CC BY
54
УДК 532.57
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАТЧИКОВ КОНТРОЛЯ РАСПЫЛЯЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В.В. ДУДНИК
Статья представлена доктором технических наук Никитиным И.В.
В данной работе рассмотрена возможность создания простого и надежного датчика расхода химической жидкости сельскохозяйственных летательных аппаратов. Предложен бесконтактный датчик с позисторным чувствительным элементом. Представлены результаты экспериментов с ним на измерительной проливной установке.
Ключевые слова: вертолет, авиахимические работы, качество обработки поля, расход жидкости.
Сельскохозяйственные вертолеты могут обеспечить самое высокое качество обработки полей среди всех устройств внесения пестицидов. Это обеспечивается движением выброшенных капель в мощном индуктивном следе вертолета. Однако этот же след может приводить и к более сильным отрицательным воздействиям, таким как неравномерность покрытия сельхозкультур пестицидами и несанкционированное опрыскивание соседних полей. Кроме наличия индуктивной струи, еще одной причиной неравномерного опрыскивания является сама конструкция распылительной системы. Как показал анализ работы некоторых вертолетов Ми-2 на авиахими-ческих работах (АХР), общий расход жидкости, проходящей в правую и левую распылительную штанги, обычно отличается друг от друга в 1.5-2.5 раза. Центральная штанга, несмотря на то, что подключена к общему источнику рабочей жидкости, может иметь непропорционально малый ее расход. Это приводит к неравномерности распределения химических веществ и существенному перерасходу рабочей смеси, что не только повышает себестоимость сельскохозяйственного производства, но и крайне пагубно влияет на культуры и окружающую среду.
Во многих западных государствах законодательство требует установки приборов контроля расхода пестицидов. В нашей стране подобные устройства используются мало. Сложность производства легких приборов для сельскохозяйственной аппаратуры вызвана взаимодействием их элементов с высокоагрессивной рабочей смесью. Так, даже стандартный датчик уровня жидкости в химических баках вертолета Ми-2 практически не используется в АХР, поскольку, как правило, выдерживает только несколько месяцев работы. Эксплуатанты вертолетов чаще применяют прозрачную трубку, закрепленную вдоль фюзеляжа, от химических баков до лобового стекла (рис.1). Как правило, это единственный «прибор» контроля пестицидов. Говорить о дифференциальном учете расхода жидкости в каждой штанге вообще не приходится. В идеале датчики дифференциального расхода следует применять в совокупности с системой управления подачи жидкости в каждую штангу. Такая система должна работать в соответствии с моделью осаждения капель. Использование в ней устройств измерения угла сноса и разницы воздушной и путевой скорости позволит определить скорость ветра, что может существенно повысить равномерность внесения препаратов. Включение в систему регистратора данных позволит анализировать качество обработки полей. Результатом использования такой системы должно быть не только существенное повышение урожайности, но и рост спроса на АХР, выполняемые эксплуатантами с помощью такого оборудования.
Рис. 1. Применяемый на сельскохозяйственных вертолетах «датчик» уровня химической смеси - прозрачная трубка вдоль остекления кабины (показана стрелками)
Для того чтобы система контроля дифференциального расхода химической жидкости была применима, она должна содержать легкие простые дешевые и малогабаритные датчики расхода. В условиях высокой агрессивности среды целесообразно использовать бесконтактные методы измерений. Это также помогает не создавать дополнительного гидравлического сопротивления в распылительном оборудовании. При анализе возможных принципов действия элементов, идентифицирующих движение рабочей смеси, рассматривалась возможность использования датчиков ЭДС, сопротивления, индукционных и термодинамических. В условиях небольшого расхода жидкости, характерного для распылительных штанг, наиболее подходящим по сумме критериев эффективности может оказаться термодинамический принцип. Он основан на зависимости потребления нагревателем мощности от условий охлаждения.
Если пренебречь теплом, отдаваемым нагревателем в окружающую среду, то уравнение теплового баланса (расход тепла, потребляемого нагревателем, и тепло, сообщенное потоку) будет равно
qt = kQmC(tн -1 ж ), (1)
где qt- количество теплоты, отдаваемое нагревателем в единицу времени, т.е. тепловая мощность; к - поправочный коэффициент на неравномерность распределения температур и скоростей потока по сечению трубы; Qm - массовый расход жидкости; С - удельная теплоемкость; 1 н - температура нагревателя; 1 ж - температура жидкости.
