«МАГНИТНЫЕ КОМПАСЫ ТЕОРИЯ. КОНСТРУКЦИЯ. ДЕВИАЦИОННЫЕ РАБОТЫ Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области эксплуатации водного транспорта в качестве учебного пособия для обучения студентов ...»

В.В. Воронов, Н.Н. Григорьев, А.В. Яловенко

МАГНИТНЫЕ КОМПАСЫ

ТЕОРИЯ. КОНСТРУКЦИЯ.

ДЕВИАЦИОННЫЕ РАБОТЫ

Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в

области эксплуатации водного транспорта в качестве учебного пособия для

обучения студентов (курсантов) по специальности 240200 "Судовождение " в вузах водного транспорта Санкт-Петербург, "Элмор" 2004 ББК 39.471-5 В 75 Рецензенты: к.т.н., ст. научн. сотрудник ОАО "Штурманские приборы" Л.А. Кардашинский-Брауде к.т.н., профессор ГМА им. адм. СО. Макарова Н.В. Авербах В 75 Воронов В.В., Григорьев Н.Н., Яловенко А.В.

Магнитные компасы. Теория, конструкция и девиационные работы.

Учебное пособие. — СПб.: "Элмор", 2004. — 192 с.

ISBN 5-7399-0105- Имеющее практическую направленность, учебное пособие содержит краткое изложение теории девиации, обоснование способов ее уничтожения, а также сведения относительно конструкции современных магнитных компасов. Приведены международные и национальные требования к морским компасам.

Книга предназначена для специалистов - девиаторов и курсантов судоводительской и гидрографической специальностей морских учебных заведений.

ISBN 5-7399-0105-7 ББК 39.471- © В.В. Воронов, Н.Н. Григорьев, А.В. Яловенко, © Издательство "Элмор", Введение Безотказность магнитного компаса как его важнейшее свойство находит отражение в ряде международных нормативных документов (ИМО, ИСО), в которых установлено, что магнитный компас является главным курсоуказателем на судне. Соответственно, ни одно судно не может выйти в море, если не имеет на борту магнитного компаса.

При пользовании магнитным компасом для перехода от компасного курса к истинному необходимо учитывать две поправочные величины — девиацию и склонение. Таблица девиации периодически обновляется, а информация о магнитном склонении имеется на навигационных картах.

Известные способы уничтожения девиации позволяют снизить ее до приемлемых величин. Именно вопросам компенсации девиации магнитных компасов посвящено предлагаемое учебное пособие.

В первом разделе (главы 1—8) изложена теория магнитного компаса и дано обоснование способов компенсации девиации. Во втором разделе (главы 9—11) рассматривается конструкция магнитных компасов, а также (главы 12—19) приведены практические способы уничтожения полукруговой, четвертной, широтной и креновой девиации. Кроме того, рассмотрен вопрос о сроках действия таблицы остаточной девиации. Даны рекомендации, позволяющие поддерживать точностные характеристики магнитного компаса на должном уровне, достаточном для обеспечения безопасности мореплавания. В раздел "Приложения" включены выдержки из международных и национальных нормативных документов, в которых изложены требования к магнитному компасу. Кроме того, в Приложении приведены полностью два основных документа: Резолюция ИМО А.382 (10) и глава 5.2 "Магнитные компасы" из Правил Российского морского регистра судоходства.

Авторы считают своим долгом выразить искреннюю благодарность следующим организациям и их руководителям, оказавшим содействие в подготовке материалов и финансовую поддержку этого издания:

Государственная морская академия им. адм. СО. Макарова — начальник академии профессор И.И. Костылев;

Морское собрание Санкт-Петербурга — Председатель собрания Н.В.

Орлов;

Российский морской регистр судоходства — генеральный директор Н.А. Решетов;

ОАО "Канонерский судоремонтный завод" — генеральный директор Н.М. Вихров;

ЗАО "Си-Мэп" — генеральный директор С.С. Губернаторов;

ЗАО "Енекс" — генеральный директор А.А. Жилкин;

ЗАО "Транзас-Евразия" — генеральный директор Н.В. Мужиков;

ЗАО "Морские компьютерные системы" — генеральный директор В.Г.

Яковлев.

Авторы с благодарностью примут любые замечания и пожелания по содержанию учебного пособия, которые могли бы улучшить его качество при переиздании. Отклики просьба направлять в адрес издательства "Элмор":

199026, Санкт-Петербург, В-026, а/я 868.

ТЕОРИЯ МАГНИТНОГО КОМПАСА

Глава 1. Основные сведения о магнетизме 1.1. Характеристики магнитного поля Магнитное поле — особая форма материи — создается упорядоченным движением электронов. Магнитное поле обнаруживается по его действию на проводники с током (движущиеся заряды) или на тела, обладающие намагниченностью.

величина В, которая называется магнитной индукцией. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку магнитного поля. Для определения величины магнитной индукции обычно используют закон Ампера Механическая сила F (рис. 1), действующая на отрезок проводника с током, пропорциональна силе тока i, длине проводника l и индукции магнитного поля В. Сила F также зависит от угла между вектором В и направлением тока i. Следует отметить, что сила F всегда действует перпендикулярно вектору В.

Исходя из выражения (1), можно установить единицу магнитной индукции:

Тесла — крупная единица магнитной индукции. Для измерения слабых магнитных полей применяют мелкую дольную единицу — микротеслу (мкТл): 1мкТл =10-6Тл. Для примера следует отметить, что полный вектор магнитного поля Земли составляет примерно 50 мкТл. Для графического представления магнитного поля применяют линии магнитной индукции.

Касательные в каждой точке этих линий совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Магнитные силовые линии всегда замкнуты.

Свободная магнитная стрелка устанавливается вдоль силовой линии.

Наряду с магнитной индукцией В используется другая векторная величина — напряженность магнитного поля Н, которая связана с магнитной индукцией соотношением где µ — магнитная проницаемость среды (вещества); µ0 — магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная), = 410-7Гн / м (Н / А2).

показывающая, во сколько раз магнитная индукция в данной среде больше, чем магнитная индукция в вакууме. Для ферромагнитных веществ величина µ всегда больше единицы и для некоторых материалов доходит до сотен и тысяч единиц. Для воздуха µ = l; B=µ0H.

Из выражения (2) можно определить размерность напряженности магнитного поля:

Следует иметь в виду, что напряженность Н и индукция В являются силовыми характеристиками, т.к. они определяют реальную механическую силу, которая действует на отдельный полюс магнита (единичный магнитный заряд) в рассматриваемой точке поля. Поэтому в практических вопросах допускается применение термина "магнитная сила" вместо напряженности магнитного поля или магнитной индукции.

Характеристикой магнитного поля служит еще одна величина — магнитный поток Ф:

где S — площадь контура, через который проходит магнитный поток; — угол между вектором В и нормалью к поверхности контура.

Единицей магнитного потока является вебер (Вб). 1 вебер — это такой магнитный поток, который создается магнитным полем с индукцией 1 Тл через нормальное сечение площадью 1 м2:

Носителем магнитного поля может быть:

ферромагнитное тело из мягкого в магнитном отношении материала, находящееся в некотором внешнем (намагничивающем) поле и под его влиянием обладающее индуктивной (временной) намагниченностью;

ферромагнитное тело из твердого материала, обладающее постоянным магнетизмом, не зависящим от внешнего поля;

проводник, контур или обмотка с электрическим током.

На рис. 2 показан мягкий ферромагнетик, помещенный в магнитное поле с индуктивностью Во. Под влиянием этого внешнего поля внутри элемента возникает (индуцируется) внутреннее поле, индукция которого В пропорциональна величине Во:

Коэффициент, зависящий от вида и качества ферромагнитного вещества, называется магнитной восприимчивостью. Вектор В1 совпадает с направлением вектора Во и определяет полярность намагниченного таким образом тела.

Намагниченный элемент, имеющий два полюса, N и S, становится источником собственного магнитного поля, пронизывающего стержень внутри и распространяющегося во внешнем пространстве. Величина В характеризует интенсивность намагниченности (в Тл). Интенсивность намагничения (намагниченность), обозначаемая через J, также может быть выражена в амперах на метр (А/м). Численное значение намагниченности в этом случае определяется формулой Главной характеристикой любого намагниченного тела (магнита) является магнитный момент М, равный произведению намагниченности J и объема тела V:

Формула (6) определяет единицу измерения (размерность) магнитного момента:

Для примера отметим, что магнитный момент морского магнитного компаса равен 2А м2.

Простейший магнит (рис. 3) имеет два полюса N и S. Полюс магнита — это часть его поверхности SП, через которую проходит полный магнитный поток ФП, создаваемый магнитом. Вне магнита силовые линии охватывают определяется выражением ФП = B1 SП. Величина ФП, выраженная в веберах, служит дополнительной характеристикой магнита. Ее называют количеством магнетизма (или величиной магнитного полюса) и обычно обозначают через Сила взаимодействия F (притяжения или отталкивания) двух магнитных полюсов двух разных магнитов с количеством магнетизма m и m определяется законом Кулона:

где r — расстояние между взаимодействующими полюсами (рис. 4).

Величина магнитного полюса m лежит в основе понятия "напряженность магнитного поля" Н — силовой характеристики, определяемой как сила F, действующая на единичный магнитный полюс (магнитный заряд) m1.

Совмещая формулы (7) и (8), получаем Это выражение характеризует напряженность магнитного поля в точке на расстоянии r от отдельного (одиночного) полюса, как источника магнитного поля. Формула (9) имеет практическое применение при расчете и анализе магнитного поля от одного или нескольких реальных магнитов, т. е.

системы из четного числа полюсов (+m1 - m1; +m2 - m2 и т. д.).

На рис. 5 показана схема расположения векторов напряженности в некоторой произвольной точке А магнитного поля, источником которого является двухполюсный магнит (+m, - m). Согласно выражению (9), значения векторов напряженности можно рассчитать по формулам:

где rN и rS — кратчайшие расстояния от полюсов до выбранной точки.

В этих формулах величины НN и НS получаются в амперах на метр (А/м).

Если требуется выразить величины НN и НS в теслах, т.е. в единицах магнитной индукции, следует применить зависимость В = µ0 Н. Формулы принимают вид:

В заключение обзора стоит отметить еще одну практическую формулу, определяющую магнитный момент М прямолинейного магнита. Его рассчитывают по формуле (6):

Для прямолинейного магнита (см. рис. 3), имеющего длину l и площадь сечения полюса SП, можно записать:

Учитывая, что B1 SП = m, получаем Прямолинейный магнит (рис. 6) имеет два полюса (+m и -m) с расстоянием l между ними. Найдем формулу для расчета индукции магнитного поля В1 в некоторой точке А1 на продолжении оси магнита.

Исходными являются выражения (11). Индукцию В1 можно представить в виде разности После преобразований получаем Учитывая, что = М (магнитный момент), получаем (в Тл) Для случаев, когда точка А1 достаточно удалена от магнита (r > l/2), формула принимает более простой вид:

Для точки А2, расположенной на перпендикуляре, проведенном из середины магнита, индукция В2 находится путем векторного суммирования:

Из подобия двух треугольников (см. рис. 6) можно записать соотношение откуда получаем Для достаточно удаленной точки А2 расчет можно выполнять по приближенной формуле (в Тл) Формулы (14) и (16) можно также применять для расчета индукции в любой произвольной точке A3 (рис. 7):

- угол между векторами М и r.

