СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК B64D15/20 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к технике обнаружения обледенения на поверхности летательного аппарата или воздухозаборниках их двигателей.

Известен способ контроля обледенения [1], включающий непрерывное возбуждение гармонических колебаний передающего преобразователя, измерение амплитуды выходного сигнала приемного преобразователя с автоподстройкой коэффициента усиления при его приеме, измерение температуры для компенсации температурных погрешностей, формирование выборки измеренных на периоде частоты возбуждения значений выходного сигнала приемного преобразователя, нормирование данных в выборке, контроль уровня помех, вычисление коэффициентов преобразования Фурье, вычисление тангенса угла фазового сдвига выходного сигнала приемного преобразователя относительно сигнала возбуждения, поиск зоны резонанса путем сканирования частоты возбуждения, удержание частоты резонанса путем фазовой автоподстройки частоты возбуждения, сравнение частоты резонанса с эталонной частотой, определение приращение частоты резонанса, допусковый контроль этого приращения, поиск частот резонансов с заданными фазовыми сдвигами, вычисление добротности резонанса, допусковый контроль добротности резонанса для определения типа осаждения, вычисление толщины осажденного льда по приращению частоты резонанса, вычисление интенсивности обледенения, выдачу информации, сброс льда при его критической толщине путем обогрева резонатора датчика, и устройство для контроля обледенения, состоящее из датчика обледенения и блока обработки, содержащего сигнальный процессор, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, усилитель мощности, ключ, приемопередатчик и синтезатор частоты, причем датчик обледенения содержит приемный преобразователь, передающий преобразователь, датчик температуры, резонатор в виде ультразвукового концентратора с встроенным нагревателем.

Недостатками данного способа и устройства являются недостаточно высокие чувствительность, точность и достоверность информации, поскольку определение обледенения и вычисление толщины льда производится по приращениям частоты и добротности резонанса, без учета того, что для механической колебательной системы данные параметры являются функциями нескольких переменных.

Наиболее близким является способ контроля обледенения [2], включающий непрерывное возбуждение гармонических колебаний возбуждающего преобразователя, измерение действительной и мнимой части его комплексного сопротивления, поиск и захват по этим данным частот резонанса путем фазовой автоподстройки частоты возбуждения, вычисление добротности и жесткости резонанса, нормирование действительной части комплексного сопротивления, добротности резонанса, жесткости и частоты резонанса, сравнение частоты резонанса с эталонной частотой, определение приращения частоты резонанса, допусковый контроль этого приращения, вычисление толщины осажденного льда по приращению частоты резонанса, вычисление интенсивности обледенения, выдачу информации и сброс льда при его критической толщине путем обогрева резонатора датчика, и устройство для контроля обледенения, содержащее блок управления и индикации, соединенный соответствующими шинами интерфейса с приемопередатчиком и датчиком температуры сигнализатора обледенения, в корпусе которого установлен сигнальный процессор, соединенный шиной интерфейса с приемопередатчиком и через ключ с входом нагревателя, встроенного в корпус резонатора, к основанию которого механически присоединен возбуждающий преобразователь, и преобразователь импеданса, подключенный к возбуждающему преобразователю, а шиной интерфейса соединенный с сигнальным процессором.

Недостатками данного способа и устройства являются: недостаточно высокая помехоустойчивость, поскольку захват частоты резонанса осуществляется путем фазовой автоподстройки по фазочастотной характеристике, и попадание капель дождя или града на резонатор вызывает его демпфирование и приводит к потере резонанса, кроме того, это ограничивает область применения устройства, поскольку фазочастотная характеристика существует только в зоне резонанса, а это требует при поиске резонанса чистого резонатора, что не всегда можно обеспечить из-за естественных загрязнений, например, в случае дождя, инея, росы или обледенения, недостаточно высокая точность, поскольку отсутствует компенсация температурных погрешностей, кроме того, принудительный сброс льда по его максимальной критической толщине не обеспечивает установку устройства в зоне воздухозаборников двигателей, что также ограничивает его область применения.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости и точности, а также расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля обледенения, включающем непрерывное возбуждение гармонических колебаний возбуждающего преобразователя, измерение действительной части его комплексного сопротивления, нормирование действительной части комплексного сопротивления, поиск по этим данным частоты резонанса, сравнение частоты резонанса с эталонной частотой, определение приращения частоты резонанса, допусковый контроль этого приращения, выдачу информации по кодовой линии связи и сброс льда путем обогрева резонатора датчика, дополнительно осуществляют измерение температуры окружающей среды, компенсацию температурной погрешности частоты резонанса, а при обледенении формируют дискретные сигналы на включение воздушно-тепловой противообледенительной системы и на включение секций электротепловой противообледенительной системы с длительностью пропорциональной измеренной температуры, кроме того, при нормировании действительной части комплексного сопротивления компенсируют наклон его амплитудно-частотной характеристики, задавая при этом порог его минимально допустимого значения, а поиск частоты резонанса производится путем сканирования частоты возбуждения возбуждающего преобразователя, с формированием и обработкой массива данных, причем в начале осуществляют поиск и захват зоны резонанса, в которой затем осуществляется поиск частоты резонанса, при этом сброс льда производится при формировании сигнала об обледенении, а в устройство для контроля обледенения, в корпусе которого установлены датчик температуры и сигнальный процессор, соединенный шиной интерфейса с приемопередатчиком, выход которого является цифровым выходом устройства, кроме того, сигнальный процессор через ключ соединен с входом нагревателя, встроенного в корпус резонатора, к основанию которого механически присоединен возбуждающий преобразователь, подключен к преобразователю импеданса, который шиной интерфейса соединен с сигнальным процессором, дополнительно введены блок интеллектуальных ключей, входы которого подключены шиной к сигнальному процессору, а выходы которого являются выходами дискретных сигналов, кроме того, датчик температуры соединен шиной интерфейса с сигнальным процессором.

