CC BY
29
9. Alaluev R.V., Ivanov Yu. V., Malyutin D. M., Raspopov V.Ya and Dmitriev V.A., etal. High - precision algorithmic compensation of temperature instability of accelerometers scaling factor / Automation and Remote Control, 2011, Volum 72, Number 4. P. 853-862.
Дмитриев Владимир Анатольевич, канд. эконом. наук, помощник генерального директора, progress@,tntl.ru, Россия, Мичуринск, ОАО «МЗП»
DEVELOPMENT AND SERIAL PRODUCTION OF THE COMPETITIVE MULTI-TURN INTELLIGENT ELECTRIC DRIVE OF NEW GENERATION
V.A. Dmitriev
The work experience on the implementation of a complex project of the JSC «Michurinsky Plant «Progress» and the Tula State University department» Control Devices" is considered. The base of high-tech production was created due to it at the enterprise that allowed to master new kinds of products.
Key words: gyrostabilizer, unmanned systems, production platform.
Dmitriev Vladimir Anatolievich, candidate of economic sciences, assistant to the general director, progress@tntl.ru, Russia, Michurinsk, JSC «MichurinskPlant» Progress»
УДК 531.387
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-55-66
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОВЫХ МАГНИТНЫХ КОМПАСОВ
Д.Г. Грязин
Обсуждаются вопросы создания современных магнитных компасов. Сделан обзор состояния отечественного рынка, отражены достоинства и недостатки конструкции известных образцов приборов. Показано, что одним из направлений развития современных компасов является их оснащение дополнительной системой коррекции, позволяющей скомпенсировать погрешность от качки судна. Предложен метод позиционной коррекции компаса. Результаты выполненного анализа позволили сформулировать основные пути совершенствования магнитных компасов на современном этапе.
Ключевые слова: магнитный компас, система коррекции, креновая погрешность, качка судна.
Введение. Предположительно, магнитный компас (МК) был изобретён в Китае при династии Сун и использовался для указания направления движения по пустыням [1]. В Европе изобретение компаса относят к XII—XI вв., однако устройство его оставалось очень простым — магнитная стрелка была закреплена на пробке и опущена в сосуд с водой. В воде пробка со стрелкой ориентировалась по направлению N-S. В начале XIVв. итальянец Флавио Джойя значительно усовершенствовал компас. Магнитную стрелку он надел на вертикальную шпильку, а к стрелке прикрепил лёгкий круг — картушку, разбитую по окружности на 16 румбов. В XVI в. ввели деление картушки на 32 румба и котелок со стрелкой стали помещать в кардановом подвесе, чтобы устранить влияние качки корабля на компас. В XVII в. компас снабдили пеленгатором. В новой истории теорией компаса и методами его использования занимались такие известные учёные как К. Гаусс, А. Эйлер, М.В. Ломоносов, X. Эрстед, В. Томсон (лорд Кельвин). В конце 19 в. на английском флоте появились «сухие» МК разных конструкций. МК оснащались демпферами, использующими токи Фуко, а в дальнейшем дефлектором Колонга и картушкой Штемпеля. Совершенствование этого прибора на флоте привело к определённой моде. Многие из капитанов считали необходимым приходить на командование кораблём со своим собственным МК к которому привыкли. Любопытно то, что жидкостный морской МК был запатентован англичанином Фрэнсисом Кроу в 1813 г., однако он не использовался на
королевском флоте до 1908 г. В России распространению жидкостного МК на флоте активно способствовал академик А.Н.Крылов. Казалось бы, идея дальнейшего совершенствования конструкции МК себя исчерпала. Однако и в настоящее время выпускается большое количество моделей компасов, различающихся по конструкции. В современных судовых компасах также как и в VII в. применяется картушка с магниточувствительным элементом, положение которого, относительно корпуса и определяет магнитный курс судна. Картушка опирается на иглу, расположенную сверху или снизу в котелке и в зависимости от этого имеет незначительную положительную или отрицательную плавучесть. При этом, система картушка-подвес представляет собой короткопериодный маятник со значительной массой маятника. Это сделано для того, чтобы картушка разворачивалась только под воздействием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и при этом не получала угловое отклонение в перпендикулярной плоскости от его вертикальной составляющей. Масса этого маятника выбирается из такого расчёта, чтобы картушка устанавливалась в горизонтальном положении даже при работе в высоких широтах, где она стремится накрениться вдоль силовых линий магнитного поля. Следует отметить, что короткопериодный маятник подвержен влиянию ускорений, действующих на качке, которые будут стремиться отклонить картушку от горизонтального положения, однако сила демпфирования вязкой жидкости, находящейся в котелке, будет противодействовать этому отклонению.
