CN113286391B - 一种探除冰装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种探除冰装置及方法,属于防除冰领域,装置包括:探除冰薄膜,粘附在目标结构体表面,包括复阻抗传感器和除冰单元,复阻抗传感器与探除冰薄膜表面的冰层或水膜组成待测区域;复阻抗测量模块,连接复阻抗传感器,用于采样并测量待测区域在预设测量频段内的复阻抗数据;控制模块,连接复阻抗测量模块,用于根据复阻抗数据计算低频段内的阻抗模、以及预设测量频段内待测区域等效电容的相对离散指标;依据阻抗模、相对离散指标与相应的阈值之间的大小关系判断目标结构体表面的状态,并在状态为结冰状态时控制除冰单元除冰。基于复阻抗探测结构体表面的结冰情况,适用于各种尤其是气流速度较高场合的防除冰。
Description
技术领域
本发明属于防除冰领域,更具体地,涉及一种探除冰装置及方法。
背景技术
结构体结冰在自然条件下几乎不可避免,尤其对于风力机、飞机、动车组、户外通讯设备等装备、设施而言。表面结冰将导致性能衰减、经济效益下降、甚至安全隐患等问题。因此,为提高相关设备及设施的运营效率以及安全性,防除冰系统的重要性逐渐凸显。
现有防除冰系统形式多样,通常采用压电测冰法探测防除冰区域的结冰情况。压电测冰法即通过检测防除冰薄膜的振动频率来判断结构体表面是否结冰。然而,对于飞机、风力机等气流速度较高的场合,无法准确测量防除冰薄膜的振动频率,限制了防除冰薄膜的压电测冰法在气流速度较高场合中的应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求,本发明提供了一种探除冰装置及方法,其目的在于基于复阻抗探测结构体表面的结冰情况,使其可用于气流速度较高场合的防除冰。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种探除冰装置,包括:探除冰薄膜,粘附在目标结构体表面,包括复阻抗传感器和除冰单元,所述复阻抗传感器与所述探除冰薄膜表面的冰层或水膜组成待测区域;复阻抗测量模块,连接所述复阻抗传感器,用于采样并测量所述待测区域在预设测量频段内的复阻抗数据;控制模块,连接所述复阻抗测量模块,用于根据所述复阻抗数据计算低频段内的阻抗模、以及所述预设测量频段内所述待测区域等效电容的相对离散指标;依据所述阻抗模、相对离散指标与相应的阈值之间的大小关系判断所述目标结构体表面的状态,并在所述状态为结冰状态时控制所述除冰单元除冰。
更进一步地,所述除冰单元为电加热除冰单元;所述探除冰薄膜还包括感温单元,用于测量所述探除冰薄膜的温度;所述控制模块用于根据所述温度与温度阈值之间的大小关系以及所述状态控制所述电加热除冰单元。
更进一步地,所述感温单元包括多个感温电阻片,当所述多个感温电阻片测得温度的均值小于温度均值阈值、每一感温电阻片测得温度小于所述温度阈值且所述状态为结冰状态时,所述控制模块用于控制所述除冰单元除冰。
更进一步地,所述控制模块还用于根据所述感温单元在当前多个测温周期内测得的温度,预测所述探除冰薄膜在未来多个测温周期内的温度,并在预测得到的温度与冰点之间的差值小于差值阈值且所述状态为湿润状态时控制所述除冰单元除冰。
更进一步地,所述探除冰薄膜包括依次设置的柔性粘接覆膜层、探除冰功能层和柔性疏水覆膜层;所述柔性粘接覆膜层用于将所述探除冰薄膜粘附在所述目标结构体表面;所述探除冰功能层包括所述复阻抗传感器和除冰单元;所述柔性疏水覆膜层表面形成有仿生乳突结构,用于延缓所述目标结构体表面结冰。
