Схема. Сигнализатор обледенения

В отличие от большинства схожих по назначению приборов, описанных в [1, 2]. в предлагаемом вниманию читателей использован бесконтактный оптический метод дистанционного контроля наличия льда, наиболее близкий к предложенному в [3] и используемому в противообледенительных системах летательных аппаратов [4]. Но рассматриваемый метод реализуется проще и может найти применение во многих других областях [5].

Основные технические характеристики

Толщина обнаруживаемого льда, мм, не менее ……………………0.1
Максимальная дистанция обнаружения льда, м, не енее ……………..1
Частота повторения зондирующих импульсов кГц……………….30…80
Мощность импульсов, мВт, не более……………………………..1
Длина волны излучения, мкм ……………………………630…680
Напряжение питания, В………………………………………27±3
Ток потребления передающего устройства. мА, не более ……………80
Ток потребления приемного устройства. мА. не более …………….50

Устройство и работу сигнализатора иллюстрирует рис. 1. Его передающее устройство состоит из генератора импульсов, усилителя их мощности и оптического излучателя Световые зондирующие импульсы, пройдя через объектив и поляризатор, достигают поверхности, слой льда на которой предстоит обнаружить. Отраженный луч. пройдя через поляризатор и объектив приемного устройства, преобразуется фотоприемником в электрические импульсы, которые после усиления и детектирования обрабатываются интегратором и пороговым устройством, к выходу которого подключен узел индикации обледенения.

Поляризаторы приемного и передающего устройств взаимно ориентированы так, чтобы в отсутствие льда на поверхности уровень зондирующих импульсов на входе фотоприемника был минимальным Слой льда поворачивает плоскость поляризации проходящего сквозь него луча света, и полного подавления импульсов приемным поляризатором уже не происходит. Как только амплитуда сигнала на выходе усилителя превысит заданное значение, срабатывает пороговое устройство и формируются световой и звуковой сигналы, оповещающие о начавшемся обледенении. После естественного или принудительного удаления льда устройство возвращается в исходное состояние.

Схема электронного блока передающего устройства изображена на рис. 2. Генератор импульсов здесь собран на логических элементах DD1.1 и DD1.4. Их частоту регулируют подстроечным резистором R2. Элементы DD1.2, DD1.3 и транзистор VT1 усиливают импульсы, а излучает их полупроводниковый лазер B11. Резистор R5 ограничивает ток лазера, стабилитрон VD2 защищает его от превышения допустимого напряжения.

Узел питания передатчика состоит из интегрального стабилизатора DA1 и гасящего излишек напряжения на его входе стабилитрона VD1 Конденсаторы С1 и С2 сглаживают пульсации напряжения, вызванные импульсным характером тока нагрузки. Светодиод HL1 — индикатор включения передающего устройства.

Электронный блок приемного устройства собран по схеме, показанной на рис. 3. Фотодиод VD1 преобразует оптическое излучение в электрический сигнал. Усилитель этого сигнала выполнен на ОУ DА1 и DА2 Делитель напряжения R6R9 задает смещение на неинвертирующих входах ОУ Резисторы R2, R3, R5 и конденсатор С2 образуют цепь отрицательной обратной связи первого а резисторы R7 и R10 — второго ОУ. Конденсаторы С1 СЗ — разделительные.

Детектор и интегратор образованы диодами VD2, VD3, конденсаторами С6 С7 и резисторами R14, R15. Пороговое устройство собрано на компараторе напряжения DA3. Порог его срабатывания регулируют подстроечным резистором R16 Узел индикации состоит из мигающего светодиода HL2, резистора R17 и излучателя звука со встроенным генератором BF1.

Подаваемое на блок напряжение питания 27 В понижает до 15 В интегральный стабилизатор DA4. Этим напряжением питается компаратор DA3 с узлом сигнализации. Для ОУ DA1 и DA2 напряжение еще раз понижается, на этот раз до 9 В, интегральным стабилизатором DA5 Светодиод HL1 сигнализирует о включении приемного блока.
Оба блока смонтированы на макетных платах каждая из них помещена в отдельный корпус, В качестве поляризаторов использованы фрагменты обладающей поляризующими свет свойствами пленки, которой покрыта поверхность ЖК индикаторов.

