Теория магнитных компасов. Теория девиации

Размещено на http://www.allbest.ru

КАФЕДРА СУДОВОЖДЕНИЯ

Контрольная работа

по учебной дисциплине “Технические средства судовождения”

задание контрольной работы № 2

Теория магнитных компасов. Теория девиации

2013

План контрольной работы

Введение

Название вопросов

1. Дать теоретическое обоснование уничтожения полукруговой девиации способом Эри

2. Дать теоретическое обоснование уничтожения полукруговой девиации способом Колонга

3. Дать теоретическое обоснование уничтожения четвертной девиации

4. Дать теоретическое обоснование уничтожения креновой девиации

5. Дать теоретическое обоснование уничтожения девиации от индукции

6. Дать теоретическое обоснование уничтожения электромагнитной девиации

7. Дать теоретическое обоснование уничтожения девиации от изменения широты места

8. Описать принцип действия системы дистанционной передачи информации магнитных компасов (КМ-145- …)

9. Дать характеристику судовым магнитным силам и девиациям, которые они порождают

10. Описать устройство дефлектора и инклинатора и указать основные проверки этих приборов

11. Рассчитать коэффициенты и составить рабочую таблицу девиации по следующим исходным данным

№ вар

Размещено на http://www.allbest.ru

N	NE	E	SE	S	SW	W	NW
4		-0.6	-1.6	-1.7	-0.5	+0.4	+1.5	+0.8	-1.1

Заключение

Литература

Введение

Магнитный компас (МК) является одним из наиболее древних приборов, который в течение многих столетий успешно помогал судоводителям решать их профессиональные задачи. Его по праву можно отнести к категории самых надежных изделий, используемых на морских судах. Однако развитие альтернативных, более точных методов определения курса судна несколько снизили его значимость. Тем не менее, указанное обстоятельство не дает оснований предполагать, что в ближайшее время компас будет снят с эксплуатации.

В канун наступающего столетия Международная морская организация (ИМО) подготовила новые правила, направленные на повышения безопасности судоходства. 24 сентября 1999 г. на 45 сессии Подкомитета ИМО по безопасности мореплавания завершилась работа по подготовке в значительной степени пересмотренной Главы 5 Конвенции С'ОЛАС-74. Новым в этой главе является Правило 15. в котором изложены принципы, связанные с конструкцией мостика и порядком его оснащения навигационными системами и оборудованием. В соответствии с этими правилами магнитный компас по-прежнему остается в составе оборудования в качестве резервного курсоуказателя, позволяющего осуществлять контроль качества работы гирокомпаса и решать навигационные задачи при выходе гирокомпаса из строя. магнитный компас судовой девиация

Как и все другие приборы, магнитные компасы постоянно совершенствуются. Разрабатываются новые их модели, улучшается конструктивное оформление основных элементов компаса, внедряются новые способы получения, обработки и отображения информации, развивается и уточняется теория девиации МК, отрабатываются способы автоматической коррекции ошибок компаса. Все это диктует необходимость постоянного совершенствования знаний специалистов, практически использующих компасы в своей профессиональной деятельности.

1. Дать теоретическое обоснование уничтожения полукруговой девиации способом Эри

Английский астроном Джордж Эри (1801--1892). Эри был иностранным членом-корреспондентом Петербургской академии наук и известен трудами по теоретической астрономии. Разработал уничтожение полукруговой девиации, которое заключается в компенсации судовых сил BлН и CлН при помощи продольных и поперечных магнитов - уничтожителей. Способ требуют последовательно направлять судно на 4 курса -- N, S, E, W.

Способ Эри основан на наблюдении девиации как разности между магнитным (заданным) и компасным (наблюдаемым по картушке компаса) курсами судна. В основу способа Колонга положено измерение магнитных сил, действующих на компас. Для этого необходимо иметь специальный магнитометр -- дефлектор, позволяющий измерять индукцию магнитного поля в центре картушки компаса.

Способ Эри выполняется на четырех главных магнитных курсах N, S, E, W. Задача состоит в том, чтобы в результате наблюдений найти такое положение для магнитов-уничтожителей, при котором продольные магниты компенсируют силу BлН, а поперечные -- CлН. При этом другие силы (AлН, DлН, EлН) должны оставаться неискаженными, с их первоначальными значениями. Сущность способа Эри можно пояснить при помощи многоугольника сил. На рис. 1 показаны силы, действующие на компас, когда судно идет магнитным курсом N(0°).



Силы лН, DлН, BлН направлены по магнитному меридиану N_M и девиации не создают. Силы AлН, EлН и CлН, направленные поперек меридиана, образуют девиацию д_N. Силу CлН нужно скомпенсировать поперечными магнитами-уничтожителями, а силы AлН и EлН при этом должны оставаться нетронутыми. Иначе говоря, необходимо наблюдаемую девиацию д_N ликвидировать не полностью, а только уменьшить ее на величину д_N⁰, которая создается силой CлН. Однако величина д_N⁰ неизвестна, по картушке виден полный угол девиации д_N. Поэтому поступают следующим образом: поперечными магнитами-уничтожителями создают силу F_N, которая полностью компенсирует сумму сил (AлН+ EлН+ CлН); при этом наблюдаемая по картушке девиация д_N доводится до нуля. Компенсирующую силу F_N представляют в виде двух частей:

F_N= f₁+f₂, причем |f1| = CлН, |f2| =AлН+ EлН.



Силы АлН и ЕлН компенсации не подлежат, но оказались скомпенсированными, поэтому их необходимо восстановить. Для этого судно направляют на магнитный курс S (180°). Многоугольник сил для этого курса представлен на рис. 2.

