Sổ tay hàng hải - T1 - Chương 16

Sổ tay hàng hải - Tập 1 - Chương 16: La bàn con quay

có thể quay tự do quanh trục OY và OZ Nhờ có kết cấu như thế, trục chính con quay có thể chỉ bất cứ hướng nào trong không gian Giao điểm O của 3 trục là tâm của con quay tự do và cũng là trọng tâm của nó Con quay gồm 3 trục tự do không bị tác dụng của bất cứ ngoại lực nào gọi là con quay tự do (free gyroscope), hình 16.01

Con quay quay quanh trục với vận tốc góc “, mômem quán tính J, thì mômen động lượng H có thể diễn đạt như sau,

H=Jo

Mômen động lượng là một vectơ, hướng của nó phụ thuộc hướng của vận tốc góc ®, nếu người quan sát nhìn theo hướng trục của con quay, khi con quay quay theo chiều ngược kim

đồng hỗ thì chiều dương của mômen động lượng chỉ về phía người quan sát

16.1.2 Đặc tính của con quay tự do

1 Đặc tính định hướng của con quay tự do

6 Chuyển sang hướng di 45°, dgi 6n dinh 2 phut, dich chuyển hai quả cầu gần vào hoặc xa ra ngoài để khử độ lệch phần tư vòng sao cho độ lệch còn lại nhỏ nhất,

7 Chuyển hướng đi 135”, đợi ổn định 2 phút, dịch chuyển hai quả cầu khử một nửa độ lệch

8 Cố định và ghi lại vị trí của các thanh nam châm, sắt non đã điều chỉnh Cho tàu quay lại trên 8 hướng cách nhau 45), xác định độ lệch còn lại và lập bảng độ lệch như hướng đẫn ở Chương Hàng hải cơ bản

Đối với la bàn lái; muốn khử độ lệch, đầu tiên phải đối chiếu với la bàn chuẩn để xác dinh*

độ lệch của nó, sau đó tiến hành khử độ lệch giống như la bàn chuẩn

SO TAY HANG HAI 551

Khi con quay quay với tốc độ cao, với điều kiện không có mômen ngoại lực nào tác dụng, nếu ta xoay giá đỡ thì trục chính XX con quay không quay theo giá đồ mà vẫn giữ nguyên hướng chỉ trong không gian, như mô tả trên hình 16.02a vàb, hiện tượng đó gọi là đặc tat định hướng của con quay, hay quần tính con quay ( Gyroscopic inertia) ñ

HOU OK”

Khi con quay quay với tốc độ cao, mômen động lượng H của con quay chỉ theo chiều dương

của trục OX, cho một ngoại lực F cố định tác dụng theo chiễu từ trên xuống thẳng đứng lên

đầu trục con quay, thì mômen ngoại lực My chỉ theo chiều dương trục OY, lúc này con quay không quay quanh trục OY mà quay quanh trục OZ theo hướng sao cho mômen động lượng È H tiến về phía mômen ngoại lực My theo đường ngắn nhất, như hình 16.03 Dễ nhận thấy, nếu ngoại lực tác dụng lên trên đầu trục từ dưới lên thì đầu trục con quay quay theo hướng ngược lại với trường hợp trên Hiện tượng này gọi là đặc tính tiến động của con quay | tự do

Có thể tóm tắt đặc tính tiến động của con quay tự do như sau: con quay tự.do ba “chiêu khi

Theo như hình 16.03, ba thành phần tốc độ góc tiến động œ,, mômien động lượng #ÑVÁ ˆ

mômen ngoại lực M vuông góc với nhau (có thể xác định hướng của chúng bằng quy tắc bàn tay phải như hình 16.03), có nghĩa là hướng tốc độ góc tiến động phụ thuộc vào hướng của mômen ngoại lực và hướng của mômen động lượng Tốc độ góc tiến động tính như sau,

_M

Oo, = + Qua công thức nhận xét thấy, khi mômen động lượng H cố định không đổi th tốc độ góc tiến động ø, tỷ lệ thuận với mômen ngoại lực M, khi mômen ngoại lực M cố định thì tốc độ góc tiến động 4, tỷ lệ nghịch với mômen động lượng H Bình thường mômen động lượng là một hằng số cố định, nếu như không có mômen ngoại lực nào tác động vào nó (M=0) thì tốc độ tiến động @, =0, có nghĩa là trục chính con quay không biến đổi trong không gian, thể hiện tính định hướng của con quay tự do Nếu có một mômen ngoại lực cố định tác dụng liên tục

§Ô TAY HÀNG HẢI 559

vào con quay thì con quay sẽ tiến động liên tục với tốc độ góc œ„, trục chính con'đùay biến

Từ kết cấu của con quay tự do biết rằng, bất kỳ mômen ngoại lực nào tác dụng lên con.quay đều có thể chia thành hai thành phần nằm trên trục OY và trục ƠZ, cho nên có thể viết tốc độ

thứ hai ở trên có dấu (-) vì thành phần mômen ngoại lực tác dụng lên trục OZ làm phát sinh

tốc độ tiến động theo chiểu (-) của trục OY

16.2 Phương trình chuyển động của con quay tự do

16.2.1 Các loại hệ tọa độ khảo sát con quay

Muốn khảo sát chuyển động của con quay phải khảo sát trạng thái chuyển động của trục chính và vị trí của nó trong không gian, thường sử đụng ba hệ toạ độ sau đây:

1 Hệ toạ độ quán tính O7

Hệ toạ độ quán tính là hệ toạ độ tương đối với không gian cố định, điểm gốc O lấy tại một

điển trên bể mặt trái đất, ba trục toạ độ O£,O7;,O£ chỉ ba ngôi sao trong khổng gian, vuông góc theo quy tắc bàn táy phải Cho dù trái đất tự quay hoặc chuyển động theở hoàng đạo höặc

vị trí điểm gốc O trên trái đất thay đổi, hướng của ba trục vẫn không đổi; thông thường hệ tạ

2 Hệ toạ độ địa ly ONWZ,

Hệ toạ độ địa lý gắn liên với trái đất, các trục vuông góc theo quy tắc bàn tay phải, điểm gốc

O lấy tại trung tâm hình học của con quay theo như hình 16.05 Trục ON trùng với đường tiếp tuyến tại điểm O trên vòng tròn kinh tuyến, hướng chỉ về hướng bắc của trái đất mảng dấu: (+), trục OW trùng với đường tiếp tuyến tại điểm O của vĩ tuyến, chỉ về hướng tây của trái đất mang dau (+), truc OZ, di qua tâm trái đất chỉ về hướng thiên đỉnh mang dấu (+), tức trùng với đường dây đợi tại điểm O

Hệ toạ độ này cùng chuyển động theo trái đất, con tàu chuyển động trên mặt đất thì hệ toa do cũng chuyển động theo, ở những vị trí địa lý khác nhau, hướng của ba trục toạ độ chỉ các hướng khác nhau trong không gian Như vậy hệ toạ độ địa lý biểu thị chuyén động theo của trái đất và con tàu

3 Hé toa d6 con quay OXYZ

Như trên đã trình bày, hệ toạ độ con quay gắn liển với các vòng đỡ trong con quay và tuân thủ quy tắc bàn tay phải theo như hình 16.06,

Nghiên cứu chuyển động của con quay là nghiên cứu quy luật chuyển động của trục chính

OX của con quay Phương pháp nghiên cứu là khảo sát sự chuyển động tuyệt đối của hệ toạ

độ con quay OXYZ tương đối với hệ toạ độ quán tính O7 Cũng có thể khảo sát hệ toa

độ con quay OXYZ chuyển động tương đối với hệ toạ độ địa lý ONWZ¿ cộng thêm chuyển động theo của ONWZ, tương đối với Óđ?J£ La bàn con quay dùng trong hàng hải sử dụng phương pháp phân tích thứ hai

Vị trí trục chính OX đối với ONWZ¿ được xác định bằng góc phuong vi ( Azimuth angle) @ ,

va géc d6 cao (Tilt angle) Ø, theo như hình 16.07

Giả sử ban đầu hai hệ toa dd OXYZ va ONWZ, tring nhau, sau 46 trục con quay quay quanh _

OZ với tốc độ góc ở khiến trục chính (trén ON) quay dén OX’ mot góc #, trục chính lệch tây mang dấu (+), lêch đông mang dấu (-) Đồng thời, trục chính con quay lại quay quanh trục '

OY với tốc độ góc Ở khiến trục chính quay một góc Ø từ OX’ dén OX, OX nim duéi mat phẳng Ø mang dấu (+), ngược lại, dấu (-)

16.2.2 Phương trình chuyển động của con quay thí nghiệm

SÔ TAY HÀNG HẢI 561

Nghiên cứu sự chuyển động của con quay thực chất là khảo sát sự chuyển động tiến động của con quay dưới tác dụng của mồmen ngoại lực, đó là sự chuyển đông tuyệt đối trong không gian quán tính tương đối Giả sử thành phân hình chiếu của tốc độ góc tuyệt đối của con quay trên trục OY và OZ là ø„ và ,„, căn cứ công thức tiến động của con quay có thể viết phương trình chuyển động của con quay như san,

Ha, = M y

~Ho,, =M, Trong hai phuong trinh trén, @, và ⁄„ là tốc độ góc bao gồm tốc độ góc chuyển động PY PE ẽ tương đối của con quay đối với hệ toạ độ địa lý và tốc độ góc chuyển động theo của hệ tọa độ địa lý đối với chuyển động của trái đất và chuyển động của con tàu Vậy,

@,, = Dy (utong d6i) + Dy (theo)

Oy, = Dy, (wong 66) + Dy, (theo)

Cho nên phương trình chuyển động của con quay có thể viết lại như sau,

H{ Dy, (wong 66) + One (thes) }= My

- HỊ Oy (tương đối) + Dn (theo) }= M,

Biét ring, By (wteng a0) = 8

z (tương đối) ” a cos0

Cặp đẳng thức trên là dạng phương trình tổng quát của con quay thí nghiệm, trong đó nếu biết

@p, theo), Op; theo) Mỹ, Mụ, thay chúng vào và giải phương trình dé tim ra quy luật biến thiên

của góc phương vị # và góc độ cao Ø, tức là quy luật chuyển động tương đối đối với hệ toa

độ địa lý của trục chính con quay dưới tác dụng của mômen ngoại lực Để thiết kế la bàn con

quay chỉ đúng hướng bắc thật sử đụng trong hàng hải cần áp dụng quy luật này

16.3 Chuyển động biểu kiến của con quay tự do trên trái đất

16.3.1 Chuyển động biểu kiến của trực chính con quay tự do

1 Con quay tự do đặt trên xích đạo

Đặt con quay trên xích đạo bắt đầu từ vị trí A (Hình 16.08), mômen động lượng trục chính H

nằm trên mặt phẳng chỉ hướng E, khi trái đất quay, con quay vẫn chỉ theo một hướng trong không gian, khi trái đất quay đến vị trí B ( 3 giờ), thì trục chính con quay nâng cao lên một

