Кардашинский-Брауде Л.А. - Минимизация погрешностей передачи курса дистанционным магнитным компасом

Опубликовано 06 Февраля 2007 года в 19:24:40
Просмотров: 3440

Кардашинский-Брауде Л.А., Клейман А.Ю., Пугачев В.Н. Публикация, посвященная теме "Минимизация погрешностей передачи курса дистанционным магнитным компасом", состоящая из семи частей.

Кардашинский Л.А.
Клейман А.Ю.
Пугачев В.Н.

I

1. Действующими нормативными документами [1, 2] регламентируется максимальное значение погрешности передачи курса между магнитным стрелочным компасом и его репитерами, не превышающее ±0,5° [1] или ±1,0° [2]. Инструментальная часть погрешности может быть уменьшена до максимального значения, не превышающего ±0,2°, аппаратными или программными средствами в зависимости от вида передачи курса. Однако, кроме инструментальной, существует методическая погрешность, присущая передачам с индукционным (феррозондовым) съемом азимутального положения магнитного чувствительного элемента (МЧЭ), наиболее широко применяющимися всеми ведущими приборостроительными фирмами мира. Причиной появления данной погрешности является градиент горизонтальной составляющей индукции магнитного поля, создаваемого компенсаторами девиации, между МЧЭ и индукционными датчиками (ИД) съема. Последнее может быть объяснено следующим: в процессе девиационных работ производится тщательная компенсация всех составляющих векторов индукции поля корабля в точке размещения МЧЭ путем создания компенсаторами девиации составляющих поля, равных по модулям и встречно направленных к составляющим поля корабля. Поле корабля в точках размещения МЧЭ и ИД можно считать однородным вследствие малого расстояния между ними, вызванного необходимостью получения значительных величин индукции поля МЧЭ в месте размещения ИД для уменьшения инструментальной погрешности. Однако, при малых расстояниях между МЧЭ, ИД и компенсаторами девиации, между ними возникает градиент поля, вызывающий появление методической погрешности.

Это может быть показано на векторной диаграмме, изображенной на рисунке 1.


Рисунок 1

  • M - вектор магнитного момента МЧЭ
  • CoαH - вектор постоянной составляющей магнитного поля корабля
  • C и C1 - векторы поля компенсатора полукруговой девиации
  • ΔC - градиент поля компенсации полукруговой девиации
  • αH - вектор горизонтальной состовляющей магнитного поля Земли в области МЧЭ
  • Hm - вектор поля МЧЭ в области ИД
  • 1 и 2 - ИДy и ИДx

На рисунке 1 изображена векторная диаграмма для случая, когда корабль лежит на магнитном курсе 0°, полукруговая девиация компаса скомпенсирована и, в то же время, имеет место методическая погрешность съема и передачи курса , вследствие наличия градиента .

Данная погрешность, как будет показано ниже, является функцией магнитного курса корабля. Значение градиента и изменяется после каждого цикла девиационных работ. Вследствие значительной трудоемкости определения и исключения методической погрешности из показаний репитеров, требующей больших затрат ходового времени корабля, необходимо минимизировать градиенты полей компенсаторов девиации в процессе проектирования компасов.

Ниже будут приведены аналитические зависимости градиентов полей компенсаторов отпараметров компенсаторов и их размещения в нактоузе и вне его. При этом будут рассмотрены два варианта взаимного расположения МЧЭ и ИД.

Первый, наиболее часто встречающийся на практике, вариант может быть назван вертикальным (центры МЧЭ и двухкомпонентного ИД находятся на общей вертикальной или перпендикулярной к палубе оси, причем ИД находится ниже МЧЭ).

Второй вариант может быть назван горизонтальным (центры однокомпонентных, взаимно ортогональных ИД находятся в одной плоскости с МЧЭ на равных расстояниях от него).

Составим, последовательно, выражения для градиентов горизонтальных составляющих градиентов напряженности магнитного поля компенсаторов всех видов девиации – полукруговой, креновой, четвертнойи электромагнитной, между точками размещения МЧЭ и ИД для обоих вариантов размещения МЧЭ относительно ИД на котелках компасов.

II

2. Компенсатор полукруговой девиации (КПД) всегда расположен на вертикальной оси нактоуза и создает два ортогональных вектора постоянного поля в области МЧЭ в плоскости палубы по диаметральной Х и поперечной У осям корабля.

Взаимное положение МЧЭ, ИД и КПД показано на рисунке 2.


Рисунок 2

Вторая компонента, перпендикулярная к плоскости рисунка, не показана, т.к. ее воздействие на погрешность аналогична воздействию первой. Из рисунка 2 [4] следует, что

Возвращаясь к рисунку 1, получим

где К – магнитный курс корабля. Как правило, Нм >> lН, поэтому максимальное значение имеет место при cosK = 1 и может быть записано как

при малых (в радианах)

При этом, значение НМЧЭ в (2.4) может быть получено из выражения

Данный вариант реализован в компасе КМ 145, причем значение макс не превышает ±0,5° за счет значительного размера R1 при малом R1 – R2. Попытка установить КПД на малых расстояниях R1 и R2 от МЧЭ и ИД реализованнаяв компасе КП-М (Катав-Ивановский приборостроительный завод) приводит к недопустимым значениям , значительно превышающим требования [1, 2]. Малое расстояние R1, реализованное в компасе КМ 115-07 (ОАО "Штурманские приборы"), не привело к увеличению , благодаря использованию второго, горизонтального размещения ИД относительно МЧЭ. Последнее может быть показано на рисунке 3.


Рисунок 3

В этом случае

Этот результат проверен экспериментально, причем получено значение не превышающее ±0,5° при значениях В и С не менее 25.