Сила СлН остается скомпенсированной частью f₁, но другая часть -- f₂ на курсе направлена в ту же сторону, что и силы AлН и ЕлН. Это означает, что наблюдаемая девиация д_S образуется суммой сил AлН + ЕлН + f₂. Поскольку |f₂.| = AлН + ЕлН, можно считать, что девиация д_S создается как бы удвоенной суммой сил 2(AлН + ЕлН). Поэтому уменьшение девиации д_S в два раза, т.е. доведение наблюдаемой на курсеS девиации д_S до величины 1/2 д_S путем перемещения поперечных магнитов-уничтожителей, будет означать ликвидацию "лишней" части f₂. При этом сила СлН окажется скомпенсированной за счет действия f₁, и эта компенсация будет оставаться на любом курсе судна.

Итак, для того чтобы скомпенсировать силу СлН, необходимо:

1) лечь на магнитный курс N(0°) и при помощи поперечных магнитов-уничтожителей довести наблюдаемую на этом курсе девиацию д_N до нуля;

2) лечь на магнитный курс S(180°) и при помощи тех же поперечных магнитов-уничтожителей довести появившуюся на этом курсе девиацию д_S до половинного значения 1/2 дS.

Сила СлН окажется скомпенсированной.

Для компенсации силы BлН следует выполнить аналогичные действия на двух других магнитных курсах:

1) лечь на магнитный курс Е(90°) и при помощи продольных магнитов-уничтожителей довести наблюдаемую на этом курсе девиацию д_E до нуля;

2) лечь на магнитный курс W(270°) и при помощи тех же продольных магнитов-уничтожителей довести появившуюся на этом курсе девиацию д_W до значения1/2д_W.

Сила BлН окажется скомпенсированной. В итоге полукруговая девиация уничтожена.

Главное достоинство способа Эри -- простота выполнения. Не требуется никаких дополнительных приборов. Единственная трудность этого способа -- приведение судна на заданные магнитные курсыN, S, E, W. Непосредственно по картушке магнитного компаса сделать это невозможно. Можно применять метод приведения судна на заданный магнитный курс по курсовому углу створа (или отдаленного предмета), магнитное направление которого известно (см. рис. 3).

По рис. 3 видно, что при пересечении створной линии на заданном магнитном курсе МК угол КУ должен иметь вполне определенное значение:

КУ= МП-МК. (1)

Рассмотрим конкретный пример.

Допустим, требуется лечь на МК= 45° (рис. 3). Имеется створ с известным магнитным направлением, например, МП= 64,5°. Рассчитаем значение курсового угла для этого случая:

КУ= МП- МК= 64,5 - 45 = 19,5°.

Следовательно, чтобы лечь на заданный курс МК= 45°, нужно заранее установить пеленгатор по азимутальному кругу на отсчет КУ= 19,5°. Затем необходимо изменять курс судна и удерживать его так, чтобы в момент пересечения створа визирная плоскость пеленгатора оказалась совмещенной со створной линией, т.е. в этот момент наблюдатель должен видеть створные знаки через визирное приспособление пеленгатора. При этом пеленгатор поворачивать нельзя, он должен оставаться на отсчете КУ=19,5°.

Следует иметь в виду, что курсовой угол при расчете по формуле (1) должен всегда быть положительным в пределах от 0 до 360°. Например, если задан МК= 135°, то при МП= 64,5° расчет по формуле (1) нужно выполнять с добавлением360°, т.е.:

КУ= МП- МК= (64,5° + 360°) - 135° = 289,5°.

С появлением гирокомпаса выполнение способа Эри упростилось: приводить судно на заданные магнитные курсы можно без использования береговых предметов и курсовых углов. Необходимо только взять с навигационной карты магнитное склонение d и учесть его при назначении гирокомпасного курса ГК, который соответствует заданному магнитному курсу. Расчет выполняют по известной формуле:

ГК= МК+ d - ?ГК,

где ?ГК-- поправка гирокомпаса.

Поскольку ?ГК практически всегда близка к нулю, можно пользоваться более простой формулой:

ГК= МК+ d. (2)

Например, если d= +10,5°, для приведения судна на магнитные курсы N, S, E, W, что необходимо для выполнения способа Эри, нужно пользоваться следующей таблицей:

МК	N(0°)	S(180°)	Е(90°)	W(270°)
ГК	10,5°	190,5°	100,5°	280,5°

При выполнении способа Эри с применением гирокомпаса необходимо учитывать одно обстоятельство: при маневрировании судна у гирокомпаса возникает инерционная погрешность, которая имеет переменный (периодический), медленно затухающий характер. Величина этой погрешности в высоких широтах может достигать нескольких градусов.

Для уменьшения инерционных погрешностей рекомендуется выполнять способ Эри на малых ходах.

В широтах выше 70° применение способа Эри по показаниям гирокомпаса дает существенные ошибки, поэтому более предпочтительно использовать метод курсовых углов.

2. Дать теоретическое обоснование уничтожения полукруговой девиации способом Колонга

Иван Петрович Колонг (1839--1901) русский ученый, член-корреспондент Петербургской академии наук. Разработал уничтожение полукруговой девиации. Задача заключается в том, чтобы свести к минимуму влияние судовых сил BлН и CлН при помощи продольных и поперечных магнитов - уничтожителей. Способ требуют последовательно направлять судно на 4 курса-- N, S, E, W.

