Способ и устройство для определения водности в условиях обледенения Российский патент 2025 года по МПК G01N35/10 G01N7/00 G01N1/22 

Область техники

Изобретение относится к авиационной технике, к системам защиты самолетов от обледенения, а именно, к устройствам для измерения параметров условий обледенения.

Условия обледенения для сертификации самолетов определены в отечественных Нормах летной годности НЛГ-25 и зарубежных FAR-25 (американские) и CS-25 (европейские) Приложение С.

В 2014 году в американские нормы летной годности FAR-25 были введены новые условия обледенения: Приложение О - «Условия переохлажденного крупнокапельного обледенения (или SLD - условия) и Приложение Р - «Область обледенения со смешанной фазой и кристаллическим льдом» (Airworthiness Standards. Transport Category Part 25), которые предъявляли повышенные требования к противооблединительной системе (ПОС) самолетов.

В 2015 г. такие же условия обледенения были введены в европейские нормы CS-25, а с 2023 г. и в российские нормы НЛГ-25, Дополнение 9.

Изменение норм летной годности было вызвано рядом авиационных происшествий и катастроф самолетов при попадании их в условия обледенения, которые выходили за рамки областей обледенения, предусмотренных прежними нормами летной годности по Приложению С.

SLD-условиями обледенения или условиями «Переохлажденные большие капли» считается облачность с температурой ниже 0°С и с водяными каплями диаметром более 50 микрон (d>50 мкм).

Авиационные правила или Нормы летной годности требуют подтверждения безопасной эксплуатации самолета в любых условиях, включая условия обледенения, определенные в Приложениях О и Р.

При сертификации самолетов необходимо замерять параметры условий обледенения.

Уровень техники

Нормируемые условия обледенения определяются следующими параметрами: давление (высота полета), температура окружающего воздуха, водность облака и характерный размер водяных капель в облаке. Водность облака и размеры водяных капель относится к наиболее сложным параметрам для измерения.

Различают следующие виды водности: общая водность TWC (Total Water Content), жидкостная водность LWC (Liquid Water Content) и кристаллическая водность IWC (Ice Water content). Соотносятся они между собой как:

TWC=LWC+IWC.

Прежние приборы для контроля водности работали на принципе «горячий провод» и были предназначены для измерения облачных капель с типичным средним диаметром капель<50 мкм.

Прибор типа «горячий провод» представляет собой тонкий вольфрамовый или никелевый провод, нагреваемый электротоком до 90÷100°С. Измеряется мощность, затрачиваемая на нагрев проволочки в сухом воздухе и в облаке с капельками воды. По разности мощностей, затрачиваемых на нагрев проволочки в сухом и мокром виде, определяется водность - содержание в воздухе воды, пересчитанное на м³ воздуха.

К измерителям водности типа «горячий провод» относятся такие инструменты как датчик Джонсона-Вильямса, датчик Кинга («Preliminary Comparison of Ice Water Content as Measured by Hot Wire Instruments of Varying Configuration)), DOI: 10.2514/6.2005-860), датчик водности фирмы SEA модель 3000 (WCM-3000) («WCM-3000 Robust Water Content System», www.scieng.com).

Развитием датчика типа «горячий провод» стал измеритель водности облаков ИВО-ЛЭ, разработанный в 1970-е годы в Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) (АО «Лаборатория электроники», Elab.ru). Особенностью ИВО-ЛЭ является то, что его чувствительный элемент (ЧЭ)выполнен в видецилиндра с коническим углублением с углом конуса 120° в переднем (по отношению к потоку) торце, со спиральной обмоткой внутри для разогрева и испарения капель. Такая форма чувствительного элемента обеспечивает возможность захвата попадающих на него облачных частиц (жидких капель и кристаллов льда), их задержку на горячей поверхности конуса вплоть до полного испарения капель. Таким образом измеряется общая водность воздуха TWC. Опорный чувствительный элемент, измеряющий только жидкостную составляющую водности LWC, намотан на боковой поверхности цилиндра, т.е. его поверхность параллельна траектории движущихся кристаллических частиц, и они на нем не задерживаются.

