CN102159956B - 飞行器布线的电弧故障位点检测 - Google Patents

飞行器布线的电弧故障位点检测 Download PDF

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Abstract

根据第一方面，本发明涉及用于检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的系统(100)。该系统(100)包括可操作成产生测试信号的控制器(110，210)，以及用于将该测试信号耦合到电气布线(150)并且用于将从该电气布线(150)反射的测试信号耦合于该控制器(110，210)的定向耦合器(130，230，330，430)。该电气布线(150)包括一条或多条在测电线(250)，并且该控制器(110，210)进一步可操作成检测从该在测电线(250)中的电弧故障反射的测试信号并且分析反射的测试信号以便由此确定一个或多个电弧故障位置。该在测电线(250)可以是带电的并且测试可以被执行而不需要使用闯入性的在线部件。

Description

飞行器布线的电弧故障位点检测
技术领域
本发明大体上涉及电气布线安全(electrical wiring safety)。更特别地，本发明涉及飞行器布线的电弧故障位点检测，其可例如在飞行器维护期间使用以确定例如那些可能引起电弧放电的布线故障的位置。
背景技术
飞行器是高度复杂的机器，其在温度、降水、压力、震动等多种极端条件下工作。任何飞行器的一个重要部件是它的电子控制和配电系统，其常常通过使用提供在各种密封墙和机身板后面的许多千米的布线提供。
在飞行器中的布线对于正确工作可以是决定性的，并且定期检查和维护对于确保易受老化、维护期间引起的意外损伤、飞行期间的震动或与其他电线摩擦、变弯、变湿、压印等的电线可用并且不危险是必不可少的。
为了帮助检查这样的飞行器布线的情况，已知各种故障检测和定位装置(例如断路器等)用于在飞行器中使用[1-3]。然而，这些常规装置未必检测或防止某些难以检测的布线故障，例如电弧放电等，其可仅间歇地或采用不可预测的方式发生。
电弧放电可是特别危险的，例如在它形成火花而该火花然后引起易燃材料点燃的情况下是特别危险的。实际上电弧放电已经与各种飞行事故关联：例如在1996年七月在纽约附近半空中爆炸的TWA800使得飞机上的所有人丧生以及在1998年九月发生驾驶舱火灾并且随后坠毁到海中的瑞士航空公司111也使得飞机上所有人丧生。在两个案例中，引起随后电弧放电的有故障的布线认为是事故的根源。
考虑到与电弧放电关联的潜在危险，因此已经开发各种电弧检测系统[4-8]。然而，尽管这样的电弧检测系统是对之前的故障检测和定位装置[1-3]的改进，特别对于间歇电弧，在不容易接近需要测试的电线或电线束的情况下(例如，在这样的电线嵌在飞行器板后面并且不可触及的情况下)，仍然存在准确定位引起电弧放电的故障的位置的问题。
从而设计本发明同时在上文提到的与常规技术关联的缺点方面有成效。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供有用于检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的系统。该系统包括可操作成产生测试信号的控制器和用于将该测试信号耦合于包括一条或多条在测电线的电气布线的定向耦合器(directional coupler)。该定向耦合器还用于将来自该电气布线反射的测试信号耦合于该控制器。该控制器还可操作成检测从在测电线中的电弧故障反射的测试信号并且分析反射的测试信号以便由此确定一个或多个电弧故障位置。
根据本发明的第二方面，提供有非侵入定向耦合器，其用于将测试信号耦合到飞行器的电气布线(包括一条或多条在测电线)，并且用于将从该电气布线反射的测试信号耦合到控制器。
根据本发明的第三方面，提供有检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的方法。该方法包括在沿在测电线的预定方向上引导测试信号，检测从该在测电线反射的测试信号，以及从该检测到的反射测试信号确定一个或多个电弧故障位置。
