CN108128467B - 结冰探测器及结冰探测方法 - Google Patents

Abstract

一种结冰探测器包括：第一结冰探测元件和第二结冰探测元件，第一结冰探测元件中设有第一温度传感器和第一加热元件，第二结冰探测元件中设有第二温度传感器和第二加热元件。结冰探测器还包括至少一个控制器，该控制器通过线缆或无线的方式与所述第一温度传感器、所述第一加热元件、所述第二温度传感器和/或所述第二加热元件相连接。还公开了使用该结冰探测器进行结冰探测的方法。该结冰探测器及其使用方法具有较高探测精度，并能减少误报警的风险。

Description

结冰探测器及结冰探测方法

技术领域

本发明涉及一种结冰探测器，该结冰探测器安装在结冰表面上，用于探测该结冰表面所处的环境、例如周围气流中是否存在结冰条件。本发明还涉及一种结冰探测方法。

背景技术

结冰探测具有广泛的应用领域。例如，在北方冬季，需要对公路路面、风力发电机的叶片等部位、输电线路等需要进行结冰探测，以避免结冰对这些设施产生不利影响。此外，结冰探测对于飞机的飞行也有着十分重要的作用。在飞机飞行过程中，需要对诸如飞机机翼、尾翼、发动机气道等多个部位进行结冰探测，以防止这些部位结冰对飞行过程产生不利影响甚至导致安全事故。

目前，尤其是在飞机领域，已经开发出了多种用于结冰探测的装置，以帮助飞行员或飞机上的其他工作人员及时采取措施来避免结冰对飞机飞行产生的危害。

就结冰探测而言，目前主要采取以下的几种方式：

一种是所谓的“结冰探测”，即，将物体暴露在结冰条件中，当物体结冰时，设置在物体上的传感器可感测到该结冰情况，并且根据物体上的结冰情况间接地判断出气流中存在结冰条件。执行此种方式的探测器被称为“结冰探测器”。

还有一种是所谓的“结冰条件探测”，其中将物体暴露在具有结冰条件的环境中，例如暴露在具备结冰条件的气流中，设置在物体上的传感器感测该气流本身的参数，比如温度、含湿量等，这些参数可反映气流的结冰条件，因而可根据这些参数来直接判断气流中是否存在结冰条件。执行此种方式的探测器被称为“结冰条件探测器”。

按照工作原理，常用的结冰探测器包括基于磁致伸缩材料的振动原理的探测器、光电结冰探测器、超声波结冰探测器等。例如，基于磁致伸缩材料的振动原理的探测器包括由磁致伸缩材料制成的探头，该探头的振动频率随着凝结的冰的质量增加而下降，当探头的振动频率下降到预定的阈值时，发出结冰信号。

在另一种现有的结冰探测器中，探头包括由两个铂电阻温度计构成的电桥，当遭遇不同的结冰条件时，该电桥两端的电压不同，当电压超出或低于预定的阈值时，发出结冰信号。

此外，还有一种结冰探测器是温度检测来发出结冰信号。

在结冰探测领域，目前仍存在对结冰探测器进行改进的需求，以使该结冰探测器能够应用于更广泛的领域，并能够进一步提高探测精度，减少误报警的风险。

发明内容

本发明是为解决以上现有技术的问题而做出的，其目的是提供一种改进的结冰探测器，该结冰探测器能够提高对结冰条件的探测精度，并降低误报警的风险。

本发明的结冰探测器包括：第一结冰探测元件，该第一结冰探测元件中设置有第一温度传感器，且埋设有第一加热元件，其中，第一温度传感器检测第一结冰探测元件的表面温度；第二结冰探测元件，该第二结冰探测元件中设置有第二温度传感器，且埋设有第二加热元件，其中第二温度传感器检测第二结冰探测元件的表面温度；以及至少一个控制器，该控制器通过线缆或无线的方式与第一温度传感器、第一加热元件、第二温度传感器和/或第二加热元件相连接，且控制器被设置成基于在第一结冰探测元件上检测到的第一运行参数以及在第二结冰探测元件上检测到的第二运行参数来确定是否存在结冰条件。

