CN110466778B - 一种结冰探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结冰探测器，其具有结冰杆和第一光电传感器。结冰杆沿其延伸方向设有多个从迎风面贯通至背风面的冰晶收集孔。第一光电传感器设置在结冰杆的两个相对端部，并在结冰杆的迎风侧形成第一光路。当过冷水滴撞击到结冰杆结冰后，第一光路被部分或全部遮挡，第一光电传感器由此被激发并发出过冷水滴结冰信号。

Description

一种结冰探测器

技术领域

本发明涉及飞机探测设备，其尤其涉及一种结冰探测器，用于检测空中是否存在冰晶结冰条件。

背景技术

飞行在空中遭遇到的结冰条件包括了适航条款14CFR 25部附录 C常规过冷水滴结冰条件(水滴直径≤50um)，14CFR 25部附录O 过冷大水滴结冰条件(50μm＜水滴直径＜500μm，称为冻毛毛雨；水滴直径≥500μm，称为冻雨)，和14CFR 33部附录D冰晶结冰条件。本发明将上述附录C常规过冷水滴和附录O过冷大水滴统称为过冷水滴。当结冰条件中，同时含有过冷水滴和冰晶结冰条件，称为混合态结冰条件。

结冰探测可以在早期探测到飞机进入结冰条件，发出结冰告警信息，提示飞行员及时采取相应动作，是保障飞行安全的一项改进措施。

过冷水滴会导致飞机气动表面(机翼前缘、短舱前缘等)结冰，造成飞机操稳品质降级、飞行性能损失和飞行安全裕度下降。

冰晶结冰条件存在于高空对流风暴的外围区域，且不能被飞机的气象雷达探测到。当飞机进入冰晶结冰条件，冰晶在低温的飞机机体和发动机表面被反弹不会造成机体结冰，但是冰晶能够进入发动机内部，随着温度的上升，在压缩机叶片上融化产生结冰，导致叶片的叶尖翘曲和撕裂，进而导致发动机推力损失，发生喘振、失速、熄火等事故；并且冰晶可能堵塞皮托管和总温传感器探头，造成高度和温度数据异常，危及飞行安全。

飞行遭遇的结冰条件，约99％为常规过冷水滴结冰条件，飞机通常安装有结冰探测器。过冷大水滴、冰晶及混合态结冰条件约1％，但过冷水大水滴和冰晶结冰条件近年来导致了数起坠机事故，逐渐引起适航当局关注，陆续发布了14CFR 25部附录O过冷大水滴和14 CFR 33部附录D冰晶结冰条件法律规章，用于提高飞行安全措施。但目前，还未有过冷水滴、冰晶结冰条件或混合态结冰条件探测装置实际应用在飞机的案例。

文献US 7,104,502公开了一种具有圆柱型磁致伸缩探头的结冰探测器。当过冷水滴撞击到探头上，随着结冰质量增加探头振动频率下降，降低到阀值后发出结冰信号。该类型的结冰探测器，冰晶撞到柱体后会发生反弹，并不能有效探测冰晶结冰条件。

文献US 7,014,357公开了一种结冰条件探测器。探头内由两个干湿铂电阻温度传感器构成一个电桥，过冷水滴浓度不同电压差不同，电压变化到阀值发出结冰信号。对于该文献中的探测器，由于冰晶随高速气流穿过传感器，而不会在温度传感器上结冰，因此无法探测冰晶结冰条件。

与US 7,104,502类似，文献EP1533228同样具有磁致伸缩探头，其通过在支撑结构上增加一个凹槽，凹槽底部集成振动膜片。由于该文献中的浅凹槽位于气流上升表面，冰晶在凹槽反弹，该探头不能有效的探测冰晶结冰条件。

