СИГНАЛИЗАТОР ОБЛЕДЕНЕНИЯ
ICING INDICATOR

Изобретение относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использовано для дистанционного обнаружения обледенения различных поверхностей.
Известен оптоэлектронный сигнализатор обледенения (патент РФ №2332724 от 05.02.2007 г., опубл. в БИ №24, 2008 г., МПК G08B 19/02), состоящий из: оптического излучателя; передающего и приемного световодов; фотоприемника; блока обработки сигналов; индикатора наличия обледенения; модулятора, который подключен к оптическому излучателю, оптически сопряженному через передающий световод, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя, оптически прозрачный обтекатель фотоприемника с управляемым обогревом, анализатор и приемный световод с фотоприемником, к выходу которого подключен блок обработки сигналов; устройства управления, вход которого соединен с выходом блока обработки сигналов, а выход одновременно с входом индикатора наличия обледенения, управляющим входом оптически прозрачного обтекателя с управляемым подогревом и входом устройства измерения интенсивности обледенения.
Принцип действия этого сигнализатора основан на свойстве льда деполяризовывать проходящее через него поляризованное оптическое излучение. В этом сигнализаторе плоскость поляризации анализатора повернута на 90° относительно плоскости поляризации поляризатора, поэтому в случае отсутствия льда на поверхности оптически прозрачного обтекателя фотоприемника излучение на выход анализатора не проходит и оптический сигнал через приемный световод на вход фотоприемника не поступает. При этом не формируется сигнал на выходе фотоприемника и устройство управления не выдает сигнал на индикатор наличия обледенения.
Однако сигнал на выходе фотоприемника может отсутствовать, например, и в случае неисправности модулятора, оптического излучателя, передающего или приемного световодов, поляризатора, анализатора, подогреваемых обтекателей и фотоприемника. При появлении таких и других подобных неисправностей данный сигнализатор становится неработоспособным, но в нем отсутствуют технические средства, оповещающие о возникновении аварийной ситуации, поэтому надежность сигнализации этого аналога низкая.
В этом сигнализаторе интенсивность обледенения определяется по мощности, которую необходимо затратить на обогрев оптически прозрачного обтекателя фотоприемника для удаления льда с контрольной поверхности, однако такая оценка интенсивности обледенения вследствие инерционности тепловых процессов имеет низкую информативность.
Также известен сигнализатор обледенения (патент РФ №2335434 от 01.03.2007 г., опубл. в БИ №28, 2008 г., МПК B64D 15/22), предназначенный для контроля обледенения лопастей винта вертолета и состоящий из приемной оптической системы, фотоприемника, блока обработки сигналов, импульсного генератора, модулятора, выход которого подключен к управляющему входу импульсного генератора, а вход - к выходу синхронизатора, оптического излучателя, соединенного с выходом импульсного генератора и излучающего через передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя в направлении отражающей поверхности передней кромки лопасти винта вертолета и оптически сопряженный через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор и приемную оптическую систему с фотоприемником, соединенным с входом блока обработки сигналов, к выходу которого подключены входы индикатора наличия обледенения и устройства управления противообледенительной системой.
Принцип действия этого сигнализатора основан на свойстве льда деполяризовывать отраженное от его поверхности поляризованное оптическое излучение. В этом сигнализаторе плоскость поляризации анализатора повернута относительно плоскости поляризации поляризатора на угол, обеспечивающий отсутствие излучения, проходящего через анализатор при отражении от свободной ото льда поверхности. Поэтому в случае отсутствия льда на этой поверхности оптический сигнал через приемную оптическую систему на вход фотоприемника не поступает, и соответственно не формируются сигналы на индикатор наличия обледенения и на устройство управления противообледенительной системой.
Однако сигнал на выходе фотоприемника может отсутствовать, например, и в случае неисправности оптического излучателя, передающей или приемной оптических систем, подогреваемых обтекателей и фотоприемника. При появлении таких и других подобных неисправностей данный сигнализатор становится неработоспособным, но в нем отсутствуют технические средства, оповещающие о возникновении аварийной ситуации, поэтому надежность сигнализации этого аналога низкая.
Кроме того, этот сигнализатор определяет лишь факт начала и окончания обледенения, но не информирует о степени и интенсивности обледенения, поэтому информативность сигнализации аналога низкая.
В качестве прототипа выбран сигнализатор обледенения (Ильин О. Сигнализатор обледенения. - Радио, 2010, №8, с.40, 41), содержащий узел индикации превышения допустимой степени обледенения, подключенный входом к выходу порогового устройства, генератор импульсов, соединенный выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу оптического излучателя, сопряженного оптически через передающий объектив, поляризатор, контрольную поверхность для осаждения льда, анализатор и приемный объектив с фотоприемником, к выходу которого подключен вход усилителя, соединенного выходом с последовательно включенными детектором и интегратором, выход которого подключен к входу порогового устройства.