在本发明的各种方面和实施例中，在测电线或多条电线可以是带电的。这意味飞行器的电气系统可以在各种工作条件下工作并且同时被测试以便间歇或瞬时故障(例如，电弧放电)可出现，否则当例如发动机等各种系统关闭时这些故障可能是不明显的。
有利地，定向耦合器的使用还允许测试信号在电气布线上的各种点处注入。例如，测试信号可在飞行器内电线束最容易被接近的点处耦合到该电线束。
另外，非闯入性定向耦合器(non-invasive directional coupler)的使用还消除了向布线提供硬连线的、闯入性的电弧位点检测系统的需要。通过消除了提供各种闯入性的在线部件以增加电弧位点检测功能性的需要，本发明的各种实施例从而可以与现有飞行器布线一起使用，而不需要改造闯入性的部件(其可能例如要求修改的布线被测试并且重新认证以确保它满足各种航空局装备标准，例如由UK的民用航空管理局(CAA)和USA的联邦航空管理局(FAA)等设定的那些等)。
附图说明
现在将连同附图描述本发明的各种方面和实施例，其中
图1示出根据本发明的各种实施例的用于检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的系统；
图2示出由本发明的各种实施例提供的定向耦合器的电气等效电路图；
图3示出根据本发明的实施例的非侵入定向耦合器；
图4示出根据本发明的实施例的另外的非侵入定向耦合器；
图5示意示出图4的定向耦合器的电气等效电路图；
图6图示根据本发明的各种实施例的检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的方法。
具体实施方式
图1示出用于检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的系统100。该电气布线设置包括由一条或多条在测电线构成的电气布线150。
系统100包括可操作成产生测试信号的控制器110。该测试信号可以例如是具有从布线150的工作信号波段排除的频率的交流(AC)信号，使得测试信号不干扰当布线150正常工作时使用的工作信号。这使布线150能够带电测试，其中工作信号和测试信号都在布线150中传播。
控制器110可以例如使用各种射频(RF)测试信号，其使用各种调制方案编码。从布线故障反射的测试信号然后可以检测到，并且例如使用渡越时间测量，可以确定这些故障相对于测试信号进入布线150的注入点的位置。例如，在各种实施例中双极相移键控(BPSK)用作以从大约1.5MHz至大约144MHz的RF工作的扩展频谱时域反射计(SSTDR)中的调制方案，而典型的飞行器配电系统将以400Hz的频率工作。
在控制器110的各种实施例中，各种商业上可买到的产品可以用于提供控制器功能性。例如，可使用可买到或很快将可买到的来自美国犹他州盐湖城的LiveWireTM Test Lab公司的LiveWireTM移动服务包(MSP)或LiveWireTM集成电路(IC)[9]，然而没有采用常规方式闯入性地耦合MSP或IC(为了获得涉及可能的控制器实施例的更多细节还参见参考文献[10-14])。
控制器110可操作成产生测试信号并且通过电连接132将测试信号耦合到定向耦合器130。
定向耦合器130将测试信号耦合到电气布线150使它能够在沿布线150的第一方向上传播同时至少部分阻挡测试信号沿布线150的第二相反方向传播。定向耦合器130还通过电连接132沿反向路径将从沿第一方向传播的测试信号产生的反射测试信号耦合回到控制器110。
控制器110然后可操作成接收从在测电线中的电弧故障反射的测试信号并且分析该反射的测试信号以便由此确定一个或多个电弧故障位置。
可以例如通过以已知缓冲帧频(υ)用反射信号数据周期性地再充填控制器110中的环形缓冲器、计数已经发生的完成的环形缓冲器采集的数目(N)并且将反射信号数据与代表调制的测试信号的数据自动相关以便寻找相关性“尖峰(spike)”来进行分析。当检测到这样的尖峰时，可以停止或捕捉并且读出环形缓冲器数据采集，并且在第N个环形缓冲器数据帧内的相关性尖峰的位置(自宽度M的缓冲器中的第m个)指示沿布线的电弧故障的渡越时间(tf)，从而：
t f = 1 υ ( N + m M ) 方程(1)
渡越时间值tf然后可以转换成物理距离，从而实现故障沿布线150相对于定向耦合器130的位置的准确定位。
