Электротермический способ определения водности воздушного потока


 


Владельцы патента RU 2562476:

Общество с ограниченной ответственностью НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ "ЛУЧ" (RU)

Изобретение относится к способам определения водности воздушного потока. При данном способе используют три термочувствительных элемента, один из которых рабочий, два остальных - компенсирующие. Их помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком при температуре, которую поддерживают на уровнях, обеспечивающих полное испарение улавливаемых ими капель воды. При этом два компенсирующих элемента расположены симметрично относительно друг друга и имеют одинаковую температуру, но отличную от рабочего элемента. Определяют коэффициент конвективной теплоотдачи для рабочего термочувствительного элемента как среднее значение вычисленных коэффициентов конвективной теплоотдачи обоих компенсирующих термочувствительных элементов. Обеспечивается точность измерения водности. 1 ил.

 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к способам определения водности воздушного потока.

Электротермические способы определения водности воздушного потока и интенсивности обледенения летательных аппаратов основаны на измерении мощности, потребляемой чувствительным элементом датчика для испарения улавливаемой капельной влаги. Для определения водности учитывается величина скорости воздушного потока.

Известен электротермический способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата (патент RU № 2005666 С1, 5 В64D 15/20), основанный на использовании, при отрицательной температуре наружного воздуха, разности теплосъемов с двух одинаковых обогреваемых участков поверхности мерного тела с термочувствительными элементами, на одном из которых улавливают и полностью испаряют облачные капли воды.

Оба участка поверхности с термочувствительными элементами помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и улавливания облачных капель воды. Коэффициенты конвективной теплоотдачи на обоих участках поверхности равны. Поскольку в этом случае на обе поверхности попадают одинаковые количества воды, то интенсивное и полное испарение обеспечивают только на одной поверхности за счет подвода к ней достаточного количества тепла. К другой же поверхности, где расположен компенсирующий чувствительный элемент (ЧЭ), подводят лишь такое количество тепла, чтобы нагреть ее до положительной температуры, но близкой к точке замерзания воды 0°С, например до (2÷5)°С. В этом случае поверхность не покрывается льдом, а пленка воды с нее интенсивно сдувается набегающим потоком из-за малой скорости испарения воды и недостаточного количества подведенного тепла для полного испарения улавливаемой воды.

Плотность теплового потока, которую необходимо подвести к поверхности, для компенсации теплоты испарения воды прямо пропорциональна разности упругостей водяного пара, взятых при температуре поверхности е п (Па), и при температуре наружного воздуха е в (Па) .

Так как измерительный ЧЭ имеет температуру, например, 120°С, то максимальное значение количества воды, которое может испариться при этой температуре, в 50 раз больше, чем при температуре 5°С.

Однако это соотношение справедливо для максимальных уровней интенсивности обледенения, при которых температура 120°С измерительного ЧЭ обеспечивает полное испарение улавливаемых переохлажденных капель влаги (водность W=0,2·10-3 кг/м3 ÷ 2,5 ·10-3 кг/м3). Для получения оценки величины водности воздушного потока достаточно разделить значение мощности, затраченной на испарение капельной влаги, на величину скорости потока. При этом в известном способе значением тепловых потерь на испарение капельной влаги ЧЭ, имеющим температуру 5°С, можно пренебречь.

При малых значениях водности (W<0,1·10-3 кг/м3), это соотношение резко падает, что приводит к снижению точности определения мощности, затрачиваемой на испарение капельной влаги, и, соответственно, к снижению точности определения водности. Кроме того, приближение температуры потока к 0°С приводит к снижению точности определения конвективного теплосъема, что также снижает точность определения водности. При температурах наружного воздуха выше 0°С, когда не будет процесса обледенения, этот метод не может быть использован для определения водности.

Таким образом, известный способ не позволяет обеспечить необходимую точность измерения небольших значений водности (W<0,1·10-3 кг/м3) и не может быть применен для измерения водности при положительных температурах воздушного потока.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата (патент RU № 2341413 С1, B64D 15/20).

Способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата предусматривает использование при отрицательной температуре наружного воздуха разности теплосъемов с двух обогреваемых участков поверхности мерного тела, имеющих разную температуру, с термочувствительными элементами, которые помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и, соответственно, улавливания облачных капель воды. Температуры обогреваемых участков поверхности мерного тела поддерживают на уровнях (например, 120 и 100°С), обеспечивающих полное испарение улавливаемых ими облачных капель воды.

