RU2136015C1

RU2136015C1 - Aid measuring variable magnetic field of floating craft

Info

Publication number: RU2136015C1
Application number: RU96123959A
Authority: RU
Inventors: Ю.С. Бедов; В.А. Нарчев; Ю.П. Обоишев; С.П. Сазонов
Original assignee: Войсковая часть 53083
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: electric measurement technology. SUBSTANCE: aid includes transmitter lowered on to floor of water area and made of three mutually orthogonal sensitive elements. Each of them is connected to proper normalizing amplifiers, converters of root-mean-square values, information displays connected in series. Aid also has orientation device two outputs of which are connected to controlling inputs of corresponding normalizing amplifiers, digital indicator of octant number, three formers, two OR-ELSE gates, two inverters and four AND circuits. Formers are coupled to proper normalizing amplifiers and OR-ELSE gates which are linked via inverters and directly to AND circuits connected to digital indicator of octants. EFFECT: determination of direction of measured magnetic induction relative to system of coordinates of controlled floating craft. 1 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерения магнитных полей плавсредств на морских маневренных стендах. The present invention relates to the field of electrical engineering and is intended for measuring the magnetic fields of boats on marine maneuvering stands.

Задачей измерения переменного магнитного поля плавсредств является получение такого объема измерительной информации, который мог быть использован для существующих методов анализа и контроля источников электромагнитного излучения судна с целью их обнаружения и компенсации (снижения электромагнитного поля). Причем для эффективной компенсации переменного магнитного поля необходимо измерять не только амплитуду и частотный спектр составляющих магнитной индукции, но и ее направление относительно системы координат контролируемого плавсредства. The task of measuring the alternating magnetic field of watercraft is to obtain such a volume of measurement information that could be used for existing methods of analysis and control of the electromagnetic radiation sources of the vessel in order to detect and compensate them (reduce the electromagnetic field). Moreover, to effectively compensate for an alternating magnetic field, it is necessary to measure not only the amplitude and frequency spectrum of the components of magnetic induction, but also its direction relative to the coordinate system of the controlled craft.

Известны устройство и магнитоприемник переменного магнитного поля на основе однокомпонентных индукционных преобразователей [А.с.СССР NN 721784, 968778] , обеспечивающие измерения проекции составляющей вектора магнитной индукции на магнитную ось (МО) преобразователя. Отсутствие информации на выходе однокомпонентных средств измерений (СИ) о направлении измеряемой магнитной индукции источников поля ограничивает их применимость для контроля магнитного поля плавсредств. A device and a magnetic receiver of an alternating magnetic field based on one-component induction converters [A.s.SSSR NN 721784, 968778], providing measurements of the projection of the component of the magnetic induction vector on the magnetic axis (MO) of the Converter. The lack of information at the output of one-component measuring instruments (SI) about the direction of the measured magnetic induction of field sources limits their applicability for monitoring the magnetic field of watercraft.