Современные магнитные компасы и особенности их конструкций. Развитие магнитно-компасного дела привело, в настоящее время, к появлению двух типов МК и значительного числа их конструкций. Это компасы с подвижной картушкой и индукционные компасы. Первые имеют традиционную схему конструкции, позволяющую визуально считывать компасный курс с картушки, вторые основаны на применении трёхосных магнитометров и инерциаль-ных датчиков измерения ускорений и угловых скоростей. Компасы с подвижной картушкой используются как основные, в соответствии с правилами регистра [2] ими должны быть оснащены все суда, т.к. они способны вырабатывать магнитный курс без электроэнергии. Работа индукционных МК требует обязательного электропитания, информация о магнитном курсе, в таких устройствах, представляется только на выносном репитере.
Существует множество особенностей конструкции МК, которые могут быть объединены по таким классификационным признакам, как возможность дистанционной передачи курса, способ визуализации информации о курсе, способ обработки измерительной информации и др. На рис. 1 представлена схема классификации магнитных компасов.
Лидерами на мировом рынке МК с подвижной картушкой являются такие компании как Saura [3], SperryMarine [4], Reflecta [5]. Присутствуют на рынке и более мелкие производители, такие как Tokyo Keiki и др. Конструкции компасов этих фирм, которые представлены на рис.2, отличаются в основном наличием и количеством сервисных функций, таких как количество выносных репитеров, оптическая передача курса, ручное или автоматическое управление этими сервисными функциями. Очевидно, что производители, при этом, стремятся к уменьшению цены изделия.
Рис. 1. Классификация магнитных компасов 56
®
-t
г
í 1
Л
б в Рис. 2. Конструкции магнитных компасов: а - магнитный компас JUPITER фирмы Sperry Marine; б - магнитный компас SH-165A1 фирмы TOKYO KEIKI; в - магнитный компас CASSENS AND PLATH GMBH (Германия) REFLECTA
На отечественном рынке также широко представлены компасы, изготавливаемые отечественными предприятиями «Катав-Ивановским приборостроительным заводом» [6] и ОАО «Штурманские приборы» [7], которые представлены на рис.3, а также изготавливаемые ЦНИИ «Электроприбор».
а б
Рис. 3. Конструкции отечественных магнитных компасов: а - магнитный компас КМ-115 ОАО «Штурманские приборы»; б - магнитный компас КМ-145 «Катав-Ивановского
приборостроительного завода»
а
Состав МК «Азимут КМ 05Д», разработки ЦНИИ «Электроприбор» представлен на рис. 4 Комплект изделия состоит из четырёх приборов, причём МК может комплектоваться как опто-электронным, так и цифровым индикатором. Прибор, комбинированный компаса (ПК-К) обеспечивает электропитанием всех потребителей компаса от основной бортовой сети пере-
менного и постоянного тока и аварийной бортовой сети постоянного тока. Кроме того, обеспечивает прием информации от спутниковой навигационной системы о широте и долготе места, вычисление магнитного курса, выдачу информации о магнитном и истинном курсе в цифровой репитер курса РКЦ и иные потребители информации, например в дополнительные выносные репитеры. Репитер курса РК-Ц является цифровым отображающим прибором, а прибор РКТ -оптико-электронным телевизионным отображающим прибором. Комплект аппаратуры дополняется сетевым фильтром СФ.
Прибор РК-Т
1 Репитер ¡¡5422
* курса РК-Ц
Рис. 4. Состав компаса «Азимут - КМ-05Д»
Характеристики основных судовых МК представлены в табл. 1. Эти компасы имеют нактоуз, в котором в кардановом подвесе установлен котелок с картушкой. Картушка подвешена на игле и находится в жидкости. В нактоузе расположены устройства для устранения крено-вой, четвертной и полукруговой девиации. МК устанавливаются на верхнем мостике над рулевой рубкой в диаметральной плоскости судна. Они имеют различные виды дистанционной передачи информации о курсе. Традиционно эта информация передавалась с помощью оптической передачи, реализуемой в выдвижной трубе. Более совершенные конструкции имеют дистанционную электрическую передачу значения курса. В этом случае информация в цифровой форме выводится на индикатор рулевого. Такие МК имеют вычислитель и позволяют выводить на индикацию информацию не только о магнитном, но и об истинном курсе. Из табл. 1, 2 видно, что отечественные МК ничуть не уступают по характеристикам импортным прибором известных фирм. Следует отметить, что уменьшение цены изготовления изделия у многих импортных МК достигается путём применения сварной конструкции нактоуза 1 и дополнительных тонкостенных кронштейнов 2 рис. 5, которые характеризуют общую идеологию конструирования таких дешёвых МК. Очевидно, что надёжность таких конструкций значительно ниже, чем у приборов военного назначения, а срок службы определяется воздействиями при эксплуатации.