Поскольку обогреваемые участки поверхности мерного тела имеют относительно высокие температуры, то при данном способе обеспечивается приемлемая точность измерения водности (интенсивности обледенения) как при малых значениях водности (W<0,1 ·10-3 кг/м3), так и в области отрицательных и положительных температур воздушного потока.

Однако указанные преимущества реализуются только в том случае, если водность в пространстве в пределах расположения обогреваемых участков поверхности мерного тела распределена равномерно, то есть W = const. Такое распределение водности в большинстве случаев можно ожидать в естественных облаках, однако на стендах при моделировании процессов обледенения не удается обеспечить условие W=const.

Рассмотрим влияние неравномерности распределения водности на точность определения водности указанным выше способом.

Действительно, уравнения теплового баланса для обоих участков поверхности мерного тела имеют вид:

N1 = Sα(Т1п - Тад) + GулLисп; (1)

N2 = Sα(Т2п - Тад) + GулLисп; (2)

где N1 и N2 (Вт) - мощность нагревателей первого и второго участков поверхностей мерного тела соответственно;

S 2) − эффективная площадь конвективного теплосъёма с каждого нагретого участка поверхности мерного тела;

α (Вт/м2 К) - коэффициент конвективной теплоотдачи участка мерного тела;

Т1п и Т2п (К) - температура первого и второго участка мерного тела соответственно;

Тад (К) - адиабатическая температура воздуха;

Gул (кг/с) - количество воды, улавливаемой участками мерного тела за секунду;

Lисп (Дж/кг) - теплота испарения воды.

В качестве примера принимаются следующие значения параметров:

T1п = 120оС и T2п = 100оС;

Тад = -10оС;

Lисп = 25·105 Дж/кг .

Для количества воды улавливаемой за секунду имеем:

Gул = W·V·Sул (3);

где Gул (кг/с) количество воды улавливаемой за секунду;

W (кг/м3) - водность;

V (м/с) - скорость воздушного потока;

Sул2) - площадь, на которой улавливаются капли воды (площадь миделевого сечения).

Например, при W = 0,3·10-3 кг/м3, V == 150 м/с и Sул = 0,8 см2, получаем Gул = 3,6·10-6 кг/с, что даёт величину GулLисп, равную 9 Вт.

Вычисленные значения N1 и N2 по формулам 1 и 2 при коэффициенте теплоотдачи α=600 Вт/м2град равны соответственно 28,578 Вт и 25,566 Вт.

При непостоянном распределении водности в пространстве, например, на первый участок нагретой поверхности попадает Gул, а на второй участок нагретой поверхности попадает 0,9Gул, и при коэффициенте теплоотдачи для обеих поверхностей α = 600 Вт/м2град значения N1 и N21 равны соответственно 28,578 Вт и 24,666 Вт (N21 вычисляется по уравнению (2), но при 0,9Gул).

Следовательно, при вычислениях α через разницу (N1 - N21) и не учитывая наличие непостоянства водности, то есть принимая условие W=const, получим

α1 = (N1 - N21)/(Т1п - T2п) S. (4)

Из уравнения (4) следует, что α1=779,2 Вт/2К).

Подставляя значение α1 в уравнение (1) и определяя водность по выражению

W = [(N1 - α11п - Тад)S)]/LиспVSул, (5)

получаем соответственно величину W=0,105·10-3 кг/м3 при исходных значениях водности W=0,3·10-3 кг/м3 и W=0,9·0,3·10-3=0,27·10-3 кг/м3.

Таким образом, получаем следующую относительную ошибку по измерению водности:

ΔW = (Wср - W)100%/Wср = 63% , (6)

где среднее значение водности равно:

ср = (0,3 + 0,9·0,3)10-3/2 = 0,285·10-3 кг/м3.

Следовательно, непостоянное распределение водности в пределах расположения двух участков нагретой поверхности, составляющее 10% для рассматриваемого примера, приводит к относительной ошибке измерения водности, равной 63%.

Таким образом, известный способ не позволяет исключить влияние непостоянства распределения водности в пределах расположения чувствительных элементов датчика на точность измерения водности.

Задача изобретения - значительно снизить влияние непостоянства распределения водности в пространстве на точность её определения.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения водности воздушного потока на стендах искусственных условий обледенения и при полетах в облаках, включая полеты в условиях обледенения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Электротермический способ определения наличия и величины водности воздушного потока, основанный на использовании разности теплосъемов с двух обогреваемых участков поверхности мерного тела, первый из которых содержит рабочий термочувствительный элемент, а второй содержит компенсирующий термочувствительный элемент. Эти участки мерного тела помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и имеют разную температуру, которую поддерживают на уровнях, обеспечивающих полное испарение улавливаемых ими капель воды.