Выполнив преобразования, получаем:

Угол, определяющий направление вектора В3, можно найти по формуле Магнитное поле Земли характеризуется следующими основными элементами (рис. 8):

полный вектор магнитной индукции в теслах (или напряженности магнитного поля в амперах на метр) Т;

горизонтальная Н и вертикальная Z составляющие полного вектора (в теслах или амперах на метр);

магнитное наклонение I;

магнитное склонение d — угол между истинным Nи и магнитным Nм меридианами.

Очевидны следующие соотношения:

Направление вектора Т показывает свободно подвешенная магнитная стрелка. Угол магнитного наклонения I лежит в вертикальной плоскости и измеряется от горизонтальной линии (магнитного меридиана) до вектора Т.

Для района Финского залива магнитное наклонение I = 72°.

географическим (истинным) и магнитным меридианами. Величину и знак магнитного склонения d указывают на навигационных картах и судоводитель учитывает их при пользовании магнитным компасом.

По аналогии с географическими терминами существуют такие понятия как магнитный экватор (линия, соединяющая точки, в которых I = 0), магнитная широта I, магнитный полюс (точка на поверхности Земли, где I = 90°). Работу магнитного компаса определяет горизонтальная составляющая Н. От нее зависит величина направляющего момента компаса. В районе магнитного полюса значение Н стремится к нулю, магнитный компас перестает там работать и не может использоваться как курсоуказатель.

Географические полюсы не совпадают с геомагнитными. Северный магнитный полюс находится в Канадском арктическом архипелаге. Его приближенные координаты: =72°N, =96° W. Южный магнитный полюс находится в Антарктиде ( = 70° S, =150° Е).

Существуют специальные магнитные карты, на которых изолиниями показаны точки равных значений составляющих Н и Z. Эти линии — изодинамы — дают наглядное графическое представление геомагнитного поля на земной поверхности. Имеются также карты магнитного наклонения, на которых плавные линии (изоклины) соединяют точки равных значений I, и карты, где представлены изолинии магнитного склонения d (изогоны).

Следует иметь в виду, что все параметры магнитного поля Земли подвержены изменениям во времени, которые называются магнитными вариациями. Поэтому любая магнитная карта должна быть отнесена к определенному году, называемому эпохой карты.

Магнитные вариации имеют различную периодичность (ход вариации) — суточную, годовую, вековую. Кроме того, есть кратковременные изменения магнитного поля Земли — магнитные возмущения. Наиболее сильные из них называются магнитными бурями. Сведения об элементах магнитного поля Земли непрерывно пополняются и уточняются, благодаря исследованиям, которые проводятся институтами земного магнетизма в нашей стране и за рубежом.

1.4. Направляющий момент магнитного компаса Стрелка компаса в магнитном поле Земли подвержена влиянию направляющего (вращающего) момента (рис. 9):

где F — сила, действующая на каждый полюс магнитной стрелки; l — расстояние между полюсами стрелки; — угол отклонения стрелки от вектора напряженности магнитного поля (Н) — горизонтальной составляющей полного вектора Т; l sin — действующее плечо пары сил.

Согласно формуле (8), сила F равна произведению величин m и Н:

Сила F выражается в ньютонах, величина магнитного полюса m — в веберах, напряженность поля Н— в амперах на метр. С внедрением международной системы СИ вместо напряженности Н для характеристики магнитного поля чаще применяют магнитную индукцию В, численное значение которой в µ0 раз больше, чем величина:

С учетом (21) формула (8) может быть записана в виде а выражение (19) — следующим образом:

Здесь учтено уже известное нам обозначение магнитного момента двухполюсного магнита (в данном случае — магнитной стрелки) Величину магнитной индукции горизонтальной составляющей земного поля вместо В обычно обозначают через Н, подразумевая ее выражение в теслах, и формула (23) для направляющего момента принимает следующий стандартный вид:

Единицей направляющего момента L является ньютон · метр (Н · м).

Вращающий момент L всегда воздействует на стрелку в сторону уменьшения угла. Под влиянием этого момента стрелка стремится ориентироваться вдоль вектора магнитного поля Н. При повороте стрелки, в ее опоре возникает момент сил сухого трения Q. Он имеет некоторую постоянную величину и всегда направлен встречно по отношению к моменту L. С уменьшением угла величина вращающего момента L становится все меньше и меньше. Когда величина L делается равной Q, стрелка останавливается. При этом остается некоторый угол ст (статическая погрешность компаса). Согласно формуле (24), величина статической погрешности определяется формулой Угол ст (см. рис. 9) характеризует зону нечувствительности (застоя) магнитного компаса. По международным нормам угол застоя не должен превышать 0,2° для средних магнитных широт (т.е. для Н 15 мкТл), что соответствует зоне Балтийского моря и Северной Атлантики.

Пример. Рассчитать величину предельно допустимого момента сил сухого трения в опоре картушки магнитного компаса Q, при которой статическая погрешность ст не превышает допускаемой величины (0,2°) — при Н= 15 мкТл; М= 2 А · м2.

Находим:

Q = MH sinст = 2·15 sin 0, 2° = 0, 1 мкН.

Для того чтобы обеспечить такой незначительный момент сил трения, магнитный чувствительный элемент снабжают поплавком и размещают его в жидкости, за счет чего вес картушки почти полностью компенсируется и сила трения в опоре становится минимальной. В процессе эксплуатации компаса предусматривается (при необходимости) замена элементов подвеса (шпильки и топки), от качества которых зависит сила трения и величина момента Q.

определяющим, воздействием. Благодаря ему картушка устанавливается по направлению магнитного меридиана, преодолевая сопротивление сил трения в опоре.

Анализируя формулу (25), необходимо отметить, что при плавании судна статическая погрешность компаса не остается постоянной. По мере уменьшения величины Н погрешность ст увеличивается. Так, при переходе судна из района экватора (Н 40 мкТл) в арктические воды (Н 4 мкТл), величина ст возрастает в 10 раз. В прилегающих к магнитным полюсам районах (Н < 1 мкТл) вращающий момент L становится настолько малым, что он не может преодолеть силы трения в опоре, и компас перестает действовать.

Как уже отмечалось (см. рис. 8), магнитное поле Земли характеризуется полным вектором магнитной индукции Т или его составляющими — горизонтальной Н и вертикальной Z. Горизонтальный вектор Н, определяющий направление магнитного меридиана NM (рис. 10), в свою очередь, можно разложить на две составляющие (относительно корпуса судна) — горизонтальную X = Н cosk и вертикальную Y = Н sink. Через k обозначаем магнитный курс судна.

На рис. 11 представлено судно в магнитном поле Земли. Судовое железо в магнитном отношении можно разделить на две категории — мягкое и твердое. Мягкое железо в поле Земли приобретает индуктивный (временный) магнетизм. При изменении курса судна элементы из мягкого материала перемагничиваются, а при отсутствии внешнего (намагничивающего) поля теряют свой магнетизм. Твердое железо имеет постоянную намагниченность, которая возникает в процессе постройки судна под влиянием сильных намагничивающих полей. Постоянный магнетизм в дальнейшем, при плавании судна, не зависит от курса судна и стабильно сохраняется в течение длительного времени.

намагничивание мягких судовых элементов. Поле X намагничивает все продольные части судна. Суммарная продольная намагниченность судна характеризуется магнитным моментом Мх = п1 X, пропорциональным индукции внешнего поля X. Аналогично поле Y создает поперечную намагниченность — магнитный момент Му = n2Y, а поле Z — вертикальный магнитный момент Mz = n3 Z. В этих выражениях п1, n2, n3 — постоянные коэффициенты, зависящие от размеров и формы элементов судна, а также от магнитной восприимчивости мягкого судового железа. Помимо трех векторов Мх, Му, Мz, характеризующих индуктивное намагничивание, можно также представить некоторый вектор Мп — магнитный момент от постоянного магнетизма твердого судового железа. Направление вектора Мп в общем случае не совпадает ни с одной из осей (х, у, z). Вектор Мп не зависит ни от курса судна, ни от магнитной широты.

Магнитный компас находится в точке О. Поле в этой точке создается как бы большими магнитами, имеющими магнитные моменты Мх, Му, Мz и Мп. В точке О есть также магнитное поле Земли (X, Y, Z).

Каждый из четырех магнитов (Мх, Му, Мz, Мп) в точке О создает по три составляющих индукции магнитного поля, причем каждая составляющая будет пропорциональна соответствующему магнитному моменту источника поля. Например, магнитный момент Мх в точке О образует три составляющих: a0 Мх (по оси х), d0 Мх (по оси у), g0 Мх (по оси z).

Коэффициенты a0, d0, g0 зависят от места установки компаса: чем дальше он находится от судового железа, тем меньше значения этих коэффициентов.

Учитывая выражение Мх = п1 Х, можно записать:

Обозначив ао п1 = a, doп1 = d, go п1 = g, получим три составляющих от влияния продольной индуктивной намагниченности судна Мх: продольную аХ, поперечную dX и вертикальную gX. Аналогично рассуждая, можно выразить три силы в точке О от вляния поперечной индуктивности намагниченности судна Му: bY (по оси х), еY (по оси у), hY (по оси z), а также от влияния вертикальной индуктивной намагниченности Мz: cZ (по оси x), fZ (по оси у), kZ (по оси z).

Постоянный судовой магнетизм Мп в точке О создает три составляющих — продольную Р, поперечную Q и вертикальную R. Их величины от магнитного поля Земли не зависят.

Суммируя составляющие в точке О по трем осям, получаем уравнения Пуассона, наглядно характеризующие и направление, и происхождение магнитных сил, действующих на компас:

где Х, Y, Z - магнитное поле Земли (составляющие вектора Т);

аХ, bY, cZ, dX, eY, fZ, gX, hY, kZ - мягкое судовое железо (индуктивный магнетизм) Р, Q, R - твердое судовое железо (постоянный магнетизм).

Коэффициенты пропорциональности a, b,…, k: называются параметрами Пуассона. Их значения зависят от магнитной восприимчивости мягкого судового железа, размеров и формы элементов судна, а также от расположения точки О по отношению к судовому железу, т. е. от места установки компаса на судне. Параметры Пуассона являются постоянными величинами и сохраняются неизменными в течение длительного времени эксплуатации судна.

Силы X' и Y' при геометрическом сложении образуют горизонтальную составляющую Н' индукции магнитного поля судна в точке О. Вектор Н' определяет направление компасного меридиана. Угол между магнитным NM и компасным NK меридианами есть девиация магнитного компаса (рис. 12).

При изменении курса судна значение девиации меняется. Курс судна можно отсчитывать как от линии магнитного, так и от линии компасного меридиана. В первом случае будем иметь магнитный курс судна k, а во втором — компасный курс k', причем очевидно, что k = k' +.

Следует отметить, что все силы, входящие в третье уравнение (Z'), при прямом положении судна, без крена и дифферента, девиации не создают.

Рассмотрим некоторые силы и параметры, входящие в уравнения Пуассона. На рис. 13 показано намагничивание корпуса судна продольной составляющей X магнитного поля Земли. При этом судно становится как бы большим магнитом с полюсами N (в носовой части) и S (в корме). Магнитное поле судна в точке О характеризуется продольным вектором индукции -аХ.