Таким образом, введение новых действий и операций, а также новых связей и элементов позволило существенно повысить помехоустойчивость и точность, а также расширить область применения устройства.

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

Устройство для реализации предложенного способа содержит корпус 1, в котором установлены приемопередатчик 2, блок выходных сигналов 3, сигнальный процессор 4, преобразователь 5 импеданса, ключ 6, датчик 7 температуры, возбуждающий преобразователь 8, резонатор 9 и нагреватель 10.

Приемопередатчик 2 и блок выходных сигналов 3 подключены соответствующими шинами интерфейса к сигнальному процессору 4, к которому также шинами соответствующих интерфейсов подключены датчик 7 температуры и преобразователь 5 импеданса, причем преобразователь 5 импеданса соединен с возбуждающим преобразователем 8, механически прикрепленным к основанию резонатора 9, в который встроен нагреватель 10, подключенный через ключ 6 к соответствующим выходам сигнального процессора 4.

Приемопередатчик 2 может быть типа HI-3587, блок выходных сигналов 3 может быть выполнен на интеллектуальных ключах типа BTS 724, сигнальный процессор 4 может быть типа MC56F8036, преобразователь 5 импеданса может быть типа AD5934, ключ 6 может быть типа IR6226, датчик 7 температуры может быть типа DS 18 В20, возбуждающий преобразователь 8 может быть выполнен на пьезокерамических кольцах типа ЦТС - 19, резонатор 9 может быть выполнен в виде ультразвукового концентратора из элинварного сплава, нагреватель 10 может быть выполнен из нихромовой ленты с печатной обмоткой.

Данный способ контроля обледенения основан на свойстве механической колебательной системы в зависимости от присоединенной массы изменять частоту резонанса и базируется на свойстве действительной части комплексного сопротивления возбуждающего преобразователя 8 принимать минимальное значение на резонансе механической колебательной системы.

Предлагаемый способ включает следующую последовательность действий и операций:

- Производят поиск зоны резонанса путем грубого сканировании частоты возбуждения, для этого инициализируют преобразователь 5 импеданса, обеспечивая формирование на его выходе синусоидального сигнала с минимальной частотой f¹=f_min заданного диапазона, с заданным количеством измерений на данной частоте и с заданной амплитудой напряжения возбуждения.

- Осуществляют замер комплексного сопротивления, производя запуск преобразователя 5 импеданса и чтение кода действительной r¹ части результата преобразования.

- Производят нормирование кода действительной r¹ части результата преобразования, вычисляя нормированное значение R¹ по формуле R¹=(1-k) r¹+r_0, где k - крутизна наклона амплитудно-частотной характеристики, определяется в процессе тарировки, обеспечивая тем самым компенсацию наклона амплитудно-частотной характеристики в заданном диапазоне, r₀ - заданный порог минимально допустимого значения определяется максимально допустимым уровнем помехи и постоянной составляющей амплитудно-частотной характеристики.

- Фиксируют значение R¹ и f¹, формируя тем самым первые элементы массива М.

- Производят следующий шаг грубого сканирования, перепрограммируя для этого преобразователь 5 импеданса и обеспечивая формирование на его выходе синусоидального сигнала возбуждения с частотой f²=f¹+∆₁ [Гц], где ∆₁ - заданный шаг грубого сканирования, определяется из условия, что при максимально допустимой добротности резонанса обеспечивается заданное количество замеров.