Отличительный признак состоит в том, что вводят в мерное тело третий обогреваемый участок, содержащий второй компенсирующий термочувствительный элемент, расположенный относительно рабочего термочувствительного термоэлемента симметрично с первым компенсирующим термочувствительным элементом и имеющий одинаковую с ним температуру, при этом коэффициент конвективной теплоотдачи для рабочего термочувствительного элемента определяют как среднее значение вычисленных коэффициентов конвективной теплоотдачи обоих компенсирующих термочувствительных элементов.

На чертеже поясняется сущность изобретения.

Устройство содержит мерное тело 1, в котором располагают рабочий чувствительный элемент (РЧЭ) 2, включающий термодатчик 3 и нагреватель 4, первый компенсирующий элемент (КЧЭ №1) 5, включающий термодатчик 6 и нагреватель 7, а также второй компенсирующий элемент (КЧЭ №2) 8, включающий термодатчик 9 и нагреватель 10.

РЧЭ 2, КЧЭ №1 5, КЧЭ №2 8 теплоизолированы друг от друга, а их температуры при помощи термостабилизаторов соответственно 11, 12 и 13 поддерживаются на заданных уровнях. В вычислитель 14 поступает информация о выходных мощностях термостабилизаторов 11, 12 и 13, а также термодатчиков 3, 6 и 9. В вычислитель 14 подаются также сигналы об истинной воздушной скорости с источника 15 и адиабатической температуре с термодатчика 16. Информация о значении водности поступает на индикатор 17.

Действительно, при мощности на рабочем ЧЭ (РЧЭ) - N1, на первом компенсирующем ЧЭ (КЧЭ №1) - N21, на втором компенсирующем ЧЭ (КЧЭ №2) - N22 и при равенстве температур на КЧЭ №1 и КЧЭ №2 имеем:

N1 - N21 = α1 (t1 - t2) S;

N1 - N22 = α2 (t1 - t2) S;

α1 S = (N1 - N21) / (t1 - t2);

α2 S = (N1- N22) / (t1 - t2);

Затем вычисляется среднее значение комплекса (αср S):

αср S = (α1 + α2) S / 2.

Величина (αср S) подставляется в уравнение (7) для определения водности:

W = [N1 - αср1п - Тад) S] / LиспV Sул. (7)

Например, при линейном изменении водности в пределах расположения ЧЭ как наиболее частом случае имеем следующие значения КЧЭ: №1 - 0,9Gул, а КЧЭ №2 - 1,1Gул, имеем:

N1 = α (t1 - tад) S + GулLисп = 28,578 Вт;

N21 = α (t2 - tад) S + 0,9GулLисп = 24,666 Вт;

N22 = α (t2 - tад) S + 1,1GулLисп = 26,466 Вт;

Если считать, что W=const, то имеем следующие значения:

N 1 - N 21 = α (t1 - t2) S;

α1 = (N 1- N 21) / (t1 - t2) S = 779,3 Вт/(м2К)

N 1 - N 22 = α2 (t1 - t2) S;

α 2 = (N 1 - N 22) / (t1 - t2) S = 420,7 Вт/(м2К);

αср = (α1 + α2) / 2 = 600 Вт/(м2К).

Или:

α1 S = 779,3·251·10-6 = 0,195604 Вт/К;

α 2 S = 420,7·251·10-6 = 0,105596 Вт/К;

αсрS = (α1 + α2)S / 2 = 0,1506 Вт/К. (8)

Подставляя (8) в уравнение (7), получим исходное значение водности для рабочего ЧЭ, равное 0,3 г/м3.

Таким образом, при наиболее частом случае, когда водность на участке расположения ЧЭ линейно убывает или возрастает, мы будем иметь практически точное определение водности.

Предлагаемый электротермический способ определения водности воздушного потока при его реализации позволяет создать устройство, которое наряду с определением водности воздушного потока может достаточно просто оперативно переходить в режим измерения интенсивности обледенения, что существенно расширяет область его применения.

