СИГНАЛИЗАТОР ОБЛЕДЕНЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G08B19/00 

Изобретение относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использовано для дистанционного обнаружения обледенения элементов конструкции различных объектов, например летательных аппаратов.

Известно устройство для определения наличия обледенения (авторское свидетельство SU №1837342 от 21.02.89, опубл. в Бюл. №32, 1993, МПК G08B 19/02), содержащее установленные в светозащитном корпусе источник света и поляризатор, контрольную поверхность, за которой установлен первый фотодатчик, находящийся перед размещенными во втором светозащитном корпусе анализатором и установленным за ним вторым фотодатчиком, схему измерения и сравнения тока фотодатчиков, включающую в себя первый и второй резисторы, первый, второй и третий микроамперметры, первый и второй источники стабилизированного напряжения.

Это устройство формирует поляризованный световой поток, который проходит через оптически прозрачную контрольную поверхность, достигает первого фотодатчика и, пройдя через анализатор, достигает второго фотодатчика. При наличии льда на контрольной поверхности степень поляризации светового потока, прошедшего через лед, уменьшается, вследствие чего интенсивность светового потока за анализатором возрастает. По соотношению величин токов, протекающих в цепи первого и второго фотодатчиков, определяют наличие обледенения.

Недостатками первого аналога являются низкая помехозащищенность, нестабильность схемы измерения и сравнения тока фотодатчиков, нуждающейся в балансировке, отсутствие технических средств, автоматически формирующих сигнал оповещения о наличии обледенения, что в совокупности снижает надежность сигнализации.

Известен оптоэлектронный сигнализатор обледенения (патент РФ №2332724 от 05.02.2007, опубл. в Бюл. №24, 2008, МПК G08B 19/02), содержащий оптический излучатель, передающий и приемный световоды, фотоприемник, блок обработки сигналов и индикатор наличия обледенения, модулятор, подключенный к оптическому излучателю, оптически сопряженному через передающий световод, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя, оптически прозрачный обтекатель фотоприемника с управляемым обогревом, анализатор и приемный световод с фотоприемником, к выходу которого подключен блок обработки сигналов, устройство управления, вход которого соединен с выходом блока обработки сигналов, а выход одновременно с входом индикатора наличия обледенения, управляющим входом оптически прозрачного обтекателя фотоприемника с управляемым подогревом и входом устройства измерения интенсивности обледенения.

В этом сигнализаторе обледенения плоскость поляризации анализатора повернута на 90° относительно плоскости поляризации поляризатора, поэтому в случае отсутствия льда на поверхности оптически прозрачного обтекателя фотоприемника излучение на выход анализатора не проходит и оптический сигнал через приемный световод на вход фотоприемника не поступает, при этом не формируется сигнал на выходе фотоприемника и устройство управления не выдает сигнал на индикатор наличия обледенения. Если на поверхности оптически прозрачного обтекателя фотоприемника появляется лед, то изменяется степень поляризации проходящего оптического излучения, вследствие чего увеличивается интенсивность оптического излучения за анализатором, что служит основанием для формирования сигнала оповещения о наличии обледенения.

Недостатком второго аналога низкая надежность сигнализации, поскольку как в случае отсутствия льда на контрольной поверхности при нормальном функционировании сигнализатора, так и при возникновении аварийной ситуации, например, в случае неисправности модулятора, оптического излучателя, передающего или приемного световодов, поляризатора, анализатора, подогреваемых обтекателей и фотоприемника сигнал на выходе фотоприемника не формируется, однако аналог не содержит технических средств, оповещающих о появлении этих и других подобных неисправностей.

Известен сигнализатор обледенения (Ильин О. Сигнализатор обледенения. - Радио, 2010, №8, с. 40, 41), содержащий генератор импульсов, соединенный выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу оптического излучателя, сопряженного оптически через передающий объектив, первый поляризатор, контрольную поверхность, второй поляризатор (анализатор) и приемный объектив с фотоприемником, к выходу которого подключен вход усилителя, соединенного выходом через последовательно включенные амплитудный детектор и интегратор с входом порогового устройства, подключенного выходом к входу узла индикации обледенения.

В этом аналоге при появлении льда на контрольной поверхности происходит деполяризация отраженного ото льда оптического излучения, что вызывает возрастание уровня сигнала на входе фотоприемника и, как следствие, срабатывание порогового устройства, в результате чего узлом индикации формируется сигнал оповещения о наличии обледенения.

Недостатками третьего аналога являются низкая информативность и надежность сигнализации, поскольку он не содержит технических средств, позволяющих производить оценку степени и интенсивности обледенения, а также оповещающих о наличии аварийной ситуации, произошедшей вследствие выхода из строя элементов сигнализатора.