Дальнейшим развитием прибора ИВО-ЛЭ стал проточный измеритель водности Невзорова (авторское свидетельство СССР №777611, «Проточный измеритель водности», 1983).

Усовершенствованный измеритель водности Невзорова, в англоязычной литературе названный датчиком TWC-IWC Невзорова, получил широкое распространение при исследовании облаков с борта самолета, и сейчас, пожалуй, самый применяемый для этих целей приборов.

Принцип действия датчика Невзорова аналогичен измерителю водности ИВО-ЛЭ. Способность коллекторов TWC и LWC различать фазы обусловлена различием в поведении жидких и твердых частиц, соударяющихся с их чувствительными элементами.

К преимуществам датчиков типа «горячий провод» можно отнести их простоту и надежность и то, что при их эксплуатации не требуется образцовый эталон для калибровки. В основе проверки их показаний лежат тепловые расчеты из замеров температуры и давления воздуха, скорости воздушного потока, площади входногоотверстия. Все эти параметры хорошо доступные и давно проверенные для их измерения.

Однако, более крупные капли, связанные с Условиями SLD, и кристаллы льда при смешанной фазе облака влияют на приборы типа «горячий провод», и измеренная ими водность может иметь значительные погрешности из-за разрыва, разбрызгивания и отскока крупных капель и кристаллов льда. Кристаллы льда могут отскакивать от чувствительного элемента датчика и снижать точность измерения.

В 70-е годы XX столетия были разработаны и запатентованы оптические методы исследования облаков на основе лазерного луча («Improved Representation of Ice Particle Masses Based on Observations in Natural Clouds», DOI:10.1175/2010JAS3507.1).

С их помощью стало возможно определять размеры облачных частиц, их фазу (жидкость или лед), количество частиц в единичном объеме и даже внешний вид кристаллов льда или снежинок, а также интегральные оптические свойства облака в целом.

На производстве оптических метеорологических приборов для исследования облаков и, в частности, оптических спектрометров, специализировались зарубежные фирмы Particle Measuring Systems (PMS Inc) и поглотившая ее в дальнейшем фирма Droplet Measurement Technologic (DMT). Теперь фирма DMT является монополистом в производстве спектрометров рассеяния света. Примерами ее продукции являются приборы: спектрометры рассеяния света вперед - Forward Scattering Probe, спектрометр рассеяния света назад - Back Scattering Probe, CDP, ССР и др. (https://www.dropletmeasurement.com/products).

Отечественной промышленностью оптические метеорологические приборы для исследования облаков не производятся.

Все вышеприведенные приборы для измерения водности имеют свои преимущества и свои недостатки.

К недостаткам оптических измерителей водности можно отнести то, что каждый тип оптического прибора имеет свой диапазон измеряемых диаметров капель. А водяные капли в облаке имеют очень широкий диапазон их размеров от нескольких микрон до сотен микрон. Чтобы охватить весь диапазон диаметров облачных капель нужно применить несколько разных приборов.

При измерении водности оптическими приборами обычно для надежности и контроля производятся параллельные замеры водности приборами на принципе «горячий провод». Метод горячего провода принципиально проще, чем методы, использующие оптические приборы, которые выводят LWC из сложных расчетов оптического отклика и часто требуют независимого сравнения с другими приборами для калибровки.

К недостаткам датчиков типа «горячий провод» можно также отнести снижение точности измерений для очень мелких капель (менее 5 микрон), так как они уносятся воздушным потоком и не попадают на ЧЭ, и для очень крупных капель (в условиях SLD) - из-за их отскока, дробления и разбрызгивания при соударении с чувствительным элементом (фиг. 1). («Improved Airborne Hot-Wire Measurements of Ice Water Content in Clouds», DOI: 10.1175/JTECH-D-13-00007.1,2013; «Preliminary Comparison of Ice Water Content as Measured by Hot Wire Instruments of Varying Configuration», DOI: 10.2514/6.2005-860, 2005).

