Область техники

Предлагаемая полезная модель относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использована для дистанционного обнаружения обледенения и определения условий окружающей среды, схожих с условиями для образования или предрасположенности к образованию обледенения различных поверхностей, например, поверхностей летательных аппаратов, в частности фюзеляжа, крыльев, пропеллеров или лопаток ротора самолетов.

Уровень техники

Появление наледи на полотнах автомобильных дорог, а также на взлетно- посадочных полосах аэропортов или появление условий, приближенных к условиям для образования ледяного покрова ощутимо влияет на безопасность движения автомобилей и соответственно на успешность взлета и посадки самолетов.

Льдообразование на поверхности летательных аппаратов, в частности, лед, нарастающий на фюзеляже, крыльях, пропеллерах, лопатках ротора и управляющих поверхностях самолетов способен создавать трудности для пилотирования, оказывая неблагоприятное воздействие на управляемость самолета.

Вероятность появления ледяного покрова зависит от условий локальной окружающей среды, таких как температура атмосферы, атмосферное давление, влажность воздуха и др.

В этой связи, существует потребность в использовании новых современных устройств, сигнализирующих об образовании ледяного покрова или условий для его образования с целью своевременного предупреждения появления ледяного покрова или его оперативного устранения.

В настоящее время применяется большое количество датчиков обледенений, работа которых основана на различных прямых или косвенных методах определения наличия обледенения или предрасположенности к обледенению.

В основном используются сигнализаторы обледенения, которые, преимущественно, на основе различных физических принципов определяют наличие льда на различных поверхностях таким образом, чтобы генерировать индикацию возникновения льда или предупреждение о существовании условий для образования льда.

Так, из уровня техники известна технология для генерирования сигналов о появлении водяной пленки поверхностей на улице (см. W09913295, кл. G01B21/08, публ. 18.03.1999г. [1]).

Появление водяной пленки на какой-либо поверхности сопряжено с вероятностью преобразования ее в ледяной покров, а замысел известной технологии [1] заключается в том, что устройство определяет толщину водяной пленки, по которой определяют возможную точку замерзания. В зависимости от параметров определенного участка водной пленки его нагревают или охлаждают, а толщина пленки определяется при условии анализа границ температуры при нагревании или охлаждении. При этом элемент Пельтье используют для нагрева или охлаждения водной пленки, температура, которой измеряется с помощью термоэлемента и вычисляется с помощью микропроцессора.

Известная технология [1] в большей степени относится к прогнозным методам и косвенным образом способна определять обледенение поверхностей на улице, поскольку анализируется толщина жидкой пленки на поверхности без учета иных важных факторов, способных приводить к образованию льда, например, перепада температур, изменения атмосферного давления или влажности воздуха, что в свою очередь отрицательным образом сказывается на точности и как следствие на надежности фиксирования образования ледяного покрова. Помимо этого, данной технологией [1] не предусмотрена возможность прогнозирования появления атмосферных условий, благоприятных для образования льда.

Из уровня техники известно устройство для обнаружения образования льда (см. US6456200, кл. G08B 19/02, публ. 24.09.2002г. [2]).

В конструкции известного устройства [2] используется термоэлектрический элемент Пельтье в качестве устройства измерения разницы температуры. Образование льда обнаруживается за счет измерения изменения в тепловом потоке, благодаря освобождению скрытой теплоты во время процесса образования льда, что вызывает генерирование напряжения на концах элемента Пельтье.

Недостатком данного устройства [2] является то, что оно способно определять условия для образования обледенения только после того, как ледяная корка сформировалась, и не способно определять насколько близко находятся локальные условия к условиям для образования льда или изменяются ли эти условия и как быстро это происходит.

Данное устройство для обнаружения образования льда [2] становится особенно неэффективным, когда температура воздуха близка к точке замерзания или несколько ниже ее.

Из уровня техники известны способ и система обнаружения вероятности образования природного льда на поверхности транспортного средства (см.

