CN117761264B - 一种基于总温测量技术的液态水含量探测器及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于总温测量技术的液态水含量探测器及探测方法，液态水含量探测器包括探测器外壳，探测器外壳的顶部设置有头部风道，探测器外壳的底部设置有法兰盘，法兰盘下方连接有衬套，衬套下方设置有插座，插座内设置有插座排针；探测器外壳内设置有与插座排针电性连接的湿温度传感器和干温度传感器组件；湿温度传感器的受感面位于头部风道内；本发明通过湿温度传感器和干温度传感器输出的温度参数，可解算出所处环境的总温和液态水含量，液态水含量结合大气参数中的高度、空速等参数，为飞机结冰告警系统提供了更可靠的数据支撑，填补了国内目前尚无对于基于总温测量液态水含量的测量装置和方法的空白。
Description
技术领域
本发明属于大气数据探测领域技术领域，尤其涉及一种基于总温测量技术的液态水含量探测器及探测方法。
背景技术
飞机在云、雾、雨或雪气象条件下飞行时，由于过冷水滴冻结或水汽凝结导致飞机发生结冰现象，严重影响飞机的安全性。在影响飞机结冰的诸多因素中，液态水含量（LWC）是最重要的因素之一，通常在-4℃~-20℃时液态水含量越大，飞机结冰越严重，而低于-20℃时空气中的水汽会凝结成冰晶，导致液态水含量减少，降低飞机结冰的概率。
目前,国内应用于飞机上的实时测量液态水含量的检测装置还处于空白，液态水含量的检测装置和方法多用于结冰风洞中的校准测试。国内常见的液态水含量探测方法有冰刀法、热射线法、栅格法、散射分光仪等，但这些方法不适用于飞机飞行时的液态水含量检测。而应用于飞机上的常规结冰探测器如旋转圆柱测量仪、相位多普勒干涉仪等测量液态水含量存在数据滞后或体积、质量超标等风险。
大气温度作为影响云层中液态水含量的重要参数，其温度数据和液态水含量的耦合关系能直接反映飞机结冰的风险程度，而国内目前尚无对于基于总温测量液态水含量的测量装置和方法。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种基于总温测量技术的液态水含量探测器及探测方法，填补了国内目前尚无对于基于总温测量液态水含量的测量装置和方法的空白。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供了一种基于总温测量技术的液态水含量探测器，其包括探测器外壳，探测器外壳的顶部设置有头部风道，探测器外壳的底部设置有法兰盘，法兰盘下方连接有衬套，衬套下方设置有插座，插座内设置有插座排针；
探测器外壳内设置有与插座排针电性连接的湿温度传感器和干温度传感器组件；湿温度传感器的受感面位于头部风道内。
本发明中一种基于总温测量技术的液态水含量探测器的基本原理为：通过设置湿温度传感器和干温度传感器组件分别采集湿温度数据和干温度数据，并根据湿温度数据和干温度数据解算出液态水含量参数。
进一步地，探测器外壳和头部风道的外表面开槽镶嵌有加热电缆，加热电缆的出口使用气密导管密封，气密导管位于衬套内，加热电缆与插座排针电性连接。加热电缆的设置，实现液态水含量探测器的除冰能力，有效降低液态水含量探测器尾部的结冰概率。
进一步地，作为干温度传感器组件的具体设置方式，法兰盘上设置有外套管，外套管位于探测器外壳的内部，外套管的底部通过支座与法兰盘固定连接；干温度传感器组件包括设置于外套管内的内套管，内套管的底部通过支撑柱和引线筒与支座固定连接，内套管的内部设置有干温度受感器，干温度受感器与插座排针电性连接；干温度受感器和湿温度传感器与插座排针连接的电路上设置有补偿电路；法兰盘上均布有多个用于与飞机安装架固定连接的沉头孔。
进一步地，作为头部风道的具体设置，头部风道包括第一进风口、第二进风口和出风口；第一进风口和出风口分别位于头部风道的两侧，湿温度传感器的受感面位于第一进风口内；第二进风口位于头部风道中间下部位置并与外套管的顶部开口相接。头部风道三通道式气路结构有效阻滞气流的运动，同时不妨碍气流排除，使干温度传感器组件测量温度等效于大气总温。
