BR102022003016A2

BR102022003016A2 - Sistema, e, método para prever falha de um elemento referência cruzada a pedidos relacionados

Info

Publication number: BR102022003016A2
Application number: BR102022003016-2A
Authority: BR
Inventors: Kaare Josef Anderson; Magdi A Essawy
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc.
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2022-10-04
Also published as: CA3148507A1; EP4067911A1; US20220317203A1; US11914003B2

Abstract

O aparelho e métodos associados referem-se à previsão falha e/ou estimativa de vida útil remanescente de um aquecedor de sonda de dados aéreos. A falha é prevista ou a vida útil é estimada com base em uma métrica elétrica da energia elétrica de operação fornecida a um elemento de aquecimento por resistência do aquecedor de sonda de dados aéreos. A métrica elétrica do aquecedor de sonda de dados aéreos é um ou mais dentre: i) relação de fase entre a tensão através do elemento de aquecimento por resistência e a corrente de fuga, que é conduzida do elemento de aquecimento por resistência para um invólucro condutor que circunda o elemento de aquecimento por resistência; ii) um perfil no domínio do tempo da corrente de fuga através do isolamento do elemento de aquecimento durante um ciclo de energia completo; e/ou iii) componentes de alta frequência da corrente elétrica conduzida pelo elemento de aquecimento por resistência e/ou a voltagem através do elemento de aquecimento por resistência.

Description

SISTEMA, E, MÉTODO PARA PREVER FALHA DE UM ELEMENTO REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido está relacionado aos seguintes pedidos de patentes U.S. depositados simultaneamente com este instrumento: i) Pedido de patente U.S. N° TBD, arquivo do procurador N° U200-012245, intitulado ”Air Data Probe Heater Failure Prediction”, por Kaare Josef Anderson e Magdi A. Essawy; e ii) Pedido de patente U.S. N° TBD, arquivo do procurador N° U200-012246, intitulado ”Air Data Probe Heater Failure Prediction”, por Kaare Josef Anderson e Magdi A. Essawy. Ambos os pedidos de patente U.S. citados acima e relacionados são incorporados neste documento por referência em sua totalidade.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Falhas inesperadas de sondas de dados aéreos, como sondas Pitot e sondas de temperatura total do ar, podem levar a atrasos nos voos e custos relacionados para os operadores de aeronaves. As sondas de dados aéreos normalmente incluem elementos de aquecimento por resistência para evitar problemas operacionais relacionados ao acúmulo de gelo em voo. Um dos tipos mais comuns de falhas em sondas de dados aéreos é a falha do elemento de aquecimento por resistência. A capacidade de prever uma falha futura do elemento de aquecimento por resistência em sondas de dados aéreos permitiria e facilitaria a manutenção preventiva a ser realizada sem causar atrasos nos voos.

[003] O elemento aquecedor em uma sonda de dados aéreos geralmente consiste em um fio do aquecedor por resistência circundado por um isolante e encapsulado dentro de um invólucro metálico. O isolante cria uma resistência elétrica muito alta entre o invólucro metálico (geralmente conectado eletricamente ao corpo da sonda) e o próprio fio do aquecedor. A presença do fio do aquecedor, isolante e invólucro metálico também cria uma capacitância entre o invólucro e o fio do aquecedor. A combinação da resistência de isolamento e a capacitância do invólucro do fio cria um caminho para a corrente de fuga fluir do fio do aquecedor para o invólucro quando uma tensão é aplicada ao elemento de aquecimento.

[004] O aparelho e métodos associados referem-se a um sistema para prever falhas e/ou estimar a vida útil remanescente de um elemento de aquecimento por resistência de uma sonda de dados aéreos. O sistema inclui uma fonte de energia elétrica, um sensor elétrico, um comparador de sinal e um motor de previsão de vida-útil remanescente. A fonte de energia elétrica fornece energia elétrica de operação ao elemento de aquecimento por resistência. O sensor elétrico detecta a tensão e/ou corrente da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência. O comparador de sinal determina uma relação de fase de uma corrente de fuga em relação à tensão e/ou corrente da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência. O motor de previsão de vida-útil remanescente estima uma vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base na relação de fase determinada.

[005] Algumas modalidades referem-se a um método para prever a falha de um elemento de aquecimento por resistência de uma sonda de dados aéreos. O método inclui fornecer, por meio de uma fonte de energia elétrica, energia elétrica de operação ao elemento de aquecimento por resistência. O método inclui detectar, por meio de um sensor elétrico, a tensão e/ou corrente da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência. O método inclui determinar, por meio de um comparador de sinal, uma relação de fase de uma corrente de fuga em relação à tensão e/ou corrente da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência. O método também inclui estimar, por meio de um motor de previsão de vida-útil remanescente, uma vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base na relação de fase determinada.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[006] A FIG. 1 é um diagrama esquemático de uma aeronave equipada com um sistema para prever falhas e/ou estimar a vida útil restante de um aquecedor de sonda de dados aéreos.

