Центральный прибор ГК-1. При изучении устройства приборов следует использовать принципиальную схему (рис. 10., см. далее). Центральный прибор ГК-1 (рис. 5.), который вырабатывает данные курса, содержит гироплатформу 4, несущую гироблок 5типа ГБ-23 и два акселерометра АN-6, АE-7 типа АК10 6 и 7 (подробнее рассмотрены ниже). Гироблок содержит гиромотор, два датчика угла ДУy, ДУz 11, и два датчика момента ДМy, ДМz 10. Карданов подвес, состоящий из колец внутреннего 8 и внешнего 9, обеспечивает платформе свободу вращения относительно судна вокруг одной горизонтальной оси и в азимутальной плоскости (1 — шкала; 2 — крышка; 3 — основание).
Гироблок и акселерометры закреплены винтами и электрически подключены с помощью соединителей. На обеих осях карданова подвеса смонтированы безредукторные двигатели стабилизации ДСу и ДСz постоянного тока типа ДМ11 (на рис. 2.37 показан только азимутальный двигатель 10).
Азимутальная ось несет также двухотсчетный датчик курса ДК-11 и шкалу. Шкала с ценой деления 1 ° оцифрована от 0 до 360° через 10°. Отсчетный индекс и прилегающий к нему участок шкалы освещены двумя светодиодами.
Передача электрических сигналов по горизонтальной оси карданова подвеса осуществляется по гибким проводникам, проходящим через полые цапфы, а по вертикальной оси — с помощью коллектора.
Центральный прибор ГК-1 собран на прямоугольном основании 3, которое закрывает крышка (колпак) 2. Колпак крепится к основанию с помощью четырех винтов в углах основания. Курс со шкалы можно считывать через окно в колпаке. В нижней части основания расположены два соединителя для подключения внешних кабелей.
Прибор крепят тремя винтами через овальные отверстия в основании корпуса к жесткому горизонтальному металлическому фундаменту без амортизаторов. На основании прибора нанесены две риски, по которым его выставляют параллельно диаметральной плоскости судна. ГК-1 имеет брызгозащищенное исполнение.
Рис. 5.
Далее приведена подробная информация об устройстве гироблока и акселерометра.
Гироблок. Гироблок типа ГБ-23/3 построен на динамически настраиваемом гироскопе (ДНГ). На рис. 6. показана конструкция гироблока.
Рис. 6.
На валу 7, установленном в шарикоподшипниках 4 и 15, через систему внутреннего карданова подвеса 10 с упругими торсионами 13 укреплен ротор 5 — носитель кинетического момента гироскопа. Всю эту конструкцию приводит во вращение электропривод, включающий в себя электрический статор 3 и электрический ротор 5. Электропривод по типу является гистерезисным двигателем, который имеет специальную электрическую схему исполнения. Схема обеспечивает высокую стабильность угловой скорости его собственного вращения (порядка 0,1 %). На рисунке видно, что электродвигатель, представляющий собой источник тепловых и магнитных полей, максимально удален от подвеса гироскопа.
Датчик угла 14 отклонения ротора гироскопа — индукционного типа, собран по дифференциальной схеме и имеет очень высокую чувствительность (порядка единиц угловой секунды).
Датчик моментов 7 — магнитоэлектрического типа, осуществляет управление движением гироскопа на основе взаимодействия поля обмотки, по которой протекает ток, с полем постоянного магнита 9, заделанного в теле ротора гироскопа.
Упор 12 ограничивает отклонения ротора гироскопа (в нерабочем состоянии) во избежание повреждения упругого подвеса.
Вся сборка гироскопа установлена в корпусе 6 и закрыта кожухами 2 и 11. Кожухи выполнены из материала, обладающего хорошей магнитопроводностью, с целью экранирования ротора гироскопа от внешних магнитных полей.
Внутреннюю полость гироблока герметизируют и заполняют водородно-гелиевой смесью, имеющей небольшое давление, с целью минимизации действующих на ротор нежелательных демпфирующих сил.
