СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ РЕГУЛЯТОРОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕПЛОВЫХ ГЕРМОЗОНАХ САМОЛЕТА

Предложение касается полезной модели, как объекта промышленной собственности, и относится к оборудованию стендовых испытаний систем кондиционирования воздуха самолетов как транспортных, так и самолетов специального назначения.
Для имитации динамического режима изменения температуры воздуха в тепловой зоне самолета необходимо имитировать кратность воздухообмена равного относительному значению объема тепловой зоны и весового количества воздуха, поступающего в зону в единицу времени. Помимо этого на динамические характеристики тепловой гермозоны влияют теплоаккумулирующие свойства оборудования, находящегося в тепловой гермозоне самолета.
При этом надо учитывать тепловой режим работы тепловой гермозоны либо на обогрев, либо на охлаждение.
Известен стенд для испытания регуляторов температуры в тепловых гермозонах самолета по а.с. №337769, который используют для имитации динамических зон, выполненный конструктивно в виде теплоизолированного объема, где расположен датчик температуры регулятора. Для чего в указанной камере используется теплоизоляция аналогичная теплоизоляции на испытуемом самолете, что выполнить труднодоступно. Для имитации теплопритоков в гермокабину используется специальная схема подогрева воздуха, обдувающая испытуемую камеру. А это значит, что при испытаниях может быть имитирован только один режим эксплуатации самолета, т.е. режим охлаждения гермокабины, т.к. внешние воздействующие факторы имитируются только повышением температуры во внешней среде. Другим недостатком указанного устройства является то, что при стендовых испытаниях объем гермозоны берется значительно меньшим, чем реальный по условиям компоновки стенда. При уменьшении действительного объема необходимо учитывать изменения теплоаккумулирующих характеристик реального объема, что практически мало осуществимо.
Одним из существенных недостатков является громоздкость, описанного прототипа имитатора.
В прототипе по а.с. №457368 предложен имитатор температуры в тепловой гермозоне летательного аппарата, обеспечивающий учет теплопоступлений в тепловую гермозону, исключающий влияние теплопоступлений от внешней обшивки самолета, что является существенным недостатком указанной модели.
Другим недостатком указанной модели является то, что динамические характеристики могут имитироваться только для одной тепловой гермозоны.
Выше перечисленное является основными недостатками известных решений. В том числе указанные решения не позволяют использовать имитатор для проведения испытаний одновременно нескольких тепловых гермозон, что существенно для испытаний систем кондиционирования
транспортных самолетов, имеющих до четырех тепловых зон - кабина экипажа, vip-салон, 1 и 2 салоны бизнес-класса.
Целью настоящего предложения (ожидаемым техническим результатом) является возможность более точной имитации теплового процесса, происходящего в тепловой гермозоне самолета, обеспечение возможности одновременного имитирования теплового процесса в неограниченном количестве тепловых гермозон с учетом как конструктивно-тепловых характеристик теплозон, так и с учетом влияния процесса: охлаждение - обогрев последних.
Поставленная цель достигается тем, что в магистрали смешения потоков перед подачей в тепловую зону дополнительно установлен датчик температуры. Подключенный через аналогово-цифровой преобразователь ко входу цифровой динамической модели тепловой гермозоны, дополнительно имеющей три входа, позволяющие вводить в динамическую модель расчетные параметры тепловой гермозоны по кратности воздухообмена в ней, кратности распределения поступающей теплоты к воздуху и оборудованию, находящемуся в тепловой гермозоне, и коэффициент, характеризующий теплопоступления в гермозону, а выход динамической модели через цифро-аналоговый преобразователь подключен к устройству «n» - разрядной коммутации в виде набора релейных элементов с переключающимися контактами, при этом к нормально - открытой части контактов подключены резисторы с омическими сопротивлениями, увеличивающимися в два раза по отношению к предыдущему резистору, а нормально - закрытые части контактов реле образуют короткозамкнутую цепь, подключенную через дополнительный резистор к входу испытуемого регулятора температуры вместо датчика температуры.