Для исправления этого недостатка в Исследовательском центре им. Гленна НАСА был разработан изокинетический датчик водности, взятый нами за прототип.

Изокинетический датчик водности втягивает в себя («проглатывает») измеряемую пробу воздуха с облачными частицами, и все дальнейшие измерительные манипуляции производятся внутри прибора.

Изокинетический прибор сконструирован таким образом, чтобы поток поступающего в неговоздуха имел скорость, равную скорости воздуха, проходящего вокруг него. Для обеспечения изокинетического отбора пробы зонд должен удовлетворять принципу тонкостенности, то есть отношение наружного диаметра воздухозаборника к внутреннему должно быть не более 1:1. Это гарантирует то, что когда входное отверстие зонда будет правильно выровнено с вектором скорости внешнего потока, внутренняя скорость потока в пробоотборнике будет соответствовать внешней скорости потока, а внешний поток не нарушается.

По своей природе правильно функционирующий изокинетический пробоотборник облачных частиц не зависит от размеров или фазы облачных частиц. Все облачные частицы втягиваются внутрь прибора и там нагреваются. Путем достаточного нагрева отобранной пробы воздухавнутри зонда все облачные частицы воды (и кристаллы льда и жидкие капли) испаряются.

Когда вся вода испарится, общее содержание воды в облаке (TWC) может быть рассчитано для известной скорости потока пробы воздуха путем сравнения измеренной абсолютной влажности отобранной пробы с измеренной абсолютной влажностью окружающего воздуха без капель воды и кристаллов льда.

Изокинетический датчика водности состоит из следующих подсистем:

- пробоотборник, содержащий два элемента: трубку для забора пробы и трубку для забора эталона (фоновая водность),

- подсистему управления потоком пробы,

- подсистему измерения влажности.

Процесс измерения водности изокинетическим датчиком включает в себя следующие этапы: забор пробы внутрь прибора, нагрев взятой пробы влажного воздуха до полного испарения капель воды и кристаллов льда, сравнение концентрации испарившейся воды с фоновой концентрацией окружающего воздуха и вычисление водности облака по разности содержания пара в пробе и фоновой.

Рассмотрим изокинетический измеритель общего содержания воды (TWC), разработанный в исследовательском центре Гленна НАСА для измерения водности в аэрохолодильном тоннеле, взятый нами за прототип («Total Water Content Measurements With an Isokinetic Sampling Probe», Glenn Research Center, Cleveland, Ohio. NASA/TM-2010-216217) (фиг. 2).

Хотя схема выглядит довольно сложной, в ней можно выделить все три перечисленные выше основные подсистемы, характерные для изокинетического измерителя водности.

Трубка, обращенная вперед (Sample), и трубка, обращенная назад (Reference) в туннельном потоке (Tunnel Flow), образуют пробоотборник. Трубка, обращенная вперед (Sample), забирает окружающий воздух с частицами облака (образец пробы), а трубка, обращенная назад (Reference), забирает только окружающий воздух, без облачных частиц.

Воздух из линии пробы (Sample) поступает в коллектор (Manifold), фильтр (Filter), расходомер (Flow Meter), источник цехового воздуха (Shop Air), регулятор давления (Press. Reg.) и эжектор (Ejector) составляют подсистему управления потоком в линии пробы. Проход воздуха через линию пробы (Sample) происходит за счет аэродинамического напора и регулируется с помощью эжектора путем регулировки величины всасывания эжектора. Поток воздуха, создаваемый эжектором, фильтруется и измеряется с помощью теплового массового расходомера. Регулировка расхода воздуха через линию пробы необходима, чтобы обеспечить требуемый изокинетический расход воздуха через эту линию.

Воздух для отбора пробы для измерения водяного пара в ней берется из коллектора на всасывающей линии перед расходомером. После прохождения через приборы для измерения водяного пара проба воздуха сбрасывается обратно в коллектор ниже по течению от того места, где он втягивается в прибор.

