Способ контроля обледенения и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к авиационной технике, в частности к технике обнаружения и контроля обледенения и измерения толщины льда на поверхности летательного аппарата. Способ включает операции измерения действительной и мнимой части комплексного сопротивления возбуждающего преобразователя для поиска и захвата частот резонанса, вычисления коэффициента нормирования действительной части комплексного сопротивления для нормирования добротности резонанса по сопротивлению, вычисления приведенной жесткости резонатора, коэффициента нормирования жесткости, нормирования по жесткости частоты резонанса для сравнения с эталонной частотой чистого резонатора, контроля по этим данным обледенения, вычисления толщины льда и интенсивности обледенения. Устройство содержит блок индикации и управления и сигнализатор обледенения. Последний включает в себя приемопередатчик, сигнальный процессор, преобразователь импеданса, ключ, датчик температуры, возбуждающий преобразователь, резонатор и нагреватель. Предложенные технические решения основаны на свойстве механической колебательной системы в зависимости от присоединенной массы и ее физических свойств изменять параметры резонанса и базируются на соответствии параметров комплексного сопротивления возбуждающего преобразователя приведенным параметрам механической колебательной системы. Технический результат - повышение точности и достоверности информации, получаемой при контроле обледенения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к технике обнаружения обледенения на поверхности летательного аппарата.

Известны способ обнаружения обледенения и измерения толщины льда на поверхности самолета [1], включающий возбуждение заданными частотами и напряжениями ультразвуковых преобразователей, измерение в каждом преобразователе тока и угла фазового сдвига относительно напряжения возбуждения, вычисление импеданса передачи преобразователя на данной частоте, определение частоты, при которой импеданс имеет максимальное значение, сравнение с эталонной частотой чистой поверхности, вычисление приращения частоты, определение по этому приращению толщины накопленного льда, выдачу результатов на устройство индикации и выдачу сигнала тревоги, если толщина льда превышает заданный предел, и устройство для его осуществления, содержащее преобразователи, мультиплексор, датчик тока с АЦП, генератор ступенчатой частоты, управляемый напряжением, процессор и устройство индикации с сигнализацией.

Недостатками данного способа и устройства являются недостаточно высокая точность измерения, поскольку не учитываются температурные погрешности преобразователей и ограниченная область применения, поскольку отсутствует система сброса льда с преобразователей.

Наиболее близкими являются способ контроля обледенения [2], включающий непрерывное возбуждение гармонических колебаний передающего преобразователя, измерение амплитуды выходного сигнала приемного преобразователя с автоподстройкой коэффициента усиления при его приеме, измерение температуры для компенсации температурных погрешностей, формирование выборки измеренных на периоде частоты возбуждения значений выходного сигнала приемного преобразователя, нормирование данных в выборке, контроль уровня помех, вычисление коэффициентов преобразования Фурье, вычисление тангенса угла фазового сдвига выходного сигнала приемного преобразователя относительно сигнала возбуждения, поиск зоны резонанса путем сканирования частоты возбуждения, удержание частоты резонанса путем фазовой автоподстройки частоты возбуждения, сравнение частоты резонанса с эталонной частотой, определение приращения частоты резонанса, допусковый контроль этого приращения, поиск частот резонансов с заданными фазовыми сдвигами, вычисление добротности резонанса, допусковый контроль добротности резонанса для определения типа осаждения, вычисление толщины осажденного льда по приращению частоты резонанса, вычисление интенсивности обледенения, выдачу информации, сброс льда при его критической толщине путем обогрева резонатора датчика, и устройство для контроля обледенения, состоящее из датчика обледенения и блока обработки, содержащего сигнальный процессор, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, усилитель мощности, ключ, приемопередатчик и синтезатор частоты, причем датчик обледенения содержит приемный преобразователь, передающий преобразователь, датчик температуры, резонатор в виде ультразвукового концентратора с встроенным нагревателем.

Недостатками данного способа и устройства являются недостаточно высокие чувствительность, точность и достоверность информации, поскольку определение обледенения и вычисление толщины льда производится по приращениям частоты и добротности резонанса, без учета того, что для механической колебательной системы данные параметры являются функциями нескольких переменных.