Знак "минус" означает, что вектор силы аХ направлен к корме. Вектор индукции намагничивающего поля +Х имеет знак "плюс", т.к. он направлен от кормы к носу судна. Анализируя выражение отрицательной силы -аХ при положительном значении +Х, приходим к выводу, что параметр а в данной ситуации должен иметь знак "минус". Поскольку на рис. 13 представлена типичная схема расположения магнитного компаса на судне, можно сделать вывод: судовой параметр а всегда отрицательный (-а).

Величина параметра а, так же как и других параметров Пуассона, зависит от места установки компаса, его удаленности от железных масс судна. Некоторые параметры Пуассона (а, с, е, k) имеют величину на уровне нескольких десятых или сотых долей единицы. Их можно считать множителями 1-го или 2-го порядка малости. Другие параметры (b, d, f, g, h) являются множителями 3-го порядка малости, т.к. их величины исчисляются тысячными долями. В некоторых случаях параметрами 3-го порядка малости можно пренебречь. Имеется мнемоническая схема для запоминания тех параметров и сил в уравнениях Пуассона, которые могут быть исключены ввиду их незначительности.

Параметры и силы (bY, dX, fZ, hY), стоящие в вершинах своеобразного ромба, и дополнительно сила gX, как правило, очень малы и ими можно пренебрегать. Наибольшие по величине параметры а, е, k располагаются по диагонали.

Рис. 13 показывает, что судовой параметр а создается под влиянием очень большого количества судового железа. Это — бортовая обшивка корпуса судна, палуба, киль, различные продольные элементы. Поэтому на судах параметр а имеет большую величину (сотые и десятые доли).

На рис. 14 показано возникновение продольной силы bY от влияния двух поперечных элементов 1 и 2, намагниченных поперечным полем +Y. Знак "плюс" означает, что вектор Y земного магнитного поля направлен от левого борта судна к правому. Из-за несимметричного расположения поперечных элементов 1 и 2 в точке О от их влияния возникает отрицательная продольная несимметричного железа очень мало, практически нет, поэтому величина параметра b близка к нулю, и силой bY можно пренебрегать.

Рассмотрим еще несколько примеров. На рис. 15 представлен один из вариантов образования параметра с, т. е. горизонтальной силы cZ.

намагничивается вертикальным полем Земли +Z. Знак "плюс" означает направление вертикального вектора индукции вниз, к днищу судна. Дымовая труба становится вертикальным магнитом с полюсами N и S. Этот магнит в точке О образует продольную горизонтальную проекцию -cZ. Знак "минус" показывает, что сила cZ направлена к корме. Из-за большой массы железа и близкого расположения компаса величина параметра с, как правило, существенна, и силу cZ необходимо учитывать.

На рис. 16 показана схема, поясняющая возникновение силы eY.

Поперечные элементы судна, намагниченные поперечным полем +Y, образуют поперечную намагниченность с полюсами N и S. В точке О создается отрицательная поперечная магнитная сила -eY, направленная к левому борту. Необходимо запомнить правило знаков для судовых поперечных сил: знак "плюс" имеет сила, направленная от левого к правому борту (например, сила +Y); знак "минус" имеет сила, направленная от правого борта к левому (в данном примере — сила eY). Анализируя отрицательное произведение – eY при положительном значении Y, приходим к выводу, что параметр е имеет знак "минус". И такая ситуация складывается практически на всех судах, т.к. на рис. 16 представлена типичная картина, характерная для большинства судов. Величина параметра е весьма велика, причем она больше, чем у параметра а:

Рассмотренные примеры поясняют общий принцип анализа параметров и сил, действующих на компас. Уравнения Пуассона дают наглядное представление о влиянии судового железа на магнитный компас и могут быть использованы при различных теоретических исследованиях. Однако для решения практических задач магнитные силы уравнений Пуассона недостаточно удобны. Неудобство состоит в том, что величины большинства сил, входящих в уравнения Пуассона, зависят от курса судна. Действительно, силы X, Y, аХ, bY, dX, eY, gX, hY являются или продольными, или поперечными составляющими, например:

При изменении курса судна k величина всех отмеченных сил меняется.

На одних курсах эти силы становятся равными нулю, на других достигают максимального значения.

Для практического пользования удобнее иметь и рассматривать те магнитные силы, модули которых являются постоянными величинами, не зависящими от курса судна.

Такие силы можно получить путем математического преобразования уравнений Пуассона.

2.3. Преобразование уравнений Пуассона Цель преобразования уравнений Пуассона состоит в получении таких магнитных сил, величина которых не зависела бы от курса судна.

Преобразованию подвергаются только первые два уравнения, характеризующие горизонтальные силы при прямом положении судна, без крена и дифферента.

Выразим параметры Пуассона а, b, с, d, e, в виде полусумм и полуразностей:

Подставим эти выражения в уравнения (26):

коэффициентами попарно (одна сила из 1-го уравнения, вторая — из 2-го), получаем четыре новые силы:

Из уравнений (28) остались еще две силы:

Модули векторов F1, F2, F3, F4 можно найти, применяя теорему Пифагора:

Здесь учтено равенство первую силу можно записать в виде Принимая силу F1 за своеобразный эталон, выразим вновь полученные силы в долях Н, т.е. в отвлеченной мере, и обозначим их через коэффициенты:

С учетом этих обозначений представим силы в следующем виде:

Значения полученных сил постоянны, они не зависят от курса судна.

Рассмотрим каждую силу в отдельности, определим направления сил (в зависимости от курса судна) и виды девиаций, создаваемых этими силами.

Сила Н. Вектор силы Н (рис. 17) представляет собой сумму двух векторов, имеющих одно и то же направление — по магнитному меридиану NM:

На рис. 17 через k обозначен магнитный курс судна, а через 1 — его дополнение до 360°; 1 = 360° - k.

Множитель — это безразмерный коэффициент, показывающий, насколько направляющая сила Н (на судне) уменьшена влиянием судового железа по сравнению с аналогичной силой Н вне судна.

Поскольку судовые параметры а и е всегда отрицательны (см. рис. 13 и 16), коэффициент на судах всегда меньше единицы:

Следует отметить, что на верхнем мостике судна величина примерно равна 0,8...0,9, а в рулевой рубке = 0,5...0,7. В румпельном отделении судовое железо еще сильнее экранирует естественное магнитное поле Земли, там коэффициент = 0,5...0,3, и магнитный компас работает менее надежно, чем на открытой палубе.

Сила D Н. Векторное представление этой силы показано на рис. 18.

Вектор F2 = D Н образуется геометрическим сложением положительного отрицательного поперечного вектора Y, имеющего направление к левому борту. Вектор F2 относительно диаметральной плоскости направлен Знак "минус" показывает, что 2 отсчитывается от диаметральной плоскости в противоположную сторону по сравнению с углом 1. Численные значения этих углов равны: 2 = 1. Можно найти угол, характеризующий направление силы D H относительно магнитного меридиана. По рис. 18, с учетом того, что | 2 | =| 1 |, находим: = 360° - 21 = 360° - 2(360° - k) = 2k.

Следовательно, направление силы D Н зависит от магнитного курса судна k и определяется его удвоенным значением 2k.

На рис. 19 показаны направления силы D Н на курсах 0°, 45° и 90°.

Анализируя эти рисунки, можно сделать вывод: девиация от силы D Н на главных румбах (N, E, S, W) равна нулю, а на промежуточных (четвертных) курсах (NE, SE, SW, NW) равна некоторому максимальному значению max.

Зависимость девиации от курса судна можно представить в виде графика (рис. 20), на котором есть четыре максимальных значения девиации и четыре нулевых. Такая девиация называется четвертной. Следует отметить, что максимальное значение четвертной девиации max равно коэффициенту четвертной девиации D. Его можно выражать или в градусах, или в отвлеченной мере — в радианах.

Сила Е Н. Векторное представление силы Е Н можно видеть на рис.21. Вектор F3 = Е Н образуется геометрическим суммированием продольной силы Y и поперечной силы X. Направление силы Е Н можно характеризовать углом 3 относительно поперечной судовой оси у. На рис. 21, кроме силы Е Н, также показана сила D Н, направление которой, как уже нам известно, определяется углом 2 относительно продольной судовой оси х. Из соотношений видно, что угол 3 равен углу 2. Но так как углы 3 и 2 отсчитываются от взаимноперпендикулярных осей у и х, то очевидно, что сила Е Н всегда перпендикулярна силе D Н. Следовательно, относительно магнитного меридиана сила Е Н имеет направление 2k + 90°.

Рассматривая действие силы Е Н совместно с направляющей силой Н на различных курсах судна, можно убедиться, что на четвертных магнитных курсах (NE, SE, SW, NW) эта сила не вызывает девиации, а на главных курсах (N, E, S, W), наоборот, создает максимальную девиацию. Девиация от силы Е Н, так же как и от силы D Н, носит четвертной характер. Следует отметить, что на транспортных судах величина коэффициента Е очень мала, и девиация от силы Е Н составляет доли градуса.

Сила А Н. Эта сила представляет собой геометрическую сумму двух поперечного X (рис. 22).

отсчитываемого от оси у, причем 4 = 1 так как взаимноперпендикулярных осей х и у, поэтому угол, определяющий направление силы А Н в навигационном варианте, т. е. относительно магнитного меридиана, всегда равен 90°, независимо от курса судна. Это наглядно показано на рис. 22. Таким образом, сила А Н всегда перпендикулярна магнитному меридиану. Она создает некоторую постоянную девиацию, одинаковую на всех курсах судна. Величина девиации от силы А Н, как правило, не превышает одного градуса. Эту девиацию не уничтожают, а учитывают как часть общей поправки компаса.

Сила В Н. Эта сила образована как алгебраическая сумма двух продольных составляющих: cZ и Р (рис. 23).

Значит, сила В Н — продольная, действует всегда по продольной оси х, а направление силы В Н совпадает с линией курса и характеризуется углом k. На двух курсах N и S действие силы BН совпадает с направлением магнитного меридиана, и, следовательно, на этих курсах девиация от силы BН равна нулю (рис. 24).

На курсах Е и W величина девиации от силы BН максимальна (рис. 25).

Девиация, меняющая два раза знак за полный цикл изменения курса судна (360°), называется полукруговой девиацией. График полукруговой девиации от силы B Н в зависимости от курса судна показан на рис. 26.

На примере силы B Н удобно рассматривать сущность коэффициентов девиации.

На рис. 27 показана ситуация, когда сила B Н создает максимальную девиацию max. В этом случае максимальная девиация max наблюдается не на магнитном курсе k = 90°, а на компасном курсе k' = k - max = 90°.

Результирующий вектор H = H + BH определяет направление компасного меридиана NK и величину девиации max. Из прямоугольного треугольника следует:

т.e. коэффициент полукруговой девиации есть отвлеченное число, равное синусу максимальной девиации от силы B Н, наблюдаемой на компасном курсе k = 90°. При малых (остаточных) девиациях (max < 5°), т.е. когда судовая сила B Н компенсирована магнитами-уничтожителями, вместо выражения (35) можно применять приближенную формулу В этом случае коэффициент В можно выражать или отвлеченно, в радианах, или в градусах. Именно в этом состоит сущность коэффициента полукруговой девиации В, и также любого другого коэффициента (D, Е, А, С), величина которого численно равна максимальной девиации (от соответствующей силы), выраженной в градусах или радианах.

Сила С Н. Эта сила получается в результате алгебраического суммирования двух поперечных составляющих: С Н =fZ + Q (рис. 28).