Также известно СИ переменного магнитного поля с трехкомпонентным датчиком [Патент США N 4109199], которое может быть использовано для измерения трех ортогональных составляющих переменной магнитной индукции в широком амплитудном и частотном диапазонах. Подобные трехкомпонентные СИ могут быть применены и для измерения магнитного поля плавсредств в режиме их прохождения над заглубленным датчиком. Однако по результатам измерения трех составляющих магнитной индукции нельзя оценить ее направление (направление индукции источников магнитного поля плавсредств). Это происходит по следующим причинам:
- во-первых, из-за того, что результатами измерений являются проекции на МО магниточувствительных элементов (МЧЭ) среднеквадратических или амплитудных значений составляющих индукции измеряемого магнитного поля;
- во-вторых, неизвестны положения МО МЧЭ не только относительно измеряемого (движущего) плавсредства, но и относительно неподвижной системы координат датчика СИ, которая, как правило, должна быть "привязана" к магнитному меридиану.It is also known that a SI of an alternating magnetic field with a three-component sensor [US Patent No. 4109199], which can be used to measure three orthogonal components of variable magnetic induction in a wide amplitude and frequency ranges. Similar three-component SIs can also be used to measure the magnetic field of watercraft in the mode of their passage above the buried sensor. However, according to the results of measuring the three components of magnetic induction, it is impossible to estimate its direction (the direction of induction of sources of magnetic field of watercraft). This occurs for the following reasons:
- firstly, due to the fact that the measurement results are projections on the magneto-magnetic elements (MCE) of the mean-square or amplitude values of the components of the induction of the measured magnetic field;
- secondly, the position of the MO MOE is unknown not only with respect to the measured (moving) watercraft, but also with respect to the motionless coordinate system of the SI sensor, which, as a rule, should be “attached” to the magnetic meridian.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является СИ магнитной индукции, содержащее трехкомпонентный датчик в виде трех взаимно ортогональных индукционных преобразователей, работающих совместно с соответствующими каналами преобразования и представления информации [Аппаратура K739. ТУ25-04 (ЗПИ.487.056)-77]. Устройство обеспечивает измерения в широком частотном диапазоне среднеквадратических значений трех взаимно перпендикулярных составляющих X,Y,Z вектора магнитной индукции, создаваемой в месте расположения датчика переменным магнитным полем проходящего над ним плавсредства. Для определения положения компонент датчика относительно магнитного меридиана (углов между магнитными осями горизонтальных компонент X,Y датчика и магнитным меридианом - курсом плавсредства) средство измерений снабжено устройством ориентации - устройством привязки результатов измерений к системе магнитных координат. Closest to the technical nature of the present invention is a magnetic induction SI, containing a three-component sensor in the form of three mutually orthogonal induction converters that work in conjunction with the corresponding channels of the transformation and presentation of information [Equipment K739. TU25-04 (ZPI.487.056) -77]. The device provides measurements in a wide frequency range of rms values of three mutually perpendicular components X, Y, Z of the magnetic induction vector created at the location of the sensor by an alternating magnetic field of the floating vehicle above it. To determine the position of the sensor components relative to the magnetic meridian (angles between the magnetic axes of the horizontal components X, Y of the sensor and the magnetic meridian - the course of the craft), the measuring tool is equipped with an orientation device - a device for linking the measurement results to the magnetic coordinate system.

Основным недостатком известного СИ является невозможность по результатам измерений однозначно оценить направление измеряемой индукции источников электромагнитного поля плавсредства в пространстве (например, в декартовой системе координат). В известных устройствах даже использование дополнительной специальной обработки информации, например, определение угла α_i между направлением магнитной индукции и положительным направлением координатных осей X, Y,Z по выражению

где i = x, y, z; B_x, B_y, B_z - соответственно составляющих X,Y,Z вектора измеряемой магнитной индукции [Справочник по математике. Бронштейн И.Н., Семендяев -М.: Наука, 1981, стр. 234-237] ,, не обеспечивается определение направления магнитного поля в системе координат магнитного поля Земли и, следовательно, в системе координат движущегося плавсредства. Это объясняется потерей информации о знаке при определении как модуля индукции в виде

так и ее отдельных составляющих из-за применения среднеквадратических (или амплитудных) преобразователей в устройствах представления информации известных СИ.The main disadvantage of the known SI is the impossibility, based on the measurement results, of unambiguously assessing the direction of the measured induction of the sources of the electromagnetic field of the craft in space (for example, in a Cartesian coordinate system). In known devices, even the use of additional special information processing, for example, determining the angle α _i between the direction of magnetic induction and the positive direction of the coordinate axes X, Y, Z by the expression

where i = x, y, z; B _x , B _y , B _z - respectively, the components X, Y, Z of the vector of the measured magnetic induction [Handbook of mathematics. Bronstein I.N., Semendyaev -M .: Nauka, 1981, pp. 234-237], the determination of the direction of the magnetic field in the coordinate system of the Earth’s magnetic field and, therefore, in the coordinate system of a moving craft is not provided. This is due to the loss of information about the sign when defined as an induction module in the form

and its individual components due to the use of rms (or amplitude) converters in the information representation devices of known SI.

Необходимо заметить, что под направлением магнитной индукции переменного магнитного поля (как и всякой переменной величины) понимается линия, вдоль которой периодически изменяется мгновенное значение магнитной индукции. It should be noted that the direction of magnetic induction of an alternating magnetic field (like any variable) is understood as a line along which the instantaneous value of magnetic induction periodically changes.

