Патент на изобретение №2350906

(54) ДАТЧИК МАГНИТНОГО КУРСА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам для определения курса подвижных объектов. В датчике магнитного курса, содержащем первый и второй феррозонды с обмотками возбуждения и сигнальными обмотками, устройство компенсации установочной погрешности, полукруговой и четвертной девиации с переменными резисторами в качестве задатчиков величин компенсации погрешностей, двухполярный источник питания постоянного тока, генератор напряжения, устройство компенсации установочной погрешности, полукруговой и четвертной девиации выполнено в составе первого инвертирующего сумматора на первом операционном усилителе с входом от трех входных резисторов, второго инвертирующего сумматора на втором операционном усилителе с входом от трех других входных резисторов, к сигнальным обмоткам феррозондов, второму и третьему входным резисторам первого и второго операционных усилителей, а также и к выходам первого и второго операционных усилителей подключены переменные резисторы. Технический результат – упрощение выполнения датчика магнитного курса. 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам для определения курса подвижных объектов.

Известен датчик магнитного курса [1], содержащий индукционный датчик, девиационный прибор и лекальное устройство.

Наиболее близким по технической сущности является датчик магнитного курса [2], содержащий взаимно перпендикулярные первый и второй феррозонды, каждый из которых представляет собой два сердечника с распределенными по их длине обмотками возбуждения и сигнальными обмотками, подключенными ко входам устройства компенсации установочной погрешности, полукруговой и четвертной девиации с переменными резисторами в качестве задатчиков величины компенсации погрешностей, двухполярный источник питания постоянного тока, генератор напряжения, причем вывод ползунка первого переменного резистора подсоединен к первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки первого феррозонда, вывод ползунка второго переменного резистора подсоединен к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки второго феррозонда.

Недостатком такого датчика магнитного курса является сложность его выполнения вследствие применения в цепях компенсации девиации синусно-косинусных вращающихся трансформаторов.

Техническим результатом изобретения является упрощение выполнения датчика магнитного курса.

Данный технический результат достигается в датчике магнитного курса, содержащем взаимно перпендикулярные первый и второй феррозонды, каждый из которых представляет собой два сердечника с распределенными по их длине обмотками возбуждения и сигнальными обмотками, подключенными ко входам устройства компенсации установочной погрешности, полукруговой и четвертной девиации с переменными резисторами в качестве задатчиков величины компенсации погрешностей, двухполярный источник питания постоянного тока, генератор напряжения, причем вывод ползунка первого переменного резистора подсоединен к первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки первого феррозонда, вывод ползунка второго переменного резистора подсоединен к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подсоединен к выводу сигнальной обмотки второго феррозонда, тем, что вывод ползунка третьего переменного резистора подсоединен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки первого феррозонда, вывод ползунка четвертого переменного резистора подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подсоединен к выводу сигнальной обмотки второго феррозонда, устройство компенсации установочной погрешности, полукруговой и четвертной девиации выполнено в составе первого инвертирующего сумматора на первом операционном усилителе и второго инвертирующего сумматора на втором операционном усилителе, к инверсному входу первого операционного усилителя первого инвертирующего сумматора подсоединены первые выводы первого, второго и третьего входных резисторов, к выводу сигнальной обмотки первого феррозонда подсоединен первый вывод первого конденсатора, к второму выводу которого подключены первый вывод пятого резистора и второй вывод первого входного резистора, к второму выводу второго входного резистора подсоединен один из выводов пятого переменного резистора, к второму выводу третьего входного резистора подключен один из выводов шестого переменного резистора, между входом первого операционного усилителя первого инвертирующего сумматора и его выходом подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов обратной связи, к точке соединения первого резистора обратной связи с вторым резистором обратной связи подключен первый вывод шестого резистора, к второму выводу которого подключен один из выводов седьмого переменного резистора, к выходу операционного усилителя первого инвертирующего сумматора подключен первый вывод седьмого резистора; к инверсному входу второго операционного усилителя второго инвертирующего сумматора подсоединены первые выводы четвертого, пятого и шестого входных резисторов, к выводу сигнальной обмотки второго феррозонда подсоединен первый вывод второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора подсоединен к второму выводу четвертого входного резистора, первому выводу восьмого резистора, второй вывод которого подключен к выводу ползунка пятого переменного резистора, к второму выводу пятого входного резистора подсоединен один из выводов восьмого переменного резистора, к выводу ползунка которого подключен второй вывод пятого резистора, второй вывод шестого входного резистора соединен с одним из выводов девятого переменного резистора, к выводу ползунка которого подключен второй вывод седьмого резистора, между входом и выходом второго операционного усилителя второго инвертирующего сумматора подключена цепь из последовательно соединенных третьего и четвертого резисторов обратной связи, точка соединения третьего резистора обратной связи с четвертым резистором обратной связи подключена к первому выводу девятого резистора, к второму выводу которого подключен один из выводов десятого переменного резистора, выход второго операционного усилителя второго инвертирующего сумматора соединен с первым выводом десятого резистора, второй вывод которого подключен к выводу ползунка шестого переменного резистора, к выводу положительного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока подсоединены один из выводов первого и второго переменных резисторов, к выводу отрицательного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока подсоединены один из выводов третьего и четвертого переменных резисторов, переменные резисторы выполнены одинарными.