Следовательно, сила С Н — поперечная, действует всегда по судовой оси y, а направление силы С Н характеризуется углом k + 90°. Сила С Н, так же как и сила B Н, создает полукруговую девиацию с двумя максимумами (на курсах N и S) и двумя нулевыми значениями (на курсах Е и W).

Основные сведения о силах, действующих на компас, и девиациях, возникающих от их влияния, представлены в табл. 1.

Суммарное действие сил Н, АН, ВН, СН, DН, ЕН на магнитный компас находят при помощи многоугольника, который можно построить по данным табл. 1. Построение многоугольника сил (при известных коэффициентах) представляет собой графическое решение задачи по определению девиации для заданного курса судна.

Сначала проводят линию магнитного меридиана NM (рис. 29) и в установленном масштабе отмечают направляющую силу Н. В том же масштабе вычерчивают одну за другой остальные силы, придавая им направления, указанные в табл. 1. Результирующий вектор Н', равный геометрической сумме сил, является замыкающим в многоугольнике. Он проводится из начала 1-го вектора Н в конец последнего E Н. Вектор Н' определяет направление компасного меридиана NK и дает возможность измерить величину девиации как угол между двумя меридианами (NM и NK).

По рис. 29 можно видеть соотношение между магнитным k и компасным k' курсами судна: k = k' +. Следует иметь в виду, что с изменением курса судна фигура многоугольника сил принимает другую форму (рис. 30).

Для аналитического решения задач применяют основную формулу девиации, которая выводится с помощью многоугольника сил. Для этого перпендикулярную компасному меридиану NK, и на эту линию проецируют векторы всех сил, действующих на компас. Пять проекций (от сил АН, ВН, СН, DН, EН) действуют на магнитную стрелку вправо, а одна проекция (от силы Н) — влево. Алгебраическая сумма всех шести сил равна нулю, т.к.

стрелка компаса (магнитная система) принимает устойчивое положение по направлению результирующего вектора H', перпендикулярного линии mn.

Проекция каждой силы на направление mn определяется косинусом угла между линией mn и вектором соответствующей силы. По рисунку находим (см. рис. 29):

Поясним, используя дополнительные рисунки, как определяются углы для сил B Н и D Н. Нa рис. 31 показана сила В Н, направление которой всегда совпадает с линией курса судна и определяется углом k (от магнитного меридиана) или углом k' (от компасного меридиана).

Рис. 31 наглядно показывает, что угол между силой В Н и линией mn равен 90° - k' (на рис. 31 линия mn смещена и проходит через точку О, где находится стрелка компаса).

На рис. 32 представлена сила D Н, направление которой определяется углом 2k относительно магнитного меридиана. По этому рисунку можно найти выражение для угла, который определяет искомую проекцию:

=2k' +2 - - 90° = 2k'+ -90°.

Суммируя проекции сил, получаем следующее уравнение, которое характеризует положение равновесия магнитной системы компаса:

Н cos(90° - ) = А Н cos + В Н cos(90° - k') + C Н cosk' + D Н cos(2k' + - 90°) + E Н cos(2k' + ).

После сокращения на Н, учитывая известные тригонометрические соотношения, получаем точную формулу:

В случае небольшой остаточной девиации ( < 6°) это выражение имеет более простой вид:

Выражение (38) называется основной формулой девиации магнитного компаса, которая представляет собой не что иное, как ряд Фурье, ограниченный пятью членами. Поскольку основная формула является приближенной, она дает достаточно точные результаты вычисления (0,1°) при условии, если девиация невелика.

Основная формула (38) применяется для расчета коэффициентов девиации А, В, С, D, Е по результатам наблюдений, а также используется для составления рабочей таблицы остаточной девиации (после ее уничтожения).

Девиация определяется как разность между известным магнитным пеленгом МП и наблюдаемым по компасу компасным пеленгом КП Величина девиации также может быть рассчитана как разность между известным магнитным курсом k и отсчетом курса по компасу k' (см. рис. 32):

На практике применяют следующие способы определения девиации:

1) по пеленгу створа, истинное направление которого (ИП) указано на навигационной карте;

2) по сличению магнитного компаса с гирокомпасом;

3) по пеленгу небесного светила (астрономический способ);

4) по пеленгу естественного створа, не обозначенного на карте.

При любом способе девиация определяется для конкретного (заданного) компасного курса. Каждый из способов имеет свои особенности. В первом случае следует заранее вычислить магнитный пеленг створа по формуле где ИП — истинный пеленг створа, d — магнитное склонение.

Значение ИП и d берут с карты. Судно направляют на заданный компасный курс и в момент пересечения створной линии пеленгуют створ.

Компасный пеленг, как правило, отмечают с точностью до 0,1°. С такой же точностью получается и результат вычисления девиации.

Для определения девиации для другого курса необходимо сделать поворот судна, лечь на новый заданный курс, снова пересечь линию створа, взять отсчет нового компасного пеленга и рассчитать разность между магнитным пеленгом, оставшимся неизменным, и новым компасным пеленгом.

При определении девиации магнитного компаса во втором случае, по сличению с гирокомпасом, существует одна особенность, которую необходимо учитывать — это требование синхронности взятия отсчетов курса судна по магнитному компасу и репитеру гирокомпаса. Судно поочередно направляют на один из заданных курсов по магнитному компасу.

Обычно это восемь румбов: N, NE, Е, SE, S, SW, W, NW. На каждом курсе два наблюдателя, по команде, в один и тот же момент замечают отсчет курса по магнитному компасу (ККМК) и по гирокомпасу (ККГК). Отсчет ККГК следует исправить известной постоянной поправкой гирокомпаса ГК. После этого рассчитывают величину девиации по стандартной формуле Точность определения девиации этим способом зависит от стабильности поправки гирокомпаса. Как известно, при маневрировании судна, особенно в высоких широтах на большой скорости, у гирокомпаса появляется инерционная погрешность, переменная по величине, медленно уменьшающаяся до нуля (в течение нескольких часов после окончания маневрирования). Чтобы свести эти изменения поправки гирокомпаса к минимуму, необходимо при девиационных работах маневрировать на малых ходах и избегать поворотов судна на большое число градусов.

В открытом море девиацию магнитного компаса определяют по пеленгам Солнца, Луны, звезд, планет. Особенность этого способа заключается в следующем: истинный пеленг светила рассчитывается астрономическим способом, для чего необходимо дополнительно знать точный момент взятия пеленга, а также координаты места. Поскольку азимут светила непрерывно изменяется, необходимо вычислять среднее значение компасного пеленга из нескольких отсчетов. Так же, как и при способе сличения с гирокомпасом, определение девиации по пеленгу светила требует знания магнитного склонения для той точки, в которой находится судно.

При некоторых обстоятельствах, когда нет возможности применить первые три способа, прибегают к методу, основанному на пеленговании естественного створа, не обозначенного на карте. Для этой цели можно использовать, например, приметные возвышенности, отдельные сооружения и т.п. Этот метод выполняют в такой поcледовательности:

— направляют судно поочередно на компасные курсы N, NE, E, SE, S, SW, W, NW (с точностью до 1°) и в момент пересечения линии естественного створа выполняют пеленгование (с точностью до 0,1°). Таким образом, получают восемь значений компасных пеленгов (КПN, KПNE,..., KПNW);

— рассчитывают среднее арифметическое, которое равно приближенному значению магнитного пеленга створа:

В вычисленное значение МП будет входить некоторая постоянная погрешность, зависящая от коэффициента А и инструментальной ошибки пеленгатора. В большинстве случаев эта погрешность невелика и ею можно пренебречь.

Данные наблюдений и расчетов сводят в табл. 2, которая содержит значения девиаций на восьми компасных курсах (в градусах).

* Примечание: МП = 50,2°.

После уничтожения девиации, т.е. после того, как путем применения компенсаторов она будет доведена до минимальных значений, определяют остаточную девиацию одним из способов, приведенных выше в этом параграфе. Как правило, остаточную девиацию находят из наблюдений на восьми равноотстоящих компасных курсах (см. табл. 2). Но таблица, в которой есть только 8 значений девиации, неудобна для практического применения, т.к. в ней большие интервалы (45°) между значениями, а также присутствуют случайные погрешности в отдельных наблюдениях. Для получения более "плотной" таблицы остаточной девиации с интервалами или 10° необходимо в несколько раз увеличить число наблюдений (провести 24 или 36 вместо восьми). Увеличение числа отдельных наблюдений само по себе не снижает влияния случайных ошибок в наблюденных девиациях.

Кроме того, определение девиации на 24 или 36 компасных курсах значительно увеличивает затраты времени на выполнение девиационных работ. Поэтому для составления рабочей таблицы девиации применяют специальный метод. Используя этот метод, на основе восьми наблюдений девиаций сначала рассчитывают пять коэффициентов (А, В, С, D, Е), а затем, применяя эти коэффициенты, составляют рабочую таблицу остаточной девиации на любое число промежуточных курсов. Все расчеты выполняют при помощи табличных схем, составленных по основной формуле девиации (38). Таким образом, составление рабочей таблицы девиации выполняют в три этапа:

1) определение остаточной девиации из наблюдений на восьми равноотстоящих компасных курсах;

2) вычисление пяти коэффициентов девиации с использованием восьми ее наблюденных величин;

3) расчет собственно таблицы, в которой приводятся отдельные значения функции = f(k') с интервалом 15° или 10° компасного курса — на основе вычисленных коэффициентов девиации.

Рассмотрим вывод формул для вычисления коэффициентов девиации.

Запишем основную формулу (38) для компасного курса N (k' = 0°):

аналогичным образом можно получить выражения для других главных и четвертных курсов:

В итоге получили восемь уравнений с пятью неизвестными (А, В, С, D, Е). Наличие избыточных уравнений способствует более точному вычислению коэффициентов, т.к. при этом ослабляется влияние случайных ошибок в отдельных наблюдениях.

Расчет неизвестных коэффициентов выполняют, используя метод наименьших квадратов. Для расчета необходимо каждое из восьми уравнений умножить на число, стоящее в этом уравнении при определяемом коэффициенте, а затем все уравнения сложить. В результате получается так называемое нормальное уравнение, из которого определяется искомый коэффициент. При коэффициентах А в каждом уравнении стоит множитель, равный единице. Поэтому для получения нормального уравнения следует алгебраической сумме всех слагаемых правых частей (эта сумма в данном случае составляет 8А). Нормальное уравнение принимает вид:

Отсюда можно получить формулу для расчета коэффициента А:

Для получения расчетной формулы коэффициента В умножим первое и пятое исходные уравнения на ноль, третье уравнение на +1, седьмое — на -1, второе и четвертое на +sin 45°, шестое и восьмое на -sin 45°. Необходимо также учесть равенства:

sin135° = +sin45°; cos45° = +sin45°;

sin225° = - sin45°; cos135° = - sin45°;

sin315° = - sin 45°; cos225° = - sin 45°;

cos315° = + sin45°.

Уравнения принимают вид:

2) NE sin45° = А sin45° + В (sin45°)2 + C (sin45°)2 + D sin45°;

4) SE sin45°= А sin45°+ В (sin45°)2 + C (sin45°)2 - D sin45°;

6) - SW sin45° = - A sin45° + В (sin45°)2 + C (sin45°)2 + D sin45°;

8) - NW sin45°= - A sin45°+ В(sin45°)2 - C (sin45°)2 + D sin45°.