Целью предлагаемого изобретения является определение направления измеряемой магнитной индукции плавсредств путем вычисления номеров диаметрально противоположных (симметричных относительно центра координат) октантов пространства, через которые проходит это направление. The aim of the invention is to determine the direction of the measured magnetic induction of the craft by calculating the numbers of diametrically opposite (symmetrical relative to the center of coordinates) octants of the space through which this direction passes.

Указанная цель достигается тем, что в средство измерений переменного магнитного поля плавсредств, содержащее опускаемый на дно акватории датчик, состоящий из трех взаимно ортогональных магниточувствительных элементов X,Y, Z, каждый из которых подключен к своим последовательно соединенным нормирующим усилителям X,Y,Z, преобразователям среднеквадратических значений X,Y, Z и устройствам представления информации X,Y,Z, и устройство ориентации, два выхода которого подключены к управляющим входам нормирующих усилителей X,Y, дополнительно введены цифровой индикатор номера октанта, три формирователя X, Y,Z, два исключающих элемента ИЛИ, два инвертора и четыре схемы И, причем вход каждого формирователя подключен к выходу соответствующего нормирующего усилителя, выход формирователя X подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, выход формирователя Y - к первому входу второго элемента ИЛИ и второму входу первого элемента ИЛИ, а выход формирователя Z - ко второму входу второго элемента ИЛИ; выход первого элемента ИЛИ подключен одновременно к первым входам второй и четвертой схемы И непосредственно и через первый инвертор - к первым входам первой и третьей схемы И, выход второго элемента ИЛИ подключен одновременно ко вторым входам третьей и четвертой схемы И непосредственно и через второй инвертор - ко вторым входам первой и второй схемы И; выходы схем И подключены соответственно: первой к номерам 1, 7, второй - к номерам 2, 8, третьей - к номерам 3, 5, четвертой - к номерам 4,6 цифрового индикатора октантов. This goal is achieved by the fact that in the measuring instrument of the alternating magnetic field of the craft, containing a sensor lowered to the bottom of the water area, consisting of three mutually orthogonal magnetically sensitive elements X, Y, Z, each of which is connected to its series-connected normalizing amplifiers X, Y, Z, converters of rms values X, Y, Z and information display devices X, Y, Z, and an orientation device, two outputs of which are connected to the control inputs of the normalizing amplifiers X, Y, additionally introduced digital indicator of the octant number, three shapers X, Y, Z, two exclusive OR elements, two inverters and four AND circuits, the input of each shaper connected to the output of the corresponding normalizing amplifier, the output of the shaper X connected to the first input of the first OR element, the output of the shaper Y - to the first input of the second OR element and the second input of the first OR element, and the output of the shaper Z to the second input of the second OR element; the output of the first OR element is connected simultaneously to the first inputs of the second and fourth circuits AND directly and through the first inverter to the first inputs of the first and third circuits And the output of the second OR element is connected simultaneously to the second inputs of the third and fourth circuits AND directly and through the second inverter the second inputs of the first and second circuit And; the outputs of AND circuits are connected respectively: the first to numbers 1, 7, the second to numbers 2, 8, the third to numbers 3, 5, the fourth to numbers 4.6 of the digital octant indicator.

Отличительными признаками в предлагаемом СИ являются как введение новых узлов, так и связи между узлами устройства. Взятые в совокупности с известными новые узлы и связи между ними заявляемого устройства проявляют новое свойство - возможность определения направления измеряемой магнитной индукции в пространстве. Distinctive features in the proposed SI are both the introduction of new nodes, and communication between the nodes of the device. Taken in conjunction with the known new nodes and the connections between them of the claimed device exhibit a new property - the ability to determine the direction of the measured magnetic induction in space.

Сущность изобретения заключается в том, что в СИ реализован комплекс схемотехнических решений, выполняющих формирование из мгновенных значений трех ортогональных составляющих измеряемой магнитной индукции соответствующих сигналов и достижение поставленной цели за счет указанного включения вновь введенных узлов. В результате в реальном масштабе времени определяются номера диаметрально противоположных октантов, через которые проходит направление измеряемой магнитной индукции источников поля плавсредств. The essence of the invention lies in the fact that SI implements a set of circuitry solutions that generate the instantaneous values of the three orthogonal components of the measured magnetic induction of the corresponding signals and achieve the goal due to the indicated inclusion of newly introduced nodes. As a result, the numbers of diametrically opposite octants are determined in real time, through which the direction of the measured magnetic induction of the sources of the field of watercraft passes.