US4570881, кл. B64D15/20, публ. 18.02.1986г. [3]).

Известный способ подразумевает размещение диафрагмы на поверхности транспортного средства, попеременное охлаждение и нагрев с помощью элемента

Пельтье указанной диафрагмы до температур ниже и выше температуры окружающей среды в соответствии с определенным циклом, создающим, а затем растапливающим лед, в случае если температура окружающего воздуха вблизи или ниже точки замерзания. При этом фиксируется любое изменение резонансной частоты вибрации диафрагмы в упомянутом цикле поочередно и многократно охлаждая и нагревая диафрагму, осуществляя подачу сигнала тревоги, если указанное изменение резонансной частоты превышает заданное значение.

Известный способ [3] обладает расширенной областью функционального применения, поскольку помимо обнаружения сформированного ледяного покрова, фиксируется вероятная предрасположенность к появлению льда, при этом подается соответствующий сигнал тревоги.

Недостатком известного способа является возможное появление вибрации, передающейся непосредственно от известной системы на какую-либо поверхность транспортного средства, которая может нарушать работу иных автоматизированных систем транспортных средств.

Кроме того, недостатком данного способа является непостоянство чувствительности известной системы, поскольку использование в ее составе пьезоэлемента потребует ее тарировки.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является, термоэлектрический датчик обледенения (см. RU2534493, кл. B64D 15/20, публ.

27.11.2014г. [4]). Известный термоэлектрический датчик обледенения содержит термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье, выполняющим функцию теплового насоса и датчик температур, установленный на внешней чувствительной поверхности.

Элемент Пельтье по заданному алгоритму в зависимости от температуры окружающей среды и ее близости к температуре замерзания нагревает или охлаждает чувствительную поверхность. Температурный датчик отслеживает изменение температуры. В случае наличия льда на поверхности наличия условий для образования льда, температура чувствительной поверхности на период фазового перехода вода-лед стабилизируется и вьщеляется или поглощается скрытая теплота льдообразования. Известный термоэлектрический датчик фиксирует указанную температуру фазового перехода, определяя тем самым наличие льдообразование, а интенсивность льдообразования оценивается по величине мощности питания теплового насоса (элемент Пельтье) в этот период, так как это коррелирует напрямую с выделяемой или поглощаемой теплотой фазового перехода.

Из недостатков известного термоэлектрического датчика обледенения можно отметить, следующие:

- недостаточная чувствительность при малой интенсивности льдообразования, точность определяется точностью термодатчика и алгоритмом слежения изменения температуры, при малой величине ступеньки температуры или большой скорости ее прохождения не обеспечится требуемый уровень точности для фиксации льдообразования;

- в цикле охлаждения льдообразование определяется удовлетворительно стабилизацией температуры фазового перехода (кристаллизация воды) на определенное время, а в цикле нагрева, данная стабилизация (таяние слоя льда) менее заметна, поэтому в цикле нагрева определение льдообразования весьма затруднительно;

- оценка величины интенсивности льдообразования по энергии, затраченной элементом Пелтье, является косвенньм методом, не учитывающим значительную зависимость затраченной мощности элементом Пельтье от температуры окружающей среды, теплоотдачи и др., таким образом, данный способ лишен метрологической точности и по существу является оценочным методом определения льдообразования. Раскрытие полезной модели

Задачей предлагаемой полезной модели является создание многофункционального эффективного и надежного средства для обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению различных поверхностей непосредственно прямым и точным путем.

Техническим результатом предлагаемого термоэлектрического датчика, является повышение чувствительности льдообразования или предрасположенности к нему при одновременном повышении метрологической точности определения льдообразования или предрасположенности к его появлению.

Указанный технический результат, который объективно проявляется в результате использования предлагаемой полезной модели, достигается за счет того, что термоэлектрический датчик обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению поверхности содержит термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье, при этом термоэлектрический датчик снабжен соединенным нижней частью с элементом Пельтье термоэлектрическим датчиком теплового потока, противоположная верхняя часть, которого образует внешнюю чувствительную к образованию льда поверхность и снабжена датчиком температуры.