Известен сигнализатор обледенения (патент РФ №2335434 от 01.03.2007, опубл. в Бюл. №28, 2008, МПК B64D 15/22), предназначенный для контроля обледенения лопастей винта вертолета, состоящий из приемной оптической системы, фотоприемника, блока обработки сигналов, импульсного генератора, модулятора, выход которого подключен к управляющему входу импульсного генератора, а вход - к выходу синхронизатора, оптического излучателя, соединенного с выходом импульсного генератора и излучающего через передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя в направлении отражающей поверхности передней кромки лопасти винта вертолета и оптически сопряженный через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор и приемную оптическую систему с фотоприемником, соединенным с входом блока обработки сигналов, к выходу которого подключены входы индикатора наличия обледенения и устройства управления противообледенительной системой.

В этом сигнализаторе плоскость поляризации анализатора повернута относительно плоскости поляризации поляризатора на угол, обеспечивающий отсутствие излучения, проходящего через анализатор при отражении от свободной ото льда поверхности. Поэтому в случае отсутствия льда на этой поверхности оптический сигнал через приемную оптическую систему на вход фотоприемника не поступает, и соответственно не формируются сигналы на индикатор наличия обледенения и на устройство управления противообледенительной системой. Если на контролируемой поверхности появляется лед, то изменяется степень поляризации отраженного оптического излучения, вследствие чего увеличивается интенсивность оптического излучения за анализатором, что служит основанием для формирования сигнала оповещения о наличии обледенения.

Этот аналог определяет лишь факт начала и окончания обледенения, но не информирует о степени и интенсивности обледенения, поэтому информативность сигнализации аналога низкая. Кроме того, сигнал на выходе фотоприемника этого аналога может отсутствовать, например, и в случае неисправности оптического излучателя, передающей или приемной оптических систем, подогреваемых обтекателей и фотоприемника. При появлении этих и других подобных неисправностей данный сигнализатор становится неработоспособным, но поскольку он не содержит технических средств, оповещающих о возникновении аварийной ситуации, надежность сигнализации четвертого аналога низкая.

Известен сигнализатор обледенения (Ильин О. Сигнализатор обледенения. - Моделист-конструктор, 2011, №9, с. 23-25), предназначенный для контроля обледенения лопастных роторных агрегатов, содержащий передающее устройство, включающее в себя узел синхронизации, который сопряжен с лопастным ротором посредством обтюратора, закрепленного на его валу, первого оптического излучателя и первого фотоприемника, подключенного выходом к входу формирователя импульсов, соединенного выходом с первым выходом узла синхронизации, при этом первый выход узла синхронизации подключен к входу импульсного генератора, соединенного выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу второго оптического излучателя, излучающего через передающую оптическую систему и поляризатор в направлении отражающей поверхности лопасти ротора и оптически сопряженный через поляризатор приемного устройства (анализатор), плоскость поляризации которого повернута на угол, обеспечивающий минимальный уровень проходящего через него отраженного оптического излучения, и приемную оптическую систему с фотоприемником, выход которого подключен к первому входу усилителя, вход стробирования которого соединен со вторым выходом узла синхронизации, при этом выход усилителя подключен через последовательно соединенные детектор, интегратор и узел сравнения (пороговое устройство) к входу узла индикации наличия обледенения.

В этом сигнализаторе обледенения поляризованный оптический луч достигает поверхности лопасти ротора и, отражаясь от нее, попадает на вход приемного устройства. При наличии в контролируемой зоне лопасти льда отраженное от него оптическое излучение деполяризуется. Отраженное оптическое излучение, у которого плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора, проходит через анализатор с минимальным ослаблением, вследствие чего амплитуда сигнала на выходе фотоприемника, а следовательно, и напряжение сигнала на входе узла сравнения возрастает. Если напряжение на входе узла сравнения превышает пороговый уровень, то формируется сигнал оповещения о наличии обледенения, который воспроизводится узлом индикации.

Недостатками пятого аналога являются низкая информативность и надежность сигнализации, поскольку он не содержит технических средств, позволяющих производить оценку степени и интенсивности обледенения, а также оповещающих о наличии аварийной ситуации, произошедшей вследствие выхода из строя элементов сигнализатора.

