам U1 и U2.

Для того, чтобы точность вычисления значения К не снижалась при приближении к значениям, кратным m?/2,
где m = 1, 3… вычисление К в каждом квадранте производится по (7) при 0<К K=arcctg U1/U2 (8)

Значение К может быть просуммировано с введенным вручную в микропроцессор значением общей поправки, полученное значение истинного курса после этого преобразуется в код индикаторов и индицируется на цифровых табло центрального прибора и репитеров.

Кроме этого, в цифроаналоговом репитере закодированное значение истинного курса преобразуется в угол поворота шкалы с помощью шагового двигателя. Электронная схема передачи обеспечивает осреднение знакопеременных отклонений показаний при воздействии качки с применением цифрового фильтра-задержки. Для уменьшения влияния инструментальных погрешностей феррозондов в передаче используется программа кусочно-линейной аппроксимации погрешностей и ее исключения из показаний индикаторов курса. Схема обеспечивает также индикацию отклонений от заданного штурманом генерального курса на угол ±5° и ±10°, прерывистым и непрерывным сигналами, соответственно. Кроме этого, значения истинного курса выдаются любым потребителям в виде импульсного кода в формате NMEA RS 232.

2.9. Компас КМ 145-М (поз.12, табл.1)

Схема передачи аналогична схеме компаса КМ 145 и отличается от нее следующими особенностями:
- кроме выходного сельсина-датчика на цене оборота 1° в кинематическом устройстве следящей системы установлен СКВТ на цене оборота 360°. Для преобразования истинного курса в импульсный код служит дополнительное электронное устройство, выполненное на плате, поставляемой КИПЗу разработавшим его Пермским приборостроительным объединением.

Недостатком передачи является ее сложность, вызванная двойным преобразованием курса.

Выводы и прогноз

  1. Средний промежуток времени между завершениями разработок дистанционных компасов составляет около 5 лет. За период с 1938 г. по 2002 г. – 12 разработок.
  2. Эволюция оптических передач состояла в переходе от геометрической оптики к стекловолоконной оптике и обратно. Применение гибких световодов (компасы "Поток", КМ 145, КМ 145-С4) было вызвано желанием улучшить эргономические свойства передач путем исключения необходимости жесткой привязки места размещения основного компаса к месту размещения главного поста управления рулем. Возвращение к более дешевой геометрической оптике (компасы КМ 145-С1, КМ 145-М) определялся, главным образом, высокой стоимостью стекловолоконных световодов.
  3. Эволюция электрических передач состояла в последовательном переходе от следящих электромеханических систем с использованием котелка компаса в качестве регулируемого элемента (компасы КМД, КДЭ-П) к схемам, в которых все электромеханические элементы были перенесены в центральные приборы дистанционных передач (компасы "Сектор", "Сек- тор-К", КМ 145, КМ 145-С) вследствие применения индукционного (феррозондового) преобразования азимутального положения чувствительного элемента в электрические сигналы. Применение индукционного преобразования сохранилось и при переходе к электронно-цифровым передачам (компасы "Поток", КМ 115-07).
    Применение двухкратного преобразования курса (электромеханическая следящая система с дополнительным электронно-цифровым блоком на выходе в компасе КМ 145-М) следует считать неоправданным из-за сложности, пониженной надежности передачи и ее значительной себестоимости.
  4. Феррозондовые преобразователи имеют небольшую себестоимость, высокую надежность, но частота полезного сигнала вдвое превышает частоту их возбуждения. Кроме того, в нашей стране феррозонды являются элементами собственного изготовления. Поэтому представляется целесообразным рассмотрение применения вместо них полупроводниковых магниторезисторов.
    По патентной информации, в передовых промышленных странах такой переход уже осуществляется.