[007] A FIG. 2 é um gráfico de um diagrama em corte transversal de um elemento de aquecimento por resistência juntamente com material isolante coaxial e um invólucro condutor coaxial.

[008] A FIG. 3 é um circuito esquemático simplificado que demonstra o comportamento de fuga de um elemento de aquecimento por resistência polarizado por uma fonte de energia elétrica.

[009] As FIGS. 4A-4C são gráficos de corrente de fuga e tensão elétrica CA de energia de operação fornecida a um elemento de aquecimento por resistência, para várias condições de saúde de um elemento de aquecimento por resistência.

[0010] A FIG. 5 é um gráfico da relação de corrente de fuga para tensão na energia de operação fornecida a um elemento de aquecimento por resistência como uma função da temperatura.

[0011] A FIG. 6 é um gráfico de dados de atraso de fase de corrente de fuga adquiridos ao longo da vida útil de um elemento de aquecimento por resistência.

[0012] A FIG. 7 é um gráfico de vários comportamentos de partida para corrente de fuga de energia de operação fornecida a um elemento de aquecimento por resistência.

[0013] A FIG. 8 é um gráfico de ruído de alta frequência na corrente elétrica CA fornecida a um elemento de aquecimento por resistência mostrando degradação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0014] O aparelho e métodos associados referem-se à previsão falha e/ou estimativa de vida útil remanescente de um aquecedor de sonda de dados aéreos. A falha é prevista ou a vida útil é estimada com base em uma métrica elétrica da energia elétrica de operação fornecida a um elemento de aquecimento por resistência do aquecedor de sonda de dados aéreos. A métrica elétrica do aquecedor de sonda de dados aéreos é um ou mais dentre: i) relação de fase entre a tensão através do elemento de aquecimento por resistência e a corrente de fuga, que é conduzida do elemento de aquecimento por resistência para um invólucro condutor que circunda o elemento de aquecimento por resistência; ii) um perfil no domínio do tempo da corrente de fuga através do isolamento do elemento de aquecimento durante um ciclo de energia completo; e/ou iii) componentes de alta frequência da corrente elétrica conduzida pelo elemento de aquecimento por resistência e/ou a voltagem através do elemento de aquecimento por resistência.

[0015] A FIG. 1 é um diagrama esquemático de uma aeronave equipada com um sistema para prever falhas e/ou estimar a vida útil restante de um aquecedor de sonda de dados aéreos. Na FIG. 1, a aeronave 10 inclui o motor 12, que aciona o gerador elétrico 14 de modo a fornecer energia elétrica de operação para vários sistemas elétricos alimentados a bordo da aeronave 10. A aeronave 10 também está equipada com vários sensores de sonda de dados aéreos, incluindo o sensor de sonda de dados aéreos 16. O sensor de sonda de dados aéreos 16 é um sistema elétrico alimentado pelo sistema de distribuição de energia de aeronave 18. O sensor de sonda de dados aéreos 16 recebe energia de operação da fonte de energia de aeronave 18 por meio do cabo de energia elétrica de operação 20. A aeronave 10 também está equipada com sistema de monitoramento de saúde 22, que prevê falha e/ou estima a vida útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência 24 do sensor de sonda de dados aéreos 16. Na modalidade representada, o sistema de monitoramento de saúde 22 é configurado para prever falha e/ou estimar a vida útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência 24 com base em uma métrica elétrica de energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24.

[0016] Embora o sistema de monitoramento de saúde 22 preveja falha e/ou estime a vida útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência 24 para qualquer um de uma variedade de sensores de sonda de dados aéreos, na modalidade representada, o sensor de sonda de dados aéreos 16 detecta a pressão do ar. Vários sensores de sonda de dados aéreos detectam a pressão do ar com a finalidade de determinar várias métricas de dados aéreos, como velocidade do ar, altitude, ângulo de ataque, etc. Na modalidade representada, o sensor da sonda de dados aéreos 16 é um detector de velocidade em relação ao ar de tubo Pitot que inclui elemento de aquecimento por resistência 24 e sensor de sonda de dados aéreos de pressão ram 26. O elemento de aquecimento por resistência 24 é configurado para evitar o congelamento do sensor de sonda de dados aéreos 16 quando a aeronave 10 está operando em uma atmosfera na qual o acúmulo de gelo pode ocorrer.

[0017] O sistema de monitoramento de saúde 22 inclui fonte de energia elétrica 28, sensor elétrico 30 e motor de previsão de vida-útil remanescente 32. A fonte de energia elétrica 28 converte a energia elétrica recebida da fonte de energia da aeronave 18 em uma ou mais configurações de energia diferentes para uso pelo sensor de sonda de dados aéreos 16 e/ou elemento de aquecimento por resistência 24. O sensor elétrico 30 é configurado para detectar uma métrica elétrica da energia de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24. A métrica elétrica detectada pelo sensor elétrico 30 é pelo menos uma dentre: i) relação de fase entre a corrente elétrica conduzida do elemento de aquecimento por resistência para seu invólucro condutor circundante e a tensão através do elemento de aquecimento por resistência; ii) um perfil no domínio do tempo durante um ciclo de energia completo da corrente de fuga conduzida do elemento de aquecimento por resistência para seu invólucro condutor circundante ou a tensão através do elemento de aquecimento por resistência; e/ou iii) componentes de alta frequência da corrente elétrica conduzida pelo elemento de aquecimento por resistência e/ou da tensão através do elemento de aquecimento por resistência.