Как видно из (1), наибольшая точность калориметрического расходомера будет в условиях стабилизации температур нагревателя и жидкости. Чем больше разница этих температур, тем выше чувствительность датчиков. Если температура растворов химикатов зависит от внешних условий, то температура нагревателя связана с его технической конструкцией. Для уменьшения веса датчика и упрощения конструкции предложено в качестве нагревателя использовать по-зисторную керамику как терморезистор с положительным температурным коэффициентом. Эта керамика резко (на несколько порядков) увеличивает свое сопротивление при нагревании. Если нагрев осуществляется пропускаемым через позистор током, то возникает автоматическая стабилизация температуры керамики. При этом потребляемая ей мощность резко падает. Большая крутизна графика зависимости сопротивления от температуры характеризует позистор. Она же обуславливает лишь незначительное изменение температуры нагревателя даже при значительных изменениях условий охлаждения этого датчика. Поэтому в данном случае мерой расхода жидкости будет мощность, потребляемая позистором.
Конструкция датчика показана на рис. 2. Датчик содержит тонкостенную металлическую трубку 1, к которой с наружной стороны присоединен нагревательный элемент 2. С противоположных концов трубка герметично соединена со штуцерами 3. Для обеспечения необходимой прочности и теплоизоляции пространство над трубкой заполнено армирующей обмоткой, сделанной из прочной капроновой нити 4. Общая прочность конструкции обеспечивается кольцом 5, которое жестко соединено со штуцерами 3.
5
Благодаря тому, что размеры и мощность позисторного нагревателя малы, он не может существенно изменить температуру жидкости во время работы летательного аппарата. Однако потребляемая им мощность зависит от состояния движения раствора. Наружная сторона позис-тора окружена теплоизолирующим слоем, что снижает теплопередачу в атмосферу, а отвод тепла по трубке незначителен, так как ее толщина выбрана малого размера. В общем виде мощность, подводимая к позистору, равна
Р = и • I, (2)
где И - напряжение сети; I - потребляемый ток.
В условиях теплового равновесия эта мощность равна (1). Приравнивая выражения, получается
И • 1СТ = к0тС(1 н -1 ж), (3)
где 1ст - ток позистора, соответствующий состоянию температурной стабилизации.
Как видно из (3), если принять напряжение сети постоянным, то потребляемый позистором ток будет определяться в основном массовым расходом жидкости Qm
И • I
Qm =_„„ = К • 1ст , (4)
кС(1 н - С)
где К - тарировочный коэффициент датчика.
Позисторный датчик расхода химического раствора работает следующим образом. При отсутствии жидкости в трубопроводе отвод тепла от позистора минимален, что выводит последний на режим температурной стабилизации. Потребление тока резко снижается. В этом случае подается сигнал об отсутствии жидкости на датчике (она закончилась или произошла поломка оборудования).
При наличии неподвижной жидкости теплоотвод увеличивается до некоторого значения, а потребляемая мощность возрастает. Этот уровень тока можно принять за исходный, т.е. соответствующий отсутствию течения жидкости. Ее поток значительно увеличивает теплоотвод. Степень увеличения теплоотвода определяет величину мощности, потребляемой позистором. Чем выше расход жидкости, тем больше уровень выходного сигнала. Сигналы, полученные от датчиков, расположенных на входе в каждую распылительную штангу, могут выводиться как на индикатор в кабине пилота, так и в устройство контроля сельскохозяйственной аппаратуры. Устройство, совмещенное с высокочастотной спутниковой навигационной системой, магнитометром, измерителем воздушных сигналов, может пересчитывать текущие данные опрыскива-
ния каждой штангой в зависимости от атмосферных условий. Кроме того, оно выдает пилоту корректирующую информацию или накапливает ее для последующего анализа качества обработки полученных записей. В случае вывода корректирующей информации непосредственно летчику, она должна быть представлена в аналоговом виде. Это позволит упростить ее визуальный анализ в полете на предельно малой высоте. Накопленная информация о качестве опрыскивания полей может быть передана сельхозпроизводителям.
Для проверки результатов расчетов и калибровки позисторного датчика проводились исследования на стендовой измерительной установке (рис. 3). Она представляет собой комплекс трубопроводов и регулировочных заслонок, соединенных по кольцевой схеме, в которую встроен насос, эталонный и тестируемый датчики.
Рис. 3. Внешний вид измерительной проливной установки
Схема измерительной установки показана на рис. 4. Центробежный насос 1 предназначен для создания потока жидкости в трубопроводах установки. Емкость 2 необходима для обеспечения стабильности работы установки и устранения возможной кавитации на лопатках насоса, возникающей из-за нехватки жидкости. Компенсационная емкость 3 сглаживает неустойчивости потока, создаваемые насосом. С помощью заслонок 4, 5, регулируя их пропускную способность, можно установить требуемый расход жидкости в трубопроводе с датчиками. Через спускной вентиль 6 происходит наполнение установки жидкостью и удаление воздуха, попавшего в установку при ее заполнении. Проход жидкости измеряется эталонным датчиком 7, проверенным и оттарированным в «Центре стандартизации и метрологии», и тестируемым датчиком 8. Сливной вентиль 9 служит для спуска рабочей жидкости перед демонтажом установки или сменой тестируемого датчика. Опоры 10 поддерживают элементы установки в рабочем положении. Трубопровод 11 передает поток жидкости по кольцевой схеме.