更进一步地,所述探除冰薄膜还包括电加热电极和多个分布在所述电加热电极周围的复阻抗测量电极;所述复阻抗测量模块还包括多路选择器,用于依次接通所述复阻抗测量电极中的一个;所述控制模块还包括电控开关,用于将所述电加热电极连接至所述复阻抗测量模块,使得所述电加热电极与接通的复阻抗测量电极形成为所述复阻抗传感器;所述电控开关还用于断开所述电加热电极与复阻抗测量模块之间的连接,使得所述电加热电极作为所述除冰单元用于除冰。
更进一步地,所述相对离散指标为:
其中,VC为所述相对离散指标,CPi为所述预设测量频段内第i个频率点下所述待测区域等效电容,i=1,2,…,n,n为所述预设测量频段内的频率点数,为各频率点下所述待测区域等效电容的均值,θ为相位角,ω为角频率,|Zi|为第i个频率点下的阻抗模。
更进一步地,当所述相对离散指标不小于相对离散指标阈值时,所述状态为结冰状态;当所述相对离散指标小于所述相对离散指标阈值且所述阻抗模大于阻抗模阈值时,所述状态为干燥状态;否则,所述状态为湿润状态。
更进一步地,还包括:电源管理模块,输出端连接所述复阻抗测量模块和控制模块,用于对外接电源提供的电能进行转换后输出至所述复阻抗测量模块和控制模块。
按照本发明的一个方面,提供了一种探除冰方法,包括:S1,采样测量目标结构体表面的冰层或水膜在预设测量频段内的复阻抗数据;S2,根据所述复阻抗数据计算低频段内的阻抗模、以及所述预设测量频段内所述目标结构体表面的冰层或水膜的等效电容的相对离散指标;S3,依据所述阻抗模与阻抗模阈值、以及所述相对离散指标与相对离散指标阈值之间的大小关系,判断所述目标结构体表面的状态;S4,当所述状态为结冰状态时,对所述目标结构体表面的冰层进行除冰。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案,能够取得以下有益效果:
(1)通过测量目标结构体表面与复阻抗传感器之间的复阻抗,从而计算低频段内的阻抗模、以及测量频段内等效电容的相对离散程度,根据阻抗模、相对离散程度与相应阈值之间的大小关系判断结冰状态,外界环境尤其是外界气流速度不会影响复阻抗测量的精度和准确度,由此使得该探除冰装置可以用于各种场景,例如飞机、风力机等气流速度高的场景,避免了基于压电原理的防除冰薄膜的应用场景局限性问题,快速提升了风力机、飞机、动车组、户外通讯设备等结构体的除冰防护能力;
(2)设置感温单元监测探除冰薄膜的温度,并在温度过高时终止电加热除冰,防止损坏探除冰薄膜,提高探除冰装置的安全性和可靠性;进一步地,基于当前测量温度预测未来一段时间内的温度,并在湿润状态下、未来温度到达冰点附近时开始提前电加热除冰,提高装置灵敏度,提升除冰效率;
(3)提供了一种复用电加热电极的结构,电加热除冰时,电加热电极用于除冰,复阻抗测量时,电加热电极依次与其周围的每一复阻抗测量电极组合作为双电极复阻抗测量传感器,保证能够探测整个探除冰薄膜表面的结冰情况,且降低了硬件成本;
(4)在探除冰功能层的两侧分别设置柔性疏水覆膜层和柔性粘接覆膜层,使得探除冰薄膜可柔性粘贴在结构体表面,实现了即贴即用的智能化防除冰功能,且耐磨耐压耐油耐尘、适用于飞机与风力机等风压较大的应用环境;
(5)探除冰功能层中设置感温电阻片、电加热电极和复阻抗测量电极,实现了温度测量、电热除冰、结冰探测功能在材料性质和材料形态上的统一,大幅降低了制造工艺难度,使探除一体化薄膜整体结构稳定可靠,且更加轻薄。
附图说明
图1为本发明实施例提供的探除冰装置的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的探除冰装置中探除冰薄膜的结构示意图;
图3为图2所示探除冰薄膜中探除冰功能层的结构示意图;
图4为本发明实施例提供的探除冰装置的结构体表面状态判断示意图;