Способ Колонга основан на измерении результирующих магнитных сил H'_N H'_S H'_E H'_W на четырех главных компасных курсах и доведении этих сил продольными и поперечными магнитами до таких величин, которые наблюдались бы при отсутствии сил BлН и CлН Способ Колонга менее точен(по сравнению со способом Эри). Ошибки возникают из-за влияния судовых сил АлН и ЕлН. При теоретическом обосновании способа Колонга силы АлН и ЕлН принимают равными нулю, что вполне допустимо по отношению к магнитному компасу, установленному на верхнем мостике.

Сущность способа Колонга можно понять при рассмотрении ногоугольника сил. На рис. 4 показаны силы, действующие на компас, когда судно идет компасным курсом N(0°). Силы АлН и ЕлН не учитываются.

Рис. 4 показывает, что если результирующий вектор H'_N действием продольных магнитов-уничтожителей уменьшить и довести до величины H_N⁰, то при этом сила BлН окажется скомпенсированной. (Предполагаемая компенсационная сила f отмечена штриховой линией). Однако выполнить такую компенсацию пока нельзя, т.к. неизвестна величина силы BлН. Поэтому на компасном курсе N выполняют только одно действие -- измеряют величину результирующего вектора H'_N при помощи специального магнитометра. Этот измерительный прибор, предложенный в свое время Колонгом, позволяет определить индукцию магнитного поля в центре картушки компаса в условных дефлекторных единицах(д.е.). Итак, на компасном курсе N измеряют силу H'_N , а затем, сняв дефлектор с компаса, направляют судно на компасный курс S (180°).

На рис. 5 представлен многоугольник сил при k'= 180°. При условии АлН= 0, EлН= 0 девиация д_S равна д_N по величине, но обратна по знаку. Фигуры многоугольников зеркально симметричны. Равенство д_S= д_N= д можно доказать с помощью основной формулы:

д=A+ B sink'+ C cosk' + D sin2k'+ E cos2k' (3)

На рис. 5 показано: для компенсации силы BлН на курсе S подходит та же компенсационная сила f (см. рис. 4). Если бы она существовала, то результирующий вектор H'_S имел бы величину H⁰_S

Анализируя рис. 4, 5, можно записать:

H'_N = лН cosд+ DлН cosд+ BлН= H⁰_N + BлН;

H'_S = лН cosд+ DлН cosд- ВлН= H⁰_S - ВлН;

H⁰_N = H⁰_S = лН(l + D)cosд= H⁰.

Величина H⁰ -- это некоторое значение результирующего вектора, свободное от судовой силы BлН, одинаковое и для компасного курса N, и для компасного курса S. Из рассмотренных выражений можно найти искомую величину:

Следовательно, для компенсации силы BлН необходимо:

1) направить судно на компасный курс N (непосредственно по картушке компаса) и измерить дефлектором результирующую силу H'_N;



2) направить судно на компасный курсS, измерить силу H'_S и рассчитать среднее значение затем установить продольные магниты-уничтожители в нактоузе таким образом, чтобы измеряемая дефлектором индукция H'_S стала равной величине H¹_S. При этом судовая сила BлН окажется скомпенсированной.

Аналогичным образом можно доказать, что среднее значение рассчитанное по двум измеренным дефлектором величинам H'_E и H'_W не зависит от судовой поперечной силы CлН. Следовательно, для компенсации этой силы требуется:

1) направить судно на компасный курс Е и измерить дефлектором силу H'_E;

2) направить судно на компасный курс W, измерить силу H'_W и рассчитать среднее значение затем установить поперечные магниты-уничтожители в нактоузе так, чтобы измеряемая дефлектором индукция H'_W стала равной величине H₂⁰. При этом судовая сила CлН окажется скомпенсированной. Способ Колонга автономен, поскольку при его выполнении не требуются береговые или небесные ориентиры. Его можно также применять в тех случаях, когда неисправен гирокомпас. В этом состоит преимущество способа Колонга перед способом Эри. К недостаткам способа Колонга можно отнести его меньшую, по сравнению со способом Эри, точность, а также необходимость применения дополнительного прибора-- дефлектора.

3. Дать теоретическое обоснование уничтожения четвертной девиации

Уничтожение четвертной девиации заключается в компенсации судовых сил DлН и EлН, происходящих от мягкого железа. В качестве компенсаторов четвертной девиации применяют горизонтальные элементы из мягкого ферромагнитного материала, устанавливаемые в верхней части нактоуза, снаружи, на уровне картушки компаса.

Условие уничтожения четвертной девиации можно выразить равенствами:

D=D_С+D_K=0; (5)

Е=Е_С+Е_К=0, (6)

где D, E-- суммарные коэффициенты, обусловленные совместным действием судового железа и компенсаторов(остаточные коэффициенты четвертной девиации); D_C, E_C и D_K, Е_К-- коэффициенты от мягкого судового железа и от компенсаторов, соответственно.

Рассмотрим принцип компенсации судовой силы D_CлН. Коэффициент

D_С характеризуется выражением:

Судовые параметры ас и ес, всегда имеют отрицательный знак, причем по абсолютной величине параметр е_с всегда больше параметра а_с. Следовательно, имеют место зависимости:

Отсюда можно сделать вывод, что судовой коэффициент D_C -- всегда положительный. Значит, для компенсации судовой силы D_CлН необходимо иметь компенсаторы, создающие отрицательный коэффициент D_K. Он будет отрицательным, если разность (а_к- е_к) -- отрицательное число.

В качестве компенсатора четвертной девиации можно взять элемент из мягкого ферромагнетика и расположить его вблизи компаса на уровне картушки. Этот элемент(компенсатор) может иметь форму стержня, пластины, шара и т.п. На рис. 6 показан компенсатор в виде продольного горизонтального стержня, который находится в магнитном поле Земли, т.е. намагничивается проекциями: продольной +Х и поперечной +Y. В точке О (центр картушки) такой компенсатор, как источник собственного поля) создает силы -- а_кХ и + е_кY, т.е. формирует отрицательный параметр - а_к и положительный +е_к. При этом образуется отрицательный компенсационный коэффициент - D_К:

Это значит, что элемент из мягкого ферромагнетика произвольной формы, установленный сбоку от компаса, может стать компенсатором четвертной девиации, если выполняется условие|DС| = |DK|.