- Осуществляют замер комплексного сопротивления, производя запуск преобразователя 5 импеданса и чтение кода действительной r² части результата преобразования.

- Производят нормирование кода действительной r² части результата преобразования, вычисляя нормированное значение R² по вышеуказанной формуле и фиксируя значение R² и f², формируя тем самым вторые элементы массива М, и производят следующий шаг грубого сканирования и так далее до выполнения условия fⁱ=f_max, где f_max - максимальная частота заданного диапазона.

- Осуществляют обработку полученного массива М, исключая элементы, удовлетворяющие условию Rⁱ≥0, и производя в оставшихся элементах поиск значения Rⁱ=R_min, где R_min - минимальное значение Rⁱ, и фиксируют соответствующее значение fⁱ=f_r, где f_r - грубое значение частоты резонанса.

- Вычисляют границы зоны резонанса, нижнюю по формуле f_н=f_r-∆₁ [Гц], а верхнюю - по формуле f_в=f_r+∆₁ [Гц].

- В зоне резонанса, начиная с f_н и до f_в, производят точное сканирование с заданным шагом сканирования ∆₂, где ∆₂ определяется заданной точностью определения частоты резонанса, и аналогичным образом формируют массив М.

- Аналогично осуществляют обработку полученного массива М, производя поиск минимального значения Rⁱ и фиксируя соответствующее значение f^I=f_R.

- Вычисляют границы зоны резонанса, нижнюю по формуле f_н=f_R-∆₃ [Гц], а верхнюю - по формуле f_в=f_R+∆₃ [Гц], где ∆₃ определяется минимальной добротностью резонанса и максимальным приращением частоты резонанса при наибольшей интенсивности обледенения за время цикла точного сканирования, и в этой зоне вновь начинают цикл точного сканирования, обеспечивая тем самым захват зоны резонанса.

- Производят измерение tⁱ температуры окружающей среды, осуществляя для этого чтение кода с датчика 7 и соответствующие вычисления.

- Осуществляют компенсацию температурных погрешностей, вычисляя частоту резонанса F_R по формуле F_R=f_R(1+ktⁱ) [Гц], где k - крутизна температурной характеристики частоты резонанса.

- Производят вычисление приращения $${\Delta }_F^i$$ частоты резонанса по формуле $${\Delta }_F^i=F_0-F_R$$ [Гц], где F₀ - частота резонанса чистого резонатора 9 при нормальных условиях.

- Анализируют условие $${\Delta }_F^i\le 0.$$

- Отрицательный результат говорит о том, что датчик чистый и обледенения нет, поскольку осаждение на резонаторе льда может только уменьшить частоту резонанса, в этом случае присваивают F₀=F_R.

- При положительном результате производят допусковый контроль приращения $${\Delta }_F^i$$ по условия $${\Delta }_F^i\ge {\delta }_1$$ , где δ₁ - заданный допуск, определяется уровнем изменения частоты от естественных загрязнений (иней, роса и т.п.).

- Отрицательный результат контроля приращения $${\Delta }_F^i$$ говорит о том, что резонатор 9 чистый и обледенения нет.

- Положительный результат контроля приращения $${\Delta }_F^i$$ говорит об осаждении на резонаторе 9 льда, при этом:

- формируют соответствующие дискретные сигналы об обледенении на включение воздушно-тепловой противообледенительной системы и на включение секций электротепловой противообледенительной системы по заданному закону управления пропорционально температуре окружающей среды;

- включают обогрев резонатора, который контролируют по восстановлению частоты резонанса, что говорит о сбросе льда воздушным потоком, но ограничивают по времени, необходимому для плавления льда без воздушного потока.

Устройство, реализующее данный способ, работает следующим образом.

При включении питания происходит инициализация сигнального процессора 4, то есть начинает выполняться соответствующая программа, которая производит сброс соответствующих регистров, сброс ячеек памяти ОЗУ в нулевые значения, маскирование соответствующих прерываний, программирование портов ввода/вывода и регистров управления и тому подобное.

Затем сигнальный процессор 4 осуществляет собственный тест-контроль и производит тест-контроль блока выходных сигналов 3, инициализацию и тест-контроль приемопередатчика 2, преобразователя 5 импеданса с возбуждающим преобразователем 8 и датчика температуры 7, тест-контроль интеллектуального ключа 6 с нагревателем 10 и начинает обмен, выдавая через приемопередатчик 2 соответствующий массив информации по интерфейсу ARING-429 с результатами тест-контроля.