Основные технические характеристики гироблока типа ГБ-23/3 по данным разработчика следующие:
кинетический момент 2,3-105 гсм2 с-1
скорость вращения ротора ДНГ 12000 об/мин
постоянная времени ротора 60 с
случайный дрейф не более 0,01 °/ч
ресурс 30000ч
габариты (внешние) диаметр — 54мм
длина — 46 мм
масса — 350 г
Акселерометры. Как уже указывалось, в схеме гирокомпаса «Яхта» установлено два маятниковых акселерометра АК-10 (рис. 7.), которые имеют несколько особенностей по сравнению с маятниковым акселерометром (индикатором горизонта), используемом в гирокомпасе «Вега».
Рис. 7.
Первая особенность состоит в том, что ось подвеса Z—Z маятника акселерометра вертикальна. Центр массы маятника, точка С, смещен по отношению к оси подвеса вдоль горизонтальной оси Y—Y, ортогональной к оси чувствительности акселерометра (ось X—X). Такие маятники называются горизонтальными.
Вторая особенность заключается в том, что рассматриваемый акселерометр относится к классу компенсационных акселерометров.
И, наконец, третья особенность состоит в том, что маятник 1 имеет рамочную конструкцию, выполнен из кварца (кварцевого стекла) и подвешен с помощью двух торсионов 2—2. Торсионы также выполнены из кварца и представляют с маятником единое целое. Вторые концы торсионов закреплены в корпусе акселерометра. Главное достоинство подвеса состоит в высокой стабильности упругих характеристик в физических условиях, которые меняются в процессе длительной эксплуатации.
И рамка-маятник, и торсионы металлизированы с целью придания им электропроводимости. Внутренняя полость акселерометра заполнена жидкостью, поэтому все движения рамки-маятника демпфируются силами вязкого трения.
В качестве датчика угла отклонения рамки-маятника (т.е. угла се поворота вокруг вертикальной оси) применена оптико-электрическая схема, включающая в себя светодиод 6 (ЗЛ102Б), укрепленный в корпусе, и сдвоенный фотодиод 3 (ФД19КК), также укрепленный в корпусе акселерометра.
В невозмущенном положении рамки-маятника (т.е. при вертикальном положении торсионов и при отсутствии у объекта линейного ускорения вдоль оси чувствительности акселерометра) поток света от светодиода создаст одинаковую освещенность половин фотодиода, включенных встречно. В результате между ними не возникает разности потенциалов. При наклоне корпуса акселерометра вокруг оси Y— Y или при появлении у объекта составляющей линейного ускорения вдоль оси X—X, т.е. VN, возникает соответствующая составляющая силы тяжести или силы инерции. Будучи приложенными в центре массы, указанные силы создают момент, под действием которого рамка-маятник начинает поворачиваться вокруг оси Z—Z в ту или иную сторону. Такое движение нарушает симметрию светового потока, падающего на поверхность фотодиода. В результате этого возникает разность потенциалов и в цепи: «фотодиод 3—предварительный усилитель 4—торсион 2—рамка /— торсион 2—сопротивление нагрузки Rн — корпус», — потечет ток определенного направления. Вертикальное плечо рамки расположено в поле двух постоянных магнитов 5.
Как известно, в результате воздействия тока, протекающего в проводнике (каковым является вертикальное плечо рамки), со стороны магнитного поля на проводник будет действовать сила. Полярности фотодиода и полюсов магнитов подобраны таким образом, что эта сила будет стремиться вернуть рамку-маятник в невозмущенное положение. В этом и заключается сущность компенсационного принципа, который позволяет резко сократить восприимчивость акселерометра к перекрестным воздействиям, а также измерять большие ускорения. В установившемся состоянии будет иметь место очень малое отклонение. Информацией о возмущающих воздействиях будет служить напряжение Uвых, снимаемое с сопротивления нагрузки Rн. Это напряжение поступает на усилитель мощности (на схеме не показан) и далее, от «северного» акселерометра, на электронное устройство 22 (см. рис. 3.). Это устройство выполняет две функции: а) задержку сигнала, чтобы придать ему требуемое значение постоянной времени; б) ограничение величины сигнала.
