Датчик аэродинамических углов с обогревом

Полезная модель относится к измерительной технике, касается усовершенствования флюгера датчика аэродинамических углов и может быть использована для определения параметров движения летательных аппаратов относительно воздушной среды. Технический результат заключается в повышении эффективности обогрева флюгера датчика аэродинамических углов. Датчик аэродинамических углов с обогревом содержит флюгер с размещенными внутри него и соединенными между собой нагревательными элементами с положительным температурным коэффициентом сопротивления и токоведущими элементами, флюгер выполнен в виде двух тонкостенных элементов, представляющих собой зеркальное отражение друг друга, на внутренней поверхности которых расположены нагревательные элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления, соединенные параллельно между собой, причем тонкостенные элементы являются общим токоведущим элементом, а расположенные внутри токоведущие элементы электроизолированы от тонкостенных элементов.

Полезная модель относится к измерительной технике, касается усовершенствования флюгера датчика аэродинамических углов и может быть использована для определения параметров движения летательных аппаратов относительно воздушной среды.

Известен датчик с обогревом флюгера (1), который заключается в формировании сборки, состоящей из нагревательных элементов с положительным температурным коэффициентом сопротивления, токоведущих элементов, электроизоляционных материалов, а затем эта сборка устанавливается внутрь флюгера датчика аэродинамических углов. Недостатком данного обогрева является снижение теплоотдачи от нагревательных элементов на внешнюю стенку флюгера вследствие тепловых потерь в контактах между стенками флюгера и внутренней сборкой внутри самой сборки. Для увеличения температуры на внешних стенках приходится увеличивать температуру нагревательных элементов.

Эта задача решается в датчике со встроенным обогревом (2), принятым в качестве прототипа, в котором нагревательные элементы соединены с токоведущими элементами, причем одна из сторон токоведущих элементов является электроизолированной, и эта сборка также устанавливается внутрь флюгера датчика аэродинамических углов. Нагревательные элементы также обладают положительным температурным коэффициентом сопротивления. В этом случае нагревательные элементы соединяются с токоведущими элементами посредством пайки, уменьшаются тепловые потери внутри сборки, однако не решена задача уменьшения тепловых потерь между сборкой и стенками, следствием этого является требуемое увеличение температуры нагревательных элементов, что отрицательно сказывается на эффективности обогрева из-за особенностей подобных нагревательных элементов.

Известно, что керамические нагревательные элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы) обладают нелинейной характеристикой (3), представленной на фиг.2. При достижении определенной температуры Т_макс сопротивление позистора резко увеличивается, что ведет к падению выделяемой тепловой мощности. Кроме того, температура на поверхности флюгера из-за тепловых потерь уменьшается и не обеспечивается требуемая защита от обледенения, т.е. температура на поверхности флюгера становится ниже критической.

Сущность полезной модели заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка датчика аэродинамических углов с обогревом, который позволил бы повысить эффективность использования нагревательных элементов с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Технический результат заключается в повышении эффективности обогрева флюгера датчика аэродинамических углов.

Указанный технический результат достигается тем, что флюгер выполнен в виде двух тонкостенных элементов, представляющих собой зеркальное отражение друг друга, на внутренней поверхности которых закреплено определенное количество позисторов, выполненных в виде небольших дисков, с использованием пайки, с другой стороны позисторы припаяны к токоведущим элементам, указанные тонкостенные элементы соединены между собой, например, лазерной сваркой.

На фиг.1 представлен флюгер датчика аэродинамических углов, где

1 и 1 - тонкостенные элементы,

2 и 2 - токоведущие элементы,

3 и 3 - позисторы в виде небольших дисков,

4 - ребра жесткости.

Элементы 1, 2 и 3 не соединены между собой и показаны по отдельности для наглядного представления.

На фиг.2 представлена типичная температурная зависимость сопротивления позисторов (по оси ординат использована логарифмическая шкала), где R_н - номинальное сопротивление при номинальной температуре Т _н, R_мин - минимальное сопротивление при температуре Т_мин, R_макс - максимальное сопротивление при максимальной температуре Т_макс, температура переключения Т_пер, при превышении которой сопротивление позистора увеличивается по логарифмическому закону.

Датчик аэродинамических углов содержит флюгер, который состоит из двух тонкостенных элементов 1 и 1, представляющих собой зеркальное отражение друг друга, определенного количества позисторов 3 и 3, двух токоведущих элементов 2 и 2. Позисторы 3 припаяны одной стороной к внутренней поверхности тонкостенного элемента 1, а к другой стороне позисторов 3 припаян токоведущий элемент 2, аналогично соединяются элементы 1, 2 и 3. Таким образом, общим токоведущим элементом выступают тонкостенные элементы 1 и 1, расположенные внутри токоведущие элементы 2 и 2 электроизолированы от элементов 1 и 1, а позисторы соединены параллельно между собой. Для придания жесткости тонкостенным элементам 1 и 1 дополнительно введены ребра жесткости 4.

В общем виде тепловой поток от нагревателя проходит от нагревательного элемента до внешней поверхности (теплоперенос), а тепловой поток с внешней поверхности делится на два потока: радиационный (посредством излучения) и конвективный (теплообмен с окружающим воздухом).

