Сигнализатор обледенения
Образование льда на поверхности лопастей ротора (винта) ветрогенерато-ров, ветряных двигателей, анемометров, винтовых флюгеров, вентиляторов ухудшает их эксплуатационные характеристики и может привести к происхождению страшных режимов работы — нарушению балансировки, вибрациям, разрушению опорных подшипников, возможности поражения элементов конструкции скинутым льдом. Для предотвращения таких режимов работы нужно вовремя обнаруживать и ликвидировать начавшееся обледенение.
Предлагаемый сигнализатор может служить основой противообледени-тельной совокупности аналогичных устройств. Принцип его действия базируется на поляризационно-оптическом способе дистанционного контроля наличия льда [1], что снабжает быстродействие и высокую чувствительность. По собственной технической сути это устройство самый близко к сигнализатору обледенения лопастей винта вертолёта [2], лишь несложнее и помехоустойчивее.
Блок-схема сигнализатора приведена на рис. 1. Он складывается из передающего и приёмного устройств. Передающее устройство содержит узел синхронизации, генератор, усилитель мощности, оптический излучатель, поляризатор и оптическую систему.
Узел синхронизации включает в себя обтюратор, оптический излучатель, фотоприёмник и формирователь импульсов.
Обтюратор является крыльчаткой , закреплённую на валу ротора, число лопастей которой равно лопастей ротора, а их хорда равна хорде лопасти ротора в зоне контроля. Пространственная ориентация лопастей крыльчатки обтюратора относительно оси вращения вала ротора сходится с ориентацией лопастей ротора.
Приёмное устройство складывается из поляризатора, оптической совокупности, фотоприёмника, усилителя, детектора, интегратора, узла индикации и узла сравнения.
Обтюратор благодаря осевого вращения вала ротора иногда перекрывает луч оптического излучателя узла синхронизации, модулируя по амплитуде выходной сигнал его фотоприёмника. Электрический сигнал с выхода фотоприёмника узла синхронизации поступает на вход формирователя импульсов, что формирует из него прямоугольные импульсы фиксированной амплитуды, продолжительность которых равна времени прерывания оптической связи между излучателем и фотоприёмником узла синхронизации.
Узел синхронизации при помощи формирователя импульсов руководит работой передающего и приёмного устройств сигнализатора так, дабы излучение передающего устройства происходило лишь в те моменты времени, в то время, когда лопасть ротора пересекает его оптическую ось. В эти моменты коэффициент усиления усилителя приёмного устройства велик. В второе время передающее устройство не излучает, а коэффициент усиления усилителя приёмного устройства минимален.
В то время, когда лопасть ротора пересекает оптическую ось передающего устройства, на выходе генератора формируется последовательность прямоугольных импульсов, которая при помощи усилителя мощности модулирует по амплитуде его излучение. Это излучение проходит через его оптическую совокупность, формирующую луч с малым углом расхождения, и поляризатор, пропускающий лишь те волны, плоскость поляризации которых сходится с его плоскостью поляризации.
Поляризованный луч достигает поверхности лопасти ротора и, отражаясь от неё, попадает на вход приёмного устройства. В приёмном устройстве напути луча расположен поляризатор, плоскость поляризации которого развёрнута на угол, снабжающий минимальный уровень проходящего через него отражённого оптического излучения. Это излучение фокусируется оптической совокупностью приёмного устройства на чувствительном элементе фотоприёмника, что преобразует его в электрический сигнал.
Электрический сигнал с выхода фотоприёмника, проходя последовательно через функциональные узлы приёмного устройства, улучшается, детектируется, интегрируется и анализируется по амплитуде узлом сравнения, управляющим работой узла индикации.
В случае если случилось обледенение лопастей ротора, то луч, отражённый от слоя льда, деполяризуется. Отражённые волны, у которых плоскость поляризации сходится с плоскостью поляризации поляризатора, расположенного в приёмном устройстве, проходят через него свободно, благодаря чего амплитуда электрического сигнала на выходе фотоприёмника возрастает и узел индикации приёмного устройства формирует сигнал оповещения о наличии обледенения.