Предлагаемый многофункциональный термоэлектрический датчик для определения обледенения или предрасположенности к обледенению содержит термоэлектрический датчик теплового потока, внешняя поверхность верхней части, которого чувствительна к образованию льда, а также чувствительна к формированию погодных условий, образующих ледяной покров. Нижней частью датчик теплового потока соединен (взаимодействует) с термоэлектрическим модулем, выполненным в виде элемента Пельтье, который в зависимости от направления приложенного тока может, как нагревать, так и охлаждать датчик теплового потока и, соответственно, его внешнюю чувствительную поверхность верхней части. К верхней части датчика теплового потока подключен датчик температуры.

Термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье обеспечивает режим циклического нагрева - охлаждения чувствительной внешней поверхности верхней части датчика теплового потока в температурном диапазоне образования ледяного покрова. б

Термоэлектрический датчик теплового потока в случае наличия льда или предрасположенности к льдообразованию на чувствительной внешней поверхности верхней части фиксирует выделение или поглощение скрытой теплоты льдообразования появлением сигнала соответствующего тепловому потоку через него, а датчик температуры при этом фиксирует температуру льдообразования.

Дополнительно предлагаемый термоэлектрический датчик обнаружения обледенения имеет возможность расчета интенсивности льдообразования и толщины слоя льда путем интегрирования тепла прошедшего через датчик теплового потока за период времени льдообразования при известной удельной теплоте льдообразования.

Указанные признаки предлагаемой полезной модели обеспечивают создание многофункционального эффективного и надежного средства для обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению различных поверхностей и соответственно достижение технического результата, заключающегося в повышении чувствительности льдообразования или предрасположенности к нему при одновременном повышении метрологической точности определения льдообразования или предрасположенности к его появлению.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого термоэлектрического датчика;

На фиг. 2 представлено циклическое изменение температуры датчика теплового потока с помощью элемента Пельтье (а - цикл охлаждения, в - цикл нагрева);

На фиг. 3 представлено изменение температуры на поверхности элемента Пельтье и на чувствительной поверхности датчика теплового потока при разной толщине слоя воды, по возрастанию (цикл охлаждения);

На фиг. 4 представлены показания датчика теплового потока, при разных толщинах слоя льда, по возрастанию (цикл охлаждения);

На фиг. 5 представлено изменение температуры на поверхности элемента Пельтье и на чувствительной поверхности датчика теплового потока при разной толщине слоя воды, по возрастанию (цикл нагрева);

На фиг. 6 представлены показания датчика теплового потока, при разных толщинах слоя льда, по возрастанию (цикл нагрева). Осуществление полезной модели

Полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядным образом демонстрирует достижение данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.

На фиг. 1 отображены следующие элементы и параметры предлагаемого термоэлектрического датчика:

1 - термоэлектрический датчик теплового потока;

2 - термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье;

3 - датчик температуры;

UD - сигнал датчика теплового потока;

Q - измеряемый тепловой поток;

I - ток питания термоэлектрического модуля, выполненного в виде элемента Пельтье;

UT - сигнал датчика температуры;

Т - измеряемая температура.

На фиг. 2 представлены следующие параметры при циклическом изменении температуры датчика теплового потока элементом Пельтье (а - цикл охлаждения, в - цикл нагрева):

А - вода;

В - лед;

Т _а - температура окружающей среды;

Ti - температура на поверхности слоя воды (а) или льда (в);

Т ₂ - температура на поверхности датчика теплового потока, которая измеряется датчиком температуры 3 (термодатчиком) (фиг. 1);

Тз - температура на поверхности элемента Пельтье 2;

Q - тепло, поглощаемое или выделяемое термоэлектрическим датчиком теплового потока 1 в зависимости от работы элемента Пельтье 2, как охладителя (а - цикл охлаждения) или как нагревателя (в - цикл нагрева). На фиг. 3 показано изменение температуры на поверхности элемента Пельтье 2 Тз и на чувствительной поверхности датчика теплового потока 1 при разной толщине слоя воды, по возрастанию - Т _2-1 , Т _2- 2, Т ₂ . ₃ (цикл охлаждения).