Рис. 5. Особенности конструкции МК Saura
58
Таблица 1
Характеристики основных судовых магнитных компасов (часть 1)_
Магнитный компас (главный) Азимут-КМ05Д Азимут-КМ05Д Вариант исполнен. 01 NGSMJupi-ter/Navipol REFLECTA 1, REFLECTA 2
Изготовитель АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» NORTHROP GRUMMAN SPERRYMARINE B.V. (США) CASSENS AND PLATH GMBH (Германия)
Диаметр картушки 125 мм 125 мм 180 мм 180 мм
Точность компаса от 1° до 5° в зав-ти от качки, погрешность от трения ± (3/В1) от 1° до 5° в зав-ти от качки, погрешность от трения ±(3/В1) 0,5° -
Цена деления катушки 1° 1° - 1°
Работа в зонах высоких широт Да Нет Да Нет
Макс.длина оптической передачи 2000 мм 2000 мм 4000 мм 3000 мм (REFLECTA 1), 7000 мм (REFLECTA 2)
Потребляемая мощность не более 20 Вт не более 20 Вт 40 Вт
Питание 50Гц 220 В или =24В 50Гц 220 В или =24В 230, 115 В Пер. тока и 24 В Пост тока 110,220 В Пер. тока 24 В Пост.тока
Время приведения компаса в готовность - - - 60 с
Рабочий диапазон температур 'от -40 до + 55Х(КМД) от -15 до + 55°С от -15 до + 55°С - от -30 до +65°С
Масса/габариты 58 кг 58 кг - 95 кг
Тип дистанционной передачи курса оптическая (телеметрическая) и электронная цифровая оптическая (телеметрическая) и электронная цифровая оптическая (перископическая) (опционно электронная цифровая передача курса) оптическая (перископическая) (опционно горизонтальный оптический канал до 2000мм)
Одобрение регистра речного/ морского +/+ +/+ +/(истек) -/+
Таблица 2
Характеристики основных судовых магнитных компасов (часть 2)_
Магнитный компас (главный) Saura SR-165 /Saura MR-165C Saura MR-150 КМ115-08 КМ145-М1, КМ145- С1, КМ145-М2, КМ145-М3, КМ145-5 УКПМ-М4, УКПМ-М7
АО "Катав- АО "Катав-
Изготовитель Saura (Япония) Saura (Япония) АО "Штурманские приборы" (Россия) ивановский приборостроительный завод" (Россия) ивановский приборостроитель-ный завод" (Россия)
Диаметр картушки 165 мм 150 мм 115 145 мм 127 мм
Точность компа- от 1° до 5° в от 1° до 5° в 0,2° ±1°, погрешность
са зав-ти от качки зав-ти от качки от трения ±0,3°
Цена деления 1° 1° 1° 1° 1°
катушки
Работа в зонах высоких широт Нет Нет Нет Нет Нет
Макс.длина оп- 720 мм опционно можно 720 мм опционно можно увеличить
тической передачи увеличить макс. до 1500 мм нет
Потребляемая
мощность
Питание 24 В пост. тока, 100/110/220 В пер. тока 24 В пост. тока, 100/110/220 В пер. тока 50Гц 220 В или =24В 50 Гц 127/220 В 24 В-аварийное 220 пер ток 50Гц или 24 пост ток
Окончание таблицы 2
Время приведения компаса в готовность 60 с - - 60 с 60 с
Рабочий диапазон температур - - 'от -60 до + 55°С(КМ-И) от 0 до + 40°С 'от -40 до + 70°С(пр-р 3) от -15 до + 55°С 'от -40 до + 70°С(пр-р 3)от -15 до + 55°С
Масса/габариты 60 кг - 55 кг 594х1390 мм -
Тип дистанционной передачи курса оптическая (перископическая) (опционно электронная цифровая передача курса) оптическая (перископическая) (опционно электронная цифровая передача курса) электронная цифровая электронная цифровая (КМ145-М1, М2); оптическая (перископическая) передачей (КМ145-С1); оптическая (стекло-волоконная) передачей (КМ145-5); оптическая (стекло-волоконная) и электронной цифровой передачей (КМ145-М3) электронная цифровая
Одобрение регистра речного/ морского +/+ +/+ -/- +/+ +/+
Особняком в классификации стоят шлюпочные магнитные компасы. Точность этих приборов несколько ниже, что обусловлено их целевым назначением и отражено в правилах регистра [2]. Они имеют малую массу, габариты, стоимость и предназначены для комплектования ими спасательных шлюпок.