图5为本发明实施例提供的探除冰方法的流程图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构,其中:
1为探除冰薄膜,11为柔性粘接覆膜层,12为探除冰功能层,121为感温单元,122为电加热电极,123为复阻抗测量电极,13为柔性疏水覆膜层,14为大功率线缆,15为多芯屏蔽线缆,2为复阻抗测量模块,21为多路选择器,3为控制模块,31为电控开关,4为电源管理模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中,本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的探除冰装置的结构示意图。参阅图1,结合图2-图4,对本实施例中的探除冰装置进行详细说明。
探除冰装置包括探除冰薄膜1、复阻抗测量模块2和控制模块3。探除冰薄膜1粘附在目标结构体表面,包括复阻抗传感器和除冰单元。除冰单元例如采用电加热除冰、压电除冰等任意一种除冰方式或任意几种除冰方式的组合,本实施例中不对除冰单元的除冰方式进行限制。目标结构体例如为飞机、风力机等。
复阻抗传感器与探除冰薄膜1表面的冰层或水膜组成待测区域。复阻抗测量模块2连接复阻抗传感器,用于采样并测量待测区域在预设测量频段内的复阻抗数据。
控制模块3连接复阻抗测量模块2,用于根据复阻抗数据计算低频段内的阻抗模、以及预设测量频段内待测区域等效电容的相对离散指标,该等效电容是指待测区域的RC并联网络的等效电容;依据阻抗模、相对离散指标与相应的阈值之间的大小关系判断目标结构体表面的状态,并在该状态为结冰状态时控制探除冰薄膜1中的除冰单元除冰。其中,预设测量频段例如为1Hz至1MHz,低频段为预设测量频段中的低频部分,例如为1Hz至5kHz。
根据本发明的实施例,控制模块3根据以下原则判断目标结构体表面的状态:当相对离散指标VC不小于相对离散指标阈值VCT时,目标结构体表面的状态为结冰状态;当相对离散指标VC小于相对离散指标阈值VCT且阻抗模|Z|大于阻抗模阈值|ZT|时,目标结构体表面的状态为干燥状态;当相对离散指标VC小于相对离散指标阈值VCT且阻抗模|Z|不大于阻抗模阈值|ZT|时,目标结构体表面的状态为湿润状态。
其中,相对离散指标VC为:
其中,CPi为预设测量频段内第i个频率点下待测区域等效电容;i=1,2,…,n,n为预设测量频段内的频率点数,为各频率点下待测区域等效电容的均值,θ为相位角,ω为角频率,|Zi|为第i个频率点下的阻抗模。
根据本发明的实施例,探除冰薄膜1中的除冰单元为电加热除冰单元。探除冰薄膜1还包括感温单元121,感温单元121用于测量探除冰薄膜1的温度。控制模块3根据感温单元121测得的温度与温度阈值TMAX之间的大小关系以及目标结构体表面的状态控制电加热除冰单元。
感温单元121包括一个或多个感温电阻片。对于感温单元121包括一个感温电阻片的场景,当该一个感温电阻片测得的温度低于温度阈值TMAX且目标结构体表面的状态为结冰状态时,控制模块3控制电加热除冰单元除冰;否则,控制模块3控制电加热除冰单元处于非工作状态,以避免探除冰薄膜1温度过高而被损坏。
对于感温单元121包括多个感温电阻片的场景,当多个感温电阻片测得温度的均值小于温度均值阈值TA、每一感温电阻片测得温度低于温度阈值TMAX且目标结构体表面的状态为结冰状态时,控制模块3控制电加热除冰单元除冰;否则,控制模块3控制电加热除冰单元处于非工作状态,以避免探除冰薄膜1温度过高而被损坏。
