Погрешности измерения скорости индукционным лагом

Билет №1

Современные авторулевые позволяют:

1) автоматически удерживать судно на заданном курсе при любом состоянии погоды,

2) автоматически устранять снос судна, вызванный несимметричным рысканием под действием ветра, волнения и других причин,

3) автоматически изменять курс судна на определенную величину, заданную судоводителем,

4) управлять рулевым приводом вручную,

5) экстренно изменять курс судна при помощи выносных пультов управления (ВПУ) при внезапном появлении опасности.

Уравнение динамики системы стабилизации судна на курсе

Предположим, что судно двигается каким-то определенным истинным курсом (ИК). В какое-то время (t) под воздействием внешних факторов (f(t)) (волнение, ветер, реакция винта и т.д) судно начало уходить с курса. Угол ухода судна с курса обозначим через ( ). Уход судна с курса вызовет появление угловой скорости ( ) и углового ускорения ( ).

При отклонении судна от заданного курса в авторулевом вырабатывается сигнал, пропорциональный ( ), осуществляющий перекладку пера руля на угол ( ). Отклонение пера руля вызовет появление гидродинамического воздействия, возвращающего судно на заданный курс и, в свою очередь моментов, пропорциональных I и K (где: I момент инерции судна, K- коэффициент пропорциональности). Независимо от конструктивных особенностей, типа АР. Таким образом имеем (суммируем моменты):

В зависимости от режима работы авторулевого имеется три основных закона управления рулем судна:

1. – пропорциональный (П) где: -коэффициент пропорциональности. В авторулевых существует регулируемый параметр, называемый коэффициентом обратной связи по курсу (К_ОС= α/β = 0,2÷2,0), т.е. К_ОС=1/К₁.

2. – пропорционально-дифференциальный (ПД) где: –коэффициент обратной связи по угловой скорости поворота судна.

3. – пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД).

Билет № 3

Работа индукционного лага основана на явлении электромагнитной индукции, открытом в 1831 году великим английским физиком М. Фарадеем. Определим это явление в форме, удобной для дальнейших рассуждений. Если проводник находится в изменяющемся магнитном потоке Ф, то в проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС):

. (1.1)

Изменение магнитного потока и, следовательно, возникновение ЭДС в проводнике происходит:

1) при движении проводника в магнитном поле;

2) при изменении самого магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную проводящим замкнутым контуром (ЭДС возникает в этом контуре).

Рис. 1.1

Величина магнитного потока, проходящего через плоскую поверхность площадью S (рис. 1.1), может быть найдена из выражения

, (1.2)

где B – вектор магнитной индукции.

Уравнение справедливо для однородного магнитного поля, причем поверхность S расположена перпендикулярно вектору B.

Первая часть определения электромагнитной индукции говорит о том, что ЭДС, наводимая в проводнике, зависит от его движения в магнитном поле (рис. 1.1). Очевидно, что это обстоятельство позволяет измерить скорость движения проводника относительно магнитного потока, изменение которого происходит за счет изменения площади поверхности, описываемой проводником:

.

Следовательно, ЭДС в проводнике будет

. (1.3)

Этот сигнал называется пропорциональным, или полезным, так как содержит информацию о скорости и прямо пропорционален ей:

. (1.4)

Механизм возникновения указанной ЭДС стал понятен после открытия Э. Резерфордом в начале XX века изменения траектории электрически заряженных частиц при их движении в магнитном поле. Х. Лоренц объяснил отклонение таких частиц действием особой силы, названной его именем – силой Лоренца. Сторону этого отклонения можно определить, пользуясь правилом левой руки: если расположить руку так, чтобы вектор магнитной индукции B входил в ладонь, а вытянутые четыре пальца совпали с направлением движения частиц, то отставленный большой палец покажет направление силы Лоренца, куда движется положительный заряд (отрицательный – в противоположную сторону).

