Сигнализатор обледенения
Изобретение относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использовано для дистанционного обнаружения обледенения элементов конструкции различных объектов. Технический результат заключается в повышении точности сигнализации. Сигнализатор обледенения содержит генератор импульсов, усилитель мощности, оптический излучатель, передающий объектив, первый и второй поляризаторы, контрольную поверхность для осаждения льда, устройство вращения поляризатора, приемный объектив, фотоприемник, усилитель, первый, второй и третий детекторы, первый, второй и третий интеграторы, первое и второе пороговые устройства, первый и второй фильтры, логическое устройство, вычислительное устройство, узел индикации степени обледенения, узел индикации превышения допустимой степени обледенения, устройство аварийной сигнализации. Второй поляризатор сопряжен кинематически с устройством вращения поляризатора. Второй поляризатор содержит N элементов, где N - натуральное число, поляризованных ортогонально относительно его оси вращения, и N оптически непрозрачных шторок, каждая из которых расположена в плоскости вращения второго поляризатора между его поляризованными элементами. 3 ил.
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, 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 является низкая надежность сигнализации, поскольку как в случае отсутствии льда на контрольной поверхности при нормальном функционировании сигнализатора, так и при возникновении аварийной ситуации, обусловленной выходом из строя 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 этот аналог не содержит технических средств, позволяющих производить оценку степени и интенсивности обледенения, а также оповещающих о наличии аварийной ситуации, произошедшей вследствие выхода из строя функциональных узлов сигнализатора обледенения.
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 обледенения 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, 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 и в случае выхода из строя оптического излучателя, передающей или приемной оптических систем, подогреваемых обтекателей и фотоприемника. При появлении этих и других подобных неисправностей сигнализатор обледенения становится неработоспособным, но поскольку он не содержит технических средств, оповещающих о возникновении аварийной ситуации, надежность сигнализации четвертого аналога низкая.
Известен сигнализатор обледенения (1. Ильин О. Сигнализатор обледенения- Моделист-конструктор, 2011, №9, с. 23-25. 2. Ильин О. Сигнализатор обледенения лопастей роторного агрегата. - Радиолюбитель, 2022, №2, с. 6-9), предназначенный для контроля обледенения лопастных роторных агрегатов, содержащий передающее устройство, включающее в себя узел синхронизации, сопряженный 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 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 него 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, формируется сигнал оповещения о наличии обледенения, который воспроизводится узлом индикации.
Недостатком пятого аналога является низкая надежность сигнализации, поскольку этот аналог не содержит технических средств, оповещающих о наличии аварийной ситуации, произошедшей вследствие выхода из строя функциональных узлов сигнализатора обледенения.
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 этот аналог не содержит технических средств, оповещающих о наличии аварийной ситуации, произошедшей вследствие выхода из строя функциональных узлов сигнализатора обледенения.
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, 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-ro 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 при выходе из строя 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 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.
Известен 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 этом аналоге 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, приводится в действие узел индикации превышения допустимой степени обледенения, а при выходе из строя элементов сигнализатора формируется сигнал на включение устройства аварийной сигнализации.
Недостатком девятого аналога является низкая надежность сигнализации вследствие низкой помехоустойчивости тракта формирования и обработки амплитудно-модулированного сигнала, несущего информацию о наличии и степени обледенения.
В качестве прототипа выбран сигнализатор обледенения (патент РФ №2565416 от 10.06.2014, опубл. в Бюл. №29, 2015, МПК G08B 19/00), 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, 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.
В прототипе 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 электрических сигналов на выходе первого и на выходе второго интеграторов несет информацию о параметрах обледенения контрольной поверхности для осаждения льда. Наличие обледенения поверхности для осаждения льда и степень ее обледенения отображаются узлом индикации степени обледенения. Если степень обледенения поверхности для осаждения льда превышает допустимый уровень, выходное напряжение второго интегратора становится больше напряжения срабатывания первого порогового устройства, в результате чего на выходе первого порогового устройства появляется напряжение высокого уровня, приводящее в действие узел индикации превышения допустимой степени обледенения.
