Устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к технике измерения интенсивности обледенения и толщины льда на поверхности летательного аппарата. Технический результат - повышения точности определения интенсивности обледенения поверхностей, находящихся в воздушном потоке, а также повышение надежности работы устройства. Для достижения данного результата введены первый и второй термостабилизаторы, устройство выделения разности мощностей, нелинейный элемент, интегратор и второй индикатор, причем первый термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента. 1 ил.

 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к средствам измерения интенсивности обледенения и толщины отложения льда на поверхностях летательного аппарата.

Известно устройство для определения интенсивности обледенения (заявка РФ 2000116044/28, 2000 г., B 64 D 15/20), содержащее чувствительный элемент (далее по тексту ЧЭ), включающее нагреватель, используемый также в качестве датчика температуры, термостабилизатор и индикатор. Сигнал, пропорциональный мощности нагревателя, необходимой для поддержания заданной температуры ЧЭ, подается на индикатор интенсивности обледенения. Устройство не позволяет компенсировать величину теплопотерь в "сухом воздухе" (при отсутствии капельной влаги) в широком диапазоне изменения режимов полета летательного аппарата, что ограничивает область его применения. Так при площади ЧЭ, равной 1 см², в зависимости от реальных для летательных аппаратов диапазонов изменения температуры, давления и скорости воздушного потока изменение мощности для поддержания заданной температуры 100° С в "сухом воздухе" составит от 4 до 25 Вт.

При этом мощность нагревателя, потребная для испарения полностью уловленной ЧЭ капельной влаги в условиях обледенения при его интенсивности 1 мм/мин, равна всего ≈ 3,3 Вт. Поэтому известное устройство, имея значительный "уход нуля", не обеспечивает приемлемую точность определения интенсивности обледенения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для определения наличия и интенсивности обледенения (Tенишев Р.Х., Строганов Б.А. и др. Противообледенительные системы летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1967, с.219-221), содержащее рабочий и компенсирующий ЧЭ, имеющие нагреватели и термодатчики, расположенные в лобовой и тыльной стороне цилиндра соответственно, ось которого сориентирована по потоку воздуха. При отрицательной температуре воздуха на нагреватели обоих ЧЭ подается одинаковый электрический ток, а термодатчики включены в мостовую схему таким образом, что при увеличении теплосъема на рабочем ЧЭ относительно компенсирующего ЧЭ, например, при попадании капельной влаги на рабочий ЧЭ и ее испарении на ее выходе появляется сигнал, пропорциональный разности температур UΔ _T, который подается на индикатор.

Однако постоянство мощности разогрева обоих ЧЭ приводит к значительным изменениям температур Т_i ЧЭ в "сухом" воздушном потоке в зависимости от изменения режима полета, что видно из выражения для Т_i

Т_i=N_i/α s+Т_B,

где N_i - мощность нагревателей ЧЭ, Вт;

α - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м²·град;

s - площадь ЧЭ, м²;

Т_B - температура воздуха, град;

и влиянию изменения режима полета на показание интенсиметра обледенения, определяемое в виде

UΔ _T=k_п·(Т_к-Т_р)=k_п·N_исп/α s,

где k_п - коэффициент преобразования, В/град;

Т_к и Т_р - температуры компенсирующего и рабочего ЧЭ соответственно, град;

N_исп - мощность нагревателя рабочего ЧЭ, расходуемая на испарение капельной влаги, Вт.

Реальные изменения зависимых от режима полета значения температуры равны для Т_B от нуля до минус 60° С и коэффициента конвективной теплоотдачи α более чем в 2 раза.

Значительные изменения температуры ЧЭ приводит к снижению надежности, а влияние изменения режима полета на показания известного устройства к увеличению погрешности определения интенсивности обледенения.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения интенсивности обледенения поверхностей, находящихся в воздушном потоке, а также повышение надежности устройства.