Известен сигнализатор обледенения лопастей роторного агрегата (патент РФ №2473972 от 17.01.2012, опубл. в Бюл. №3, 2013, МПК G08B 19/02, B64D 15/22), содержащий передающее устройство, включающее в себя сопряженный с ротором синхронизатор, первый выход которого подключен к первому входу генератора импульсов, соединенного выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу оптического излучателя, излучающего через передающую оптическую систему и поляризатор в направлении отражающей поверхности лопасти ротора и оптически сопряженный через анализатор и оптическую систему приемного устройства, содержащего индикатор наличия обледенения и пороговое устройство, с фотоприемником, выход которого подключен к первому входу усилителя, первый и второй счетчики-дешифраторы, при этом вход порогового устройства соединен с выходом усилителя, выход порогового устройства подключен к первому входу первого и к первому входу второго счетчиков-дешифраторов, второй вход первого и второй вход второго счетчиков-дешифраторов соединены соответственно со вторым и с третьим выходами синхронизатора, четвертый выход синхронизатора соединен с третьим входом первого и с третьим входом второго счетчиков-дешифраторов, пятый выход синхронизатора подключен ко второму входу генератора импульсов, вход стробирования усилителя соединен с первым выходом синхронизатора, N выходов первого и М выходов второго счетчиков-дешифраторов подключены соответственно к N и М входам индикатора наличия обледенения, содержащего N первых и М вторых элементов индикации, где N и М - целые числа больше нуля.

Этот аналог имеет высокую информативность сигнализации, так как позволяет не только обнаруживать наличие обледенения, но и получать информацию о распределении льда вдоль направления вращения лопастей, в частности, в зоне их наиболее интенсивного обледенения - передней кромки лопастей ротора.

Недостатком шестого аналога является низкая надежность сигнализации, поскольку он не содержит технических средств, оповещающих о наличии аварийной ситуации, произошедшей вследствие выхода из строя элементов сигнализатора.

Известен сигнализатор обледенения, предназначенный для контроля наличия льда на лопастях винта вертолета (патент РФ №2446080 от 27.09.2010, опубл. в Бюл. №9, 2012, МПК B64D 15/20, G08 19/02), содержащий приемную оптическую систему, фотоприемник, блок обработки сигналов, импульсный генератор, модулятор, выход которого подключен к управляющему входу импульсного генератора, а вход - к выходу синхронизатора, оптический излучатель, соединенный с выходом импульсного генератора, излучающий через передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя в направлении отражающей поверхности передней кромки лопасти винта вертолета и оптически сопряженный через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор и приемную оптическую систему с фотоприемником, соединенным с первым входом блока обработки сигналов, к первому выходу которого подключен вход устройства управления противообледенительной системой, фотоприемник выполнен в виде N фоточувствительных элементов, где N - целое число больше единицы, подключенных своими выходами соответственно к N входам блока обработки сигналов, первые N выходов которого соединены соответственно с N входами индикатора наличия обледенения, включающего в себя N элементов индикации, блок пороговых напряжений и блок аварийной сигнализации, при этом первый и второй выходы блока пороговых напряжений подключены соответственно к (N+1)-му и (N+2)-му входам блока обработки сигналов, вторые N выходов блока обработки сигналов соединены соответственно с N входами блока аварийной сигнализации, выход синхронизатора соединен с входом стробирования блока обработки сигналов, а анализатор повернут относительно поляризатора на угол, обеспечивающий неортогональность их плоскостей поляризации.

В этом аналоге поляризованный оптический луч достигает поверхности передней кромки лопасти несущего винта вертолета, отражается от нее, а затем, пройдя через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор и приемную оптическую систему, попадает на N фоточувствительных элементов фотоприемника, преобразующего принятое оптическое излучение в электрический сигнал. Если вследствие соответствующих условий окружающей среды на каких-либо участках отражающей поверхности передней кромки лопасти появляется лед, то отраженное от этих участков оптическое излучение деполяризуется.

Отраженное оптическое излучение, у которого плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора, проходит через него с минимальным ослаблением, вследствие чего уровень сигнала на выходе фоточувствительных элементов фотоприемника, в поле зрения которых попадают участки, покрытые льдом, возрастает. Когда амплитуда какого-либо из этих сигналов превышает верхний уровень порогового напряжения, блок обработки сигналов формирует на своем соответствующем N-м выходе сигнал на включение N-го элемента индикации индикатора наличия обледенения.

Этот аналог информирует не только о факте наличия обледенения, но и о распределении льда вдоль передней кромки лопасти, а также о степени и интенсивности ее обледенения в зависимости от величины площади поверхности лопасти, покрытой льдом, что позволяет рациональным образом управлять энергетическими затратами противообледенительной системы вертолета. Кроме того, пятый аналог формирует аварийный сигнал о наличии неисправности оптического излучателя, передающей или приемной оптических систем, поляризатора, анализатора, подогреваемых обтекателей, одного или нескольких фоточувствительных элементов фотоприемника, что повышает надежность сигнализации.