Полупроводниковый лазер взят из лазерной указки. Его пришлось доработать — снабдить выводами для подключения к электронному блоку. Из указки взят и объектив передатчика.

Объектив приемного устройства — небольшая линза, установленная так, чтобы принятый луч был сфокусирован на приемном окне фотодиода, перед которым для защиты от паразитной засветки установлен светофильтр красного цвета. Фотодиод ФД-7К допустимо заменить на ФД-17К, ФД-18К.ФД-24К.

Диоды Д9В можно заменить Д9Г— Д9Л или другими маломощными германиевыми диодами, а вместо стабилитрона Д814Д установить Д814Б— Д814Г. Светодиоды АЛ307ВМ заменят любые имеющиеся подходящего размера и цвета свечения. Мигающие светодиоды на замену L-816B также несложно найти в продаже. Звуковой сигнализатор НА1 — НСМ1212Х, его можно заменить излучателем большего диаметра НСМ1612Х.

Микросхема К561ЛА7 заменяется любым функциональным аналогом из отечественных или импортных серий микросхем структуры КМОП, например, К176ЛА7 или CD4011. Полные аналоги микросхемы 1407УДЗ можно найти в отечественных сериях К1407 и КР1407. Компаратор К554САЗ может быть заменен отечественным 521САЗ или импортным LM311 с учетом различий в типе корпуса и цоколевке. Стабилизаторы КР142ЕН8А и КР142ЕН8В — аналоги импортных соответственно серий 7809 и 7815.

При налаживании сигнализатора частоту зондирующих импульсов подстроечным резистором R2 устанавливают приблизительно равной 50 кГц. В наличии излучения убеждаются визуально. Хотя мощность примененного лазера невелика, следует избегать попадания его прямого или отраженного луча непосредственно в глаза. Передатчик и приемник ориентируют относительно контролируемой поверхности, а приемный поляризатор — относительно передающего так, чтобы в отсутствие льда амплитуда сигнала на выходе ОУ DA2 (рис. 3) была минимальной, а при его наличии — максимальной. Максимума добиваются и изменением расстояния между объективом приемника и чувствительной поверхностью фотодиода VD1. Если поверхность контролируемого объекта не имеет достаточной отражательной способности, на ней в точке отражения луча нужно закрепить рефлектор — небольшое плоское зеркало из отполированного алюминиевого сплава.

Подстроечными резисторами R5 и R16 добиваются срабатывания сигнализатора при заданной толщине слоя льда. Во время предварительных экспериментов лед можно имитировать, помещая на пути луча полиэтиленовую пленку. Но окончательно регулируют сигнализатор при реальном обледенении поверхности контролируемого объекта. Если этот объект прозрачен, сигнализатор может работать в режиме прямого, а не отраженного луча. Для этого передающее и приемное устройства нужно разместить по разные стороны объекта, сориентировав их соответствующим образом.

Следует заметить, что такой сигнализатор может быть использован не только для обнаружения льда, но и для обнаружения и подсчета любых предметов изготовленных из изменяющих поляризацию света материалов [6 7]

ЛИТЕРАТУРА
1. Summer E. Ice warning indicator monitors road conditions. —    www.diagram.com.ua/list/avt-b73.shtml
2. Якименко С. Сигнализатор обледенения    на    микроконтроллере.    —       www.ut2hi.qrz.ru/UT2HI/so.htm
3. Коннов В., Фомкин А. Оптоэлектрон-ный сигнализатор обледенения   Патент РФ № 2332724. — Бюллетень «Изобретения. Полезные модели», 2008. № 24.
4. Тенишев Р., Строганов Б. и др. Про-тивообледенительные системы летательных аппаратов. Основы проектирования и методы испытаний. — М.: Машиностроение, 1967.
5. Системы антиобледенения. —    www.thermo-samara.ru/m1/santi.html
6. Оптические бесконтактные выключатели. —    www.owenkomplekt.ru/index.php?categorylD=150
7. Пароль Н., Кайдалов С. Фоточувствительные приборы и их применение. — М Радио и связь, 1991.

«Радио» №8 2010г.
О. ИЛЬИН, г. Казань