К числу основных мировых производителей индукционных компасов следует отнести такие фирмы как Ешипо [8], БШгас1. К числу более мелких производителей относятся АО «НТП «Нави-Далс» [9].
а б
Рис. 6. Конструкции индукционных компасов: а - индукционный компас PG-500 фирмы «Furuno»; б - индукционный компас КФ1 АО «НТП «Нави-Далс»
Так, например, магнитный индукционный компас PG-500 фирмы «Furuno» (рис.6, а) состоит из электромагнитного датчика, твердотельного гироскопа, процессора и интерфейсов последовательной передачи данных. Выработка истинного курса осуществляется при ручном или автоматическом вводе склонения (соответственно при подключении дополнительного внешнего пульта и при наличии связи с приемником GPS). При выработке магнитного курса также обеспечивается расчет поправки на девиацию. Введение в состав датчиков PG-500 твердотельного гироскопа позволяет корректировать показания курса при наличии качки и обеспечивает их более высокую стабильность. Точность курсоуказания составляет ±1°.
Индукционный компас КФ1 АО «НТП «Нави-Далс» (рис.6, б) обладает сходными точностными характеристиками, отличаясь расширенным набором дополнительных сопрягаемых устройств, к которым относятся цифровой репитер, стойка для репитера, непосредственно репитер с пеленгатором, устройство компенсации электромагнитной девиации. Имеется встроенная аккумуляторная резервная батарея для обеспечения бесперебойного электропитания.
Основные технические характеристики некоторых образцов индукционных компасов приведены в табл.3. Преимуществом указанных компасов является упрощение конструкции магниточувствительных элементов (отсутствие изнашиваемых подвижных элементов в паре «картушка-шпилька», отсутствие жидкостного заполнения котелка компаса, в некоторых моделях отсутствие карданова подвеса котелка). Для некоторых типов компасов, как это показано в табл. 3, наличие инерциальных датчиков позволяет обеспечить расширение функциональных возможностей так как дополнительное измерение углов качки судна. Основным недостатком указанных компасов является невозможность их использования при отсутствии электропитания и несоответствие требованиям Российского морского регистра судоходства [2], предъявляемым к главным компасам.
Особенностью схемы построения таких компасов является то, что они могут использовать информацию не только о векторе магнитного поля Земли, но и сигналы от инерциаль-ных датчиков.
Таблица3
Основные технические характеристики современных индукционных компасов_
Технический параметр Наименование индукционного компаса
Аврал ДС-83 Горизонт ¥ВО Nаураск (Великобрит.) MagTronic Ritchie (США)
Число феррозондов 3 3 1 кольцевой 3
Число акселерометров нет 3 нет 3
Установка индукционного датчика карданов подвес бескарданная карданов подвес бескарданная
Погрешность опред. курса, (град) 2 - 5 1 - 5 1 0,2
Диапазон регистрации отклонений от заданного курса, (градус) нет ± 15 ± 5 ± 15
Диап. измер. углов качки судна, (градус) нет 45 нет -
Погрешность измерения углов качки судна (градус) нет 0,8 - 7 нет -
Диапазон компенсации полукруговой девиации (градус) ± 60 Н = 9,6 А/м учет девиации учет девиации ± 45 учет девиации
Диапазон компенс. креновой девиации (мкТл) ± 75 осреднением показаний осреднением показаний осреднением показаний
Диапазон компенсации четвертной девиации (градус) ± 12 учет девиации учет девиации учет девиации
Отображение информации цифровой дисплей цифровое, аналоговое цифровой дисплей цифровое, аналоговое
Дискретность отсчета(градус) 0,1 1 - -
Напряжение питания - 220/110 В 50 Гц; 24 В 12 В 12/24 В
Погрешности магнитных компасов от бортовой качки. Намагниченность судовой стали приводит к искажению естественного магнитного поля Земли и вызывает девиацию МК. Девиация представляющая собой угол между плоскостями магнитного и компасного меридианов [10], характеризует погрешность МК имеет постоянную и переменную составляющие, при этом зависит от курса судна.
Напряжённость магнитного поля, однородно намагниченного судна в точке размещения чувствительного элемента МК описывается уравнениями Пуассона [1].