图2示出用于本发明的各种实施例的定向耦合器230的示意电气等效电路图。该定向耦合器230提供关于在测电线250的串联阻挡电感器234和并联耦合电容器236。阻挡电感器234的电感可采用非闯入方式在在测电线250自身中感生，而非通过将阻挡电感器234的电感提供为例如导线连入的(wired-in)或在线的电感器部件来感生。
信号源和检测器单元210还示出通过电连接232连接到定向耦合器230。该信号源和检测器单元210可提供为例如控制器110等控制器的部分。
由信号源和检测器单元210产生的测试信号经由电连接232传送通过并联耦合电容器236并且进入在测电线250。测试信号在由箭头212示出的第一方向上传播进入在远离阻挡电感器234的方向上的在测电线250的第一部分254。测试信号至少部分由阻挡电感器234阻挡其沿第二相反方向传播进入在测电线250的第二部分252。
从第一部分254反射的测试信号在与箭头212相反的方向上朝定向耦合器230往回传导。反射的测试信号然后至少部分由阻挡电感器234提供的相对高的阻抗来阻挡其传播进入在测电线250的第二部分252。反射的测试信号从而通过由并联耦合电容器236和电连接232提供的较低阻抗路径耦合回到信号源和检测器单元210。
并联耦合电容器236的电容和阻挡电感器234的电感的适当选择允许定向耦合器对于测试信号是有效的同时大致上不影响在测电线250的正常工作(例如通过阻挡正常工作信号)。例如，电感和电容值可选择以提供LC滤波器特性，其大致上阻挡在1.5MHz-144MHz范围中的测试信号同时大致上通过处于400Hz的工作信号。
图3示出根据本发明的实施例的非侵入定向耦合器330。该定向耦合器330是非闯入/非侵入定向耦合器并且不需要直接物理连接(例如连线、硬连线等)到在测布线350。
串联阻挡电感器通过在在测电线350的第一部分352周围提供磁性材料334形成。该磁性材料334采用两个或更多部分提供，其一起形成分裂柱体设置，其在横截面上可或可以不是环形的。通过提供分裂柱体设置，磁性材料可以可拆解地提供在在测电线350周围。当关于在测电线350原位时，磁性材料334的柱体设置向在测电线350中感生电感，其充当阻挡电感器。在本发明的各种实施例中，磁性材料334包括铁氧体，其可例如采用可拆解手持夹具设置(未示出)提供。
并联耦合电容器通过在在测电线350的第二部分354周围提供导电层336形成。该导电层336也采用两个或更多部分提供，其一起形成分裂柱体设置，其在横截面上可或可不是环形的。当关于在测电线350原位时，导电层336的柱体设置提供从电连接器332到在测电线350的电容耦合，由此充当并联耦合电容器。
导电层336可用金属材料制成，可选地提供有设置在它和在测电线350之间的一个或多个绝缘/介电层。例如，导电层336可提供为提供在陶瓷材料上的覆盖金属喷镀/金属层。导电层336和任何可选的关联元件也可采用可拆解手持夹紧设置(未示出)提供。
在本发明的各种实施例中，磁性材料334和/或导电层336和任何可选的关联部件可提供为多个子元件，其可以设置在在测电线350周围以便对特定的应用按比例增加或减小感生的电感和/或电容。例如，定向耦合器可提供为具有可配置的电容和/或电感值范围(其可以通过添加或去除各种部件来修改)的手持单元。当与特定飞行器类型的布线一起使用时，这样的装置可以对使电容和/或电感值能够为了优化的性能而被调整是有用的。
图4示出根据本发明另外的实施例的非侵入定向耦合器430。该定向耦合器430是用于将测试信号耦合到沿一条或多条在测电线450的第一方向和沿一条或多条在测电线450的第二方向中的一个或多个的双向耦合器，该第一和第二方向朝向相反。
串联阻挡电感器通过在在测电线450的一部分周围提供磁性材料434形成。该磁性材料434采用两个或更多部分提供，其一起形成分裂柱体设置，其在横截面上可或可不是环形的。通过提供分裂柱体设置，磁性材料可以可拆解地提供在在测电线450周围。当关于在测电线450原位时，磁性材料434的柱体设置向在测电线450中感生电感，其充当阻挡电感器。在本发明的各种实施例中，磁性材料434包括铁氧体，其可例如采用可拆解手持夹具设置(未示出)提供。
提供一组四个并联耦合电容器436。第一对耦合电容器由镀金属的柱体元件436a和436b在在测电线450的第一端452提供。第二对耦合电容器由镀金属的柱体元件436c和436d在在测电线450的第二端454提供。第一对耦合电容器与第二对耦合电容器沿在测电线450的方向由磁性材料434分开。