[0018] O motor de previsão de vida-útil remanescente 32 prevê falha e/ou estima a vida útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência 24 com base na métrica elétrica detectada pelo sensor elétrico 30. Cada uma das várias métricas elétricas descritas acima pode ser indicativa da saúde do elemento de aquecimento por resistência 24. Cada uma dessas métricas elétricas descritas deve ser adicionalmente descrita abaixo, juntamente com a relação que essas métricas elétricas têm com a saúde do elemento de aquecimento por resistência 24, com referência às FIGS. 2-8.

[0019] A FIG. 2 é um gráfico de um diagrama em corte transversal de um elemento de aquecimento por resistência juntamente com material isolante coaxial e um invólucro condutor coaxial. O elemento de aquecimento por resistência 24 é projetado para ter uma relação de resistência-temperatura específica. A temperatura do elemento de aquecimento por resistência 24 pode ser determinada com base em uma determinação da resistência elétrica do elemento de aquecimento por resistência 24. Por exemplo, a resistência elétrica do elemento de aquecimento por resistência 24 pode aumentar monotonicamente com o aumento da temperatura. Para tal relação de resistência-temperatura, a temperatura do elemento de aquecimento por resistência 24 é uma função da resistência do elemento de aquecimento por resistência 24. O material isolante coaxial 34 fornece isolamento elétrico entre o elemento de aquecimento por resistência 24 e o invólucro condutor coaxial circundante 36. Tal isolamento elétrico permite que o elemento de aquecimento por resistência 24 seja eletricamente polarizado independentemente do invólucro condutor coaxial 36, que é tipicamente aterrado.

[0020] A FIG. 3 é um circuito esquemático simplificado que demonstra o comportamento de fuga de um elemento de aquecimento por resistência polarizado por uma fonte de energia elétrica. Na FIG. 3, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia de operação ao elemento de aquecimento por resistência 24. O elemento de aquecimento por resistência 24 tem um caminho de fuga 38 em um local específico ao longo de um comprimento do elemento de aquecimento por resistência 24. O modelo de parâmetro agrupado simplificado do elemento de aquecimento por resistência 24 tem porções em ambos os lados do local específico ao longo de seu comprimento, conforme representado pelo primeiro resistor de aquecimento RH1 e pelo segundo resistor de aquecimento RH2. Embora apenas um caminho de fuga seja representado, cada seção do elemento de aquecimento por resistência 24 pode ser modelada com tal caminho de fuga. O caminho de fuga 38 é modelado como resistência de fuga RLKG em paralelo com a capacitância de fuga Clkg.

[0021] Os valores de resistência de fuga RLKG e capacitância de fuga CLKG podem mudar ao longo do tempo por uma variedade de motivos. Por exemplo, o material isolante coaxial 24 (representado na FIG. 2) pode se degradar, proporcionando maior condutividade e/ou acoplamento capacitivo alterado entre o elemento de aquecimento por resistência 24 e o invólucro condutor coaxial circundante 36. Esses dois mecanismos - aumento da condutividade e/ou aumento do acoplamento capacitivo - são representados como resistor de fuga RLKG e capacitor de fuga CLKG, respectivamente. O mecanismo primário em resposta à degradação do material isolante 34 é o aumento da condutividade (ou seja, resistência de fuga reduzida RLKG). Conforme a resistência de fuga RLKG diminui (por exemplo, devido à degradação de material isolante 34), o caráter do caminho de fuga muda de ser principalmente capacitivo para mais resistivo.

[0022] Alterações na resistência de fuga Rlkg e/ou capacitância de fuga Clkg do caminho de fuga 38 alteram o comportamento elétrico do elemento de aquecimento por resistência 24. Quando o caminho de fuga é principalmente capacitivo (por exemplo, quando o material isolante não é degradado), o elemento de aquecimento por resistência 24 e o invólucro condutor coaxial 36 são principalmente acoplados capacitivamente entre si (ou seja, Rlkg é muito grande). Assim, a relação de fase entre a corrente de fuga e a tensão através do elemento de aquecimento por resistência 24 estará principalmente fora de fase (por exemplo, cerca de 90 graus). Para acoplamento capacitivo, a corrente elétrica lidera a tensão. Mas quando um curto se desenvolve entre o elemento de aquecimento por resistência 24 e o invólucro condutor coaxial 36, o ângulo de fase ficará menos fora de fase, pois o acoplamento entre o elemento de aquecimento por resistência 24 e o invólucro condutor coaxial 36 se torna mais condutor (ou seja, a resistência de fuga Rlkg se torna menor) e menos capacitivo.