С выходным сигналом «восточного» акселерометра подобные операции не производят.
Основные технические характеристики акселерометра марки АК-10 поданным разработчика следующие:
диапазон измерений ±2g
погрешность нуля 25-10 -6 g
порог чувствительности 1 -10 -6 f
частотный диапазон измерений 60 Гц
масса 115 г
Пульт оператора УК-1Д. Прибор УК-1Д представляет собой пульт оператора. Он обеспечивает управление работой прибора и отображение вырабатываемых и вводимых данных.
На лицевой стороне корпуса 1 (рис. 8.) размещены кнопки 2…7 для управления работой гирокомпаса, светодиоды 8, 9 и дисплей 10.
Кнопки «1» и «0» для включения и выключения гирокомпаса путем управления пусковым реле прибора ВАЦ-3/2.
С помощью кнопок «?», «V», «<" , ">» оператор вводит в прибор ВАЦ-3/2 значения широты и скорости.
В приборе УК-1Д расположена электронная плата индикации. На плату из прибора ВАЦ-3/2 поступают сигналы курса, скорости и широты в цифровом коде. На дисплее 10 платы индикации отображается курс или (по вызову оператора) скорость или широта. Также высвечивается условный индекс, показывающий, какой из этих параметров отображен («H» — курс, «U» — скорость. «Y»- широта). Зеленый светодиод 8 («Settled») платы индикации сигнализирует о приходе гироблока в меридиан и о включении рабочего режима ГК, красный светодиод 9 («Failure») — о неисправности.
Под откидной крышкой 12 в нижней части корпуса размещены два переключателя и переменный резистор. Переключателем «Aut-man» оператор выбирает способ ввода скорости (автоматически, от лага, или вручную), а переключателем «N—S» — устанавливает знак (наименование) широты. Переменный резистор обеспечивает регулировку яркости свечения дисплея.
Пульт оператора расположен в корпусе прямоугольной формы. На нижней стенке корпуса присутствует соединитель для подключения кабеля связи с прибором ВАЦ-3/2. Корпус прибора помещен в поворотный кронштейн 11, позволяющий поворачивать прибор вокруг горизонтальной оси. Кронштейн может быть прикреплен к любой горизонтальной или вертикальной плоскости без амортизаторов. Прибор имеет брызгозащищенное исполнение.
Вычислитель аналого-цифровой ВАЦ-3/2. Прибор ВАЦ-3/2 (рис. 9.) представляет собой аналого-цифровое устройство, которое вырабатывает корректирующие и управляющие сигналы, необходимые для работы центрального прибора. Кроме того, прибор ВАЦ-3/2 содержит: усилители систем стабилизации центрального прибора; преобразователь аналоговой информации о курсе в цифровую форму; а также блоки, вырабатывающие питающие напряжения для всех элементов схемы гирокомпаса (кроме датчиков трансляционного прибора).
Цифрами обозначены: 1,2 — задняя и передняя крышки; 3 — корпус; 4 — плата фильтров СН 282; 5 — плата широтно-имлульсной модуляции СН 329; 6 — плата управления СН 028; 7 — — плата коррекции СН 027; 8 — плата вычислителя СН 018; 9 — плата ввода широты и скорости СН 017; 10 — плата преобразователя курса СН 394; 11 -плата таймера СН 023; 12 — плата питания гиромотора СН 024; 13 -блок питания СН 026; 14 — планка с потенциометрами; /5 — — плата контроля (внутри корпуса).
Функциональное назначение перечисленных блоков рассмотрено ниже.
Плата широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и плата фильтров содержат элементы усилителей системы стабилизации гироплатформы.
Они обеспечивают отслеживание платформой ориентации гироскопа по горизонту и азимуту. Во всех режимах работы (кроме начальных режимов запуска гирокомпаса) сигналы переменного тока частотой 19,2 кГц с датчиков угла гироблока поступают на входы предварительных усилителей платы ШИМ, там усиливаются, демодулируются и затем поступают на плату фильтров.
