RU2307050C1 - Device for determining rate of icing and thickness of ice deposit - Google Patents

Abstract

FIELD: aviation industry.

SUBSTANCE: invention relates to devices for measuring rate of icing and thickness of ice deposit on aircraft surfaces. Proposed device contains ice detector including working and compensating sensors and provided with heaters and temperature sensors. First thermostabilizer is connected by first input to temperature sensor of working sensor and by output, to heater of working sensor. Second thermostabilizer is connected by first input to temperature sensor of compensating sensor and by output, to heater of compensating sensor. Power difference discriminator is connected by first input to output of first thermostabilizer and by second input, to output of second thermostabilizer and by its output, to input of first nonlinear element whose output is connected to first indicator and to integrator, output of the latter being connected with second indicator. Moreover, device includes ambient air temperature meter and second nonlinear element. Output of ambient air temperature meter is connected to input of second nonlinear element whose output is connected to second inputs of first and second thermostabilizers.

EFFECT: increased accuracy of revealing rate of icing of aircraft surfaces in air flow, improved reliability of device.

1 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к средствам измерения интенсивности обледенения и толщины отложения льда на поверхностях летательного аппарата (ЛА).The invention relates to aircraft, in particular to means for measuring the intensity of icing and the thickness of the deposition of ice on the surfaces of the aircraft (LA).

Известно устройство для определения наличия и интенсивности обледенения (Тенишев Р.Х., Строганов Б.А. и др. "Противообледенительные системы летательных аппаратов". М.: Машиностроение, 1967, с.219-221), содержащее рабочий и компенсирующий чувствительные элементы (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 U_ΔТ, пропорциональный разности температур, который подается на индикатор.A device is known for determining the presence and intensity of icing (Tenishev R.Kh., Stroganov B.A. et al. "De-icing systems for aircraft", Moscow: Mashinostroenie, 1967, p. 219-221), containing working and compensating sensitive elements (CE) having heaters and temperature sensors located in the frontal and rear side of the cylinder, respectively, whose axis is oriented along the air flow. At a negative air temperature, the heaters of both CEs are supplied with the same electric current, and temperature sensors are included in the bridge circuit in such a way that when the heat removal at the working CE is increased relative to the compensating SE, for example, when droplet moisture enters the working SE and its evaporation, appears on its output the signal U _ΔТ proportional to the temperature difference, which is fed to the indicator.

Однако постоянство мощности разогрева обоих ЧЭ приводит к значительным изменениям температур Т_i чувствительного элемента в "сухом" воздушном потоке в зависимости от изменения режима полета, что видно из выражения для Т_i However, the constancy of the heating power of both SEs leads to significant changes in the temperatures T _{i of the} sensing element in the “dry” air flow depending on the change in the flight regime, as can be seen from the expression for T _i

T_i=N_i/αs+T_в,T _i = N _i / αs + T _in ,

где: N_i - мощность нагревателей ЧЭ, Вт;where: N _i is the power of the CE heaters, W;

α - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м²·градα - convective heat transfer coefficient, W / m ² · deg

s - площадь ЧЭ, м²;s is the area of the SE, m ² ;

Т_в - температура воздуха, град;T _in - air temperature, degrees;

и влиянию изменения режима полета на показание интенсиметра обледенения, определяемое в виде:and the effect of changes in flight mode on the icing intensimeter reading, defined as:

U_ΔT=k_п·(Т_к-Т_р)=k_п·N_исп/αs,U _ΔT = k _p · (T _to -T _p ) = k _p · N _isp / αs,

где:Where:

k_п - коэффициент преобразования, В/град;k _p - conversion coefficient, V / deg;

Т_к и Т_р - температуры компенсирующего и рабочего ЧЭ соответственно, град;T _to and T _p - temperature compensating and working SE, respectively, deg;

N_исп - мощность нагревателя рабочего ЧЭ, расходуемая на испарение капельной влаги, Вт.N _isp - the power of the heater of the operating SE spent on the evaporation of droplet moisture, W.

Реальные изменения зависимых от режима полета значений температуры равны для Т_в от нуля до минус 60°С и коэффициента конвективной теплоотдачи α - более чем в 2 раза.Actual changes in the temperature-dependent values of the temperature are equal for Т _in from zero to minus 60 ° С and the convective heat transfer coefficient α - more than 2 times.

