Индукционные лаги

Принцип действия относительного индукционного лага основан на законе электромагнитной индукции, сформулированном М. Фарадеем в 1831 г. Согласно этому закону э.д.с. индукции в контуре пропорциональна скорости измерения магнитного потока через поверхность , ограниченную этим контуром:

(6.1)

Знак «минус» показывает, что индукционный ток направлен таким образом, что его магнитное поле препятствует изменению того магнитного поля, которое вызвало появление индукционного тока (правило Э. Ленца).

Магнитный поток или поток вектора магнитной индукции через какую либо малую площадку выражается произведением проекции вектора на нормаль к этой площадке, т.е. при перпендикулярном изменение магнитного потока .

В общем случае выражение (2.1) можно записать в виде

(6.2)

Известно, что магнитная индукция характеризует величину и направление магнитного поля и численно равна силе, с которой действует магнитное поле на единицу длины проводника, расположенного перпендикулярно к направлению поля и если по проводнику протекает ток силой в одну единицу.

Сам же ток в проводнике (если ток предварительно не пропускать) может возникнуть в двух случаях: в постоянном магнитном поле, когда проводник пересекает линии магнитной индукции; в переменном магнитном поле – за счет вихревого электрического поля, которое порождается в пространстве при изменении магнитного поля во времени.

Если в постоянном магнитное поле с индукцией В (рис. 6.2) перемешать проводник длинной с некоторой скоростью , то в этом проводнике будет индуктироваться э.д.с, величина которой определяется равенством:

(6.3)

где - масштабный коэффициент, - угол между векторами скорости перемещения проводника и индукции магнитного поля. Однако при подключении к указанному проводнику измерительной системы (на рисунке - вольтметра V) напряжение будет индуктироваться и в проводниках, осуществляющих это подключение, так как они, как и измерительный проводник, движутся относительно магнитного поля. В результате суммарная э.д.с. в замкнутом измерительном контуре будет равна нулю и вольтметр ничего не покажет.

Преодолеть указанное обстоятельство воз­можно, если часть измерительного контура сде­лать неподвижным относительно магнитного по­ля. Так если в качестве проводника использовать морскую воду, где также возникает явление электромагнитной индукции.

Используя это явление, можно построить индукционный датчик электрического сигнала, пропорционально скорости судна.

В современных индукционных лагах используется датчик (индукционный преобразователь ИП), схема которого изображена на рисунке 6.3. В герметичном цилиндрическом корпусе 1 имеется электромагнит 2, обмотка которого питается переменным током с частотой 50 Гц. В нижней торцевой части датчика установлены электроды m и n, высупающие вместе с датчиком за днище судна и соприкасающееся с водой. Датчик закреплен так, что линия, соединяющая электроды, перпендикулярна ДП судна.

Электромагнит создает переменное магнитное поле, движущееся вместе с судном относительно воды. Морскую воду можно представить в виде множества параллельных проводников, образующих плоскость, движущуюся между электродами. То есть при движении судна со скоростью с точками m и n будут соприкасаться все новые и новые проводники, образованные морской водой. Таким образом, создается эффект движения проводника в переменном магнитном поле – возникает э.д.с., наведенная в морской воде между электродами. Измерив эту э.д.с., зависящую от скорости движения потока воды под днищем судна, получим значение относительно воды.

Обращаясь к формуле (6.2), найдем величины и . Так как электромагнит индукционного датчика создает переменное магнитное поле, то его магнитная индукция определяется выражением:

,

где - ; - частота питающего напряжения (50 Гц).

Рис. 6.3. Индукционный преобразователь

Элементарная площадка , составленная из множества проводников (из морской воды), которая пройдет за время при скорости движения судна между электродами m и n с расстоянием между ними , очевидно, определится произведением . Тогда формула (6.2) примет вид

. (6.4)

Равенство (6.4) показывает, что сигнал индукционного преобразователя состоит из двух частей и поступает на измерительную схему прибора в виде напряжения

где	-	помеха, которая называется квадратурной, так как она сдвинута по фазе на по отношению к полезному сигналу;
	-	полезный сигнал, зависящийот скоротси судна.

Коэффициенты и являются конструктивными параметрами индукционного преобразователя.

В измерительной части лага квадратурная помеха отделяется от полезного сигнала и исключается.

С помощью индукционного лага можно измерять не только продольную, но и поперечную составляющую скорости судна, т.е. определить дрейф судна. Для этого ИП лага снабжают дополнительной парой измерительных электродов и по полученным двум компонентам скорости вычисляют вектор полной скорости судна и его дрейф [1].

Основные погрешности индукционных лагов. При использовании информации, полученной от индукционных лагов, следует иметь в виду, что эти лага измеряют не скорость судна относительно окружаю­щего его водного пространства, а скорость потока воды, омывающего ин­дукционный преобразователь. Поэтому показания лага могут отличаться от от­носительной скорости судна из-за целого ряда причин, связанных с характером обтекания его корпуса. В свою очередь, характер обтекания корпуса судна зависит от множества факторов, основными из которых являются геометрия его днища, степень обрастания корпуса, наличие углов крена и дифферента, маневрирование судна, плавание на мелководье, работа машины на задний ход.

Выпуклая форма днища судна при его движении с дрейфом в силу принципа неразрывности потока жидкости приводит к увеличению скорости обтекания ИП и, как следствие, показаний лага. Нередко такие явления можно обнаружить при изменении судном своего курса. На рис. 2.3 представлен один из возможных вариантов изменения скорости судна и показаний лага при изменении курса судна. Здесь через и обозначены моменты начала и конца маневра, соответственно. В процессе маневра за счет увеличения скорости обтекания корпуса судна показания лаговой скорости увеличива­ются, в то время как скорость судна падает. После завершения маневра показания лага приходят в соответствие со значением текущей скорости судна, которая посте­пенно увеличивается до уровня, имевшего место до начала маневра.

На эту ошибку может накладываться погрешность возникающая за счет от­клонения места установки ИП от центра масс судна. В первом приближении эта по­грешность может быть описана выражением:

(6.5)

где и : - проекции угловой скорости о судна на его оси Z и Y, a и - расстояния от центра тяжести судна до точки установки ИП вдоль осей Z и Y, соответ­ственно.

Погрешность измерения продольной составляющей скорости при движении судна без качки, но с углом дифферента определяется выражением:

(6.6)

При наличии вертикальной скорости судна имеющей место при его качке, и угловой скорости поворота судна оценка погрешности показаний лага может быть произведена, используя следующее равенство:

(6.7)

Поскольку качка носит периодический характер, с целью повышения точности измерений производится осреднение полученных результатов на определенном интервале времени.

Обрастание корпуса судна для не выстреливаемых за пределы пограничного слоя ИП может привести к изменению поправки лага на 2,5% в год.

Наряду с указанными причинами точность работы лага зависит от качества его регулировки.

Индукционный лаг имеет погрешности, выражающиеся общей поправкой лага . Поправка является некоторой функцией скорости судна и ее можно представить в виде суммы трех составляющих

,

где - постоянная, - линейная, - нелинейная составляющие поправки.

Постоянная составляющая поправки лага вводится во время регулировки прибора в порту или в море при нулевой скорости и штилевой погоде.

Определение и ввод составляющей поправки лага выполняют по результатам испытания лага на мерной линии.

Нелинейная составляющая поправки лага вводится с помощью корректора. При испытаниях лага на мерной линии определяют данные для установки корректора - составляют программу его работы.

Индукционные лаги, применяемые на транспортных судах, позволяют измерять относительную скорость судна с погрешностью до 0,2 уз.