В этом сигнализаторе поляризатор и анализатор взаимно ориентированы так, что в отсутствии льда на контрольной поверхности на выходе анализатора имеется минимальный уровень оптического излучения, поступающего на вход фотоприемника. При появлении льда на контрольной поверхности происходит деполяризация отраженного оптического излучения, что приводит к возрастанию уровня сигнала на входе фотоприемника и срабатыванию порогового устройства, в результате чего узлом индикации формируется сигнал оповещения о превышении допустимой степени обледенения.
Недостатками прототипа являются низкая информативность и надежность сигнализации вследствие отсутствия в нем технических средств, позволяющих производить оценку степени и интенсивности обледенения, а также оповещающих о наличии аварийной ситуации, произошедшей вследствие выхода из строя элементов сигнализатора.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение информативности и надежности сигнализации.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в сигнализаторе обледенения, содержащем узел индикации превышения допустимой степени обледенения, подключенный входом к выходу первого порогового устройства, генератор импульсов, соединенный выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу оптического излучателя, сопряженного оптически через передающий объектив, поляризатор, контрольную поверхность для осаждения льда, анализатор и приемный объектив с фотоприемником, к выходу которого подключен вход усилителя, соединенного выходом с последовательно включенными детектором и интегратором, предусмотрены следующие отличия: введены сопряженное с формирователем импульсов устройство вращения плоскости поляризации анализатора, имеющее с ним кинематическую связь, устройство измерения коэффициента амплитудной модуляции, узел индикации степени обледенения, второе пороговое устройство, логическое устройство и устройство аварийной сигнализации, при этом выход формирователя импульсов подключен к первому входу логического устройства, второй вход которого соединен с выходом второго порогового устройства, вход которого соединен с выходом интегратора, выход логического устройства подключен к входу устройства аварийной сигнализации, вход устройства измерения коэффициента амплитудной модуляции подключен к выходу усилителя, а выход - к входу узла индикации степени обледенения и входу первого порогового устройства.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается информативность и надежность сигнализации за счет наличия технических средств, позволяющих производить оценку степени и интенсивности обледенения, а также оповещающих о наличии аварийной ситуации, произошедшей вследствие выхода из строя элементов сигнализатора.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже изображены: узел индикации превышения допустимой степени обледенения 1; первое пороговое устройство 2; генератор импульсов 3; усилитель мощности 4; оптический излучатель 5; передающий объектив 6; поляризатор 7; контрольная поверхность для осаждения льда 8; анализатор 9; приемный объектив 10; фотоприемник 11; усилитель 12; детектор 13; интегратор 14; устройство вращения плоскости поляризации анализатора 15; формирователь импульсов 16; устройство измерения коэффициента амплитудной модуляции 17; узел индикации степени обледенения 18; второе пороговое устройство 19; логическое устройство 20; устройство аварийной сигнализации 21.
Вход узла индикации превышения допустимой степени обледенения 1 подключен к выходу первого порогового устройства 2. Выход генератора импульсов 3 соединен с входом усилителя мощности 4, выход которого подключен к входу оптического излучателя 5, сопряженного оптически через передающий объектив 6, поляризатор 7, контрольную поверхность для осаждения льда 8, анализатор 9 и приемный объектив 10 с фотоприемником 11. К выходу фотоприемника 11 подключен вход усилителя 12, соединенного выходом с последовательно включенными детектором 13 и интегратором 14. Устройство вращения плоскости поляризации анализатора 15 сопряжено с формирователем импульсов 16. Выход формирователя импульсов 16 подключен к первому входу логического устройства 20, второй вход которого соединен с выходом второго порогового устройства 19, вход которого соединен с выходом интегратора 14. Выход логического устройства 20 подключен к входу устройства аварийной сигнализации 21. Вход устройства измерения коэффициента амплитудной модуляции 17 подключен к выходу усилителя 12, а выход - к входу узла индикации степени обледенения 18 и входу первого порогового устройства 2.
Устройство вращения плоскости поляризации анализатора 15 имеет кинематическую связь с анализатором 9, благодаря которой анализатор 9 вращается вокруг оси, перпендикулярной его плоскости поляризации. Источником вращательного движения для устройства вращения плоскости поляризации анализатора 15 может служить, например, электродвигатель, входящий в его состав.
Сигнализатор обледенения работает следующим образом.
Электрические импульсы с выхода генератора 3, усиленные по мощности усилителем 4, поступают на вход оптического излучателя 5. Оптические импульсы, пройдя через передающий объектив 6 и поляризатор 7, достигают контрольной поверхности для осаждения льда 8. Отраженный от нее луч проходит через вращающийся анализатор 9. На выходе формирователя импульсов 16 формируются электрические импульсы, период следования которых равен периоду вращения анализатора 9.