Также известен сигнализатор обледенения лопастей несущего винта вертолета (патент РФ №2507125 от 23.05.2012, опубл. в Бюл. №5, 2014, МПК B64D 15/20), содержащий синхронизатор, сопряженный посредством механизма вращения несущего винта с лопастью, приемную оптическую систему, фотоприемник, выполненный в виде N линейно расположенных фоточувствительных элементов, где N - целое число больше единицы, подключенных своими выходами соответственно к N входам блока обработки сигналов, (N+1)-й и (N+2)-й входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока пороговых напряжений, а N вторых выходов - соответственно к N входам блока аварийной сигнализации, вход стробирования блока обработки сигналов соединен с первым выходом синхронизатора и с входом модулятора, выход модулятора подключен к управляющему входу импульсного генератора, выход импульсного генератора соединен с входом оптического излучателя, излучающего через передающую оптическую систему, поляризатор, оптически прозрачный обогреваемый обтекатель излучателя в направлении отражающей поверхности лопасти несущего винта вертолета и оптически сопряженный через оптически прозрачный обогреваемый обтекатель фотоприемника, анализатор, повернутый относительно поляризатора на угол, обеспечивающий неортогональность их плоскостей поляризации, и приемную оптическую систему с фотоприемником, многоэлементный индикатор наличия обледенения, устройство управления противообледенительной системой, блок памяти и регистр сдвига, при этом N первых входов блока памяти подключены соответственно к N первым выходам блока обработки сигналов, М вторых входов блока памяти подключены соответственно к М выходам регистра сдвига, где М - целое число больше единицы, первый и второй входы регистра сдвига соединены соответственно с первым и вторым выходами синхронизатора, второй вход регистра сдвига подключен к (М+1)-му входу блока памяти, (М+2)-й вход блока памяти подключен к третьему выходу синхронизатора, N×M выходов блока памяти подключены соответственно к N×M входам индикатора наличия обледенения, содержащего N×M элементов индикации, расположенных в виде двумерной матрицы, состоящей из N строк и М столбцов, выход индикатора наличия обледенения соединен с входом устройства управления противообледенительной системой.

Этот сигнализатор обледенения лопастей несущего винта вертолета обладает высокой информативностью сигнализации, поскольку сигнализирует о появлении льда не только на передней кромке лопасти, степени и интенсивности ее обледенения, но также информирует о наличии обледенения и его параметрах в поперечном направлении лопасти, в том числе и в зоне возможного обледенения задней кромки лопасти, что позволяет рациональным образом управлять энергетическими затратами, необходимыми для работы противообледенительной системы вертолета. Кроме того, аналог формирует аварийный сигнал о наличии неисправности при выходе из строя оптического излучателя, передающей или приемной оптических систем, обогреваемых обтекателей, поляризатора или анализатора, одного или нескольких фоточувствительных элементов фотоприемника, а также других подобных неисправностей, что повышает надежность сигнализации.

Недостатком седьмого и восьмого аналогов является невысокая чувствительность, поскольку в этих устройствах анализатор повернут относительно поляризатора на угол, обеспечивающий неортогональность их плоскостей поляризации, в результате чего в отсутствии льда на контролируемой поверхности на выходе анализатора имеется некоторый уровень оптического излучения который маскирует сигнал, появляющийся на входе фотоприемника при наличии обледенения, что снижает надежность сигнализации.

В качестве прототипа выбран сигнализатор обледенения (патент РФ №2445707 от 17.11.2010, опубл. в Бюл. №8, 2012, МПК G08B 19/02), содержащий узел индикации превышения допустимой степени обледенения, подключенный входом к выходу первого порогового устройства, генератор импульсов, соединенный выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу оптического излучателя, сопряженного оптически через передающий объектив, поляризатор, контрольную поверхность для осаждения льда, анализатор и приемный объектив с фотоприемником, к выходу которого подключен вход усилителя, соединенного выходом с последовательно включенными детектором и интегратором, сопряженное с формирователем импульсов устройство вращения плоскости поляризации анализатора, имеющее с ним кинематическую связь, устройство измерения коэффициента амплитудной модуляции, узел индикации степени обледенения, второе пороговое устройство, логическое устройство и устройство аварийной сигнализации, при этом выход формирователя импульсов подключен к первому входу логического устройства, второй вход которого соединен с выходом второго порогового устройства, вход которого соединен с выходом интегратора, выход логического устройства подключен к входу устройства аварийной сигнализации, вход устройства измерения коэффициента амплитудной модуляции подключен к выходу усилителя, а выход - к входу узла индикации степени обледенения и входу первого порогового устройства.

В прототипе поляризованный оптический луч достигает контрольной поверхности для осаждения льда и, отражаясь от нее, проходит через вращающийся анализатор, а затем попадает на вход фотоприемника. Благодаря вращению плоскости поляризации анализатора происходит амплитудная модуляция выходного сигнала фотоприемника. Коэффициент амплитудной модуляции содержит информацию о степени обледенения поверхности для осаждения льда. Эта информация поступает на вход узла индикации степени обледенения. Если степень обледенения превышает допустимый уровень, то приводится в действие узел индикации превышения допустимой степени обледенения, а при выходе из строя элементов сигнализатора формируется сигнал на включение устройства аварийной сигнализации.

