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 возникновению опасных режимов работы — нарушению балансировки, вибрациям, разрушению опорных подшипников, возможности поражения элементов конструкции сброшенным льдом. Для предотвращения таких режимов работы необходимо своевременно обнаруживать и устранять начавшееся обледенение.

Предлагаемый сигнализатор может служить основой противообледени-тельной системы подобных устройств. Принцип его действия базируется на поляризационно-оптическом методе дистанционного контроля наличия льда [1], который обеспечивает высокую чувствительность и быстродействие. По своей технической сути это устройство наиболее близко к сигнализатору обледенения лопастей винта вертолёта [2], только проще и помехоустойчивее.

Блок-схема сигнализатора приведена на рис. 1. Он состоит из передающего и приёмного устройств. Передающее устройство содержит узел синхронизации, генератор, усилитель мощности, оптический излучатель, оптическую систему и поляризатор. Узел синхронизации включает в себя обтюратор, оптический излучатель, фотоприёмник и формирователь импульсов.

Обтюратор представляет собой крыльчатку, закреплённую на валу ротора, число лопастей которой равно числу лопастей ротора, а их хорда равна хорде лопасти ротора в зоне контроля. Пространственная ориентация лопастей крыльчатки обтюратора относительно оси вращения вала ротора совпадает с ориентацией лопастей ротора.

Приёмное устройство состоит из поляризатора, оптической системы, фотоприёмника, усилителя, детектора, интегратора, узла сравнения и узла индикации.

Обтюратор вследствие осевого вращения вала ротора периодически 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, который формирует из него прямоугольные импульсы фиксированной амплитуды, длительность которых равна времени прерывания оптической связи между излучателем и фотоприёмником узла синхронизации.

Узел синхронизации посредством формирователя импульсов управляет работой передающего и приёмного устройств сигнализатора таким образом, чтобы излучение передающего устройства происходило только в те моменты времени, когда лопасть ротора пересекает его оптическую ось. В эти моменты коэффициент усиления усилителя приёмного устройства максимален. В другое время передающее устройство не излучает, а коэффициент усиления усилителя приёмного устройства минимален.

Когда лопасть ротора пересекает оптическую ось передающего устройства, на выходе генератора формируется последовательность прямоугольных импульсов, которая посредством усилителя мощности модулирует по амплитуде его излучение. Это излучение проходит через его оптическую систему, формирующую луч с малым углом расхождения, и поляризатор, пропускающий только те волны, плоскость поляризации которых совпадает с его плоскостью поляризации.

Поляризованный луч достигает поверхности лопасти ротора и, отражаясь от неё, попадает на вход приёмного устройства. В приёмном устройстве на пути луча расположен поляризатор, плоскость поляризации которого повёрнута на угол, обеспечивающий минимальный уровень проходящего через него отражённого оптического излучения. Это излучение фокусируется оптической системой приёмного устройства на чувствительном элементе фотоприёмника, который преобразует его в электрический сигнал. Электрический сигнал с выхода фотоприёмника, проходя последовательно через функциональные узлы приёмного устройства, усиливается, детектируется, интегрируется и анализируется по амплитуде узлом сравнения, управляющим работой узла индикации.

Если произошло обледенение лопастей ротора, то луч, отражённый от слоя льда, деполяризуется. Отражённые волны, у которых плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации поляризатора, расположенного в приёмном устройстве, проходят через него беспрепятственно, вследствие чего амплитуда электрического сигнала на выходе фотоприёмника возрастает и узел индикации приёмного устройства формирует сигнал оповещения о наличии обледенения.

Устранение естественным или принудительным путём слоя льда с поверхности лопастей ротора прекращает деполяризацию отражённого от них луча, в результате чего электрический сигнал на выходе фотоприёмника уменьшается до первоначального уровня. При этом узел 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 представляет собой фотодиод VD1, нагрузкой которого служит 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 обеспечивают 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 состоит из резистора R9, канала полевого транзистора VT1 и резистора R13. Резисторы R6, R8 и R11 обеспечивают 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 передающего устройства, биполярный транзистор УТ2 закрыт, а полевой транзистор VT1 открыт, при этом коэффициент усиления усилителя максимален. При появлении высокого логического уровня стробирую-щего импульса биполярный транзистор VT2 открывается, а полевой транзистор VT1 закрывается, при этом коэффициент усиления усилителя минимален.