Цель изобретения - повышение чувствительности, точности и достоверности информации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля обледенения, включающем непрерывное возбуждение гармонических колебаний возбуждающего преобразователя, поиск и захват частоты резонанса путем фазовой автоподстройки частоты возбуждения, сравнение частоты резонанса с эталонной частотой, определение приращения частоты резонанса, допусковый контроль этого приращения, поиск и захват частоты резонанса с заданным фазовым сдвигом, вычисление добротности резонанса, вычисление толщины осажденного льда по приращению частоты резонанса, вычисление интенсивности обледенения, выдачу информации и сброс льда при его критической толщине путем обогрева резонатора датчика, дополнительно осуществляют измерение действительной и мнимой части комплексного сопротивления возбуждающего преобразователя для поиска и захвата частот резонанса, вычисляют коэффициент нормирования действительной части комплексного сопротивления для нормирования добротности резонанса по сопротивлению, вычисляют приведенную жесткость резонатора, вычисляют коэффициент нормирования жесткости, нормируют по жесткости частоту резонанса для сравнения с эталонной частотой чистого резонатора, а в устройство для контроля обледенения, содержащее сигнализатор обледенения, в корпусе которого установлены датчик температуры и сигнальный процессор, соединенный шиной интерфейса с приемопередатчиком и, через ключ, с входом нагревателя, встроенного в корпус резонатора, к основанию которого механически присоединен возбуждающий преобразователь, дополнительно введен блок индикации и управления, соединенный соответствующими шинами интерфейса с приемопередатчиком и датчиком температуры сигнализатора обледенения, кроме того, в сигнализатор обледенения введен преобразователь импеданса, подключенный к возбуждающему преобразователю, а шиной интерфейса соединенный с сигнальным процессором.

Таким образом, введение новых действий и операций, а также новых связей и элементов позволило существенно повысить точность, чувствительность и достоверность информации за счет исключения влияния изменения жесткости и механического сопротивления резонатора.

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

Устройство для реализации предложенного способа содержит блок 1 индикации и управления, сигнализатор 2 обледенения, при этом сигнализатор 2 обледенения содержит приемопередатчик 2.1, сигнальный процессор 2.2, преобразователь 2.3 импеданса, ключ 2.4, датчик 2.5 температуры, возбуждающий преобразователь 2.6, резонатор 2.7 и нагреватель 2.8.

Блок 1 индикации и управления соединен соответствующими шинами интерфейса с находящимися в сигнализаторе 2 обледенения датчиком 2.5 температуры и приемопередатчиком 2.1, подключенным шиной интерфейса к сигнальному процессору 2.2, к которому также шиной интерфейса подключен преобразователь 2.3 импеданса, соединенный с возбуждающим преобразователем 2.6, механически прикрепленным к основанию резонатора 2.7, в который встроен нагреватель 2.8, подключенный через ключ 2.4 к соответствующему выходу сигнального процессора 2.2.

В сигнализаторе 2 обледенения приемопередатчик 2.1 может быть типа МАХ485, сигнальный процессор 2.2 может быть типа MC56F8322 или MC56F8323, преобразователь 2.3 импеданса может быть типа AD5934, ключ 2.4 может быть типа IR6226, датчик 2.5 температуры может быть типа DS18B20, возбуждающий преобразователь 2.6 может быть выполнен на пьезокерамическом кольце типа ЦТС - 19, резонатор 2.7 может быть выполнен в виде ультразвукового концентратора из элинварного сплава, нагреватель 2.8 может быть выполнен из нихромовой ленты с печатной обмоткой.

Данный способ контроля обледенения основан на свойстве механической колебательной системы в зависимости от присоединенной массы и ее физических свойств изменять параметры резонанса и базируется на соответствии параметров комплексного сопротивления возбуждающего преобразователя 2.6 приведенным параметрам механической колебательной системы, операция приведения считается стандартной процедурой, поэтому не описывается.

Предлагаемый способ включает следующую последовательность действий и операций.

- Производят инициализацию преобразователя 2.3 импеданса, обеспечивая формирование на его выходе синусоидального сигнала возбуждения с частотой fⁱ [Гц], находящейся в середине заданного диапазона, с заданным количеством измерений на данной частоте и с заданной амплитудой напряжения возбуждения.

- Осуществляют замер комплексного сопротивления, производя запуск преобразователя 2.3 импеданса и чтение кодов действительной rⁱ и мнимой jⁱ части результата преобразования.

- Производят поиск и захват частоты резонанса, по знаку jⁱ определяя направление и формируя следующее значение частоты возбуждения fⁱ⁺¹ [Гц] по пропорциональному закону управления до выполнения условия |jⁱ|≤δ₁, где δ₁ - заданный допуск, фиксируя на резонансе значения f_R ⁱ и r_R ⁱ.