[0023] As FIGS. 4A-4C são gráficos de corrente elétrica CA de energia de operação fornecida a um elemento de aquecimento por resistência e corrente de fuga, para várias condições de saúde de um elemento de aquecimento por resistência. Na FIG. 4A, gráfico 40 inclui eixo horizontal 42, eixo vertical 44, relação de tensão-tempo 46 e relação de corrente-tempo 48. O eixo horizontal 42 é indicativo de tempo. O eixo vertical 44 é indicativo de tensão e corrente de fuga. A relação de tensão-tempo 46 representa o comportamento temporal da tensão através do elemento de aquecimento por resistência 24 (conforme representado na FIG. 3). Na relação de tensão-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia de operação CA ao elemento de aquecimento por resistência 24. Na FIG. 4A, a relação de corrente de fuga-tempo 48 está principalmente fora de fase com relação de tensão-tempo 46. A relação de corrente de fuga-tempo 48 conduz a relação de tensão-tempo 46 em cerca de 90 graus. Tal relação ocorre quando o capacitor de fuga Clkg é muito grande em comparação com o caminho de resistência (por exemplo, a impedância associada ao capacitor de fuga Clkg é um contribuinte dominante para a corrente de fuga na frequência da energia de operação CA - a resistência de isolamento neste caso é bastante grande e tem uma contribuição muito menor para a corrente de fuga). Tal relação de fase é indicativa de pouca ou nenhuma degradação do material isolante 34.

[0024] Na FIG. 4B, o gráfico 50 inclui eixo horizontal 52, eixo vertical 54, relação de tensão-tempo 56 e relação de corrente de fuga-tempo 58. O eixo horizontal 52 é novamente indicativo de tempo. O eixo vertical 54 é indicativo de tensão e corrente de fuga. A relação de tensão-tempo 56 representa o comportamento temporal da tensão através do elemento de aquecimento por resistência 24 (conforme representado na FIG. 3). Na relação de tensão-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia de operação CA ao elemento de aquecimento por resistência 24. Na FIG. 4B, a relação de corrente de fuga-tempo 58 não está em fase com a relação de tensão-tempo 56. A relação de corrente de fuga-tempo 58 conduz a relação de tensão-tempo 56 em cerca de 45 graus. Tal relação pode ocorrer quando a impedância do capacitor de fuga Clkg é comparável à impedância do resistor de fuga Rlkg na frequência da energia de operação CA. Tal relação de fase é indicativa de alguma degradação do material isolante 34.

[0025] Na FIG. 4C, o gráfico 60 inclui eixo horizontal 62, eixo vertical 64, relação de tensão-tempo 66 e relação de corrente de fuga-tempo 68. O eixo horizontal 62 é novamente indicativo de tempo. O eixo vertical 64 é indicativo de tensão e corrente de fuga. A relação de tensão-tempo 66 representa o comportamento temporal da tensão através do elemento de aquecimento por resistência 24 (conforme representado na FIG. 3). Na relação de tensão-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia de operação CA ao elemento de aquecimento por resistência 24. Na FIG. 4C, a relação de corrente de fuga-tempo 48 está principalmente na fase com relação de tensão-tempo 66. Tal relação ocorre quando o material isolante 34 fica comprometido (por exemplo, muito fino ou inexistente em alguns lugares).

[0026] A temperatura também afeta a relação de fase da corrente elétrica e a tensão para um elemento de aquecimento por resistência degradado. Tal dependência de temperatura pode ocorrer por uma variedade de motivos. Por exemplo, conforme o elemento de aquecimento por resistência 24 aquece, a condutância de fuga (ou seja, inverso de RLKG) pode diminuir conforme a umidade é afastada do material isolante coaxial 34. Esta diminuição na condutância de fuga 1/RLKG pode fazer com que a relação de fase entre corrente de fuga e tensão através do elemento de aquecimento por resistência 24 fique um pouco mais fora de fase (por exemplo, entre uma mudança de 10 e 30 graus de sua relação de fase de temperatura fria inicial). Além disso, pode ocorrer uma dependência de temperatura porque a qualidade isolante do material isolante 34 pode mudar em função da temperatura. Assim, entender a dependência normal da temperatura da relação de fase de corrente de fuga-tensão pode ajudar a identificar quando tal relação de fase é anormal.