Наиболее распространенным видом компенсатора до недавнего времени были горизонтальные стержни круглого сечения, устанавливаемые продольно в верхней части нактоуза, по одному с каждой стороны. Длину стержней подбирали так, чтобы выполнялось условие (5). В последнее время получили распространение компенсаторы четвертной девиации, имеющие форму пластин. Они обладают рядом достоинств, о чем будет сказано в последующих параграфах.

Для компенсации судовой силы Е_СлН не требуется отдельных компенсаторов. Сила Е_СлН может быть скомпенсирована одновременно с силой DлН теми же самыми элементами. Для этого их необходимо развернуть в горизонтальной плоскости на некоторый угол б относительно продольной оси (рис. 7).

Величина угла б рассчитывается по формуле

б= 0,5arctgЕ_С/ D_C. (8)

Поворот компенсаторов по часовой стрелке создает отрицательный коэффициент Е_К, против часовой стрелки -- положительный Е_К .

4. Дать теоретическое обоснование уничтожения креновой девиации

При наклоне судна, т.е. при наличии крена, дифферента или при качке судна его намагниченность меняется, в результате появляется погрешность компаса, называемая креновой девиацией.

Силы, действующие на компас при прямом положении судна, характеризуются уравнениями Пуассона.

по оси х... Х'= X + аХ+ bY + cZ + Р

по оси у... Y' = Y + dX + eY + fZ + Q (9)

пo ocи z... Z' = Z + gX + hY + kZ + R

Параметры Пуассона неодинаковы по значению. Для рассмотрения влияния наклона судна можно оставить только самые существенные из них -- а, с, е, k, а остальные, имеющие более высокий порядок малости, отбросить.

Тогда уравнения Пуассона принимают более простой вид:

X' =X + aX+cZ + P;

Y'=Y+eY+Q; (10)

Z' =Z + kZ + R.

Рассмотрим, каким образом изменяется судовой магнетизм при появлении некоторого угла крена И (рис. 8).

Вместо составляющих X, Y, Z магнитного поля Земли при крене судна его корпус будет намагничиваться силами X_к,Y_к,Z_к которые представляют

собой проекции составляющих X, Y, Z на наклонные оси х₁, у₁, z₁:

X_к = X;

Y_к = Ycos И+ Zsin И; (11)

Z_к= Zcos И- Ysin И.

С учетом этих обозначений уравнения(10) приобретают новый вид:

X_к' = X_к+ aX_к+cZ_к+ P;

Y _к' = Y_к+eY_к+Q; (12)

Z _к'= Z_к+ kZ_к+ R.

Магнитные силы X_к',Y _к', Z_к', действуют на компас по наклонным осям х₁, у₁, z₁ (рис. 9). Картушка компаса при наклоне судна остается в горизонтальной плоскости. Поэтому, чтобы определить результат влияния сил X_к', Y_к', Z_к' на компас, необходимо эти силы привести к плоскости картушки, т.е. нужно найти проекции сил X_к', Y_к', Z_к' на оси х, у, z.

Обозначив новые силы, действующие по прямым осям, через X, Y, Z, и используя рис. 9, получаем:

Х" = X_к'

Y" = Y _к'cos И- Z_к'sin И; (13)

Z"= Z_к'cos И+ Y_к'sin И.

Силу Z" можно не рассматривать, т.к. она направлена перпендикулярно к плоскости картушки и отклоняющего действия на компас не оказывает. Остальные две силы, действующие в плоскости картушки, с учетом

Выражений (12) принимают вид:

Х" = X_к+ aX_к+cZ_к+ P;

Y" = (Y_к+eY_к+Q)cos И- (Z_к+kZ_к+R)sin И.

Подставив в эти выражения значения X_к, Y_к, Z_к из уравнений (11), можно записать:

X" =X + aX + c(Zcos И- Ysin И) + P;

Y" =[Ycos И+ Zsin И+ e(Ycos И+ Zsin И) + Q]cos И- [Zcos И- Ysin И+ k(Zcos И- Ysin И) + R]sin И.

При ограниченных углах крена, когда sinИ ? И, cosИ ?1, эти выражения имеют вид:

X" = X+aX + cZ - c ИY + P;

Y" = Y + eY +Q + e И Z + k И²Y - kИZ - RИ. (14)

Сравнивая уравнения (14) с исходными выражениями (10), легко прийти к выводу, что при крене судна в плоскости картушки (по оси у) возникает добавочная сила:

F_к(y) =[(e-k)Z-R)]И, (15)

Эта сила служит причиной появления креновой девиации. При качке судна F_к(y) имеет периодический характер: с частотой качки она действует попеременно, то к левому, то к правому борту. Под влиянием этой силы картушка отклоняется, у компаса наблюдается динамическая знакопеременная погрешность. Значение этой погрешности может быть весьма существенным (5...10°). Как показывает формула (15), сила F_к(y) и, следовательно, величина креновой девиации, зависят от угла крена И.

На рис. 10 показано действие силы F_к(y), на курсах N и E. Можно сделать вывод: при поперечном наклоне(крене) судна на курсах N и S креновая девиация д_к максимальна, а на курсах Е и W она равна нулю. Это означает, что креновая девиация имеет полукруговой характер.