Если нормальное функционирование прототипа нарушается, например, вследствие выхода из строя оптического излучателя, передающего и приемного объективов или фотоприемника, а также при появлении других подобных неисправностей, уровень напряжения на выходе первого интегратора становится ниже напряжения срабатывания второго порогового устройства, при этом второе пороговое устройство формирует на своем выходе напряжение низкого уровня. Если первый поляризатор прекратит вращаться вследствие выхода из строя устройства вращения поляризатора, формирователь импульсов соответственно прекратит формировать на своем выходе импульсы напряжения. Наличие на первом входе логического устройства напряжения низкого уровня или отсутствие на втором входе логического устройства последовательности прямоугольных импульсов напряжения классифицируется логическим устройством как аварийное состояние сигнализатора обледенения, при этом логическое устройство формирует на своем выходе напряжение высокого уровня, которое активирует устройство аварийной сигнализации.
Если в прототипе выходят из строя второй фильтр, второй детектор или второй интегратор, сигнализатор обледенения становится неработоспособным, однако при этих неисправностях устройство аварийной сигнализации не активируется, что снижает надежность сигнализации прототипа. Кроме того, прототип содержит в своем составе относительно сложный по конструкции формирователь импульсов, кинематически сопряженный входом с устройством вращения поляризатора и синхронизирующий работу двухчастотного генератора импульсов, коммутатора и логического устройства. Это усложняет прототип и, как следствие, снижает надежность сигнализации.
Задачей, на решение которой направлено изобретение является повышение надежности сигнализации.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в сигнализаторе обледенения, содержащем узел индикации степени обледенения, вход которого подключен к выходу вычислительного устройства, 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, первый поляризатор, контрольную поверхность для осаждения льда, второй поляризатор, сопряженный кинематически с устройством вращения поляризатора, содержащий N элементов, где N - натуральное число, поляризованных ортогонально относительно его оси вращения и разделенных в плоскости вращения второго поляризатора промежутками, приемный объектив с фотоприемником, выход которого подключен к входу усилителя, соединенные входами первый и второй фильтры, подключенные выходом соответственно к входу первого и к входу второго детектора, соединенных выходом соответственно с входом первого интегратора и с входом второго интегратора, выход которого соединен с первым входом первого порогового устройства, второе пороговое устройство и устройство аварийной сигнализации, предусмотрены следующие отличия: второй поляризатор содержит N оптически непрозрачных шторок, каждая из которых расположена в плоскости вращения второго поляризатора между его поляризованными элементами, образуя 2N оптически прозрачных промежутков между шторками и поляризованными элементами, введены последовательно соединенные третий детектор и третий интегратор, вход третьего детектора подключен к выходу усилителя, выход третьего интегратора соединен с входом второго порогового устройства и с входом вычислительного устройства, выход второго порогового устройства соединен с входом первого и с входом второго фильтров, выход первого интегратора подключен ко второму входу первого порогового устройства и к первому входу логического устройства, второй вход которого подключен к выходу второго интегратора, а выход - к третьему входу первого порогового устройства.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается надежность сигнализации.
На фиг. 1 представлена структурная схема сигнализатора обледенения; на фиг. 2 изображена схематично конструкция второго поляризатора, содержащего два поляризованных элемента (направление вектора поляризации этих элементов указано стрелками) и две оптически непрозрачные шторки (N=2); на фиг. 3 приведены временная линейная развертка положений, занимаемых поляризованными элементами и оптически непрозрачными шторками второго поляризатора при его осевом вращении (поляризованные элементы и шторки изображены условно прямоугольниками, поляризованные элементы выделены диагональной линией), и временные диаграммы напряжений в характерных точках структурной схемы сигнализатора обледенения (для наглядности изображения масштаб по осям абсцисс и ординат не соблюден).
Сигнализатор обледенения содержит (см. фиг. 1): узел индикации степени обледенения 1; вычислительное устройство 2; узел индикации превышения допустимой степени обледенения 3; первое пороговое устройство 4; генератор импульсов 5; усилитель мощности 6; оптический излучатель 7; передающий объектив 8; первый поляризатор 9; контрольную поверхность для осаждения льда 10; второй поляризатор 11; устройство вращения поляризатора 12; приемный объектив 13; фотоприемник 14; усилитель 15; первый фильтр 16; второй фильтр 17; первый детектор 18; второй детектор 19; первый интегратор 20; второй интегратор 21; второе пороговое устройство 22; устройство аварийной сигнализации 23; логическое устройство 24; третий детектор 25; третий интегратор 26. Второй поляризатор 11 (см. фиг. 2) содержит N поляризованных элементов 27 и N оптически непрозрачных шторок 28.