Плата фильтров осуществляет частотную коррекцию сигналов, поступающих с датчиков угла. После прохождения корректирующих контуров платы фильтров сигналы датчиков угла вновь поступают на плату ШИМ и, после усиления, проходят в центральный прибор на исполнительные двигатели обоих каналов стабилизации гироплатформы.
В начальный момент запуска вместо сигнала датчика угла на исполнительный двигатель азимутальной системы стабилизации подастся усиленный сигнал «северного» акселерометра, что обеспечивает ускоренное горизонтирование гироблока.
Если сигнал рассогласования систем стабилизации превышает пороговое значение, плата ШИМ вырабатывает сигнал неисправности.
Плата управления формирует сигналы, подаваемые на датчики момента гироблока для управления движением гироскопа в пространстве. Формирование управляющих сигналов происходите использованием данных, поступающих от акселерометров, плат коррекции, вычислителя и таймера прибора ВАЦ-3/2.
Плата коррекции формирует сигналы коррекции, подаваемые в плату управления, в том числе сигналы компенсации погрешностей от наклона основания и сигналы компенсации температурного дрейфа.
Плата вычислителя предназначена для выполнения математических операций, необходимых для формирования корректирующих сигналов на основе информации о курсе, скорости и широте. Эти корректирующие сигналы компенсируют погрешности, вызванные вращением Земли и движением судна. Кроме того, плата вычислителя на основе анализа сигнала «северного» акселерометра вырабатывает сигнал неисправности.
Плата ввода широты и скорости принимает информацию о широте и скорости и преобразует их в 14-разрядные цифровые коды, используемые для индикации в приборе УК-1Д и выработки математических функций, зависящих от значений широт и скорости для платы вычислителя.
Плата преобразователя курса преобразует двухотсчетный аналоговый сигнал датчика курса гирокомпаса в 14-разрядный последовательный код курса. Кроме того, плата вырабатывает два опорных напряжения для питания статорных обмоток точного отсчета этого датчика курса. При рассогласовании точного и грубого отсчетов плата курса вырабатывает сигнал неисправности.
Плата таймера вырабатывает опорные частоты, необходимые для работы электронных устройств гирокомпаса. В плате таймера вырабатываются также команды на переключение режимов при запуске гирокомпаса и на переключение из режима ГК в режим ГА при маневрировании судна. Плата таймера функционирует совместно с блоком питания.
Блок питания, получая от судовой сети или из прибора вАЦ-3/2 напряжение 24 В, вырабатывает:
вторичные напряжения +5; +9; ±15; ±24 В;
напряжения переменного тока 426 Гц 6 В для питания датчика курса и 5,12 кГц 12 и 24 В для платы питания гиромотора.
Плата питания гиромотора вырабатывает: трехфазное напряжение 400 Гц 17,5 В (для рабочего режима) и 35 В (для форсированного разгона гиромотора).
На планке с потенциометрами размещены переменные резисторы и гнезда. Их используют для компенсации постоянных составляющих дрейфа гироблока при регулировке прибора во время изготовления, а также после замены гироблока.
На плате с потенциометрами присутствует также ручной переключатель, позволяющий изменять режим работы прибора. Режим «Гирокомпас» (положение «Я» переключателя) — основной режим работы. Режим «Гироазимут» (положение «А» переключателя) — технологический режим, используемый для проверки прибора.
Плата контроля обеспечивает отключение гирокомпаса при наличии неисправностей систем стабилизации гироплатформы.
Прибор ВАЦ-3/2 имеет прямоугольный корпус, в котором установлены 10 съемных электронных кассет. Кассеты устанавливают в направляющие корпуса и крепят винтами. Для получения доступа к кассетам и к планке с потенциометрами необходимо снять переднюю крышку 2. Задняя крышка 1 закрывает доступ к внутреннему монтажу прибора. Обе крышки крепят к корпусу с помощью винтов. В верхней задней части прибора размещены 7 электрических соединителей для подключения судовых кабелей. Прибор имеет брызгозащищенное исполнение и может быть закреплен на любой горизонтальной плоскости болтами без амортизаторов.