Значительные изменения температуры ЧЭ приводят к снижению надежности, а влияние изменения режима полета на показания известного устройства - к увеличению погрешности определения интенсивности обледенения.Significant changes in the temperature of the SE lead to a decrease in reliability, and the effect of a change in the flight mode on the readings of the known device leads to an increase in the error in determining the icing intensity.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда (заявка РФ 2003132178/28, В64D 15/20, 2003 г.).The closest technical solution to the claimed is a device for determining the intensity of icing and thickness of ice deposition (RF application 2003132178/28, B64D 15/20, 2003).

Устройство содержит датчик обледенения, который включает рабочий и компенсирующий ЧЭ, содержащие нагреватель рабочего ЧЭ и нагреватель компенсирующего ЧЭ, а также термодатчик рабочего ЧЭ и термодатчик компенсирующего ЧЭ. Термодатчик рабочего ЧЭ подключен к входу первого термостабилизатора, выход которого подключен к нагревателю рабочего ЧЭ. Термодатчик компенсирующего ЧЭ подключен к входу второго термостабилизатора, выход которого подключен к нагревателю компенсирующего ЧЭ. Выходы первого и второго термостабилизаторов подключены соответственно к первому и второму входам устройства выделения разности мощностей, выход которого подключен к входу первого нелинейного элемента, выход которого подключен к первому индикатору и входу интегратора, выход которого подключен ко второму индикатору.The device comprises an icing sensor, which includes a working and compensating SE, comprising a heater for operating SE and a heater for compensating SE, as well as a temperature sensor for operating SE and a temperature sensor for compensating SE. The temperature sensor of the working part is connected to the input of the first thermostabilizer, the output of which is connected to the heater of the working part. The temperature sensor of the compensating SE is connected to the input of the second thermostabilizer, the output of which is connected to the heater of the compensating SE. The outputs of the first and second thermostabilizers are connected respectively to the first and second inputs of the power difference extraction device, the output of which is connected to the input of the first nonlinear element, the output of which is connected to the first indicator and the integrator input, the output of which is connected to the second indicator.

При отрицательной температуре наружного воздуха происходит включение термостабилизаторов, в результате чего температура поверхностей ЧЭ стабилизируется на заданных одинаковых значениях в диапазоне от 80 до 100°С. В "сухом" воздушном потоке разность мощностей нагревателей, определяемая блоком выделения разности мощностей, во всем диапазоне изменения режима полета ЛА остается менее величины ΔN_п, называемой порогом срабатывания сигнализатора обледенения. Зона нечувствительности нелинейного элемента равна пороговому значению ΔN_п, и поэтому на его выходе сигнал отсутствует.At a negative outside temperature, thermostabilizers are turned on, as a result of which the temperature of the surfaces of the SE stabilizes at the given identical values in the range from 80 to 100 ° C. In the “dry” air flow, the difference in the power of the heaters, determined by the power difference extraction unit, remains less than ΔN _p , called the icing alarm threshold, in the entire range of the aircraft’s flight mode change. The deadband of the nonlinear element is equal to the threshold value ΔN _p , and therefore, there is no signal at its output.

При попадании датчика обледенения в воздушный поток, содержащий капельную влагу, только рабочий ЧЭ ее улавливает и испаряет. Для поддержания заданной температуры ЧЭ первый термостабилизатор вырабатывает дополнительную мощность нагревателя, в результате чего разность мощностей на входе блока выделения разности мощностей превышает зону нечувствительности нелинейного элемента. Выходной сигнал нелинейного элемента пропорционален мощности нагревателя рабочего ЧЭ, затрачиваемой на испарение улавливаемой рабочим ЧЭ капельной влаги, далее поступает на вход индикатора интенсивности обледенения и вход интегратора, а с него - на второй индикатор, на котором отображается информация о накопленной толщине льда.If the icing sensor enters the air stream containing droplet moisture, only the operating unit captures and evaporates it. To maintain the set temperature of the SE, the first thermostabilizer generates additional heater power, as a result of which the power difference at the input of the power difference allocation unit exceeds the deadband of the nonlinear element. The output signal of the nonlinear element is proportional to the power of the heater operating the SE required for the evaporation of the droplet moisture captured by the operating SE, then it goes to the input of the icing intensity indicator and the integrator input, and from it to the second indicator, which displays information about the accumulated ice thickness.