При положительном результате тест-контроля сигнальный процессор 4 приступает к выполнению программы, реализующей вышеизложенный способ, формируя сигналы через блок 3 выходных сигналов на включение соответствующих противообледенительных систем и выдавая через приемопередатчик 2 массив информации по интерфейсу ARING-429.

Формат массива информации по интерфейсу ARING-429 в соответствии с протоколом информационного обмена с взаимодействующим оборудованием объекта.

Таким образом, введение новых действий и операций, а также новых связей и элементов позволило существенно повысить помехоустойчивость как за счет введения минимально допустимого порога, так и за счет захвата зоны резонанса, при этом демпфирование резонатора 9 из-за крупных капель дождя или града не влияет на работоспособность устройства, повысить точность за счет компенсации температурных погрешностей частоты резонанса, а также расширить область применения устройства как за счет обеспечения работоспособности устройства при естественных загрязнениях, так и за счет минимизации массы сбрасываемого льда, что позволяет осуществлять его установку в воздухозаборниках авиационных двигателей.

Источники информации.

1. Патент РФ на изобретение №2323 131 МПК B64D 15/20, 05.07.2006 (аналог).

2. Патент РФ на изобретение №2 392 195 МПК B64D 15/20, 27.08.2008 (прототип).

Способ и устройство для контроля обледенения относится к технике обнаружения обледенения на поверхности летательного аппарата и на воздухозаборниках его двигателей. Устройство для контроля обледенения содержит датчик температуры и сигнальный процессор. Сигнальный процессор соединен шиной интерфейса с приёмопередатчиком. Выход приёмопередатчика является цифровым выходом устройства. Сигнальный процессор через ключ соединен с входом нагревателя. Нагреватель встроен в корпус резонатора. К основанию резонатора механически присоединен возбуждающий преобразователь, который возбуждает гармонические колебания. Возбуждающий преобразователь подключен к преобразователю импеданса. Преобразователь импеданса шиной интерфейса соединен с сигнальным процессором. К сигнальному процессору подключены входы блока интеллектуальных ключей и датчик температуры. При работе устройства производят измерение и нормирование действительной части комплексного сопротивления возбуждающего преобразователя и поиск частоты резонанса, сравнение с эталонной частотой, вычисление приращения частоты резонанса и допусковый контроль этого приращения. После этого выдают информацию по кодовой линии связи для включения обогрева резонатора датчика, благодаря чему происходит сброс льда. Дополнительно измеряют температуру окружающей среды. Производят компенсацию температурной погрешности частоты резонанса. При обледенении формируют дискретные сигналы на включение воздушно-тепловой противообледенительной системы и сигналы на включение секций электротепловой противообледенительной системы, длительность включения которых пропорциональна измеренной температуре. Повышается помехоустойчивость и точность. Расширяется область действия устройства за счет увеличения работоспособности при естественных загрязнениях и за счет минимизации массы сбрасываемого льда. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля обледенения, включающий непрерывное возбуждение гармонических колебаний возбуждающего преобразователя, измерение действительной части его комплексного сопротивления, нормирование действительной части комплексного сопротивления, поиск по этим данным частоты резонанса, сравнение частоты резонанса с эталонной частотой, определение приращения частоты резонанса, допусковый контроль этого приращения, выдачу информации по кодовой линии связи и сброс льда путем обогрева резонатора датчика, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют измерение температуры окружающей среды, компенсацию температурной погрешности частоты резонанса, а при обледенении формируют дискретные сигналы на включение воздушно-тепловой противообледенительной системы и сигналы на включение секций электротепловой противообледенительной системы с длительностью пропорциональной измеренной температуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нормировании действительной части комплексного сопротивления компенсируют наклон его амплитудно-частотной характеристики, задавая при этом порог его минимально допустимого значения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поиск частоты резонанса производится путем сканирования частоты возбуждения возбуждающего преобразователя, с формированием и обработкой массива данных, причем вначале осуществляют поиск и захват зоны резонанса, в которой затем осуществляется поиск частоты резонанса.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сброс льда производится при формировании сигнала об обледенении.

5. Устройство для контроля обледенения, в корпусе которого установлены датчик температуры и сигнальный процессор, соединенный шиной интерфейса с приемопередатчиком, выход которого является цифровым выходом устройства, кроме того, сигнальный процессор через ключ соединен с входом нагревателя, встроенного в корпус резонатора, к основанию которого механически присоединен возбуждающий преобразователь, подключенный к преобразователю импеданса, который шиной интерфейса соединен с сигнальным процессором, отличающееся тем, что дополнительно введены блок интеллектуальных ключей, входы которого подключены шиной к сигнальному процессору, а выходы которого являются выходами дискретных сигналов, кроме того, датчик температуры соединен шиной интерфейса с сигнальным процессором.