Гидродинамические ЛАГи - Индукционный ЛАГ

1. Принцип измерения скорости корабля индукционным лагом

Как известно, в морской воде содержится большое количество минеральных солей, которые придают ей такое замечательное свойство, как электропроводность. Это натолкнуло ученых на мысль использовать для измерения скорости закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем в 1831 году. Согласно этому закону электродвижущая сила (ЭДС) электромагнитной индукции в проводящем контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь эту поверхность, ограниченную этим контуром.
(1)
Действия указанного закона справедливо и при другом условии – перемещении токопроводящего контура относительно источника магнитного поля. Так, при движении проводника длиной L со скоростью V в постоянном магнитном поле перпендикулярно к вектору магнитной индукции В в проводнике также будет наводиться ЭДС, которая определится выражением:
(2)
В индукционных лагах источником магнитного поля является специальный электромагнит, роль проводника выполняет морская вода. Электромагнит и измерительные электроды размещаются в устройстве, называемом индукционным первичным преобразователем скорости (ИППС), жестко связанным с корпусом корабля.
ИППС устанавливается под днищем корабля таким образом, чтобы магнитное поле, создаваемое электромагнитом охватывало некоторый объем встречного потока воды при движении корабля. Измерив напряжение, возникающее на измерительных электродах от наводимой в воде ЭДС, можно определить скорость перемещения источника магнитного поля относительно воды, т. е. определить относительную скорость корабля. В объеме воды, обтекающей ИППС, можно условно выделить некоторый токопроводящий контур L, замыкающийся через измерительные электроды и соединительные проводники на измерительную схему. Указанный контур может быть представлен совокупностью элементарных прямолинейных проводников dL в каждом из которых наводится ЭДС:
dE = dV₀dL (3)
Суммарная ЭДС, наводимая в контуре L численно равна интегралу по замкнутому контуру:

При подключении измерительной схемы к электродам на нее поступает напряжение Uc:
 , (4)
где Rпу – внутренне сопротивление приемного устройства (ИППС);
Rвх – входное сопротивление измерительной схемы.
При разработке лага обеспечивается выполнение условия: Rпу ‹‹ Rвх.
Тогда:  
При запитывании ИППС постоянным током вследствие действия электростатических сил в прилегающем к нему слоях воды возникает явление поляризации электродов – скапливание на одном из них положительно, а на другом – отрицательно заряженных частиц воды. Это приводит к появлению нарастающей во времени ЭДС поляризации и, в конечном итоге,— невозможности измерения скорости корабля лагом.
Для устранения ЭДС поляризации в индукционных лагах создается переменное магнитное поле:
B = Bmax sin?t, (5)
где Bmax – максимальное значение (амплитуда) магнитной индукции В;
? = 2?f – круговая частота тока питания ИППС.
ЭДС поляризации практически исчезает уже при частоте f = 15−20 Гц.
Однако, создание переменного магнитного поля приводит к индуцированию дополнительного электрического сигнала в контуре, образованном проводниками, соединяющими электроды с измерительной схемой (подобно процессу во вторичной обмотке трансформатора). Этот сигнал получил название трансформаторной или квадратурной помехи. Напряжение Uкв квадратурной помехи отстает по фазе относительно полезного сигнала на 90°.
Таким образом, при работе лага в его измерительную схему поступает полезное напряжение, содержащее информацию об относительной скорости Vo, а также не зависящее от скорости напряжение квадратурной помехи:
Uc = Uп sin?t + Uкв cos?t. (6)
Измерив и преобразовав напряжение Uc, поступающее от ИППС, можно определить относительную скорость корабля.

2. Основы построения индукционного лага

Рассмотрим структурную схему лага.