Устранение естественным либо принудительным путём слоя льда с поверхности лопастей ротора прекращает деполяризацию отражённого от них луча, в следствии чего электрический сигнал на выходе фотоприёмника значительно уменьшается до начального уровня. При этомузел индикации приёмного устройства формирует сигнал оповещения об отсутствии обледенения.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема передающего устройства
Принципиальная электрическая схема передающего устройства приведена на рис. 2. Оптический излучатель узла синхронизации выполнен на светодиоде HL1, рабочий ток которого задаётся резистором R1. Фотоприёмник узла синхронизации является фотодиодомVD1, нагрузкой которого помогает резистор R2.
Микросхема DА1, логический элемент DD1.3, резисторы R3, R4, R6, R7, R10 и конденсаторы С2, СЗ образуют формирователь импульсов. Конденсаторы С1, С2 и резистор R9 — элементы фильтрации узла синхронизации.
Генератор включает в себя логические элементы DD1.1 — DD1.3, резисторы (R5, R8 и конденсатор С4. Усилитель мощности образован транзистором VT1, токоограничивающими резисторами R11, R12 и стабилитроном VD2. Оптический излучатель передающего устройства -полупроводниковый лазер BI1.
Стабилитрон VD2 защищает полупроводниковый лазер ВI1 от превышения допустимого напряжения. Передающее устройство питается от стабилизатора напряжения,выполненного на микросхеме DA2 и конденсаторах С5, С6.
Принципиальная электрическая схема приёмного устройства приведена на рис. 3. Принятое оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал фотодиодом VD1. Усилитель приёмного устройства выполнен на микросхемах DA1, DA2, резисторах R1 — R14 и конденсаторах С1 — С4.
Делитель напряжения R1 R12, резисторы R2, R7, R10, R14 снабжают работу микросхем DA1, DA2 по постоянному току. Резисторы R3 — R5 и конденсатор СЗ образуют цепь отрицательной обратной связи (ООС) первого каскада усилителя. Цепь ООС второго каскада усилителя складывается из резистора R9, канала полевого транзистора VT1 и резистора R13.
Резисторы R6, R8 и R11 снабжают режим работы по постоянному току биполярного VT2 и полевого VT1 транзисторов соответственно. Конденсаторы С2, С4 — разделительные. Усилитель питается от стабилизатора напряжения, выполненного на микросхеме DA3.
Конденсаторы С1, С6, С9 — фильтрующие.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема приёмного устройства
При низком логическом уровне стро-бирующего импульса, поступающего с соответствующего выхода передающегоустройства, биполярный транзистор УТ2 закрыт, а полевой транзистор VT1 открыт, наряду с этим коэффициент усиления усилителя велик. При появлении большого логического уровня стробирую-щего импульса биполярный транзистор VT2 раскрывается, а полевой транзистор VT1 закрывается, наряду с этим коэффициент усиления усилителя минимален.
интегратор и Детектор включают в себя диоды VD2, VD3, конденсаторы С5, С7 и резисторы R17, R18. Узел сравнения является компараторомнапряжения, выполненный на микросхеме DА4. Делитель напряжения R15, R16 задаёт пороговое напряжение срабатывания узла сравнения.
Конденсатор С8 — фильтрующий.
Узел индикации складывается из мигающего светодиода НL1, резистора R19, конденсатора С10 и излучателя звука ВF1. В случае если обледенение не найдено, то светодиод НL1 не горит, а излучатель звука ВF1 не работает. При обнаружении обледенения светодиод НL1 начинает мигать, а излучатель звука ВF1 прерывисто звучать.
Подробности передающего и приёмного устройств сигнализатора смонтированы навесным методом на макетных платах.
В качестве поляризаторов передающего и приёмного устройств использованы поляризационные светофильтры от цифрового мультиметра с жидкокристаллическим индикатором. В приёмном устройстве предусмотрена возможность кругового вращения поляризатора в плоскости поляризации.
Оптический излучатель передающего устройства представляет собой лазерную указку, снабжённую выводами для обеспечения возможности подключения к электронному блоку. От неё же заимствована и оптическая совокупность передающего устройства. Оптическая совокупность приёмного устройства представляет собой маленькую подвижную линзу.
