Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДНОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к способам определения водности воздушного потока.

Электротермические способы определения водности воздушного потока и интенсивности обледенения летательных аппаратов основаны на измерении мощности, потребляемой чувствительным элементом датчика для испарения улавливаемой капельной влаги. Для определения водности учитывается величина скорости воздушного потока.

Известен электротермический способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата (патент RU № 2005666 С1, 5 В64D 15/20), основанный на использовании, при отрицательной температуре наружного воздуха, разности теплосъемов с двух одинаковых обогреваемых участков поверхности мерного тела с термочувствительными элементами, на одном из которых улавливают и полностью испаряют облачные капли воды.

Оба участка поверхности с термочувствительными элементами помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и улавливания облачных капель воды. Коэффициенты конвективной теплоотдачи на обоих участках поверхности равны. Поскольку в этом случае на обе поверхности попадают одинаковые количества воды, то интенсивное и полное испарение обеспечивают только на одной поверхности за счет подвода к ней достаточного количества тепла. К другой же поверхности, где расположен компенсирующий чувствительный элемент (ЧЭ), подводят лишь такое количество тепла, чтобы нагреть ее до положительной температуры, но близкой к точке замерзания воды 0°С, например до (2÷5)°С. В этом случае поверхность не покрывается льдом, а пленка воды с нее интенсивно сдувается набегающим потоком из-за малой скорости испарения воды и недостаточного количества подведенного тепла для полного испарения улавливаемой воды.

Плотность теплового потока, которую необходимо подвести к поверхности, для компенсации теплоты испарения воды прямо пропорциональна разности упругостей водяного пара, взятых при температуре поверхности е _п (Па), и при температуре наружного воздуха е _в (Па) .

Так как измерительный ЧЭ имеет температуру, например, 120°С, то максимальное значение количества воды, которое может испариться при этой температуре, в 50 раз больше, чем при температуре 5°С.

Однако это соотношение справедливо для максимальных уровней интенсивности обледенения, при которых температура 120°С измерительного ЧЭ обеспечивает полное испарение улавливаемых переохлажденных капель влаги (водность W=0,2·10^-3 кг/м³ ÷ 2,5 ·10^-3 кг/м³). Для получения оценки величины водности воздушного потока достаточно разделить значение мощности, затраченной на испарение капельной влаги, на величину скорости потока. При этом в известном способе значением тепловых потерь на испарение капельной влаги ЧЭ, имеющим температуру 5°С, можно пренебречь.

При малых значениях водности (W<0,1·10^-3 кг/м³), это соотношение резко падает, что приводит к снижению точности определения мощности, затрачиваемой на испарение капельной влаги, и, соответственно, к снижению точности определения водности. Кроме того, приближение температуры потока к 0°С приводит к снижению точности определения конвективного теплосъема, что также снижает точность определения водности. При температурах наружного воздуха выше 0°С, когда не будет процесса обледенения, этот метод не может быть использован для определения водности.

Таким образом, известный способ не позволяет обеспечить необходимую точность измерения небольших значений водности (W<0,1·10^-3 кг/м³) и не может быть применен для измерения водности при положительных температурах воздушного потока.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата (патент RU № 2341413 С1, B64D 15/20).

Способ определения наличия и интенсивности обледенения летательного аппарата предусматривает использование при отрицательной температуре наружного воздуха разности теплосъемов с двух обогреваемых участков поверхности мерного тела, имеющих разную температуру, с термочувствительными элементами, которые помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и, соответственно, улавливания облачных капель воды. Температуры обогреваемых участков поверхности мерного тела поддерживают на уровнях (например, 120 и 100°С), обеспечивающих полное испарение улавливаемых ими облачных капель воды.

Поскольку обогреваемые участки поверхности мерного тела имеют относительно высокие температуры, то при данном способе обеспечивается приемлемая точность измерения водности (интенсивности обледенения) как при малых значениях водности (W<0,1 ·10^-3 кг/м³), так и в области отрицательных и положительных температур воздушного потока.

Однако указанные преимущества реализуются только в том случае, если водность в пространстве в пределах расположения обогреваемых участков поверхности мерного тела распределена равномерно, то есть W = const. Такое распределение водности в большинстве случаев можно ожидать в естественных облаках, однако на стендах при моделировании процессов обледенения не удается обеспечить условие W=const.