Недостатком прототипа является низкая надежность сигнализации вследствие низкой помехоустойчивости тракта формирования и обработки амплитудно-модулированного сигнала, несущего информацию о наличии и степени обледенения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности сигнализации сигнализатора обледенения.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в сигнализаторе обледенения, содержащем узел индикации степени обледенения, узел индикации превышения допустимой степени обледенения, вход которого подключен к выходу первого порогового устройства, генератор импульсов, соединенный выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу оптического излучателя, сопряженного оптически через передающий объектив, первый поляризатор, сопряженный кинематически с устройством вращения поляризатора и входом формирователя импульсов, контрольную поверхность для осаждения льда, второй поляризатор и приемный объектив с фотоприемником, выход которого соединен с входом усилителя, последовательно включенные первый детектор, первый интегратор и второе пороговое устройство, выход которого соединен с первым входом логического устройства, подключенного вторым входом к выходу формирователя импульсов, а выходом - к входу устройства аварийной сигнализации, предусмотрены следующие отличия: в него введены коммутатор, первый и второй фильтры, второй детектор, второй интегратор и вычислительное устройство, первый вход коммутатора соединен с выходом усилителя, второй вход коммутатора подключен к выходу формирователя импульсов, первый и второй выходы коммутатора соединены соответственно с входом первого и с входом второго фильтров, выход первого фильтра соединен с входом первого детектора, выход второго фильтра подключен к входу второго детектора, выход которого соединен с входом второго интегратора, подключенного выходом к входу первого порогового устройства, первый и второй входы вычислительного устройства подключены соответственно к выходу первого и выходу второго интеграторов, выход вычислительного устройства соединен с входом узла индикации степени обледенения, вход генератора импульсов подключен к выходу формирователя импульсов, первый поляризатор содержит N элементов, где N - натуральное число, поляризованных ортогонально относительно его оси вращения и разделенных в плоскости вращения первого поляризатора оптически прозрачными промежутками.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается надежность сигнализации сигнализатора обледенения.

На фиг.1 представлена структурная схема сигнализатора обледенения;

на фиг.2 приведены временные диаграммы напряжений в характерных точках структурной схемы (для наглядности изображения масштаб по осям абсцисс и ординат не соблюден); на фиг.3 изображена схематично конструкция первого поляризатора, содержащего четыре (N=4) элемента, поляризованных ортогонально относительно его оси вращения (направление вектора поляризации указано соответствующими стрелками) и разделенных в плоскости вращения первого поляризатора оптически прозрачными промежутками.

Сигнализатор обледенения содержит (см. фиг.1): узел индикации степени обледенения 1; узел индикации превышения допустимой степени обледенения 2; первое пороговое устройство 3; генератор импульсов 4; усилитель мощности 5; оптический излучатель 6; передающий объектив 7; первый поляризатор 8; устройство вращения первого поляризатора 9; формирователь импульсов 10; контрольную поверхность для осаждения льда 11; второй поляризатор 12; приемный объектив 13; фотоприемник 14; усилитель 15; коммутатор 16; первый фильтр 17; второй фильтр 18; первый детектор 19; второй детектор 20; первый интегратор 21; второй интегратор 22; второе пороговое устройство 23; логическое устройство 24; устройство аварийной сигнализации 25; вычислительное устройство 26. Первый поляризатор 8 содержит N элементов 27, поляризованных ортогонально относительно его оси вращения и разделенных в плоскости вращения первого поляризатора 8 оптически прозрачными промежутками.

Первый поляризатор 8 сопряжен кинематически с устройством вращения поляризатора 9 и с входом формирователя импульсов 10. Узел индикации степени обледенения 1 подключен входом к выходу вычислительного устройства 26. Узел индикации превышения допустимой степени обледенения 2 соединен входом с выходом первого порогового устройства 3. Вход генератора импульсов 4 подключен к выходу формирователя импульсов 10. Генератор импульсов 4 соединен выходом с входом усилителя мощности 5. Выход усилителя мощности 5 подключен к входу оптического излучателя 6. Оптический излучатель 6 сопряжен оптически через передающий объектив 7, первый поляризатор 8, контрольную поверхность для осаждения льда 11, второй поляризатор 12 и приемный объектив 13 с фотоприемником 14. Выход фотоприемника 14 соединен с входом усилителя 15. Выход усилителя 15 соединен с первым входом коммутатора 16. Второй вход коммутатора 16 подключен к выходу формирователя импульсов 10. Первый и второй выходы коммутатора 16 соединены соответственно с входом первого 17 и с входом второго 18 фильтров. Выход первого фильтра 17 соединен с входом первого детектора 19, выход которого подключен к входу первого интегратора 21. Выход первого интегратора 21 соединен с входом второго порогового устройства 23 и с первым входом вычислительного устройства 26. Выход второго порогового устройства 23 подключен к первому входу логического устройства 24. Второй вход логического устройства 24 соединен с выходом формирователя импульсов 10. Выход второго фильтра 18 подключен к входу второго детектора 20, выход которого соединен с входом второго интегратора 22. Выход второго интегратора 22 подключен к входу первого порогового устройства 3 и ко второму входу вычислительного устройства 26.