Посредством выполнения устройства компенсации установочной погрешности, полукруговой и четвертной девиации в виде первого и второго инвертирующих сумматоров на операционных усилителях и создания электрических соединений между ними и их входами и выходами обеспечивается упрощение датчика магнитного курса вследствие выполнения устройства компенсации на электронных схемах.

На чертеже представлена электрическая схема датчика магнитного курса.

Датчик магнитного курса содержит двухполярный источник питания постоянного тока 1, генератор напряжения 2, первый феррозонд 3 с сердечниками 4, 4 с распределенными по их длине обмоткой возбуждения 5 и сигнальной обмоткой 6 и второй феррозонд 3 с сердечниками 4, 4 с распределенными по их длине обмоткой возбуждения 7 и сигнальной обмоткой 8. Сердечники 4, 4,4, 4 выполнены из пермаллоя. В датчике магнитного курса сердечники 4,4 первого феррозонда 3 расположены перпендикулярно сердечникам 4, 4 второго феррозонда 3. Обмотки возбуждения 5, 7 запитываются напряжением высокой частоты от генератора напряжения по линиям связи “а”, “б”.

Вывод ползунка первого переменного резистора Rп1 соединен с первым выводом первого резистора R1, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки 6 первого феррозонда 3. Вывод ползунка второго переменного резистора Rп2 соединен с первым выводом второго резистора R2, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки 8 второго феррозонда 3.

К выводу ползунка третьего переменного резистора Rп3 подключен первый вывод третьего резистора R3, второй вывод которого соединен с выводом сигнальной обмотки 6. Вывод ползунка четвертого переменного резистора Rп4 соединен с первым выводом четвертого резистора R4, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки 8.

К инверсному входу первого операционного усилителя 9 первого инвертирующего сумматора подсоединены первые выводы первого Rвх1, второго Rвх2 и третьего Рвх3 входных резисторов.

К выводу сигнальной обмотки 6 первого феррозонда 3 подсоединен первый вывод первого конденсатора С1, к второму выводу которого подключены первый вывод пятого резистора R5 и второй вывод первого входного резистора Rвх1. К второму выводу второго входного резистора Рвх2 подсоединен один из выводов пятого переменного резистора Rп5, к второму выводу третьего входного резистора Rвх2 подсоединен один из выводов шестого переменного резистора Rп6.

Между входом первого операционного усилителя 9 и его выходом подключена цепь из последовательно соединенных первого Roс1 и второго Roc2 резисторов обратной связи. К точке соединения первого резистора обратной связи Rod с вторым резистором обратной связи Roc2 подключен первый вывод шестого резистора R6, к второму выводу которого подключен один из выводов седьмого переменного резистора Rп7, к выходу первого операционного усилителя 9 первого инвертирующего сумматора подключен первый вывод седьмого резистора R7. К инверсному входу второго операционного усилителя 9 второго инвертирующего сумматора подсоединены первые выводы четвертого Rвх4, пятого Rвх5 и шестого Rвх6 входных резисторов. К выводу сигнальной обмотки 8 второго феррозонда 3 подсоединен первый вывод второго конденсатора С2, второй вывод второго конденсатора С2 подсоединен к второму выводу четвертого входного резистора Rвx4, первому выводу восьмого резистора R8, второй вывод которого подключен к выводу “в” ползунка пятого переменного резистора Rп5. К второму выводу шестого входного резистора Rвх6 подсоединен один из выводов восьмого переменного резистора Rп8, к выводу “г” ползунка которого подключен второй вывод пятого резистора R5, второй вывод шестого входного резистора Rвх6 соединен с одним из выводов девятого переменного резистора Rп9, к выводу “д” ползунка которого подключен второй вывод седьмого резистора R7.