Проход воздуха через линию эталона (Reference) обеспечивается за счет разницы давлений в аэродинамическом тоннеле и в помещении стенда. После прохождения через приборы измерения влажности в эталонной линии воздух выпускается в помещение.

Подсистема измерения влажности изокинетического измерителя водности центра Гленна состоит из двух составляющих: инфракрасных газоанализаторов (основная) и двух гигрометров с охлаждаемым зеркалом (дополнительная).

Инфракрасные (ИК) газоанализаторы: (Sample Differential IR gas analyzer) в линии пробы и (Reference Absolute IR gas analyzer) в линии эталона составляют основную подсистему измерения абсолютной влажности.

ИК-газоанализаторы работают на принципе поглощения инфракрасного излучения парами воды. Чем больше концентрация паров воды, тем больше коэффициент поглощения. Газоанализатор сравнивает между собой два образца и выявляет разницу между ними. ИК-газоанализатор в линии эталона измеряет абсолютную влажность эталона по сравнению с абсолютно сухим азотом, поступающим из баллона (Dried Nitrogen) (нулевая точка отсчета).

ИК-газоанализатор в линии пробы измеряет разницу в поглощении инфракрасного излучения между линиями пробы и эталона.

Два гигрометра с охлаждаемыми зеркалами используются в качестве контрольных и резервных для измерения водяного пара, наряду с ИК-газоанализаторами.

Измеренные абсолютные концентрации водяного пара эталона и пробы передаются электронным способом в дифференциальный блок для сравнения их между собой и определения абсолютной влажности потока воздуха в испытательном тоннеле как разности между TWC пробы и TWC эталона.

Таким образом, преимуществом изокинетического измерителя водности является широкий диапазон измеряемых размеров облачных частиц, независимость измерения от фазы воды в облаке и более полное поглощение облачных частиц для измерения водности.

К недостаткам устройства NASA Isokinetic TWC можно отнести то, что его весьма затруднительно применять для измерения водности в летных испытаниях самолетов, ввиду сложности и громоздкости схемы измерения (эжектор, запитываемый от цехового источника сжатого воздуха, ИК-газоанализаторы и т.д.), необходимости техобслуживания этих приборов и квалифицированного персонала для их эксплуатации.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в упрощении способа измерения водности иминиатюризации прибора для его применения в летных испытаниях противообледенительных систем самолетов при их сертификации.

Для достижения указанного технического результата изменены принцип организации прохода воздуха через эталонную линию устройства и способ измерения влажности, а именно, в способе для определения водности в условиях обледенения, предусматривающем забор пробы окружающего воздуха с каплями воды и кристаллами льда в линию пробы и воздуха эталонного образца, свободного от облачных частиц, в эталонную линию и формирование расхода воздуха через линию пробы и эталонную линию; нагрев отобранного воздуха до полного испарения водных капель и кристаллов льда, содержащихся в пробе; сравнение концентраций испарившейся воды в линии пробы с фоновой концентрацией окружающего воздуха в эталонной линии и определение водности по разности содержания пара в линии пробы и эталонной линии, расход воздуха через линию пробы формируют только под действием динамического напора, при этом изокинетичность линии пробы обеспечивается за счет геометрических параметров и правильной ориентации линии пробы. Выполняют измерения в линии пробы и в эталонной линии относительной влажности - датчиками относительной влажности, температуры - датчиками температуры, давления -тензодатчиками, и через эталонную линию формируют расход воздуха путем дополнительного нагрева воздуха нагревателем, контролируемым блоком управления с использованием мостовой схемы с обратной связью по давлению воздуха в линии пробы и эталонной линии, измеренному датчиками давления, обеспечивая расход воздуха в эталонной линии, равный расходу воздуха в линии пробы. Далее определяют абсолютные влажности пробы и эталонного образца на основе измеренных относительных влажностей пробы и эталонного образца и температур в линии пробы и эталонной линии по справочной таблице «Давление и плотность насыщенных паров при различных температурах». Затем полную водность, равную абсолютной влажности окружающего воздуха, определяютпо соотношению:

где

TWCпp - полная водность пробы,

TWCэт - полная водность эталонного образца,

Ψ_пр - относительная влажность воздуха в линии пробы,

- удельная плотность насыщенных паров (абсолютная влажность) пробы при температуре пробы Тпр,

Ψ_эт- относительная влажность воздуха в эталонной линии,

- удельная плотность насыщенных паров (абсолютная влажность) эталонного образца при температуре эталонного образца Т_эт.