На фиг. 4 приведены показания датчика теплового потока 1 в цикле охлаждения. Q ₀ - тепловой поток при отсутствии слоя льда на поверхности, при разных толщинах слоя льда, по возрастанию - Q _ls Q ₂ , Q ₃ .

На фиг. 5 показано изменение температуры на поверхности элемента Пельтье 2 Тз и на чувствительной поверхности датчика теплового потока 1 при разной толщине слоя воды, по возрастанию Т _2-1> Т _2-2 , Т _2- з (цикл нагрева).

На фиг. 6 приведены показания датчика теплового потока 1 в цикле нагрева. Q ₀

- тепловой поток при отсутствии слоя льда на поверхности, при разных толщинах слоя льда, по возрастанию - Qi, Q ₂ , Q ₃ .

Термоэлектрический датчик обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению содержит термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье 2.

Термоэлектрический датчик обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению снабжен соединенным нижней частью 16 с элементом Пельтье 2 термоэлектрическим датчиком теплового потока 1, противоположная верхняя часть 1а, которого образует внешнюю чувствительную к образованию и предрасположенности к образованию льда поверхность.

Верхняя часть 1а термоэлектрического датчика теплового потока 1 снабжена датчиком температуры 3.

Работает предлагаемый термоэлектрический датчик обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению поверхности, следующим образом.

А. Цикл охлаждения (фиг. 2а)

На фиг. 3 и 4 приведены типичные показания датчика температуры 3 и термоэлектрического датчика теплового потока 1, соответственно при цикле охлаждения элементом Пельтье 2. Причем приведены три временные зависимости для случаев разных интенсивностей льдообразования на поверхности термоэлектрического датчика теплового потока 1, а конкретно на внешней чувствительной к образованию льда поверхности верхней части 1а. В случае температур окружающей среды выше типичного диапазона температур льдообразования , элемент Пельтье 2 начинает работать как охладитель и охлаждает термоэлектрический датчик теплового потока 1. Соответственно внешняя чувствительная поверхность верхней части 1а, на которой может быть слой воды, охлаждается.

Поскольку вода склонна к переохлаждению, то в начале температура внешней чувствительной поверхности верхней части 1а термоэлектрического датчика теплового потока 1 падает ниже температуры льдообразования, а затем быстро возвращается к значению температуры льдообразования. Образуется температурное "плато", длительность которого зависит от количества воды, которая кристаллизуется в лед (фиг. 3, Тг-ь Т _2- 2, Т ₂ -з _> соответственно).

При этом через термоэлектрический датчик теплового потока 1 протекает тепло кристаллизации воды. Так как данный тепловой поток значительно выше обычного теплового потока теплопроводности, то термоэлектрический датчик теплового потока 1 фиксирует начало льдообразования значительно более чувствительно, чем датчик температуры 3.

Это позволяет по показанию датчика теплового потока 1 с высокой точностью фиксировать момент времени начала льдообразования. А по показанию датчика температуры 3 определять температуру льдообразования в момент времени максимального показания датчика теплового потока 1.

Суммарное значение прошедшей теплоты кристаллизации Q зависит от количества воды на внешней чувствительной поверхности верхней части 1а термоэлектрического датчика теплового потока 1. Чем больше воды, тем больше это суммарное тепло (фиг. 4, Qj, Q ₂ , Q ₃ , соответственно).