Так как в этом устройстве температура смачиваемой поверхности ЧЭ поддерживается на постоянном уровне (80-100)°С, то при снижении температуры наружного воздуха (Т_нв) возрастает теплосъем, который приводит к увеличению потребляемой нагревателями ЧЭ мощности, что влечет за собой необходимость выбора более широкой зоны нечувствительности нелинейного элемента, т.е. увеличения порога срабатывания сигнализатора. Учитывая, что вероятность появления обледенения и его интенсивность падают со снижением температуры Т_нв, возрастает вероятность несрабатывания сигнализатора при малых интенсивностях обледенения, характерных при низких значениях температур воздуха в диапазоне минус (30-60)°С.Since in this device the temperature of the wetted surface of the SE is maintained at a constant level (80-100) ° C, then with a decrease in the outdoor temperature (T _nv ) the heat removal increases, which leads to an increase in the power consumed by the heaters of the SE, which entails the need to choose more a wide deadband of a nonlinear element, i.e. increase the alarm threshold. Considering that the probability of icing and its intensity decrease with decreasing temperature T _nv , the likelihood of a malfunction of the detector at low icing intensities, characteristic for low air temperatures in the range of minus (30-60) ° С, increases.

Таким образом, влияние изменения температуры наружного воздуха на порог срабатывания и показания известного устройства приводит к увеличению погрешности определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда во всем диапазоне отрицательных температур, имеющих место при эксплуатации ЛА.Thus, the effect of changes in outdoor temperature on the threshold and the readings of the known device leads to an increase in the error in determining the icing intensity and thickness of ice deposition in the entire range of negative temperatures that occur during operation of the aircraft.

Задачей изобретения является уменьшение влияния изменения температуры наружного воздуха на порог срабатывания и показания устройства.The objective of the invention is to reduce the effect of changes in ambient temperature on the threshold and the readings of the device.

Технический результат - повышение точности определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда на поверхностях ЛА, находящихся в воздушном потоке, а также повышение надежности устройства.The technical result is an increase in the accuracy of determining the intensity of icing and the thickness of the ice on the surfaces of the aircraft in the air stream, as well as improving the reliability of the device.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий ЧЭ, имеющие нагреватели и термодатчики, первый термостабилизатор, первым входом подключенный к термодатчику рабочего ЧЭ, а выходом - к нагревателю рабочего ЧЭ, второй термостабилизатор, первым входом подключенный к термодатчику компенсирующего ЧЭ, а выходом - к нагревателю компенсирующего ЧЭ, устройство выделения разности мощностей, подключенное первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом - к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом - к входу первого нелинейного элемента, выход которого подключен к первому индикатору и интегратору, выход которого соединен со вторым индикатором. Отличительными признаками устройства является то, что в него введены измеритель температуры наружного воздуха и второй нелинейный элемент, причем выход измерителя температуры наружного воздуха подключен к входу второго нелинейного элемента, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго термостабилизаторов.The essence of the invention lies in the fact that in a device for determining the intensity of icing and thickness of ice deposition, containing an icing sensor, including a working and compensating CE, having heaters and temperature sensors, a first temperature stabilizer, the first input connected to the temperature sensor of the working CE, and the output to the heater of the working CE, the second thermal stabilizer, the first input connected to the temperature sensor of the compensating SE, and the output to the heater of the compensating SE, the power difference extraction device connected the first input to the output of the first thermal stabilizer, the second input to the output of the second thermal stabilizer, and its output to the input of the first nonlinear element, the output of which is connected to the first indicator and integrator, the output of which is connected to the second indicator. Distinctive features of the device is that an external air temperature meter and a second non-linear element are introduced into it, and the output of the external air temperature meter is connected to the input of the second non-linear element, the output of which is connected to the second inputs of the first and second temperature stabilizers.

Изобретательский уровень решения состоит в том, что за счет предложенной совокупности признаков одновременно достигнуто как повышение точности устройства, так и облегчение теплового режима работы датчика обледенения, что является новым качеством.The inventive step of the solution is that due to the proposed combination of features, both an increase in the accuracy of the device and an improvement in the thermal mode of operation of the icing sensor are simultaneously achieved, which is a new quality.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a block diagram of a device.