В устройство для определения водности в условиях обледенения, содержащее воздухозаборник, состоящий из двух тонкостенных трубок, одна из которых направлена отверстием вперед по полету для забора пробы забортного воздуха вместе с переохлажденными каплями воды и кристаллами льда, взвешенными в облаке, а другая, эталонная, повернута входным отверстием назад и недоступна для капель воды и кристаллов льда; линию пробы, через которую проходит забортный воздух вместе с облачными частицами в виде капель воды и кристаллов льда; эталонную линию, через которую проходит воздух из трубки, обращенной назад, и свободный от капель воды и кристаллов льда; систему регулирования расхода воздуха; систему измерения полного содержания воды в линии пробы и эталонной линии, в эталонной линии дополнительно установлены нагреватель и блок управления, формирующие с помощью мостовой схемы с обратной связью по давлению воздуха в линии пробы и эталонной линии расход воздуха в эталонной линии, равный расходу воздуха в линии пробы, за счет контролируемого нагрева воздуха; в линиях пробы и эталонной линии установлены датчики относительной влажности, давления и температуры. Кроме того, устройство содержит расчетно-программный модуль, обеспечивающий на основе показаний датчиков относительной влажности и температуры воздуха в линии пробы и эталонной линии определение полной водности TWC_пр в эталонной линии, полной водности TWC_пp в захваченной пробе воздуха в линии пробы и полную водность окружающего воздуха согласно соотношению:

Кроме того, в устройстве для определения водности в условиях обледенения система регулирования расхода воздухачерез эталонную линию может быть выполнена в виде эжектора, в котором эжектирующим газом является воздух в линии пробы с давлением динамического напора, а эжектируемым газом является воздух в эталонной линии.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фигурах 1, 2, 3, 4 и 5.

На фиг. 1 представлена картина отскока кристаллов льда (а) и дробления крупных капель (b) в пробоотборнике зонда типа «горячий провод».

На фиг. 2 представлен изокинетический измеритель общего содержания воды (TWC), разработанный в исследовательском центре им. Гленна НАСА (прототип). Здесь: (Sample) и (Reference) образуют пробоотборник, содержащий линию пробы и линию эталона; (Manifold) - коллектор в линии пробы; (Tunnel Flow) - поток воздуха в тоннеле, (Filter) - фильтр, (Flow Meter) - измеритель расхода воздуха, (Ejector) - эжектор, (Press. Reg). - регулятор расхода, (Shop Air) - цеховый источник сжатого воздуха, (Sample Differential IR gas analyzer) - дифференциальный инфракрасный газоанализатор в линии пробы, (Sample chilled Mirror) - гигрометр с охлаждаемым зеркалом в линии пробы, (Dried Nitrogen) -осушенный азот, (Reference Absolute IR gas analyzer) - абсолютный инфракрасный газоанализатор в линии эталона, (Ref. Chilled Mirror) - гигрометр с охлаждаемым зеркалом в линии эталона.

На фиг. 3 представлена схема заявленного устройства для определения полной водности воздуха в условиях обледенения. Здесь:

1 - заборник пробы,

2 - заборник эталонного воздуха,

3 - коллектор в линии пробы,

4 - коллектор в эталонной линии,

5 - электронагреватель в линии пробы,

6 - электронагреватель в эталонной линии,

7 - аналого-цифровые преобразователи АЦП,

8 - датчик давления в линии пробы,

9 - датчик температуры в линии пробы,

10 - датчик относительной влажности в линии пробы,

11 - датчик давления в эталонной линии,

12 - датчик температуры в эталонной линии,

13 - датчик относительной влажности в эталонной линии,

14 - расчетно-программный модуль РПМ.