Хк = Х+аХ +ЬУ+сД+Р,
ук = у+ёх +еУ+/д+д, (1)
= z+gх +ьу+кд+я,
где Хк, Ук, Дк - компоненты вектора напряженности магнитного поля, воздействующие на чувствительный элемент компаса и направленные по корабельным осям координат, X, У, Д - компоненты вектора напряженности магнитного поля Земли, направленные по корабельным осям координат, а, с, е, /и к - постоянные коэффициенты, называемые параметрами Пуассона характеризующие тензор влияния индуктивной намагниченности, которая зависит от широты места
и перемагничивания магнитомягкого железа, P, Q, R - компоненты вектора постоянной намагниченности корабельных конструкций, направленные по корабельным осям координат. Из уравнений следует, что приближённо девиация 5 может быть описана выражением [2]:
8 = A + B sin Км + C cos Km + D sin2Km + E cos2Km , (2)
где Km - компасный (магнитный) курс, A - постоянная девиация, B и C - полукруговая, а D и E -четвертная девиация. Причём названия видов девиации определяются количеством её переходов через нулевые значения при изменении курса судна на 360 градусов. Таким образом, коэффициенты B и C вызваны постоянной намагниченностью судна, а коэффициенты A, D и E его индуктивной намагниченностью.
Значительную часть девиации устраняют путём разворота специальных магнитов и установки брусков из магнитомягкого железа, являющихся конструктивными элементами нактоуза (корпуса) компаса. Эти элементы подбирают и ориентируют, относительно магнитной системы прибора при проведении девиационных работ. Девиационные работы проводят при постройке судна или в порту перед выходом в море.
Уравнения Пуассона выведены при условии отсутствии качки судна. В случае наличия углов крена и дифферента последствия намагничивания судна магнитным полем Земли будут иными, чем для судна, находящегося на «ровном» киле. Кроме того, на плоскость картушки МК будет проектироваться вертикальная составляющая индукции (напряжённости) магнитного поля судна, вызывающая креновую девиацию. Таким образом, при крене судна О возникает добавочная сила в горизонтальной составляющей поля Земли, измеряемой МК [3].
FK = ((в - k)Z - R)sin0. (3)
FK вызывает дополнительную погрешность АНК в измерениях горизонтальной составляющей поля Земли, она зависит от знака крена О и на качке имеет знакопеременный характер, в связи с этим проявляется в виде «рыскания» показаний компаса при качке и постоянной ошибке при статическом крене. В практике девиационных работ уничтожение креновой девиации осуществляется устройствами на основе постоянных магнитов, размещаемых в нактоузе компаса и создающих в области чувствительного элемента компенсирующее поле величиной R, но в противоположном направлении. Методики уничтожения креновой девиации описываются в эксплуатационной документации магнитных компасов или других нормативных документах
[13].
Точность существующих методов уничтожения креновой девиации при плавании в средних магнитных широтах составляет около 0,1° на 1° крена [12].
Поскольку создание компенсирующего поля происходит на конкретной магнитной широте и с конечной точностью, нескомпенсированное значение креновой девиации ёк будет присутствовать в показаниях компаса в качестве переменной составляющей, зависящей от курса, крена и дифферента судна.
Соответственно, при значительном изменении географических координат судна компонента Z изменится и условие компенсации будет нарушено. Как указывал академик А. Н. Крылов [14], креновая девиация пропорциональна тангенсу угла наклона судна. Чем тангенс меньше, тем меньше креновая погрешность. Креновая девиация компенсируется специальным магнитом, установленным в нактоузе. Для компенсации креновой девиации по мере изменения широты плавания должно изменяться и положение магнита, однако этой работой экипаж, как правило, не занимается. Отметим, что даже в случае выполнения текущих работ по компенсации креновой девиации с применением судового инклинатора, её остаточное значение обязательно будет присутствовать в связи с изменением индуктивной намагниченности судового металла на текущей широте, а также изменением намагниченности при перемещении груза на палубе.
Напомним, что в конструкция картушки современных МК, для обеспечения её горизонтального положения, предусмотрен короткопериодный маятник, который будет отклоняться от вертикального положения и отклонять от плоскости горизонта картушку под воздействием переносного ускорения a. Указанный наклон картушки вызывает появление проекции АВ вертикальной составляющей индукции магнитного поля В действующей на чувствительный элемент картушки МК [15].
a
АВ = B sin—sin К, g
где К - магнитный курс.
В связи с этим возникает погрешность в измерении и индикации курса МК с электрической передачей курса от переносного ускорения. Учитывая то, что обе указанные погрешности зависят от параметров качки, они не могут считаться взаимно независимыми случайными величинами и выражение для суммарной погрешности измерения горизонтальная составляющей магнитного поля Земли от качки будет иметь вид:
5Р =0ШК +]ЛБ,
где в и у - соответствующие весовые функции.