Рассмотрим влияние неравномерности распределения водности на точность определения водности указанным выше способом.

Действительно, уравнения теплового баланса для обоих участков поверхности мерного тела имеют вид:

N₁ = Sα(Т_1п - Т_ад) + G_улL_исп; (1)

N₂ = Sα(Т_2п - Т_ад) + G_улL_исп; (2)

где N₁ и N₂ (Вт) - мощность нагревателей первого и второго участков поверхностей мерного тела соответственно;

S (м²) − эффективная площадь конвективного теплосъёма с каждого нагретого участка поверхности мерного тела;

α (Вт/м² К) - коэффициент конвективной теплоотдачи участка мерного тела;

Т_1п и Т_2п (К) - температура первого и второго участка мерного тела соответственно;

Т_ад (К) - адиабатическая температура воздуха;

G_ул (кг/с) - количество воды, улавливаемой участками мерного тела за секунду;

L_исп (Дж/кг) - теплота испарения воды.

В качестве примера принимаются следующие значения параметров:

T_1п = 120^оС и T_2п = 100^оС;

Т_ад = -10^оС;

L_исп = 25·10⁵ Дж/кг .

Для количества воды улавливаемой за секунду имеем:

G_ул = W·V·S_ул (3);

где G_ул (кг/с) количество воды улавливаемой за секунду;

W (кг/м³) - водность;

V (м/с) - скорость воздушного потока;

S_ул (м²) - площадь, на которой улавливаются капли воды (площадь миделевого сечения).

Например, при W = 0,3·10^-3 кг/м³, V == 150 м/с и S_ул = 0,8 см², получаем G_ул = 3,6·10^-6 кг/с, что даёт величину G_улL_исп, равную 9 Вт.

Вычисленные значения N₁ и N₂ по формулам 1 и 2 при коэффициенте теплоотдачи α=600 Вт/м²град равны соответственно 28,578 Вт и 25,566 Вт.

При непостоянном распределении водности в пространстве, например, на первый участок нагретой поверхности попадает G_ул, а на второй участок нагретой поверхности попадает 0,9G_ул, и при коэффициенте теплоотдачи для обеих поверхностей α = 600 Вт/м²град значения N₁ и N₂₁ равны соответственно 28,578 Вт и 24,666 Вт (N₂₁ вычисляется по уравнению (2), но при 0,9G_ул).

Следовательно, при вычислениях α через разницу (N₁ - N₂₁) и не учитывая наличие непостоянства водности, то есть принимая условие W=const, получим

α₁ = (N₁ - N₂₁)/(Т_1п - T_2п) S. (4)

Из уравнения (4) следует, что α₁=779,2 Вт/(м²К).

Подставляя значение α₁ в уравнение (1) и определяя водность по выражению

W = [(N₁ - α₁(Т_1п - Т_ад)S)]/L_испVS_ул, (5)

получаем соответственно величину W=0,105·10^-3 кг/м³ при исходных значениях водности W=0,3·10^-3 кг/м³ и W=0,9·0,3·10^-3=0,27·10^-3 кг/м³.

Таким образом, получаем следующую относительную ошибку по измерению водности:

ΔW = (W_ср - W)100%/W_ср = 63% , (6)

где среднее значение водности равно:

_ср = (0,3 + 0,9·0,3)10^-3/2 = 0,285·10^-3 кг/м³.

Следовательно, непостоянное распределение водности в пределах расположения двух участков нагретой поверхности, составляющее 10% для рассматриваемого примера, приводит к относительной ошибке измерения водности, равной 63%.

Таким образом, известный способ не позволяет исключить влияние непостоянства распределения водности в пределах расположения чувствительных элементов датчика на точность измерения водности.

Задача изобретения - значительно снизить влияние непостоянства распределения водности в пространстве на точность её определения.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения водности воздушного потока на стендах искусственных условий обледенения и при полетах в облаках, включая полеты в условиях обледенения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Электротермический способ определения наличия и величины водности воздушного потока, основанный на использовании разности теплосъемов с двух обогреваемых участков поверхности мерного тела, первый из которых содержит рабочий термочувствительный элемент, а второй содержит компенсирующий термочувствительный элемент. Эти участки мерного тела помещают в равнозначные условия обдува воздушным потоком и имеют разную температуру, которую поддерживают на уровнях, обеспечивающих полное испарение улавливаемых ими капель воды.