Вход узла индикации степени обледенения 1 подключен к выходу вычислительного устройства 2. Вход узла индикации превышения допустимой степени обледенения 3 подключен к выходу первого порогового устройства 4. Выход генератора импульсов 5 соединен с входом усилителя мощности 6. Выход усилителя мощности 6 подключен к входу оптического излучателя 7. Оптический излучатель 7 сопряжен оптически через передающий объектив 8, первый поляризатор 9, контрольную поверхность для осаждения льда 10, второй поляризатор 11, сопряженный кинематически с устройством вращения поляризатора 12, приемный объектив 13 с фотоприемником 14. Выход фотоприемника 14 подключен к входу усилителя 15. Первый 16 и второй 17 фильтры соединены входами. Выход первого фильтра 16 подключен к входу первого детектора 18. Выход второго фильтра 17 подключен к входу второго детектора 19. Выход первого детектора 18 соединен с входом первого интегратора 20. Выход второго детектора 19 соединен с входом второго интегратора 21. Выход первого интегратора 20 подключен ко второму входу первого порогового устройства 4 и к первому входу логического устройства 24. Второй вход логического устройства 24 подключен к выходу второго интегратора 21. Выход второго интегратора 21 соединен с первым входом первого порогового устройства 4. Вход устройства аварийной сигнализации 23 подключен к выходу логического устройства 24. Выход логического устройства 24 подключен к третьему входу первого порогового устройства 4. Вход третьего детектора 25 подключен к выходу усилителя 15. Выход третьего детектора 25 соединен с входом третьего интегратора 26. Выход третьего интегратора 26 соединен с входом второго порогового устройства 22 и с входом вычислительного устройства 2. Выход второго порогового устройства 22 соединен с входом первого 16 и с входом второго 17 фильтров. Второй поляризатор 11 сопряжен кинематически с устройством вращения поляризатора 12. N поляризованных элементов 27 и N оптически непрозрачных шторок 28 второго поляризатора 11 расположены в плоскости его вращения. N элементов 27 второго поляризатора 11 поляризованы ортогонально относительно оси его вращения. Каждая из N оптически непрозрачных шторок 28 расположена между поляризованными элементами 27 второго поляризатора 11, образуя 2N оптически прозрачных промежутков между шторками 27 и поляризованными элементами 28.
Сигнализатор обледенения работает следующим образом. Пусть на временном интервале от t0 до t9 (см. фиг. 3) лед на контрольной поверхности 10 отсутствует. В момент времени t0 производят включение сигнализатора обледенения. С этого момента времени устройство вращения поляризатора 12 приводит второй поляризатор 11 во вращение вокруг его оси. В результате этого вращения на временных интервалах от t0 до t1, от t4 до t5, от t8 до t9 оптическую ось сигнализатора обледенения пересекают оптически непрозрачные шторки 28, а на временных интервалах от t2 до t3, от t6 до t7 - поляризованные элементы 27.
С момента времени t0 на выходе генератора импульсов 5 формируются импульсы напряжения U5 частотой F0. Эти импульсы напряжения, пройдя через усилитель мощности 6, поступают на вход оптического излучателя 7, изменяя с частотой F0 интенсивность его излучения. Импульсное оптическое излучение проходит через передающий объектив 8, первый поляризатор 9 и попадает на контрольную поверхность для осаждения льда 10, отразившись от которой, достигает второго поляризатора 11.
Поскольку шторки 28 оптически непрозрачны, а плоскость поляризации каждого N-го поляризованного элемента 27 второго поляризатора 11 при пересечении ими оптической оси сигнализатора обледенения ортогональна плоскости поляризации первого поляризатора 9, на временных интервалах от t0 до t1, от t2 до t3, от t4 до t5, от t6 до t7, от t8 до t9 отраженное от контрольной поверхности для осаждения льда 10 оптическое излучение через второй поляризатор 11 не проходит. На временных интервалах от t1 до t2, от t3 до t4, от t5 до t6, от t7 до t8 оптическую ось сигнализатора обледенения пересекают промежутки между поляризованными элементами 27 и шторками 28, следствием чего является прохождение на этих временных интервалах через второй поляризатор 11 оптического излучения, отраженного от контрольной поверхности для осаждения льда 10.