В сигнализаторе использованы оксидные конденсаторы типа К53-35, но возможно применить и подобные импортные. Керамические конденсаторы — К10-176 (либо КМ-3 — КМ-6). Постоянные резисторы — С2-33 (вероятна замена на С2-23, МЛТ, ОМЛТ).
Подстро-ечные резисторы — СП3-39 (либо СП3-37, РП1-48).
Диоды Д9В возможно заменить диодами данной же серии с буквенными индексами Г — Л либо германиевыми диодами вторых серий, к примеру: Д2, Д10, Д18, Д20, Д310 — Д312, ГД107, ГД402, ГД507. Стабилитрон КС147А возможно заменить стабилитроном 2С147А. Светодиод ЗЛ129А заменим светодиодами серий АЛ 107, ЗЛ107, АП118А, ЗЛ118А.
Фотодиод ФД-7К возможно заменить фотодиодами ФД-17К, ФД-18К, ФД-24К. Фотодиод ФД-256 возможно заменить фотодиодами ФД-21КП, ФД-25К, ФД-26К. Вместо мигающего светодиода L-816В1D возможно применять любой подобный, к примеру, L-796В1D.
Микросхему К561ЛА7 возможно заменить любым функциональным аналогом из отечественных либо импортных серий микросхем структуры КМОП, к примеру, 564ЛА7, К176ЛА7 либо CD4011. Микросхему 1407УДЗ возможно заменить аналогом из серии К1407 либо импортной — ЕК-41. Микросхема К554САЗ возможно заменена микросхемой 521САЗ либо импортной LM311.
Микросхема КР142ЕН8А заменима импортным аналогом серии 1509.
Вместо транзистора КТ973А возможно применять транзистор КТ973Б либо импортный BD876. Транзистор КПЗОЗИ возможно заменить транзисторами данной же серии с буквенными индексами А — В, Ж либо транзисторами серии КП307 с буквенными индексами А — В, Е. Транзистор КТ315Г возможно заменить любым подобным транзистором, к примеру, серии КТ342. Электромагнитный излучатель звука НСМ1212Х вероятно заменить излучателем НСМ1612Х.
Налаживание передающего устройства сигнализатора содержится в установке подстроечными резисторами R4 и R5 (рис. 2) напряжения рабочей формирователя частоты и срабатывания импульсов генератора соответственно. Наряду с этим рабочая частота генератора должна быть установлена в пределах полосы пропускания усилителя приёмного устройства. В наличии излучения передающего устройства убеждаются визуально. Чувствительность сигнализатора регулируют подстроечными резисторами R15 и R16 (рис.
3), задающими порог усиления срабатывания и коэффициент усилителя узла сравнения соответственно. Мигающего режима работы светодиода HL1 (рис. 3) получают подборкой резистора R19.
На протяжении настройки сигнализатора лёд возможно имитировать целлофановой либо полиэтиленовой плёнкой, размещая её на поверхности контролируемого объекта. Окончательное регулирование сигнализатора создают в условиях настоящего обледенения, ориентируя передающее и приёмное устройства относительно поверхности лопастей контролируемого объекта, а поляризатор приёмного устройства — относительно поляризатора передающего устройства так, дабы в отсутствии обледенения амплитуда сигнала на выходе ОУ DА2 (рис.
3) была минимальной, а при его наличиимаксимальной. Максимума получают кроме этого трансформацией фокусного расстояния оптической совокупности приёмного устройства.
Необходимо заметить, что обрисованный выше сигнализатор пригоден для контроля обледенения лопастей, выполненных из электропроводящего материала. В случае если лопасти изготовлены из диэлектрика, поляризующего отражённый луч, то в контролируемой территории нужно обеспечить их электропроводность, к примеру, закрепив на лопастях полосы узкой алюминиевой фольги. При работе с сигнализатором направляться избегать попадания прямого либо отражённого лазерного луча конкретно в глаза.
О. ИЛЬИН, г. К а з а н ь