SỐ TAY HÀNG HẢI — 562

góc Ø (tương đối với mặt phẳng chân trời trên trái đất), khi trái đất quay hết một vòng, qua `

24 giờ, trục con quay trở về vị trí A ban

Con quay đặt ngay bắc cực trên mặt

phẳng ngang chỉ một hướng nào đó theo

như hình 16.09, trái đất tự quay nhưng

trục con quay vẫn chỉ cố định vào hướng

đặt ban đẫu, người quan sất nhận thấy

trục con quay quay theo chiểu ngược với !#h dp

chiều tự quay của trái đất, trong 24 giờ

quay 360°

3 Con quay đặt ở vị trí bất kỳ ở bắc bán cầu 18h

21h

Đầu tiên đặt con quay trên mặt phẳng

ngang và chỉ hướng bic (N) tai vi tri 1

hình 16.10 Trái d&t quay quanh truc PyPs

đến vị trí 2 thì trục con quay không còn chỉ hướng bắc mặc dù trục con quay vẫn giữ song song với trục ở vị trí thứ nhất Lúc này trục con quay lệch khỏi đường kinh tuyến về phía đông một góc 2 và lệch khổi mặt phẳng ngang một góc Ø Tiếp tục quan sát ta nhận thấy @ va

Ø biến đổi liên tục Qua 6 giờ # đạt giá trị cực đại, qua 12 giờ Ø đạt giá trị cực đại Qua 24 giờ, trục con quay thực hiện hoàn chỉnh chuyển động theo quỹ đạo hình phểu và trở về vị trí

16.3.2 Tốc độ góc của trái đất tự quay và các thành phần của nó

Trdi dat quay quanh truc PyPs vdi téc độ góc œ, hết 23 giờ 56 phút 4,1 gidy (86 164,1s), cho

nén @, = 27/86 164,1 = 7,292x10°rad/s Bdi vi tc 46 g6c

của tất cả các điểm trên trái đất như nhau và bằng @,, có

thé chia @, ra hai thành phân như hình 16.11: ø trên mặt

phẳng ngang và chỉ hướng bắc gọi là thành phẩn nằm

ngang của tốc độ góc tự quay của trái đất và œ, thẳng

đứng nằm trong mặt phẳng vòng kinh tuyến chỉ về thiên

đỉnh gọi là thành phần thẳng đứng của tốc độ góc tự quay

của trái đất Giả sử đặt con quay tại vị trí có vĩ độ , có thể

viết hai thành phẩn này như sau:

Theo như hình vẽ, thành phần ø,biểu thị tốc độ góc của

của chuyển động mặt phẳng ngang quay quanh trục NS khi ` Hình 16-11

trái đất tự quay, phía đông hạ thấp và phía tây nâng cao lên

phía trên Thành phân @, biểu thị tốc độ góc của chuyển động mặt phẳng vòng kinh tuyến quay quanh trục AZ4„ tại vĩ độ bắc, đầu phía bắc quay từ đông sang tây

Nếu phân tích trường hợp ở nam bán cẩu ta nhận thấy thành phần ø,vẫn chỉ hướng bắc,

ø, chỉ vào tâm trái đất theo chiểu dây dọi, điểu đó có nghĩa là ở nam bán cầu, quy luật chuyển động của mặt phẳng vòng kinh tuyến là đầu phía bắc lệch từ tây sang đông

16.3.3 Quy luật chuyển động biểu kiến của trục con quay tự do

Người quan sát không thể nào nhận thấy chuyển động của của mặt phẳng vòng kinh tuyến

và chuyển động của mặt phẳng ngang của trái đất theo các thành phần tốc độ góc ø,và ø;, thực tế chỉ nhìn thấy chuyển động biểu kiến của trục chính con quay Có thể phân tích chuyển động biểu kiến này như sau:

1 Chuyển động biểu kiến của trục chính con quay tự do tương đối với mặt phẳng vòng kinh tuyến địa lý

Ở bắc bán câu, trục chính con quay đặt trên mặt phẳng ngang nằm trong mặt phẳng vòng kinh tuyến, vì mặt phẳng vòng kinh tuyến quay quanh trục AZ4 với tốc độ góc ø; cho nên đầu trục chính con quay cũng quay quanh AZ¿ nhưng với tốc độ góc -ø; từ tây sang đông theo như

hình 16.12 Biết mômen động lượng H, vậy vận tốc dài của chuyển động đầu mút con quay là V;=H ø, Ở nam bán câu, chuyển động biểu kiến của đầu mút trục chính con quay lệch về

phía đông Khi không thay đổi vĩ độ thì tốc độ đài V; không biến đổi

2 Chuyển động biểu kiến của trục chính con quay tự do tương đối với mặt phẳng ngang

Thành phần nằm ngang ø, của tốc độ góc tự quay của trái đất làm cho mặt phẳng ngang quay quanh trục NS của trái đất, chuyển động này làm phát sinh chuyển động biểu kiến của đầu trục con quay Tuy nhiên, lúc này chuyển động biểu kiến của trục chính con quay không

SỐ TAY HÀNG HẢI 564

những có liên quan đến @, ma cén liên quan đến góc kẹp giữa trục chính con quay và trục

NS Khi góc @ = Ô thì trục chính không có chuyển động biểu kiến, chỉ khi hình thành góc # mới phát sinh chuyển động biểu kiến như hình 16.13 Khi trục chính lệch về phía đông trục

NS một góc ø thì tốc độ góc thành phần của ø, trên trục OX và OY của con quay là,

Q,, =O, COSA

O, = @, sina Trong hai biéu thife trén, @,, tring hudng trac OX nén không gây ra chuyển động biểu kiến theo độ cao, nên không cần xét tới

Thành phần øœ,, là tốc độ góc chuyển động của mặt phẳng ngang quanh trục chính con quay nằm ngang Khi trục chính lệch về phía đông thì @,„ chỉ chiều dương trục OY khiến mặt phẳng ngang phía bắc OY hạ xuống, phía nam nâng lên Người quan sát không thể nhìn thấy chuyển động này mà chỉ nhìn thấy cơn quay chuyển động biểu kiến quanh OY với tốc độ

góc là - ø, „ làm cho trục con quay nâng cao lên Cùng cách như vậy có thể phân tích khi trục

chính lệch về phía tây làm cho trục chính phát sinh chuyển động biểu kiến hạ thấp xuống

Trục chính nâng lên hoặc hạ xuống với tốc độ dài là,

Vị= Hới sìn & # ff@,đ ( khi ở rất nhỏ thì sin # wa) Vi=Ha, cos0:ø

Nhận xét rằng, Vị không những là hàm số của vĩ độ ọ mà còn là hàm số của a

16.4 Biến con quay tự do thành la bàn con quay

16.4.1 Tóm tắt nguyên nhân trục chính con quay tự đo không ổn định chỉ hướng bắc

Trong các phân tích ở các mục trên nhận thấy, do ảnh hưởng của thành phẩn @, của tốc độ góc tự quay của trái đất và thành phần @,~ hình chiếu của ø, trên trục OY — làm cho trục

chính con quay tự do phát sinh chuyển động biểu kiến cho nên không thể dùng con quay tự do

trực tiếp làm la bàn chỉ hướng trong hàng hải Phân tích hai thành phần này để xem đâu là nguyên nhân ảnh hưởng chủ yếu làm cho trục chính không chỉ đúng hướng bắc

Thay @, =@,cos@ vao cong thie @, =@, Sina, vi a rat bé, lay sina =a, nén co thé sất

viết,

đị,, = 0, COS0 + #

Thành phân tốc độ góc Ø,„ này khiến cho trục chính con quay nâng cao khi lệch khỏi mặt phẳng vòng kinh tuyến một góc œ về bên đông, hoặc hạ xuống khi lệch về bên tây Ảnh hưởng này chỉ phát sinh khi œ # Ô, nếu tìm cách làm sao cho góc phương vị # =0, tức là trục chính con quay luôn nằm trong mặt phẳng vòng kinh tuyến và chỉ đúng hướng bắc thì có thể triệt tiêu ảnh hưởng của thành phan @,

Sở dĩ trục chính con quay tự do lệch khỏi mặt phẳng vòng kinh tuyến là đo sự tổn tại của thành phẩn tốc độ góc ø, = œ, sinø, nó khiến cho trục chính con quay lệch về bên đông khi ở bắc bán cầu và lệch về bên tây khi ở nam bán cầu, ảnh hưởng này chỉ mất đi khi con quay đặt ở xích đạo (ø = 0)

16.4.2 Nguyên tắc cơ bản để khắc phục ảnh hưởng của thành phần ø; con quay tự do

Người ta dùng đặc tính tiến động của con quay tự do để khắc phục ảnh hưởng của thành phần

œ, biến con quay tự do thành la bàn con quay Giả sử cho một mômen ngoại lực M; tác dụng lên trục nằm ngang, con quay tự do sẽ tiến động quanh trục OZ với tốc độ góc œ,„ Với tốc độ góc tiến động đó làm cho đầu trục chính con quay phát sinh tốc độ dài u; tiến động về phía tây Như vậy, để biến con quay tự đo thành la bàn con quay, trục chính ổn định chỉ đúng hướng bắc thật phải thoả mãn điều kiện (xem hình 16.14),

Hình 16.14

0y, = @; hoặc u¿

=V2

Nói một cách khác, nếu tốc độ góc tiến động của con quay tự đo bằng thành phần tốc độ góc

tự quay của trái đất trên trac OZ thi truc con quay ổn định trong mặt phẳng vòng kinh tuyến, con quay tự do biến thành la bàn con quay

16.4.3 Các phương pháp biến con quay tự do thành la bàn con quay

Vì mục đích biến con quay tự đo thành la bàn con quay, cần phải cho một mômen ngoại lực tác dụng vào con quay và khống chế chuyển động của con quay Hiện nay về nguyên tắc các'

la bàn con quay dùng cho hàng hải trực tiếp dùng tác dụng của trọng lực trái đất để khống chế: : mômen ngoại lực My (Controlling moment of the gravity) Một loại la bàn con quay kiểu khác không dùng trực tiếp trọng lực trái đất tạo mômen khống chế mà dùng con lắc điện từ để không chế mômen ngoại lực (Electro-magnetic controlling gyrocompass)

Trong thực tiến áp dụng hai phương pháp dùng trọng lực không chế mômen ngoại lực Phương pháp thứ nhất là hạ trọng tâm của con quay theo chiêu OZ làm cho trọng tâm G của con quay không nằm đúng điểm O của giá đỡ, la bàn con quay loại này gọi là la bàn con quay con lắc (