Прошедшее через второй поляризатор 11 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 с резонансной амплитудно-частотной характеристикой, имеющей максимум на частоте Fo, и усиливается им по амплитуде. Амплитуда выходного напряжения U15 усилителя 15 прямо пропорциональна интенсивности оптического излучения, поступающего на чувствительный элемент фотоприемника 14, и кроме полезного сигнала содержит шумовую составляющую, обусловленную собственными шумами фотоприемника 14 и усилителя 15.
Поскольку второй поляризатор 11, вращаясь вокруг своей оси, прерывает поляризованными элементами 27 и шторками 28 поток оптического излучения, падающего на чувствительный элемент фотоприемника 14, выходной сигнал U15 усилителя 15 представляет собой пачки импульсов напряжения частотой F0, при этом частота следования F1 этих пачек импульсов определяется частотой вращения второго поляризатора 11, а также числом его поляризованных элементов 27 и шторок 28.
Третий детектор 25 преобразует поступающие на его вход с выхода усилителя 15 биполярные импульсы напряжения U15 в однополярные импульсы. Эти импульсы напряжения сглаживаются третьим интегратором 26, в результате чего на его выходе формируется огибающая выходного сигнала усилителя 15, представляющая собой искаженные шумами импульсы напряжения U26, следующие с частотой F1. При превышении импульсным напряжением U26 порогового напряжения Uпорог. на выходе второго порогового устройства 22 формируются прямоугольные импульсы напряжения U22 той же частоты, которые поступают на вход первого фильтра 16.
Первый фильтр 16 представляет собой полосовой фильтр с резонансной амплитудно-частотной характеристикой, имеющей максимум на частоте F1, преобразует прямоугольные импульсы напряжения U22, следующие с частотой F1, в синусоидальные импульсы напряжения U16 той же частоты, которые поступают на вход первого детектора 18. Первый детектор 18 выпрямляет эти импульсы, в результате чего на его выходе формируются однополярные импульсы напряжения U18, которые сглаживаются первым интегратором 20, при этом на его выходе на временном интервале от t1 до t9 формируется импульс напряжения U20 высокого логического уровня, который поступает на первый вход логического устройства 24, выполняющего логическую операцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, и на второй вход первого порогового устройства 4.
Поскольку второй фильтр 17, вход которого соединен с входом первого фильтра 16, представляет собой полосовой фильтр с резонансной амплитудно-частотной характеристикой, имеющей максимум на частоте, не равной F1, на временном интервале от t0 до t9, когда лед на контрольной поверхности 10 отсутствует, напряжение U17 на выходе этого фильтра равно нулю, вследствие чего равны нулю выходное напряжение U19 второго детектора 19 и выходное напряжение U21 второго интегратора 21.
Таким образом, когда лед на контрольной поверхности 10 отсутствует, на первом входе логического устройства 24 формируется напряжение высокого логического уровня, а на его втором входе - низкого логического уровня, при этом на выходе логического устройства 24 формируется напряжение высокого логического уровня, которое, поступая на третий вход первого порогового устройства 4, разрешает его работу и, поступая на вход устройства аварийной сигнализации 23, блокирует его работу.
Поскольку при отсутствии льда на контрольной поверхности 10 напряжение U21 на выходе второго интегратора 21, а следовательно, и на первом входе первого порогового устройства 4 меньше, чем напряжение U20, подаваемое с выхода первого интегратора 20 на второй вход первого порогового устройства 4, на выходе первого порогового устройства 4 формируется напряжение низкого логического уровня, которое, поступая на вход узла индикации превышения допустимой степени обледенения 3, блокирует его работу.
