Разработка противообледенительной системы с микропроцессорным управлением

Е.Е. Семочкин

аспирант,

Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

РАЗРАБОТКА ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Аннотация. В статье рассмотрены несколько способов обнаружения обледенения и измерения толщины льда, проведен выбор более оптимального, а также рассмотрена сущность разработка системы обнаружения и контроля обледенения и измерения толщины льда на поверхности летательного аппарата, техническим результатом которой является повышение чувствительности, точности и достоверности информации, а также уменьшение энергопотребления, увеличение надежности и ресурса.

Ключевые слова: сигнализатор обледенения, толщина льда, моноблочное исполнение, сигнальный процессор, ультразвуковой концентратор, вибрационный тип, резонансная частота, вынужденные колебания.

E.E.Semochkin, Nizhni Novgorod State Technical University

DEVELOPMENT OF MICROPROCESSOR MANAGED ANTI-ICING SYSTEM

Abstract. Some ways of detection of icing and measurement of thickness of ice examined in this article. It was choosed more optimum way. And also it was examined the essence of development of the system of detection and control of icing and measurement of thickness of ice on the aircraft surface. Technical result of this development is increase of sensitivity, accuracy and authenticity of information, and also power consumption reduction, increase a reliability and a resource.

Keywords: icing signaling device, ice thickness, monoblock execution, alarm processor, ultrasonic concentrator, vibration kind, resonant frequency, compelled fluctuations.

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

В настоящее время имеется большое количество сигнализаторов различных принципов, которые можно разделить на следующие типы: механические (вибрационные), пневматические, электротермические, электрокондуктивные, конденсаторные, радиоизотопные, электростатические, оптические, дистанционные, ультразвуковые.

Механические (вибрационные) сигнализаторы. Принцип действия этих сигнализаторов основан на взаимодействии льда с чувствительным элементом, который может совершать вращательное, колебательное, возвратно-поступательное или какое-либо другое движение. Преимуществом их является то, что сигналы обледенения выдаются только в том случае, когда обледенение действительно существует. Механические сигнализаторы не реагируют на дождь, снег, кристаллы льда, изменение скорости, высоты и наружной температуры.

Пневматические сигнализаторы. Принцип действия этих сигнализаторов основан на сравнении двух динамических давлений или сравнении динамического и статического давлений, подаваемых на дифференциальный манометр.

Электротермические сигнализаторы реагируют на изменение теплообмена чувствительных элементов с внешней средой при попадании ЛА в условия, способствующие обледенению.

Электрокондуктивные сигнализаторы используют измерение электропроводность пленки воды на датчике или изменение электропроводности пористого слоя на датчике при наличии льда.

Конденсаторные сигнализаторы основаны на использовании зависимости величины диэлектрической постоянной льда от частоты вибрации датчика (диэлектрическая постоянная воздуха и воды зависит от частоты в меньшей степени). Сигнализаторы данного типа могут измерять абсолютную или относительную влажность, и выдавать сигнал при образовании льда на датчике.

Радиоизотопные сигнализаторы основаны на эффекте поглощения слоем льда р - излучения радиоактивного источника. При появлении льда поток р - частиц поглощается, счетчик излучения (Гейгера) регистрирует уменьшение потока и выдает сигнал на усилитель, который включает ПОС.

Принцип действия электростатических сигнализаторов основан на регистрации изменения электростатического поля при образовании льда на датчике.

Оптические сигнализаторы определяют изменение интенсивности прямого и отраженного луча при наличии льда на датчике. С помощью фотоэлемента и усилителя данная информация преобразуется в сигнал об обледенении.

Принцип действия дистанционных сигнализаторов основан на отражении луча локатора от облаков и оценке мощности отраженного сигнала, которая изменяется при наличии в воздухе капель воды или

кристаллов льда.

Ультразвуковые сигнализаторы - принцип действия основан на изменении амплитуды и фазы отраженного эхо-сигнала при наличии льда на датчике.