Рис.1

Индукционный лаг ИЭЛ представляет собой электронную систему, выполненную в основном из полупроводниковых элементов и интегральных микросхем и состоит из следующих функциональных узлов:
Напряжение с блока питания БП подается на обмотку электромагнита приемного устройства ИППС и после обработки в фазирующем устройстве ФУ подается на вход схемы выработки опорного сигнала СОС. Напряжение с электродов ИППС усиливается и подается на вход фазового детектора ФД, управляемого опорным напряжением.
Работу фазового детектора рассмотрим на примере схемы, показанной на рис. 2. входной сигнал, содержащий полезную составляющую UПsin?t и квадратурную помеху UК.П.cos?t, подается на ключи К1 и К2. Схема СОС вырабатывает прямоугольные импульсы, синфазные с полезным сигналом. Опорный сигнал непосредственно с СОС и через инвертор ИНВ подается на управляющие входы ключей К1 и К2 соответственно. При этом, пока ключ открыт, полезный сигнал сохраняет свой знак, а квадратурная помеха в течение того же времени меняет свой знак на обратный (т. е. переходит через ноль). На выходе фильтра Ф ее среднее значение за это время равно нулю. Таким образом, на выходе фильтра будет присутствовать постоянное напряжение, пропорциональное относительной скорости корабля. Это напряжение измеряется обычным вольтметром, отградуированным в единицах скорости, информация которого поступает на индикатор скорости ИV и на интегратор ИТН. Значение пройденного расстояния фиксируется на индикаторе ИS. Электронный корректор ЭК служит для введения линейных и нелинейных поправок лага.



Рис.2

ИППС индукционных лагов подразделяются на выстреливаемые за пограничный слой корабля и устанавливаемые заподлицо с его днищем. Необходимость выноса ИППС как можно дальше от корпуса корабля объясняется тем, что под днищем движущегося корабля возникает турбулентный слой воды, имеющий неодинаковую толщину по длине корабля. Толщина пограничного слоя различна для каждого типа корабля, поэтому длина выдвигаемой части ИППС индукционного лага колеблется от 40 см до 2 м.
В настоящее время наибольшее распространение в ИЛ получили выстреливаемые ИППС с наружными электродами из-за простоты и надежности их устройства. Приемное устройство индукционного лага может иметь различную форму. Наиболее целесообразной формой приемного устройства является мечевидная или близкая к ней форма, обеспечивающая не только хорошую обтекаемость при всех скоростях, но и лучшие условия для наведения ЭДС в морской воде. Обтекатель приемного устройства изготавливается из материала с высокими диэлектрическими свойствами.
Внутри обтекаемого корпуса, выполненного из немагнитного материала (например эпоксидной смолы) установлен электромагнит из пластин трансформаторной стали с сердечником и обмоткой. Электропитание поступает к обмотке электромагнита и электродам по экранируемым проводам. Индуцированная в воде ЭДС снимается с электродов по проводам и поступает в виде электрического сигнала в схему лага для дальнейшей обработки.
За пределы корпуса корабля выстреливаемые ИППС ИЛ выводятся, как правило, через клинкет, что позволяет при необходимости производить осмотр или замену ИППС на ходу. Опускание и подъем ИПС может осуществляться как вручную, так и автоматически. В качестве подъемного устройства могут использоваться электрические, ручные лебедки или гидравлические системы.
К несомненным достоинствам выстреливаемых ИППС относится то, что измерение скорости корабля производится за пределами пограничного слоя и возможна оперативная замена или осмотр их на ходу корабля. При этом они имеют и существенные недостатки: ограниченное использование при плавании на мелководье и во льдах, возможность поломки при попадании под днище корабля каких-либо посторонних предметов. С целью компенсации этих недостатков на ряде кораблей используются ИППС, устанавливаемые заподлицо с днищем, так называемого плоского типа. На крупных кораблях используются ИППС обоего типа. Выбор датчика определяется исходя из конкретных условий плавания.
Питание вычислительной схемы лага и ИППС обеспечивается прибором 3 путем преобразования напряжения бортовой сети корабля в напряжение, необходимое для работы лага. Все органы управления и регулировки размещены на панели блока управления прибора 6. Схема лага предусматривает два режима работы: рабочий, при котором осуществляется контроль работы измерительного тракта лага, режим проверки исправности блоков и режим ручного ввода скорости.
В режиме измерения скорости переключатель рода работы лага находится в положении «работа». В режиме проверки исправности блоков переключатель устанавливают в одно из положений от «1» до «7».
В положении «1» проверяется работа блока выработки синхроимпульсов.
В положении «2» проверяется работа блока цифрового фильтра.
В положении «3» проверяется работа блока корректора.
В положении «4» проверяется работа блока делителя интегратора.
В положении «5» проверяется работа полупроводникового блока прибора 29.
В положении «6» проверяется работа блока преобразователя прибора 6.
В положении «7» проверяется получение информации о скорости о скорости блока выдачи информации прибора 6 внешнему потребителю.
В режиме ручного ввода скорости переключатель рода работ устанавливают в положение «ручной ввод». При этом на передней крышке прибора 6 загорается световое табло желтого цвета.
Гнезда, размещенные на лицевой панели блока управления, предназначены для подключения специального тарировочного прибора, позволяющего произвести точную установку заданных значений скорости при проверке введенной нелинейной корректуры.
Блочно-функциональный принцип построения приборов лага обеспечивает быстрое отыскание неисправностей и их устранение путем замены отдельных узлов без последующей регулировки лага. Благодаря простоте обслуживания, технологичности производства и высокой надежности ИЛ широко применяются как в нашей стране, так и за рубежом.