Если на временном интервале от t9 до t25 на контрольной поверхности 10 образуется лед, отраженное ото льда оптическое излучение деполяризуется, при этом степень деполяризации отраженного излучения зависит от степени обледенения контрольной поверхности 10. Вследствие деполяризации отраженное оптическое излучение проходит через второй поляризатор 11 не только на временных интервалах от t9 до t10, от t11 до t12, от t13 до t14, от t15 до t16, от t17 до t18, от t19 до t20, от t21 до t22, от t23 до t24, когда оптическую ось сигнализатора обледенения пересекают промежутки между поляризованными элементами 27 и шторками 28, но и на временных интервалах от t10 до t11, от t14 до t15, от t18 до t19, от t22 до t23, когда оптическую ось сигнализатора обледенения пересекают поляризованные элементы 27, при этом на выходе усилителя 15 формируются пачки импульсов напряжения U15 частотой F0, амплитуда которых на временных интервалах от t10 до t11, от t14 до t15, от t18 до t19, от t22 до t23 прямо пропорциональна степени деполяризации отраженного оптического излучения, а следовательно, и степени обледенения контрольной поверхности для осаждения льда 10.
Импульсы напряжения U15 выпрямляются третьим детектором 25 и сглаживаются третьим интегратором 26. С выхода третьего интегратора 26 импульсы напряжения U26 поступают на вход второго порогового устройства 22. При превышении импульсным напряжением U26 порогового напряжения Uпорог., задающего уровень допустимой степени обледенения контрольной поверхности для осаждения льда 10, искаженные шумами импульсы напряжения U26 преобразуются вторым пороговым устройством 22 в прямоугольные импульсы напряжения U22, частота следования которых равна F2.
Поскольку N поляризованных элементов 27 второго поляризатора 11 при наличии льда на контрольной поверхности 10 становятся прозрачными для отраженного ото льда деполяризованного оптического излучения, а каждая из N оптически непрозрачных шторок 28 расположена между поляризованными элементами 27 второго поляризатора 11, образуя 2N оптически прозрачных промежутков между шторками 27 и поляризованными элементами 28, частота следования F2 прямоугольных импульсов напряжения U22 при превышении допустимой степени обледенения контрольной поверхности 10 становится вдвое меньше, чем частота следования F1 этих импульсов при отсутствии льда на контрольной поверхности 10: F2=F1/2.
Второй фильтр 17 представляет собой полосовой фильтр с резонансной амплитудно-частотной характеристикой, имеющей максимум на частоте F2, преобразует прямоугольные импульсы напряжения U22, следующие с частотой F2, в синусоидальные импульсы напряжения U17 той же частоты, которые поступают на вход второго детектора 19. Второй детектор 19 выпрямляет эти импульсы, в результате чего на его выходе формируются однополярные импульсы напряжения U19, которые сглаживаются вторым интегратором 21, при этом на его выходе на временном интервале от t9 до t25 формируется импульс напряжения U21 высокого логического уровня, который поступает на второй вход логического устройства 24 и на первый вход первого порогового устройства 4.
Таким образом, когда на контрольной поверхности 10 образуется лед, на втором входе логического устройства 24 формируется напряжение высокого логического уровня, а на его первом входе - низкого логического уровня, вследствие чего на выходе логического устройства 24 формируется напряжение высокого логического уровня, которое, поступая на третий вход первого порогового устройства 4, разрешает его работу и, поступая на вход устройства аварийной сигнализации 23, блокирует его работу.
Поскольку при наличии льда на контрольной поверхности 10 напряжение U21 на выходе второго интегратора 21, а следовательно, и на первом входе первого порогового устройства 4 больше, чем напряжение U20, подаваемое с выхода первого интегратора 20 на второй вход первого порогового устройства 4, на выходе первого порогового устройства 4 формируется напряжение высокого логического уровня, которое, поступая на вход узла индикации превышения допустимой степени обледенения 3, активирует его работу.
Вычислительное устройство 2 интегрирует импульсы напряжения U15, поступающие на его вход с выхода усилителя 15, и формирует на своем выходе напряжение U2, величина которого прямо пропорциональна разнице результатов интегрирования импульсов напряжения U15 на временном интервале от t9 до t25, когда на контрольной поверхности 10 происходит нарастания льда, и на временном интервале от t1 до t9, когда лед на контрольной поверхности 10 отсутствует. С выхода вычислительного устройства 2 напряжение U2, прямо пропорциональное степени обледенения контрольной поверхности для осаждения льда 10, поступает на вход узла индикации степени обледенения 1, активируя его работу.