В результате анализа технической и патентной литературы в данной области техники не обнаружено технических решений, которые обладали бы признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа [2]. Следовательно, заявленный объект отвечает требованию «новизна». Заявленная полезная модель является «промышленно приемлемой», что подтверждается нижеследующим описанием со ссылками на чертежи.
На чертеже 1 представлена блок-схема выполнения стенда для испытаний регуляторов температуры в тепловых зонах самолета, на чертеже 2 показана структура имитатора датчика температуры, на схеме 1 показана структурная схема тепловой зоны как объекта регулирования температуры, на графике 1 показаны возможные тепловые процессы, происходящие в тепловой гермозоне во времени.
Задача имитации теплового режима в тепловой зоне возникает при испытаниях регуляторов температуры в тепловой зоне или при общих испытаниях системы кондиционирования на наземном стенде. Создать реальный динамический режим изменения температуры в стендовых условиях, как было описано ранее, не удается, т.к. не удается воспроизвести физически объект регулирования. Поэтому ставится задача математически имитировать датчик температуры с учетом влияния на него динамического процесса, протекающего в тепловой регулируемой зоне. Известно, что датчики температуры представляют собой изделие, характеристикой которого является омическое сопротивление, поэтому имитацию датчика температуры возможно проводить набором n-ого количества резисторов, переключаемых внешним коммутатором по наперед выбранному закону.
Выбор необходимого закона подбора резисторов приводится ниже.
Передаточная функция тепловой зоны, как объекта регулирования по температуре воздуха имеет вид: согласно схеме 1, на которой видно, что тепловая зона это апериодическое динамическое звено, охваченное постоянным коэффициентом β, характеризующим ее теплоаккумулирующие свойства.
При β=0 выполняется обычный апериодический процесс 1, показанный на графике 1, когда вся теплота, поступающая в тепловую зону, расходуется на повышение (понижение) температуры воздуха в зоне.
ТЗ
ТЗ
П
ТЗ
Общее количество теплоты, поступающее в тепловую зону объемом V, составит величину , где G - расход воздуха (const). Так как вся теплота используется для нагрева (охлаждения) воздуха в тепловой зоне, то будет верно равенство t=t.
Н
При β≠0 процесс изменения количества теплоты, идущей на нагрев (охлаждение) воздуха в тепловой зоне, пойдет по асимптоте 2 на графике 1, а количество теплоты, идущей на нагревание (охлаждение) воздуха составит величину . Разность  - это теплота, затрачиваемая на разогрев (охлаждение) пассивного оборудования. Температура воздуха в тепловой зоне будет равна . Воздух может получать дополнительную тепловую энергию Q за счет работы и тепловыделения различной аппаратуры и тепловыделений от пассажиров. Уравнение теплового баланса в тепловой зоне будет:
П
ТЗ
H
Q-Q±Q=0,
ТЗ
где Q - тепло, поступающее к воздуху тепловой зоны;
П
Q - тепло, поступающее к пассивному оборудованию.
Динамическая зависимость температуры в тепловой зоне в функции температуры подачи и влияния тепловой нагрузки имеет вид:
где:  [1/мин], коэффициент, характеризующий кратность воздухообмена в тепловой зоне;
[1/мин], коэффициент, характеризующий теплоаккумулирующие свойства тепловой зоны;
[град/мин], коэффициент, характеризующий теплопоступления в тепловую зону от посторонних источников и системы кондиционирования.
Таким образом, задача имитации динамического режима изменения температуры в тепловой зоне сводится к определению коэффициента
самовыравнивания , где величина  определяется расчетным путем при статическом расчете тепловой гермозоны, для чего определяется температура подачи воздуха в тепловую зону и величина температуры в самой тепловой зоне и по их соотношению определяется коэффициент самовыравнивания.
Исходя из значений объема тепловой зоны и расхода воздуха, поступающего в тепловую зону, определяется кратность воздухообмена в тепловой зоне.
1
2
3
По полученным данным вычисляются коэффициенты с и с. Расчетные теплопоступления в тепловую зону определяют величину коэффициента с.
тз
датч
тз
После подстановки результатов вычисления коэффициентов производится интегрирование выражения для определения t. После чего производится подбор соединения резисторов для получения зависимости R=f(t).