Суммируя левые и правые части, получаем нормальное уравнение:

NE sin45° + Е + SE sin45° - SW sin45° - W - NW sin 45° = 2B + 4B (sin45°)2.

С учетом того, что (sin45°)2 =1/2, формула для расчета коэффициента В принимает вид:

коэффициентов:

Коэффициенты девиации, вычисленные по формулам (39) — (43), получаются с минимальным влиянием случайных ошибок.

Используя ту же самую основную формулу (38), подставляя в нее полученные коэффициенты A, B, C, D, E и задавая через равные промежутки значения компасного курса k' можно рассчитать девиации на этих курсах и составить рабочую таблицу. Для удобства вычислений применяют бланковые формы, в основу которых положены выражения (38)—(43). Кроме того, существуют специальные программы для выполнения всех расчетов на компьютере.

3.3. Общие принципы уничтожения девиации На морских судах необходимо принимать меры для уменьшения влияния судового железа на магнитный компас, т.е. уничтожать девиацию, применяя различные компенсаторы для нейтрализации "вредных" магнитных сил (АН, ВН, СН, DH, ЕН).

Если силы, создающие девиацию, соизмеримы с направляющим вектором индукции Н, девиация имеет большую величину (десятки градусов). Пользоваться компасом при этом затруднительно или даже совсем невозможно: на одних курсах картушка будет поворачиваться вместе с судном из-за одинакового приращения углов курса и девиации, на других направлениях чувствительный элемент будет увлекаться трением в опоре вследствие чрезмерного уменьшения направляющей силы. Этими причинами вызвана необходимость уменьшения девиации, т.е. компенсации сил, которые ее вызывают.

Из всех сил самая малая — АН. Она создает девиацию, не превышающую, как правило, 1 °.

Вследствие незначительности силу АН не компенсируют. Девиация от силы АН входит составной частью в общую поправку компаса и, следовательно, учитывается при решении навигационных задач.

горизонтального судового железа и создают четвертную девиацию. Силы DН и EН доводят до минимальных значений с помощью компенсаторов четвертной девиации — брусков, пластин или шаров из мягкого ферро магнитного материала, устанавливаемых снаружи нактоуза, в его верхней части.

Силы BН и CН создаются под влиянием всего твердого и вертикального мягкого судового железа и вызывают полукруговую девиацию. Эти силы компенсируются при помощи продольных и поперечных магнитов - уничтожителей, устанавливаемых внутри нактоуза.

Для того чтобы скомпенсировать ту или иную магнитную силу, необходимо приложить к картушке компаса противоположно направленное воздействие. Это достигается применением соответствующих компенсаторов. При уничтожении девиации руководствуются следующим правилом: силы, происходящие от твердого судового железа, нужно компенсировать с помощью постоянных магнитов, а силы от индуктивного магнетизма мягкого судового железа — с помощью элементов из мягкого ферромагнитного материала.

Правильная установка компенсаторов — это и есть задача, которую требуется решать для уничтожения девиации.

Следует отметить, что четвертная девиация более стабильна, чем полукруговая. Поэтому уничтожение четвертной девиации выполняют, как правило, один раз — сразу после постройки судна.

В дальнейшем остаточная четвертная девиация практически не претерпевает заметных изменений, и коэффициенты D и Е, доведенные до минимальных значений, сохраняют свои величины, близкие к нулю, в течение многих лет.

Совершенно иначе обстоит дело с полукруговой девиацией. Каждая из сил, вызывающих полукруговую девиацию, представляет собой сумму двух составляющих:

где силы Р и Q происходят от твердого судового железа и имеют постоянную величину, а силы cZ и fZ возникают вследствие влияния мягкого судового железа, и их величина изменяется с переменой магнитной широты. Но силы cZ и fZ от курса судна не зависят и действуют подобно постоянным силам Р и Q. Поэтому силы BН и CН можно компенсировать при помощи постоянных магнитов-уничтожителей.

В процессе эксплуатации составляющие Р и Q в некоторой степени меняются по величине. Это происходит под влиянием внешних воздействий:

удары корпуса при швартовке, аварийные ситуации (касание грунта, пожар) и т.п. Вследствие этого требуется периодически контролировать величины полукруговых коэффициентов В и С и, при необходимости, повторно уничтожать полукруговую девиацию и составлять новую таблицу остаточной девиации.

Действующими правилами эти девиационные работы предписывается выполнять не реже одного раза в год.

Помимо четвертной и полукруговой девиаций, при наклонах корпуса судна, т.е. при крене, дифференте или во время качки, возникает дополнительная погрешность магнитного компаса — креновая девиация. Для ее уничтожения внутри нактоуза предусмотрен специальный компенсатор — креновый магнит. Он установлен вертикально, под котелком компаса.

Разработана методика уничтожения креновой девиации с применением измерительного прибора — судового инклинатора.

При переходе судна из одной магнитной широты в другую, т.е. с переменой составляющих Н и Z поля Земли, наблюдается изменение полукруговых коэффициентов В и С, зависящих от этих параметров:

Чтобы предотвратить нестабильность полукруговой девиации из-за перемены магнитной широты при плавании судна, компас снабжают еще одним устройством — широтным компенсатором. Это вертикальный стержень из мягкого ферромагнитного материала, устанавливаемый снаружи нактоуза. Он ликвидирует переменную (широтную) часть полукруговой девиации.

Установка всех компенсаторов для уничтожения четвертной, полукруговой, креновой и широтной девиации выполняется в соответствии с требованиями ИМО (Международной морской организации) по вопросам судовождения (Резолюция А. 382 (10) от 14 ноября 1977 г.).

Глава 4. Уничтожение полукруговой девиации Как было отмечено, уничтожение полукруговой девиации заключается в компенсации судовых сил BН и CН при помощи продольных и поперечных магнитов-уничтожителей. Известно много методических приемов уничтожения полукруговой девиации, но наиболее широкое распространение получили два основных способа: способ Эри и способ Колонга. Автор первого способа — английский астроном Джордж Эри (1801—1892). Эри был иностранным членом-корреспондентом Петербургской академии наук и известен трудами по теоретической астрономии. Второй способ разработал русский ученый, член-корреспондент Петербургской академии наук Иван Петрович Колонг (1839—1901). Эти два способа имеют и достоинства, и недостатки, и как бы дополняют один другой. При выполнении обоих способов задача заключается в том, чтобы свести к минимуму влияние судовых сил BН и CН. Оба способа требуют последовательно направлять судно на 4 курса — N, S, E, W.

Способ Эри основан на наблюдении девиации как разности между магнитным (заданным) и компасным (наблюдаемым по картушке компаса) курсами судна. В основу способа Колонга положено измерение магнитных сил, действующих на компас. Для этого необходимо иметь специальный магнитометр — дефлектор, позволяющий измерять индукцию магнитного поля в центре картушки компаса.

Далее рассмотрено теоретическое обоснование основных способов уничтожения полукруговой девиации.

Способ Эри выполняется на четырех главных магнитных курсах N, S, E, W. Задача состоит в том, чтобы в результате наблюдений найти такое положение для магнитов-уничтожителей, при котором продольные магниты компенсируют силу BН, а поперечные — CН. При этом другие силы (AН, DН, EН) должны оставаться неискаженными, с их первоначальными значениями. Сущность способа Эри можно пояснить при помощи многоугольника сил. На рис. 33 показаны силы, действующие на компас, когда судно идет магнитным курсом N(0°).

Силы Н, DН, BН направлены по магнитному меридиану NM и девиации не создают. Силы AН, EН и CН, направленные поперек меридиана, образуют девиацию N. Силу CН нужно скомпенсировать поперечными магнитами-уничтожителями, а силы AН и EН при этом должны оставаться нетронутыми. Иначе говоря, необходимо наблюдаемую девиацию N ликвидировать не полностью, а только уменьшить ее на величину N, которая создается силой CН. Однако величина N неизвестна, по картушке виден полный угол девиации N. Поэтому поступают следующим образом: поперечными магнитами-уничтожителями создают силу FN, которая полностью компенсирует сумму сил (AН + EН + CН );

при этом наблюдаемая по картушке девиация N доводится до нуля.

Компенсирующую силу FN представляют в виде двух частей: FN = f1 + f2, причем |f1| = CН, |f2| = AН + EН.

скомпенсированными, поэтому их необходимо восстановить. Для этого судно направляют на магнитный курс S (180°). Многоугольник сил для этого курса представлен на рис. 34.

Сила СН остается скомпенсированной частью f1, но другая часть — f на курсе направлена в ту же сторону, что и силы AН и ЕН. Это означает, что наблюдаемая девиация S образуется суммой сил AН + ЕН + f2.

Поскольку |f2.| = AН + ЕН, можно считать, что девиация S создается как бы удвоенной суммой сил 2(AН + ЕН). Поэтому уменьшение девиации S в два раза, т.е. доведение наблюдаемой на курсе S девиации S до величины 1/2 S путем перемещения поперечных магнитов-уничтожителей, будет означать скомпенсированной за счет действия f1, и эта компенсация будет оставаться на любом курсе судна.

Итак, для того чтобы скомпенсировать силу СН, необходимо:

1) лечь на магнитный курс N(0°) и при помощи поперечных магнитовуничтожителей довести наблюдаемую на этом курсе девиацию N до нуля;

2) лечь на магнитный курс S(180°) и при помощи тех же поперечных магнитов-уничтожителей довести появившуюся на этом курсе девиацию S до половинного значения 1/2 S.

Сила СН окажется скомпенсированной.

Для компенсации силы BН следует выполнить аналогичные действия на двух других магнитных курсах:

1) лечь на магнитный курс Е(90°) и при помощи продольных магнитовуничтожителей довести наблюдаемую на этом курсе девиацию E до нуля;

2) лечь на магнитный курс W(270°) и при помощи тех же продольных магнитов-уничтожителей довести появившуюся на этом курсе девиацию W до значения 1/2W.

Сила BН окажется скомпенсированной. В итоге полукруговая девиация уничтожена.

Главное достоинство способа Эри — простота выполнения. Не требуется никаких дополнительных приборов. Единственная трудность этого способа — приведение судна на заданные магнитные курсы N, S, E, W.

Непосредственно по картушке магнитного компаса сделать это невозможно.

Можно применять метод приведения судна на заданный магнитный курс по курсовому углу створа (или отдаленного предмета), магнитное направление которого известно (см. рис. 35).

По рис. 35 видно, что при пересечении створной линии на заданном магнитном курсе МК угол КУ должен иметь вполне определенное значение:

Рассмотрим конкретный пример.

Допустим, требуется лечь на МК = 45° (рис. 35). Имеется створ с известным магнитным направлением, например, МП = 64,5°. Рассчитаем значение курсового угла для этого случая:

Следовательно, чтобы лечь на заданный курс МК = 45°, нужно заранее установить пеленгатор по азимутальному кругу на отсчет КУ = 19,5°. Затем необходимо изменять курс судна и удерживать его так, чтобы в момент пересечения створа визирная плоскость пеленгатора оказалась совмещенной со створной линией, т.е. в этот момент наблюдатель должен видеть створные знаки через визирное приспособление пеленгатора. При этом пеленгатор поворачивать нельзя, он должен оставаться на отсчете КУ=19,5°.