SÔ TAY HÀNG HÃI 566

Pendulous gyrocompass) Phương pháp thứ hai dùng bình chất lỏng thông nhau gắn với con quay để khống chế mômen trọng lực, gồm có la bàn con quay bình chất lỏng thông nhau và la bàn con quay dùng bình thuỷ ngân (Mercury ballistic gyrocompass)

16.4.4 La bàn con quay dùng con lắc cơ học

Đây là kiểu la bàn con quay hạ trọng tâm dùng nguyên lý con lắc cơ học để khống chế

mômen trọng lực Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong la bàn con quay Anchũtz, có thể lấy kiểu la bàn này làm ví dụ Bộ phân nhạy cẩm (chỉ hướng bắc) là một quả cầu kín gọi

là quả cầu con quay Quả cầu được thả nổi trong chất lỏng đặc biệt và chuyển động tự do trong đó Khi chế tạo người ta làm cho trọng tâm G của quả cầu thấp hơn tâm hình học O của

nó 7~8mm như mô tả ở hình 16.15 Do hạ trong tâm, quả cầu quay trở nên như một con lắc cơ học Sau khi hạ trọng tâm thì chuyển động của nó trên trái đất ra sao ? Hình 16.16 mô tả chuyển động của con quay hạ trọng tâm đặt tại một điểm trên xích đạo quan sắt từ bắc cực Đầu tiên, con quay đặt nằm ngang, trọng tâm G và tâm hình học O nằm trên cùng đường đường thắng đứng (đường dây dọi), trục chính hướng đông Ở thời điểm tị, tại vị trí Aj trong không gian, trọng lực mg của quả cầu tác dụng lên tâm hình học O của quả cầu quay, mômen trọng lực bằng không, con quay không chịu bất cứ mômen ngoại lực nào tác dụng và không phát sinh tiến động Qua thời điểm tạ, do trái đất tự quay con quay hạ trọng tâm nằm ở vị trí Á¿ trong không gian, lúc này tuy tư thế của trục chính con quay trong không gian không biến

đổi nhưng so với trái đất thì đã nâng cao lên một góc Ø, trọng tâm của quả cầu quay không còn nằm trên đường thẳng với O, khiến trọng lực mg của quả cầu quay tạo ra mômen Mỹ đối với điểm O, Mỹ chỉ về hướng dương trục OY (trong trường hợp này, hướng trục OY chỉ về hướng bắc)

Biểu thức cho thấy rằng, khi trục chính con quay cao hơn mặt phẳng ngang, Ø mangdấu (-

), mômen trọng lực My chỉ theo chiều dương của OY, ngược lại khi trục chính thấp hơn mặt

phẳng ngang thì Ø mang dấu(+), mômen trọng lực Mẹ chỉ theo chiều âm của OY

Dưới tác dụng của mômen trọng lực My trục quả cầu quay OX từ hướng đông tiến động

quanh trục OZ vé chiều dương trục OY, phương vị của trục chính ban đầu 90” chỉ hướng đông dân dẫn giảm xuống để tiếp cận mặt phẳng vòng kinh tuyến chỉ hướng bắc Cùng cách phân tích như vậy, khi ban đầu đặt trục chính con quay hướng tây, dưới tác dung của mômen trọng lực, trục con quay cũng tiến động về hướng chính bắc Từ đây có thể kết luận, con quay hạ : trong tâm có đặc tính trục chính luôn tìm về hướng bắc

16.4.5 Khống chế mômen trọng lực trong la bàn con quay bình chất lông thông nhau

La bàn con quay nhãn hiệu Sperry thường áp dụng phương pháp bình thông nhau tạo ra sự khống chế mômen trọng lực , trên hai đầu bắc nam của con quay cân bằng người ta lắp hai bình thông nhau bằng đường ống chứa chất lồng (thuỷ ngân hoặc dâu đặc biệt theo như bình 16.17a) Điểm nối của bình thông nhau với vỗ ngoài của con quay nằm trên trục OZ của con quay Khi trục chính con quay nằm ngang thì lượng chất lồng trong hai bình bắc, nam ngang nhau, lúc này trọng tâm của bình thông nhau cùng chất lỏng trùng với trọng tâm của con quay

(loại la bàn này trọng tâm của con quay trùng với tâm hình học của nó), không có ngoại lực

nào tác dụng lên con quay

(đầu nam) OX và hh hình thành góc kẹp Ø , qua OY kế mặt phẳng hịh; cũng hình thành với trục OX một góc kẹp Ø, phần dung tích chất lồng nằm trong hình abcd chính là lượng chất lỏng vượt trội Giả sử khoảng cách từ đường tâm bình BB' đến OZ là R, diện tích mặt cắt của bình là S, khối lượng riêng của chất lổng là ø, g là gia tốc trọng trường, thì trọng lực vượt trội của chất lồng là,

M, =2R’Spgsin@

Trong đó, với một loại chất lỏng xAc dinh thi 2R°S ø g = M là một hằng số, Ø bé, có thể thay

9 cho sinØ Vậy,

Chuyển động của con quay có gắn bình chất lỏng thông nhau như sau:

Giả sử ở thời điểm tị đặt con quay tại vị trí A trong không gian, trục toạ độ OX nằm ngang, chiều dương chỉ hướng đông, mômen động lugng H chi hướng tây như bình 16.18a, lúc này dung tích chất lỏng ngang bằng trong hai bình thông nhau bắc nam, trọng tâm của bình cùng chất lỏng và trong tâm của con quay trùng nhau, không có mômen ngoại lực nào tác dụng lên con quay, con quay không phát sinh tiến động Ở thời điểm tạ, trái đất tự quay mang con quay theo đến vị trí B, lúc này trục OX của con quay nâng cao lên khỏi mặt, phẳng ngang một góc Ø khiến phát sinh mômen trọng lực My do chênh lệch chất lỏng trong hai bình, My chỉ theo chiều âm của OY, khiến mômen động lượng 7Ï quay quanh trục OZ tiến động về phía

Âm trục OY (chiều âm trục OY hướng về phía cực nam của trái đất, trục OX từ từ tiến động

về mặt phẳng vòng kinh tuyến chỉ hướng bắc

Cùng cách phân tích như vậy, nếu ở thời điểm tụ trục con quay đặt hướng về phía tây, hình 16.18b, thi dé nhận thấy, giống như trường hợp trên, mômen động lượng #7 chỉ về phía nam, còn trục chính OX thì tìm về hướng bắc Từ đó, nhận thấy la bàn con quay bình thông nhau giống như la bàn con quay hạ trọng tâm đều có khả năng tự động tìm về hướng bắc

thành một góc Ø, tuy nhiên, chúng ngược chiêu nhau Để cho trục chính con quay có cùng hướng tiến động phải thiết kế sao cho mômen động lượng Ởƒ của chúng chỉ theo hai hướng

ngược nhau Chính vì vậy, mômen động lượng H của la bàn con quay hạ trọng tâm chỉ hướng

bắc, còn mômen động lượng H của la bàn con quay bình thông nhau thì chỉ hướng nam

16.4.6 Dao động đẳng biên của la ban con quay con lắc cơ học

1 Bản chất vật lý của quy luật chuyển động của trục chính con quay

Hai loại la bàn con quay hạ trọng tâm và bình thông nhau đểu dùng nguyên tắc con lắc cơ học để tạo mômen không chế nên gọi chung là la bàn con quay con lắc Bỏ qua phân tích bằng toán học, có thể tóm tắt bắn chất vật lý của quy luật chuyển động của trục chính con quay kiểu con lắc như sau

Để khảo sát chuyển động của đầu mút bắc trục chính con quay cần phân tích tốc độ dai phat sinh tại đầu mút trục chính

Lấy loại la bàn con quay hạ trong tâm đặt ở vĩ độ bắc, với trục chính không trùng với mặt phẳng vòng kinh tuyến làm ví dụ, tốc độ góc ảnh hưởng đến góc độ cao Ø và góc phương vị

# gồm ba loại:

Dy = O, SiN A @,@

a, Mé

ad

Ba loại tốc độ góc trên tạo ra tốc độ đài của đầu mút trục chính như sau:

1) Thành phần ø,# khiến trục chính vừa rời khỏi mặt phẳng vòng kinh tuyến lập tức bị nâng lên hoặc hạ xuống với tốc độ dài Vị= H@,Œ Ở một vĩ độ nhất định giá trị và hướng của Vị phụ thuộc vào giá trị và hướng của œ Khi #=0 thì Vi=0, o tăng thì Vị tăng, Z giảm Vị giảm theo Khi đầu bắc của trục chính lệch khỏi mặt phẳng vòng kinh tuyến về bên đông thì V; tăng, lệch bên tây Vị giảm

2) Thành phần ø; khiến trục chính tiến động lệch khỏi mặt phẳng vòng kinh tuyến, tốc độ đài

là V.= Ha, Với vĩ độ ø xác định, V; cố định không biến đổi Ở vĩ độ bắc, trục chính lệch về bên đông với tốc độ dài Vạ, ở vĩ độ nam trục chính lệch bên tây cũng với tốc độ dài Vạ

3) Do tác dụng của trọng lực con lắc, khi đầu mút bắc rời khỏi mặt phẳng ngang thì sinh ra mômen trọng lực M làm cho trục chính con quay tiến động quanh trục OZ với tốc độ góc @,,

và tốc độ dài của đầu mút u¿=MØ Khi đ= 0, thì u=0; Ø tăng lên, u; tăng lên; Ø giảm thì

u, cling gidm theo Khi đầu mút bắc của trục chính lệch lên trên mặt phẳng ngang (Ø có dấu âm) thì nó tiến động về bên tây, ngược lại, lệch xuống dưới thì nó tiến động về bên đông Bằng cách phân tích tác dụng của các loại tốc độ dài tiến động Vị, V; và u; lên đầu mút bắc của trục chính con quay ở các vị trí khác nhau lần lượt từ vị trí A đến B theo như hình 16.19, nhận thấy quỹ đạo của đầu mút trục chính vẽ thành một hình elip, tạo thành đao động

SO TAY HANG HAI — 570

đẳng biên trong không gian Dao động này kéo dài liên tục quanh hướng bắc mà không chỉ hướng bắc Cùng phương pháp như vậy, phân tích chuyển động của trục chính la bàn con quay bình thông nhau cũng có kết quả tương tự

số 20~30°, ngược lại, nếu mômen gây nhiễu trên trục ngang khiến cho góc phương vị # phát sinh sai số 1” thì góc độ cao Ø chỉ xuất hiện sai số 1/20-1/30% Từ đó nhận thấy rằng, tìm cách giảm ảnh hưỡng mômen gây nhiễu trên trục thẳng đứng là một trong những biện pháp nâng cao độ chính xác chỉ hướng của la bàn