文献US 7,845,221公开了一种冰晶探测装置，其由两个并列的圆锥形管组成，一个圆锥管1恒定加热一个圆锥管2不加热，两个压力传感器分别测量两者的压力计算压差，冰晶撞击到圆锥管2堵塞圆锥管，压差变化到阈值，发出告警。不足之处，一个圆锥管恒定加热，电功率消耗大。

发明内容

针对根据现有技术的冰晶探测器的上述现状，本发明的目的提供一种可以有效监测结冰条件的结冰探测器。

该目的通过根据本发明以下形式的一种结冰探测器来实现。该结冰探测器包括结冰杆和第一光电传感器。其中，结冰杆沿其延伸方向设有多个冰晶收集孔。所述冰晶收集孔由所述结冰杆的迎风面贯通至背风面。第一光电传感器设置在所述结冰杆的两个相对端部，并且被构造成能够在所述结冰杆的迎风侧形成第一光路。

得益于冰晶收集孔，过冷水滴撞击到结冰杆结冰会由于冰晶收集孔对气流的抽吸作用，空气中存在的过冷水滴撞击到结冰杆后会迅速结冰，第一光路因此被部分或全部遮挡，第一光电传感器由此被激发并发出过冷水滴结冰信号。此外，设置的冰晶收集孔还借由其自身的抽吸作用而降低其入口附近的温度，这将进一步利于过冷水滴结冰，并显著提高本公开的冰晶探测器的局部水滴收集系数。

优选地，第一光电传感器形成的第一光路与结冰杆的表面彼此间隔开。有利的是，在此情况下，一方面，由于第一光路和结冰杆之间设置的缝隙可以降低结冰杆表面反射光和散射光对第一光路的干扰，第一光电传感器的探测精度能够维持在较高水平；另一方面，在灰尘、油脂等杂物粘连在结冰杆表面后，冰晶探测器不会因为第一光路会被杂物遮挡而发生误报警。根据飞机飞行过程可能遭遇的灰尘、油脂等杂物的尺寸以及结冰杆的飞行阻力等，优选地，该间距D1被设为： 0.2mm≤D1≤0.5mm。

对于结冰杆的构造，其优选为圆柱体。对于圆柱体构造的第一结冰杆而言，其为轴对称结构，如此设置的第一结冰杆能够保证流场保持稳定且沿轴向均布。

对于冰晶而言，其撞击在诸如机翼、机身的低温表面后，低温表面的温度不足以使冰晶融化而凝结在低温表面。在撞击低温表面后，冰晶将四处飞溅，冰晶探测器将无法检测到冰晶。

发明人发现，冰晶撞击到结冰杆飞溅后会进行凝结，根据现有技术，凝结后的冰晶会随气流飘散。为此，在本发明的一种优选实施方式中，所述结冰杆设有沿其轴线方向延伸的空腔，所述空腔的两端设有用于形成第二光路的第二光电传感器。当冰晶撞击飞溅并凝结后，由于冰晶收集孔的抽吸作用，凝结后的冰晶进入冰晶收集孔并堵塞在冰晶收集孔底部，第二光路被切断或显著减低光通量，第二光电传感器由此发出冰晶结冰信号。

根据本发明的一种优选实施方式，所述混合态结冰探测器还包括位于所述结冰杆的侧面的第三光电传感器，所述侧面位于所述迎风面和所述背风面之间，当所述第三光电传感器形成的第三光路被切断或被显著降低光通量，所述第三光电传感器发出过冷水滴结冰信号。

随着过冷水滴直径的增加或者环境温度升高至临近0℃时，过冷水滴飞溅、冻结系数降低，过冷水滴撞到结冰杆后形成的冰的特点是：结冰杆的迎风面结冰厚度薄，而两个侧面结冰厚且向后延伸，其形似“羊角”。此外，在诸如需要进行持续偏航的特殊飞行状态下，过冷水滴持续撞击在侧面而结冰。增设的第三光电传感器显然可以检测到上述情况下形成的冰。