在该实施例的各种实施例中，磁性材料434和柱体元件436a、436b、436c、436d中的一个或多个可用一个或多个子元件形成。这些也可包括在用于将它们可移除地放置在一条或多条在测电线周围的手持夹紧设置中。
使用四个柱体元件436a、436b、436c、436d中的任何元件，测试信号可以注入在测电线450和/或反射的测试信号从在测电线450接收。然而，在图示的实施例中，第一柱体元件436a配置为接收器通道，第二柱体元件436b配置为传送器通道，第三柱体元件436c配置为接收器通道并且第四柱体元件436d配置为传送器通道。
在各种优选实施例中，提供单独的接收器和传送器通道电容器，理想地为，任何传送器的源阻抗低(优选为零)并且任何接收器的输入阻抗高(优选为无穷)。从而如果仅单个通道电容器将用于传送器和接收器通道两者，从反射的测试信号注入获得的信号可能由于传送器的低阻抗而衰减。
在操作中，测试信号通过第二柱体元件436b的传送器通道注入在测电线450。该测试信号然后在第一端452的方向上沿在测电线传播，同时由磁性材料434在在测电线450中感生的电感来阻止其在相反方向上传播。在第一端452中产生的任何反射测试信号沿使用第一柱体元件436a形成的接收器通道反射回到检测器(未示出)。
同时，测试信号也可以通过第四柱体元件436d的传送器通道注入在测电线450。该测试信号然后在第二端454的方向上沿在测电线传播，同时由磁性材料434在在测电线450中感生的电感来阻止其在相反方向上传播。在第一端454中产生的任何反射测试信号沿使用第三柱体元件436c形成的接收器通道反射回到检测器(未示出)。
尽管测试信号可以同时注入在测电线的第一端452和第二端454，要理解不必如此。然而，在仅单个测试信号发生器需要用于供应两个传送器通道的情况下是如此的。同时的测试信号产生也是有利的，因为它通过在大约相同的时间分析在测电线的两端452、454来加速整体测试过程。
尽管分开图示的接收器通道，它们可使用仅单个控制器取样以确定其中任何电气故障的位置。例如，数据采集可以通过复用两个接收器通道为单个控制器单元执行。
双向定向耦合器430的一个优势是测试在测电线450的总长度的能力，不管定向耦合器430放置在在测电线450上的位置在哪里。
双向定向耦合器430的另一个优势在于它可以采用差模(differential mode)工作以获得具有高共模抑制比(CMRR)的反射测试信号的事实。例如，如果由磁性材料434感生的电感不提供对反射信号的良好阻挡，一些反射信号将通过电感到达不期望的电线的一端。然而，通过互相扣除从接收器通道获得的反射信号，可以使控制器对感生电感器的不完美电特性补偿。这使能够获得提高的信噪比(SNR)，其使包含这样的技术的系统更能够检测和定位布线故障。
例如，在本发明的各种实施例中，换能器(transducer)的各种电和物理特性将是已知的。从而已知要施加多少延迟和要从阻挡电感的对边扣除多少信号。也就是说，对于计划方向的传送的信号将送出，然而，该信号中的一些将通过电感。如果在某个可确定时间段后传送的信号的衰减形式然后从电感的另一边扣除，泄漏的信号从而可以大致上去除。
图5示意示出图4的定向耦合器430的电气等效电路图。
磁性材料434包括在在测电线450中的串联电感。第一柱体元件436a提供在测电线450的第一端452和第一接收器通道432a之间的并联耦合电容。第二柱体元件436b提供在测电线450的第一端452和第一传送器通道432b之间的并联耦合电容。第三柱体元件436c提供在测电线450的第二端454和第二接收器通道432c之间的并联耦合电容。第四柱体元件436d提供在测电线450的第二端454和第二传送器通道432d之间的并联耦合电容。
图6图示根据本发明的各种实施例的检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的方法600。该方法600包括在沿在测电线的预定方向上引导602一个或多个测试信号的初始步骤。例如，两个反方向传播的测试信号可使用双向非侵入定向耦合器注入。已经注入测试信号后，在步骤604然后检测任何反射的测试信号。在方法600中最后，在步骤606从该检测到的反射测试信号确定一个或多个电弧故障位置。