Следует иметь в виду, что курсовой угол при расчете по формуле (44) должен всегда быть положительным в пределах от 0 до 360°. Например, если задан МК = 135°, то при МП = 64,5° расчет по формуле (44) нужно выполнять с добавлением 360°, т.е.:

С появлением гирокомпаса выполнение способа Эри упростилось:

приводить судно на заданные магнитные курсы можно без использования береговых предметов и курсовых углов. Необходимо только взять с навигационной карты магнитное склонение d и учесть его при назначении гирокомпасного курса ГК, который соответствует заданному магнитному курсу. Расчет выполняют по известной формуле:

где ГК — поправка гирокомпаса.

Поскольку ГК практически всегда близка к нулю, можно пользоваться более простой формулой:

Например, если d = +10,5°, для приведения судна на магнитные курсы N, S, E, W, что необходимо для выполнения способа Эри, нужно пользоваться следующей таблицей:

При выполнении способа Эри с применением гирокомпаса необходимо учитывать одно обстоятельство: при маневрировании судна у гирокомпаса возникает инерционная погрешность, которая имеет переменный (периодический), медленно затухающий характер. Величина этой погрешности в высоких широтах может достигать нескольких градусов.

Для уменьшения инерционных погрешностей рекомендуется выполнять способ Эри на малых ходах.

В широтах выше 70° применение способа Эри по показаниям гирокомпаса дает существенные ошибки, поэтому более предпочтительно использовать метод курсовых углов.

Способ Колонга, как и способ Эри, предусматривает компенсацию сил BН и CН, т.е. уничтожение полукруговой девиации. Способ Колонга основан на измерении результирующих магнитных сил HN, HS, HE, HW на четырех главных компасных курсах и доведении этих сил продольными и поперечными магнитами до таких величин, которые наблюдались бы при отсутствии сил BН и CН Способ Колонга менее точен (по сравнению со способом Эри). Ошибки возникают из-за влияния судовых сил АН и ЕН.

При теоретическом обосновании способа Колонга силы АН и ЕН принимают равными нулю, что вполне допустимо по отношению к магнитному компасу, установленному на верхнем мостике.

Сущность способа Колонга можно понять при рассмотрении многоугольника сил. На рис. 36 показаны силы, действующие на компас, когда судно идет компасным курсом N(0°). Силы АН и ЕН не учитываются.

Рис. 36 показывает, что если результирующий вектор HN действием продольных магнитов-уничтожителей уменьшить и довести до величины HN, то при этом сила BН окажется скомпенсированной. (Предполагаемая компенсационная сила f отмечена штриховой линией). Однако выполнить такую компенсацию пока нельзя, т.к. неизвестна величина силы BН.

Поэтому на компасном курсе N выполняют только одно действие — измеряют величину результирующего вектора HN при помощи специального магнитометра. Этот измерительный прибор, предложенный в свое время Колонгом, позволяет определить индукцию магнитного поля в центре картушки компаса в условных дефлекторных единицах (д.е.). Итак, на компасном курсе N измеряют силу HN, а затем, сняв дефлектор с компаса, направляют судно на компасный курс S (180°).

На рис. 37 представлен многоугольник сил при k' = 180°. При условии АН = 0, EН = 0 девиация S равна N по величине, но обратна по знаку.

Фигуры многоугольников зеркально симметричны.

Равенство S = N = можно доказать с помощью основной формулы (38).

На рис. 37 показано: для компенсации силы BН на курсе S подходит та же компенсационная сила f (см. рис. 36). Если бы она существовала, то результирующий вектор HS имел бы величину HS. Анализируя рис. 36, 37, можно записать:

Величина H0 — это некоторое значение результирующего вектора, свободное от судовой силы BН, одинаковое и для компасного курса N, и для компасного курса S. Из рассмотренных выражений можно найти искомую величину:

Следовательно, для компенсации силы BН необходимо:

1) направить судно на компасный курс N (непосредственно по картушке компаса) и измерить дефлектором результирующую силу HN ;

2) направить судно на компасный курс S, измерить силу HS и рассчитать среднее значение H1 = ; затем установить продольные магнитыуничтожители в нактоузе таким образом, чтобы измеряемая дефлектором индукция HS стала равной величине H10. При этом судовая сила BН окажется скомпенсированной.

Аналогичным образом можно доказать, что среднее значение H 20 =, рассчитанное по двум измеренным дефлектором величинам HE и HW не зависит от судовой поперечной силы CН. Следовательно, для компенсации этой силы требуется:

1) направить судно на компасный курс Е и измерить дефлектором силу HE ;

2) направить судно на компасный курс W, измерить силу HW и рассчитать среднее значение H2 = ; затем установить поперечные магнитыуничтожители в нактоузе так, чтобы измеряемая дефлектором индукция HW стала равной величине скомпенсированной.

Способ Колонга автономен, поскольку при его выполнении не требуются береговые или небесные ориентиры. Его можно также применять в тех случаях, когда неисправен гирокомпас. В этом состоит преимущество способа Колонга перед способом Эри. К недостаткам способа Колонга можно отнести его меньшую, по сравнению со способом Эри, точность, а также необходимость применения дополнительного прибора — дефлектора.

4.4. Измерение магнитных сил дефлектором Уничтожение полукруговой девиации способом Колонга основано на измерении горизонтальных магнитных сил при помощи дефлектора. В настоящее время применяются два типа этого прибора — дефлектор Колонга и дефлектор с равномерной шкалой.

Рассмотрим принцип действия дефлектор Колонга (рис. 38).

Картушка компаса 4 располагается осью NS по направлению вектора индукции магнитного поля Земли или вектора Н' магнитного поля судна.

Если визирную плоскость пеленгатора совместить с линией действия измеряемой силы Н (Н'), то под призмой 5 пеленгатора будет наблюдаться отсчет 180°, т.е. S картушки. В дефлекторе есть два магнита — измерительный 1 и вспомогательный 3. При выполнении измерений дефлектор устанавливают на пеленгаторе так, чтобы измерительный магнит располагался вдоль вектора измеряемой силы Н (Н'). Северный полюс магнита N, отмеченный риской 2, должен быть обращен в сторону румба N картушки. Измерительный магнит 1 в точке О (центр картушки) создает компенсирующее магнитное поле с вектором индукции H1. Расстояние r, т.е.

возвышение измерительного магнита над картушкой, можно регулировать микротеслах) определяется в соответствии с формулой (15):

где М — магнитный момент измерительного магнита, А · м2; r — расстояние между картушкой и магнитом, м; l — длина измерительного магнита, м.

При некотором расстоянии r значение Н1 компенсирующего поля становится равным значению Н измеряемого поля, и картушка 4 при этом устанавливается линией NS по направлению вектора Н2, создаваемого перпендикулярна линии NS измерительного магнита. Таким образом, признаком выполнения условия Н1 = Н является поворот картушки компаса на 90° по отношению к первоначальному положению. Если до начала измерения под призмой пеленгатора наблюдался отсчет 180° (S картушки), то в конце измерения через призму пеленгатора должен быть виден отсчет 270° (W картушки). Мерой величины Н (Н') служит расстояние r. На вертикальной планке дефлектора расположена шкала 6, проградуированная в соответствии с формулой (47). Отсчет величины Н (Н') в условных (дефлекторных) единицах считывается с помощью индекса 7, жестко связанного с измерительным магнитом 1. Поскольку измеряемая величина обратно пропорциональна кубу расстояния r, шкала дефлектора Колонга неравномерна.

Разновидность дефлектора Колонга — более портативный прибор с равномерной круговой шкалой. Его отличие от дефлектора Колонга состоит в том, что вместо одного измерительного магнита, перемещаемого по вертикали, используется система из двух магнитов, складывающихся наподобие ножниц. Для оценки измеряемой магнитной силы служит угол раздвижки измерительных магнитов. Благодаря синусному механизму, шкала дефлектора имеет равномерные деления.

Глава 5. Четвертная девиация и ее уничтожение 5.1. Принцип уничтожения четвертной девиации Уничтожение четвертной девиации заключается в компенсации судовых сил DН и EН, происходящих от мягкого железа. В качестве компенсаторов четвертной девиации применяют горизонтальные элементы из мягкого ферромагнитного материала, устанавливаемые в верхней части нактоуза, снаружи, на уровне картушки компаса.

Условие уничтожения четвертной девиации можно выразить равенствами:

где D, E — суммарные коэффициенты, обусловленные совместным действием судового железа и компенсаторов (остаточные коэффициенты четвертной девиации); DC, EC и DK, ЕК — коэффициенты от мягкого судового железа и от компенсаторов, соответственно.

Рассмотрим принцип компенсации судовой силы DCН. Коэффициент DС характеризуется выражением:

Судовые параметры ас и ес, как это было доказано в п. 2.2, всегда имеют отрицательный знак, причем по абсолютной величине параметр ес всегда больше параметра ас. Следовательно, имеют место зависимости:

Отсюда можно сделать вывод, что судовой коэффициент DC — всегда положительный. Значит, для компенсации судовой силы DCН необходимо иметь компенсаторы, создающие отрицательный коэффициент DK. Он будет отрицательным, если разность (ак - ек) — отрицательное число.

В качестве компенсатора четвертной девиации можно взять элемент из мягкого ферромагнетика и расположить его вблизи компаса на уровне картушки. Этот элемент (компенсатор) может иметь форму стержня, пластины, шара и т.п. На рис. 39 показан компенсатор в виде продольного горизонтального стержня, который находится в магнитном поле Земли, т.е.

намагничивается проекциями: продольной +Х и поперечной +Y. В точке О (центр картушки) такой компенсатор, как источник собственного поля) создает силы —акХ и + екY, т.е. формирует отрицательный параметр - ак и положительный +ек. При этом образуется отрицательный компенсационный коэффициент – DК:

Это значит, что элемент из мягкого ферромагнетика произвольной формы, установленный сбоку от компаса, может стать компенсатором четвертной девиации, если выполняется условие | DС| = |DK|.

Наиболее распространенным видом компенсатора до недавнего времени были горизонтальные стержни круглого сечения, устанавливаемые продольно в верхней части нактоуза, по одному с каждой стороны. Длину стержней подбирали так, чтобы выполнялось условие (48). В последнее время получили распространение компенсаторы четвертной девиации, имеющие форму пластин. Они обладают рядом достоинств, о чем будет сказано в последующих параграфах.

Для компенсации судовой силы ЕСН не требуется отдельных компенсаторов. Сила ЕСН может быть скомпенсирована одновременно с силой DН теми же самыми элементами. Для этого их необходимо развернуть в горизонтальной плоскости на некоторый угол относительно продольной оси (рис. 40).

Величина угла рассчитывается по формуле Поворот компенсаторов по часовой стрелке создает отрицательный коэффициент ЕК, против часовой стрелки — положительный ЕК На рис. 41 представлен компенсатор четвертной девиации в виде прямоугольного элемента из мягкого ферромагнитного материала. Он установлен на некотором расстоянии r от центра O1 системы компаса.

Размеры компенсатора подобраны таким образом, что отрицательный коэффициент элемента - DK полностью компенсирует положительную величину судового коэффициента четвертной девиации +DC. При этом выполняется условие уничтожения четвертной девиации (48).

Но существует одно обстоятельство, которое делает схему компенсации четвертной девиации более сложной. Дело в том, что компенсаторы устанавливаются на нактоузе в непосредственной близости к магнитной системе компаса. Вследствие этого компенсаторы помимо основной намагниченности от поля Земли, приобретают дополнительный магнетизм от влияния (индукции) магнитной системы компаса. Эта дополнительная намагниченность вызывает отклонение магнитной стрелки (картушки), которое называется девиацией от индукции.