Термоэлектрический датчик теплового потока 1 , как правило, имеет калибровку измеряемого сигнала к плотности мощности проходящего теплового потока (единицы Вт/м ) или полной мощности теплового потока (единицы Вт). Это означает, что интеграл мощности теплового потока за фиксируемый период времени льдообразования, позволяет установить полную теплоту Q этого процесса в единицах Дж/м и Дж. А по известной удельной теплоте льдообразования С _р = 335 Дж/кг и

-а

плотности льда р = 917 кг/м возможно достаточно точно установить толщину h слоя льда или полное количество (массу) льда g на чувствительной поверхности верхней части la термоэлектрического датчика теплового потока по формулам 1 или 2, соответственно. h = р (1)

9 = Т С)

В. Цикл нагрева (фиг. 2в).

На фиг. 5 и 6 приведены типичные показания датчика температуры 3 термоэлектрического датчика теплового потока 1 соответственно при цикле нагрева элементом Пельтье 2. Причем приведены временные зависимости для случаев разных интенсивностей льдообразования на чувствительной поверхности верхней части 1а термоэлектрического датчика теплового потока 1.

В случае, когда температура окружающей среды уже ниже предполагаемой температуры льдообразования , элемент Пельтье 2 начинает цикл нагрева термоэлектрического датчика теплового потока и, соответственно, его чувствительной внешней поверхности верхней части 1а.

При наличии слоя льда и достижения температуры льдообразования, лед начинает таять. При этом изменение температуры в этом слое останавливается (фиг. 5) и поглощается теплота плавления льда (фиг. 6). Через термоэлектрический датчик теплового потока 1 протекает указанное тепло. Так как данный тепловой поток значительно выше обычного теплового потока теплопроводности, то термоэлектрический датчик теплового потока 1 фиксирует начало таяния льда значительно более чувствительно, чем датчик температуры 3. Это позволяет по показанию термоэлектрического датчика теплового потока 1 с высокой точностью фиксировать начало таяния льда. А по показанию датчика температуры 3 определять температуру льдообразования в момент времени, максимального показания термоэлектрического датчика теплового потока 1.

Суммарное значение прошедшей теплоты таяния льда показывает количество льда на внешней чувствительной поверхности верхней части 1а термоэлектрического датчика теплового потока. Чем больше льда, тем больше это суммарное тепло (фиг. 6, Qi, Q2> b, соответственно).

Термоэлектрический датчик теплового потока 1 , как правило, имеет калибровку измеряемого сигнала к плотности мощности проходящего теплового потока (единицы Вт/м ) или полной мощности теплового потока (единицы Вт). Это означает, что интеграл мощности теплового потока за фиксируемый период времени льдообразования, позволяет установить полную теплоту Q этого процесса в единицах Дж/м и Дж. А по известной удельной теплоте льдообразования С _р = 335 Дж/кг и плотности льда р = 917 кг/м возможно достаточно точно установить толщину h слоя льда или полное количество (массу) льда g на чувствительной поверхности верхней части 1а термоэлектрического датчика теплового потока по формулам 1 или 2, соответственно.

С. Непрерывный мониторинг

Непрерывный мониторинг обледенения включает последовательные циклы нагрева и охлаждения с метрологически точным определением обледенения или предрасположенности к обледенению поверхности в обеих фазах (кристаллизация воды и таяние льда).

Причем усреднение значения температуры льдообразования, а также количества воды или льда (формулы 1 и 2) по фазам охлаждения и нагрева, соответственно, позволит дополнительно повысить точность работы предлагаемого термоэлектрического датчика обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению поверхности.

Таким образом, заданный технический результат достигается благодаря сформулированной совокупности существенных признаков, наглядным образом представленной ниже:

- термоэлектрический датчик обнаружения обледенения содержит элемент Пельтье 2;

- термоэлектрический датчик обнаружения обледенения снабжен соединенным нижней частью 16 с элементом Пельтье 2 термоэлектрическим датчиком теплового потока 1, противоположная верхняя часть 1а, которого образует внешнюю чувствительную к образованию льда поверхность и снабжена датчиком температуры 3. Предлагаемый термоэлектрический датчик обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению поверхности может найти широкое применение в области дистанционного обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению различных поверхностей.