Проведенный анализ существующих датчиков сигнализации обледенения позволяет сделать следующие основные выводы.

Преимуществом механических сигнализаторов является то, что сигнал об обледенении выдается только в том случае, когда обледенение действительно существует, а также то, что они не реагируют на дождь, снег, кристаллы льда, изменение скорости, высоты движения и наружной температуры окружающей среды. Достоинство этих сигнализаторов также в том, что они удовлетворительно работают в условиях клинообразного и рогообразного обледенения.

Механические вибрационные сигнализаторы, принцип работы которых основан на изменении резонансной частоты, малогабаритны, безопасны в эксплуатации, обладают высокой надежностью, вибро- и теплоустойчивостью, что позволяет применять эти сигнализаторы в воздухозаборниках двигателей летательного аппарата.

Механические сигнализаторы скребкового принципа действия вследствие применения перемещающихся деталей имеют несколько худшую надежность.

По имеющейся информации за рубежом совершенствуются конструкции хорошо зарекомендовавших себя механических (вибрационных) сигнализаторов обледенения фирмы Rosemount [1].

Для эффективной работы САУП, необходимы два канала сигнализаторов обледенения с совмещенными функциями измерения толщины льда, а также цифровой блок управления, поэтому функциональная блок - схема предложенного сигнализатора САУП имеет вид, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1 - Функциональная блок-схема САУП

1-2 - сигнализаторы обледенения с совмещенными функциями измерителя толщины и интенсивности обледенения; 3 - блок управления ПОС

Наиболее полно предъявленным требованиям соответствуют СО вибрационного типа, причём, с целью обеспечения преемственности в качестве датчика обледенения наиболее целесообразно использовать чувствительный элемент

Однако данный датчик имеет чувствительность измерения толщины льда - 1мм, тогда как для перспективной САУП необходимо 0,5мм. Кроме того, в данном датчике возможны ложные срабатывания, обусловленные как возможным образованием ледяной перемычки между основанием и вибратором при сбросе накопленного льда, так и естественными загрязнениями, например, при одновременном попадании на вибратор определённого количества масла и пыли.

Повысить чувствительность и достоверность формирования сигнала можно, если учитывать не только частоту резонанса, но и другие параметры механической колебательной системы, а именно приведённые массу, жесткость и механическое сопротивление. Кроме того, нужно компенсировать температурные погрешности чувствительного элемента СО, соответственно необходим датчик температуры.

Из вышеизложенного вытекает основное конструктивное требование, а именно сигнализатор должен быть выполнен в моноблочном исполнении, иначе невозможно выполнить одно из основных требований - взаимозаменяемость сигнализаторов обледенения в составе САУП.

Моноблочное исполнение также позволит:

- существенно снизить трудоёмкость изготовления чувствительных элементов, за счет исключения операции точной подгонки собственной частоты резонанса чувствительного элемента;

- существенно снизить аппаратные затраты, как за счет исключения длинных линий связи, так и

за счет алгоритмического контроля параметров.

Для моноблочного исполнения сигнализатора обледенения необходимо минимизировать аппаратурные затраты, что позволит существенно снизить массогабаритные характеристики.

Л£1

Рисунок 2 - ДТЛ-1

Математическая модель СПО основана на соответствии параметров механического и электрического резонансов. Он базируется на изменении при обледенении массы, жесткости и сопротивления механической колебательной системы и как следствие изменение параметров электрического резонанса, а именно частоты, амплитуды, фазы и добротности резонанса, при этом действительная часть импеданса соответствует амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), а мнимая часть импеданса соответствует фаза-частотной характеристике (ФЧХ).

При возбуждении гармоническим сигналом амплитуда (А) малых вынужденных колебаний механической колебательной системы в любой момент времени (^ описывается дифференциальным уравнением вида:

М^А"+ В^А' + R•А = Ао • бШ

где: М - приведённая масса механической колебательной системы;

В - приведенная жесткость данной системы;

R - её приведённое механическое сопротивление;

Ао - возбуждающая сила (в нашем случае основываясь на соответствия резонансов амплитуда напряжения возбуждения);

ш - круговая частота.