Представим магнитный момент стрелки компаса в виде двух составляющих — продольной Мx и поперечной Мy (см. рис. 41).

Величины Мx и Мy зависят от курса судна k:

Следует заметить, что если у компаса девиации нет, то магнитный k и компасный k' курсы одинаковы. На рисунке показан компенсатор в виде прямоугольного элемента. Он находится на расстоянии r от центра магнитной стрелки, действие которой характеризуется двумя моментами Мx и Мy. В соответствии с формулами (14) и (16), в точке О2 (центр компенсатора) образуется магнитное поле, магнитную индукцию которого можно представить двумя векторами:

Компенсатор приобретает индуктивную намагниченность:

где х, y— магнитная восприимчивость компенсатора по осям х и у; V— объем компенсатора.

Индуктивно намагниченный (от компасной стрелки) компенсатор становится источником собственного (дополнительного) магнитного поля. В точке О1 (центр картушки) это дополнительное поле характеризуется двумя векторами магнитной индукции:

С учетом выражений (52), (53) и (54) получаем:

Введем обозначение постоянного коэффициента:

Выражения составляющих индукции приобретают вид:

результирующего вектора Н' и определяют направление компасного меридиана NK, по которому устанавливается картушка (рис. 42).

Угол отклонения инд. магнитной стрелки (картушки) от первоначального направления NM и есть девиация от индукции.

Найдем проекции сил Н, h1 и h2 на направление mn, перпендикулярное компасному меридиану NK:

влево от компасного меридиана.................. Н sin инд. + h2 cosk';

вправо от компасного меридиана.................. h1 sin k'.

Составим уравнение равновесия действующих на картушку магнитных сил:

Отсюда можно найти выражение для девиации индукционного вида:

Подставим в это выражение значения h1 и h2 из формул (58), в которых вместо магнитного курса k теперь не обходимо учитывать компасный курс k', т.е. угол между направлением компасной стрелки и диаметральной плоскостью судна. После подстановки получаем или Анализируя выражение (60), можно сделать следующие выводы:

1. Девиация от индукции имеет четвертной характер.

2. Коэффициент четвертной девиации от индукции, т.е. максимальное значение девиации, наблюдаемое на четвертных курсах, выражается формулой где N = постоянный конструктивный коэффициент, зависящий от объема компенсатора V и обратно пропорциональный шестой степени расстояния r; x, y — магнитные восприимчивости по продольной и поперечной осям, зависящие от качества материала и формы компенсатора.

3. Коэффициент индукционной девиации Dинд изменяется с переменой горизонтальной составляющей магнитного поля Н, т.е. при переходе судна из нестабильности индукционной девиации дает табл. 3.

Как видно, диапазон изменения девиации от индукции весьма большой:

если в средних широтах девиация составляет 1...2°, то при переходе в высокие широты она может увеличиваться до 10°, что недопустимо. Поэтому необходимо добиваться уменьшения индукционной девиации, чтобы в средних широтах она не превышала 0,2°, тогда и высоких широтах она не выйдет за пределы 1°, что отвечает навигационным требованиям.

5.3. Безындукционные компенсаторы четвертной девиации Формула (61) показывает, что при x = 4y коэффициент четвертной девиации от индукции становится равным нулю (Dинд = 0) и остается на нулевом уровне в любом районе плавания судна. Раскроем равенство x = 4y как условие безындукционности компенсаторов четвертной девиации. Действующие (реальные) магнитные восприимчивости x и y зависят от магнитной восприимчивости материала и коэффициентов размагничивания Тx и Ту, которые, в свою очередь, определяются формой элемента и выбранным направлением.

Для прямоугольной пластины, имеющей длину l и ширину b (рис. 43), коэффициенты Тх и Тy являются некоторыми функциями относительной длины пластины = l / b. При = 1 коэффициенты одинаковы: Тх = Тy. С увеличением коэффициент Тх уменьшается и стремится к нулю, а коэффициент Тy, наоборот, увеличивается и достигает некоторых больших значений.

коэффициентов размагничивания выражается формулами:

Формулы показывают, что при Тx 0, т.е. очень узкая пластина, имеющая l > b, Тx 0, обладает реальной восприимчивостью x ( — магнитная восприимчивость материала, x — магнитная восприимчивость формы). Это значит, что по продольной оси х при l > b элемент намагничивается сильнее, чем по поперечной оси у.

На рис. 44 показаны графики функциональной зависимости x = f1 () и y = f2 (). Расчеты показывают, эксперименты подтверждают, что при 3,2 для прямоугольной пластины имеет место равенство которое можно считать условием безындукционности компенсаторов четвертной девиации.

В настоящее время фирмы разных стран, выпускающие магнитные компасы, отказались от производства компенсаторов в виде круглых стержней, шаров и т.п., и перешли на снабжение морских компасов безындукционными компенсаторами четвертной девиации в форме тонких прямоугольных пластин, имеющих = l / b 3,2. Теоретическая разработка, экспериментальное исследование и первый выпуск опытной партии безындукционных компенсаторов были осуществлены в Государственной морской академии им. адм. СО. Макарова (Санкт-Петербург).

безындукционным компенсатором четвертной девиации в виде комплекта из 16 пластин, которые устанавливаются в двух пеналах, по 8 пластин с каждой стороны нактоуза (рис. 45).

Каждая пластина создает коэффициент величиной 0,5°. При установке всех 16 пластин суммарный компенсационный коэффициент Dк достигает значения 8°. С помощью такого набора можно обеспечивать уничтожение четвертной девиации с остаточным коэффициентом D, не превышающим 0,25°. При этом, благодаря безындукционности, сохраняется высокая стабильность девиации при плавании в различных широтах.

При наклоне судна, т.е. при наличии крена, дифферента или при качке судна его намагниченность меняется, в результате появляется погрешность компаса, называемая креновой девиацией.

Силы, действующие на компас при прямом положении судна, характеризуются уравнениями Пуассона (26). Параметры Пуассона неодинаковы по значению. Для рассмотрения влияния наклона судна можно оставить только самые существенные из них — а, с, е, k, а остальные, имеющие более высокий порядок малости, отбросить.

Тогда уравнения Пуассона принимают более простой вид:

Рассмотрим, каким образом изменяется судовой магнетизм при появлении некоторого угла крена (рис. 46).

Вместо составляющих X, Y, Z магнитного поля Земли при крене судна его корпус будет намагничиваться силами Xк, Yк, Zк которые представляют собой проекции составляющих X, Y, Z на наклонные оси х1, у1, z1:

С учетом этих обозначений уравнения (64) приобретают новый вид:

Магнитные силы Xк', Y к', Zк', действуют на компас по наклонным осям х1, у1, z1 (рис. 47). Картушка компаса при наклоне судна остается в горизонтальной плоскости. Поэтому, чтобы определить результат влияния сил Xк', Y к', Zк' на компас, необходимо эти силы привести к плоскости картушки, т.е. нужно найти проекции сил Xк', Y к', Zк' на оси х, у, z.

Обозначив новые силы, действующие по прямым осям, через X, Y, Z, и используя рис. 47, получаем:

Силу Z" можно не рассматривать, т.к. она направлена перпендикулярно к плоскости картушки и отклоняющего действия на компас не оказывает.

Остальные две силы, действующие в плоскости картушки, с учетом выражений (66) принимают вид:

Подставив в эти выражения значения Xк, Yк, Zк из уравнений (65), можно записать:

X" =X + aX + c(Zcos - Ysin ) + P;

Y" =[ Y cos + Zsin + e(Y cos + Zsin ) + Q]cos - [Zcos - Y sin + k(Zcos - Y sin ) + R]sin.

При ограниченных углах крена, когда sin, cos 1, эти выражения имеют вид Отбрасывая в каждом уравнении слагаемые самого высокого порядка малости, окончательно получаем:

Сравнивая уравнения (68) с исходными выражениями (64), легко прийти к выводу, что при крене судна в плоскости картушки (по оси у) возникает добавочная сила которая служит причиной появления креновой девиации. При качке судна Fк(y) имеет периодический характер: с частотой качки она действует попеременно, то к левому, то к правому борту. Под влиянием этой силы картушка отклоняется, у компаса наблюдается динамическая знакопеременная погрешность. Значение этой погрешности может быть весьма существенным (5...10 °). Как показывает формула (69), сила Fк(y) и, следовательно, величина креновой девиации, зависят от угла крена.

На рис. 48 показано действие силы Fк(y), на курсах N и E.

Можно сделать вывод: при поперечном наклоне (крене) судна на курсах N и S креновая девиация к максимальна, а на курсах Е и W она равна нулю. Это означает, что креновая девиация имеет полукруговой характер.

6.2. Принцип уничтожения креновой девиации Для уничтожения креновой девиации необходимо ликвидировать силу Fк(y), т.е. требуется сделать так, что бы величина Fк(y) была равна нулю при наличии угла крена. Формула (69) показывает, что сила Fк(y) не возникает при условии [(e - k)Z - R] = 0.

На рис. 49 показаны две вертикальные судовые силы: (е - k)Z и R. Их проекции на горизонтальную ось y(e - k)Z и R непосредственно воздействуют на картушку. При выполнении условия (70) силы уравновешивают одна другую, и, соответственно, креновая девиация не возникает. Для выполнения условия (70), т.е. для уничтожения креновой девиации, применяют вертикальный (креновой) магнит, устанавливаемый внутри нактоуза (см. рис. 49).

Он создает дополнительную вертикальную силу Rм, проекция которой Rм обеспечивает равенство сил, действующих на картушку влево и вправо по оси у. С учетом дополнительной силы Rм условие уничтожения креновой девиации принимает вид:

при Символом R* здесь обозначена вертикальная сила R судового магнетизма, откорректированная креновым магнитом, создающим добавочное действие Rм. Для практического осуществления равенства (71) используется судовой инклинатор — прибор, с помощью которого измеряется магнитное наклонение I' в точке, где располагается центр картушки компаса. Величина I' характеризуется выражением tg I' = Z'Е / Y'Е, где Z'Е и Y'Е — судовые магнитные силы, определяемые уравнениями Пуассона (64) для магнитного курса Е (или W). Если предположить, что полукруговая девиация предварительно уничтожена, т.е. поперечная сила Q скомпенсирована магнитами-уничтожителями (Q = 0), и, учитывая, что для магнитного курса Е (или W) составляющая Y по величине равна Н, тангенс магнитного наклонения определит выражение Подставляя в выражение (72) вместо R величину R* из уравнения (71), находим:

где I— магнитное наклонение в данном районе (вне судна).

Значение I можно взять с магнитной карты.

Уничтожение креновой девиации с применением судового инклинатора может быть выполнено в море во время рейса. Для этого необходимо:

— судно, не имеющее ни крена, ни дифферента, направить на магнитный курс Е (или W);

— вместо котелка компаса установить судовой инклинатор;

— действуя креновым магнитом, добиться, чтобы отсчет по инклинатору I'E стал равным значению I, снятому с магнитной карты для данного района плавания.

