УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ И ИНТЕНСИВНОСТИ ОБЛЕДЕНЕНИЯ
DEVICE TO REVEAL ICING AVAILABILITY AND INTENSITY

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к устройствам для определения наличия обледенения и интенсивности обледенения летательных аппаратов.
1п
2п
1
2
1п
2п
ад
Известно устройство для определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата, которое реализует способ по патенту RU №2005666 С1, 5 B64D 15/20. Устройство содержит датчик обледенения, который включает в себя датчик температуры торможения воздушного потока, а также первый и второй чувствительные элементы (ЧЭ), каждый из которых содержит нагреватель и термодатчик. Нагреватели первого и второго ЧЭ подключены к выходам первого и второго регуляторов мощности соответственно, поддерживающим температуру поверхностей первого и второго ЧЭ на заданных уровнях, например T=(100-120)°С и Т=(2-5)°С. В вычислитель поступает информация о мощности нагрева N и N и температурах поверхностей ЧЭ T и Т, а также температуре торможения воздушного потока Т. Оба участка поверхности с термочувствительными элементами размещены на датчике обледенения в равнозначных условиях обдува воздушным потоком и улавливания облачных капель воды.
Коэффициенты конвективной теплоотдачи на обоих участках поверхности равны. Поскольку в этом случае на обе поверхности попадает одинаковое количество воды, то интенсивное и полное испарение обеспечивают только на первой поверхности за счет подвода к ней достаточного количества тепла. К поверхности, где расположен второй чувствительный элемент, 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.
При этом в известном устройстве значением тепловых потерь на испарение капельной влаги ЧЭ, имеющим температуру (2-5)°С, пренебрегается. При малой интенсивности обледенения, характерной для низких давлений и температуры окружающего воздуха минус (30-60)°С, это приводит к снижению точности определения интенсивности обледенения.
Таким образом, устройство, реализующее известный способ, не позволяет принципиально исключить наличие зоны нечувствительности при определении наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата, что ограничивает достоверность измерения и снижает точностные характеристики устройств при его реализации, требующей при этом использование цифрового вычислителя, которое усложняет устройство.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, приведенное в качестве примера реализации способа определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата по заявке на изобретение №2007121115, приоритет от 2007.06.05, сущность которого заключается в следующем.
1п
2п
1
2
1п
2п
ад
Известное устройство содержит датчик обледенения, который включает в себя датчик температуры торможения воздушного потока, а также первый и второй чувствительные элементы (ЧЭ), каждый из которых содержит нагреватель и термодатчик. Нагреватели первого и второго ЧЭ подключены к выходам первого и второго регуляторов мощности соответственно. Регуляторы мощности нагрева поддерживают температуру поверхностей первого и второго ЧЭ на заданных уровнях, например T=120°С и Т=100°С. В вычислитель поступает информация о мощности нагрева N и N и температурах поверхностей ЧЭ Т и Т, а также температуре торможения воздушного потока Т. Вычислитель известного устройства, используя уравнение
1
2
1п
2п
Sα=(N-N)/(Т-Т),
определяет значение комплексной величины Sα.
Далее, последовательно решая уравнения
1к
1п
ад
N=Sα·(Т-Т),
2к
2п
ад
N=Sα·(T-T),
1к
2к
определяются тепловые потоки N и N, необходимые для компенсации тепловых потерь на конвективную составляющую теплоотдачи, соответственно, первой и второй поверхности ЧЭ датчика обледенения, а по уравнениям
1ни
1
1к
N=N-N,
2ни
2
2к
N=N-N,
ни
1ни
2ни
N=(N+N)/2,
1ни
2ни
- тепловые потоки N и N, необходимые для компенсации тепловых потерь на нагрев и испарение улавливаемой капельной влаги, соответственно, первой и второй поверхности ЧЭ датчика обледенения, Вт.
1ни
2ни
ни
Значения величин N и N однозначно для известного устройства определяют количество воды, испаряемое в единицу времени на каждой из поверхностей ЧЭ датчика обледенения, а значение N при отрицательной температуре воздуха - условную интенсивность обледенения.
1
2
1п
2п
ад
Известное устройство кроме задач измерения параметров N, N, Т, Т и Т производит вычисления, требующие применения сложного вычислительного устройства.
Задачей изобретения является упрощение устройства, реализующего известный способ измерения интенсивности обледенения, а также повышение его надежности.
Технический результат достигается тем, что в устройство для определения наличия и интенсивности обледенения, содержащее индикатор, датчик обледенения, который включает в себя датчик температуры воздушного потока, а также первый и второй чувствительные элементы, каждый из которых включает нагреватель и термодатчик, причем нагреватели первого и второго чувствительных элементов подключены к выходам первого и второго регуляторов мощности соответственно, дополнительно введены блок управления первого регулятора мощности, первый и второй сумматоры, коэффициенты передачи по входам которых определены заданным соотношением, а также усилитель, при этом термодатчик первого чувствительного элемента подключен к входу блока управления и первому входу первого сумматора, второй и третий входы которого подключены к датчику температуры воздуха и термодатчику второго чувствительного элемента соответственно, выход блока управления подключен к входу первого регулятора мощности и первому входу второго сумматора, а выход первого сумматора - к входу усилителя, выход которого подключен к входу индикатора и ко второму входу второго сумматора, подключенного своим выходом к входу второго регулятора мощности.