该结冰探测器设置有两个结冰探测元件，这样，就可以将这两个结冰探测元件设置成以不同的方式运行，进而基于这两个结冰探测元件的不同运行参数来探测是否存在结冰条件。这样，无需为存储诸多外界条件来涉及庞大的数据库，只需循环存储预定时间间隔内的测量数据即可。因此，本发明的结冰探测器可高效、精确地探测结冰条件，此外还能降低误报警率。

较佳地，在第一结冰探测元件和第二结冰探测元件之间设置有隔绝件。该隔绝件能够阻隔第一结冰探测元件和第二结冰探测元件之间的热和电的传导，确保第一结冰探测元件和第二结冰探测元件的互相独立地工作。

在一种具体实施例中，第一运行参数为第一加热元件上的功率值，第二运行参数为第二加热元件上的功率值。

或者，在另一种具体实施例中，第一运行参数为第一结冰探测元件的表面温度，第二运行参数为第二结冰探测元件的表面温度。

本发明还涉及使用如上所述的结冰探测器来进行结冰探测的方法，该方法包括如下步骤：

a. 开启结冰探测器；

b. 控制器控制第一结冰探测元件和第二结冰探测元件的运行，并至少获取第一运行参数和第二运行参数，以及

c. 至少在第一运行参数和第二运行参数在预定的时间间隔中的变化率超出了预设的阈值时，发出结冰信号。

在一种具体实施例中，步骤b可进一步地包括：b1. 控制器启动第一加热元件，以使第一结冰探测元件的表面温度保持在略高于0℃的第一预定温度，从而在第一结冰探测元件的表面上允许存在液态水，但不结冰，且启动第二加热元件，以使第二结冰探测元件的表面温度保持在远高于0℃的第二预定温度，从而在第二结冰探测元件的表面上既不结冰也不存在液态水；b2. 以预定的时间间隔检测第一加热元件上的第一功率值，作为第一运行参数，并以预定的时间间隔检测第二加热元件上的第二功率值，作为第二运行参数；和b3. 计算第一功率值在预定的时间间隔中的第一变化率以及第二功率值在预定的时间间隔中的第二变化率。而步骤c则进一步包括：c1. 当第一变化率大于预设的第一阈值且第二变化率大于预设的第二阈值时，发出结冰信号。

在步骤b3中，较佳地还可计算第一变化率和第二变化率之间的比值。而在步骤c1中，可进一步地要求比值大于预设的第三阈值才发出结冰信号。

或者，在步骤b3中还计算第一功率值与第二功率值之间的差值在预定的时间间隔中的第三变化率；而在步骤c1中，进一步要求第三变化率大于预设的第四阈值才发出所述结冰信号。

通过上述附加的参数，可以显著降低在诸如飞机加速、爬升或下降时由于外界参数的变化而导致的误报警，同时仍能够降低在遭遇结冰条件时未报警的可能性。

为了持续地进行结冰探测，可以在步骤c1中使结冰信号持续一段预定的时间，然后回到步骤b2，并循环执行步骤b2～c1。

较佳地，步骤b2还进一步包括获取环境温度，由此，在步骤c1中，进一步要求环境温度低于0℃时才发出结冰信号。

在另一种较佳实施例中，步骤b进一步包括：b4.控制器启动第一加热元件，以使第一结冰探测元件的表面温度保持在略高于0℃的第一预定温度，从而在第一结冰探测元件的表面上允许存在液态水，但不结冰；控制器控制第二加热元件不工作；b5.以预定的时间间隔记录由第一温度传感器检测到的第一结冰探测元件的第一表面温度，作为第一运行参数；并以预定的时间间隔记录由第二温度传感器检测到的第二结冰探测元件的第二表面温度，作为第二运行参数；以及b6. 计算第一表面温度与第二表面温度之间的差值在预定的时间间隔中的第四变化率。相应地，步骤c则包括：c2.当第四变化率大于预设的第五阈值时，发出结冰信号。