Предлагаемое устройство работает следующим образом (см.фиг.1). Индуцируемые в обмотках магниточувствительных элементов 2_x,2_y,2_z датчика сигналы, пропорциональные ортогональным составляющим X,Y,Z индукции переменного магнитного поля, известным образом преобразуются последовательно включенными нормирующими усилителями 3_x, 3_y, 3_z преобразователями среднеквадратических значений 4_x', 4_y', 4_z и устройствами представления информации 5_x,5_y,5_z. Для "привязки" результатов измерений к системе магнитных координат (магнитному меридиану) и, следовательно, к курсу измеряемого плавсредства служит устройство ориентации 1. В этом устройстве вырабатывают сигналы управления, которые поступают на управляющие входы нормирующих усилителей 3_x и 3_y и изменяют определенным образом их коэффициенты преобразования в зависимости от курса плавсредств над датчиком. При этом достигается не только введение поправок в результате измерения горизонтальных составляющих измеряемой магнитной индукции, но и определение координат датчика в системе магнитного поля Земли.The proposed device operates as follows (see figure 1). The signals induced in the windings of the magnetically sensitive elements 2 _x , 2 _y , 2 _{z of the} sensor, proportional to the orthogonal components X, Y, Z of the induction of an alternating magnetic field, are converted in a known manner by 3 _x , 3 _y , 3 _z normalizing amplifiers with 4 _{x '} rms converters , 4 _{y '} , 4 _z and information presentation devices 5 _x , 5 _y , 5 _z . Orientation device 1 is used to “link” the measurement results to the magnetic coordinate system (magnetic meridian) and, therefore, to the course of the measured watercraft. In this device, control signals are generated that are fed to the control inputs of the normalizing amplifiers 3 _x and 3 _y and are changed in a certain way their conversion coefficients depending on the course of the boats above the sensor. This is achieved not only the introduction of amendments as a result of measuring the horizontal components of the measured magnetic induction, but also the determination of the coordinates of the sensor in the Earth's magnetic field system.

Одновременно мгновенные значения сигналов с выходов усилителей 3_x'3_y'3_z' поступают на входы соответствующих формирователей 6_x'6_y'6_z', где вырабатываются сигналы высокого и низкого уровня (логическая 1 и логический 0) для управления работой по определенному алгоритму комплекса логических узлов устройства. Алгоритм работы логических узлов в устройстве: двух исключающих элементов ИЛИ-7,8, двух инверторов -9,10 и четырех схем И-11,12,13,14 и их взаимная связь (см.фиг.1) реализованы в соответствии со знаком направления измеряемой магнитной индукции в определяемом октанте пространства. Если принять соответствие логической 1 знаку "+", а логического 0 - знаку "-", то для правой декартовой системы координат в пространстве алгоритм работы устройства должен соответствовать данным таблицы.At the same time, the instantaneous values of the signals from the outputs of the amplifiers 3 _{x '} 3 _y' 3 _{z '} are fed to the inputs of the corresponding shapers 6 _x' 6 _{y '} 6 _z' , where high and low level signals (logical 1 and logical 0) are generated to control the operation of a certain the algorithm of the complex of logical nodes of the device. The algorithm of operation of logical nodes in the device: two exclusive elements OR-7.8, two inverters -9.10 and four circuits I-11,12,13,14 and their mutual connection (see figure 1) are implemented in accordance with the sign directions of the measured magnetic induction in the determined octant of space. If we accept the correspondence of logical 1 to the "+" sign, and logical 0 to the "-" sign, then for the right Cartesian coordinate system in space, the algorithm of the device should correspond to the table.