Сигнализатор обледенения работает следующим образом. Пусть на интервале времени от t₀ до t₅ (см. фиг.2) лед на контрольной поверхности для осаждения льда 11 отсутствует. После включения сигнализатора в момент времени t₀ устройство вращения поляризатора 9, сопряженное кинематически с первым поляризатором 8, приводит первый поляризатор 8 во вращение вокруг его оси. В результате этого вращения соответствующие N-e элементы 27 первого поляризатора 8 на временных интервалах от t₁ до t₂, от t₃ до t₄, от t₅ до t₆ и т.д. (см. фиг.2) пересекают оптическую ось сигнализатора обледенения. Формирователь импульсов 10, вход которого сопряжен кинематически с первым поляризатором 8, при вращении первого поляризатора 8 формирует на своем выходе последовательность прямоугольных импульсов напряжения U₁₀, период повторения которых равен Т. Низкий уровень напряжения U₁₀ формируется во время пересечения оптической оси сигнализатора обледенения соответствующим N-м элементом 27 первого поляризатора 8, а высокий уровень напряжения U₁₀ - при отсутствии такого пересечения.

Последовательность прямоугольных импульсов напряжения U₁₀ поступает на вход генератора импульсов 4. При высоком уровне напряжения U₁₀ генератор импульсов 4 вырабатывает на своем выходе импульсное напряжение U₄ частотой F₁, а при низком уровне напряжения U₁₀ - частотой F₂.

С выхода генератора импульсов 4 импульсы напряжения U₄, усиленные по мощности усилителем 5, поступают на вход оптического излучателя 6, модулируя попеременно с частотами F₁ и F₂ интенсивность его излучения. Промодулированное импульсное оптическое излучение, пройдя через передающий объектив 7 и вращающийся первый поляризатор 8, попадает на контрольную поверхность для осаждения льда 11 и, отразившись от нее, достигает второго поляризатора 12. Оптические сигналы, промодулированные с частотами F₁ и F₂, распространяясь в среде, находящейся между первым 8 и вторым 12 поляризаторами, претерпевают одинаковое ослабление, поэтому отношение их интенсивности на выходе первого поляризатора 8 и на входе второго поляризатора 12 одинаково.

Поскольку плоскость поляризации второго поляризатора 12 ортогональна плоскости поляризации N-го элемента 27 первого поляризатора 8 в момент пересечения этим элементом оптической оси сигнализатора обледенения, то при отсутствии льда на контрольной поверхности для осаждения льда 11 через второй поляризатор 12 проходит оптическое излучение, промодулированное с частотой F₁, а оптическое излучение, промодулированное с частотой F₂, через второй поляризатор 12 не проходит.

Прошедшее через второй поляризатор 12 оптическое излучение фокусируется приемным объективом 13 на чувствительном элементе фотоприемника 14. Фотоприемник 14 преобразует оптическое излучение в электрический сигнал, который подается на вход усилителя 15 и усиливается им по амплитуде в полосе частот, включающей в себя частоты F₁ и F₂. Амплитуда выходного напряжения усилителя 15 U₁₅ пропорциональна интенсивности оптического излучения, поступившего на чувствительный элемент фотоприемника 14.

С выхода усилителя 15 напряжение U₁₅ поступает на первый вход коммутатора 16, на второй вход которого подается последовательность прямоугольных импульсов напряжения U₁₀ с выхода формирователя импульсов 10. При высоком уровне напряжения U₁₀ первый вход коммутатора 16 подключается к своему первому выходу, а при низком уровне напряжения U₁₀ - ко второму выходу. В результате этого при отсутствии обледенения контрольной поверхности для осаждения льда 11 на первом выходе коммутатора 16 появляются импульсы напряжения U₁₆₁, следующие с частотой F₁, амплитуда которых равна амплитуде выходного напряжения усилителя 15 U₁₅. Напряжение сигнала на втором выходе коммутатора 16 U₁₆₂ при этом отсутствует.