为了能够持续地进行结冰探测，还可在步骤c2中使结冰信号持续一段预定的时间之后进一步包括：c3. 由控制器开启第二加热元件，对第二结冰探测元件进行加热，使第二结冰探测元件的表面上的冰融化或脱落；然后，回到步骤b5，并循环执行步骤b5～c3。

附加地，在步骤b5中还以预定的时间间隔检测第一加热元件上的第一功率值，并计算第一功率值在预定的时间间隔中的第五变化率；以及在步骤c2中，进一步地要求第五变化率大于预设的第六阈值时才发出结冰信号。该附加的参数可进一步确保探测的精确性。此处，所述的第五阈值可以与以上提到的第一阈值相同，也可以不同。

较佳地，步骤b5进一步包括获取环境温度。相应地，在步骤c2中可进一步要求环境温度低于0℃时才发出结冰信号。

附图说明

图1示出了安装有本发明的结冰探测器的结冰表面，该结冰表面例如为飞机机翼表面。

图2示出了本发明的结冰探测器的立体示意图，其中示出了第一结冰探测元件、第二结冰探测元件和在它们之间的隔绝件。

图3示出了本发明的结冰探测器的另一结构示意图，其中示出了控制器与其他部件之间的连接关系。

图4示出了结冰探测元件的运行参数的变化图，其中以第一结冰探测元件的第一加热元件和第二结冰探测元件的第二加热元件的功率值为例。

图5示出了使用本发明的结冰探测器来进行结冰探测的一种方法的流程图。

图6示出了使用本发明的结冰探测器来进行结冰探测的另一种方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。应当理解，图中所示的只是本发明的优选实施方式，相关领域中的技术人员可以对其中的细节作各种等效的变化、改型和组合，而这些都在本发明所要求的保护范围之内。

图1示出了安装有本发明的结冰探测器1的结冰表面2，该结冰表面2例如可以是飞机的机翼，此外，该结冰探测器1也可用于其他应用场合，例如用于冬季公路路面、风力发电机、输电线路等等。本发明的结冰探测器1适于齐平地安装在诸如飞机机翼之类的结冰表面2上。

图2和图3示出了本发明的结冰探测器1的结构。图2中示出了结冰探测器1的第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20，其中第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20可以面对着气流A布置。

在第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20之间设置有隔绝件30，该隔绝件30例如可为绝热绝缘的密封条，由此阻隔第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20之间的热和电的传导。

在第一结冰探测元件10上设置有第一温度传感器11，第一温度传感器11可用来监测第一结冰探测元件10的表面温度。该第一温度传感器11例如可以嵌设在第一结冰探测元件10中，并且可以是例如微型温度传感器。第一结冰探测元件10中还可埋设有第一加热元件12，该第一加热元件12可以例如是电加热膜，用于对第一结冰探测元件10进行加热，以使第一结冰探测元件10保持在预设的或需要的温度下，或者该第一加热元件12也可在第一结冰探测元件10上结冰之后对第一结冰探测元件10进行加热而使凝结在第一结冰探测元件10上的冰融化或脱落。

类似地，在第二结冰探测元件20中设置有第二温度传感器21，用于监测第二结冰探测元件20的表面温度。第二温度传感器21的设置方式可与第一温度传感器11相同，即，可嵌设在第二结冰探测元件20中，并且也可以是一个微型温度传感器。并且，在第二结冰探测元件20中也可埋设有诸如电加热膜之类的第二加热元件22，以用于对第二结冰探测元件20进行加热，使第二结冰探测元件20保持在所需要的温度下，或者使凝结在第二结冰探测元件20上的冰融化或脱落。

结合图3，本发明的结冰探测器1还包括控制器40，该控制器40通过线缆或通过无线的方式与第一结冰探测元件10的第一加热元件12以及第二结冰探测元件20的第二加热元件22相连接，以控制该第一加热元件12和第二加热元件22操作。此外，在第一加热元件12和第二加热元件22运行时，控制器40还可接收有关第一加热元件12和第二加热元件22上的功率q₁、q₂的信号。

发明人注意到，可以运行第一加热元件12和第二加热元件22以将第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面温度保持在预定的温度上。而当结冰探测器1遭遇到结冰条件时，为保持第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20的表面温度所需要的第一加热元件12和第二加热元件22的运行功率（功率值）会有急剧上升。这在图4中更清楚地示出。在图4中，横轴是时间，纵轴是第一加热元件12和第二加热元件22的运行功率（以功率值来表征）的数值，时间ti则是干空气的情况和遭遇结冰条件的情况之间的分界。

因此，通过检测第一加热元件12和第二加热元件22运行过程中的功率值q₁、q₂，可以在该值大幅上升时判定遭遇到结冰条件。

进一步地，控制器40还可通过线缆或无线的方式与第一结冰探测元件10的第一温度传感器11和第二结冰探测元件20的第二温度传感器21相连接，以接收第一温度传感器11和第二温度传感器21所检测到的第一结冰探测元件10的表面温度T₁和第二结冰探测元件20的表面温度T₂，并可基于该检测到的表面温度来控制第一加热元件12和第二加热元件22的操作。

此外，在附图所示的结构中只示意性地示出了一个控制器40，不过本领域技术人员可知，也可设置多个控制器，分别用于接收温度信息、控制加热元件等，或者分别对应于第一结冰探测元件10和第二结冰探测元件20，而且这些控制器之间也可以是互相联通的。

下面将具体描述使用上述本发明的结冰探测器1来进行结冰探测的方法。

<方法一>

图5示出了使用本发明的结冰探测器1进行结冰探测的一种方法。其中，在步骤S1中，该结冰探测器1最初未处于结冰条件中，例如处于干空气中，此时，可由操作人员手动地或者基于预设的程序开启结冰探测器1。

当控制器40检测到温度略高于冰点（即0℃），例如2℃时，表明存在结冰风险，进入步骤S2。在步骤S2中，例如由控制器40来开启并控制第一加热元件12运行，以将第一结冰探测元件10的表面温度保持在略高于冰点（即0℃）的温度处，例如保持在2℃，或者保持在0℃到2℃之间的范围内。在该温度条件下，在第一结冰探测元件10的表面上可存在液态水，但不结冰。并且，控制器40以时间间隔Δt检测并记录第一加热元件12上的功率q₁（与施加在第一加热元件22上的电压和/或电流相关），进而计算时间间隔Δt期间功率q₁的变化率Δq₁。控制器40基于由第一温度传感器11所检测到的温度来控制第一加热元件12，以保持第一结冰探测元件10的表面温度。

并且，控制器40还开启并控制第二加热元件22运行，以将第二结冰探测元件20的表面温度保持在远高于冰点的温度，例如可将第二结冰探测元件20的表面温度保持在30℃或更高。在此温度条件下，第二结冰探测元件20的表面上不会有液态水的存在，更不会发生结冰。控制器40还以同样的时间间隔Δt检测并记录第二加热元件22上的功率q₂（与施加在第二加热元件22上的电压和/或电流相关），进而计算时间间隔Δt期间功率q₂的变化率Δq₂。控制器40基于由第二温度传感器21所检测到的温度来控制第二加热元件22，以保持第二结冰探测元件20的表面温度。

接着，进入步骤S3，在该步骤中，控制器40较佳地接收有关环境温度的信号，以判断该环境温度是否小于0℃。此处，环境温度可由除第一温度传感器11和第二温度传感器21之外的其他温度传感器来检测，例如该温度传感器可安装在结冰表面2上，或者在离开该结冰表面2一段距离处。

并且，在步骤S3中，控制器40还判断在时间间隔Δt期间，第一加热元件12的功率q₁的变化率Δq₁以及第二加热元件22的功率q₂的变化率Δq₂是否超出了预定的阈值v₁和v₂。

更具体地来说，在步骤S3中，若控制器40判断出环境温度小于0℃，且同时满足Δq₁>v₁以及Δq₂>v₂，则控制器40判断遭遇到结冰条件，从而进入步骤S4，发出结冰信号。反之，则回到步骤S2，继续以时间间隔Δt来如上所述地检测、记录和处理上述参数q₁和q₂。

在此，该结冰信号可以是声音信号、光信号等。

为了在诸如飞机飞行的过程中持续地检测结冰条件，在步骤S4中持续报警一段时间之后，可以回到步骤S2中，并循环执行步骤S2~S4。

最后，若要结束结冰探测器1对结冰条件的探测，可以在步骤S5中通过预设程序或者人工操作来终止对结冰条件的持续探测，例如，在飞机的结冰条件探测的应用场合，可在预设程序中将结冰探测器1设置成当飞机着陆之后停止结冰条件探测的操作，也可以在飞机着陆之后手动地停止结冰探测。

上述方法可提高对结冰条件监测的灵敏度，从而降低在遭遇结冰条件时未报警的可能性。

较佳地，在上述步骤S3中，控制器40还可进一步地计算Δq₁/Δq₂的值，并且在同时满足Δq₁/Δq₂超出预定的阈值v3时才发出结冰信号。即，在该较佳的方式中，若要发出结冰信号，需要满足环境温度小于0℃、Δq₁>v₁、Δq₂>v₂、以及Δq₁/Δq₂>v₃。

或者，在步骤S3中，控制器40也可附加地计算Δ(q_1-q₂)的值。并且在同时满足Δ(q_1-q₂)超出预定的阈值v₄时才发出结冰信号。即，在该判断方法中，若要发出结冰信号，需要满足环境温度小于0℃、Δq₁>v₁、Δq₂>v₂、以及Δ(q_1-q₂)>v₄。

通过以上两种进一步优化的判断方法，可显著降低在诸如飞机加速、爬升或下降时由于外界参数的变化而导致的误报警，而从另一方面来说其也能降低在遭遇结冰条件时未报警的可能性。

此外，需要说明的是，环境温度小于0℃这一判定条件对于飞机飞行来说是十分有用的，但在某些情况下，环境温度小于0℃并不是判定结冰条件的必要条件。比如，若在环境气压较高的环境中，有可能在略高于0℃的时候也会发生结冰现象。

<方法二>

图6示出了使用本发明的结冰探测器1进行结冰探测的一种方法。其中，在步骤S1’中，该结冰探测器1最初未处于结冰条件中，例如处于干空气中，此时，可由操作人员手动地或者基于预设的程序开启结冰探测器1。

接着，在步骤S2’中，例如由控制器40来开启并控制第一加热元件12运行，以将第一结冰探测元件10的表面温度保持在略高于冰点（即0℃）的温度处，例如保持在2℃。在该温度条件下，在第一结冰探测元件10的表面上可存在液态水，但不结冰。并且，控制器40以时间间隔Δt记录由第一温度传感器11检测到的第一结冰探测元件10的表面温度T₁。

与此同时，控制器40控制第二加热元件22不工作，即，不对第二结冰探测元件20的表面进行加热。并且，控制器40以时间间隔Δt记录由第二温度传感器21检测到的第二结冰探测元件20的表面温度T₂。

然后，在步骤S3’中，控制器40还接收有关环境温度的信号，以判断该环境温度是否小于0℃。与方法一相同，该环境温度可由除第一温度传感器11和第二温度传感器21之外的其他温度传感器来检测。

并且，在步骤S3’中，控制器40还计算第一结冰探测元件10的表面温度T₁与第二结冰探测元件20的表面温度T₂的差值在Δt的时间段内的变化率，即Δ（T₁-T₂）。当环境温度低于0℃，且该变化率大于设定的阈值v₅时，即当Δ（T₁-T₂）>v₅时，判定遭遇了结冰条件，并进入步骤S4’，发出结冰信号。反之，则回到步骤S2’，继续以时间间隔Δt来如上所述地检测、记录和处理上述参数T₁和T₂。

在上述步骤S2’和S3’中，较佳地还可以预定的时间间隔Δt检测第一结冰探测元件10的第一加热元件12上的功率q₁，并且计算该功率q₁在时间间隔Δt期间的变化率Δq₁。此时，当同时满足Δq₁大于预定的阈值v₆时，发出结冰信号。更具体地，在该较佳的情形中，当环境温度低于0℃、Δ（T₁-T₂）>v₄且Δq₁>v₆时，判定遭遇结冰条件，发出结冰信号。