[0027] A FIG. 5 é um gráfico da relação de corrente de fuga para tensão na energia de operação fornecida a um elemento de aquecimento por resistência como uma função da temperatura. Na FIG. 5, o gráfico 70 inclui eixo horizontal 72, eixo vertical 74 e relação de fase de corrente de fuga-tensão 76. O eixo horizontal 72 é indicativo de temperatura. O eixo vertical 74 é indicativo do ângulo de atraso de fase da corrente de fuga em relação à tensão da energia de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24 (representado na FIG. 2). A relação de fase de corrente de fuga-tensão 76 indica que em baixas temperaturas, a corrente elétrica é atrasada em cerca de -90 graus (ou seja, a corrente elétrica conduz a tensão em cerca de 90 graus). Conforme a temperatura aumenta, o atraso de fase da corrente de fuga aumenta (ou seja, diminui em magnitude negativa). Tal mudança grande na relação de fase é indicativa de uma sonda, na qual o material isolante 34 foi degradado. Para uma sonda saudável, as mudanças na relação de fase devido ao aquecimento do elemento de aquecimento por resistência são tipicamente modestas (por exemplo, entre 10 e 30 graus). Em temperaturas muito quentes, o atraso de fase da corrente de fuga cruza zero graus para o elemento de aquecimento por resistência com material isolante degradado, conforme ilustrado na figura. Como o aquecimento do elemento de aquecimento por resistência pode causar alguma mudança na relação de fase, algumas modalidades do sistema de monitoramento de saúde 22 usam dados de fase de corrente de fuga-tensão adquiridos em uma temperatura padrão predeterminada. Outras modalidades do sistema de monitoramento de saúde 22 comparam medições de dados de fase de corrente de fuga-tensão com uma relação de fase de corrente de fuga-tensão predeterminada conhecida, tal como, por exemplo, relação de fase de corrente de fuga-tensão 76.

[0028] A FIG. 6 é um gráfico de dados de atraso de fase de corrente de fuga adquiridos ao longo da vida útil de um elemento de aquecimento por resistência. Na FIG. 6, o gráfico 80 inclui eixo horizontal 82, eixo vertical 84, dados de corrente de fuga 86 e projeção de corrente de fuga 88. O eixo horizontal 82 é indicativo do número do ciclo de energia do aquecedor. O eixo vertical 84 é indicativo de atraso de fase da corrente de fuga. Cada vez que o elemento de aquecimento por resistência 24 é desligado e ligado (ou seja, ligado e operado), os dados são coletados a uma temperatura de operação predeterminada, conforme a temperatura do elemento de aquecimento por resistência 24 cruza aquela temperatura de operação predeterminada. Estes dados adquiridos são representados no gráfico 80 como dados de corrente de fuga 86. Uma linha de tendência é ajustada aos dados da corrente de fuga 86 e projetada como projeção de atraso de fase da corrente de fuga 88 no gráfico 80. O número de ciclos de energia remanescentes antes de a projeção de atraso de fase da corrente de fuga 88 cruzar um limite predeterminado pode indicar uma vida útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência 24. Na modalidade representada, o limite predeterminado é zero graus, mas tal limite não precisa ser zero graus, dependendo da margem de teste de vida útil da modalidade específica.

[0029] Em vez de prever a falha e/ou estimar a vida útil remanescente de um elemento de aquecimento por resistência com base na fase de corrente de fuga-tensão da energia de operação fornecida ao mesmo, algumas modalidades preveem a falha e/ou estimam a vida útil remanescente de um elemento de aquecimento por resistência com base no comportamento de inicialização temporal das métricas elétricas da energia de operação. A FIG. 7 é um gráfico de vários comportamentos de inicialização para corrente de fuga de um elemento de aquecimento por resistência. Na FIG. 7, o gráfico 90 inclui o eixo horizontal 92, o eixo vertical 94 e as relações de corrente de fuga-tempo 96A-96C. O eixo horizontal 92 é indicativo do tempo medido desde o fornecimento inicial de energia ao elemento de aquecimento por resistência 24. O eixo vertical 94 é indicativo da corrente de fuga medida entre o elemento de aquecimento por resistência 24 e o invólucro condutor coaxial 38. Na relação de tensão-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia de operação CA ao elemento de aquecimento por resistência 24. Em tais modalidades CA, os valores RMS de corrente e energia podem ser monitorados e o comportamento de inicialização dessas métricas elétricas monitoradas são indicativos da saúde do invólucro condutor coaxial 36 e/ou material isolante coaxial 34. Um aumento nas exibições de corrente de fuga de flutuações de ruído pode indicar a presença de umidade, indicando assim danos ao invólucro condutor coaxial 36 e/ou material isolante coaxial 34. Em algumas modalidades, a energia de operação CD é fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24. Essa corrente de fuga pode ter um comportamento de inicialização que varia em resposta à condição de saúde e em resposta à presença ou ausência de umidade. As relações de corrente-tempo 96A-96C representam a corrente de fuga do elemento de aquecimento por resistência 24 conforme medido no tempo de inicialização para três ciclos de inicialização consequentes representando diferentes condições de teor de umidade: i) antes da entrada de umidade; ii) com entrada de umidade; e iii) após a entrada de umidade.