III

3. Компенсатор креновой девиации (ККД) всегда расположен возле вертикальной оси нактоуза и создает вектор постоянного поля, перпендикулярный плоскости палубы.

Взаимное положение МЧЭ, ИД и ККД для первого варианта показано на рисунке 4 для случаев горизонтальной и наклоненной на угол i палубы.


Рисунок 4

Очевидно, что при горизонтальной палубе DН = 0, а при наклонной разность горизонтальных проекций напряженностей поля ККД в точках размещения МЧЭ и ИД выражается формулой

В соответствии с (2.4) при подстановке в нее вместо выражения в знаменателе (2.5) могут быть получены различные значения max в зависимости от конкретных значений R1, R2 и МК, однако значение i является при синусоидальной или близкой к синусоидальной качке знакопеременным и, соответственно, в этом случае также знакопеременна, поэтому минимизация погрешности достигается ее осреднением. Например, в компасе КМ 145 осреднение достигается путем уменьшения скорости отработки текущих значений курса следящей системой.

Во втором варианте, показанном на рисунке 5


Рисунок 5

Вектор перпендикулярен плоскости палубы, равен по модулю и противоположно направлен к вектору поля корабля Z1.

В областях ИДх и ИДу на "ровном киле" действуют одинаковые горизонтальные проекции векторов поля ККД У и ХК (на рисунке не показан), которые перпендикулярны к магнитным осям ИДх и ИДу и не влияют на выработку значения магнитного курса. При наклонах палубы, вызванных качкой, возникают знакопеременные, продольные по отношению к осям ИДх и ИДу горизонтальные проекции разностей векторов создаваемых ККД и Z, которые подлежат осреднению и исключению их влияния на выработку магнитного курса. В компасе КМ 115-07 последнее достигается применением цифрового фильтра с большой постоянной времени.

Применение фильтра уменьшает помеху, действующую с частотой качки, на порядок.

IV

4. Компенсаторы четвертной девиации (КЧД) создают в области МЧЭ горизонтальный вектор поля с, изменяющийся, вследствие индуктивного перемагничивания пластин компенсатора модулем. Вектор поля компенсатора в области МЧЭ и ИД направлен по продольной плоскости нактоуза и выражается формулой

При первом варианте взаимного размещения МЧЭ, ИД и КЧД, изображенном на рисунке 6, значения ХК в областях МЧЭ и ИД при R1 = R2 одинаковы, градиент поля КЧД между МЧЭ и ИД отсутствует или, в случае небольшой асимметрии половин КЧД, мал. Вследствие этого DК @ 0.


Рисунок 6

При втором варианте взаимного размещения МЧЭ, ИД и КЧД, изображенном на рисунке 7, в случае, когда магнитные оси ИД1 и ИД2 ортогональны и образуют угол ±45° с продольной плоскостью нактоуза.


Рисунок 7

Очевидно, градиент магнитного поля КЧД в точках размещения центров МЧЭ и ИД существует. Однако, вследствие симметричного размещения ИД относительно КЧД воздействие поля КЧД на оба ИД одинаково и, вследствие этого, не сказывается на выработке значения магнитного курса К. Однако, в варианте размещения ИД, показанном на рисунках 1 и 3, вследствие отсутствия симметрии положений ИД относительно КЧД, градиент будет, как показано на рисунке 8, составлять для ИДx DН = (а – а1)lН, что вызывает появление погрешности выработку курса .


Рисунок 8

V

5. Компенсаторы электромагнитной девиации (КЭД) создают в области МЧЭ как перпендикулярные палубе (картушкой Z), так и параллельные палубе продольные и поперечные (картушками Х и У) составляющие магнитных полей.

При первом варианте взаимного размещения МЧЭ, ИД и КЭД, показанном на рисунке 9 и соответствующей компоновке нактоуза компаса КМ 145, МЧЭ и ИД расположены симметрично относительно осей катушек Х и У и, вследствие симметрии, градиенты полей, создаваемых этими катушками как при горизонтальной плоскости палубы, так и при ее наклонах, не возникают.


Рисунок 9

Катушка Z вследствие неравенства расстояний R1 и R2, создает градиент поля, перпендикулярного к палубе, равный (в системе единиц СИ) [5]

Данный градиент не вызывает появление погрешности DК при горизонтальной палубе, но является источником знакопеременной погрешности, аналогичной погрешности, вызываемой ККД, и рассмотренной в разделе 3.

При втором варианте взаимного расположения МЧЭ, ИД и КЭД, показанном на рисунке 10, МЧЭ и ИД расположены на близких расстояниях от центров катушек Х и У, вследствие чего градиент горизонтальной составляющей магнитного поля, создаваемого катушками Х и У, мал, что исключает возможность появления погрешности , превышающей заданные [1, 2] значения.


Рисунок 10

Вследствие близости расстояний между центрами катушки Z, центрами МЧЭ и ИД градиент вертикальной составляющей DZ меньше, чем при первом варианте взаимного расположения МЧЭ, ИД и катушки Z (при равных расстояниях между центрами МЧЭ и катушки).

VI

6. Основные результаты исследования представлены в таблице 1.


Таблица 1

VII Выводы

Используемая литература

  1. Стандарт ISO 11606 "Суда и морская технология. Морские электромагнитные компасы", 1996.
  2. Правила по оборудованию судов. Морской Регистр судоходства РФ, 1999.
  3. Бюллетень № 2 к "Правилам по оборудованию судов. Морской Регистр судоходства РФ", 2001.
  4. Кардашинский-Брауде Л.А. "Современные судовые магнитные компасы", С-Пб, ЦНИИ "Электроприбор", 1999.
  5. 5. Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В. и др. "Средства измерений параметров магнитного поля", Л. Энергия, 1979.