Решение задачи достигается тем, что в устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, а также первый индикатор, отличающееся тем, что в него введены первый и второй термостабилизаторы, устройство выделения разности мощностей, нелинейный элемент, интегратор и второй индикатор, причем первый термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей подключено своим первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом к входу нелинейного элемента, выход которого подключен ко входам первого индикатора и интегратора, к выходу которого подключен второй индикатор.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит датчик обледенения 1, который включает рабочий 2 и компенсирующий 3 ЧЭ, содержащие нагреватель рабочего 4 ЧЭ и нагреватель компенсирующего 5 ЧЭ, а также термодатчик рабочего 6 и термодатчик компенсирующего 7 ЧЭ. Термодатчик 6 подключен к входу первого термостабилизатора 8, выход которого подключен к нагревателю 4. Термодатчик 7 подключен к входу второго термостабилизатора 9, выход которого подключен к нагревателю 5. Выходы первого 8 и второго 9 термостабилизаторов подключены к первому и второму входам устройства выделения разности мощностей 10, выход которого подключен к входу нелинейного элемента 11, выход которого подключен к первому индикатору 12 и входу интегратора 13, выход которого подключен к второму индикатору 14.

Устройство работает следующим образом.

При переходе температуры воздушного потока в область отрицательных значений происходит включение термостабилизаторов 8 и 9, в результате чего температура поверхностей ЧЭ 1 и 2 стабилизируется на заданных одинаковых значениях в диапазоне (80-100)° С. В "сухом" воздушном потоке разность мощностей нагревателей 4 и 5, определяемая блоком 10, во всем диапазоне изменения режима полета летательного аппарата остается менее величины Δ N_п, называемой порогом срабатывания сигнализатора обледенения. Зона нечувствительности нелинейного элемента 11 равна пороговому значению Δ N_п, и поэтому на его выходе сигнал отсутствует.

При попадании датчика обледенения 1 в воздушный поток, содержащий капельную влагу, только рабочий ЧЭ 2 ее улавливает и испаряет. Для поддержания заданной температуры ЧЭ 2 термостабилизатор 8 вырабатывает дополнительную мощность нагревателя 4, в результате чего разность мощностей на входе блока 10 превышает зону нечувствительности нелинейного элемента 11. Выходной сигнал Δ N блока 11 пропорционален мощности Δ N_исп нагревателя 4, затрачиваемой на испарение улавливаемой ЧЭ 2 капельной влаги, далее поступает на вход интегратора 13, а с него - на второй индикатор 14, на котором отображается информация о накопленной толщине льда.

Сигнал Δ N может быть определен в виде

Δ N=N_исп·[1+s· α · (R+1/k-η · R)-η ]^-1,

где R - тепловое сопротивление участка ЧЭ 2 между датчиком температуры 6 и поверхностью ЧЭ 2, улавливающей капельную влагу, град/Вт;

k - коэффициент усиления контура термостабилизатора 8, Вт/град;

η - коэффициент тепловых потерь ЧЭ 2, определяющий долю теплового потока от нагревателя 4, не проходящего через площадь s.

Влияние изменения режима полета, определяемое коэффициентом α , при реальных значениях параметров устройства, например s=1,33· 10^-4 м², k=3,5 Вт/град, η =0,1, R=0,35 град/Вт, на восприятие устройством мощности N_исп, определяющей фактически интенсивность обледенения, не существенно. Так при изменении коэффициента α от 800 до 1600 Вт/м²·град фиксированный устройством сигнал Δ N изменяется в пределах

(1,0295-0,973)· N_исп.

Стабилизация температуры ЧЭ исключает их перегрев, что повышает надежность датчика обледенения, а также экономичность устройства.

Значительное снижение влияния изменения коэффициента конвективной теплоотдачи α на показание устройства повышает точность измерения интенсивности обледенения, что позволяет определять толщину отложения льда, расширить применимость устройства для различных видов противообледенительных систем и летательных аппаратов, а также расширить область его применения, например, для защиты компрессоров газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов.

Устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, а также первый индикатор, отличающееся тем, что в него введены первый и второй термостабилизаторы, устройство выделения разности мощностей, нелинейный элемент, интегратор и второй индикатор, причем первый термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей подключено своим первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом к входу нелинейного элемента, выход которого подключен к входам первого индикатора и интегратора, к выходу которого подключен второй индикатор.