[0030] O invólucro condutor coaxial 36 é configurado para fornecer uma barreira física entre o elemento de aquecimento por resistência 24 e o material isolante coaxial 32 do ambiente atmosférico. A umidade no ambiente atmosférico pode causar degradação de cada um dos materiais isolantes coaxiais 32 e do elemento de aquecimento por resistência 24, caso tais elementos sejam expostos à umidade na atmosfera. No entanto, a integridade da barreira apresentada pelo invólucro condutor coaxial 36 pode ficar comprometida com a idade. E se o invólucro condutor coaxial 36 ficar comprometido, as correntes de fuga podem aumentar como resultado da degradação (por exemplo, desbaste, fissura, etc.) do material isolante coaxial 34. Tal degradação pode ser devido a um invólucro condutor coaxial comprometido 36 que, quando comprometido, pode permitir a entrada de umidade no material isolante coaxial 34 e no elemento de aquecimento por resistência 24. A relação de corrente-tempo 96A representa o perfil de corrente de fuga do ciclo de energia para o elemento de aquecimento por resistência 24 antes da entrada de umidade no material isolante coaxial 34 e/ou elemento de aquecimento por resistência 24. A relação de corrente-tempo 96C representa o perfil de corrente de fuga de inicialização para o elemento de aquecimento por resistência 24 após a entrada de umidade no material isolante coaxial 34 e/ou elemento de aquecimento por resistência 24. Tal entrada de umidade auxilia a condução de correntes elétricas, aumentando assim o nível de corrente de fugas até que o elemento de aquecimento térmico 34 aqueça o suficiente para afastar a umidade presente. A assíntota de corrente de estado estacionário é maior para a relação de corrente-tempo 96C do que a assintota de corrente de estado estacionário para a relação de corrente-tempo 96A. A relação de corrente-tempo 96B representa o perfil de corrente de fuga do ciclo de energia para o elemento de aquecimento por resistência 24 após a entrada de umidade no material isolante coaxial 34 e/ou elemento de aquecimento por resistência 24 (por exemplo, após a umidade ter sido expulsa do material isolante coaxial 34 por temperaturas gerado pelo elemento de aquecimento por resistência 24). A assintota de corrente de estado estacionário permanece mais alta para a relação de corrente-tempo 96B do que a assintota de corrente de estado estacionário para a relação de corrente-tempo 96A. Além disso, existem alguns picos de alta frequência sobrepostos à relação de corrente-tempo 96B, que não são exibidos na relação de corrente-tempo 96A.

[0031] Outra maneira de estimar a vida útil remanescente de um elemento de aquecimento por resistência é detectar componentes de sinal de alta frequência que são indicativos de integridade comprometida do material isolante coaxial 34 e/ou elemento de aquecimento por resistência 24. A FIG. 8 é um gráfico de ruído de alta frequência em correntes elétricas CA fornecidas a um elemento de aquecimento por resistência mostrando degradação. Na FIG. 8, o gráfico 100 inclui eixo horizontal 102, eixo vertical 104 e relações de corrente elétrica-tempo 106 e 108. O eixo horizontal 102 é indicativo de tempo. O eixo vertical 104 é indicativo da amplitude da corrente elétrica da energia de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24. A relação de corrente elétrica-tempo 106 representa o comportamento temporal da corrente elétrica da energia de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24 (conforme representado na FIG. 3), para um elemento de aquecimento por resistência com material isolante saudável 34. Na relação de corrente elétrica-tempo representada, a fonte de energia elétrica 28 fornece energia de operação CA ao elemento de aquecimento por resistência 24. A relação de corrente elétrica-tempo 108 representa o comportamento temporal da corrente elétrica da energia de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24 (conforme representado na FIG. 3), para um elemento de aquecimento por resistência com material isolante degradado 34. A principal diferença entre a relação de corrente elétrica-tempo 106 e a relação de corrente elétrica-tempo 108 é o comportamento de alta frequência (ou seja, em frequências altas em comparação com a frequência da energia de operação CA). A relação de corrente elétrica-tempo 108 tem ruído de alta frequência discernível sobreposto ao sinal CA, enquanto a relação de corrente elétrica-tempo 106 não tem ruído de alta frequência discernível. Tal ruído de alta frequência pode ser indicativo de um elemento de aquecimento por resistência corroído 24. A relação de corrente-tempo 108 tem tais componentes de alta frequência indicativos de degradação (por exemplo, microfissuras) do elemento de aquecimento por resistência 24 sobreposto na forma de onda de corrente CA.

[0032] Componentes de alta frequência na relação de corrente-tempo 108 também podem ser causados por outros fatores. Por exemplo, quaisquer componentes de alta frequência na tensão da energia de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24 serão replicados na relação de corrente-tempo 106 para o elemento de aquecimento por resistência 34 que não é degradado. Portanto, a detecção de componentes de alta frequência tanto da relação de tensão-tempo 106 quanto da relação de corrente-tempo 108 pode ser usada para determinar se tais componentes estão presentes em apenas uma das duas métricas elétricas. Por exemplo, uma razão pode ser feita dos componentes de alta frequência da relação de corrente-tempo 108 para os componentes de alta frequência da tensão da energia de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24. Então, tal razão pode ser comparada com um valor limite predeterminado. Se a razão for maior do que o valor limite predeterminado, o motor de previsão de vida-útil remanescente 32 pode gerar um sinal indicativo do evento. Um registro de tais incidências de tal comparação pode ser mantido. A vida útil remanescente pode ser determinada com base nesse registro.