Известно, что электропроводность материала объясняется наличием в нем свободных электрических зарядов. В металлическом проводнике это электроны. На рис. 1.1 показан отрезок металлической проволоки. При его движении в магнитном поле электроны под действием силы Лоренца перемещаются к концу Э₁, который приобретает отрицательный заряд (правило левой руки). На конце Э₂ образуется недостаток электронов, и он становится положительно заряженным. Сила взаимодействия между положительно и отрицательно заряженными концами проводника компенсирует силу Лоренца, и перераспределение электронов прекращается. Уравнения (1.3) и (1.4) справедливы как раз для такого равновесного состояния. Измерив напряжение на концах проводника, можно получить скорость его движения.

Следует отметить, что данное явление не зависит от выбора системы отсчета, то есть при движении магнитного поля относительно проводника в нем также наводится ЭДС в соответствии с теми же выражениями (1.3) и (1.4), что и используется в индукционных лагах. Для этого в днище судна устанавливается электромагнит, а проводником является морская вода.

Чувствительный элемент (ЧЭ) индукционного лага (рис. 1.2) представляет собой изолированный корпус 1, внутри которого помещен электромагнит 2. Корпус установлен в подводной части судна так, что магнитный поток излучается в воду, освещая участок поверхностью S. При движении судна под действием силы Лоренца в соответствии с правилом левой руки положительные ионы перемещаются в пределах участка S, как и в линейном проводнике, в направлении левого борта, а отрицательные – в направлении правого. Для измерения возникшей ЭДС e_п в корпусе ЧЭ установлены электроды Э₁ и Э₂ в плоскости, параллельной плоскости шпангоута. Напряжение с электродов поступает в схему лага для обработки. Схема решает зависимость (1.4) и пре образует электрический сигнал в показания скорости судна.

Рис. 1.2. 1 – корпус ИППС, 2 – электромагнит, 3 – днище судна

Чувствительный элемент лага имеет и собственное название: индукционный первичный преобразователь сигнала (ИППС). Часто в литературе встречается более простое название – индукционный преобразователь (ИП).

Казалось бы, задача решена: скорость получена. Однако закон Фарадея в чистом виде наблюдается только в металлическом проводнике. В водной среде на это явление накладываются многие факторы, зависящие от свойств морской воды. Их влияние настолько велико, что измерение скорости без дополнительных мер становится невозможным. Рассмотрим наиболее значительные помехи измерениям и способы их исключения.

Погрешности измерения скорости индукционным лагом

Индукционный лаг, по сути, является электротехническим измерительным устройством. Любые электрические измерения могут проводиться с опреде­ленной степенью точности. Погрешности лага можно классифицировать по различным признакам. Для индукционного электронного лага погрешности удобно разделить на следующие группы:

1) погрешности измерительной схемы;

2) погрешности чувствительного элемента;

3) погрешности, обусловленные влиянием внешней среды.

1.3.1. Погрешности измерительной схемы. Применение для обработки информации электронной схемы позволило повысить точность измерения скорости, снизить порог чувствительности лага, упростить приемы его обслуживания. Возникающие в схеме погрешности незначительны и обусловлены в основном изменением характеристик электроэлементов и наводками паразитных напряжений в отдельных цепях схемы. Погрешность выявляется при отсутствии сигнала от индукционного преобразователя. Для данной проверки предусмотрен специальный режим работы лага, при котором входная цепь замыкается накоротко, а с помощью специального регулятора устанавливается нулевое значение скорости с точностью до 0,1 узла.

1.3.2.Погрешности чувствительного элемента. Основными причинами возникновения данной погрешности являются собственная ЭДС электродов и токи утечки и наводок в контуре приемного устройства.

Первая причина обусловлена явлениями электролиза. Морская вода является электролитом, поэтому на опущенных в нее электродах происходят окислительно-восстановительные реакции, которые сопровождаются электрическими токами. Последние и создают погрешность в измерении скорости. Для уменьшения этой ЭДС подбирают пары электродов с идентичными характеристиками и изготовляют их из малоактивных, то есть благородных, металлов.

Токи утечки возникают из-за недостаточного качества изоляции измерительной цепи приемного устройства и наличия емкостной связи этой цепи с обмотками электромагнита.

Наводки токов индукции от посторонних полей в воде и в контуре, образованном цепью "вода – провода собирательных электродов", приводят к появлению дополнительной ЭДС в измерительной схеме чувствительного элемента. Наибольшее влияние оказывают судовые электротехнические установки, питающиеся током той же частоты, что и электромагнит ЧЭ (50 Гц). Устранение этих наводок достигается экранировкой отводящих от электродов проводов и их сплетением в жгут, а также заземлением всех приборов лага.