Детектор и интегратор включают в себя диоды VD2, VD3, конденсаторы С5, С7 и резисторы R17, R18. Узел сравнения представляет собой компаратор напряжения, выполненный на микросхеме DА4. Делитель напряжения R15, R16 задаёт пороговое напряжение срабатывания узла сравнения. Конденсатор С8 — фильтрующий.

Узел индикации состоит из мигающего светодиода НL1, резистора R19, конденсатора С10 и излучателя звука ВF1. Если обледенение не обнаружено, то светодиод НL1 не горит, а излучатель звука ВF1 не работает. При обнаружении обледенения светодиод НL1 начинает мигать, а излучатель звука ВF1 прерывисто звучать.

Детали передающего и приёмного устройств сигнализатора смонтированы навесным способом 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 система передающего устройства. Оптическая система приёмного устройства представляет собой небольшую подвижную линзу.

В сигнализаторе использованы оксидные конденсаторы типа К53-35, но допустимо применить и аналогичные импортные. Керамические конденсаторы — К10-176 (или КМ-3 — КМ-6). Постоянные резисторы — С2-33 (возможна замена на С2-23, МЛТ, ОМЛТ). Подстро-ечные резисторы — СП3-39 (или СП3-37, РП1-48).

Диоды Д9В можно заменить диодами этой же серии с буквенными индексами Г — Л или германиевыми диодами других серий, например: Д2, Д10, Д18, Д20, Д310 — Д312, ГД107, ГД402, ГД507. Стабилитрон КС147А допустимо заменить стабилитроном 2С147А. Светодиод ЗЛ129А заменим светодиодами серий АЛ 107, ЗЛ107, АП118А, ЗЛ118А. Фотодиод ФД-7К допустимо заменить фотодиодами ФД-17К, ФД-18К, ФД-24К. Фотодиод ФД-256 можно заменить фотодиодами ФД-21КП, ФД-25К, ФД-26К. Вместо мигающего светодиода L-816В1D допустимо использовать любой аналогичный, например, L-796В1D.

Микросхему К561ЛА7 можно заменить любым функциональным аналогом из отечественных или импортных серий микросхем структуры КМОП, например, 564ЛА7, К176ЛА7 или CD4011. Микросхему 1407УДЗ допустимо заменить аналогом из серии К1407 или импортной — ЕК-41. Микросхема К554САЗ может быть заменена микросхемой 521САЗ или импортной LM311. Микросхема КР142ЕН8А заменима импортным аналогом серии 1509.

Вместо транзистора КТ973А можно использовать транзистор КТ973Б или импортный BD876. Транзистор КПЗОЗИ можно заменить транзисторами этой же серии с буквенными индексами А — В, Ж или транзисторами серии КП307 с буквенными индексами А — В, Е. Транзистор КТ315Г допустимо заменить любым аналогичным транзистором, например, серии КТ342. Электромагнитный излучатель звука НСМ1212Х возможно заменить излучателем НСМ1612Х.

Налаживание передающего устройства сигнализатора заключается в установке подстроечными резисторами R4 и R5 (рис. 2) напряжения срабатывания формирователя импульсов и рабочей частоты генератора соответственно. При этом 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 коэффициент усиления усилителя и порог срабатывания узла сравнения соответственно. Мигающего режима работы светодиода HL1 (рис. 3) добиваются подборкой резистора R19.

Во время настройки сигнализатора лёд можно имитировать целлофановой или полиэтиленовой плёнкой, размещая её на поверхности контролируемого объекта. Окончательное регулирование сигнализатора производят в условиях реального обледенения, ориентируя передающее и приёмное устройства относительно поверхности лопастей контролируемого объекта, а поляризатор приёмного устройства — относительно поляризатора передающего устройства так, чтобы в отсутствии обледенения амплитуда сигнала на выходе ОУ DА2 (рис. 3) была минимальной, а при его наличии — максимальной. Максимума добиваются также изменением фокусного расстояния оптической системы приёмного устройства.

Следует заметить, что описанный выше сигнализатор пригоден для контроля обледенения лопастей, выполненных из электропроводящего материала. Если лопасти изготовлены из диэлектрика, поляризующего отражённый луч, то в контролируемой зоне необходимо обеспечить их электропроводность, например, закрепив на лопастях полоски тонкой алюминиевой фольги. При работе с сигнализатором следует избегать попадания прямого или отражённого лазерного луча непосредственно в глаза.

О. ИЛЬИН, г. К а з а н ь