Устройство содержит датчик 1 обледенения, который включает рабочий ЧЭ 2 и компенсирующий ЧЭ 3, нагреватель 4 рабочего ЧЭ 2 и нагреватель 5 компенсирующего ЧЭ 3, а также термодатчик 6 рабочего ЧЭ 2 и термодатчик 7 компенсирующего ЧЭ 3. Термодатчик 6 подключен к первому входу первого термостабилизатора 8, выход которого подключен к нагревателю 4. Термодатчик 7 подключен к первому входу второго термостабилизатора 9, выход которого подключен к нагревателю 5. Выходы первого 8 и второго 9 термостабилизаторов подключены соответственно к первому и второму входам устройства 10 выделения разности мощностей, выход которого подключен к входу первого нелинейного элемента 11. Выход первого нелинейного элемента 11 подключен к первому индикатору 12 и входу интегратора 13, выход которого подключен ко второму индикатору 14.The device comprises an icing sensor 1, which includes a working part 2 and compensating part 3, a heater 4 of working part 2 and a heater 5 of compensating part 3, as well as a temperature sensor 6 of working part 2 and a temperature part 7 of compensating part 3. Thermal part 6 is connected to the first input of the first thermostabilizer 8, the output of which is connected to the heater 4. The temperature sensor 7 is connected to the first input of the second thermal stabilizer 9, the output of which is connected to the heater 5. The outputs of the first 8 and second 9 thermal stabilizers are connected to the first and second, respectively the inputs of the device 10 separation of the power difference, the output of which is connected to the input of the first non-linear element 11. The output of the first non-linear element 11 is connected to the first indicator 12 and the input of the integrator 13, the output of which is connected to the second indicator 14.

Измеритель 15 температуры наружного воздуха своим выходом подключен к входу второго нелинейного элемента 16, выход которого подключен ко вторым входам термостабилизаторов 8 и 9.The meter 15 of the outdoor temperature with its output is connected to the input of the second nonlinear element 16, the output of which is connected to the second inputs of thermostabilizers 8 and 9.

Устройство работает следующим образом. При переходе температуры воздушного потока в область отрицательных значений происходит включение термостабилизаторов 8 и 9, в результате чего температура поверхностей чувствительных элементов 2 и 3 стабилизируется на уровне, определяемом выходным сигналом второго нелинейного элемента 16, с выхода которого сигнал управления подается на вторые входы термостабилизаторов 8 и 9. При этом температура торцевых поверхностей ЧЭ 2 и 3 поддерживается на постоянном уровне в диапазоне (80-100)°С при изменении температуры воздушного потока от 0°С до минус (20-30)°С. При дальнейшем снижении температуры воздушного потока от минус (20-30)°С до минус 60°С выходной сигнал второго нелинейного элемента 16 линейно снижается, что приводит к линейному снижению температуры поверхностей ЧЭ 2 и 3 от (80-100)°С до (20-30)°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 ΔN_п, называемой порогом срабатывания сигнализатора обледенения. Зона нечувствительности первого нелинейного элемента 11 равна пороговому значению ΔN_п, и поэтому на его выходе сигнал отсутствует.The device operates as follows. When the temperature of the air flow falls into the region of negative values, thermostabilizers 8 and 9 are turned on, as a result of which the surface temperature of the sensitive elements 2 and 3 stabilizes at a level determined by the output signal of the second nonlinear element 16, from the output of which the control signal is supplied to the second inputs of thermostabilizers 8 and 9. At the same time, the temperature of the end surfaces of the CE 2 and 3 is maintained at a constant level in the range (80-100) ° С when the temperature of the air flow changes from 0 ° С to minus (20-30) ° С. With a further decrease in the temperature of the air flow from minus (20-30) ° С to minus 60 ° С, the output signal of the second non-linear element 16 decreases linearly, which leads to a linear decrease in the temperature of the surfaces of ChE 2 and 3 from (80-100) ° С to ( 20-30) ° C. In the "dry" air flow, the difference in the power of the heaters 4 and 5, determined by block 10, in the entire range of the flight regime of the aircraft remains less than ΔN _p , called the icing alarm threshold. The deadband of the first non-linear element 11 is equal to the threshold value ΔN _p , and therefore, there is no signal at its output.