Мощность радиационного потока описывается следующим выражением:

где - коэффициент черноты поверхности, с которой происходит излучение;

- постоянная Стефана-Больцмана, 5.6704·10^-8 Вт/(м²·К⁴);

S - площадь поверхности, м²;

Т_П - температура поверхности, К;

Т- температура окружающей среды, К.

Мощность конвективного теплообмена описывается следующим образом:

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

S - площадь поверхности, м²;

Т_П - температура поверхности, К;

Т - температура окружающей среды, К.

Мощность теплопереноса описывается следующим выражением:

где - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

h - толщина, м;

S - площадь поверхности, м ²;

Т_H - температура нагревательного элемента. К;

Т_П - температура поверхности, К.

В результате имеем:

Очевидно, что для увеличения температуры внешней поверхности, которая подвержена обледенению (т.е. охлаждение внешней поверхности набегающим потоком воздуха до критической температуры, при которой происходит образование льда на внешней поверхности флюгера, что недопустимо при эксплуатации), требуется либо увеличение мощности нагревательного элемента (что ведет к увеличению температуры нагревательного элемента) либо увеличение коэффициента теплоотдачи (отношение коэффициента теплопроводности к толщине h) промежуточных элементов, которые по своей сути является тепловым сопротивлением.

Закрепление позисторов непосредственно на тонкостенных элементах конструкции флюгера посредством пайки позволяет достигнуть следующих результатов:

- исключение тепловых потерь, что позволяет снизить мощность нагревательного элемента, которая в данном случае определяется количеством позисторов;

- использование позисторов в виде небольших дисков позволяет обеспечить более равномерное температурное поле по тонкостенным элементам флюгера за счет оптимального размещения позисторов по внутренней поверхности тонкостенных элементов в соответствии с условиями обледенения, т.е. в местах низкой температуры устанавливать большее количество позисторов;

- более равномерное температурное поле обеспечивает уменьшение механических напряжений, вызванных разностью величин коэффициентов линейного расширения применяемых материалов тонкостенных элементов, токоведущих элементов, что увеличивает количество температурных циклов для пайки.

Кроме того, количеством позисторов и их оптимальным размещением на стенках флюгера можно обеспечить практически любую рабочую точку на температурной зависимости от Т_н до Т _макc, т.е. выделяемую тепловую мощность в условиях обледенения. Изменение потребляемой электрической мощности позисторов от температуры (а, значит, и выделяемой тепловой мощности) позволяет избежать ситуаций перегрева флюгера (при малых скоростях набегающего потока воздуха или на стоянке) и обледенения флюгера в условиях водности и низких температур набегающего потока воздуха.

В целом работа датчика аэродинамических углов в части обогрева заключается в следующем:

- при включении обогрева флюгера отсутствует набегающий поток воздуха (стоянка летательного аппарата), поэтому позисторы нагреваются до температуры переключения Т_пер и поддерживают эту температуру;

- в условиях появления набегающего потока воздуха (полет летательного аппарата), который неравномерно охлаждает внешнюю поверхность флюгера вследствие обтекания флюгера, происходит охлаждение внешней поверхности, а, значит, и позисторов, причем охлаждение внешней поверхности неравномерное;

- при уменьшении температуры позистора его сопротивление уменьшается в соответствии с характеристикой, приведенной на фиг.2, и увеличивается выделяемая тепловая мощность;

- увеличение тепловой мощности, выделяемой позистором, приводит к увеличению температуры внешней поверхности и, таким образом, устанавливается определенная температура, при которой выделяемая тепловая мощность позистором соответствует тепловой мощности, которая отбирается набегающим потоком воздуха с внешней поверхности флюгера.

Таким образом, устраняются недостатки датчика аэродинамических углов в части обогрева флюгера датчика, в котором обогрев осуществляется нагревательным элементом, закрепленным на внутренних элементах конструкции: отсутствуют воздушные зазоры, препятствующие эффективной передаче тепла от нагревательного элемента внешней поверхности, упрощается технологический процесс сборки флюгера за счет уменьшения сборочных единиц.

Источники информации:

1. Патент США 4121088, Н05В 3/02, 1978,

2. Заявка США 2011/0036160, G01P 13/00, 2011,

3. Ф.Медведев, П.Никитин, Г.Текстер-Проскурякова, С.Тесленко «Керамические полупроводниковые нелинейные резисторы». Электроника: Наука, Технология, Бизнес 6/2002, стр.10-15.

Датчик аэродинамических углов с обогревом, содержащий флюгер с размещенными внутри него и соединенными между собой нагревательными элементами с положительным температурным коэффициентом сопротивления и токоведущими элементами, отличающийся тем, что флюгер выполнен в виде двух тонкостенных элементов, представляющих собой зеркальное отражение друг друга, на внутренней поверхности которых размещены с возможностью обеспечения равномерного температурного поля нагревательные элементы, выполненные в виде небольших дисков, закрепленные непосредственно на тонкостенных элементах конструкции посредством пайки и соединенные параллельно между собой, причем тонкостенные элементы являются общим токоведущим элементом, а расположенные внутри токоведущие элементы электроизолированы от тонкостенных элементов.