Между входом и выходом второго операционного усилителя 9 второго инвертирующего сумматора подключена цепь из последовательно соединенных третьего Roc3 и четвертого Roc4 резисторов обратной связи, точка соединения третьего резистора обратной связи Roc3 с четвертым резистором обратной связи Roc4 подключена к первому выводу девятого резистора R9, к второму выводу которого подключен один из выводов десятого переменного резистора Rп10. Выход второго операционного усилителя 9 второго инвертирующего сумматора соединен с первым выводом десятого резистора R10, второй вывод которого подключен к выводу “е” ползунка шестого переменного резистора Rп6. К выводу “ж” положительного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока 1 подсоединены один из выводов первого Rп1 и второго Rп2 переменных резисторов, к выводу “з” отрицательного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока 1 подсоединены одни из выводов третьего Rп3 и четвертого Rп4 переменных резисторов.

Переменные резисторы Rп1, Rп2…Rп10 выполнены одинарными.

Магнитное поле Земли действует на сердечники 4, 4,4, 4 первого 3 и второго 3 феррозондов. При подаче с выходов “а”, “б” генератора напряжения 2 напряжения высокой частоты на обмотку возбуждения 5 на сигнальной обмотке 6 первого феррозонда 3 появляется ЭДС удвоенной частоты возбуждения, величина которого Uвых1 пропорциональна проекции горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли на ось первого феррозонда 3.

где Um – амплитуда ЭДС,

– угол между магнитным меридианом и осью первого феррозонда 3,

– погрешность измерения магнитного курса.

На выходе сигнальной обмотки 8 второго феррозонда 3 появляется ЭДС удвоенной частоты напряжения возбуждения, величина которого Uвых2 пропорциональна проекции горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли на ось второго феррозонда 3.

Модель погрешности измерения магнитного курса:

где А – установочная погрешность,

В, С – коэффициенты полукруговой девиации,

D, E – коэффициенты четвертной девиации.

Коэффициенты девиации вычисляются по следующим формулам:

где ₀, ₄₅, ₉₀, ₁₃₅, ₁₈₀, ₂₂₅, ₂₇₀, ₃₁₅ – величина погрешности на курсах соответственно 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°.

Предположим, что датчик магнитного курса не имеет погрешностей. Тогда выходные напряжения датчика магнитного курса зависят от курса следующим образом:

В то же время в результате преобразования выходного сигнала сигнальной обмотки 6 первого феррозонда 3 и выходного сигнала сигнальной обмотки 8 второго феррозонда 3 на выходе первого операционного усилителя 9 первого инвертирующего сумматора будет напряжение:

где а1 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством седьмого переменного резистора Rп7,

а21 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством пятого переменного резистора Rп5,

а22 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством шестого переменного резистора Rп6,

а31 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством первого переменного резистора Rп1,

а32 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством третьего переменного резистора Rп3.

К – коэффициент передачи первого 9 и второго 9 операционных усилителей соответственно по входам на Rвх1 и Rвx4 (обеспечивается одинаковым).

Аналогично на выходе второго операционного усилителя 9 второго инвертирующего сумматора будет напряжение:

где а4 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством десятого переменного резистора Rп10,

а51 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством восьмого переменного резистора Rп8,

а52 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством девятого переменного резистора Rп9,

а61 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством второго переменного резистора Rп2,

а62 – коэффициент, соответствующий установке величины компенсации посредством четвертого переменного резистора Rп4.

Вследствие малости погрешностей девиации примем, что

Подставим (13) в (11):

Подставим (14) в (12):

Обозначаем:

Подставим (17)-(20) и (9), (10) в (15), (16). Пренебрегая произведениями малых членов, получим:

При поступлении выходных напряжений датчика магнитного курса на вход указателя магнитного курса в последнем производится их преобразование в магнитный курс м, воспроизводимый указателем магнитного курса как:

Задавая поочередно коэффициенты а1-а6, вычислим по формуле (23), подставляя в нее выражения (21), (22), вводимые при компенсации магнитной девиации погрешности, зависимости которых от курса аппроксимируются следующим образом (с погрешностью аппроксимации не более 3%, что достаточно для малых величин погрешностей девиации):

при а1=0,1, а2=а3=а4=а5=а6=0:

при а3=0,1, а1=а2=а4=а5=а6=0:

при а3=0,1, а1=а2=а4=а5=а6=0:

при а4=0,1, а1=а2=а3=а5=а6=0:

при а5=0,1, а1=а2=а3=а4=а6=0:

при а6=0,1 а1=а2=а3=а4=а5=0:

Суммарная величина компенсации кмд погрешности магнитного курса определится как сумма составляющих (24)-(29):

Приравнивая коэффициенты при одинаковых сомножителях уравнений (3), (30), получим:

Решая систему уравнений (31)-(35), получим уравнения для определения амплитуд составляющих компенсации:

Методика списания девиации заключается в следующем.