Электротермический способ определения наличия и величины водности воздушного потока, основанный на использовании разности теплосъемов с двух обогреваемых участков поверхности мерного тела, первый из которых содержит рабочий термочувствительный элемент, а второй содержит компенсирующий термочувствительный элемент, которые помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и имеют разную температуру, которую поддерживают на уровнях, обеспечивающих полное испарение улавливаемых ими капель воды, отличающийся тем, что в мерное тело вводят третий обогреваемый участок, содержащий второй компенсирующий термочувствительный элемент, расположенный относительно рабочего термочувствительного термоэлемента симметрично с первым компенсирующим термочувствительным элементом и имеющий одинаковую с ним температуру, при этом коэффициент конвективной теплоотдачи для рабочего термочувствительного элемента определяют как среднее значение вычисленных коэффициентов конвективной теплоотдачи обоих компенсирующих термочувствительных элементов.



 

Похожие патенты:

Летательный аппарат (1) содержит фюзеляж (2) и устройство обнаружения (10) наличия льда, вызванного отвердеванием переохлажденных жидких капель (20), имеющих размер выше порогового значения.

Способ и устройство для контроля обледенения относится к технике обнаружения обледенения на поверхности летательного аппарата и на воздухозаборниках его двигателей.

Группа изобретений относится к системе и способам для обнаружения льда на самолете. Способ определения близости условий окружающей среды к условиям для образования льда содержит следующие этапы: обеспечение датчика, имеющего воспринимающую поверхность для воздействия на нее окружающей среды, и средства в виде теплового насоса для охлаждения и/или нагревания поверхности, функционирование теплового насоса для охлаждения или нагревания поверхности, отслеживание температуры поверхности, определение температуры, показывающей образование льда, определение температуры окружающей среды, представляющей температуру окружающей среды, воздействию которой подвергается поверхность датчика.

Изобретение относится к средствам регистрации обледенения. Сигнализатор содержит синхронизатор, приемную оптическую систему, фотоприемник, выполненный в виде N линейно расположенных фоточувствительных элементов, где N - целое число больше единицы, блок обработки сигналов, блок пороговых напряжений, блок аварийной сигнализации, модулятор, импульсный генератор, оптический излучатель, передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор, индикатор наличия обледенения, устройство управления противообледенительной системой, блок памяти и регистр сдвига.

Изобретение относится к устройству, позволяющему обнаруживать и удалять слой льда, образуемый на внешней поверхности авиационной конструкции, или наличие жидкости внутри конструкции и/или проникшей в материал конструкции, при этом предлагаемое изобретение, в частности, применимо к авиационным конструкциям сложных форм и во время полета самолета.

Изобретение относится к средствам регистрации обледенения и предназначено для использования на винтокрылых летательных аппаратах. .

Изобретение относится к средствам для определения наличия обледенения и интенсивности обледенения летательных аппаратов. .

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

Изобретение касается способа определения неисправности средств устранения обледенения зонда для измерения физического параметра авиационного двигателя, включающего последовательные этапы, на которых: измеряют первое значение (Т1) физического параметра с помощью зонда, перед запуском двигателя; активируют средства устранения обледенения зонда; по истечении заданного промежутка времени (t2-t1) с начала устранения обледенения, измеряют второе значение (Т2) параметра с помощью зонда; сравнивают два значения и генерируют сигнал о неисправности, если разность между этими двумя значениями ниже заданного порога. Измеренным с помощью зонда параметром является температура или давление. Целью изобретения является простое, эффективное и экономичное решение. 3 з.п ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения зон возможного обледенения воздушных судов в режиме реального времени. Согласно заявленному способу проводится регистрация фактических значений вертикального профиля температуры приземного слоя атмосферы n раз при помощи наземного температурного профилемера, который устанавливают в заданном районе наблюдения, а по данным наземных наблюдений определяют приземное значение относительной влажности воздуха, приземное значение температуры точки росы и значение высоты нижней кромки облачности. Затем осуществляют математическую обработку метеорологических данных, используя для расчетов формулу Годске или метод, который предложен в NCEP. Способ может быть использован в первую очередь на аэродромах, где отсутствует регистрация фактических значений вертикальных профилей температуры и влажности воздуха. Технический результат - повышение достоверности определения обледенения воздушных судов. 3 ил.

Группа изобретений относится к авиационной технике, а именно к устройствам для обнаружения условий обледенения летательных аппаратов. Устройство содержит систему с датчиками и детектор условия обледенения. Система с датчиками выполнена с возможностью отбора капель воды из воздуха снаружи летательного аппарата и формирования определенного количества изображений собранных капель воды. Детектор условия обледенения выполнен с возможностью обнаружения определенного количества типов условий обледенения летательного аппарата с использованием указанного определенного количества изображений, полученных от системы с датчиками. Достигается более точное и подробное получение информации об условиях обледенения летательного аппарата. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.
Наверх