2) Biết chu kỳ T của chuyển động elip (gọi là chu kỳ đao động đẳng biên hoặc chu kỳ dao động không ngăn trở),

T=22 |—

Ma, cose

là thời gian cần thiết để đâu mút trục chính thực hiện một vòng chuyển động trên elip T là

một tham số đặc trưng quan trọng của la bàn con quay, phụ thuộc vào H, M và vĩ độ ọ nơi đặt

la bàn, nó không liên quan gì với vị trí chỉ hướng ban đầu của đầu mút trục chính Để triệt tiêu sai số xung kích loại I (trình bày ở phân sau), trên vĩ độ thiết kế của la bàn con quay người ta lấy Tạ =84,4 phút Sau khi xác định các tham số của la bàn con quay thì T sẽ biến thiên, là hàm số của vĩ độ ọ

Ví dụ vĩ độ thiết kế là 60” thì quan hệ hàm số của T và @ như sau:

Vị trí ổn định của trục chính la bàn con quay là ở tại tâm của elíp dao động Chỉ cần trục

chính rời khỏi vị trí này thì nó lại chuyển động liên tục theo quỹ đạo hình elip Để ổn định có hai điều kiện:

a) Thứ nhất, trục chính phải nằm trong mặt phẳng vòng kinh tuyến, tốc độ dài lên xuống Vị=0, tức 14 Ha =0, do dé a, =0

b) Thứ hai, trên vĩ độ bắc, tốc độ tiến động hướng tây uạ=-Vạ, tức là M0 =-Hø,,

do đó 9, 2% M

Nếu thoả mãn hai điểu kiện trên, thì trục chính con quay ổn định trong mặt phẳng vòng kinh tuyến ở góc độ cao Ø, trên mặt phẳng ngang H, M cùng tốc độ góc tự quay của trái đất @,

là các đại lượng đã xác định, còn lại Ø, là hàm số của vĩ độ Ø tại vị trí con tàu Có thể lấy

một loại la bàn hạ trọng tâm làm ví dụ quan hệ hàm số giữa Ø, và Ø :

16.4.7 Tạo đao động tắt dần của la ban con quay con lắc

1 Biến dao động đẳng biên của con quay thành đao động tắt dân

Để cho trục con quay cuối cùng ổn định trên hướng bắc phải làm sao biến dao động đẳng biên của đầu mút trục chính trở thành dao động tắt dần Việc đó được thực hiện bằng một thiết bị “ngăn trở”, thiết bị này có tác dụng thu nhỏ dẫn góc phương vị # và góc độ cao Ø

theo cùng một tỷ lệ cho đến khi trục chính ổn định chỉ hướng bắc, sau đó cho dù dưới một tác

động nào khiến trục chính rời hướng bắc thì nó cũng tự dao động giảm dân để ổn định lại trên hướng bắc

Như đã trình bày ở trên, dao động đẳng biên của dầu mút trục chính con quay phát sinh là do tác động của 3 tốc độ dai Vi,V2, wo, để buộc đao động này trở nên “tắt dẫn” cần tăng thêm một thiết bị để tạo ra “mômen ngăn trở” làm phát sinh tiến động phụ gọi là “tiến động ngăn trở" Tiến động ngăn trở phải thoả mãn yêu câu, khi trục chính con quay đang tiến động về vị trí ổn định thì tiến động ngăn trở giúp tăng nhanh tốc độ tiến động của trục chính; khi trục chính tiến động rời vị trí ổn định thì tiến động ngăn trở buộc tốc độ tiến động của trục chính chậm lại Dưới tác dụng của tiến động ngăn trở khiến cho trục chính nhanh chóng ổn định tại

vị trí chỉ hướng bắc

Có hai phương pháp tạo mômen ngăn trở, phương pháp ngăn trở trục ngang và phương pháp ngăn trở trục đứng

2 Phương pháp ngăn trổ trục ngang

Ở phương pháp này, thiết bị ngăn trở tạo ra mômen ngăn trở tác dụng lên trục ngang OY của con quay, đưới tác dụng của mômecn này khiến cho trục chính con quay tiến động quanh trục

Để có tác dụng ngăn trổ, uạ phải được thiết kế sao cho nó luôn luôn hướng về mặt phẳng vòng kinh tuyến (Hình 16.20), khi trục chính lệch về bên tẩy mặt phẳng vòng kinh tuyến thì u; phải hướng đông, và ngược lại, khi trục chính lệch về bên đông mặt phẳng vòng kinh tuyến thi us phải đổi hướng tây Ở góc phan tw toa 46 I va TIL, us lam cho truc chính tăng nhanh tốc độ trở

về mặt phẳng kinh tuyến khiến độ cao Ø giảm nhỏ dẫn, khi trục chính về đến mặt phẳng

kinh tuyến thì góc độ cao Ø nhỏ hơn góc độ cao của trục chính ở cùng vị trí đó trong trường,

SO TAY HANG HAI — 512

hợp dao động đao động đẳng biên Ở góc phân tư toạ độ II và IV thì uạ có tác dụng làm suy yếu tốc độ của trục chính rời khổi mặt phẳng kinh tuyến làm cho góc phương vị # giảm nhỏ, nghĩa là khi trục chính tiến động đến mặt phẳng ngang thì góc phương vị Z nhỏ hơn góc phương vị của trục chính ở cùng vị trí trong trường hợp đao động đẳng biên Cứ tiếp tục như vậy, các góc ổ và œ đêu gidm din làm cho dao động đẳng biên biến thành đao động tất dần cho đến khi đâu mút trục chính con quay ổn định tại vị trí ổn định của nó : Trong phương pháp này tốc độ dài u; có tác dụng làm rút ngắn trục dài của elip dao động cho

nên còn gọi là phương pháp ngăn trở trục dài, được áp đụng cho la bàn con quay hạ trọng tâm

Phương pháp này dùng thiết bị ngăn trở tạo ra mômen ngăn trở tác dụng lên trục đứng OZ của

hệ toạ độ con quay, khiến cho trục chính con quay phát sinh tiến động ngăn trở quanh trục

OY, tốc độ dài tiến động cũng biểu thị bằng u;( Hình 16.21)

Để có dao động tắt dẫn phải thiết kế sao chơ u; luôn hướng về mặt phẳng nằm ngang, khi trục chính lệch lên trên mặt phẳng ngang thì uạ phải hướng xuống dưới, khi trục chính lệch phía dưới mặt phẳng ngang thì uạ phải hướng lên trên Cùng giống như cách phân tích nêu ở phương pháp ở trên, ở góc toạ độ I va DI thi uy lam cho tốc độ chuyển động của trục chính rời khỏi mặt phẳng ngang bị chậm lại khiến Ø giầm nhỏ dan, và ở góc toa d6 IL va IV thi us lai làm tăng nhanh tốc độ trục chính trở về mặt phẳng ngang khién a giảm nhỏ dẫn Cuối cùng dao động đẳng biên biến thành dao động tắt dẫn cho đến khi đầu mút trục chính con quay ổn

định tại vị trí ổn định của nó Trong phương pháp này, mômen ngăn trổ tác dụng lên trục đứng của con quay cho nên còn gọi là phương pháp ngăn trở trục ngắn, được ấp dụng trong la bàn cọn quay bình chất lỏng thông nhau

4 Thiết bị ngăn trở la bàn con quay hạ trọng tâm

1) Cấu tạo của thiết bị ngăn trở

Để tạo mômen ngăn trổ gây nên tiến động ngăn trổ sao cho dao động đẳng biên của trục chính con quay biến thành dao động tắt dần phải dùng thiết bị ngăn trở :

Đối với quả câu quay (còn gọi là quả cầu nhạy cảm) của la bàn con quay hạ trọng tâm, thì trọng tâm của quả cầu được thiết kế sao cho trọng tâm của nó thấp hơn tâm hình học của quả cầu, trong quả cầu lắp hai con quay bằng môtơ điện (còn gọi là la ban con quay bai con lắc)

SÔ TAY HÀNG HÃẢI 573

Loại này áp đụng phương pháp ngăn trở trục ngang, dùng thiết bị ngăn trở chất lồng lắp trong quả câu nhạy cầm để tạo mômen ngăn trở La bàn con quay Anchitz sử dụng giải pháp này Thiết bị ngăn trở chất lồng gồm hai bình nhồ thông nhau bằng các ống nhỏ đã được tính toán, trong bình chứa một loại đầu có độ nhớt cao, trên đỉnh của hai bình nối với nhau bằng ống nhỏ để thông hơi Hai bình được lắp ở hai đầu bắc nam của quả cầu đối xứng qua trục OY của quả cầu quay, xem hình 16.22 (trong hình chỉ vẽ một môtở, không vẽ ống thông hơi) Khi quả cầu quay rời khỏi vị trí ổn định của nó thì trục chính phát sinh góc độ cao 9 khiến cho chất lồng trong bình, theo nguyên tắc thông nhau, chẩy qua từ bình cao xuống bình thấp

SỐ TAY HÀNG HẢÃI — 514

ngăn trở cho nên khi la bàn con quay bắt dầu hoạt động, cho đù trục chính con quay nằm ở vị trí nào đi nữa thì sau một thời gian, trục chính cũng tìm về vị trí ổn định

Bằng phương pháp phân tích toán học có thể chứng minh (ở đây không chứng minh) vị trí ổn

œ„=0 ø= Ho,

" M-C Trong đó, M - Mômen ngăn trở cực đại, C- hệ số chuyển đổi

Từ hai công thức của vị trí ẩn định trên cho thấy, ở vị trí tĩnh tại vĩ độ bắc, vị trí ổn định của trục chính quả cầu quay kiểu con quay con lắc đôi ( hạ trọng tâm) với thiết bị ngăn trở bằng bình chất lổng là tại mặt phẳng kinh độ (ø, = 0) và nâng cao lên phía trên mặt phẳng ngang

một góc @, ( hinh 16.20)

2) Xác định thời gian ổn định của la bàn con quay

Để xác định thời gian ổn định, cần định nghĩa vài chỉ số sau đây:

a) Chỉ số tắt đần f ( còn gọi là chỉ số ngăn trở) biểu thị mức độ giảm dần của góc phương vị trục chính con quay, ai, a2, âa,, ân, a„¿¡ là gốc phương vị trong mỗi chu kỳ dao động tắt dân, lần lượt một lân lệch đông, kế tiếp một lần lêch tây,

thông thường chỉ số tắt dần f nằm trong khoảng 2,5 ~ 4

b) Chu kỳ ngăn trở (chu kỳ dao động tắt dân) Tp

Là thời gian cần thiết để trục chính con quay thực hiện một đao động ngăn trở khi con quay dao động tắt dần Nếu tần số góc dao động ngăn trở của trục chính là nị, thì Tp viết