- Вычисляют коэффициент нормирования k_r ⁱ сопротивления по формуле k_r ⁱ=R₀/r_R ⁱ, где R₀ - действительная часть комплексного сопротивления чистого резонатора 2.7 при нормальных условиях.

- Осуществляют поиск и захват частоты резонанса с фазовым сдвигом 45°, по знаку выражения (rⁱ-|jⁱ|) определяя направление и формируя следующее значение частоты возбуждения fⁱ⁺¹ [Гц] по пропорциональному закону управления до выполнения условия |rⁱ-|jⁱ||≤δ₁, фиксируя значение f_D ⁱ.

- Вычисляют добротность резонанса по формуле q_r ⁱ=f_R ⁱ/2(f_R ⁱ-f_D ⁱ).

- Нормируют добротность резонанса, вычисляя ее по формуле Q_r ⁱ=q_r ⁱ/k_r ⁱ, компенсируя тем самым влияние изменения приведенного механического сопротивления резонатора 2.7 на величину добротности резонанса, поскольку в механической колебательной системе она является функцией трех параметров и определяется выражением q=(mb)^1/2/r, где m - масса колебательной системы, b - жесткость колебательной системы, а r - механическое сопротивление.

- Вычисляют приведенную жесткость резонатора 2.7 из решения системы уравнений q=(mb)^1/2/r и 2πf_R≈(b/m)^1/2, по формуле bⁱ=2πQ_r ⁱR₀f_R ⁱ.

- Вычисляют коэффициент нормирования k_b ⁱ приведенной жесткости по формуле k_b ⁱ=В₀/bⁱ, где В₀ - приведенная жесткость чистого резонатора 2.7 при нормальных условиях.

- Нормируют частоту резонанса, вычисляя ее по формуле

F_R ⁱ=(k_b ⁱ)^1/2f_R ⁱ [Гц], компенсируя тем самым влияние изменения приведенной жесткости на частоту резонанса, поскольку в механической колебательной системе она является функцией двух параметров и определяется выражением 2πf_R≈(b/m)^1/2,

- Вычисляют приращение Δ_F ⁱ частоты резонанса по формуле

Δ_F ⁱ=F₀-F_R ⁱ [Гц], где F₀ - частота резонанса чистого резонатора 2.7 при нормальных условиях.

- Производят допусковый контроль приращения Δ_F ⁱ по выполнению условия Δ_F ⁱ≥δ₂, где δ₂ - заданный допуск.

- Отрицательный результат контроля приращения Δ_F ⁱ говорит о том, что резонатор 2.7 чистый и обледенения нет.

- Положительный результат контроля приращения Δ_F ⁱ говорит об осаждении на резонаторе 2.7 льда, при этом вычисляют толщину льда по формуле hⁱ=k_hΔ_F ⁱ+h₀ [мм], где k_h, h₀ - константы преобразования.

- Вычисляют интенсивность обледенения по формуле Iⁱ=(hⁱ-h^i-1)/τ [мм/мин], где τ - заданный такт работы, и выдают сигнал о наличии обледенения, информацию о толщине льда и интенсивности обледенения.

- Контролируют толщину льда, проверяя выполнение условия hⁱ≥h^k, где h^k - максимально допустимый слой льда, при положительном результате, включая обогрев датчика для сброса льда, который контролируют по приращению частоты резонанса.

- Фиксируя текущее значение f_D ⁱ, осуществляют поиск частоты резонанса f_R ⁱ⁺¹, на которой вновь осуществляют выше перечисленные действия и операции и так далее.

Устройство, реализующее данный способ, работает следующим образом.

При включении питания блок 1 индикации и управления осуществляет собственный тест-контроль и производит тест-контроли сигнализатора 2 и датчика 2.5 температуры, выдавая при отрицательном результате соответствующее сообщение и код отказа. При положительном результате тест-контролей блок 1 индикации и управления осуществляет циклический контроль температуры поверхности летательного аппарата на соответствие нахождению в зоне возможного обледенения путем чтения кода датчика 2.5 температуры и производя соответствующие вычисления, отключая при отрицательном результате контроля температуры питание сигнализатора 2 обледенения.

При положительном результате контроля температуры, т.е. при нахождении летательного аппарата в зоне возможного обледенения блок 1 индикации и управления осуществляет включение питания сигнализатора 2 обледенения.