[0033] Tais componentes de alta frequência podem ser detectados, por exemplo, obtendo uma derivada da tensão da energia de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência 24 e/ou relação de corrente-tempo 108. A operação para obter a derivada amplifica os componentes de alta frequência acima dos componentes de baixa frequência. Uma razão das derivadas da relação de corrente-tempo e da relação de tensão-tempo pode então ser comparada com um limite predeterminado. Se a razão for maior do que o limite predeterminado, tal comparação pode ser indicativa de microfissuras no elemento de aquecimento por resistência 24. O motor de previsão de vida-útil remanescente 32 pode fazer tais cálculos (por exemplo, obter as derivadas, calcular a razão e fazer a comparação, etc.) de várias maneiras. Por exemplo, o motor de previsão de vida-útil remanescente 32 pode incluir um processador, uma matriz lógica programável ou qualquer outro tipo de dispositivo programável. Em algumas modalidades, o motor de previsão de vida-útil remanescente 32 pode ser configurado para realizar todas as operações usando circuitos discretos.

Discussão de Modalidades Possíveis

[0034] A seguir, há descrições não exclusivas de modalidades possíveis da presente invenção.

[0035] O aparelho e métodos associados referem-se a um sistema para prever falhas de um elemento de aquecimento por resistência de uma sonda de dados aéreos. O sistema inclui uma fonte de energia elétrica, um sensor elétrico, um detector de sinal de alta frequência e um motor de previsão de vida-útil remanescente. A fonte de energia elétrica fornece energia elétrica de operação ao elemento de aquecimento por resistência. O sensor elétrico detecta a corrente elétrica fornecida ao elemento de aquecimento por resistência. O detector de sinal de alta frequência detecta componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada. O um motor de previsão de vida-útil remanescente estima uma vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base em componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada.

[0036] O sistema do parágrafo anterior pode incluir opcional, adicional e/ou alternativamente quaisquer um ou mais dentre as características, configurações e/ou componentes adicionais a seguir:
Uma modalidade adicional de acordo com o sistema anterior, em que o motor de previsão de vida-útil remanescente pode comparar os componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada com um limite predeterminado.

[0037] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos sistemas anteriores, em que o motor de previsão de vida-útil remanescente pode comparar os componentes de alta frequência, dentro de uma banda de frequência de detecção, da corrente elétrica detectada com um limite predeterminado.

[0038] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos sistemas anteriores, em que o detector de sinal de alta frequência pode detectar componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada obtendo uma derivada da corrente elétrica detectada.

[0039] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos sistemas anteriores, em que o detector de sinal de alta frequência pode detectar componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.

[0040] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos sistemas anteriores, em que o motor de previsão de vida-útil remanescente pode estimar a vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base em uma razão dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada para os componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.

[0041] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos sistemas anteriores, em que o motor de previsão de vida-útil remanescente pode fazer uma comparação de razão entre uma razão de limite predeterminado e a razão dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada para os componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.

[0042] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos sistemas anteriores, em que o motor de previsão de vida-útil remanescente pode gerar um sinal de aviso em resposta à comparação de razão indicando que a razão excede uma razão de limite predeterminado.

[0043] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos sistemas anteriores pode incluir adicionalmente um registro de eventos que registra ocorrências de danos ao invólucro do aquecedor determinado pelo motor de previsão de vida-útil remanescente.

[0044] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos sistemas anteriores, em que o motor de previsão de vida-útil remanescente pode estimar um número de ciclos de energia de operação elétrica de aquecedor remanescentes antes que o número de ocorrências registradas de dano ao elemento de aquecimento por resistência exceda um limite de ocorrência predeterminado.

[0045] Algumas modalidades referem-se a um método para prever a falha de um elemento de aquecimento por resistência de uma sonda de dados aéreos. O método inclui fornecer, por meio de uma fonte de energia elétrica, energia elétrica de operação ao elemento de aquecimento por resistência. O método inclui detectar, por meio de um sensor elétrico, a corrente elétrica fornecida ao elemento de aquecimento por resistência. O método inclui detectar, por meio de um detector de sinal de alta frequência, componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada. O método também inclui estimar, por meio de um motor de previsão de vida-útil remanescente, uma vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base em componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada.

[0046] O método do parágrafo anterior pode incluir opcional, adicional e/ou alternativamente quaisquer um ou mais dentre as seguintes características, configurações e/ou componentes adicionais:
Uma modalidade adicional do método anterior pode incluir adicionalmente a comparação, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada com um limite predeterminado.

[0047] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos métodos anteriores pode incluir adicionalmente comparar, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, os componentes de alta frequência, dentro de uma banda de frequência de detecção, da corrente elétrica detectada com um limite predeterminado.

[0048] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos métodos anteriores pode incluir adicionalmente detectar, por meio do detector de sinal de alta frequência, componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada obtendo uma derivada da corrente elétrica detectada.

[0049] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos métodos anteriores pode incluir adicionalmente detectar, por meio do detector de sinal de alta frequência, componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento resistivo.