根据本发明的一种优选实施方式，所述结冰探测器还包括位于所述结冰杆的背风面的第四光电传感器，当所述第四光电传感器形成的第四光路被切断或被显著降低光通量，所述第四光电传感器发出过冷水滴结冰信号。

对于过冷水滴直径超过100μm而言，在环境温度升高而临近0 ℃时，过冷水滴可能破碎而无法形成上述羊角冰。对于圆柱体构造的结冰杆而言，在遭遇上述条件时，过冷水滴会在结冰杆背面凝结。增设的第四光电传感器显然可以检测到上述情况下形成的冰。

根据本发明的一种优选实施方式，所述混合态结冰探测器还包括位于所述结冰杆的轴向相对的两个端部的整流元件，所述整流元件为透明件具有能够减少紊流的构型，所述第一光电传感器位于所述整流元件内。

根据本发明的一种优选实施方式，多个所述收集孔的轴线位于同一平面。

根据本发明的一种优选实施方式，所述收集孔的横截面积沿气体的流通方向逐渐减小。更优选地，所述收集孔的轴线与所述结冰杆的轴线之间的夹角为锐角。对于具有渐缩构造的收集孔而言，其可以加速气流，同时降低局部温度并提高局部水收集系数。

为了保证根据本申请的结冰探测器能够有效地收集过冷水滴、冰晶，同时具有足够的强度，优选地，当所述结冰杆为圆柱体时，所述收集孔的最大横截面的直径被设置成不大于所述结冰杆的直径的三分之一。

优选地，所述收集孔内设有第一加热元件。第一加热元件优选将所在收集孔内表面的温度加热至略高于零度，更为优选地，加热至1-2 ℃，由此可以避免在某些特殊状态下，过冷水滴因气动力的作用等可能直接撞击到冰晶收集孔底部并大量冻结而触发冰晶结冰信号的误告警。当收集孔的内表面被保持在1-2℃的温度区间时，其可以保证过冷水滴不会冻结而随气流飞出冰晶收集孔，还可以保证冰晶获得了部分不足以促使冰晶融化冻结的热能，而该分量的热能可增加冰晶与冰晶收集孔表面的结合力，有利于堵塞冰晶收集孔。

当由第二光电传感器探测到冰晶结冰信号后，第一加热元件的加热功率持续提高，冰晶因此熔化而从冰晶收集孔中脱离。

类似地，还可在结冰杆、整流元件上分别设置第二加热元件、第三加热元件，由此，在第一光电传感器发出过冷水滴结冰信号后，由各加热元件加热，使得去除各自表面的冰脱离、熔化。

根据本发明的结冰探测器，其具有结冰杆和第一光电传感器。结冰杆沿其延伸方向设有多个从迎风面贯通至背风面的冰晶收集孔。第一光电传感器设置在结冰杆的两个相对端部，并在结冰杆的迎风侧形成第一光路。当过冷水滴撞击到结冰杆结冰后，第一光路被部分或全部遮挡，第一光电传感器由此被激发并发出过冷水滴结冰信号。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1是根据本发明的优选实施方式的冰晶探测器的结构示意图；

图2、3是根据图1所示冰晶收集探头的纵向截面示意图，图2、 3示出了具有不同形式的冰晶收集孔；

图4是图1所示结冰杆的俯视图；

图5A-5D示出了根据本发明的各种整流元件的结构示意图；

图6A-6C示出了沿5A-5D的俯视方向的各种整流元件的结构示意图；

图7示出了根据本发明的结冰杆在遭遇过冷水滴时的截面示意图；

图8示出了根据本发明的结冰杆在遭遇冰晶时的截面示意图。

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

图1示出了根据本发明的优选实施方式的结冰探测器100的总体结构。如图1所示，被布置在飞机上的结冰探测器100具有结冰杆110 和第一光电传感器121。优选地，结冰杆110通过支撑杆130固定于控制装置140的上方，以从飞机蒙皮突出并接触、收集冰晶和过冷水滴，同时避免控制装置140外露。结冰杆110、支撑杆130优选为圆柱体构造等，以此可以减少因飞机在不同飞行攻角下飞行而造成的不同收集效果。