Цепь включения, блок питания сигнализатора 2 обледенения и функциональная схема блока 1 условно не показаны

При включении питания сигнализатора 2 обледенения происходит инициализация сигнального процессора 2.2, то есть начинает выполняться соответствующая программа, которая производит сброс соответствующих регистров, сброс ячеек памяти ОЗУ в ноль, маскирование соответствующих прерываний, программирование портов ввода/вывода и регистров управления и тому подобное.

Далее сигнальный процессор 2.2 инициализирует преобразователь 2.3 импеданса, записывая в его регистры управления соответствующие коды по соответствующим линиям связи шины интерфейса. При этом на выходе преобразователя 2.3 импеданса формируется синусоидальный сигнал заданной амплитуды и частоты, который подается на вход возбуждающего преобразователя 2.6, с выхода которого поступает на соответствующий вход преобразователя 2.3 импеданса.

После инициализации преобразователя 2.3 импеданса сигнальный процессор 2.2 выполняет встроенный тест-контроль сигнализатора 2 обледенения, по завершении которого выдает соответствующую информацию блоку 1 индикации и управления и приступает к выполнению программы, реализующей вышеизложенный способ. Выдавая результаты по интерфейсу RS - 485 через приемопередатчик 2.1 на блок 1 индикации и управления, который наряду с контролем температуры дополнительно обеспечивает индикацию толщины льда и интенсивности обледенения, а также управление соответствующими противообледенительными системами летательного аппарата.

Формат массива информации по интерфейсу RS - 485 следующий:

- первый байт - байт контроля, где в соответствующих битах указаны признаки обледенения и режимов работы сигнализатора 2 обледенения или коды выявленных отказов,

- второй байт - байт толщины льда,

- третий байт - байт интенсивности обледенения,

- четвертый байт - байт контрольной суммы массива.

Таким образом, введение новых действий и операций, элементов и связей позволило существенно повысить точность, чувствительность и достоверность информации за счет компенсации влияния изменения жесткости и механического сопротивления резонатора 2.7, вызванных как в результате обледенения при разных типах и формах осаждаемого льда, так и результате изменения температуры, кроме того, позволило уменьшить энергопотребление устройства и увеличить ресурс сигнализатора обледенения за счет его включения только при температуре в зоне возможного обледенения контролируемой поверхности летательного аппарата, а также увеличить его быстродействие за счет исключения операции поиска зоны резонанса.

Источники информации

1. Патент США на изобретение №6,731,225 В2, МПК G08B 21/00, 04.05.2004.

2. Патент РФ на изобретение №2323131, МПК B64D 15/20, 05.07.2006 (прототип).

1. Способ контроля обледенения, включающий непрерывное возбуждение гармонических колебаний возбуждающего преобразователя, поиск и захват частоты резонанса путем фазовой автоподстройки частоты возбуждения, сравнение частоты резонанса с эталонной частотой, определение приращения частоты резонанса, допусковый контроль этого приращения, поиск и захват частоты резонанса с заданным фазовым сдвигом, вычисление добротности резонанса, вычисление толщины осажденного льда по приращению частоты резонанса, вычисление интенсивности обледенения, выдачу информации и сброс льда при его критической толщине путем обогрева резонатора датчика, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют измерение действительной и мнимой частей комплексного сопротивления возбуждающего преобразователя для поиска и захвата частот резонанса, вычисляют коэффициент нормирования действительной части комплексного сопротивления для нормирования добротности резонанса по сопротивлению, вычисляют приведенную жесткость резонатора, вычисляют коэффициент нормирования жесткости, нормируют по жесткости частоту резонанса для сравнения с эталонной частотой чистого резонатора.

2. Устройство для контроля обледенения, содержащее сигнализатор обледенения, в корпусе которого установлены датчик температуры и сигнальный процессор, соединенный шиной интерфейса с приемопередатчиком и через ключ с входом нагревателя, встроенного в корпус резонатора, к основанию которого механически присоединен возбуждающий преобразователь, отличающееся тем, что дополнительно введен блок индикации и управления, соединенный соответствующими шинами интерфейса с приемопередатчиком и датчиком температуры сигнализатора обледенения, кроме того, в сигнализатор обледенения введен преобразователь импеданса, подключенный к возбуждающему преобразователю, а шиной интерфейса соединенный с сигнальным процессором.