Tp là một chỉ số có liên quan đến kết cấu của la bàn và vĩ độ đặt la bàn Tại một vĩ độ

Trên cơ sở phân tích các chuyển động của la bàn con quay, nhận thấy rằng từ lúc khởi động: chơ đến khi la bàn ổn định phải mất một khoảng thời gian nhất định Trong lĩnh vực hàng hải thời gian ổn định này tính từ khi khởi động la ban cho đến khi la bàn chỉ hướng với độ chính

Giả sử một la bàn hai con quay có thiết bị ngăn trở bằng bình thông nhau chất lồng có chỉ số tắt dần f=3, chu kỳ ngăn trở Tp=90 phút Nếu ở thời điểm ban đầu trục chính lệch đông góc

phương vị lớn nhất œ, =180”, thì qua nửa chu kỳ ngăn trở Tp/2 = 45 phút thì trục chính đã

chuyển động lệch tây đến góc phương vị , =180° /3 = 60° Qua nửa chu kỳ 45 phút tiếp

theo thì trục chính lại chuyển động lệch đông đến góc phương vị #; =60°/3=20° Trục

chính chuyển động tổng cộng qua 5 lần nửa chu kỳ tức là 5XTp/2=3 giờ 45 phút thì góc phuong vi a, =0, 75°: d&n đây, độ chính xác chỉ hướng của la bàn đã đạt yêu cầu Có thể nói, bình thường để la bàn con quay có thể chỉ hướng đúng thì thời gian ổn định cân chừng 4 giờ

Dĩ nhiên là vị trí ban đầu của trục chính con quay đặt ở vị trí mà góc phương vị và góc độ cao lệch không lớn lắm thì thời gian ổn định của la bàn được rút ngắn đáng kể

5 Thiết bị ngăn trổ của la bàn con quay bình thông nhau chất lổng

La bàn con quay bình thông nhau chất lồng dùng phương pháp vật nặng fạo mômen ngăn trở trên trục thẳng đứng của con quay để biến dao động đẳng biên thành dao động tắt dần

Theo hình 16.23, một con quay đặt

chỉ về chiều âm của trục OX Hộp con ` Khung ‘ GLU i

thẳng đứng tạo thành trục thẳng đứng

OZ, hộp con quay cùng với con quay Khung Oni

con quay quay quanh truc nay dé hinh

thành chuyển động theo chiểu cao

Trên đỉnh của giá đỡ có vành khắc độ

nối cứng với hộp con quay để chỉ

thông nhau chất lỏng án cứng với

khung đỡ thẳng đứng, mỗi bên đông và tây gắn hai bình chất lồng và nối ống thông nhau, trên đỉnh mỗi cặp bình có ống nối thông hơi Hai vật nặng ngăn trở được tính toán thích bợp gắn ở hai bên đông tây trên hộp con quay

2) Tạo dao động tắt dần

Khi khung thẳng đứng quay quanh | trục OY làm cho trục chính phát sinh góc độ cao thì chất dẫu trong bình cao hơn sẽ chảy về bình thấp hơn, phần dau vượt trội trong bình hình thành mômen hiệu chỉnh trọng lực trên trục OY khiến trục con quay tiến động, như đã nói ở Mục 16.1.6 trén đây Nhờ hai vật nặng ngăn trở gắn ở hai bên đông tây, khi trục con quay chuyển động lệch khỏi mặt phẳng nằm ngang hình thành góc độ cao Ø thì vật nặng ngăn trở sẽ tạo:

ra thành phần mômen ngăn trở trên trục OZ, dưới tác dụng của mômen ngăn trở này, trục con

quay tiến động theo quỹ đạo tất dân để về vị trí ổn định

Có thể chứng minh bằng phân tích toán học học (không cân chứng minh ở đây) vị trí ổn định

của trục chính con quay được diễn đạt như sau:

a, -— Moy r M sỹ

SÔ TAY HÀNG HÃI 516

6 Ha,

7 M Trong đó, M mômen ngăn trở, Mp ~ Mômen ngăn trở cực đại

Trong hai công thức trên, #, #0 chứng tổ trục chính la bàn con quay bình thông nhau chất lỏng không nằm trong mặt phẳng kinh tuyến mà lệch khối mặt phẳng này một góc #,, lệch khỏi mặt phẳng ngang góc độ cao đ,

a, = _? tgợ được gọi là sai số vĩ độ (xem hình 16.21)

3) Thời gian ổn định của la bàn con quay bình chất long thông nhau

Chu kỳ ngăn trở (chu kỳ dao động tắt din) Tp

m |AMHe—M

Trong đó, n¡ — tần số đao động qua lại của trục chính con quay

Tp =

Tp bao giờ cũng lớn hơn chu kỳ đao động dẳng biên T Bình thường 6 vi d6 0°~70°, thi chu ky

ổn định Tp của la bàn con quay bình chất lỏng thông nhau nằm trong phạm vị 60~120 phút 16.4.8 Nguyên lý la bàn con quay khống chế bằng điện từ

Chỗ khác nhau cơ bản của la bàn con quay khống chế bằng điện từ (Electro-magnetic torqued gyrocompass hoặc Electro-magnetic

controlling gyrocompass ) so vdi la ban con

quay con lắc ở chỗ phương pháp tạo ra

mômen ngoại lực Trong hệ thống la bàn con

quay khống chế bằng điện từ, mômen ngoại

lực cho con quay do thiết bị khống chế điện

Nguyên lý cơ bần của la bàn con quay khống

chế điện từ được mô tả trên hình 16.24, bộ

phận nhạy cảm là một con quay (1) (con quay

đơn) cân bằng tự do, mômen động lượng H

chỉ chiều dương của trục OX, hộp con quay

(2) hình cẫu tròn Trên đỉnh của hộp con quay

gắn một bộ cảm biến điện từ (4) để nhận tín

hiệu điện cảm ứng phản ánh góc kẹp giữa Hình 16.24

trục chính con quay và mặt phẳng ngang, trên

trục đứng và trục ngang mỗi nơi gắn một thiết bị tạo mômen (5) và (6) Giữa bộ cẩm biến điện từ và thiết bị tạo mômen đều nối qua mạch khuếch đại (7) và (8)

Khi la bàn con quay bắt đầu hoạt động, trục chính con quay quay quanh trục ngang khiến trục chính lệch khỏi mặt phẳng ngang một góc f thì bộ cắm biến cũng bị nghiêng đi một góc 6,

tín biệu điện đưa ra từ bộ cầm biến tỷ lệ thuận với góc và dấu của nó phụ thuộc vào

lệch lên trên hay dưới mặt phẳng ngang Tín hiệu điện từ bộ cảm biến đi qua hai đường:

Đường thứ nhất, tín hiệu qua mạch khuyếch đại mặt phẳng ngang (8) đưa đến bộ phận tạo mômen mặt phẳng ngang (5) tạo ra mômen khống chế bằng điện từ My trên trục ngang Đường thứ hai, tín hiệu qua mạch khuyếch đại mặt phương vị (còn gọi khuyếch đại trục đứng), từ đó đưa đến bộ phận tạo mômen ngăn trở M; trên trục đứng

Giống như hai vật nặng tạo mômen ngăn trở trong la bàn con quay dùng bình chất lỏng thông nhau nói trên, ở loại la bàn con quay khống chế bằng điện từ, chỉ có mômen M, tạo ra thành phần mômen ngăn trở trên trục OZ, dưới tác dụng của mômen ngăn trở này, trực con quay

tiến động theo quỹ đạo tắt dẫn để về vị trí ổn định

Bằng phương pháp phân tích toán học có thể chứng minh (ở đây không chứng mình) vị trí ổn định của trục chính con quay như sau:

16.5 Sai số của la bàn con quay và cách trừ khử

Vì một nguyên nhân nào đó, chẳng hạn do phương pháp ngăn trở, trạng thái chuyển động của

tàu, làm cho trục chính con quay lệch khỏi hướng bắc thật hình thành góc kẹp giữa trục chính

và mặt phẳng kinh tuyến gọi là sai số la bàn con quay Các sai số này có những quy luật biến đổi nhất định có thể xác định được bằng phân tích toán học Để nâng cao độ chính xác chỉ hướng, các sai số này cần phải được trừ khử và hiệu chỉnh bằng các phương pháp khác nhau 16.5.1 Sai số vĩ độ

Như trên đây đã chỉ rõ, trong loại la bàn con quay dùng phương pháp ngăn trở trục đứng, khi trục chính con quay ổn định nó không nằm trong mặt phẳng kinh tuyến mà lệch khỏi mặt phẳng kinh tuyến một góc, đó là sai số vĩ độ ( Latitude error) ký hiêu ay

Còn gọi là phương pháp bù cơ học, dùng kết cấu cơ học, căn cứ vào góc ø,„ điều chỉnh

đường chuẩn cơ bản của la bàn con quay, hoặc điều chỉnh đĩa khắc độ chỉ hướng sao cho sai

số được khử ngay khi đọc số la bàn Sau khi áp dụng phương pháp này, vẫn còn tổn tại sai số

Còn gợi là phương pháp bù điện học hoặc bù mômen, dùng một thiết bị điện tạo ra tín hiệu

điện biến thiên theo quy luật sai số vĩ độ thông qua cơ cấu tạo mômen bù tác động vào chuyển động con quay sao cho trục chính quay ngược trở về mặt phẳng kinh tuyến làm triệt tiêu sai số vĩ độ

Trong thực tiển cũng có hai phương pháp tạo mômen bù nội, mômen bù trên trục ÓZ và

mômen bù trên trục OY

Đối với la bàn con quay bình chất lồng thông nhau, ví dụ loại la bàn con quay MK37, áp dụng loại thiết bị tạo mômen bù trên trục đứng OZ

Loại la bàn khống chế bằng điện từ thường dụng thiết bị tạo mômen bù trên trục ngang OY Các la bàn con quay hiện đại thường kết hợp khử sai số vĩ độ két hợp trong cơ cấu khử sai số tốc độ

16.5.2 Sai số tốc độ

Phương vị ổn định của trục chính con quay khi tàu chạy với tốc độ đều so với phương vị ổn định của trục chính khi tốc độ tàu bằng không lệch nhau một góc phương vị gọi là sai số tốc

độ ( Speed error)

Giả sử tàu ở vĩ độ bắc, chạy với tốc độ đều V và với hướng đi cố định C, xem hình 16.25, chia tốc độ V ra hai thành phần trên hệ toa độ dia ly ONWZ,: tốc độ dài hướng bắc Vụ chuyển động theo vòng kinh tuyến và tốc độ dài hướng đông Vẹ chuyển động theo vòng vĩ tuyến