根据本发明的实施例,控制模块3还用于根据感温单元121在当前多个测温周期内测得的温度,预测探除冰薄膜1在未来多个测温周期内的温度,并在预测得到的温度与冰点(标准大气压下为0℃)之间的差值小于差值阈值且目标结构体表面的状态为湿润状态时,控制电加热除冰单元除冰。
具体地,通过温度梯度预测未来一小段时间内的温度变化,其表达式为:
其中,Te为预测得到的未来m个测温周期的温度,Tn为当前测得的温度,Δt为测温周期,s为用于预测的当前多个测温周期的数量,wj为梯度kj的权重,kj为当前时间之前第j个测温周期与第j-1个测温周期测得的温度值对时间的梯度,Tj为当前时间之前第j个测温周期测得的温度。优选地,m·Δt选取为5秒至30秒,s·Δt选取为30秒至120秒,温度均值阈值TA选取2℃至5℃以上,温度阈值TMAX选取10℃至20℃之间。
本发明实施例中,还提供了一种三层结构的探除冰薄膜1,如图2所示。由底层至表层,探除冰薄膜1包括依次设置的柔性粘接覆膜层11、探除冰功能层12和柔性疏水覆膜层13,这三层例如通过热压合工艺组合成完整的探除冰薄膜,具有探除冰功能的探除冰功能层12由柔性粘接覆膜层11和柔性疏水覆膜层13包裹保护。优选地,这三层结构组合形成的探除冰薄膜1的厚度在0.2mm至2mm。
柔性粘接覆膜层11用于将探除冰薄膜1粘附在目标结构体表面。柔性粘接覆膜层11例如主要由聚酰亚胺等耐候性材料制成,其表面通过高分子涂覆及粗糙化处理,使其具备较强的粘接性能,稳固地将探除冰薄膜1固定在各类结构体的表面,实现即贴即用的高效低能耗智能化防除冰功能。面向结构体表面的粘接材料可以为耐低温的环氧树脂、硅胶、丙烯酸甲酯等。
探除冰功能层12包括复阻抗传感器和除冰单元,还可以包括感温单元121,同时具备结冰探测、温度测量和除冰功能。感温单元121通过多芯屏蔽线缆15串联入复阻抗测量模块2,通过电阻热效应测量探除冰功能层12的温度。
柔性疏水覆膜层13表面形成有仿生乳突结构,用于延缓目标结构体表面结冰。柔性疏水覆膜层13例如由聚酰亚胺等耐候性非金属材料制成,其表面通过超疏水加工工艺形成仿生疏水结构,水滴在柔性疏水覆膜层13表面时具有较大的接触角以及较小的滚动角,从而极大地减少结构体表面的液态水附着,延缓结冰现象,减少除冰过程中的电能消耗,提升防除冰效率。耐候性非金属材料包括但不限于聚酰亚胺、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯等。超疏水加工工艺包括气相沉积法、电化学法、喷涂法、等离子处理法、刻蚀法、自组装法、一步浸泡法中的一种或多种。
本发明实施例中,还提供了一种复阻抗测量和电加热除冰共用部分结构的探除冰装置。探除冰薄膜1还包括电加热电极122和多个分布在电加热电极122周围的复阻抗测量电极123。电加热电极122通过大功率线缆14串联在控制电路3中;复阻抗测量电极123通过多芯屏蔽线缆15串联入复阻抗测量模块2中。感温单元121、电加热电极122和复阻抗测量电极123设置在探除冰功能层12中,如图3所示。感温单元121、电加热电极122和复阻抗测量电极123的材质可以为导电金属,例如铜、银、铝、铂等,也可以为非金属导电材料,例如碳纤维丝、碳纳米管材料、石墨烯材料、高分子导电材料等。
优选地,电加热电极122应均匀分布在探除冰功能层12中,并占据探除冰功能层12的大部分面积,且尽可能延伸至探除冰功能层12的边缘。复阻抗测量电极123分布在电加热电极122的周围,并与电加热电极122的边缘保持合适的距离,且均匀分布在探除冰功能层12中,并尽可能延伸至探除冰功能层12的边缘。感温单元121中的感温电阻片均匀分布在探除冰功能层12中,并在电加热电极122热功率密度较大处额外布设。