3. Погрешности индукционного лага и способы их компенсации

Методические погрешности индукционных лагов обусловлены различными факторами – как гидродинамического, так и электромагнитного характера. К основным методическим погрешностям лага относятся:
— погрешность, обусловленная действием пограничного слоя;
— погрешность, вызванная квадратурной помехой;
— погрешность, обусловленная изменением электропроводности морской воды;
— погрешность, обусловленная волнением моря, креном и дифферентом корабля;
— погрешность, обусловленная электромагнитными полями корабля и океана.
Погрешности ИППС ИЛ обусловлены наличием собственной ЭДС электродов, влиянием циркуляционных токов, токов утечки и наводок. Для компенсации собственной ЭДС электродов, связанное с их поляризацией, в ИЛ используют переменное магнитное поле, электроды изготавливают из специальных материалов (серебро, платина) и подбирают пары электродов с идентичными характеристиками.
Из-за турбулентных вихрей или градиентов магнитного поля в потоке, обтекающем днище корабля, возникают циркуляционные (уравнительные) токи, вызывающие падение напряжения в области между электродами ИППС. Появляющаяся при этом разность потенциалов зависит от градиента скорости потока, турбулентности, градиента магнитного поля, а также электропроводности воды. Особенно ощутимо влияние циркуляционных токов сказывается на ИППС, устанавливаемых заподлицо с днищем корабля, так как при этом измерения производятся в турбулентном слое, обладающем значительными градиентами скорости. Снижение этого влияния добиваются соответствующим расположением электромагнита относительно осей координат корабля и уменьшением неоднородности магнитного поля.
Погрешность измерения скорости обусловлена токами утечки в цепи возбуждения магнитного поля и наводками от посторонних электрических и магнитных полей. Она возникает в результате появления на входе измерительной схемы лага дополнительных сигналов, не связанных с относительной скоростью корабля. Токи утечки возникают из-за дефектов изоляции измерительной цепи ИПС и наличия ее емкостной связи с обмотками магнита. Для устранения этой помехи напряжения в электромагнит подают через специальный разделительный трансформатор, а для связи электродов с измерительной схемой используют кабели с большим сопротивлением изоляции. Устранение влияния на измерительную цепь посторонних электрических и магнитных полей достигается тщательной экранировкой соответствующих узлов и заземлением всех приборов.
К погрешностям, обусловленным влиянием внешней среды относятся погрешности, вызываемые качкой, креном и дифферентом, а для лагов с ИППС, не выступающим за обводы корпуса корабля,— погрешности, обусловленные изменением его осадки. Кроме того, на точность работы ИЛ влияет изменение электропроводности воды.
Погрешности измерения скорости при качке необходимо вычислять для каждого корабля (проекта), учитывая особенности его поведения на волнении и отстояние ИППС лага от центра тяжести корабля. При этом важно, что результаты вычислений по формулам являются приближенными и носят информативный характер.
Индукционный лаг, по сравнению с гидродинамическим, имеет следующие преимущества. Во-первых, в нем могут полностью отсутствовать механические узлы и блоки, т. к. его приемное устройство непосредственно вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный скорости корабля. Во-вторых, эксплуатация индукционного лага в море значительно проще, поскольку в нем отсутствует сложная гидравлическая система, требующая специального обслуживания. В-третьих, индукционный лаг обладает более высокой чувствительностью и способностью измерять задний ход.

Смотрите также

Уборка выстрелов

"Потаенное судно" Е.П.Никонова

Открытое акционерное общество Центр судоремонта «Звездочка»