Thanh phan Vy làm thay đối vĩ độ của la bàn con quay tương tự như con quay chuyển động -

không giống nhau vi vay khi tàu có tốc độ đều với các giá trị khác nhau thì vị trí ổn định của

trục chính của con quay cũng không giống nhau

2 Công thức sai số tốc độ

1) Sai số tốc độ của la bàn con quay đôi kiểu con lắc (hạ trọng tâm)

Theo hình 16.26, hệ toạ độ của la bàn con quay OXYZ chuyển động tương đối với hệ toạ độ dia ly ONWZ, nhw sau, nó quay một góc quanh trục OZ¿ góc ø với tốc độ góc là ở, quanh

trục OY một góc Ø với tốc độ góc ở Vậy thành phần tốc độ góc ,„ và œ, chuyển động tuyệt đối của trục chính con quay trên trục OY và OZ của hệ tọa độ la bàn tương đối với không gian vũ trụ như sau,

Dy = 647 cosa (ay +72)sing

Hình 16.26 Bằng cách kết hợp với phương trình cơ bản của con quay với chuyển động của quả cầu quay dưới ảnh hưởng của tốc độ và hướng đi của tàu, giải và tìm ra vị trí ổn định của trục chính quả cầu quay #,, (không chứng minh ở đây), kết quả như sau,

2) Sai số tốc độ của la bàn con quay bình chất lồng thông nhau

Bằng cách xác định các thành phần tốc độ géc @,, va @,,, két hgp với phương trình cơ bản của la bàn con quay bình chất lỏng thông nhau có thể giải và tìm ra sai số tốc độ @,,

khi øœ, rất nhỏ, có thể lấy tg œ, z #,, cos #, 1, đồng thời xem xét ở vĩ độ trung bình và vĩ

độ thấp R„@, >> Ứ„, R,ø, >> V„igp Cuối cùng ta có công thức tính vị trí ổn định phương vị

của trục chính la bàn con quay bình chất lỏng thông nhau khi tàu chạy, tức sai số tốc độ của

nó như sau,

Trong công thức này gồm hai vế, vế thứ nhất sai số tốc độ, vế thứ hai thuộc sai số vĩ độ mà ta

đã để cập tới ở phần sai số vĩ độ vừa trình bày ở trên

3) Sai số tốc độ của la bàn con quay khống chế bằng điện từ

Cách phân tích giống như đối với la bàn con quay bình chất lồng thông nhau ta có vị trí ổn định của trục chính con quay trên tần đang chạy như sau,

3 Cách thức diễn đạt thông thường của sai số tốc độ

Khi tàu chạy trên vĩ độ trung bình và thấp, thì tốc độ dài của chuyển động tàu do trái đất tự quay R,@, cos@ = 900.cos @ hải lý/giờ và lớn hơn rất nhiều so với thành phần trên hướng tây của tốc độ tàu VsinC, cho nên công thức sai số có thể giản lược như sau,

_ VeosC

™ R,0, cosp Công thức này tính góc bằng radian, để tiện tính toán có thể chuyển đổi sang độ bằng cách nhân cho 360/2, đồng thời thay R,@, =900 hải lý/giờ, ta có công thức sai số tốc độ đơn giản

4 Đặc điểm của sai số tốc độ

Từ công thức sai số tốc độ ở trên có thể nhận thấy,

1) Sai số tốc độ chỉ phụ thuộc vào tốc độ, hướng đi và vĩ độ vị trí tàu mà không liên quan gì đến kết cấu của la bàn con quay, chỉ khi tàuchuyển động thì loại la bàn nào cũng phát sinh sai số tốc độ

2) Sai số tốc độ biến thiên theo tốc độ tàu, tốc độ tàu lớn thì sai số tốc độ cũng lớn theo 3) Sai số tốc độ tăng lên khi vĩ độ tăng

4) Sai số tốc độ biến thiên theo hướng đi, khi hướng đi 000” và 1802 thì sai số lớn nhất Khi

hướng đi 90° và 270” thì sai số bằng 0 Hướng đi từ 000° đến 90” và từ 270” đến 000” thì sai số

tốc độ có dấu (+), lệch tây Hướng đi từ 909 đến 180° đến 270° thì sai số có dấu (-), lệch

-_ VeosC _ 20cos180 _ 20x(-Ð =-1,27° (sai s Đông)

số đọc trên đĩa khắc độ là hướng đi thật trên la bàn con quay, nhưng ngay trên quả cầu quay

là hướng chưa hiệu chỉnh, tức là trục chính con quay thì không chỉ đúng hướng bắc

3) Phương pháp bù trong để khử sai số tốc độ

Phương pháp bù trong còn gọi là bù mômen lực, dùng cơ cấu tính toán bằng điện học để lấy ra tín hiệu theo mô hình toán học của sai số tốc độ đưa qua thiết bị tạo mômen tác dụng lên trục con quay sao cho trục chính con quay quay trổ vào mặt phẳng vòng kinh tuyến từ đó triệt tiêu sai số tốc độ

Thông thường, nhận thấy ảnh hưởng của thành phần Vpẹ không lớn lắm cho nên không cần xem xét Chỉ có thành phần Vụ của sai số tốc độ được triệt tiêu bằng cách cho mômen lực bù

Mạ tác động vào con quay làm cho trục chính con quay quay về mặt phẳng kinh tuyến nhờ

đó triệt tiêu sai số tốc độ Giải phương trình con quay với tác dung của Mạ ta có thể tìm vị trí

ổn định của trục chính sau khi khử sai số tốc độ

Đối với la bàn con quay khống chế điện từ, sau khi triệt tiêu sai số tốc độ thì vị trí ổn định của trục chính con quay như sau,

SAL SO T6c BO CUA LA BAN CON QUAY

SAI SỐ TỐC ĐỘ CUA LA BAN CON QUAY (tiép theo) 16A2

60 300 120 240 07 11 15 19 22 2.6 T3 285 105 235 %4 0.6 0.8 1.0 1£ 1.3

Ảnh hưởng do quán tính của chuyển động cơ học đột biến của tàu trên hành trình ( nhự thay

đổi tốc độ, đổi hướng, hoặc đồng thời biến đổi tốc độ và hướng di) đối với la ban sinh ra sai số

gọi là sai số xung kich (ballistic error)

1 Sai số xung kích loại I

Chuyển động cơ đột biến phát sinh gia tốc của tàu làm xuất hiện lực quán tính ngược chiêu

với gia tốc, lực quán tính này tác dụng lên thiết bị khống chế trọng lực khiến hình thành sai số

khỏi trung tâm 0 một khoảng cách a, lực quần tính F tác dụng vào trọng tam G, lực quán tính thành phân trên hướng trục OX và OY 1a Fx và Fy , c6 thể xác định được dich chuyển vị trí của trục chính con quay như sau,

B.= M AV,

Hg

Trong đó AV=j.Atvà AVn = AVcosC

Từ công thức nhận xét thấy, B; là hàm số của các tham số kết cấu của con quay, gia tốc, V, thời gian gia tốc và hướng đi

2) Hiệu của sai số tốc độ

Quá trình chuyển động cơ đột biến từ V; dén V2 trong khoảng thời gian At, trục chính la bàn con quay có sai số tốc độ tương ứng như sau, (xem hình 16.28)

Vi cosC R,@, COS SO

đâu trục chính con quay dịch chuyển một khoảng B„, từ vị trí r„¡ đến vi tri ry Vì At rất ngắn

có thể coi @ không đổi, có thể lấy hiệu sai số tốc độ như sau,

R,@, COSY — Rum, cos@

Giả sử V2 >V1, đồng thời tốc độ tàu có thành phân hướng bắc, cho nên AZ, có dấu (+), có

nghĩa là vị trí ổn định mới nằm ở phía tây vị trí ổn định cũ Đồng thời mômen quán tính Mỹ (đo lực quán tính Fx gây ra) chỉ theo chiều dương của trục OY khiến cho trục chính chỉ hướng bắc của con quay lệch về phía tây, địch chuyển vị trí do lực xung kích của trục chính mang đấu (+)

3)_ Cộng thức sai số xung kích loại I

SỐ TAY HÀNG HẢI — 586

So sánh dịch chuyển vị trí B, va hiéu sai s6 tc 46 Aar,, nhan xét thy ring, gidng như sai số tốc độ, hiệu sai số tốc độ Aø, là hàm số của tốc độ, hướng đi và vĩ độ của tàu, khơng liên quan với các tham số kết cấu của con quay Trong khi đĩ, B„ là hàm số của các tham số kết cấu của con quay, gia tốc, thời gian gia tốc và hướng đi So sánh hai đại lượng này, cĩ 3 trường hợp xảy ra như sau:

a) Sau khi kết thúc chuyển động cơ đột biến, néu B, < Aq, thì trục chính tiến động và dừng lại ở bên đơng vi tri én dinh mới (đối với tốc độ Va), hoặc B„> AøZ, thì trục chính tiến động

và dừng lại ở bên tây vị trí ổn định mới ( đối với tốc độ V;) Trường hợp này xuất hiện sai số xung kích loai I

b) Sau khi kết thúc chuyển động cơ đột biến, nếu B„= Aø, thì trục chính tiến động và dừng lại đúng ở vị trí ổn định mới, trường hợp này khơng xuất hiện sai số xung kích loại ï

Bằng cách so sánh hai đại lượng B,„ và Aa, ta cĩ thể suy ra cơng thức tính sai số xung kích

loại I như sau,

B.=B,—Aø„ =-T Ayy-— Aƒx —

B¡- Sai số xung kích loai I,

(2,2 — &y,) = Aq, - 1a hiệu sai số tốc độ

@- Vĩ độ tàu

ọo - Vĩ độ thiết kế của la bàn con quay

Bằng cơng thức này cĩ thể xác định gần đúng sai số xung kích loại L

4) Phân tích đặc điểm của sai số xung kích loại I

a) Khi tàu phát sinh chuyển động cơ đột biến trên vĩ độ thiết kế, vì chu kỳ dao động T=84,4 phút, khơng phát sinh sai số xung kích loại I (cĩ thể suy ra từ cơng thức) b) Quá trình chuyển động cơ đột biến vừa kết thúc thì sai số xung kích loại I lớn nhất, sau chuyển động cơ đột biến thì giá trị của sai số và dấu biến đổi theo chu kỳ và dẫn dan mất đi

cosø COS

c) Khi ọ > @o —> }<o, nếu tàu gia tốc về hướng bắc -> (#„;—Ø,„„)> 0 thi B¡<0, trục chính lệch bên đơng vị trí ổn định; nếu tàu gia tốc vể hướng nam —>

(Gq -@,,) <0 thi B,>0, trục chính lệch bên tây vị trí ổn định

cosy,

> 0, trục chính lệch bên tây vị trí ổn định mới; nếu tàu gia tốc về hướng nam > (@,, — #„,) <0 thì Bị < 0, trục chính lệch bên đông vị trí ổn định mới