复阻抗测量电极123和电加热电极122之间的距离是决定复阻抗测量值的关键参数之一。针对不同应用领域中常见结冰厚度的差异,复阻抗测量电极123和电加热电极122的间距优选为0.2mm至10mm。电极图案可以采用条状、环状、梳状等多种不同形式。
复阻抗测量模块2还包括多路选择器21,用于依次接通多个复阻抗测量电极123中的一个,例如按照排列顺序依次接通各复阻抗测量电极123。控制模块3还包括电控开关31,用于将电加热电极122连接至复阻抗测量模块2,使得电加热电极122与接通的复阻抗测量电极123形成为双电极复阻抗传感器。电控开关31例如周期性地将电加热电极122连接至复阻抗测量模块2,以周期性的探测结构体表面的结冰情况。
电控开关31还用于断开电加热电极122与复阻抗测量模块2之间的连接,使得电加热电极122作为电加热除冰单元用于除冰,通过电加热电极122产生热量,达到快速除冰的效果。
复阻抗测量模块2例如周期性地采集待测区域的频域复阻抗数据并形成频域复阻抗曲线,依据驰豫极化原理对待测区域的结冰、湿润及干燥状态进行判断,还可同时计算出相应的结冰厚度。复阻抗测量模块2例如周期性地采集感温电阻片的电阻数据,并依据电阻热效应对探除冰功能层12的温度进行测量计算。
本实施例中,可以通过对每个双电极复阻抗传感器设置不同频率下不同的阻抗模阈值|ZT|以及相对离散指标阈值VCT,将结冰、湿润、干燥三种状态映射至低频阻抗模|Z|以及测量频段内RC并联网络等效电容的相对离散指标VC所组成的二维平面,如图4所示。
优选地,依据干燥状态下低频阻抗模|Z|在全部温度范围内的最小值确定阻抗模阈值|ZT|。依据湿润状态下测量频段内RC并联网络等效电容的相对离散指标VC的最大值确定相对离散指标阈值VCT。温度一定的情况下,双电极复阻抗传感器所在区域的结冰厚度与CP正相关,且在较低频率下,CP的温度漂移影响较弱,因此可以以低频下CP表征结冰厚度,频率范围在1Hz至1kHz之间。
探除冰装置还包括电源管理模块4。电源管理模块4的输出端连接复阻抗测量模块2和控制模块3,用于对外接电源提供的电能进行转换后输出至复阻抗测量模块2和控制模块3,以将不同应用场景中所提供的的电源转化为复阻抗测量模块2和控制模块3所需的电源形式。
本发明实施例还提供了一种探除冰方法,参阅图5,该探除冰方法包括操作S1-操作S4。
操作S1,采样测量目标结构体表面的冰层或水膜在预设测量频段内的复阻抗数据。
操作S2,根据复阻抗数据计算低频段内的阻抗模、以及预设测量频段内目标结构体表面的冰层或水膜的等效电容的相对离散指标。
操作S3,依据阻抗模与阻抗模阈值、以及相对离散指标与相对离散指标阈值之间的大小关系,判断目标结构体表面的状态。
操作S4,当状态为结冰状态时,对目标结构体表面的冰层进行除冰。
本实施例各操作的具体过程及原理与图1-图4所示探除冰装置中各操作的具体过程及原理相同,本实施例未尽之细节,请参阅前述图1-图4所示实施例中的探除冰装置,此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种探除冰装置,其特征在于,包括:
探除冰薄膜(1),粘附在目标结构体表面,包括复阻抗传感器和除冰单元,所述复阻抗传感器与所述探除冰薄膜(1)表面的冰层或水膜组成待测区域;
复阻抗测量模块(2),连接所述复阻抗传感器,用于采样并测量所述待测区域在预设测量频段内的复阻抗数据;
控制模块(3),连接所述复阻抗测量模块(2),用于根据所述复阻抗数据计算低频段内的阻抗模、以及所述预设测量频段内所述待测区域等效电容的相对离散指标;依据所述阻抗模、相对离散指标与相应的阈值之间的大小关系判断所述目标结构体表面的状态,当所述相对离散指标不小于相对离散指标阈值时,所述状态为结冰状态;当所述相对离散指标小于所述相对离散指标阈值且所述阻抗模大于阻抗模阈值时,所述状态为干燥状态;否则,所述状态为湿润状态;并在所述状态为结冰状态时控制所述除冰单元除冰;