[0050] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos métodos anteriores, em que o motor de previsão de vida-útil remanescente pode estimar a vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base em uma razão dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada para os componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.

[0051] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos métodos anteriores pode incluir adicionalmente fazer, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, uma comparação de razão entre uma razão de limite predeterminado e a razão dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada para os componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.

[0052] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos métodos anteriores pode incluir adicionalmente gerar, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, um sinal de aviso em resposta à comparação de razão indicando que a razão excede uma razão de limite predeterminado.

[0053] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos métodos anteriores pode incluir adicionalmente o registro, por meio de um registro de eventos, de ocorrências de danos ao elemento de aquecimento por resistência determinado pelo motor de previsão de vida-útil remanescente.

[0054] Uma modalidade adicional de acordo com qualquer um dos métodos anteriores pode incluir adicionalmente estimar, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, um número de ciclos de energia de operação elétrica de aquecedor remanescentes antes que o número de ocorrências registradas de dano ao elemento de aquecimento por resistência exceda um limite de ocorrência predeterminado.

[0055] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a uma modalidade exemplificativa (ou modalidades exemplificativas), será compreendido pelos versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos sem se afastar do escopo da invenção. Além disto, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material específico aos ensinamentos da invenção sem se desviar do escopo essencial da mesma. Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitada à modalidade específica (ou modalidades específicas) divulgada, mas que a invenção inclua todas as modalidades abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas.

Claims

Sistema para prever falha de um elemento de aquecimento por resistência de uma sonda de dados aéreos caracterizado pelo fato de que o sistema compreende:
uma fonte de energia elétrica que fornece energia elétrica de operação ao elemento de aquecimento por resistência;
um sensor elétrico que detecta a corrente elétrica fornecida ao elemento de aquecimento por resistência;
um detector de sinal de alta frequência que detecta componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada; e
um motor de previsão de vida-útil remanescente que estima uma vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base em componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada.
Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o motor de previsão de vida-útil remanescente compara os componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada com um limite predeterminado.
Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o motor de previsão de vida-útil remanescente compara os componentes de alta frequência, dentro de uma banda de frequência de detecção, da corrente elétrica detectada com um limite predeterminado.
Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o detector de sinal de alta frequência detecta componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada obtendo uma derivada da corrente elétrica detectada.
Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o detector de sinal de alta frequência detecta componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.
Sistema de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o motor de previsão de vida-útil remanescente estima a vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base em uma razão dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada para os componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.
Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o motor de previsão de vida-útil remanescente faz uma comparação de razão entre uma razão de limite predeterminado e a razão dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada para os componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.
Sistema de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o motor de previsão de vida-útil remanescente gera um sinal de alerta em resposta à comparação de razão indicando que a razão excede uma razão de limite predeterminado.
Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
um registro de eventos que registra ocorrências de danos ao elemento de aquecimento por resistência determinado pelo motor de previsão de vida-útil remanescente.
Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o motor de previsão de vida-útil remanescente estima um número de ciclos de energia elétrica de operação de aquecedor remanescentes antes que o número de ocorrências registradas de danos no invólucro do aquecedor exceda um limite de ocorrência predeterminado.
Método para prever falha de um elemento de aquecimento por resistência de uma sonda de dados aéreos, sendo o método caracterizado pelo fato de que compreende:
fornecer, por meio de uma fonte de energia elétrica, energia elétrica de operação ao elemento de aquecimento por resistência;
detectar, por meio de um sensor elétrico, a corrente elétrica fornecida ao elemento de aquecimento por resistência;
detectar, por meio de um detector de sinal de alta frequência, componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada; e
estimar, por meio de um motor de previsão de vida-útil remanescente, uma vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base em componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada.
Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
comparar, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, os componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada com um limite predeterminado.
Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
comparar, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, os componentes de alta frequência, dentro de uma banda de frequência de detecção, da corrente elétrica detectada com um limite predeterminado.
Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
detectar, por meio de um detector de sinal de alta frequência, componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada obtendo uma derivada da corrente elétrica detectada.
Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
detectar, por meio do detector de sinal de alta frequência, componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.
Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o motor de previsão de vida-útil remanescente estima a vida-útil remanescente do elemento de aquecimento por resistência com base em uma razão dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada para os componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.
Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
fazer, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, uma comparação de razão entre uma razão de limite predeterminado e a razão dos componentes de alta frequência da corrente elétrica detectada para os componentes de alta frequência da tensão da energia elétrica de operação fornecida ao elemento de aquecimento por resistência.
Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
gerar, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, um sinal de alerta em resposta à comparação de razão indicando que a razão excede uma razão de limite predeterminado.
Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
registrar, por meio de um registro de eventos, ocorrências de danos ao elemento de aquecimento por resistência determinado pelo motor de previsão de vida-útil remanescente.
Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
estimar, por meio do motor de previsão de vida-útil remanescente, um número de ciclos de energia elétrica de operação de aquecedor remanescentes antes que o número de ocorrências registradas de danos ao elemento de aquecimento por resistência exceda um limite de ocorrência predeterminado.