Если нормальное функционирование сигнализатора обледенения нарушается, например, вследствие выхода из строя генератора импульсов 5, усилителя мощности 6, оптического излучателя 7, первого 9 и второго 11 поляризаторов, контрольной поверхности для осаждения льда 10, передающего 8 и приемного 13 объективов, фотоприемника 14, усилителя 15 или устройства вращения поляризатора 12, напряжение U26 на выходе третьего интегратора 26 становится ниже порогового напряжения Uпорог., при этом второе пороговое устройство 22 прекращает формировать на своем выходе прямоугольные импульсы напряжения U22. Следствием этого является и отсутствие соответствующих сигналов на входе и выходе первого 16 и второго 17 фильтров, первого 18 и второго 19 детекторов, первого 20 и второго 21 интеграторов, а также на первом и втором входах первого порогового устройства 4. Аналогичная ситуация возникает, если из строя выходят первый 16 и второй 17 фильтры, первый 18 и второй 19 детекторы или первый 20 и второй 21 интеграторы.
Если на первом и втором входах логического устройства 24 вследствие выхода из строя каких-либо из перечисленных функциональных узлов сигнализатора обледенения одновременно присутствуют напряжения низкого или высокого логических уровней, на выходе логического устройства 24 формируется напряжение низкого логического уровня, которое поступает на третий вход первого порогового устройства 4 и на вход устройства аварийной сигнализации 23. В результате этого устройство аварийной сигнализации 23 активируется, а на выходе первого порогового устройства 4 формируется напряжение низкого логического уровня, которое блокирует работу узла превышения допустимой степени обледенения 3.
После прекращения обледенения поверхности для осаждения льда 10 (на фиг. 3 см. временной интервал от t25 и далее), а также после устранения аварийной ситуации, обусловленной выходом из строя функциональных узлов сигнализатора обледенения, он вновь возвращается в исходное состояние.
Таким образом, в предлагаемом сигнализаторе обледенения устройство аварийной сигнализации активируется большим по сравнению с прототипом числом вышедших из строя функциональных узлов и при этом предлагаемый сигнализатор обледенения проще прототипа, так как в отличие от него не содержит относительно сложный по конструкции формирователь импульсов, кинематически сопряженный входом с устройством вращения поляризатора, а также функциональные узлы, синхронизируемые этим формирователем импульсов, и, кроме того, генератор импульсов предлагаемого сигнализатора обледенения проще по устройству, поскольку в отличие от прототипа вырабатывает импульсы только одной частоты. В совокупности перечисленные факторы повышают надежность работы сигнализатора обледенения. Следствием этого является более высокая, чем у прототипа надежность сигнализации.
Применение предлагаемого сигнализатора обледенения в системах дистанционного обнаружения льда на элементах конструкции различных объектов, например летательных аппаратов, повысит надежность функционирования этих систем и безопасность эксплуатации контролируемых объектов.
Сигнализатор обледенения, содержащий узел индикации степени обледенения, вход которого подключен к выходу вычислительного устройства, 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, первый поляризатор, контрольную поверхность для осаждения льда, второй поляризатор, сопряженный кинематически с устройством вращения поляризатора, содержащий N элементов, где N - натуральное число, поляризованных ортогонально относительно его оси вращения и разделенных в плоскости вращения второго поляризатора промежутками, приемный объектив с фотоприемником, выход которого подключен к входу усилителя, соединенные входами первый и второй фильтры, подключенные выходом соответственно к входу первого и к входу второго детектора, соединенных выходом соответственно с входом первого интегратора и с входом второго интегратора, выход которого соединен с первым входом первого порогового устройства, второе пороговое устройство и устройство аварийной сигнализации, вход которого подключен к выходу логического устройства, отличающийся тем, что второй поляризатор содержит N оптически непрозрачных шторок, каждая из которых расположена в плоскости вращения второго поляризатора между его поляризованными элементами, образуя 2N оптически прозрачных промежутков между шторками и поляризованными элементами, введены последовательно соединенные третий детектор и третий интегратор, вход третьего детектора подключен к выходу усилителя, выход третьего интегратора соединен с входом второго порогового устройства и с входом вычислительного устройства, выход второго порогового устройства соединен с входом первого и с входом второго фильтров, выход первого интегратора подключен ко второму входу первого порогового устройства и к первому входу логического устройства, второй вход которого подключен к выходу второго интегратора, а выход - к третьему входу первого порогового устройства.