Работа установки осуществлялась следующим образом: через вентиль 6 производится заполнение полостей установки рабочей жидкостью. Попавший в установку с потоком жидкости воздух выводится через вентиль 6. Далее включается насос 1, который начинает перекачивать жидкость из емкости 2 по трубопроводу через измерительные приборы и другие его звенья обратно в емкость 2. Насос перекачивает до 25 л жидкости в секунду. Регулировкой заслонок 4 и 5 можно добиться изменения параметров расхода практически от 0 (задвижка 4 полностью закрыта, а задвижка 5 полностью открыта) до максимального значения - 25 л, когда задвижка 4 полностью открыта, а задвижка 5 полностью закрыта.
4 7 з 15 6 2
Рис. 4. Принципиальная схема измерительной установки
Экспериментальное исследование позисторного расходомера осуществлялось в два этапа. На первом - выяснялись электрические характеристики позисторного элемента с целью определения их зоны чувствительности. Для этого исследовались два типа позисторов, которые предлагается использовать в датчиках в качестве активных элементов. К собранному экспериментальному образцу датчика поочередно подключали сначала позистор первого типа, затем - второго. На активные элементы подавали напряжение и снимали установившиеся значения амперной характеристики. Это делалось для того, чтобы выявить зону максимальной чувствительности элементов, т. е. определить при каких значениях подаваемого напряжения амперные характеристики имеют максимальное значение. На втором этапе исследовался позисторный датчик, включенный в диапазоне его максимальной чувствительности.
В ходе первого эксперимента удалось выяснить, что зона максимальной чувствительности исследуемых позисторов находится в пределах 30 - 33,5 В, а позистор второго типа (табл. 1) более чувствителен.
Таблица 1
Характеристики чувствительности позисторных элементов
и (В) 25 32 33,5 36 45 60
І1 (А) 19,4 21,2 27 25 19 11,1
І2 (А) 21,3 28 31,3 30,5 23 14,3
По результатам второго эксперимента с бесконтактным датчиком, основанном на позисторе второго типа, были получены данные (табл. 2). Этот чувствительный элемент был изготовлен в Ростовском институте математики и прикладной механики. В эксперименте использовалось опорное напряжение 32В.
Таблица 2
Зависимости амперной характеристики позисторного датчика от расхода жидкости
0 (л/с) 4 6 8 10 12 14 16 18
I (А) 21,4 22,1 23,4 24,5 25 25,4 26,1 27,5
1(A)
20 -I-------------------------------------------------------I
4 6 8 10 12 14 16 18 Q(n/C)
Рис. 5. График зависимости амперных характеристик датчика от расхода жидкости
Для получения эмпирических зависимостей данные были обработаны собственным программным обеспечением. Полученная полиномная функция (5) показала неплохую сходимость, что позволяет использовать ее в программном обеспечении контроллера обработки данных позистора
Q = 0,000875I4 - 0,0362113 + 0,51 1 1I2 - 2,4138I + 24,85. (5)
Таким образом, результаты, полученные в стендовых экспериментах, позволяют констатировать, что для дифференцированного контроля расхода жидкости в каждой опрыскивающей штанге могут быть использованы бесконтактные датчики с позисторными чувствительными элементами. Такие датчики могут быть весьма простыми, долговечными и не создающими дополнительного гидравлического сопротивления в опрыскивающей системе. Контроль дифференцированного расхода, совмещенный с высокочастотной спутниковой навигационной системой, магнитометром, измерителем воздушных сигналов, может обеспечить пересчет текущих данных опрыскивания, зависящего от атмосферных условий. Данные могут выдать пилоту корректирующую информацию в реальном масштабе времени или накопить ее для последующего анализа качества обработки полей сельхозпроизводителем или эксплуатантом авиатехники. Более того, создание управляющей системы на базе такого дифференцированного контроля позволит регулировать подачу жидкости в каждую штангу отдельно. В результате существенно выровнится плотность оседания химикатов и повысится качество обработки поля.
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF SPRAYING EQUIPMENT SENSORS OF AIR VEHICLES
Dudnik V.V.
This article shows possibilities of foundation of simple and reliable sensor of chemical liquid consumption of agricultural air vehicles. Author offers remote sensor with pozistor sensation element. Results of it experiments by spill plant are presented.
Key words: helicopter, aviation chemical works, quality of crop dusting, liquid consumption.
Сведения об авторе
Дудник Виталий Владимирович, 1969 г.р., окончил ХАИ (1994), кандидат технических наук, начальник сектора организации и сопровождения Донского государственного технического университета, автор 50 научных работ, область научных интересов - винтокрылые летательные аппараты, применение сверхлегких воздушных судов для решения различных задач, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний.