在此要说明的是，此处的阈值v₆可以与方法一中的阈值v₁相同，但也可以是不同的。

若要持续地检测结冰条件，在步骤S4’中持续报警一段时间之后，可以进入步骤S5’，由控制器40开启第二结冰探测元件20的第二加热元件22，对第二结冰探测元件20进行加热，使凝结在第二结冰探测元件20表面的冰融化或脱落。此后，回到步骤S2’中，并循环执行步骤S2’~S4’。

最后，与上述方法一类似，可以在步骤S6’中通过预设程序或者人工操作来终止对结冰条件的持续探测。

Claims (8)

1.一种结冰探测器，其特征在于，所述结冰探测器包括：

第一结冰探测元件，所述第一结冰探测元件中设置有第一温度传感器，且埋设有第一加热元件，其中，所述第一温度传感器检测所述第一结冰探测元件的表面温度；

第二结冰探测元件，所述第二结冰探测元件中设置有第二温度传感器，且埋设有第二加热元件，其中所述第二温度传感器检测所述第二结冰探测元件的表面温度；以及

至少一个控制器，所述控制器通过线缆或无线的方式与所述第一温度传感器、所述第一加热元件、所述第二温度传感器和/或所述第二加热元件相连接，且所述控制器被设置成基于在所述第一结冰探测元件上检测到的第一运行参数以及在所述第二结冰探测元件上检测到的第二运行参数来确定是否存在结冰条件，其中，所述第一运行参数为所述第一加热元件上的功率值，所述第二运行参数为所述第二加热元件上的功率值，且所述至少一个控制器被设置成，在进行结冰探测时，启动所述第一加热元件，以使所述第一结冰探测元件的表面温度保持在略高于0℃的第一预定温度，从而在所述第一结冰探测元件的表面上允许存在液态水，但不结冰，以及启动所述第二加热元件，以使所述第二结冰探测元件的表面温度保持在远高于0℃的第二预定温度，从而在所述第二结冰探测元件的表面上既不结冰也不存在液态水。

2.如权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，在所述第一结冰探测元件和所述第二结冰探测元件之间设置有隔绝件。

3.使用如权利要求1所述的结冰探测器来进行结冰探测的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a. 开启所述结冰探测器；

b. 所述控制器控制所述第一结冰探测元件和所述第二结冰探测元件的运行，并至少获取所述第一运行参数和所述第二运行参数，其中，所述控制器启动所述第一加热元件，以使所述第一结冰探测元件的表面温度保持在所述第一预定温度，以及启动所述第二加热元件，以使所述第二结冰探测元件的表面温度保持在所述第二预定温度；以及

c. 至少在所述第一运行参数和所述第二运行参数在预定的时间间隔中的变化率超出了预设的阈值时，发出结冰信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤b进一步包括：

b1. 以所述预定的时间间隔检测所述第一加热元件上的第一功率值，作为所述第一运行参数，并以所述预定的时间间隔检测所述第二加热元件上的第二功率值，作为所述第二运行参数；

b2. 计算所述第一功率值在所述预定的时间间隔中的第一变化率以及所述第二功率值在所述预定的时间间隔中的第二变化率；以及

步骤c进一步包括：

c1. 当所述第一变化率大于预设的第一阈值且所述第二变化率大于预设的第二阈值时，发出所述结冰信号。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤b2中还计算所述第一变化率和所述第二变化率之间的比值；以及

在步骤c1中，进一步地要求所述比值大于预设的第三阈值才发出所述结冰信号。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤b2中还计算所述第一功率值与所述第二功率值之间的差值在所述预定的时间间隔中的第三变化率；以及

在步骤c1中，进一步要求所述第三变化率大于预设的第四阈值才发出所述结冰信号。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤c1中，使所述结冰信号持续一段预定的时间，然后回到步骤b2，并循环执行步骤b1～c1。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤b1进一步包括获取环境温度，以及

在步骤c1中，进一步要求所述环境温度低于0℃时才发出所述结冰信号。