В некоторых случаях возможность стендового оборудования не позволяет обеспечить расход, который имеется в испытуемой системе кондиционирования воздуха. В этом случае выполняется пересчет расхода под возможности стенда, при этом пропорциональному пересчету подвергается величина объема тепловой зоны для обеспечения неизменной кратности воздухообмена в тепловой зоне реального объекта регулирования и теплопритоков.
Из приведенных характеристик тепловой гермозоны следует, что зная величину температуры воздуха, поступающего в тепловую гермозону, используя дополнительные данные по объему гермозоны, расходу воздуха, поступающего в гермозону и количеству дополнительной теплоты, значения которых могут быть введены как корректирующие величины в математическую модель, реализующую выше приведенное дифференциальное уравнение, можно получить значение температуры в тепловой гермозоне.
тз
датч
Результатом работы математической модели является получение зависимости t=f(R), тем самым может быть получена комбинация набора
резисторов, имитирующая омическое сопротивление реального датчика температуры в зоне.
Работа стенда для испытаний регуляторов температуры в тепловых гермозонах самолета происходит следующим образом.
В магистрали 1 системы кондиционирования, сообщающейся с тепловой гермозоной, устанавливается датчик температуры 2, на который воздействует температура воздуха смеси горячего и холодного потоков. Смешивание этих потоков осуществляется исполнительным органом 3 (заслонкой, смесителем и др.) системы кондиционирования, который, в свою очередь, является и звеном в системе регулирования температуры в тепловой гермозоне.
Величина температуры смеси на выходе системы кондиционирования, выраженная в виде омического сопротивления датчика температуры, поступает на вход 4 динамической модели 5 тепловой гермозоны, через АЦП 6. При этом предварительно через три дополнительных входа цифровых корректоров 7, 8, 9 в динамическую модель 5 вводятся расчетные параметры тепловой гермозоны по кратности воздухообмена в гермозоне через корректор 7, кратность распределения поступающей теплоты к воздуху и оборудованию через корректор 8 и величину дополнительных (без учета теплоемкости воздуха) теплопоступлений в тепловую гермозону через корректор 9. По результатам работы (вычислений) динамической модели 5 на выход динамической модели 10 поступает сигнал в виде n - разрядного кода, который через ЦАП 11 поступает на устройство n - разрядной коммутации 12, содержащей набор релейных элементов 13 с переключающимися контактами 14. Релейные элементы 13 имеют возможность подключать при помощи контактов 14 в разной последовательности (в зависимости от выходного сигнала динамической модели 5) резисторы 15, образуя тем самым цепь с омическим сопротивлением, равным сопротивлению отсутствующего в схеме датчика температуры 16 тепловой гермозоны, при температуре воздуха, омывающего датчик 16 пропорционально выходному сигналу математической модели 5.
Набор резисторов подключается ко входу блока управления 17 регулятора температуры в тепловой зоне, противофазно с задатчиком температуры 18. Выход блока управления соединен с электроприводом исполнительного органа 3 регулятора, тем самым образуется замкнутая цепь системы регулирования.
Для уменьшения общего количества резисторов, они подбираются таким образом, чтобы каждый последующий имел омическое сопротивление в два раза больше, чем предыдущий резистор.
Датчик температуры может иметь омическую зависимость от температуры ниже, чем диапазон рабочих температур. Поэтому последовательно с переменным набором резисторов, имитирующих текущую температуру, подключен дополнительный резистор 19, с постоянным омическим сопротивлением пропорциональным температуре нижней точки рабочего диапазона измеряемых температур.
Динамическая модель 5 тепловой гермозоны представляет собой программу для цифрового вычислителя, следовательно, не имеет габаритных размеров, как это имеет место в прототипе. Поэтому в цифровом вычислителе может одновременно обрабатываться определенное множество программ для разных тепловых гермозон, имеющих свои коммутаторы 12, что позволяет имитировать тепловые процессы в этих зонах. Следовательно, испытуемая система кондиционирования воздуха, работающая на самолете на несколько тепловых гермозон, может быть исследована на предлагаемом стенде в полном объеме. Это является основным преимуществом предлагаемого решения по отношению к известному прототипу.