На фиг. 4 представлена мостовая схема в блоке управления с обратной связью по давлению в линии пробы. Здесь:

R1, R3 - постоянные сопротивления,

8 - R2 - тензодатчик в линии пробы,

1 - R4 - тензодатчик в линии эталона,

R5 - подстроечный резистор,

U пит - напряжение питания,

Uвых - выходное напряжение, идущее на нагрев электронагревателя в эталоной линии.

На фиг. 5 изображен эжектор в эталонной линии на базе динамического напора в линии пробы.

Раскрытие сущности изобретения

Способ измерения водности окружающего воздуха заключается в следующем. Изокинетический забор пробы окружающего влажного воздуха вместе с облачными частицами производится так же, как и в прототипе. Расход воздуха через линию пробы, забираемого в пробоотборник через трубку, направленную вперед по полету (заборник 1), происходит, в отличие от прототипа, только за счет аэродинамического напора встречного потока воздуха. Расход воздуха через эталонную линию, в отличие от прототипа, обеспечивается за счет нагрева воздуха в эталонной линии. Регулирование расхода воздуха в эталонной линии производится с помощью блока управления (фиг. 4), представляющего собой мостовую электросхему с обратной связью через тензодатчики давления. При появлении разницы давлений в линии пробы и эталонной линии изменяется мощность нагревателя в эталонной линии пропорционально этой разнице давлений.

Давления воздуха в линии пробы и эталонной линии измеряются тензодатчиками давления 8 и 11, а блок управления обеспечивает необходимый нагрев воздуха в эталонной линии для организации расхода воздуха через эталонную линию, одинакового с расходом воздуха в линии пробы. Выпускная часть эталонной линии после коллектора имеет диаметр больший, чем до коллектора.

Полные водности в пробе и эталоне, в отличии от прототипа, определяются не путем измерения абсолютной влажности с помощью сложных и тяжелых приборов (ИК-газоанализаторов, гигрометров с охлаждаемым зеркалом), а путем измерения относительной влажности с помощью миниатюрных датчиков относительной влажности 10 и 13.

Датчиком относительной влажности измеряется относительная влажность воздуха ψ. Все дальнейшие операции по определению абсолютной влажности воздуха производятся расчетом в компьютере или бортовом вычислительном комплексе самолета на базе таблицы «Давление и плотность насыщенных паров при различных температурах» (Волков А.И., Большой химический справочник).

Температура воздуха при этом измеряется термодатчиками в линии пробы и эталонной линии 9 и 12.

По определению относительная влажность Ψ - это отношение парциального давления паров воды, содержащихся в воздухе, к давлению насыщенного пара при температуре воздуха:

где

Ψ- относительная влажность воздуха, измеренная датчиком относительной влажности,

ρ - удельная плотность паров воды (она же абсолютная влажность, она же водность) в линиях пробы или эталона;

ρтнti - удельная плотность насыщенных паров воды (гм^-3) при температуре пробы или эталона (точка росы).

Отсюда, парциальное давление пара в воздухе (или абсолютная влажность ρ, оно же полное содержание воды в воздухе TWC) будет:

Таким образом, измерения TWC для пробы и эталона будут выполняться на основе соотношений:

- для эталона:

где

Ψэт - относительная влажность воздуха в эталонной линии (измеряется датчиком относительной влажности),

ρэт - удельная плотность паров воды (абсолютная влажность) (гм^-3) в линии эталона,

ρтнТэт - плотность насыщенных паров (абсолютная влажность) (гм^-3) при температуре эталона Тэт (точка росы);

- для пробы:

где

Ψпр - относительная влажность воздуха в линии пробы, измеренная датчиком относительной влажности,

ρпр - удельная плотность паров воды (абсолютная влажность, она же водность) (гм^-3) в линии пробы,

ρтнТпр - удельная плотность насыщенных паров (абсолютная влажность) (гм^-3) при температуре Тпр пробы.