Khi @ < 0o —> (g7 } 0, nếu tàu gia tốc về hướng bắc —> (#„; —Z„„¡) >0 thì Bị

2 Sai số xung kích loại II

Có thể lấy loại la bàn con quay bình chất lỏng thông nhau làm ví dụ và giả thiết la bàn đặt trên vĩ độ thiết kế, không có sai số quán tính loại I Trong trường hợp này thì lực quán tính do chuyển động cơ đột biến không những tác dụng lên trong tâm hạ thấp của con quay mà còn tác dụng lên bình chất lồng ngăn trở Theo như hình 16.27, lực quán tinh Fx chỉ về chiều âm của trục OX, điều đó khiến cho chất lỏng trong bình thông nhau chảy từ bình phía bắc xuống bình phía nam, bình phía nam xuất hiện chất lỏng dư làm phát sinh mômen trên chiểu âm của trục OY khiến trục chính tiến động về phía đông, điều đó làm suy giấm tốc độ góc tiến động sinh ra bởi lực quán tính của chuyển động cơ đột biến tác dụng vào trọng (âm con quay Vì nguyên nhân đó, khi kết thúc dao động cơ đột biến, trục chính vẫn không thể tiến động đến vị trí ổn định mới, góc kẹp giữa vị trí ẩn định mới và trục chính gọi là sai số xung kích loại H Cần nói thêm rằng vì chất lỏng trong bình ngăn trở chảy trễ một thời lượng nhất định, cho nên sau khi kết thúc chuyển động cơ đột biến thì sai số xung kích loại IÏ sinh ra khá nhỏ

Sai số xung kích loại II được triệt tiêu bằng cách đóng bình thông nhau khi tàu có chuyển động cơ đột biến

phương vị vẫn ổn định trên mặt phẳng không bị ảnh hưởng khi tàu lắc do sóng gió, nâng cao

độ chính xác khi đọc số phương vị Tuy nhiên, cách làm đó vẫn không triệt tiêu hoàn toàn sai

số lắc của la bàn con quay

Chu kỳ lắc của tàu nói chung rất nhỏ, từ 15 đến 20 giây, so với chu kỳ dao động của trục chính con quay Tuy nhiên lực quán tính đo lắc sinh ra lớn hơn rất nhiều so với lực quán tính của chuyển động cơ đột biến, giá trị và hướng luôn biến đổi theo chu kỳ Thời gian tàu lắc thường kéo rất dài so với thời gian chuyển động cơ đột biến của tàu Do những đặc điểm nói trên, qua phân tích lý thuyết suy ra công thức gần đúng mô tả sai số lắc như sau,

_ MD? Brat sin2C

r 2Hg”a, cosø

M - Mômen lực khống chế lớn nhất của la bàn con quay;

D - Khoảng cách thẳng đứng từ vị trí lắp đặt la bàn con quay đến trục lắc của tàu;

Ay Góc lắc lớn nhất của tau;

SỐ TAY HÀNG HẢI 588

Q, + - Tốc độ góc tự quay của trái đất

œ - Vĩ độ địa lý của tàu

“Thực tiến chứng minh rằng la bàn con quay kiểu con quay đơn không thể sử dụng trên tau vì sai số lắc quá lớn

La bàn con quay kiểu Anchiitz sử dụng trên tàu đã áp dụng phương pháp triệt tiêu một cách hiệu quả sai số lắc bằng cách đùng con quay kép (xem hình 16.32) gồm hai môtơ điện lắp trong quả cầu nhạy cắm, mômen động lượng của hai con quay vuông góc với nhau, mômen động lượng tổng hợp là trục chính của quả cầu nhạy cắm nằm trên trục Bắc Nam Bằng cách này, mômen động lượng của mỗi môtd con quay tạo thành với trục chính quả cầu quay một góc 45°, trên hướng trục Bắc Nam và trục Đông tây của quả cầu quay đều tổn tại mômen

động lượng, mặt khác chu kỳ lắc của quả cầu quay quanh trục chính (trục Bắc Nam) lớn hơn

nhiều so với chu kỳ lắc của tàu (tần số lắc chậm hơn), cho nên trong quá trình tàu lắc, mặt phẳng xích đạo của quả cầu quay luôn nằm trên mặt phẳng địa lý, trục chính quả cầu quay có tính ổn định, nhờ đó sai số lắc của nó giảm đi rất nhiều, trên thực tế coi như không có sai số lắc

Đối với la bàn con quay kiểu Sperry, thuộc nhóm sản xuất đầu tiên, dùng bình thuỷ ngân để khống chế trọng lực, sai số lắc được triệt tiêu bằng cách điều chỉnh chu kỳ chẩy của thuỷ ngân trong bình thuỷ ngân sao cho chu kỳ này bằng chu kỳ lắc của tàu Kiểu Sperry về sau này dùng bình chất lỏng (dùng loại dầu có độ nhớt cao) thông nhau khống chế trọng lực thì chu kỳ chẩy của chất lỏng được điều chỉnh sao cho nó lớn hơn rất nhiễu so với chu kỳ lắc của tàu để triệt tiêu sai số lắc đến mức thấp nhất, sắp xỉ bằng không

1a bần con quay theo kiểu Arma-Brown, trong con lắc điện từ chứa dây chất dầu có độ nhớt cao để tạo ngăn trở rất mạnh đối với con lắc khiến trong quá trình tàu lắc không lắc theo chủ

kỳ của tàu lắc, nhờ đó sai số lắc cũng bị triệt tiêu

16.5.5 Sai số đường cơ bản

Đường chuẩn dọc tàu dùng để định hướng khi lắp la bàn con quay và các la bàn phần ảnh lên tau sao cho việc đọc đọc hướng chính xác gọi là đường cơ bản Khi lắp la bần con quay trên tau phải lầm sao cho đường cơ bản song song với đường trục dọc của tàu, nếu không, sé phát

sinh sai số đọc số, đó là sai số đường cơ bản

Sai số đường cơ bẩn không phụ thuộc vào thời gian và hướng ổi của tàu, vì vậy đó là sai số

cố định La bàn chính và các la bàn phản ảnh đều có thể tổn tại sai số đường cơ bản khác

nhau, tuy nhiên, sai số đường cơ bản của la bàn chính sẽ thể hiện lên trên la bàn phần ảnh, vì vậy khi xác định và hiệu chỉnh sai số đường cơ bản thì phải tiến hành xác định và hiệu chỉnh sai số đường cơ bản của la bin phần ảnh trước khi xác định và hiệu chỉnh sai số đường cơ bản của la bàn chính

Trước khi xác định sai số đường cơ bản:

1) Xác nhận chắc chắn rằng la bàn con quay đã ổn định chỉ hướng bắc;

2) La bàn chính và các la bàn phản ảnh phải điều chỉnh phối hợp đồng bộ;

3) Xác nhận biểu xích la bàn dùng để đo phương vị không có sai số;

4) Xác định sai số đường cơ bản khi tàu đã cặp cầu hoặc neo đậu

5) Đối với loại la bàn con quay có thiết bị điểu chỉnh sai số, nút điểu chỉnh tốc độ đặt về vị trí

"0", nút điều chỉnh vĩ độ đặt về vĩ độ vị trí tàu Đối với la bàn không có thiết bị điều chỉnh sai

Khi hai la ban phan anh lap dat đối xứng ở hai bên cánh gà

trái phải của buồng lái, đầu tiên đo góc mạn một điểm Đường

ngắm ngay chính giữa mũi tàu (chẳng hạn trụ đèn neo ở

mũi tàu), hoặc một điểm ngắm nào đó ở ngay giữa lái tàu,

xác nhận rằng điểm ngắm này có góc mạn bằng nhau và

ngược dấu nhau, theo như hình 16.29 tức Ø¿=Ø,; chọn với đường

một mục tiêu lục địa rõ ràng, ở xa (khoảng cách trên 3 hải

lý) ở bên mạn phải hoặc bên mạn trái đêu được, dùng hai La ban

œ\,=ø,' Nếu thoả mãn hai điều kiện đó coi như la bàn

phần ảnh không có sai số đường cơ bản

Hình 16.29

Nếu sai số đường cơ bản của hai la bàn phẩn ảnh lớn hơn

+0,5° thì tiến hành hiệu chỉnh, mở các ốc cố định của bộ phận phía trên của gia dd la bàn phần ảnh, xoay la bàn phản ảnh ngược chiểu một góc tương ứng với sai số, vặn chặt ốc cố

định

3) Xác định và hiệu chỉnh sai số đường cơ bản của la bàn chính

Tàu đang hành trình, dùng phương pháp chập tiêu hoặc mặt trời xác định sai số của la bàn chính Hoặc khi tàu cặp tại cầu, dùng phương pháp chập tiêu xa, hoặc đo phương vị của mép

cầu cảng so sánh với phương vị trên hải đỗ để xác định sai số la bàn chính Chỉ cần khấu trừ sai số vĩ độ vào kết quả nhận được bằng hai cách xác định vừa nói trên có thể biết sai số đường cơ bản

Nếu sai số đường cơ bắn của la bàn chính lớn hơn +0,5° thì tiến hành hiệu chỉnh, phương pháp hiệu chỉnh tuỳ kiểu la bàn con quay, nói chung là phải hiệu chỉnh đường chuẩn đánh dấu trên

la bàn chính theo chỉ dẫn của nhà chế tạo để khử bỏ sai số đường cơ bản

16.6 Các loại la bàn con quay thông dụng trong hàng hải

16.6.1 La ban con quay Anchiitz Standard 4

SO TAY HANG HAI 590

Nhóm la ban con quay kiéu Anchiitz là một trong 3 nhóm lớn la bàn con quay sử dụng trên tàu biển, là la bàn con quay sử dụng nguyên lý con quay để chỉ hướng sớm nhất Điển hình trong nhém nay gém cé: la ban con quay Anchiitz Standard IV, 4, 6, 12, 14, 20, C Plath của Đức, CMZ của Nhật, và Hàng hải I của Trung quốc

Đây là loại la bàn con quay kiểu con lắc cơ học có những đặc điểm như sau: bộ phận nhạy cảm là một quả cầu chứa hai con quay (con quay kép) nhờ lực nổi của dung dịch và giá đỡ

phụ để giữ cho quả cầu quay nổi trong trang thái tự do, dùng phương pháp hạ trọng tâm để có mômen khống chế, áp dụng phương pháp ngăn trở bằng bình chất lỏng để có mômen ngăn trở