Для уничтожения креновой девиации необходимо ликвидировать силу F_к(y), т.е. требуется сделать так, что бы величина F_к(y) была равна нулю при наличии угла крена И. Формула (15) показывает, что сила F_к(y) не возникает при условии:



[(e - k)Z - R] = 0 (16)

На рис. 11 показаны две вертикальные судовые силы: (е-k)Z и R. Их проекции на горизонтальную ось y(e-k)ZИ и RИ непосредственно воздействуют на картушку. При выполнении условия (16) силы уравновешивают одна другую, и, соответственно, креновая девиация не возникает. Для выполнения условия (16), т.е. для уничтожения креновой девиации, применяют вертикальный (креновой) магнит, устанавливаемый внутри нактоуза (см. рис. 11).

Он создает дополнительную вертикальную силу R_м, проекция которой R_мИ обеспечивает равенство сил, действующих на картушку влево и вправо по оси у. С учетом дополнительной силы R_м условие уничтожения креновой девиации принимает вид:

[(e-k)Z-(R+R_м] = 0, (17)

при

(R+R_м) = R_*.

Символом R_* здесь обозначена вертикальная сила R судового магнетизма, откорректированная креновым магнитом, создающим добавочное действие Rм. Для практического осуществления равенства (71) используется судовой инклинатор -- прибор, с помощью которого измеряется магнитное наклонение I' в точке, где располагается центр картушки компаса. Величина I' характеризуется выражением tgI'= Z'_Е/ Y'_Е, где Z'_Е и Y'_Е-- судовые магнитные силы, определяемые уравнениями Пуассона (10) для магнитного курса Е (или W). Если предположить, что полукруговая девиация предварительно уничтожена, т.е. поперечная сила Q скомпенсирована магнитами-уничтожителями (Q = 0), и, учитывая, что для магнитного курса Е (или W) составляющая Y по величине равна Н, тангенс магнитного наклонения определит выражение:

(18)

Подставляя в выражение (18) вместо R величину R_* из уравнения (17), находим:

(19)

I'_E = I

Где I -- магнитное наклонение в данном районе(вне судна).

Значение I можно взять с магнитной карты.

Уничтожение креновой девиации с применением судового инклинатора может быть выполнено в море во время рейса. Для этого необходимо:

-- судно, не имеющее ни крена, ни дифферента, направить на магнитный

курс Е (или W);

-- вместо котелка компаса установить судовой инклинатор;

-- действуя креновым магнитом, добиться, чтобы отсчет по инклинатору I'_E

стал равным значению I, снятому с магнитной карты для данного района плавания.

5. Дать теоретическое обоснование уничтожения девиации от индукции

На рис. 12 представлен компенсатор четвертной девиации в виде прямоугольного элемента из мягкого ферромагнитного материала. Он установлен на некотором расстоянии r от центра O₁ системы компаса. Размеры компенсатора подобраны таким образом, что отрицательный коэффициент элемента - D_K полностью компенсирует положительную величину судового коэффициента четвертной девиации +D_C. При этом выполняется условие уничтожения четвертной девиации (5).

Но существует одно обстоятельство, которое делает схему компенсации четвертной девиации более сложной. Дело в том, что компенсаторы устанавливаются на нактоузе в непосредственной близости к магнитной системе компаса. Вследствие этого компенсаторы помимо основной намагниченности от поля Земли, приобретают дополнительный магнетизм от влияния (индукции) магнитной системы компаса. Эта дополнительная намагниченность вызывает отклонение магнитной стрелки (картушки), которое называется девиацией от индукции.

Представим магнитный момент стрелки компаса в виде двух составляющих -- продольной М_x и поперечной М_y (см. рис. 12).

Величины М_x и М_y зависят от курса судна k:

Мx= M cos k; Мy= Msin k. (19)

Следует заметить, что если у компаса девиации нет, то магнитный k и компасный k' курсы одинаковы. На рисунке показан компенсатор в виде прямоугольного элемента. Он находится на расстоянии r от центра магнитной стрелки, действие которой характеризуется двумя моментами М_x и М_y. В точке О₂ (центр компенсатора) образуется магнитное поле, магнитную индукцию которого можно представить двумя векторами:

(20)

Компенсатор приобретает индуктивную намагниченность:

(21)

? продольную с магнитным моментом:

? поперечную с магнитным моментом:

где ж_х, ж_y-- магнитная восприимчивость компенсатора по осям х и у; V -- объем компенсатора.

Индуктивно намагниченный (от компасной стрелки) компенсатор становится источником собственного (дополнительного) магнитного поля. В точке О₁ (центр картушки) это дополнительное поле характеризуется двумя векторами магнитной индукции:

- продольный вектор;

Размещено на http://www.allbest.ru

- поперечный вектор. (22)

С учетом выражений (19), (20) и (21) получаем:

(23)

Введем обозначение постоянного коэффициента:

(24)



Выражения составляющих индукции приобретают вид:

h₁= ж_xNM cos k; h₂= ж_yNMsin k. (24)

Общий вектор индукции и направляющая сила лН в геометрической сумме характеризуют величину результирующего вектора Н' и определяют направление компасного меридиана N_K, по которому устанавливается картушка (рис. 13).

Угол отклонения д_инд. магнитной стрелки(картушки) от первоначального направления N_M и есть девиация от индукции.

Найдем проекции сил лН, h₁ и h₂ на направление mn, перпендикулярное компасному меридиану N_K:

влево от компасного меридиана лН sin д_инд. + h₂ cosk';

вправо от компасного меридиана h₁sin k'.