Устройство для определения полной водности в условиях обледенения содержит воздухозаборник, выполненный в виде двух трубочек, одна из которых 1 направлена навстречу воздушного потока (по полету), а другая 2 повернута в обратную сторону. В трубку, которая направлена по полету, заходит воздух вместе с облачными частицами в виде капель воды и кристаллов льда, если они присутствуют в воздухе, это будет линия пробы, в которой будет определяться полная водность пробы.

В трубку, направленную назад, капли воды и кристаллы льда не попадают. Эта линия называется эталонной или фоновой, по ней будет определяться фоновая влажность (относительная и абсолютная) окружающего воздуха.

В линиях пробы и эталонной линии находятся коллекторы 3, 4, где установлены электронагреватели 5, 6, датчики давления 8, 11 (Рпр в линии пробы и Рэт в эталонной линии) и термодатчики 9, 12 (Тпр в линии пробы и Тэт в линии эталона), а также датчики относительной влажности 10, 13 Ψпр в линии пробы и Ψэт в эталонной линии.

Электронагреватель 5 в линии пробы разогревается до температуры 90÷100°С, обеспечивая плавление кристалликов льда и испарение капелек воды.

Электронагреватель 6 в эталонной линии с помощью мостовой электросхемы с обратной связью в блоке управления (фиг. 4) обеспечивает необходимый расход воздуха через линию эталона, одинаковый с расходом воздуха через линию пробы. При возникновении разницы давлений в коллекторах 3 и 4 электронагреватель 6 увеличивает свою мощность пропорционально этой разницы давлений.

В качестве датчика относительной влажности применяется серийный датчик относительной влажности. Через аналого-цифровые преобразователи 7 данные об относительной влажности и температуре передаются в Расчетно-программный модуль (РПМ) 14, в котором определяются водность пробы TWCпp и водность эталонного образца TWCэт, а затем и водность окружающего воздуха по соотношению:

Расчетно-программный модуль РПМ 14 может быть выполнен отдельно на базе компьютера либо в составе бортового вычислительного комплекса самолета.

В качестве побудителя расхода через линию эталона можно применить другой механизм - эжектор 15 (фиг. 5). При этом эжектируемым газом будет воздух в эталонной линии, а эжектирующим -газ в линии пробы. В качестве энергии для работы эжектора используется динамический напор воздуха при движении самолета. Например, для обеспечения давления эжектирующего газа 5000 Па (37,5 мм рт.ст.) скорость самолета должна быть 310 км/час (ГОСТ 5212-74 Таблица аэродинамическая).

При этом давление в линии пробы будет на 5000 Па превышать давление в эталонной линии, что достаточно для обеспечения работы эжектора.

Группа изобретений относится к авиационной технике. Раскрыт способ определения водности в условиях обледенения, в котором расход воздуха через линию пробы формируют только за счет аэродинамического напора встречного воздуха; выполняют измерения в линии пробы и в эталонной линии относительной влажности датчиками относительной влажности, температуры - датчиками температуры, давления - тензодатчиками; через эталонную линию формируют расход воздуха путем дополнительного нагрева воздуха нагревателем, контролируемым блоком управления с использованием мостовой схемы с обратной связью по давлению воздуха в линии пробы и эталонной линии, измеряемому датчиками давления, обеспечивая расход воздуха в эталонной линии, равный расходу воздуха в линии пробы; определяют абсолютные влажности пробы и эталонного образца на основе измеренных относительных влажностей пробы и эталонного образца и температур в линии пробы и эталонной линии по справочной таблице; определяют полную водность, равную абсолютной влажности окружающего воздуха. Также раскрыто устройство для определения водности в условиях обледенения. Группа изобретений обеспечивает упрощение измерения водности и миниатюризацию прибора для его применения в летных испытаниях противооблединительных систем самолетов при их сертификации. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ для определения водности в условиях обледенения, предусматривающий: забор пробы окружающего воздуха с каплями воды и кристаллами льда в линию пробы и воздуха эталонного образца, свободного от облачных частиц, в эталонную линию и формирование расхода воздуха через линию пробы и эталонную линию; нагрев отобранного воздуха до полного испарения водных капель и кристаллов льда, содержащихся в пробе; определение водности по разности содержания пара в линии пробы и эталонной линии, отличающийся тем, что расход воздуха через линию пробы формируют только за счет аэродинамического напора встречного воздуха; выполняют измерения в линии пробы и в эталонной линии относительной влажности - датчиками относительной влажности, температуры - датчиками температуры, давления - тензодатчиками; через эталонную линию формируют расход воздуха путем дополнительного нагрева воздуха нагревателем, контролируемым блоком управления с использованием мостовой схемы с обратной связью по давлению воздуха в линии пробы и эталонной линии, измеряемому датчиками давления, обеспечивая расход воздуха в эталонной линии, равный расходу воздуха в линии пробы; определяют абсолютные влажности пробы и эталонного образца ρ_трТпр и ρ_трТэт на основе измеренных относительных влажностей пробы и эталонного образца и температур в линии пробы и эталонной линии по справочной таблице; определяют полную водность, равную абсолютной влажности окружающего воздуха, по соотношению:

TWСокр=TWСпр - TWCэт=ψ_прρ_трТпр - ψ_этρ_трТэт,

где

TWCпр - полная водность пробы,

TWCэт - полная водность эталонного образца,

ψ_пр - относительная влажность воздуха в линии пробы,

ρ_трТпр - абсолютная влажность пробы при температуре пробы Т_пр,

ψ_эт - относительная влажность воздуха в эталонной линии,

ρ_трТэт - абсолютная влажность эталонного образца при температуре эталонного образца Т_эт.

2. Устройство для определения водности в условиях обледенения, содержащее воздухозаборник, состоящий из двух тонкостенных трубок, одна из которых направлена отверстием вперед по полету для забора пробы забортного воздуха вместе с переохлажденными каплями воды и кристаллами льда, взвешенными в облаке, а другая, эталонная, повернута входным отверстием назад и недоступна для капель воды и кристаллов льда; линию пробы, через которую проходит забортный воздух вместе с облачными частицами в виде капель воды и кристаллов льда; эталонную линию, через которую проходит воздух из трубки, обращенной назад, и свободный от капель воды и кристаллов льда; систему регулирования расхода воздуха; систему измерения полного содержания воды в линии пробы и эталонной линии, отличающееся тем, что в эталонной линии дополнительно установлены нагреватель и блок управления, формирующие с помощью мостовой схемы с обратной связью по давлению воздуха в линии пробы и эталонной линии расход воздуха в эталонной линии, равный расходу воздуха в линии пробы, за счет контролируемого нагрева воздуха; в линиях пробы и эталонной линии установлены датчики относительной влажности, давления и температуры; кроме того, устройство содержит расчетно-программный модуль, обеспечивающий на основе показаний датчиков относительной влажности и температуры воздуха в линии пробы и эталонной линии определение полной водности TWCэт в эталонной линии, полной водности TWCпр в захваченной пробе воздуха в линии пробы и полную водность окружающего воздуха согласно соотношению:

TWCокр=TWCпр - TWCэт=ψ_прρ_трТпр - ψ_этρ_трТэт,

где

TWCпр - полная водность пробы,

TWCэт - полная водность эталонного образца,

ψ_пр - относительная влажность воздуха в линии пробы,

ρ_трТпр - абсолютная влажность пробы при температуре пробы Т_пр,

ψ_эт - относительная влажность воздуха в эталонной линии,

ρ_трТэт - абсолютная влажность эталонного образца при температуре эталонного образца Т_эт.

3. Устройство для определения водности в условиях обледенения по п. 2, отличающееся тем, что система регулирования расхода воздуха через эталонную линию выполнена в виде эжектора, в котором эжектирующим газом является воздух в линии пробы с давлением динамического напора, а эжектируемым газом является воздух в эталонной линии.