Очевидно, что погрешность от качки не может быть устранена простыми средствами и требует создания дополнительной системы коррекции МК. При плавании в высоких широтах погрешность становится значительной, что приведет к увеличению на качке показаний углов рыскания на репитере и сделает невозможным применение МК. Отметим, что МК остаётся востребованным резервным средством судовождения, к использованию которого, прибегают в форсмажорных обстоятельствах, когда другие навигационные приборы использовать уже нельзя. Такие ситуации встречаются при выходе из строя судовых генераторов энергии, отказе гирокомпаса и в других случаях. Не смотря на все попытки избежать подобных ситуаций, они к сожалению, ещё часто встречаются на флоте. Опрос судоводителей на эту тему, повышавших квалификацию в Центре дополнительного образования при ГУМРФ им. адмирала С.О.Макарова показал, что 87,8% штурманов использовали в своей практике МК [161.
Метод компенсации погрешности магнитных компасов от качки. Компенсация погрешности компаса на качке ёр (далее - погрешности ёр) может быть достигнута путём дополнительной установки на котелок магнитного компаса, закреплённого в кардановом подвесе, датчика угловой скорости (ДУС) с вертикальной осью чувствительности, что позволяет выработать мгновенные значения курса путём интегрирования сигнала ДУС, свободного от погрешности ёр, а затем и сформировать сигнал погрешности ёр компаса на качке. Указанная погрешность ёр. определяется как разница мгновенных значений магнитного курса, полученных от ДМК компаса, преобразующего разворот картушки в электрический сигнал, и выработанных путём преобразований мгновенных значений результатов измерений ДУС. Далее полученное значение погрешности ёр вычитается из результатов измерений ДМК, а сигнал откорректированного курса передаётся на выносной индикатор.
На рис. 7 показана блок-схема выработки измерительных сигналов и их обработки в вычислительном устройстве, работающем на основе предлагаемого метода.
ДМК
к^+Ус+З,,
,ДУС> I
кдус(к+ у„) ф л I
0-
лин
к„+ ЙЙЬ
К,р 6» ГС
,т2р + 1
I.
Выносной индикатор
к».+Ур
Вычислительное устройство
Рис. 7. Схема работы позиционной системы коррекции МК: 1 - интегратор;
2 - фильтр высоких частот
Предлагаемый метод заключается в следующем:
а) выработка с помощью ДМК сигнала о мгновенных значениях курса в горизонтной системе координат, состоящего из магнитного курса Км , угла рыскания ур и погрешности ёр;
б) выработка с помощью ДУС с вертикальной осью чувствительности, установленного в горизонтной системе координат на котелке компаса, сигнала угловой скорости изменения
курса, состоящего из угловых скоростей изменения курса К и рыскания ^Р ,а также погрешности ДУС ДУС, характеризуемой его дрейфом. Указанное мгновенное значение сигнала угловой скорости вырабатывается с коэффициентом передачи Кдус ;
в) интегрирование сигнала ДУС с постоянной времени Т и формирование на выходе интегратора сигнала, состоящего из курса К,, угла рыскания ур, и постоянного значения погрешности Адус.. При выполнении вычислений значение Т1 выбирается, исходя из задачи исключения погрешности от постоянной скорости дрейфа Адус;
63
г) вычисление разности между выходными сигналами ДМК и интегратора с целью формирования сигнала, состоящего из погрешности ёр и погрешности Адус ;
д) фильтрация значения погрешности Адус с помощью фильтра высоких частот производится с постоянной времени Т2, величина которой принимается больше периода качки; Коэффициенты К и К2 выбираются, исходя из масштабных коэффициентов датчика магнитного курса и ДУС, р - оператор дифференцирования;
е) исключение из измеряемых мгновенных значений магнитного курса погрешности ёр производится путём вычисления разности между выходным сигналом датчика магнитного курса и сигналом с выхода фильтра высоких частот, пропорциональным погрешности ёр. Передача откорректированного значения магнитного курса выполняется на выносной индикатор.
Устройство работает следующим образом.
ДМК вырабатывает сигнал мгновенного значения магнитного курса, состоящий из магнитного курса Км, угла рыскания ур и погрешности от проекции вертикальной составляющей земного магнетизма ёр., который подаётся на вход вычислительного устройства. ДУС с вертикальной осью чувствительности, установленный на котелке компаса, вырабатывает сигнал, пропорциональный угловой скорости изменения курса Км и рыскания ур с погрешностью Адус и коэффициентом передачи Кдус, который также подаётся на вход вычислительного устройства. В вычислительном устройстве сигнал ДУС интегрируется и формируется сигнал, пропорциональный сумме значений Км + Ур + А дус , который вычитается из сигнала
ДМК. Оставшееся значение 5р + А дус подаётся на вход фильтра высоких частот, с выхода
которого формируется сигнал, пропорциональный погрешности ёр. Полученный сигнал погрешности ёр вычитается из сигнала ДМК. Откорректированный таким образом сигнал подаётся на выносной индикатор. Метод и устройство запатентованы [17].