В исходном состоянии все переменные резисторы выведены в нулевое положение, что соответствует нулевым значениям амплитуды составляющих компенсации (Um1-Um4), Um2, Um3, Um5, Um6.

По определенным по формулам (4)-(8) коэффициентам A,B,C,D,E вычисляются амплитуды составляющих компенсации (Um1-Um4), Um2, Um3, Um5, Um6 по формулам (36)-(40).

Объект с датчиком магнитного курса устанавливается на курс 0° относительно магнитного меридиана, что соответствует направлению сердечников 4, 4 первого феррозонда 3 вдоль магнитного меридиана.

Если коэффициент Um6 положителен, то в сигнальную обмотку 8 второго феррозонда 3 подается ток от вывода “ж” положительного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока 1. Величина тока определяется величиной второго резистора R2 и положением ползунка второго переменного резистора Rп2, которое задается изменением магнитного курса на величину амплитуды составляющей компенсации Um6 с обратным знаком по указателю магнитного курса.

Если коэффициент Um6 отрицателен, то в сигнальную обмотку 8 второго феррозонда 3 подается ток от вывода “з” отрицательного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока 1. Величина тока определяется величиной четвертого резистора R4 и положением ползунка четвертого переменного резистора Rп4, которое задается изменением магнитного курса на величину амплитуды составляющей компенсации Um6 с обратным знаком по указателю магнитного курса. Протекающий через сигнальную обмотку 8 ток создает постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем Земли, в результате чего происходит изменение выходного сигнала сигнальной обмотки 8. Второй конденсатор С2 препятствует попадания постоянного тока на вход второго операционного усилителя 9 второго инвертирующего сумматора.

Если коэффициент Um2 положителен, то выходной магнитный курс изменяется установкой ползунка пятого переменного резистора Rп5 на величину коэффициента Um2 с обратным знаком по указателю магнитного курса.

Если коэффициент Um2 отрицателен, то выходной магнитный курс изменяется установкой ползунка шестого переменного резистора Rп6 на величину коэффициента Um2 с обратным знаком по указателю магнитного курса. Если коэффициент Um5 положителен, то выходной магнитный курс изменяется установкой ползунка восьмого переменного резистора Rп8 на величину коэффициента Um5 с обратным знаком по указателю магнитного курса.

Если коэффициент Um5 отрицателен, то выходной магнитный курс изменяется установкой ползунка девятого переменного резистора Rп9 на величину коэффициента Um5 с обратным знаком по указателю магнитного курса.

Затем объект с датчиком магнитного курса устанавливается на курс 45° относительно магнитного меридиана

Если значение (Um1-Um4) положительно, то выходной магнитный курс изменяется установкой ползунка десятого переменного резистора Rп10 на величину (Um1-Um4) с обратным знаком по указателю магнитного курса.

Если значение (Um1-Um4) отрицательно, то выходной магнитный курс изменяется установкой ползунка седьмого переменного резистора Rп7 на величину (Um1-Um4) с обратным знаком по указателю магнитного курса.

Далее объект устанавливается на курс 90° относительно магнитного меридиана.

Если коэффициент Um3 положителен, то в сигнальную обмотку 6 первого феррозонда 3 подается ток от вывода “ж” положительного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока 1.

Величина тока определяется величиной первого резистора R1 и установкой коэффициента В, задаваемой положением ползунка первого переменного резистора Rп1. Если коэффициент Um3 отрицателен, то в сигнальную обмотку 6 подается ток от вывода “3” отрицательного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока 1, величина которого определяется величиной третьего резистора R3 и установкой коэффициента В, задаваемой положением ползунка третьего переменного резистора Rп3. Создаваемое протекающим через сигнальную обмотку 6 током постоянное магнитное поле вызывает изменение выходного сигнала сигнальной обмотки 6. Первый конденсатор С1 предотвращает попадание постоянного тока на вход первого операционного усилителя 9 первого инвертирующего сумматора.