Составим уравнение равновесия действующих на картушку магнитных сил:

лНsin д_инд= h₁sink' - h₂ cosk'. (25)

Отсюда можно найти выражение для девиации индукционного вида:

Подставим в это выражение значения h₁ и h₂ из формул (24), в которых вместо магнитного курса k теперь не обходимо учитывать компасный курс k', т.е. угол между направлением компасной стрелки и диаметральной плоскостью судна. После подстановки получаем



или

(26)

Анализируя выражение (26), можно сделать следующие выводы:

1. Девиация от индукции имеет четвертной характер.

2. Коэффициент четвертной девиации от индукции, т.е. максимальное значение девиации, наблюдаемое на четвертных курсах, выражается формулой

(27)

где постоянный конструктивный коэффициент, зависящий от объема компенсатора V и обратно пропорциональный шестой степени расстояния r; ж_x, ж_y -- магнитные восприимчивости по продольной и поперечной осям, зависящие от качества материала и формы компенсатора.

3. Коэффициент индукционной девиации D_инд изменяется с переменой горизонтальной составляющей магнитного поля Н, т.е. при переходе судна из одного района плавания в другой. Наглядное представление о нестабильности индукционной девиации дает табл. 3.

Таблица3.

Район плавания	Н, мкТл	Dинд,°	Величина девиации
Индийский океан	40	1	Допустимая
Средиземное море	20	2	Допустимая
Сев. Атлантика	10	4	Большая
Карское море	4	10	Недопустимая

Как видно, диапазон изменения девиации от индукции весьма большой:

если в средних широтах девиация составляет1...2°, то при переходе в высокие широты она может увеличиваться до10°, что недопустимо. Поэтому необходимо добиваться уменьшения индукционной девиации, чтобы в средних широтах она не превышала0,2°, тогда и высоких широтах она не выйдет за пределы1°, что отвечает навигационным требованиям.

6. Дать теоретическое обоснование уничтожения электромагнитной девиации

Причиной девиации магнитного компаса может быть не только магнит, но и проводник с постоянным электрическим током. На современных судах предусмотрены специальные обмотки, предназначенные для защиты судов от магнитных мин. Эти обмотки, охватывающие корпус судна или его отдельные части, подключаются к источнику постоянного тока. Производится размагничивание судна, т.е. компенсация его собственного магнитного поля на глубине защиты, под днищем, и вероятность срабатывания магнитных мин уменьшается.

Под влиянием трех составляющих магнитного поля Земли корпус судна приобретает индуктивную намагниченность, которую можно представить тремя векторами: Мx, Мy, Мz (рис. 14), причем:

Мх= n₁Х = n₁Hcosk;

My = n₂Y= n₂Hsink; (28)

Mz = n₃Z,

где n₁, n₂, n₃ -- коэффициенты, зависящие от материала и размеров корпуса, соответственно.

Помимо индуктивного намагничивания, судно обладает также постоянным магнитным моментом, который I можно выразить таким же образом -- тремя векторами N_x,, N_y N_z , не зависящими ни от курса, ни от широты.

Для компенсации судового магнетизма применяют систему обмоток, которые, охватывая корпус судна, образуют как бы три больших соленоида по трем судовым осям: z, y, х. Обмотки, показанные на рис. 51, называются: основная 1, батоксная 2 и шпангоутная 3. Они компенсируют намагниченность по соответствующим осям (z, у, х). Каждая обмотка имеет несколько секций, в которых сила тока регулируется в зависимости от изменения курса и широты в соответствии с формулами (28).

В табл. 4 приведены основные данные для соответствующих обмоток размагничивания.

Таблица4.

Обмотки размагничивания	Секции в обмотке	Магнитный момент, компенсируемый обмоткой	Закон регулирования тока в обмотке
Основная	Широтная	Mz=n3Z	i5= nZ
	Постоянная	Nz= const	i6= const
Батоксная	Курсовая синусная	Мy= n2Hsink	i3= i0sink
	Постоянная	Ny= const	i4= const
Шпангоутная	Курсовая косинусная	Mz= n1Hcosk	i1= i0cosk
	Постоянная	Nx= const	i2= const

Характер электромагнитной девиации от стационарных обмоток размагничивания определяется законом, по которому регулируется сила тока в обмотках.

Постоянные и широтные секции обмоток, ток в которых не зависит от курса судна, в точке, где находится компас, создают три постоянные силы Pэ, Qэ, Rэ. Происходит изменение коэффициентов полукруговой девиации.

При включенных курсовых секциях изменяются коэффициенты постоянной и четвертной девиации.

Для уничтожения электромагнитной девиации применяют компенсирующее устройство (КУС), в которое входят электромагнитный компенсатор и регулировочные потенциометры. Электромагнитный компенсатор представляет собой систему из трех взаимно перпендикулярных соленоидов (х, у, z). В каждом соленоиде есть независимые секции витков: постоянная, широтная, курсовая синусная и курсовая косинусная. Компенсатор устанавливают в верхней части нактоуза под котелком компаса. Секции соленоидов КУС подключают параллельно соответствующим секциям обмоток размагничивания.

Силу тока в каждой секции подбирают при начальной регулировке с помощью отдельных потенциометров таким образом, чтобы обеспечить компенсацию в центре компаса сил, обусловленных действием обмоток размагничивания.

Процесс начальной регулировки тока в обмотках КУС с одновременным

изменением проекций магнитных сил в точке, где находится центр картушки компаса, называется уничтожением электромагнитной девиации. Эту работу выполняют на стоянке на произвольном курсе, близком к четвертному. Уничтожение электромагнитной девиации предусматривает последовательную компенсацию сил, которые приведены в табл. 5.

Таблица5.