进一步地，外套管的底部设置有多个排气孔；探测器外壳的背风面设置有与其内部连通的排风口。针对大气中的云雾场环境，带有液态水的气流从第一进风口进入头部风道，并与湿温度传感器的受感面接触后，气流的水滴或冰晶随气流惯性由第二进风口排出。同时气流经过第一进风口后减压降速，进入第二进风口的多余气体经内外套管的排气孔和探测器外壳的排风口排出至外部环境；位于外套管内的干温度受感器测量的是总温，即干温度，总温与湿温度传感器测量的湿温度可解算出所环境的液态水含量。
进一步地，湿温度传感器的底部与法兰盘固定，湿温度传感器的底部通过导线与插座排针电性连接，湿温度传感器的受感面设计为类椭圆形结构，该结构可以增加水滴撞击面的同时，还可以使水滴易于脱落。
进一步地，内套管和外套管之间设置有间隙。内套管和外套管之间可以采用螺钉定位，保证位于内套管中的干温度受感器与外套管不相贴，减少温度通过固体传导对干温度测量的干扰。
进一步地，外套管和内套管的轴线与法兰盘的轴线之间设置有夹角，夹角范围为5°~10°。上述技术方案可以减少探测器外壳内水滴凝结和冰晶沉积风险。
本发明还提供了一种基于总温测量技术的液态水含量探测器的探测方法，其包括：
步骤1、安装探测器：使用沉头螺钉将法兰盘与安装位置固定；
步骤2、调节头部风道：调整第一进风口的攻角位置，使得第一进风口的中轴线与来流方向平行；
步骤3、插座外连接电源；
步骤4、湿温度传感器和干温度传感器组件分别采集湿温度数据和干温度数据，并根据湿温度数据和干温度数据解算出液态水含量参数。
进一步地，在步骤4中，解算出液态水含量参数的计算公式为：
其中，LWC为液态水含量；为水的质量；/>为湿温度传感器受感面处的局部水收集系数；/>为湿温度传感器的比热容；/>为湿温度传感器的质量；i表示在i时刻对云层中液态水含量进行计算；f为湿温度传感器的采样周期；/>为热平衡前湿温度传感器的表面温度；/>为湿温度传感器的输出温度；/>为水的比热容；k为湿温度传感器的采样周期频率；K为空气可压缩系数；Ma为马赫数；/>为干温度传感器组件的输出温度；/>为自由流场中由四条轨迹所围成的曲面，单位为m 2；/>为该四条轨迹与湿温度传感器的受感面交点所围成的曲面，单位为m 2。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过设置湿温度传感器和干温度传感器组件，可解算出所环境的总温和液态水含量，液态水含量结合大气参数中的高度、空速等参数，为飞机结冰告警系统提供了更可靠的数据支撑。
2、本发明通过将内套管和外套管之间设置有间隙，实现内套管中的干温度受感器与外套管不相贴，有效降低了固体传热对干温度测量精度的影响。
3、本发明通过在探测器外壳和头部风道的外表面开槽镶嵌有加热电缆，实现液态水含量探测器具有除冰能力，有效降低液态水含量探测器尾部的结冰概率。
4、本发明中的液态水含量探测器，将传统的总温探测器和传统结冰探测器集成在一个探测器上，使得液态水含量探测器体积小重量轻，并同时具有测量总温、液态水含量的功能，避免了安装总温探测器和传统结冰探测器造成的成本浪费和重量增加的缺陷。
附图说明
图1为一种基于总温测量技术的液态水含量探测器的结构示意图。
图2为补偿电路的接线结构示意图。
其中，1、湿温度传感器；2、干温度传感器组件；3、导线；4、补偿电路；5、加热电缆；6、气密导管；7、头部风道；701、第一进风口；702、第二进风口；703、出风口；8、探测器外壳；9、法兰盘；10、外套管；11、插座排针；12、衬套；13、干温度受感器；14、内套管；15、支撑柱；16、支座；17、引线筒；18、排气孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1~图2所示，本发明提供了一种基于总温测量技术的液态水含量探测器，其包括探测器外壳8，探测器外壳8的顶部设置有头部风道7，探测器外壳8的底部设置有法兰盘9，法兰盘9下方连接有衬套12，衬套12下方设置有插座，插座内设置有插座排针11；探测器外壳8内设置有与插座排针11电性连接的湿温度传感器1和干温度传感器组件2；湿温度传感器1的受感面位于头部风道7内。
具体地作为湿温度传感器1的具体固定安装方式，湿温度传感器1的底部与法兰盘9固定，湿温度传感器1的底部通过导线3与插座排针11电性连接，湿温度传感器1的受感面设计为类椭圆形结构，该结构可以增加水滴撞击面的同时，还可以使水滴易于脱落。