Значения коэффициентов передач К по входам сумматоров выбираются для первого сумматора - на первом входе
K=ε,
на втором входе
K=(1-ε),
на третьем входе
K=-1,
а для второго сумматора - на первом входе
K=ε,
на втором входе К=1,
где ε - значение коэффициента, установленное меньше единицы. Для выбранного режима работы устройства оптимальным будет значение ε в интервале от 0,5 до 0,8.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, на котором представлена блок-схема устройства.
Устройство содержит датчик 1 обледенения, который включает первый ЧЭ 2 и второй ЧЭ 3, нагреватель 4 и нагреватель 5, термодатчик 6, термодатчик 7, а также датчик 8 температуры торможения воздушного потока. Термодатчик 6 подключен к входу блока 9 управления, соединенного своим выходом с входом регулятора 10 мощности, подключенного к нагревателю 4. Термодатчики 6 и 7, а также датчик 8 температуры торможения подключены соответственно к первому, третьему и второму входам первого сумматора 11, выход которого подключен к входу усилителя 12. Второй сумматор 13 подключен своим первым входом к выходу блока 9 управления, а вторым - к выходу усилителя 12. Выход второго сумматора 13 соединен с входом второго регулятора 14 мощности, подключенного к нагревателю 5. Вход индикатора 15 подключен к выходу усилителя 12.
Устройство работает следующим образом.
1
1
При отрицательной температуре воздушного потока блок 9 управления вырабатывает сигнал, пропорциональный мощности, который при помощи регулятора 10 и нагревателя 4 обеспечивают термостабилизацию поверхности ЧЭ 2 на заданном уровне (100-120)°С. В "сухом" воздушном потоке на регулятор 14 мощности с выхода второго сумматора 13 поступает сигнал, пропорциональный величине εN, где N - мощность нагревателя 4.
ЧЭ 2 и ЧЭ 3 находятся в одинаковых условиях обдува воздушным потоком и имеют равные площади поверхностей, поэтому перегрев ЧЭ 3 относительно температуры воздуха составляет долю, равную ε от перегрева ЧЭ 2.
При этом имеют место равенства
2п
ад
1п
ад
Т-Т=ε(T-Т),
1п
ад
2п
εТ+(1-ε)Т-Т=ΔТ=0,
где
1п
2п
ад
T, Т и Т - показания датчиков 6, 7, 8 соответственно,
ΔT - сигнал на выходе первого сумматора 11.
Таким образом, в "сухом" воздушном потоке сигнал на выходе первого сумматора 11 равен нулю, а значит и сигнал на выходе усилителя 12 отсутствует.
При попадании датчика 1 обледенения в воздушный поток, содержащий переохлажденную капельную влагу, блок 9 управления вырабатывает дополнительный сигнал, пропорциональный мощности нагревателя 4, необходимой для компенсации тепловых потерь на испарение влаги, улавливаемой поверхностью ЧЭ 2.
2п
Так как ЧЭ 2 и ЧЭ 3 улавливают одинаковое количество влаги, и тепловые потери при полном ее испарении одинаковы, а также с учетом того, что на регулятор 14 мощности от блока 9 управления поступает только часть дополнительного сигнала, пропорционального мощности, затрачиваемой на испарение воды, то происходит снижение температуры Т и появление сигналов на выходах первого сумматора 11 и усилителя 12.
При этом на входе второго регулятора 14 мощности сигнал, пропорциональный мощности нагревателя 5, становится равным
2
1
вых
N=εN+N,
где
2
N - мощность нагревателя 5, Вт,
вых
вых
N - сигнал на выходе усилителя 12, (N=kΔT),
k - коэффициент передачи усилителя 12, Вт/град (k>10).
Появление выходного сигнала усилителя 12 является сигналом о наличии условий обледенения, а его величина прямо пропорциональна условной (без учета формы льдообразования) интенсивности обледенения.
Действительно, при наличии капельной влаги и ее полном испарении на обоих ЧЭ справедливы равенства
1
1п
ад
ни
N=αS(T-T)+N,
2
2п
ад
ни
1
вых
N=αS(T-Т)+N=εN+N,
где
2
α - коэффициент конвективной теплоотдачи каждого ЧЭ, Вт/м град;
S - площадь поверхности каждого ЧЭ, м;
ни
N - мощность, затраченная на нагрев и испарение капельной влаги каждым ЧЭ, Вт.
вых
Значение N равно
вых
ни
N=N(1-ε)/(1+αS/k).
Влияние режима полета летательного аппарата при использовании предлагаемого устройства, определяемое вариациями коэффициента α могут быть снижены выбором значения коэффициента k.
2
-4
2
вых
ни
Так при изменении коэффициента α от 600 до 1600 Вт/мград, площади ЧЭ 2, и ЧЭ 3 S·=10 м и k=10 Вт/град значения N изменяются всего от 0,994 до 0,984 величины N(1-ε).
Таким образом, точностные характеристики предлагаемого устройства равны известному устройству при значительном упрощении вычислителя, что позволяет его существенно упростить, снизить габариты и вес, а также повысить надежность. Одновременно при снижении температуры воздушного потока устройство снижает температуру ЧЭ 3.
Изобретательский уровень решения также состоит в том, что за счет предложенной совокупности признаков одновременно достигнуто облегчение теплового режима работы датчика 1 обледенения, что является новым качеством.