устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда

Формула изобретения

Устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, а также первый индикатор, отличающееся тем, что в него введены первый и второй термостабилизаторы, устройство выделения разности мощностей, нелинейный элемент, интегратор и второй индикатор, причем первый термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей подключено своим первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом к входу нелинейного элемента, выход которого подключен к входам первого индикатора и интегратора, к выходу которого подключен второй индикатор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к средствам измерения интенсивности обледенения и толщины отложения льда на поверхностях летательного аппарата.

Известно устройство для определения интенсивности обледенения (заявка РФ 2000116044/28, 2000 г., B 64 D 15/20), содержащее чувствительный элемент (далее по тексту ЧЭ), включающее нагреватель, используемый также в качестве датчика температуры, термостабилизатор и индикатор. Сигнал, пропорциональный мощности нагревателя, необходимой для поддержания заданной температуры ЧЭ, подается на индикатор интенсивности обледенения. Устройство не позволяет компенсировать величину теплопотерь в "сухом воздухе" (при отсутствии капельной влаги) в широком диапазоне изменения режимов полета летательного аппарата, что ограничивает область его применения. Так при площади ЧЭ, равной 1 см² , в зависимости от реальных для летательных аппаратов диапазонов изменения температуры, давления и скорости воздушного потока изменение мощности для поддержания заданной температуры 100° С в "сухом воздухе" составит от 4 до 25 Вт.

При этом мощность нагревателя, потребная для испарения полностью уловленной ЧЭ капельной влаги в условиях обледенения при его интенсивности 1 мм/мин, равна всего 3,3 Вт. Поэтому известное устройство, имея значительный "уход нуля", не обеспечивает приемлемую точность определения интенсивности обледенения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для определения наличия и интенсивности обледенения (Tенишев Р.Х., Строганов Б.А. и др. Противообледенительные системы летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1967, с.219-221), содержащее рабочий и компенсирующий ЧЭ, имеющие нагреватели и термодатчики, расположенные в лобовой и тыльной стороне цилиндра соответственно, ось которого сориентирована по потоку воздуха. При отрицательной температуре воздуха на нагреватели обоих ЧЭ подается одинаковый электрический ток, а термодатчики включены в мостовую схему таким образом, что при увеличении теплосъема на рабочем ЧЭ относительно компенсирующего ЧЭ, например, при попадании капельной влаги на рабочий ЧЭ и ее испарении на ее выходе появляется сигнал, пропорциональный разности температур U _T, который подается на индикатор.

Однако постоянство мощности разогрева обоих ЧЭ приводит к значительным изменениям температур Т_i ЧЭ в "сухом" воздушном потоке в зависимости от изменения режима полета, что видно из выражения для Т_i

Т_i=N_i/ s+Т_B,

где N_i - мощность нагревателей ЧЭ, Вт;

- коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м²· град;

s - площадь ЧЭ, м²;

Т_B - температура воздуха, град;

и влиянию изменения режима полета на показание интенсиметра обледенения, определяемое в виде

U _T=k_п· (Т_к-Т _р)=k_п· N_исп/ s,

где k_п - коэффициент преобразования, В/град;

Т_к и Т_р - температуры компенсирующего и рабочего ЧЭ соответственно, град;

N_исп - мощность нагревателя рабочего ЧЭ, расходуемая на испарение капельной влаги, Вт.

Реальные изменения зависимых от режима полета значения температуры равны для Т_B от нуля до минус 60° С и коэффициента конвективной теплоотдачи более чем в 2 раза.

Значительные изменения температуры ЧЭ приводит к снижению надежности, а влияние изменения режима полета на показания известного устройства к увеличению погрешности определения интенсивности обледенения.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения интенсивности обледенения поверхностей, находящихся в воздушном потоке, а также повышение надежности устройства.

Решение задачи достигается тем, что в устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, а также первый индикатор, отличающееся тем, что в него введены первый и второй термостабилизаторы, устройство выделения разности мощностей, нелинейный элемент, интегратор и второй индикатор, причем первый термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей подключено своим первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом к входу нелинейного элемента, выход которого подключен ко входам первого индикатора и интегратора, к выходу которого подключен второй индикатор.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит датчик обледенения 1, который включает рабочий 2 и компенсирующий 3 ЧЭ, содержащие нагреватель рабочего 4 ЧЭ и нагреватель компенсирующего 5 ЧЭ, а также термодатчик рабочего 6 и термодатчик компенсирующего 7 ЧЭ. Термодатчик 6 подключен к входу первого термостабилизатора 8, выход которого подключен к нагревателю 4. Термодатчик 7 подключен к входу второго термостабилизатора 9, выход которого подключен к нагревателю 5. Выходы первого 8 и второго 9 термостабилизаторов подключены к первому и второму входам устройства выделения разности мощностей 10, выход которого подключен к входу нелинейного элемента 11, выход которого подключен к первому индикатору 12 и входу интегратора 13, выход которого подключен к второму индикатору 14.

Устройство работает следующим образом.

При переходе температуры воздушного потока в область отрицательных значений происходит включение термостабилизаторов 8 и 9, в результате чего температура поверхностей ЧЭ 1 и 2 стабилизируется на заданных одинаковых значениях в диапазоне (80-100)° С. В "сухом" воздушном потоке разность мощностей нагревателей 4 и 5, определяемая блоком 10, во всем диапазоне изменения режима полета летательного аппарата остается менее величины N_п, называемой порогом срабатывания сигнализатора обледенения. Зона нечувствительности нелинейного элемента 11 равна пороговому значению N_п, и поэтому на его выходе сигнал отсутствует.

При попадании датчика обледенения 1 в воздушный поток, содержащий капельную влагу, только рабочий ЧЭ 2 ее улавливает и испаряет. Для поддержания заданной температуры ЧЭ 2 термостабилизатор 8 вырабатывает дополнительную мощность нагревателя 4, в результате чего разность мощностей на входе блока 10 превышает зону нечувствительности нелинейного элемента 11. Выходной сигнал N блока 11 пропорционален мощности N_исп нагревателя 4, затрачиваемой на испарение улавливаемой ЧЭ 2 капельной влаги, далее поступает на вход интегратора 13, а с него - на второй индикатор 14, на котором отображается информация о накопленной толщине льда.

Сигнал N может быть определен в виде

N=N_исп· [1+s· · (R+1/k- · R)- ]^-1,

где R - тепловое сопротивление участка ЧЭ 2 между датчиком температуры 6 и поверхностью ЧЭ 2, улавливающей капельную влагу, град/Вт;

k - коэффициент усиления контура термостабилизатора 8, Вт/град;

- коэффициент тепловых потерь ЧЭ 2, определяющий долю теплового потока от нагревателя 4, не проходящего через площадь s.

Влияние изменения режима полета, определяемое коэффициентом , при реальных значениях параметров устройства, например s=1,33· 10^-4 м², k=3,5 Вт/град, =0,1, R=0,35 град/Вт, на восприятие устройством мощности N _исп, определяющей фактически интенсивность обледенения, не существенно. Так при изменении коэффициента от 800 до 1600 Вт/м²· град фиксированный устройством сигнал N изменяется в пределах

(1,0295-0,973)· N_исп .

Стабилизация температуры ЧЭ исключает их перегрев, что повышает надежность датчика обледенения, а также экономичность устройства.

Значительное снижение влияния изменения коэффициента конвективной теплоотдачи на показание устройства повышает точность измерения интенсивности обледенения, что позволяет определять толщину отложения льда, расширить применимость устройства для различных видов противообледенительных систем и летательных аппаратов, а также расширить область его применения, например, для защиты компрессоров газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов.