CN103630269B - 用于减少除冰加热器误差的总气温探测器 - Google Patents

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Abstract

一种总气温探测器，包括一种探头，该探头具有气流入口、主气流出口、从气流入口延伸到主气流出口的主探头壁，还包括定位于气流入口和主气流出口之间的气流分离弯管壁。气流分离弯管壁跨越第一流动通道与主探头壁相对，穿过探头从气流入口到主气流出口而限定该第一流动通道。气流分离阻隔特征部限定在主探头壁的内表面上，用于阻隔第一流动通道中的流动的边界层流动分离，例如，用于减小除冰加热器误差。

Description

用于减少除冰加热器误差的总气温探测器
相关申请的交叉引用
本申请主张于2012年8月18日提出的申请号为61／684,714的美国临时专利申请的优先权，其在此整体通过援引而被合并。
技术领域
本发明涉及一种总气温(TAT)探测器或传感器。更具体地，本发明涉及经加热的总气温探测器。
背景技术
以调制解调喷气为动力的飞机要求对外部气温(OAT)进行非常精确的测量用于对空气数据计算机、发动机推力管理计算机和其它机载系统进行的输入。对于这些飞机类型、它们的相关联飞行条件、以及通常情况下总气温探测器的使用，由以下四个温度更好地定义了气温：(1)静态气温(SAT)或者(Ts)，(2)总气温(TAT)或(Tt)，(3)恢复温度(Tr)，以及(4)测量温度(Tm)。静态温度(SAT)或者(Ts)为未受干扰的空气温度，即将起飞的飞机会穿过该空气。总气温(TAT)或者(Tt)是可以通过飞行动能100％的转换而获得的最大气温。TAT的测量值来自恢复温度(Tr)，其为飞机表面每一部分由于动能的不完全恢复引起的区域性气温绝热值。恢复温度(Tr)从作为测得的与由于环境强制的热传递效应引起的恢复温度不同的实际温度的测量温度(Tm)而获得。
常规的TAT探测器，尽管通常作为TAT传感器是非常高效的，但是有时在结冰条件下工作时面临困难。在结冰条件下飞行过程期间，水滴，和／或冰晶被渗入到TAT探测器中，其中从一般到极为恶劣的条件下，他们会附着在内部感测元件的开口周围。可以生长出一条冰脊并且最终暂时打破传感器的自由阻塞，并且引起TAT读数上的误差。为了应对这一问题，常规的TAT探测器已合并／集成了一种弯管，或者一种曲管以将这些物件在它们达到感测元件之前就与气流进行惯性地分离。
另一个表示某些常规的TAT探测器设计中的困难的现象在于在低质量流量情况下处理边界层分离或者“逸出”的问题。气流分离对TAT测量的准确性产生两个问题。第一个问题是需要处理扰动以及减小TAT测量值的不可恢复损失的产生。第二个问题与为防止结冰条件下冰的形成而必须加热探测器的必要性相关联。防冰性能由嵌入到腔室壁内的加热器元件而促成实现。不幸地是，外部加热也加热了内边缘层的气体，如果控制不当，会在TAT测量中提供外部无关的／额外的热源。这种类型的误差，通常称为除冰加热器误差(DHE)，很难修正。通常在TAT探测器中，上述的惯性气流分离弯管沿着其内表面具备通风口或放气孔。通风口被通风，通过放气口的空气排出，孔通风直到气压和TAT探测器外部的静态大气压大致相等。这种方式，产生期望压差，将边界层的一部分通过放气孔移除，并且将剩余的边界层钉固在弯管的内壁上。
在某些情况下，由于沿着弯管内径的气流速度较高，则跨越整个放气孔的差压可降到零。通过放气孔的气流的这种停滞，在边界层控制中产生损失。由此引起的扰动如果足够大，会导致边界层从内表面上分离，并且与感测元件接触。由于腔室壁被加热，因此边界层也被加热。从而，任何由经加热的边界层引起的主气流污染都将引起TAT测量值的相应误差。通常，很难防止某些排气孔的停滞。因而，很难阻止或者减少DHE。
这些问题的某些解决方案已在美国专利号US7,357,572，美国专利号US8,104,955以及美国专利号US7,828,477中进行了描述，它们每一个在此整体通过援引而被合并。这些常规的方法和系统通常已被认为能满意地达到它们的预期目的。然而，现有技术中仍然表示需要改进DHE的性能。在现有技术中也仍然存在着对一种能易于制造和使用的系统以及方法的需要。本发明的公开内容提供了对于这些问题的一种解决方案。
发明内容
总气温探测器包括探头，其具有气流入口，主气流出口，从气流入口延伸到主气流出口的主探头壁，以及置于气流入口和主气流出口之间的气流分离弯管壁。气流分离弯管壁跨越穿过从气流入口到主气流出口的探头所限定的第一流动通道而与主探头壁相对。气流分离阻隔特征部被限定在主探头壁的内表面上，用于阻断在第一流动通道内的流动中的边界层流动分离。
在某些实施例中，在探头与相对着的探测器支座之间连接一种支柱。该支柱限定了连接到第一流动通道的传感器通道，并且该传感器通道所放置的位置相对于从气流入口到主气流出口所限定的流动轴线成一定的角度。温度传感器安装在传感器通道内，用于总气温测量。除冰加热器被操作性地连接以加热所述探头以及在第一流动通道内形成经加热的边界层，且经加热的边界层中的一部分从第一流动通道进入传感器通道内。定位了传感器和流动分离阻隔特征部，所以穿入传感器通道内的部分的经加热边界层基本上避开传感器，从而减少除冰加热器误差。还能预料到，可以在介于传感器与传感器通道内壁之间的传感器通道内包含一种热防护层，其中定位了流动分离阻隔特征部和热防护层，所以穿入传感器通道内的部分的经加热边界层基本上防止溅入到热防护层内部。
可以考虑，在某些实施例中，流动分离阻隔特征部包括一个凹口，该凹口从主探头壁的内表面切入。凹口能够从一对相对着的侧壁中的一个延伸到另一个从而跨越主探头壁，其中每个侧壁在主探头壁与流动分离弯管壁之间连接。凹口可具有一种前／导引凹口边缘，从气流入口以0.8英寸(2.032cm)的距离向内间隔，并且可具有相对于主探头壁的内表面0.008英寸(0.0203cm)的深度。
还可以考虑，在某些实施例中，流动分离阻隔特征部包括一种突起，该突起从主探头壁的内表面处伸出。突起可以如上所述从相对着的侧壁中的一个延伸到另一个从而跨越所述主探头壁。突起可以具有一种前／导引边缘，从气流入口以0.8英寸(2.032cm)的距离向内间隔，并且可以从主探头壁的内表面以0.008英寸(0.0203cm)突出。
从如下对优选实施例并结合附图的详细描述中，主题公开的的系统和方法的这些和其他特征对本领域技术人员来说将变得更加易于显而易见。
附图说明
因此本主题公开属于的本领域的技术人员在无需过度试验的情况下容易理解如何制造和使用本主题公开的设备和方法，下面将参考某些附图对其优选实施例进了详细描述，其中：
附图1为根据本公开而构建的总气温探测器的示例性实施例的透视图，示出了探头、支柱以及探头底座。
附图2为附图1的总气温探测器的侧视立视图，示出穿过探头的第一流动通道的气流入口和主气流出口；
附图3为附图1的总气温探测器一部分的入口端的立视图，示出从探头中的侧壁跨越到侧壁的流动分离阻隔特征部；
附图4为附图1的总气温探测器一部分的横截面侧视立视图，示意性地示出经加热的边界层如何避免接触所述传感器；
附图5为附图1的总气温探测器一部分的横截面侧视立视图，示出分离阻隔特征部，凹口设置在主探头壁的内表面内；以及
附图6为附图1的总气温探测器一部分的横截面侧视立视图，示出分离阻隔特征部的另一个典型实施例，分离阻隔特征部作为突起从主探头壁的内表面突出。
具体实施方式
现在将参考附图，其中相同的附图标记在本主题公开中标识相似的结构特征或方面。为了解释和说明的目的，而且非限制性的，根据本公开内容的总气温探测器的典型实施例的局部视图在附图1中示出，并且通常标定为附图标记100。根据本公开的的总气温探测器的其他实施例或其各个方面，在附图2-6中示出，如将会进行描述的。本文中描述的系统和方法可以用于减少或者消除总气温(TAT)探测器中的除冰加热器误差(DHE)。
总气温探测器100包括具有气流入口110的探头102、主气流出口112(如图2所示)，以及在探头102和相对着的探测器底座106之间连接的支柱104。主探头壁108从入口110延伸到出口112。在探头102的每一个相对应侧壁116中限定了横穿端口114。
现在参考附图3和4，气流分离弯曲壁118被定位在入口110和出口112之间。气流分离弯曲壁118跨越从入口110到主气流出口112穿过探头102而限定的第一流动通道120与主探头壁108相对。每一个侧壁116在主探头壁108和气流分离弯曲壁118之间连接。
在主探头壁108的内表面上限定了气流分离阻隔特征部122，用于在第一流动通道120内阻隔一种边界层流动分离。附图3和4中每个都图示性地示出一种阻隔特征部122。
支柱104限定于一种传感器通道124，该通道与第一流动通道120成流动连通。传感器通道124以一个相对于从入口110到主气流出口112所限定的流动轴线A的倾斜角度定位，然而本领域技术人员将容易理解也可使用90°用作针对于给定应用的合适角度。
温度传感器126安装在传感器通道124中用于进行总气温测量。除冰加热器嵌入到主探头壁108、气流分离弯曲壁118、以及定位于入口110和出口112之间的侧壁116中，也可以嵌入到支柱104中，并且操作性地连接到加热探头102和支柱104上，并且用以在第一流动通道内形成经加热的边界层130，且其中经加热的边界层的一部分132穿过第一流动通道120进入传感器通道124。边界层130在图4中采用箭头图示性地指示。定位了传感器126和阻隔特征部122，所以使得穿过并进入传感器通道124内的经加热边界层130的一部分132基本上避开传感器126，用于减小除冰加热器的误差。还可以定位传感器126和阻隔特征部122从而使得经加热边界层133从通道124的后壁基本上避开传感器126。传感器126和传感器通道内壁之间的传感器通道124中包括一种热防护层134。定位了阻隔特征部122和热防护层134，所以使得经加热边界层130的一部分132以及穿过并进入传感器通道124内的边界层133基本上避免溅出到热防护层134中。由于经加热的边界层130和133的极小一部分或者没有部分进入到热防护层134或者接触传感器126，减少或消除了除冰加热器误差(DHE)。
气流分离阻隔特征部122为从主探头壁108的内表面嵌入的凹口。如在图3中图示性指示的，凹口从一侧壁116到另一侧壁跨越主探头壁108。参考图5，凹口可以具有前／导引凹口边缘，该边缘从入口110向内以0.8英寸(2.032cm)的长度1间隔，并且可具有相对于主探头壁108的内表面的0.008英寸(0.0203cm)的深度d。参考附图6，还可以预期所述气流分离阻隔特征部可以替代为突起222，从主探头壁108的内表面处突出。如上所述，突起222能够从一个侧壁116到另一侧壁跨越主探头壁108。突起222能够与探头102集成一体而形成，或者可被单独地形成，并且与主探头壁108的内表面接合或者粘合。突起222可以具有前／导引边缘，从入口110向内以0.8英寸(2.032cm)的长度1间隔，并且可以从主探头壁108的内表面突出0.008英寸(0.0203cm)的厚度d。突起222也具有0.125英寸(0.318cm)的宽度。
根据本发明的探测器的潜在优点包括穿过感测元件上的更均匀且一致的气流，例如在较低Zeta值的情况下，其中Zeta定义为针对特定海拔的修正的马赫数(例如，在高马赫数以及高海拔时，诸如超过40,000英尺(12,192m)以及超过0.77马赫)。这就意味着给定的TAT探测器将具有更一致的读数，以及从一个TAT探测器到另一个探测器的更一致的读数。另一个潜在的优势在于对边界层分离的降低的敏感性。除冰加热器误差(DHE)的减少，例如，高海拔处，能够有利地减小具有多个TAT探测器的系统中的总气温(TAT)探测器的数量，而不会在低海拔处，例如在或靠近海平面处对TAT探测器的性能产生负面的影响。
本发明公开内容的方法和系统，如上所述和如附图中所示，为总气温(TAT)探测器提供更优越的性能，包括减小或消除除冰加热器误差(DHE)。尽管主题公开中的设备和方法已经被示出并且参考优选实施例而加以了描述，但本领域技术人员将会容易理解在不偏离本主题公开的精神和范围的情况下可以对其做出变化和／或修改。

Claims (16)

1.一种总气温探测器，包括：
探头，具有气流入口、主气流出口、从气流入口延伸到主气流出口的主探头壁，和定位于气流入口和主气流出口之间的气流分离弯管壁，气流分离弯管壁跨越第一流动通道与主探头壁相对，穿过探头从气流入口到主气流出口而限定该第一流动通道；
相对的侧壁，每个侧壁连接在主探头壁和气流分离弯管壁之间；以及
气流分离阻隔特征部，限定在主探头壁的内表面上，用于阻隔第一流动通道内的流动使边界层流动分离，其中所述气流分离阻隔特征部从所述相对的侧壁中的一个到另一个地跨越所述主探头壁，并且，其中所述气流分离阻隔特征部具有与所述气流入口向内间隔开的前凹口边缘。
2.根据权利要求1所述的总气温探测器，进一步包括：
传感器通道，连接到第一流动通道，并且以一个相对于从气流入口到主气流出口所限定的流动轴线的角度而定位，其中温度传感器安装在传感器通道内部用于总气温测量；以及
除冰加热器，操作性地连接以加热所述探头，并且在第一流动通道内形成经加热的边界层，经加热的边界层的一部分穿过第一流动通道进入传感器通道内，其中定位所述温度传感器和所述流动分离阻隔特征部，从而使得穿过并进入传感器通道内的经加热的边界层的一部分基本上避开传感器，用于降低除冰加热器误差。
3.根据权利要求2所述的总气温探测器，其中传感器通道包括传感器通道壁，并且其中在传感器和传感器通道壁之间的传感器通道内包括热防护层，其中定位所述流动分离阻隔特征部和所述热防护层，从而使得穿过并进入传感器通道内的经加热边界层的一部分基本上避免溅出到热防护层内。
4.根据权利要求1所述的总气温探测器，其中流动分离阻隔特征部包括从主探头壁的内表面而嵌入设置的凹口。
5.根据权利要求4所述的总气温探测器，其中凹口具有的所述前凹口边缘从气流入口以0.8英寸(2.032cm)的距离向内间隔。
6.根据权利要求4所述的总气温探测器，其中凹口具有的深度为相对于主探头壁的内表面0.008英寸(0.0203cm)。
7.根据权利要求1所述的总气温探测器，其中流动分离阻隔特征部包括从主探头壁的内表面而外出设置的突起。
8.根据权利要求7所述的总气温探测器，其中突起具有导引边缘，该导引边缘从气流入口以0.8英寸(2.032cm)的距离而向内间隔。
9.根据权利要求7所述的总气温探测器，其中所述突起从主探头壁的内表面突出0.008英寸(0.0203cm)的距离。
10.一种总气温探测器，包括：
探头，具有气流入口、主气流出口、从气流入口延伸到主气流出口的主探头壁，和定位于气流入口和主气流出口之间的气流分离弯管壁，气流分离弯管壁跨越第一流动通道与主探头壁相对，穿过探头从气流入口到主气流出口而限定该第一流动通道；
相对的侧壁，每个侧壁连接在主探头壁和气流分离弯管壁之间；
气流分离阻隔特征部，限定在主探头壁的内表面上，用于阻隔第一流动通道内的流动以使边界层流动分离，其中所述气流分离阻隔特征部从相对的侧壁中的其中一个到另一个地跨越所述主探头壁；
支柱，连接在探头和相对着的探测器底座之间，支柱限定着连接至第一流动通道上的传感器通道，该传感器通道以一个相对于从气流入口到主气流出口所限定的流动轴线的角度而取向，其中温度传感器安装在传感器通道内用于进行总气温测量；
热防护层，包含在介于传感器和传感器通道的内壁之间的传感器通道内；以及
除冰加热器，操作性地连接以加热探头和支柱，来在第一流动通道内形成经加热的边界层，所述经加热边界层的一部分从第一流动通道穿过进入所述传感器通道，其中定位所述流动分离阻隔特征部，从而使得穿过进入传感器通道内的经加热边界层的一部分避免溅出到热防护层中，用于减少除冰加热器的误差。
11.根据权利要求10所述的总气温探测器，其中流动分离阻隔特征部包括从主探头壁的内表面而嵌入设置的凹口。
12.根据权利要求11所述的总气温探测器，其中凹口具有导引槽边缘，其从气流入口以0.8英寸(2.032cm)的距离而向内间隔。
13.根据权利要求11所述的总气温探测器，其中凹口的深度为相对于主探头壁的内表面0.008英寸(0.0203cm)。
14.根据权利要求10所述的总气温探测器，其中流动分离阻隔特征部包括从主探头壁的内表面而向外设置的突起。
15.根据权利要求14所述的总气温探测器，其中突起具有导引边缘，该导引边缘从气流入口以0.8英寸(2.032cm)的距离而向内间隔。
16.根据权利要求14所述的总气温探测器，其中所述突起从主探头壁的内表面而突出0.008英寸(0.0203cm)的距离。
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