本发明中一种基于总温测量技术的液态水含量探测器的基本原理为：通过设置湿温度传感器1和干温度传感器组件2分别采集湿温度数据和干温度数据，并根据湿温度数据和干温度数据解算出液态水含量参数，为飞机结冰告警系统提供了更可靠的数据支撑。同时本发明中的液态水含量探测器，将传统的总温探测器和传统结冰探测器集成在一个探测器上，使得液态水含量探测器体积小重量轻，并同时具有测量总温、液态水含量的功能，避免了安装总温探测器和传统结冰探测器造成的成本浪费和重量增加的缺陷。
优选但不局限地，探测器外壳8和头部风道7的外表面开槽镶嵌有加热电缆5，加热电缆5的出口使用气密导管6密封，气密导管6位于衬套12内，加热电缆5与插座排针11电性连接。加热电缆5的设置，实现液态水含量探测器具有除冰能力，有效降低液态水含量探测器尾部的结冰概率。
具体地，作为干温度传感器组件2的具体设置方式，法兰盘9上设置有外套管10，外套管10位于探测器外壳8的内部，外套管10的底部通过支座16与法兰盘9固定连接；干温度传感器组件2包括设置于外套管10内的内套管14，内套管14的底部通过支撑柱15和引线筒17与支座16固定连接，内套管14的内部设置有干温度受感器13，干温度受感器13与插座排针11电性连接；干温度受感器13和湿温度传感器1与插座排针11连接的电路上设置有补偿电路4；法兰盘9上均布有多个用于与飞机安装架固定连接的沉头孔。
优选但不局限地，内套管14和外套管10之间设置有间隙。内套管14和外套管10之间可以采用螺钉定位，保证位于内套管14中的干温度受感器13与外套管10不相贴，减少温度通过固体传导对干温度测量的干扰。
外套管10和内套管14的轴线与法兰盘9的轴线之间设置有夹角，夹角范围为5°~10°。上述技术方案可以减少探测器外壳8内水滴凝结和冰晶沉积风险。
如图2所示，作为补偿电路4的具体结构，湿温度传感器1和干温度受感器13通过导线3与插座内电阻元件进行串并联连接，通过使用电阻补偿修正测量值的误差，提高水含量测量精度。在补偿电路4中，干温度受感器13通过电阻R1和电阻R2与插座排针11串并联连接，湿温度传感器1通过电阻R3和电阻R4与插座排针11串并联连接。
作为头部风道7的具体设置，头部风道7包括第一进风口701、第二进风口702和出风口703；第一进风口701和出风口703分别位于头部风道7的两侧，湿温度传感器1的受感面位于第一进风口701内；第二进风口702位于头部风道7中间下部位置并与外套管10的顶部开口相接。头部风道7三通道式气路结构有效阻滞气流的运动，同时不妨碍气流排除，使干温度传感器组件2测量温度等效于大气总温。
外套管10的底部设置有多个排气孔18；探测器外壳8的背风面设置有与其内部连通的排风口。针对大气中的云雾场环境，带有液态水的气流从第一进风口701进入头部风道7，并与湿温度传感器1的受感面接触后，气流的水滴或冰晶随气流惯性由第二进风口702排出。同时气流经过第一进风口701后减压降速，进入第二进风口702的多余气体经内外套管10的排气孔18和探测器外壳8的排风口排出至外部环境；位于外套管10内的干温度受感器13测量的是总温，即干温度，总温与湿温度传感器1测量的湿温度可解算出所环境的液态水含量。
本发明还提供了一种基于总温测量技术的液态水含量探测器的探测方法，其包括：
步骤1、安装探测器：使用沉头螺钉将法兰盘9与安装位置固定；
步骤2、调节头部风道7：调整第一进风口701的攻角位置，使得第一进风口701的中轴线与来流方向平行；
步骤3、插座外连接电源；
步骤4、湿温度传感器1和干温度传感器组件2分别采集湿温度数据和干温度数据，并根据湿温度数据和干温度数据解算出液态水含量参数。
进一步地，在步骤4中，解算出液态水含量参数的计算公式为：
其中，LWC为液态水含量；为水的质量；/>为湿温度传感器1受感面处的局部水收集系数；/>为湿温度传感器1的比热容；/>为湿温度传感器1的质量；i表示在i时刻对云层中液态水含量进行计算；f为湿温度传感器1的采样周期；/>为热平衡前湿温度传感器1的表面温度；/>为湿温度传感器1的输出温度；/>为水的比热容；k为湿温度传感器1的采样周期频率；K为空气可压缩系数；Ma为马赫数；/>为干温度传感器组件2的输出温度；/>为自由流场中由四条轨迹所围成的曲面，单位为m 2；/>为该四条轨迹与湿温度传感器1的受感面交点所围成的曲面，单位为m 2。