При попадании датчика 1 обледенения в воздушный поток, содержащий капельную влагу при отрицательной температуре, только рабочий ЧЭ 2 ее улавливает и испаряет. Для поддержания заданной температуры рабочего ЧЭ 2 термостабилизатор 8 вырабатывает дополнительную мощность нагревателя 4, в результате чего разность мощностей на входе блока 10 превышает зону нечувствительности первого нелинейного элемента 11. Выходной сигнал первого нелинейного элемента 11, пропорциональный мощности нагревателя 4, затрачиваемой на испарение улавливаемой чувствительным элементом 2 капельной влаги, поступает на входы первого индикатора 12 и интегратора 13. Сигнал с интегратора 13 поступает на второй индикатор 14, на котором отображается информация о накопленной толщине льда.If the icing sensor 1 enters the air stream containing droplet moisture at a negative temperature, only the working SE 2 catches it and evaporates it. To maintain the set temperature of the operating SE 2, the thermostabilizer 8 generates additional power of the heater 4, as a result of which the power difference at the input of the block 10 exceeds the dead zone of the first nonlinear element 11. The output signal of the first nonlinear element 11 is proportional to the power of the heater 4 spent on evaporation captured by the sensitive element 2 drip of moisture, is supplied to the inputs of the first indicator 12 and integrator 13. The signal from the integrator 13 is supplied to the second indicator 14, on which tobrazhaetsya information accumulated ice thickness.

Снижение температуры ЧЭ 2 и 3, определяемое вторым нелинейным элементом 17, при изменении температуры воздуха от минус (20-30)°С до минус 60°С сужает диапазон изменения мощностей нагревателей 4 и 5 со стороны более высоких значений при полете в "сухом" воздухе, что дает возможность снижения порогового значения ΔN_п. Это, в свою очередь, снижает вероятность несрабатывания устройства при обледенении малой интенсивности, характерной при низкой температуре окружающего воздуха.The decrease in the temperature of SE 2 and 3, determined by the second nonlinear element 17, when the air temperature changes from minus (20-30) ° С to minus 60 ° С narrows the range of changes in the power of heaters 4 and 5 from the side of higher values when flying in the "dry" air, which makes it possible to reduce the threshold value ΔN _p . This, in turn, reduces the likelihood of failure of the device when icing is of low intensity, typical at low ambient temperatures.

Таким образом, введение в известное устройство измерителя температуры воздушного потока 15 и второго нелинейного элемента 16 позволило снизить порог срабатывания сигнализатора, повысить точность определения интенсивности и толщины льдообразования, а также повысить надежность устройства за счет облегчения теплового режима работы датчика 1 обледенения.Thus, the introduction into the known device of the temperature meter of the air flow 15 and the second non-linear element 16 allowed to lower the threshold of the alarm, to increase the accuracy of determining the intensity and thickness of ice formation, and also to increase the reliability of the device by facilitating the thermal mode of operation of the icing sensor 1.

Claims (1)

Устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, первый термостабилизатор, первым входом подключенный к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом - к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор, первым входом подключенный к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом - к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей, подключенное первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом - к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом - к входу первого нелинейного элемента, выход которого подключен к первому индикатору и к интегратору, выход которого соединен со вторым индикатором, отличающееся тем, что в него введены измеритель температуры наружного воздуха и второй нелинейный элемент, причем выход измерителя температуры наружного воздуха подключен к входу второго нелинейного элемента, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго термостабилизаторов.A device for determining the intensity of icing and thickness of ice deposition, containing an icing sensor, including working and compensating sensitive elements having heaters and temperature sensors, a first temperature stabilizer, connected to the temperature sensor of the working sensitive element by the first input, and an output to the heater of the working sensitive element, the second temperature stabilizer, the first input connected to the temperature sensor of the compensating sensitive element, and the output to the heater of the compensating sensor element, a power difference extraction device connected by the first input to the output of the first thermostabilizer, the second input to the output of the second thermostabilizer, and its output to the input of the first nonlinear element, the output of which is connected to the first indicator and to the integrator, the output of which is connected to the second indicator characterized in that an external air temperature meter and a second non-linear element are introduced into it, and the output of the external air temperature meter is connected to the input of the second non-linear ementa whose output is connected to the second inputs of the first and second thermal stabilizers.