Отличительный признак состоит в том, что вводят в мерное тело третий обогреваемый участок, содержащий второй компенсирующий термочувствительный элемент, расположенный относительно рабочего термочувствительного термоэлемента симметрично с первым компенсирующим термочувствительным элементом и имеющий одинаковую с ним температуру, при этом коэффициент конвективной теплоотдачи для рабочего термочувствительного элемента определяют как среднее значение вычисленных коэффициентов конвективной теплоотдачи обоих компенсирующих термочувствительных элементов.

На чертеже поясняется сущность изобретения.

Устройство содержит мерное тело 1, в котором располагают рабочий чувствительный элемент (РЧЭ) 2, включающий термодатчик 3 и нагреватель 4, первый компенсирующий элемент (КЧЭ №1) 5, включающий термодатчик 6 и нагреватель 7, а также второй компенсирующий элемент (КЧЭ №2) 8, включающий термодатчик 9 и нагреватель 10.

РЧЭ 2, КЧЭ №1 5, КЧЭ №2 8 теплоизолированы друг от друга, а их температуры при помощи термостабилизаторов соответственно 11, 12 и 13 поддерживаются на заданных уровнях. В вычислитель 14 поступает информация о выходных мощностях термостабилизаторов 11, 12 и 13, а также термодатчиков 3, 6 и 9. В вычислитель 14 подаются также сигналы об истинной воздушной скорости с источника 15 и адиабатической температуре с термодатчика 16. Информация о значении водности поступает на индикатор 17.

Действительно, при мощности на рабочем ЧЭ (РЧЭ) - N₁, на первом компенсирующем ЧЭ (КЧЭ №1) - N₂₁, на втором компенсирующем ЧЭ (КЧЭ №2) - N₂₂ и при равенстве температур на КЧЭ №1 и КЧЭ №2 имеем:

N₁ - N₂₁ = α₁ (t₁ - t₂) S;

N₁ - N₂₂ = α₂ (t₁ - t₂) S;

α₁ S = (N₁ - N₂₁) / (t₁ - t₂);

α₂ S = (N₁- N₂₂) / (t₁ - t₂);

Затем вычисляется среднее значение комплекса (α_ср S):

α_ср S = (α₁ + α₂) S / 2.

Величина (α_ср S) подставляется в уравнение (7) для определения водности:

W = [N₁ - α_ср (Т_1п - Т_ад) S] / L_испV S_ул. (7)

Например, при линейном изменении водности в пределах расположения ЧЭ как наиболее частом случае имеем следующие значения КЧЭ: №1 - 0,9G_ул, а КЧЭ №2 - 1,1G_ул, имеем:

N₁ = α (t₁ - t_ад) S + G_улL_исп = 28,578 Вт;

N₂₁ = α (t₂ - t_ад) S + 0,9G_улL_исп = 24,666 Вт;

N₂₂ = α (t₂ - t_ад) S + 1,1G_улL_исп = 26,466 Вт;

Если считать, что W=const, то имеем следующие значения:

N ₁ - N ₂₁ = α (t₁ - t₂) S;

α₁ = (N ₁- N ₂₁) / (t₁ - t₂) S = 779,3 Вт/(м²К)

N ₁ - N ₂₂ = α₂ (t₁ - t₂) S;

α  ₂ = (N ₁ - N ₂₂) / (t₁ - t₂) S = 420,7 Вт/(м²К);

α_ср = (α₁ + α₂) / 2 = 600 Вт/(м²К).

Или:

α₁ S = 779,3·251·10^-6 = 0,195604 Вт/К;

α ₂ S = 420,7·251·10^-6 = 0,105596 Вт/К;

α_срS = (α₁ + α₂)S / 2 = 0,1506 Вт/К. (8)

Подставляя (8) в уравнение (7), получим исходное значение водности для рабочего ЧЭ, равное 0,3 г/м³.

Таким образом, при наиболее частом случае, когда водность на участке расположения ЧЭ линейно убывает или возрастает, мы будем иметь практически точное определение водности.

Предлагаемый электротермический способ определения водности воздушного потока при его реализации позволяет создать устройство, которое наряду с определением водности воздушного потока может достаточно просто оперативно переходить в режим измерения интенсивности обледенения, что существенно расширяет область его применения.