Первый фильтр 17 выделяет из выходного напряжения коммутатора 16 U₁₆₁ сигнал с частотой F₁. Первый детектор 19 преобразует выходное напряжение первого фильтра 17 в однополярное импульсное напряжение U₁₉, которое сглаживается первым интегратором 21, в результате чего на выходе первого интегратора 21 формируется постоянное напряжение U₂₁, амплитуда которого пропорциональна амплитуде сигнала на выходе усилителя 15 U₁₅.

Выходное напряжение первого интегратора 21 U₂₁ и выходное напряжение второго интегратора 22 U₂₂ поступают соответственно на первый и на второй вход вычислительного устройства 26, которое вычисляет коэффициент D, равный отношению величины напряжения на выходе второго интегратора 22 U₂₂ к величине напряжения на выходе первого интегратора 21 U₂₁, и формирует на своем выходе напряжение U₂₆, пропорциональное коэффициенту D. Выходное напряжение вычислительного устройства 26 U₂₆ поступает на вход узла индикации степени обледенения 1, индикатор которого проградуирован в условных единицах степени обледенения, пропорциональных коэффициенту D. В отсутствии льда на контрольной поверхности для осаждения льда 11 коэффициент D равен нулю и узел индикации степени обледенения 1 не активизирован.

Если на интервале времени от t₅ до t₁₀ (см. фиг.2) вследствие соответствующих условий окружающей среды на контрольной поверхности для осаждения льда 11 образуется лед, то поляризованное оптическое излучение, промодулированное с частотой F₂, отразившись ото льда, изменит степень поляризации. В результате оптическое излучение, промодулированное с частотой F₂, пройдет через второй поляризатор 12 и достигнет фотоприемника 14, вследствие чего на выходе усилителя 15 в моменты времени пересечения соответствующими N-ми поляризующими элементами 27 первого поляризатора 8 оптической оси сигнализатора (на фиг.2 см. временные интервалы от t₅ до t₆, от t₇ до t₈, от t₉ до t₁₀) появятся импульсы напряжения U₁₅, следующие с частотой F₂, амплитуда которых пропорциональна степени обледенения контрольной поверхности для осаждения льда 11. Характер распространения неполяризованного оптического излучения, промодулированного с частотой F₁, при этом не изменяется, и в соответствующие моменты времени на выходе усилителя 15 будут по-прежнему присутствовать импульсы напряжение U₁₅, следующие с частотой F₁.

Второй фильтр 18 выделяет из выходного напряжения коммутатора 16 U₁₆₂ сигнал с частотой F₂. Второй детектор 20 преобразует выходное напряжение второго фильтра 18 в однополярное импульсное напряжение U₂₀, которое сглаживается вторым интегратором 22, в результате чего на выходе второго интегратора 22 формируется постоянное напряжение U₂₂, амплитуда которого пропорциональна амплитуде сигнала на выходе усилителя 15 U₁₅ при появлении льда на контрольной поверхности для осаждения льда 11.

Коэффициент D, вычисленный вычислительным устройством 26, а также выходное напряжение вычислительного устройства 26 U₂₆ в этом случае пропорциональны степени обледенения контрольной поверхности для осаждения льда 11. Наличие обледенения и степень обледенения отображаются индикатором узла индикации степени обледенения 1. Если степень обледенения поверхности для осаждения льда 11 превысит допустимый уровень, то выходное напряжение второго интегратора 22 U₂₂ станет больше напряжения срабатывания первого порогового устройства 3 U_{порог 3}, в результате чего на выходе первого порогового устройства 3 появится напряжение высокого уровня U₃, приводящее в действие узел индикации превышения допустимой степени обледенения 2.

При нормальном функционировании сигнализатора обледенения величина выходного напряжения первого интегратора 21 U₂₁ превышает напряжение срабатывания второго порогового устройства 23 U_{порог 23}, в результате этого на выходе второго порогового устройства 23 формируется напряжение высокого уровня, которое поступает на первый вход логического устройства 24. Наличие на первом входе логического устройства 24 напряжения U₂₃ высокого уровня и наличие на втором входе этого устройства последовательности прямоугольных импульсов напряжения U₁₀ с периодом повторения Т классифицируется логическим устройством 24 как нормальное функционирование сигнализатора обледенения, при этом логическое устройство 24 формирует на своем выходе напряжение низкого уровня U₂₄, которое не активизирует устройство аварийной сигнализации 25.