Пути совершенствования судовых магнитных компасов. Широкое распространение МК в первую очередь связано с требованием оснащения ими каждого судна. В связи с необходимостью получения конкурентных преимуществ фирмами - изготовителями МК гражданских судов, развитие основных судовых МК пошло по пути сокращения их стоимости. Это привело к предельному удешевлению конструкции этих приборов. Нактоузы МК изготавливаются из согнутых дюралевых листов, конструкции девиационных приборов исключают применение механизмов плавной регулировки угла отклонения корректирующих магнитов и т.д. При этом гарантийный срок на МК устанавливается продолжительностью в один год. Очевидно, что подобные приборы стали сильно зависеть от условий их эксплуатации, в том числе от грамотности экипажа.
Второй особенностью развития приборов этого класса является их применение в авторулевых малых судов. В связи с тем, что на судах водоизмещением менее 300 т. правила регистра допускают отсутствие гироскопического компаса, с целью экономии средств, судовладельцы требуют от проектантов формировать авторулевой на основе МК. При этом авторулевые по прежнему востребованы и устанавливается на малотоннажные суда, и особенно рыболовецкие, с целью сокращения экипажа. Представляется, что в указанной экономической ситуации на рынке МК конкурентным преимуществом будет не только малая стоимость прибора, но и возможность его уверенной работы на качке. Это особенно важно для малотоннажных рыболовецких судов.
Третья особенность текущей ситуации заключается в увеличении количества судов, работающих в северных морях. Это связано с нарастающей интенсивностью использования Севморпути, увеличением продолжительности судоходства в приполярной зоне, чему способствует Указ Президента страны [17].
В связи с отмеченными особенностями можно ожидать следующие тенденции в развитии МК:
1) Продолжение сокращения стоимости изделий.
2) Разработка новых МК с системами коррекции, позволяющими уменьшить погрешность от бортовой качки.
3) Увеличение числа МК для комплектования судов, работающих в высоких
широтах.
4) Расширение сети сервисных фирм, выполняющих текущий ремонт навигационных приборов в северных портах страны
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-08-00265.
Список литературы
1. Корякин В.И. История магнитного компаса / В.И. Корякин, А.А.Хребтова [Электронный ресурс] URL: http://www.randewy.ru/nav/histor3.html (дата обращения: 15.04.2021).
2. Правила по оборудованию морских судов, часть V / Навигационное оборудование / НД № 2-020101-127 / Российский морской регистр судоходства. СПб., 2020.
3. SAURA. [Электронный ресурс] URL: http://www.nichigosan.co.jp/htm/compass.htm (дата обращения: 15.04.2021).
4. Sperrymarine northrup Grumman. [Электронный ресурс] URL: https://www. sperryma-rine .com / magnetic-compass-systems (дата обращения: 15.04.2021).
5. Reflecta. [Электронный ресурс] URL: https://furuno.ru/navigacija/magnitnye-kompasy /reflecta-1/ (дата обращения: 15.04.2021).
6. Катав-Ивановского приборостроительного завода. [Электронный ресурс] URL: http: //www.kipz.ru/nav ru.htm (дата обращения: 15.04.2021).
7. Компания ОАО «Штурманские приборы». [Электронный ресурс] URL: http://www. navy devices.ru (дата обращения: 15.04.2021).
8. ПредставительствофирмыFURUNOвРоссии. [Электронный ресурс] URL: http:// www.furuno.ru (дата обращения: 15.04.2021).
9. Компания ОАО «НТП» Нави-Далс». [Электронный ресурс] URL: http:// www. navi-dals.ru/ kompas.html (дата обращения: 23.10.2020).
10. Скворцов М.И. Основы кораблевождения. М.: Военное изд. МО СССР, 1972. 316 с.
11. Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Магнитные компасы. М.: Транспорт. 1981. 212 с.
12. Кардашинский-Брауде Л.А. Современные судовые магнитные компасы. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». 1999. 138 с.
13. Правила Штурманской службы / ПШС№38 / Девиационные работы на кораблях и судах военно-морского флота / ГУНиО МО Российской Федерации. СПб., 2009.
14. Крылов А.Н. О возмущениях показаний компасов, происходящих на качке корабля на волнении // Избранные труды академика А.Н. Крылова. М.: Изд. АН СССР 1958. С. 115-170.
15. Кардашинский-Брауде Л.А. Повышение динамической устойчивости показаний судовых магнитных компасов при горизонтальных ускорениях. [Электронный ресурс] URl: http://www.navydevices.ru/ informations/section-publications/publications/85-2002-09-21-13-29-52 (дата обращения: 15.04.2021).