Силы-- зависимость от курса и широты	Направление действия сил
	продольное	поперечное	вертикальное
Силы, не зависящие от курса судна, но зависящие от магнитной широты. Возникают при включении широтной секции основной обмотки размагничивания	P'э= m1Z	Q'э= m2Z	R'э=m3Z
Силы, не зависящие ни от курса, ни от широты. Возникают при включении постоянных секций всех обмоток размагничивания	Pэ	Qэ	Rэ
Силы, пропорциональные косинусу курса. Возникают при включении косинусных секций шпангоутных обмоток	Х1=X1°cosk	Y1=Y1°cosk	Z1=Z1°cosk
Силы, пропорциональные синусу курса. Возникают при включении синусных секций батоксных обмоток	Х2=X2°sink	Y2=Y1°sink	Z2=Z2°sink

Уничтожение электромагнитной девиации выполняется в три этапа.

Первый этап -- это компенсация вертикальных сил R_э, R'_э, Z₁, Z₂. Котелок компаса заменяют судовым инклинатором, работающим в режиме магнитных весов. Вертикальным вспомогательным магнитом устанавливают стрелку инклинатора в горизонтальное положение. Затем, не снимая инклинатора, включают постоянные секции всех обмоток размагничивания. При этом появляются три силы: P_э, Q_э, R_э.

Горизонтальные силы Pэ и Qэ не оказывают влияния на инклинатор, а вертикальная составляющая Rэ выведет стрелку инклинатора из горизонтального положения. Регулировкой тока в постоянной секции z-соленоида КУС добиваются, чтобы стрелка инклинатора снова вернулась в горизонтальное положение. Сила Rэоказывается скомпенсированной.

После этого, не снимая инклинатора и оставляя под током постоянные секции обмоток размагничивания, включают широтную секцию КУС (основной обмотки). Появляется вертикальная сила R'_э=m₃Z, которая отклоняет стрелку инклинатора. Регулировкой тока в широтной секции вертикального соленоида КУС добиваются, чтобы стрелка инклинатора снова заняла горизонтальное положение. Сила R'_э оказывается скомпенсированной.

Аналогичным образом компенсируют силы Z₁ и Z₂.

Второй этап -- компенсация продольных сил P_э, P'_э, Х₁ Х₂ -- выполняется с использованием дефлектора, подготовленного для измерения проекций горизонтальных сил (без вспомогательного магнита). Измеряют дефлектором продольную проекцию Р. Затем включают постоянные секции обмоток размагничивания. Сила Р изменяется на значение P_э. Регулировкой тока в постоянной секции х-соленоида КУС добиваются восстановления первоначального значения силы Р, т.е. компенсируют составляющую P_э. Аналогичным образом, последовательно подавая ток в другие секции обмоток размагничивания, компенсируют возникающие при этом силы P'_э, Х1 и Х2.

Третий этап -- компенсация поперечных сил Q_э, Q'_э, Y₁ Y₂. Эту операцию выполняют также с использованием дефлектора и соответствующих потенциометров КУС.

После уничтожения электромагнитной девиации определяют остаточную девиацию и составляют две рабочие таблицы девиации: одну для включенных и другую для выключенных обмоток размагничивания.

На многих судах нет стационарных обмоток размагничивания. Такие суда подвергают периодическому размагничиванию с помощью временных обмоток, сооружаемых из переносного кабеля. Такой способ размагничивания снимает только постоянный магнетизм от твердого судового железа.

7. Дать теоретическое обоснование уничтожения девиации от изменения широты места

Одно из основных требований, предъявляемых к магнитному компасу, это стабильность коэффициентов девиации во время плавания. Однако на большинстве судов при переходе судна из одного района в другой наблюдаемая девиация отличается от значений, взятых из рабочей таблицы начального порта. Наибольшие изменения претерпевает полукруговая девиация. Это происходит из-за того, что при компенсации сил ВлН= cZ + Р и СлН= fZ + Q применяют постоянные магниты-уничтожители. Однако каждая из этих сил состоит из двух разных по происхождению компонентов: один из них возникает под влиянием мягкого судового железа, приобретающего индуктивный магнетизм от вертикальной составляющей Z земного поля, а второй -- под влиянием твердого судового железа, обладающего постоянным магнетизмом.

Чтобы силы ВлН и СлН сохраняли стабильность, необходимо компенсацию каждой силы выполнять не одним компенсатором, а двумя:

силы cZ и fZ -- вертикальными брусками мягкого железа, а силы Р и Q -- продольными и поперечными магнитами.

Размещено на http://www.allbest.ru

Вертикальный брусок из ферромагнитного материала, предназначенный для компенсации переменной части полукруговой девиации, называется широтным компенсатором (ШК).

Широтный компенсатор 2, уравновешивающий судовую силу c₀Z, устанавливают в продольной плоскости компаса, как это показано на рис. 15. Судовая продольная сила c₀Z компенсируется силой c₁Z, создаваемой при помощи ШК, который крепят вертикально к нактоузу. Внутри нактоуза размещают магниты-уничтожители 1 для компенсации судовой силы P₀. Поскольку судовая сила f₀Z обычно невелика, ШК в поперечной плоскости компаса не устанавливают.

Чтобы правильно подобрать размеры ШК, необходимо знать значение судового параметра с₀. Этого достигают опытным путем, проводя соответствующие измерения на судне в двух различных точках Земли. Запишем выражение коэффициента В полукруговой девиации для двух точек земной поверхности:

1-я точка (H₁, Z₁)

2-я точка (H₂, Z₂)

После преобразований получим выражение для расчета судового параметра с₀:(29)

Для вычисления параметра c₀ значения Н₁, Н₂ и Z₁, Z₂ снимают с магнитных карт или измеряют непосредственно, а коэффициенты В₁, В₂ и л, определяют из наблюдений. По значению c0 подбирают необходимый размер ШК, чтобы обеспечить равенство c₀Z =- c₁Z.