综上所述，本发明中的一种基于总温测量技术的液态水含量探测器及探测方法，可解算出所环境的总温和液态水含量，液态水含量结合大气参数中的高度、空速等参数，为飞机结冰告警系统提供了更可靠的数据支撑，填补了国内目前尚无对于基于总温测量液态水含量的测量装置和方法的空白。
Claims (6)
1.一种基于总温测量技术的液态水含量探测器的探测方法，其特征在于，液态水含量探测器包括探测器外壳，所述探测器外壳的顶部设置有头部风道，探测器外壳的底部设置有法兰盘，所述法兰盘下方连接有衬套，所述衬套下方设置有插座，插座内设置有插座排针；
探测器外壳内设置有与所述插座排针电性连接的湿温度传感器和干温度传感器组件；所述湿温度传感器的受感面位于所述头部风道内；
所述法兰盘上设置有外套管，所述外套管位于所述探测器外壳的内部，外套管的底部通过支座与法兰盘固定连接；所述干温度传感器组件包括设置于外套管内的内套管，所述内套管的底部通过支撑柱和引线筒与所述支座固定连接，内套管的内部设置有干温度受感器，所述干温度受感器与所述插座排针电性连接；所述干温度受感器和湿温度传感器与插座排针连接的电路上设置有补偿电路；法兰盘上均布有多个用于与飞机安装架固定连接的沉头孔；所述头部风道包括第一进风口、第二进风口和出风口；所述第一进风口和出风口分别位于头部风道的两侧，所述湿温度传感器的受感面位于所述第一进风口内；所述第二进风口位于头部风道中间下部位置并与所述外套管的顶部开口相接；
所述探测方法包括：
步骤1、安装探测器：使用沉头螺钉将法兰盘与安装位置固定；
步骤2、调节头部风道：调整第一进风口的攻角位置，使得第一进风口的中轴线与来流方向平行；
步骤3、插座外连接电源；
步骤4、湿温度传感器和干温度传感器组件分别采集湿温度数据和干温度数据，并根据湿温度数据和干温度数据解算出液态水含量参数；
在步骤4中，解算出液态水含量参数的计算公式为：
其中，LWC为液态水含量；为局部水的质量；/>为湿温度传感器受感面处的局部水收集系数；/>为湿温度传感器的比热容；/>为湿温度传感器的质量；i表示在i时刻对云层中液态水含量进行计算；f为湿温度传感器的采样周期；/>为热平衡前湿温度传感器的表面温度；/>为湿温度传感器的输出温度；/>为水的比热容；k为湿温度传感器的采样周期频率；K为空气可压缩系数；Ma为马赫数；/>为干温度传感器组件的输出温度；/>为自由流场中由四条轨迹所围成的曲面，单位为m 2；/>为该四条轨迹与湿温度传感器的受感面交点所围成的曲面，单位为m 2。
2.根据权利要求1所述的基于总温测量技术的液态水含量探测器的探测方法，其特征在于，所述探测器外壳和头部风道的外表面开槽镶嵌有加热电缆，所述加热电缆的出口使用气密导管密封，所述气密导管位于所述衬套内，加热电缆与所述插座排针电性连接。
3.根据权利要求2所述的基于总温测量技术的液态水含量探测器的探测方法，其特征在于，所述外套管的底部设置有多个排气孔；所述探测器外壳的背风面设置有与其内部连通的排风口。
4.根据权利要求3所述的基于总温测量技术的液态水含量探测器的探测方法，其特征在于，所述湿温度传感器的底部与所述法兰盘固定，湿温度传感器的底部通过导线与所述插座排针电性连接，湿温度传感器的受感面设计为类椭圆形结构。
5.根据权利要求1所述的基于总温测量技术的液态水含量探测器的探测方法，其特征在于，所述内套管和所述外套管之间设置有间隙。
6.根据权利要求5所述的基于总温测量技术的液态水含量探测器的探测方法，其特征在于，所述外套管和内套管的轴线与所述法兰盘的轴线之间设置有夹角，所述夹角范围为5°~10°。
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- 2024-02-22 CN CN202410196766.5A patent/CN117761264B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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