16. Николаев Г., Сигида В., Степанов В. Нельзя допустить, чтобы магнитный компас стал изгоем на морском флоте. Морской флот №6, 2020. С. 48-54.
17. Патент №268890 Российская Федерация, МПК G01C 17/30. Способ измерения магнитного курса судна в высоких широтах и его реализация / Зиненко В.М, Грязин Д.Г, Молочников А.А [и др.]. 2019. 5 с.
18. Указ Президента РФ от 26 октября 2020 г. № 645 «О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года» [Электронный ресурс] URL: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/74710556 (дата обращения 15.04.2021).
Грязин Дмитрий Геннадиевич, д-р техн. наук, профессор, dggryazin@jtmo.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет ИТМО
CURRENT ISSUES OF SHIPBOARD DESIGN MAGNETIC COMPASSES
D.G. Gryazin
The issues of creating modern magnetic compasses are discussed. The review of the state of the domestic market is made, the advantages and disadvantages of the design of well-known samples of devices are reflected. It is shown that one of the directions of development of modern compasses is their equipping with an additional correction system that allows compensating for the error from the ship's pitching. A method ofpositional correction of the compass is proposed. The results of the analysis made it possible to formulate the main ways of improving magnetic compasses at the present stage.
65
Key words: magnetic compass, correction system, roll error, ship pitching.
Gryazin Dmitry Gennadievich, doctor of technical sciences, professor, dggryazin@itmo.ru, Russia, St. Petersburg, ITMO University
УДК 621.891
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-66-73
РАСТРОВАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ФОТОСТИМУЛИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТРИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Р.И. Воробей, О.К. Гусев, А.Л. Жарин, В.А. Микитевич, К.В. Пантелеев, А.И. Свистун, А.К. Тявловский, К.Л. Тявловский
Представлены результаты разработки метода и средств растровой сканирующей электрометрии для неразрушающего бесконтактного контроля однородности распределения электрофизических параметров прецизионных поверхностей. Основу метода составляет анализ фотостимулированных изменений работы выхода электрона с использованием цифрового зонда Кельвина.
Ключевые слова: сканирующая электрометрия, поверхность, работа выхода электрона, цифровой зонд Кельвина, неразрушающий контроль.
Современные технологии широко используют материалы и изделия с прецизионными поверхностями, которые характеризуются высоким совершенством обработки поверхности, химическим составом, приближающим свойства таких поверхностей к атомарно чистым, наличием слоев, формирующих уникальные оптические и электрофизические свойства изделий, с толщиной в несколько межатомных расстояний. При визуальном контроле, в том числе и с использованием микроскопов, такие поверхности, даже содержащие дефекты, выглядят идеальными. Однако, для технологий, использующих такие прецизионные поверхности (полупроводниковая промышленность, производство дисплеев, биомедицинские приборы и т.д.) существенными являются дефекты с размерами менее длины волны видимого света и важное влияние на качество изделий оказывает однородность пространственного распределения электрофизических параметров прецизионных поверхностей как на промежуточных, так и на финальных стадиях технологического процесса. При этом, размеры изделий с прецизионными поверхностями могут составлять сотни и тысячи миллиметров. Указанные особенности ограничивают применимость традиционных методов контроля, а к вновь разрабатываемым методам предъявляются требования высокой чувствительности к изменениям свойств материала или приборной структуры даже малых размеров, но при возможности сканирования изделий больших размеров, чувствительность к дефектам или пространственным неоднородностям различной физической природы, неразрушающий (бесконтактный) характер контроля, минимально возможное время контроля, ограничиваемое к тому же возможностью изменения свойств материала за время контроля, необходимость контроля самого изделия, а не тестового «спутника», с возвратом изделия обратно в технологический процесс без применения дополнительных процедур подготовки изделия к измерениям и при возврате после измерений в технологический процесс.
В качестве основы метода контроля, с использованием которого разработан ряд измерительных средств и методик контроля, избран анализ фотостимулированных изменений работы выхода электрона с использованием цифрового зонда Кельвина. Использование измерений работы выхода электрона (РВЭ) зондовыми методами [1] позволяет обнаруживать любые неоднородности прецизионных поверхностей, такие как локальные изменения химического состава, загрязнения, внутренние механические напряжения, дислокации, скопления дефектов кристаллической решетки и т.д. Положительная особенность методов контроля РВЭ заключается в том, что формирование измерительного сигнала происходит в пределах Дебаевской длины экранирования, что для полупроводниковых материалов составляет несколько атомарных слоев и поэтому позволяет контролировать электрофизические свойства тонких приборных слоев независимо от свойств подложки. С другой стороны, большая Дебаевская длина экранирования
66