所述相对离散指标为:
2.如权利要求1所述的探除冰装置,其特征在于,所述除冰单元为电加热除冰单元;所述探除冰薄膜(1)还包括感温单元(121),用于测量所述探除冰薄膜(1)的温度;
所述控制模块(3)用于根据所述温度与温度阈值之间的大小关系以及所述状态控制所述电加热除冰单元。
3.如权利要求2所述的探除冰装置,其特征在于,所述感温单元(121)包括多个感温电阻片,当所述多个感温电阻片测得温度的均值小于温度均值阈值、每一感温电阻片测得温度小于所述温度阈值且所述状态为结冰状态时,所述控制模块(3)用于控制所述除冰单元除冰。
4.如权利要求2或3所述的探除冰装置,其特征在于,所述控制模块(3)还用于根据所述感温单元(121)在当前多个测温周期内测得的温度,预测所述探除冰薄膜(1)在未来多个测温周期内的温度,并在预测得到的温度与冰点之间的差值小于差值阈值且所述状态为湿润状态时控制所述除冰单元除冰。
5.如权利要求1所述的探除冰装置,其特征在于,所述探除冰薄膜(1)包括依次设置的柔性粘接覆膜层(11)、探除冰功能层(12)和柔性疏水覆膜层(13);
所述柔性粘接覆膜层(11)用于将所述探除冰薄膜(1)粘附在所述目标结构体表面;所述探除冰功能层(12)包括所述复阻抗传感器和除冰单元;所述柔性疏水覆膜层(13)表面形成有仿生乳突结构,用于延缓所述目标结构体表面结冰。
6.如权利要求1或5所述的探除冰装置,其特征在于,所述探除冰薄膜(1)还包括电加热电极(122)和多个分布在所述电加热电极(122)周围的复阻抗测量电极(123);
所述复阻抗测量模块(2)还包括多路选择器(21),用于依次接通所述复阻抗测量电极(123)中的一个;
所述控制模块(3)还包括电控开关(31),用于将所述电加热电极(122)连接至所述复阻抗测量模块(2),使得所述电加热电极(122)与接通的复阻抗测量电极(123)形成为所述复阻抗传感器;所述电控开关(31)还用于断开所述电加热电极(122)与复阻抗测量模块(2)之间的连接,使得所述电加热电极(122)作为所述除冰单元用于除冰。
7.如权利要求1所述的探除冰装置,其特征在于,还包括:电源管理模块(4),输出端连接所述复阻抗测量模块(2)和控制模块(3),用于对外接电源提供的电能进行转换后输出至所述复阻抗测量模块(2)和控制模块(3)。
8.一种探除冰方法,其特征在于,包括:
S1,采样测量目标结构体表面的冰层或水膜在预设测量频段内的复阻抗数据;
S2,根据所述复阻抗数据计算低频段内的阻抗模、以及所述预设测量频段内所述目标结构体表面的冰层或水膜的等效电容的相对离散指标;
S3,依据所述阻抗模与阻抗模阈值、以及所述相对离散指标与相对离散指标阈值之间的大小关系,判断所述目标结构体表面的状态,当所述相对离散指标不小于相对离散指标阈值时,所述状态为结冰状态;当所述相对离散指标小于所述相对离散指标阈值且所述阻抗模大于阻抗模阈值时,所述状态为干燥状态;否则,所述状态为湿润状态;
所述相对离散指标为:
其中,VC为所述相对离散指标,CPi为所述预设测量频段内第i个频率点下待测区域等效电容,i=1,2,…,n,n为所述预设测量频段内的频率点数,为各频率点下待测区域等效电容的均值,θ为相位角,ω为角频率,|Zi|为第i个频率点下的阻抗模;
S4,当所述状态为结冰状态时,对所述目标结构体表面的冰层进行除冰。
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