在本发明的各种实施例中，反射的测试信号是使用预定方案调制或编码的RF信号，方案例如使用伪随机噪声(PN)代码的频谱时域反射计(STDR)或使用正弦波调制的PN代码的SSTDR[10-14]等。当故障暂时在在测电线中的开路附近或短路附近引起时，这样的技术允许间歇性故障的定位。
尽管本发明已经从各种实施例方面描述，本领域内技术人员将意识到许多不同的实施例是可能的。此外，申请人的意图是所有这样的变化形式和实施例构成本发明的部分。
例如，在本发明的各种实施例中，可提供在飞行器电气布线设置的电线、电线束和/或至少一条电线周围是可拆解式可夹紧的定向耦合器。
本发明的各种方面和实施例可用于飞行器布线的校正维护。在该情况下，具有电弧故障的电线将已经使断路器跳闸并且维护组将知道电弧故障发生在哪个个体电线上。对于维护，定向耦合器从而可钩在包含已知故障电线的电线束周围，故障电线的适合的断路器复位，并且执行继续工作同时监测该电线以确定一个或多个电弧故障在其中的位置或位点。
在某些实施例中，定向耦合器可提供在探头装置中，该探头装置可放置在飞行器布线束周围的各种位置处。测试信号然后可以例如在电线束最容易被接近的点耦合于该电线束。这样的探头装置的许多设计(手持或另外的)对于本领域内技术人员将是显而易见的。
参考文献
1.WO 2005/086812 A2
2.GB 2419752 A
3.US 2008/0062592 A1
4.CA 2303964 A1
5.US 2002/0097056 A1
6.WO 2004/072814 A2
7.US 2003/0201780 A1
8.CA2560791 A1
9.http://www.livewiretest.com
10.Chet Lo and Cynthia Furse，“Noise-Domain Reflectometry  for LocatingWiring Faults，”IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，vol.47，no.1，pp.97-104，February 2005
11.Cynthia Furse，Paul Smith，Chet Lo，You Chung Chung，Praveen Pendayalaand Kedarnath Nagoti，“Spread spectrum sensors for critical fault location on live wirenetworks，”Structural Control and Health Monitoring，vol.12，pp.257-267，6June2005，Wiley InterScience
12.Cynthia Furse，Paul Smith，Mehdi Safavi and Chet Lo，“Feasibility of SpreadSpectrum Sensors for Location of Arcs on Live Wires，”IEEE Sensors Journal，vol.5，no.6，pp.1445-1450，December 2005
13.Paul Smith，Cynthia Furse and Jacob Gunther，“Analysis ofSpread Spectrumtime Domain Reflectometry for Wire Fault Location，”IEEE Sensors Journal，vol.5，no.6，pp.1469-1478，December 2005
14.Chirag R.Sharma，Cynthia Furse and Reid R.Harrison，“Low-Power STDRCMOS Sensor for Locating Faults in Aging Aircraft Wiring，”IEEE Sensors Journal，vol.7，no.1，pp.43-50，January 2007
在允许的情况下，上文提到的参考文献的内容特此也通过引用全文结合于本申请中。

Claims (12)

1.一种用于检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的系统（100），所述系统（100）包括：