Глава 7. Повышение точности магнитного компаса Одно из основных требований, предъявляемых к магнитному компасу, — стабильность коэффициентов девиации во время плавания. Однако на большинстве судов при переходе судна из одного района в другой наблюдаемая девиация отличается от значений, взятых из рабочей таблицы начального порта. Наибольшие изменения претерпевает полукруговая девиация. Это происходит из-за того, что при компенсации сил ВН = cZ + Р и СН = fZ + Q применяют постоянные магниты-уничтожители. Однако каждая из этих сил состоит из двух разных по происхождению компонентов:

приобретающего индуктивный магнетизм от вертикальной составляющей Z земного поля, а второй — под влиянием твердого судового железа, обладающего постоянным магнетизмом.

Чтобы силы ВН и СН сохраняли стабильность, необходимо компенсацию каждой силы выполнять не одним компенсатором, а двумя:

силы cZ и fZ — вертикальными брусками мягкого железа, а силы Р и Q — продольными и поперечными магнитами.

Вертикальный брусок из ферромагнитного материала, предназначенный для компенсации переменной части полукруговой девиации, называется широтным компенсатором (ШК).

Широтный компенсатор 2, уравновешивающий судовую силу c0Z, устанавливают в продольной плоскости компаса, как это показано на рис. 50.

Судовая продольная сила c0Z компенсируется силой c1Z, создаваемой при помощи ШК, который крепят вертикально к нактоузу. Внутри нактоуза размещают магниты-уничтожители 1 для компенсации судовой силы P0.

Поскольку судовая сила f0Z обычно невелика, ШК в поперечной плоскости компаса не устанавливают.

Чтобы правильно подобрать размеры ШК, необходимо знать значение судового параметра с0. Этого достигают опытным путем, проводя соответствующие измерения на судне в двух различных точках Земли.

Запишем выражение коэффициента В полукруговой девиации для двух точек земной поверхности:

1-я точка (H1, Z1) 2-я точка (H2, Z2) После преобразований получим выражение для расчета судового параметра с0:

Для вычисления параметра c0 значения Н1, Н2 и Z1,Z2 снимают с магнитных карт или измеряют непосредственно, а коэффициенты В1, В2 и, определяют из наблюдений. По значению c0 подбирают необходимый размер ШК, чтобы обеспечить равенство c0Z =- c1Z.

Расчет параметра c1 = - c0 и установка ШК возможны только после того, как судно совершит плавание из одного района Земли в другой, и при этом будут выполнены необходимые наблюдения.

ШК, как и всякий помещенный близко к компасу элемент из мягкого железа, создает четвертную девиацию от индукции. В настоящее время разработана конструкция сдвоенного ШК, установка которого не вызывает девиации от индукции.

Сдвоенный безындукционный компенсатор состоит из двух одинаковых вертикальных стержней, устанавливаемых во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для компенсации продольной судовой силы cZ необходимо иметь два вертикальных стержня, которые устанавливают на нактоузе симметрично: вправо и влево от диаметральной плоскости под углом 45°.

Каждый стержень в отдельности создает параметры m1 и m2, равные между собой. Суммарный параметр сдвоенного ШК Установка ШК повышает точность показаний магнитного компаса при плавании судна в различных широтах.

7.2. Исправление таблицы девиации во время плавания Если наблюдаемая девиация отличается от табличной более чем на 2°, то, в соответствии с требованиями практики, следует внести исправления в таблицу девиации или составить ее заново. Как правило, во время плавания изменяется полукруговая девиация. Поэтому сличают показания магнитного компаса и гирокомпаса (или определяют девиацию каким-либо иным способом) на четырех главных магнитных курсах (0; 90; 180; 270 °) и рассчитывают новые значения полукруговых коэффициентов по формулам:

Для вычисления девиации в случае сличения показаний магнитного компаса и гирокомпаса служат выражения:

где CJIN = KГК - 0°; СЛS = KГК - 180°; СЛЕ = KГК -90°; СЛW = KW -270° — это сличения показаний гирокомпаса и магнитного компаса в те моменты, когда по магнитному компасу наблюдаются отсчеты курса 0; 180; 90; 270 °; ГК — известная поправка гирокомпаса; d — значение магнитного склонения, взятое с карты.

По новым значениям коэффициентов В и С и прежним значениям коэффициентов A, D, Е составляют более точную новую таблицу девиации, применяя табличный метод расчета или выполняя непосредственные расчеты девиации на микрокалькуляторе по основной формуле (38).

Если известно, что, помимо коэффициентов В и С, изменению подвержен коэффициент D (например, при перевозке железных грузов), то для обновления таблицы девиации рекомендуется определять девиацию на четырех четвертных компасных курсах — NE, SE, SW, NW. В этом случае для расчета новых значений коэффициентов В, С, D, служат формулы:

Особенность этих формул заключается в том, что в них не входят ни ошибка гирокомпаса, ни магнитное склонение. Это позволяет исправлять таблицу девиации при неизвестных значениях упомянутых величин.

7.3. Уничтожение электромагнитной девиации Причиной девиации магнитного компаса может быть не только магнит, но и проводник с постоянным электрическим током. На современных судах предусмотрены специальные обмотки, предназначенные для защиты судов от магнитных мин. Эти обмотки, охватывающие корпус судна или его отдельные части, подключаются к источнику постоянного тока.

Производится размагничивание судна, т.е. компенсация его собственного магнитного поля на глубине защиты, под днищем, и вероятность срабатывания магнитных мин уменьшается.

При включенных размагничивающих обмотках происходит искажение поля в той точке, где располагается магнитный компас, т.е. возникает электромагнитная девиация.

Под влиянием трех составляющих магнитного поля Земли корпус судна приобретает индуктивную намагниченность, которую можно представить тремя векторами: Мx, Мy, Мz (рис. 51), причем:

где n1, n2, n3 — коэффициенты, зависящие от материала и размеров корпуса, соответственно.

Помимо индуктивного намагничивания, судно обладает также постоянным магнитным моментом, который I можно выразить таким же образом — тремя векторами Nx,,Ny Nz, не зависящими ни от курса, ни от широты.

Для компенсации судового магнетизма применяют систему обмоток, которые, охватывая корпус судна, образуют как бы три больших соленоида по трем судовым осям: z, y, х. Обмотки, показанные на рис. 51, называются:

намагниченность по соответствующим осям (z, у, х). Каждая обмотка имеет несколько секций, в которых сила тока регулируется в зависимости от изменения курса и широты в соответствии с формулами (77).

В табл. 4 приведены основные данные для соответствующих обмоток размагничивания.

Основная Шпангоутная косинусная размагничивания определяется законом, по которому регулируется сила тока в обмотках.

Постоянные и широтные секции обмоток, ток в которых не зависит от курса судна, в точке, где находится компас, создают три постоянные силы Pэ, Qэ, Rэ. Происходит изменение коэффициентов полукруговой девиации.

постоянной и четвертной девиации.

компенсирующее устройство (КУС), в которое входят электромагнитный компенсатор и регулировочные потенциометры. Электромагнитный компенсатор представляет собой систему из трех взаимно перпендикулярных соленоидов (х, у, z). В каждом соленоиде есть независимые секции витков:

постоянная, широтная, курсовая синусная и курсовая косинусная.

Компенсатор устанавливают в верхней части нактоуза под котелком компаса.

Секции соленоидов КУС подключают параллельно соответствующим секциям обмоток размагничивания.

Силу тока в каждой секции подбирают при начальной регулировке с помощью отдельных потенциометров таким образом, чтобы обеспечить компенсацию в центре компаса сил, обусловленных действием обмоток размагничивания.

Процесс начальной регулировки тока в обмотках КУС с одновременным изменением проекций магнитных сил в точке, где находится центр картушки компаса, называется уничтожением электромагнитной девиации. Эту работу выполняют на стоянке на произвольном курсе, близком к четвертному.

последовательную компенсацию сил, которые приведены в табл. 5.

зависимость от курса и широты продольное поперечное вертикальное Силы, не зависящие от курса судна, но зависящие от магнитной широты.

Возникают при включении широтной P'э= m1Z Q'э = m2Z R'э = m3Z размагничивания Силы, не зависящие ни от курса, ни от постоянных секций всех обмоток размагничивания Силы, пропорциональные косинусу курса. Возникают при включении косинусных секций шпангоутных Х1 = 1 cosk обмоток Силы, пропорциональные синусу курса. Возникают при включении синусных секций батоксных обмоток Уничтожение электромагнитной девиации выполняется в три этапа.

Первый этап — это компенсация вертикальных сил Rэ, R'э, Z1, Z2. Котелок компаса заменяют судовым инклинатором, работающим в режиме магнитных весов. Вертикальным вспомогательным магнитом устанавливают стрелку инклинатора в горизонтальное положение. Затем, не снимая инклинатора, включают постоянные секции всех обмоток размагничивания. При этом появляются три силы: Pэ, Qэ, Rэ.

Горизонтальные силы Pэ и Qэ не оказывают влияния на инклинатор, а вертикальная составляющая Rэ выведет стрелку инклинатора из горизонтального положения. Регулировкой тока в постоянной секции zсоленоида КУС добиваются, чтобы стрелка инклинатора снова вернулась в горизонтальное положение. Сила Rэ оказывается скомпенсированной.

После этого, не снимая инклинатора и оставляя под током постоянные секции обмоток размагничивания, включают широтную секцию КУС (основной обмотки). Появляется вертикальная сила R'э = m3Z, которая отклоняет стрелку инклинатора. Регулировкой тока в широтной секции вертикального соленоида КУС добиваются, чтобы стрелка инклинатора снова заняла горизонтальное положение. Сила R'э оказывается скомпенсированной.

Аналогичным образом компенсируют силы Z1 и Z2.

Второй этап — компенсация продольных сил Pэ, P'э, Х1 Х2 — выполняется с использованием дефлектора, подготовленного для измерения проекций горизонтальных сил (без вспомогательного магнита). Измеряют дефлектором продольную проекцию Р. Затем включают постоянные секции обмоток размагничивания. Сила Р изменяется на значение Pэ. Регулировкой тока в постоянной секции х-соленоида КУС добиваются восстановления первоначального значения силы Р, т.е. компенсируют составляющую Pэ.

Аналогичным образом, последовательно подавая ток в другие секции обмоток размагничивания, компенсируют возникающие при этом силы P'э, Х и Х2.

Третий этап — компенсация поперечных сил Qэ, Q'э, Y1 Y2. Эту соответствующих потенциометров КУС.

После уничтожения электромагнитной девиации определяют остаточную девиацию и составляют две рабочие таблицы девиации: одну для включенных и другую для выключенных обмоток размагничивания.

На многих судах нет стационарных обмоток размагничивания. Такие суда подвергают периодическому размагничиванию с помощью временных обмоток, сооружаемых из переносного кабеля. Такой способ размагничивания снимает только постоянный магнетизм от твердого судового железа.

Глава 8. Бесстрелочный (индукционный) магнитный компас В соответствии с международными требованиями, на всех судах, независимо от их размера, должен находиться магнитный компас — автономный курсоуказатель, не требующий электропитания.

В 1998 г. была принята Резолюция Комитета по безопасности на море MSC.86(70), в соответствии с которой в качестве дополнительного курсоуказателя разрешается применять электромагнитный компас, не имеющий магнитной стрелки. Иначе говоря, это бесстрелочный (индукционный) компас, чувствительным элементом которого служит феррозонд (флаксгейт). В таких магнитных компасах используются электронные устройства, автоматически компенсирующие девиацию после выполнения одной полной циркуляции судна.

Феррозонд (рис. 52) имеет два пермаллоевых сердечника и две обмотки.