Thập niên 40, 50 của thế kỷ trước kiểu Anchũtz IV va, 4 được sử dụng rộng rãi trên cdc tau chạy biển, kiểu Anchitz 20 là loại mới nhất sử dụng từ thập niên 90 thế kỷ trước Đó là một sắn phẩm ưu việt được thị trường chấp nhận rộng rãi Trong phần này mô tả kiểu Anchitz 4

là loại điển hình cho đồng la bàn con quay kiểu Anchiitz Các bộ phận chính của la bàn mô tả trên n Hình 16.30 là thiết bị toàn bộ cha Anchiitz Ở đây chỉ giới thiệu các bộ phận ‹ cơ bản của

= Vĩ độ thích ứng ( Suitable for latitudes) 0~75°

„ _ Tốc độ thích ứng ( Suitable for speeds) 0~45kn

„ _ Điện áp làm việc của quả cầu quay và hệ thống tuy theo 1'10V/333Hz (43%)

Dién 4p ham nóng, quạt gió, truyền hướng 50V/50Hz

« _ Tốc độ rôto con quay (rate of gyrorotor) 20 000r/m

« - Tuổi thọ quả cầu quay khoảng 20 000 giờ

« Dòng điện

« _ Dung dich nang (Surpporting liquid)

» Kich thuéc la ban chinh: đường kính x độ cao 500mmX810mm

2 Vài đặc điểm kết cấu của la bàn chính

1) Quả cầu quay

a) Bộ phận nhạy cảm - Quả cầu quay ( Sensitive

element - Gyrosphere), hình 16.31

Bộ phận nhạy cảm gồm: (J) Điện cực đỉnh, (2) Điện

cực truy theo, (3) Điện cực xích đạo hẹp, (4) Điện cực

đáy, (5) Bán câu dưới, (6) Điện cực xích đạo rộng, (7)

Bán câu trên; (8) Vành khắc độ từ 0~360° chung quanh

xích đạo quả câu

Hình 16.32 là kết cấu bên trong quả cầu quay Bên

trong gồm có hai môtơ đùng làm con quay hoàn toàn giống nhau theo kiểu môtơ ba pha dị bộ

Hai khớp động nối mềm bằng vòng bi ở điểm tựa trên hướng trục đứng của mỗi mô tơ liên kết với nhau thông qua tay đòn liên động, như hình (b)

SỐ TAY HÀNG HẢI ` 592

trục đứng của mình sao cho đồng thời làm tăng hay giảm góc kẹp giữa hai trục chính của chúng, bằng cách đó, tổng hợp mômen động lượng cửa hai môtơ quay luôn nằm trùng với

« trục chính » của quả cầu quay Nhờ cách 4p dung hai con quay, đảm bảo nâng cao tính định hướng của quả cầu quay và giảm sai số lắc của la bàn

b) Bên trong quả cầu quay còn có thiết bị ngăn trở Đó là một bình chứa dầu hình vành khuyên, cố định trên giá đỡ trong quả cầu, hình 16.33, dùng để tạo mômen ngăn trở Trên hướng bắc nam có hai màn ngăn tạo thành hai khoang dâu riêng biệt đông tây, trong mỗi khoang lại chia ra các khoang nhỏ, trên mỗi vách ngăn có các ống dẫn tròn thông nhau và các

lỗ khác nằm phía trên vách ngăn để thông hơi, dầu trong bình có độ nhớt rất cao Khi trục chính con quay chuyển động theo chiểu thẳng đứng (trục con quay rời mặt phẳng ngang), thì dầu từ bình này chẩy qua bình kia theo các lỗ nhỏ theo hướng trục bắc nam để giữ cho bể mặt dầu ngang bằng Nhờ độ nhớt của dẫu tạo ra thời trễ, khiến cho đâu vượt trội ở một phía nào đó tác dụng làm sinh ra mômen ngăn trở trên trục ngang của quả cầu quay

c) Cuộn dây đỡ điện từ (Repulsion coil)

Quả cầu quay đặt trong quả cầu truy theo thả nổi trong chất lồng nâng, khi nhiệt độ làm việc

ở 52°C +3”C thì lực nổi của quả cầu nhỏ hơn trọng lực của nó chừng 15~20g làm cho quả cầu quay chìm xuống chạm đáy quả câu truy theo, vì nguyên nhân đó, khi tàu đổi hướng sẽ phát sinh mômen lực ma sát ảnh hướng độ chính xác của la bàn Để khắc phục tình trạng này, người ta đặt một cuộn dây đỡ hình xuyến nằm sát đáy quả cầu quay (Hình 16.34), nhờ có cuộn dây đỡ điện từ khiến cho quả cầu quay nổi trong phạm vi quả câu truy theo mà không

chạm đáy chậu Khi cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn day, làm phát sinh đòng điện cầm ứng điện từ xoáy trên vỏ nhôm của quả cầu truy theo, dòng điện xoáy trong vỏ nhôm và dòng điện trong cuộn dây lệch pha nhau 1807, từ trường do dòng điện xoáy tạo ra và từ trường

do cuộn dây tạo ra ngược chiều nhau, cho nên giữa đáy quả cầu truy theo và đáy quả câu quay hình thành lực đẩy nhau, thành phần thẳng đứng của lực đẩy giúp quả cầu quay không chìm sát đầy quả cầu truy theo, thành phần ngang của lực đẩy này giúp cho quả cầu quay nằm đúng ở trung tâm quả cầu truy theo Bằng tính toán có thể chọn lực đẩy sao cho khe hở

trên dưới giữa quả cầu quay và quả cầu truy theo chứng 4mm va 8mm, khe hở hai bên xích đạo chừng 2mm Mặt khác, lực đẩy có quan hệ với khe hở giữa hai quả cầu, khi khe hở lớn thì

lực đẩy nhỏ, lực nổi quả cầu quay thì lại phụ thuộc nhiệt độ chất lồng nâng quả cầu, cho nên, trong phạm vi nhiệt độ nhất định, độ cao của quả cầu được điều chỉnh một cách tự động Chẳng bạn, khi nhiệt độ dung dich tăng cao, thì trọng khối của dung dịch này giảm nhỏ, quả cầu chìm xuống, làm cho khe hở ở dưới nhỏ lại, lực đỡ của cưộn dây tăng lên, nếu nhiệt độ dung địch giảm xuống thì tác dụng ngược lại, kết quả là quả cầu quay chỉ có thể lơ lửng ở vị trí trung gian Việc tự động điều chỉnh như vậy chỉ thực hiện khi nhiệt độ biến đổi trong phạm

vi nhất định, cho nên nhất thiết phải duy trì dung dịch trong la bàn con quay hoat động ở nhiệt

độ giới hạn để đầm bảo la bàn con quay hoạt động bình thường

đ) Dầu bôi trơn cho hai métd con quay

Để đảm bảo các môtơ con quay hoạt động bình thường, ở đáy quả câu quay lắp một bình đầu bôi trơn, dầu tự động hút vào ổ trục con quay để bôi trơn Vì vậy khi tổn giữ hoặc lau chùi quả cầu quay phải nhẹ nhàng, không đặt nghiêng qủa cầu quá 45°, để dâu không bị chảy ra khỏi bình chứa dính vào các linh kiện con quay lầm Ảnh hưởng hoạt động bình thường của con quay

Trước khi đóng kín, qua cầu quay được rút chân không và bơm vào đây chất hydrô để chống oxy hoá các linh kiện trong đó và giảm ma sát cho trục

môtơ con quay

2) Bộ phận truy theo (Follow-up element)

Công việc của bộ phận truy theo là quay theo qủa cầu

quay để duy trì đường 0 - 180” trên vành khắc độ luôn

luôn đồng bộ với trục chính quả cầu quay, trục chính

quả cầu quay chỉ hướng bắc thì điểm "0" độ trên đĩa

khắc độ cũng phải biểu thị hướng bắc

a) Quả cầu theo

Qúa cầu theo cấu thành bởi các bộ phận như mô tả trên

hình 16.35 và 16.36

Quả cầu theo gồm hai bán cầu bằng nhôm, các vành

xích đạo, các vít dẫn điện, các tấm thuỷ tỉnh tạo thành

Bên trong đỉnh và đáy quả cầu theo phủ một lớp dẫn Hình 16.35

điện hình thành các cực điện cung cấp điện cho quả :

câu quay Phía trên và dưới giữa hai bán cầu có hai vòng xích đạo, bên trong cũng phủ lớp dẫn điện gọi là cực điện xích đạo Toàn bộ quả cầu ngoài các cực điện, bên ngoài được bọc kín bằng chất cách điện Các cực điện của quá cầu theo có vị trí tương ứng với các cực dẫn điện của quả câu quay ở đỉnh, đáy và xích đạo Nhờ khoầng cách giữa hai quả cầu rất hẹp,

diện tích điện cực lớn, giữa có dung dịch dẫn điện cho nên dòng điện từ quả cầu theo vào quả câu quay với điện trở rất nhỏ Bắn thân dung địch có điện trổ suất lớn nên ở những vị trí khác không thông mạch điện, dòng điện đưa vào là điện xoay chiểu nên không xảy ra hiện tương điện phân trong dung dịch

Trong 6 trụ cách điện có một cặp trụ được phủ chất dẫn điện bên trong gọi là điện cực truyền động, vị trí của nó đối ứng với điện cực truyền động của quả cầu quay, các cực điện này có

chức năng tạo và chuyển tải tín hiệu truyễn động

Điện cực truy theo W2 (màu vàng)

Dây dẫn pha Đâ ứ nhất (màu trắt thứ be (mẫu Vâng} ay dẫn pha thứ nhất (màu trắng}

Dây dẫn pha

thứ hai (màu đỏ),

Điện cực truy

thao W¡ (màu lục)

Bán cầu trên của

quả cầu truy theo

Vit dan điện |

Vit cách ann)

Bán cầu dưỡi của

quả nầu truy thao

Quả cầu theo không kín, chứa quả cầu quay bên trong, và được giữ bằng giá đỡ, tất cả quả cầu theo cùng quả cầu quay thả vào trong chậu dung dịch như hình 16.37b Khi quả cầu quay

hoạt động, nhiệt lượng khuếch tán ra ngoài dung dịch, quả cầu quay khong bị nóng, giữ cho

quả cầu quay hoạt động bình thường

Toàn bộ quả cầu theo treo trên bàn la bàn bằng trụ giữa và ổ đỡ (vòng bị), các đây dẫn đi bên trong trụ giữa, điện từ nguồn đưa vào các bộ phận trong quả cầu theo thông qua các cổ

góp điện quanh trụ giữa, hình 16.37a Nguồn điện xoay chiều 3 pha thông qua các cực điện giữa quả cầu theo, quả cầu quay và dung dịch cung cấp cho các môtơ con quay trong quả cầu quay theo như hình 16.37b

Quả

cẩu quay Quả

nhờ các chốt lõm ở dưới bảnh răng làm quay quả cầu theo, đưa quả cầu theo quay đồng bộ theo quả cầu quay

Đĩa khắc độ Đường cơ bản