Отраженный оптический луч, достигнув фотоприемника 11, преобразуется им в электрический сигнал, который, пройдя через усилитель 12, детектор 13 и интегратор 14, поступает на вход второго порогового устройства 19.
Если на контрольной поверхности для осаждения льда 8 в зоне, на которую падает оптический луч (в рабочее зоне), лед отсутствует, то вследствие поляризованности отраженного луча и вращения анализатора 9 вокруг оси, перпендикулярной его плоскости поляризации, оптический сигнал на выходе анализатора 9, а следовательно, и электрический сигнал на выходе усилителя 12 будут модулированы по амплитуде с коэффициентом амплитудной модуляции, практически равным 100%.
Если вследствие соответствующих условий окружающей среды в рабочей зоне поверхности для осаждения льда 8 начнут появляться участки, покрытые льдом, то отраженный от них луч будет деполяризован, а участки рабочей зоны, на которых лед еще не успел сформироваться, отразят падающий на них луч без изменения степени поляризации. В результате луч на входе вращающегося анализатора 9 станет частично поляризованным, а оптический сигнал на его выходе и электрический сигнал на выходе усилителя 12 будут иметь коэффициент амплитудной модуляции, меньший 100%.
Если рабочая зона контрольной поверхности для осаждения льда 8 целиком покрыта льдом, то отраженный от нее луч будет полностью деполяризован. В результате этого он пройдет через вращающийся анализатор 9 без ослабления, вследствие чего оптический сигнал на выходе анализатора 9 и электрический сигнал на выходе усилителя 12 будут иметь коэффициент амплитудной модуляции, практически равный нулю.
Таким образом, коэффициент амплитудной модуляции выходного сигнала усилителя 12 содержит информацию о степени обледенения рабочей зоны поверхности для осаждения льда 8. Под степенью обледенения понимается величина, равная отношению площади рабочей зоны, покрытой льдом, ко всей ее площади. Площадь рабочей зоны равна площади проекции оптического луча на контрольную поверхность для осаждения льда 8 и определяется параметрами передающего объектива 6.
Устройство измерения коэффициента амплитудной модуляции 17 вырабатывает на своем выходе сигнал, амплитуда которого пропорциональна степени обледенения рабочей зоны поверхности для осаждения льда 8. Этот сигнал поступает на вход узла индикации степени обледенения 18, индикатор которого проградуирован в условных единицах степени обледенения. По скорости изменения степени обледенения рабочей зоны поверхности для осаждения льда 8 можно судить об интенсивности ее обледенения.
Если степень обледенения рабочей зоны поверхности для осаждения льда 8 превысит допустимый уровень, то выходной сигнал устройства измерения коэффициента амплитудной модуляции 17 станет выше порога срабатывания первого порогового устройства 2. В результате этого на выходе первого порогового устройства 2 появится сигнал, приводящий в действие узел индикации превышения допустимой степени обледенения 1.
Логическое устройство 20 анализирует сигналы, поступающие с выхода второго порогового устройства 19 и формирователя импульсов 16.
Если на выходе второго порогового устройства 19 присутствует сигнал высокого логического уровня, а на выходе формирователя импульсов 16 имеются электрические импульсы, период следования которых равен периоду вращения анализатора 9, то логическое устройство 20 квалифицирует состояние сигнализатора как нормальное и не формирует на своем выходе сигнал на включение устройства аварийной сигнализации 21.
Если в силу тех или иных причин произошла аварийная ситуация, например, вышли из строя оптический излучатель 5, передающий объектив 6, поляризатор 7, контрольная поверхность для осаждения льда 8, анализатор 9, приемный объектив 10 или фотоприемник 11, то уровень сигнала на входе усилителя 12 падает, а на выходе второго порогового устройства 19 появляется сигнал низкого логического уровня.
Если анализатор 9 прекратил вращаться вследствие выхода из строя устройства вращения плоскости поляризации анализатора 15, то формирователь импульсов 16 соответственно прекратит формировать на своем выходе электрические импульсы.
При отсутствии на первом входе логического устройства 20 электрических импульсов или при появлении на его втором входе низкого логического уровня логическое устройство 20 формирует на своем выходе сигнал на включение устройства аварийной сигнализации 21.
После естественного или принудительного прекращения обледенения рабочей зоны поверхности для осаждения льда 8, а также устранения аварийной ситуации сигнализатор вновь возвращается в исходное состояние.
Если контрольная поверхность для осаждения льда 8 прозрачна, то вышеописанный сигнализатор обледенения может работать в режиме прямого, а не отраженного луча. Для этого оптический излучатель 5, передающий объектив 6, поляризатор 7 и анализатор 9, приемный объектив 10, фотоприемник 11 размещают соответственно по разные стороны этой поверхности, сориентировав их надлежащим образом.
Применение вышеописанного сигнализатора в различных системах обнаружения и устранения обледенения позволит повысить эффективность их работы за счет более точного определения параметров обледенения и повышения надежности функционирования.