结冰杆110沿其延伸方向设有多个冰晶收集孔111。冰晶收集孔 111由结冰杆110的迎风面贯通至背风面。控制装置140上的箭头示出了飞机正常飞行下，气流的沿冰晶收集孔111的流通方向。

结冰杆110的两个相对端部设有第一光电传感器121。第一光电传感器121在结冰杆110的迎风侧形成第一光路。

在低温环境下，空气中存在的过冷水滴撞击到结冰杆110结冰后，第一光路被部分或全部遮挡，第一光电传感器121由此被激发并发出过冷水滴结冰信号。

图2、3示出了图1所述的冰晶探测器100的纵向中心截面的一部分，其中，该纵向中心截面穿过冰晶收集孔111的中轴线。图2、3 示出了具有不同构造的冰晶收集孔111。

在图2所示的结冰杆110中，各冰晶收集孔111A的中轴线大致与结冰杆110的中轴线垂直；在图3所示的结冰杆110中，各冰晶收集孔111B的轴线大致与结冰杆110的轴线之间成锐角关系。

如图2、3所示，优选地，冰晶收集孔111被设置成渐缩式，也即沿横截面积沿气体的流通方向逐渐减小的形式，以此提高冰晶的收集效果。

优选地，收集孔的最大横截面(也即冰晶收集孔111入口处的横截面)的直径被设置成不大于结冰杆110的直径的三分之一，以此保证结冰杆110的强度。

进一步参见图2-3，优选地，由第一光电传感器121形成的第一光路与结冰杆110的表面之间具有0.2mm-0.5mm之间的间距，以此避免因灰尘、油脂等杂物遮挡第一光路。

如图2-3，结冰杆具有沿其轴线方向延伸的空腔112。空腔112 的两端设有用于形成第二光路的第二光电传感器113。当冰晶撞击飞溅并凝结后，由于冰晶收集孔111的抽吸作用，凝结后的冰晶进入冰晶收集孔111并堵塞在冰晶收集孔111底部，第二光路被切断或显著减低光通量，第二光电传感113由此发出冰晶结冰信号。

参见图2-3并结合图5A-5D、6A-6C，其中，图5A-5D是图1的上方的整流元件120的局部示意图，图6A-6C为图5A-5D的俯视方向的整流元件120的外轮廓图，图5A-5D的整流元件120A、120B、 120C、120D可以设置成具有图6A-6C的圆形A、椭圆形B以及长圆形C中的任一外轮廓的构造。

整流元件120水平方向的外轮廓面具有良好的流线构造，由此降低过冷水滴冻结在其表面上而遮挡第一光电传感器121。优选地，整流元件120的外轮廓被设计成图6A所述的圆形A的构造，以此减小飞机俯仰、偏航对顶部气流的影响，保持顶部气流稳定。

结冰杆110两端的整流元件120具有透明腔，第一光电传感器121 被安置其中并在结冰杆110的表面或者临近结冰杆110的表面位置形成第一光路。

参见图4，其示出了沿图1的俯视方向示出了结冰杆110的结构，其中为了理由显示结冰杆110的内部结构，其结冰杆110内部被以截面的形式示出。如图4所示，在结冰杆110的迎风面和背面之间的侧面进一步设有2组第三光电传感器122，以及一组第四传感器123。在出现“羊角冰”或者飞机长时间持续偏航的情况下，双侧的第三光电传感器122可探测到结冰情况；在飞机遭遇大于100μm的过冷水滴的情况下，第四光电传感器123可探测到结冰情况。

优选地收集孔内、结冰杆110的外表面、整流元件120上可设置加热元件。

以下结合图7-8说明根据本发明的结冰探测器100100在遭遇过冷水滴以及冰晶的情况下的结冰探测原理。

如图7所示，其示出了过冷水滴D的流通路径。由于冰晶收集孔 111的抽吸作用，一部分撞击在结冰杆110表面的过冷水滴D凝结成冰E；另一部分则从冰晶收集孔111内部穿过。第一光电器形成的第一光路此时被遮挡并发出过冷水滴结冰信号。

如图8所示，其示出了冰晶F的流通路径。一部分冰晶F由于冰晶收集孔111的抽吸作用进入冰晶收集孔111并凝结成冰晶块G；另一部分则撞击结冰杆110表面后反弹。第二光电器形成的第二光路此时被遮挡并发出冰晶结冰信号。

根据一种优选实施方式，在探测到结冰情况后，控制装置140控制各加热元件加热各自位置以除冰。在此期间内，过冷水滴结冰信号以及冰晶结冰信号被抑制。

加热时间可优选地被设置成15-30s。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种结冰探测器，其特征在于，所述结冰探测器包括：

结冰杆，所述结冰杆沿其延伸方向设有多个冰晶收集孔，所述冰晶收集孔由所述结冰杆的迎风面贯通至背风面；

第一光电传感器，所述第一光电传感器设置在所述结冰杆的两个相对端部，并且被构造成能够在所述结冰杆的迎风侧形成第一光路，

其中，当过冷水滴撞击到所述结冰杆结冰时，所述第一光路被切断或被显著降低光通量，由此所述第一光电传感器发出过冷水滴结冰信号，以及

所述结冰杆具有沿其轴线方向延伸的空腔，所述空腔的两端设有用于形成第二光路的第二光电传感器，当冰晶堵塞所述冰晶收集孔时，所述第二光路被切断或显著减低光通量，由此所述第二光电传感器发出冰晶结冰信号。

2.根据权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，所述结冰探测器还包括位于所述结冰杆的侧面的第三光电传感器，所述侧面位于所述迎风面和所述背风面之间，当所述第三光电传感器形成的第三光路被切断或被显著降低光通量，所述第三光电传感器发出过冷水滴结冰信号。

3.根据权利要求1或者2所述的结冰探测器，其特征在于，所述结冰探测器还包括位于所述结冰杆的背风面的第四光电传感器，当所述第四光电传感器形成的第四光路被切断或被显著降低光通量，所述第四光电传感器发出过冷水滴结冰信号。

4.根据权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，所述结冰探测器还包括位于所述结冰杆的轴向相对的两个端部的整流元件，所述整流元件为透明件具有能够减少紊流的构型，所述第一光电传感器位于所述整流元件内。

5.根据权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，所述结冰杆为圆柱体。

6.根据权利要求5所述的结冰探测器，其特征在于，多个所述收集孔的轴线位于同一平面。

7.根据权利要求5或6所述的结冰探测器，其特征在于，所述第一光路与所述结冰杆的表面之间的间距D1为：0.2mm≤D1≤0.5mm。

8.根据权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，所述收集孔的横截面积沿气体的流通方向逐渐减小。

9.根据权利要求8所述的结冰探测器，其特征在于，所述收集孔的轴线与所述结冰杆的轴线之间的夹角为锐角。

10.根据权利要求8或9所述的结冰探测器，其特征在于，当所述结冰杆为圆柱体时，所述冰晶收集孔的最大横截面的直径不大于所述结冰杆的直径的三分之一。

11.根据权利要求1所述的结冰探测器，其特征在于，所述收集孔内设有第一加热元件。

12.根据权利要求1或11所述的结冰探测器，其特征在于，所述结冰杆还设有第二加热元件，所述第二加热元件被配置成能够除去所述结冰杆的表面的冰。

13.根据权利要求4所述的结冰探测器，其特征在于，所述整流元件还设有第三加热元件，所述第三加热元件被配置成能够除去所述整流元件的表面的冰。

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