Если на интервале времени от t₁₀ до t₁₂ (см. фиг.2) нормальное функционирование сигнализатора обледенения нарушается, например, вследствие выхода из строя оптического излучателя 6, передающего 7 и приемного 13 объективов или фотоприемника 14, а также при появлении других подобных неисправностей, то уровень напряжения на выходе первого интегратора 21 U₂₁ становится ниже напряжения срабатывания второго порогового устройства 23 U_{порог 23}, при этом второе пороговое устройство 23 формирует на своем выходе напряжение U₂₃ низкого уровня. Если на интервале времени от t₁₂ до t₁₄ первый поляризатор 8 прекратит вращаться вследствие выхода из строя устройства вращения поляризатора 9, то формирователь импульсов 10 соответственно прекратит формировать на своем выходе импульсы напряжения U₁₀. Наличие на первом входе логического устройства 24 напряжения U₂₃ низкого уровня или отсутствие на втором входе логического устройства 24 последовательности прямоугольных импульсов напряжения U₁₀ с периодом повторения Т классифицируется логическим устройством 24 как аварийное состояние сигнализатора обледенения, при этом логическое устройство 24 формирует на своем выходе напряжение высокого уровня U₂₄, которое активизирует устройство аварийной сигнализации 25.

После естественного или принудительного прекращения обледенения поверхности для осаждения льда 11, а также после устранения аварийной ситуации сигнализатор обледенения вновь готов к работе (на фиг.2 см. интервал времени от t₁₄ и далее).

Если контрольная поверхность для осаждения льда 11 оптически прозрачна, то сигнализатор обледенения может функционировать в режиме прямого, а не отраженного луча. Для этого оптический излучатель 6, передающий объектив 7, первый поляризатор 8 и второй поляризатор 12, приемный объектив 13, фотоприемник 14 размещают по разные стороны этой поверхности, сориентировав их надлежащим образом относительно оптической оси сигнализатора обледенения.

Таким образом, в предлагаемом сигнализаторе обледенения контроль наличия обледенения и его параметров производится посредством двух зондирующих контрольную поверхность для осаждения льда оптических сигналов, различающихся по поляризационным характеристикам, частоте модуляции и разнесенных по времени, соотношение амплитуд которых после прохождения тракта обработки сигналов несет информацию о параметрах обледенения контрольной поверхности для осаждения льда, что обеспечивает высокую чувствительность и помехозащищенность сигнализатора обледенения, и, кроме того, он содержит технические средства, оповещающие о возникновении аварийной ситуации при выходе из строя его элементов, что в совокупности обеспечивает высокую надежность сигнализации.

Изобретение относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использовано для дистанционного обнаружения обледенения элементов конструкции различных объектов. Технический результат - повышение надежности устройства сигнализации. Сигнализатор обледенения содержит узел индикации степени обледенения, узел индикации превышения допустимой степени обледенения, первое и второе пороговые устройства, генератор импульсов, усилитель мощности, оптический излучатель, передающий и приемный объективы, первый и второй поляризаторы, устройство вращения первого поляризатора, формирователь импульсов, контрольную поверхность для осаждения льда, фотоприемник, усилитель, коммутатор, первые и вторые фильтры, детекторы и интеграторы, вычислительное устройство, логическое устройство, устройство аварийной сигнализации. Первый поляризатор содержит N элементов, где N - натуральное число, поляризованных ортогонально относительно его оси вращения и разделенных в плоскости вращения первого поляризатора оптически прозрачными промежутками. 3 ил.

Сигнализатор обледенения, содержащий узел индикации степени обледенения, узел индикации превышения допустимой степени обледенения, вход которого подключен к выходу первого порогового устройства, генератор импульсов, соединенный выходом с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу оптического излучателя, сопряженного оптически через передающий объектив, первый поляризатор, сопряженный кинематически с устройством вращения поляризатора и входом формирователя импульсов, контрольную поверхность для осаждения льда, второй поляризатор и приемный объектив с фотоприемником, выход которого соединен с входом усилителя, последовательно включенные первый детектор, первый интегратор и второе пороговое устройство, выход которого соединен с первым входом логического устройства, подключенного вторым входом к выходу формирователя импульсов, а выходом - к входу устройства аварийной сигнализации, отличающийся тем, что в него введены коммутатор, первый и второй фильтры, второй детектор, второй интегратор и вычислительное устройство, первый вход коммутатора соединен с выходом усилителя, второй вход коммутатора подключен к выходу формирователя импульсов, первый и второй выходы коммутатора соединены соответственно с входом первого и с входом второго фильтров, выход первого фильтра соединен с входом первого детектора, выход второго фильтра подключен к входу второго детектора, выход которого соединен с входом второго интегратора, подключенного выходом к входу первого порогового устройства, первый и второй входы вычислительного устройства подключены соответственно к выходу первого и выходу второго интеграторов, выход вычислительного устройства соединен с входом узла индикации степени обледенения, вход генератора импульсов подключен к выходу формирователя импульсов, первый поляризатор содержит N элементов, где N - натуральное число, поляризованных ортогонально относительно его оси вращения и разделенных в плоскости вращения первого поляризатора оптически прозрачными промежутками.