Решением в данном случае также будут гармонические колебания вида:

А = а • + ф),

где ф - фазовый сдвиг.

Для механической колебательной системы добротность резонанса определяется выражением

вида:

Q =

Исходя из сказанного выше, можно заключить, что функция (2) описывает установившиеся вынужденные колебания, которые графически представлены на рисунке 3.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда частота вынужденных колебаний приближается к собственной частоте колебательной системы, называется резонансом. Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы называется резонансной кривой представленной на рисунке 4.

На резонансе в установившемся режиме с малым затуханием частота резонанса с достаточной точностью определяется выражением вида

FR =

а амплитуда резонанса также с достаточной точностью определяется выражением вида

АR = Ао^2п FR

установление колеоании Рисунок 3 - Установление вынужденных колебаний

Рисунок 4 - Резонансная кривая

Амплитуда вынужденных колебаний достигает постоянной величины, определяемой формулой (2.5), не сразу после начала действия вынуждающей силы.

Из выражения (2.5) можно определить

R = Ао/ АR•2п• FR,

а решая систему уравнений (2.3) и (2.4) с учётом (2.6) можно определить

М = Q•R/2п• FR

В = Q•R•2п• FR.

Следовательно, для решения поставленной задачи, а именно определения, приведённых массы и жесткости механической колебательной системы, в нашем случае необходимы следующие исходные данные частота, активное сопротивление и добротность резонанса.

Рисунок 5 - Блок-схема устройства

1 - блок индикации и управления, 2 - сигнализатор обледенения, 2.1 - приемопередатчик, 2.2 - сигнальный процессор, 2.3 - преобразователь импеданса, 2.4 - ключ, 2.5 - датчик температуры, 2.6 - возбуждающий преобразователь, 2.7 - резонатор, 2.8 - нагреватель

Данная задача решается тем, что осуществляется измерение действительной и мнимой части № 12 (28), часть 2 - 2013 73

комплексного сопротивления возбуждающего преобразователя для поиска и захвата частот резонанса. Вычисляется коэффициент нормирования действительной части комплексного сопротивления для нормирования добротности резонанса по сопротивлению. Вычисляется приведенная жесткость резонатора, вычисляется коэффициент нормирования жесткости. В результате нормируется по жесткости частота резонанса, которая сравнивается с эталонной частотой для чистого резонатора.

В устройстве контролирующее обледенения, состоящее из сигнализатора обледенения в корпусе которого установлены датчик температуры и сигнальный процессор, дополнительно введен блок индикации и управления, соединенный соответствующими линиями интерфейса с датчиком температуры и приемопередатчиком сигнализатора обледенения, так же, в сигнализатор обледенения введен преобразователь импеданса, соединенный с возбуждающем преобразователем, а шиной интерфейса подключенный с сигнальным процессором.

Сущность разработки поясняется рисунком 5, на котором представлена блок-схема устройства.

Дополнительный анализ приведенных массы и жесткости механической колебательной системы на резонансе, не только повысит достоверность определение обледенения, но существенно повысит точность измерения толщины осаждённого льда.

Список литературы:

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

2. Теоретические и инженерные основы аэродинамической техники [Электронный ресурс]. - URL: www.kursy.rsuh.ru

3. Аваев Н.А. Основы микроэлектроники: учебное пособие для вузов / Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фрол-кин В.Т. - М.: Радио и связь, 1991.

4. Боэм Б.У. Инженерное проектирование программного обеспечения. - М.: Радио и связь, 1985.

5. Номенклатура высокотехнологичных ИЭТ, рекомендуемых к разработке в РФ и применению в РЭА. Редакция 2005 года. Ассоциация заказчиков и потребителей унифицированных изделий электронной техники «Фонд УНИЭТ». Москва, 2005.

6. Трунов О.К. Обледенение самолетов и средства борьбы с ними. - М.: Машиностроение, 1965.