被操作以产生测试信号的控制器（110，210）；以及
用于将所述测试信号耦合到电气布线（150）并且用于将从所述电气布线（150）反射的测试信号耦合于所述控制器（110，210）的定向耦合器（130，230，330，430），所述电气布线（150）包括一条或多条在测电线（250）,
其中所述定向耦合器（130，230，330，430）电气地提供关于所述在测电线（250）的串联阻挡电感器（234）和并联耦合电容器（236），并且其中所述串联阻挡电感器（234）通过在所述在测电线（250）的第一部分周围提供磁性材料来形成并且所述并联耦合电容器（236）通过在所述在测电线（250）的第二部分周围提供导电层来形成；
其中所述控制器（110，210）还被操作以检测从所述在测电线（250）中的电弧故障反射的测试信号并且分析反射的测试信号以便由此确定一个或多个电弧故障位置。
2.如权利要求1所述的系统（100），其中所述定向耦合器是用于将所述测试信号耦合到沿所述一条或多条在测电线（250）的第一方向和沿所述一条或多条在测电线（250）的第二方向中的一个或多个的双向耦合器（130，430），所述第一和第二方向朝向相反。
3.如权利要求2所述的系统（100），其中所述双向耦合器（130，430）包括电感元件（434）和多个电容元件（436a，436b，436c，436d）。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统（100），其中所述定向耦合器（130，230，330，430）在至少一条在测电线（250）周围是可拆解式可夹紧的。
5.一种非侵入定向耦合器（130，230，330，430），其用于将测试信号耦合到飞行器的电气布线（150）以检测电弧故障的位点，并且用于将从所述电气布线（150）反射的测试信号耦合到控制器（110，210），所述电气布线（150）包括一条或多条在测电线（250），其中所述定向耦合器（130，230，330，430）电气地提供关于在测电线（250）的串联阻挡电感器（234）和并联耦合电容器（236），并且其中所述串联阻挡电感器（234）通过提供磁性材料使其放置在所述在测电线（250）的第一部分周围来形成并且所述并联耦合电容器（236）通过提供导电层使其放置在所述在测电线（250）的第二部分周围来形成。
6.如权利要求5所述的非侵入定向耦合器（130，230，330，430），其中所述定向耦合器是用于将测试信号耦合到沿一条或多条在测电线（250）的第一方向和沿一条或多条在测电线（250）的第二方向中的一个或多个的双向耦合器（130，430），所述第一和第二方向朝向相反。
7.如权利要求5-6中任一项所述的非侵入定向耦合器（130，230，330，430），其中所述定向耦合器（130，230，330，430）在至少一条在测电线（250）周围是可拆解式可夹紧的。
8.一种使用如权利要求1-4中任一项所述的系统来检测飞行器电气布线设置中的电弧故障的位点的方法（600），所述方法包括：
在沿在测电线（250）的预定方向上引导（602）测试信号；
检测（604）从所述在测电线（250）反射的测试信号；以及
从所述检测到的反射测试信号确定（606）一个或多个电弧故障位置。
9.如权利要求8所述的方法（600），其中引导（602）测试信号包括使用定向耦合器（130，230，330，430）将射频（RF）信号注入所述在测电线（250）。
10.如权利要求8或9所述的方法（600），进一步包括将两个反方向传播的测试信号分量注入所述在测电线（250），以便检测在测试信号注入点上游和下游出现的任何电弧故障。
11.如权利要求8至9中任一项所述的方法（600），包括在引导（602）所述测试信号进入所述在测电线（250）之前将所述定向耦合器（130，230，330，430）可拆解地夹紧在所述在测电线（250）周围。
12. 如权利要求10所述的方法（600），包括在引导（602）所述测试信号进入所述在测电线（250）之前将所述定向耦合器（130，230，330，430）可拆解地夹紧在所述在测电线（250）周围。
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