Кроме того, нелинейность характеристики электромагнита приемного устройства приводит к искажению гармонического закона изменения его магнитного поля, что также сказывается на точности показаний лага.

Суммарную погрешность от всех перечисленных явлений можно считать систематической хотя бы на небольшом промежутке времени.

1.3.3.Погрешности, обусловленные влиянием внешней среды. К данной группе относятся погрешности, вызванные изменением солености морской воды, местом установки приемного устройства лага, статическим креном и дифферентом, качкой судна, волновым движением воды и ее температурой.

1. С изменением солености в морской воде изменяется количество электрических зарядов, однако при использовании в ЧЭ переменного магнита данное обстоятельство на погрешности лага практически не сказывается. Экспериментальные данные показали, что при изменении солености морской воды изменяется внутреннее сопротивление R_i чувствительного элемента. По закону Ома напряжение (1.8), поступающее от приемного устройства на измерительную схему лага, определяется выражением

, (1.11)

где R – входное сопротивление измерительной схемы.

Данное напряжение зависит от R_i, следовательно, для уменьшения подобной погрешности выполняется условие R ‡ R_i = const. Тогда напряжение (1.8) измеряется наиболее точно. В лаге ИЭЛ-2М уменьшение солености воды от 36 до 0,1 % приводит к погрешности не более 0,1 узла. Таким образом, указанная погрешность практически не снижает точность работы лага.

2. Погрешность, обусловленная местом установки приемного устройства лага, возникает из-за наличия пограничного слоя, то есть слоя воды, который частично увлекается корпусом судна при его движении. Она особенно велика у лагов, чувствительный элемент которых устанавливается заподлицо с днищем судна (например, у лага ИЭЛ-2М). Кроме того, в потоке воды, обтекающей днище, существуют турбулентные вихри, что приводит к возникновению циркуляционных токов, вызывающих падение напряжения на собирательных электродах. Возникающая при этом разность потенциалов зависит от турбулентности, электропроводности воды и градиента скорости потока. Погрешность носит систематический характер и определяется и устраняется на мерной линии.

Если вблизи приемного устройства лага, особенно впереди него, проводились корпусные работы, то погрешность может измениться. Отсюда и требование об обязательном прохождении мерной линии после докования судна.

Особенно значительно изменяется величина погрешности, если корпус судна обрастает. Из практики известны случаи полного прекращения работы лага ИЭЛ-2М, вызванного этой причиной. Для предотвращения столь резкого возрастания погрешностей нужны плановые осмотры корпуса и при необходимости его очистка. Данное требование обусловлено, кроме всего прочего, еще и экономическими соображениями, так как при обрастании корпуса снижается скорость судна и увеличивается расход топлива.

3. Статический крен и дифферент (особенно дифферент) вызывают значительную погрешность в показаниях лага. Дело в том, что максимальная ЭДС наводится в проводнике, когда он движется перпендикулярно магнитному потоку, то есть когда участок S перпендикулярен вектору магнитной индукции B. В результате крена или дифферента вектор отклонен от вертикали на соответствующий угол Θ, поэтому в контуре S возникает ЭДС, пропорциональная косинусу этого угла:

e = (e_п + e_к) cos Θ

Очевидно, что значение скорости, показанное лагом, уменьшается также пропорционально cos Θ. Погрешность имеет систематический характер и полностью исключается из показаний прибора, если судно удифферентовано.

4. Погрешности от волнения моря и качки носят как систематический, так и случайный характер. В условиях волнения и качки увеличивается турбулентность воды, что приводит к возрастанию пограничного слоя. В этом случае лаг показывает скорость всегда меньше действительной скорости, то есть приобретает постоянную отрицательную погрешность, которая исчезает с улучшением погоды. Кроме того, резкие колебания скорости воды вблизи индукционного преобразователя, вызванные волнением, качкой, приводят к возникновению случайных погрешностей. Их влияние снижается увеличением времени осреднения скорости, для чего в приборе 6 (рис. 4.1) тумблер "фильтр" переключают в положение "2".

Билет № 4