Расчет параметра c₁= - c₀ и установка ШК возможны только после того, как судно совершит плавание из одного района Земли в другой, и при этом будут выполнены необходимые наблюдения.

ШК, как и всякий помещенный близко к компасу элемент из мягкого железа, создает четвертную девиацию от индукции. В настоящее время разработана конструкция сдвоенного ШК, установка которого не вызывает девиации от индукции.

Сдвоенный безындукционный компенсатор состоит из двух одинаковых вертикальных стержней, устанавливаемых во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для компенсации продольной судовой силы cZ необходимо иметь два вертикальных стержня, которые устанавливают на нактоузе симметрично: вправо и влево от диаметральной плоскости под углом 45°.

Каждый стержень в отдельности создает параметры m₁ и m₂, равные меду собой. Суммарный параметр сдвоенного ШК

Установка ШК повышает точность показаний магнитного компаса при плавании судна в различных широтах.

8. Описать принцип действия системы дистанционной передачи информации магнитных компасов (КМ-145- …)

Компас КМ145-М предназначен для измерения магнитного и определения истинного курса, а также определения магнитных пеленгов и курсовых углов.

Компас обеспечивает дистанционную оптическую передачу показаний магнитного курса на оптический репитер, а также дистанционную электронную передачу показаний истинного курса на аналоговый РА и цифровой РЦ (после ввода общей поправки) репитеры.

Компас разработан с учетом использования его в различных навигационных комплексах по интерфейсам RS 422 и RS 232 в стандарте IEC 1162-1.

Принцип действия компаса основан на свойстве свободной стрелки устанавливаться по направлению вектора напряженности магнитного поля. В компасе в качестве магнитного чувствительного элемента (МЧЭ) используется система магнитов с поплавком., размещенная в курсовом преобразователе.

При компенсации магнитных полей судна в области МЧЭ компаса МЧЭ устанавливается по направлению магнитного меридиана. Положение МЧЭ определяет магнитный курс судна.

Устройство и принцип работы компаса КМ145-М1

Схема электрическая подключения КБ1.150.131-09 Э5.

В состав компаса входят: прибор 10 - преобразователь информации, транслятор курса, прибор 52А-1 - датчик, репитер аналоговый РА, репитер цифровой РЦ, прибор питания 3И.

Прибор 52А-1 укомплектован курсовым преобразователем, компенсаторами полукруговой, креновой, четвертной, широтной девиаций. В приборе имеется подсветка курсового преобразователя (картушки).

Питание компаса осуществляется от бортовой сети 24 В постоянного тока или от бортовой сети 127 или 220 В50 Гц через прибор питания 3И.

Дистанционная электронная передача показаний курса основана на свойстве первичного преобразователя реагировать на изменение магнитного поля. При изменении курса первичный преобразователь разворачивается вместе с судном относительно МЧЭ, в магнитном поле которого он находится. С измерительных обмоток первичного преобразователя снимаются электрические сигналы, амплитуды которых пропорциональны синусу и косинусу угла поворота первичного преобразователя относительно МЧЭ.

Эти сигналы поступают в прибор 10. Прибор 10 переводит эти сигналы в информацию о некорректированном компасном курсе Ко и вычисляет навигационные данные по формулам:

Кк= Ко+ К(Ко);

дк= д(Кк);

Км= Кк+ дк;

К= Км± ?,

где: Кк- компасный курс (корректированный); К(Ко) и д(Кк) - функции коррекции и девиации, соответственно определяемые путем кусочно-линейной интерполяции по таблицам узловых значений курса (таблицы коррекции и девиации), имеющих шаг 15⁰, и записанных в энергозависимой памяти прибора; дк- девиация на текущем компасном курсе; Км- магнитный курс; ?- магнитное склонение, записанное в энергозависимую память прибора; К- истинный курс.

Информация об истинном и магнитном курсе отображается на индикаторах приборов и выдается на репитеры РА и РЦ. Информация также может выдаваться другим потребителям по интерфейсам RS 232 RS 422 стандарта IEC 1162-1.

Датчиком дистанционной электрической передачи курса является индукционный чувствительный элемент В1 на рис. 16, состоящий из двух ортогонально расположенных феррозондов. Датчик В1 закреплен в нижней части котелка (вмонтирован в груз, под действием которого котелок занимает отвесное положение).

Феррозонд имеет два пермаллоевых сердечника и две обмотки. Одна обмотка подключена к источнику переменного тока напряжением 4 В, частотой 400 Гц и служит для подмагничивания сердечников. Она намотана на каждый сердечник в отдельности и образует встречно-последовательную цепь. Другая обмотка, охватывающая оба сердечника, является сигнальной. В ней возникает сигнальное напряжение удвоенной частоты (800 Гц), амплитуда которого определяется углом ориентации стержней феррозонда относительно вектора индукции магнитного поля, создаваемого картушкой в пространстве, где находится феррозонд. Таким образом сигнал зависит от курса судна К (рис. 14, в).

Датчик В1, имеющий два феррозонда, выдает два сигнала: U1 и U2, причем один пропорционален синусу курса судна, а другой -- косинусу. Указанные сигналы подаются на статорные обмотки вращающегося трансформатора В2, где они суммируются. Результирующий сигнал Uc поступает в усилитель А1 где он предварительно усиливается и преобразуется в напряжение частотой 400 Гц. Далее в блоке А2 происходит окончательное усиление сигнала (по мощности).

...