Например, если направление измеряемой магнитной индукции проходит через второй и восьмой октанты пространства, то в соответствии с данными таблицы и известным принципом работы исключающих ИЛИ на выходе элемента 8 и на вторых входах элементов 13 и 14 - логический 0. За счет работы инверторов (элементы 9 и 10 устройства) на первых входах элементов 11 и 13 формируется логический 0, а на вторых входах элементов 11 и 12 - логическая 1. Согласно принципу работы схем И (элементы 11, 12, 13, 14 устройства) при данном состоянии их входных логических уровней только на выходе элемента 12 появится логическая 1, которая приводит к включению номеров 2, 8 цифрового индикатора октантов 15. For example, if the direction of the measured magnetic induction passes through the second and eighth octants of space, then, in accordance with the table and the known principle of operation of exclusive ORs at the output of element 8 and at the second inputs of elements 13 and 14 - logical 0. Due to the operation of inverters (elements 9 and 10 devices) at the first inputs of the elements 11 and 13 a logical 0 is formed, and at the second inputs of the elements 11 and 12 - logical 1. According to the principle of operation of the I circuits (elements 11, 12, 13, 14 of the device) with this state of their input logic levels only for Exit member 12 will be logic 1, which leads to incorporation numbers 2, 8 digital indicator 15 octants.

Аналогичным образом реализуется алгоритм обработки логических уровней для включения соответственно 1 и 7, 3 и 5, 4 и 6 номеров цифрового индикатора октантов 15. Similarly, an algorithm for processing logical levels is implemented to include, respectively, 1 and 7, 3 and 5, 4 and 6 numbers of the digital indicator of octants 15.

Реализация в СИ переменного магнитного поля вновь введенных узлов не представляет трудности. Элементы ИЛИ, И и инверторы могут быть выполнены на микросхемах логики ТТЛ и КМОП, цифровой индикатор октантов - на основе цифробуквенных светодиодных индикаторов, формирователи - на основе операционных усилителей. The implementation in SI of an alternating magnetic field of newly introduced nodes is not difficult. The elements OR, AND, and inverters can be performed on TTL and CMOS logic chips, a digital octant indicator - based on alphanumeric LED indicators, shapers - based on operational amplifiers.

Таким образом, в предлагаемом СИ за счет определения направления измеряемой магнитной индукции плавсредств выполняется жесткая привязка результатов измерения к неподвижной (магнитной) системе координат датчика. В свою очередь, координаты контролируемого плавсредства с помощью штатных средств также привязаны к магнитным координатам. Поэтому достижение поставленной цели в предлагаемом СИ обеспечивает достоверность результатов измерения переменного магнитного поля плавсредств, которые эффективно могут быть использованы для выполнения мероприятия по компенсации источников данного поля. Thus, in the proposed SI, by determining the direction of the measured magnetic induction of the watercraft, the measurement results are rigidly linked to the fixed (magnetic) coordinate system of the sensor. In turn, the coordinates of a controlled craft using regular means are also tied to magnetic coordinates. Therefore, the achievement of the goal in the proposed SI ensures the reliability of the measurement results of the alternating magnetic field of the craft, which can be effectively used to carry out activities to compensate for the sources of this field.

Claims

A means of measuring an alternating magnetic field of a watercraft, comprising a sensor lowering to the bottom of the water area, consisting of three mutually orthogonal magnetosensitive elements X, Y, Z, each of which is connected to its series-connected normalizing amplifier, a rms converter and an information presentation device, and an orientation device, each of the two outputs of which is connected to the control input of its normalizing amplifier, respectively connected to the output of the magnetosensor X, Y elements, characterized in that the measuring instrument additionally includes a digital indicator of the octane number, three shapers X, Y, Z, two exclusive OR elements, two inverters and four AND circuits, and the input of each shaper X, Y, Z is connected to the output of the corresponding normalizing amplifier X, Y, Z, the output of the shaper X is connected to the first input of the first exclusive OR element, the output of the shaper Y is connected to the first input of the second exclusive OR element and the second input of the first exclusive OR element, and the output of the shaper Z is connected to the second input of the second exclusive OR element, the output of the first exclusive OR element is connected simultaneously to the first inputs of the second and fourth circuits And directly and through the first inverter to the first inputs of the first and third circuits AND the output of the second exclusive OR element is connected simultaneously to the second inputs of the third and fourth circuits And directly and through the second inverter to the second inputs of the first and second circuits And, the outputs of circuits And are connected respectively: the first to numbers 1.7, the second to numbers 2.8, the third to numbers 3.5, the fourth to numbers 4,6 of the digital indicator of the number of octanes.