Если коэффициент Um3 отрицателен, то выходной магнитный курс изменяется установкой ползунка третьего переменного резистора Rn3 на величину коэффициента Um3 с обратным знаком по указателю магнитного курса.

Так как коэффициенты Um1, Um2, Um3, Um4, Um5, Um6 системы уравнений (36)-(40) являются функциями от коэффициентов девиации, то в результате вышеприведенной операции по списанию девиации в выходном сигнале датчика магнитного курса отсутствуют установочная погрешность и погрешности, обусловленные полукруговой и четвертной девиацией.

При этом магнитный курс, определяемый датчиком магнитного курса, будет соответствовать формуле (23).

Источники информации

1. Аппаратура измерения курса и вертикали на воздушных судах гражданской авиации. М.: Машиностроение, 1989 г., стр.51-53.

2. Аппаратура измерения курса и вертикали на воздушных судах гражданской авиации. М.: Машиностроение, 1989 г., стр.274-289.

Формула изобретения

Датчик магнитного курса, содержащий взаимно перпендикулярные первый и второй феррозонды, каждый из которых представляет собой два сердечника с распределенными по их длине обмотками возбуждения и сигнальными обмотками, подключенными ко входам устройства компенсации установочной погрешности, полукруговой и четвертной девиации с переменными резисторами в качестве задатчиков величины компенсации погрешностей, двухполярный источник питания постоянного тока, генератор напряжения, причем вывод ползунка первого переменного резистора подсоединен к первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки первого феррозонда, вывод ползунка второго переменного резистора подсоединен к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подсоединен к выводу сигнальной обмотки второго феррозонда, отличающийся тем, что вывод ползунка третьего переменного резистора подсоединен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к выводу сигнальной обмотки первого феррозонда, вывод ползунка четвертого переменного резистора подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подсоединен к выводу сигнальной обмотки второго феррозонда, устройство компенсации установочной погрешности, полукруговой и четвертной девиации выполнено в составе первого инвертирующего сумматора на первом операционном усилителе и второго инвертирующего сумматора на втором операционном усилителе, к инверсному входу первого операционного усилителя первого инвертирующего сумматора подсоединены первые выводы первого, второго и третьего входных резисторов, к выводу сигнальной обмотки первого феррозонда подсоединен первый вывод первого конденсатора, к второму выводу которого подключены первый вывод пятого резистора и второй вывод первого входного резистора, к второму выводу второго входного резистора подсоединен один из выводов пятого переменного резистора, к второму выводу третьего входного резистора подключен один из выводов шестого переменного резистора, между входом первого операционного усилителя первого инвертирующего сумматора и его выходом подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов обратной связи, к точке соединения первого резистора обратной связи с вторым резистором обратной связи подключен первый вывод шестого резистора, к второму выводу которого подключен один из выводов седьмого переменного резистора, к выходу операционного усилителя первого инвертирующего сумматора подключен первый вывод седьмого резистора; к инверсному входу второго операционного усилителя второго инвертирующего сумматора подсоединены первые выводы, четвертого, пятого и шестого входных резисторов, к выводу сигнальной обмотки второго феррозонда подсоединен первый вывод второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора подсоединен к второму выводу четвертого входного резистора, первому выводу восьмого резистора, второй вывод которого подключен к выводу ползунка пятого переменного резистора, к второму выводу пятого входного резистора подсоединен один из выводов восьмого переменного резистора, к выводу ползунка которого подключен второй вывод пятого резистора, второй вывод шестого входного резистора соединен с одним из выводов девятого переменного резистора, к выводу ползунка которого подключен второй вывод седьмого резистора, между входом и выходом второго операционного усилителя второго инвертирующего сумматора подключена цепь из последовательно соединенных третьего и четвертого резисторов обратной связи, точка соединения третьего резистора обратной связи с четвертым резистором обратной связи подключена к первому выводу девятого резистора, к второму выводу которого подключен один из выводов десятого переменного резистора, выход второго операционного усилителя второго инвертирующего сумматора соединен с первым выводом десятого резистора, второй вывод которого подключен к выводу ползунка шестого переменного резистора, к выводу положительного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока подсоединены один из выводов первого и второго переменных резисторов, к выводу отрицательного потенциала двухполярного источника питания постоянного тока подсоединены один из выводов третьего и четвертого переменных резисторов, переменные резисторы выполнены одинарными.

РИСУНКИ