CN1662796A - 防冰冻总空气温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量流体物理参数的传感器，例如总空气温度。本发明的传感器包括：安装在成形体(2)上的流体入口；设置在前述成形体(2)中用于流体通道的输送管，所述输送管与流体入口(1)连接；和设置在所述输送管中的敏感元件。根据本发明，该传感器的特征在于它包括确保提高测量性能的元件。尤其是，空气入口的入口区域延伸，从而限定滑动表面，该滑动表面导致冰的消除。本发明也涉及边界层吸入系统，其通过凹槽和敏感陶瓷元件的使用而改进，所述陶瓷元件用于与防冰冻体之间优化的热隔离。

Description

防冰冻总空气温度传感器

技术领域

本发明涉及用于至少测量流体流动的物理参数的传感器，尤其涉及总空气温度的防冰冻传感器。

本发明的一个特别有利的应用是用在飞行领域中，用于测量进入飞机引擎的总空气温度，和/或飞机外部。

背景技术

许多总空气温度的防冰冻传感器已经公知。

传统地，如图1和2所示，它们包括装在流线型主体2上的空气入口1，该流线型主体具有机翼类型的轮廓。

输送管3设置在流线型主体2中并允许流体流动，该流体具有将要测量的物理参数并通过惯性分离区4与空气入口1连通。

该区4用于通过离心作用从残余空气中分离大质量成分(液体，霜，沙，…)，所述成分通过与空气入口1相对的排放区5从传感器排出。

为了避免惯性分离区中的流体分离现象，在与排放区5相对的一侧上穿过其壁制造孔6，所述孔通过腔7与外部连通，所述腔相对于流线型主体2横向延伸。

存在于传感器内外之间的压力差使边界层通过孔6被吸入。

包括空气入口1，流线型主体2，输送管3，惯性分离区4，和排放区5的该组件通过发热电阻元件而用电力防止冰冻，所述发热电阻元件设置在形成于传感器壁中的凹槽8中。

形成敏感元件的元件9在输送管3中延伸。

作为举例，元件9是电阻温度计，其与流线型主体2热绝缘。

也称为“槲体(mast)”的流线型主体2安装到固定凸缘11，该凸缘为大体平面形状(例如圆盘)，其在垂直于主体2和输送管3的轴的方向延伸。

连接套筒10在其与流线型主体2相对的一侧安装到固定凸缘11。

也可以对将要装配到活动挡板上的流线型主体提供附件，以在气流的轴线之上对其进行操作。

这种结构尤其在专利申请WO01/44821中进行了描述，该专利描述了一种多功能传感器，其包括测量总空气温度的装置，该装置装配在活动挡板上并随其沿纵轴延伸，所述纵轴倾斜于流体流动方向。

通常，如图2所示，空气入口1具有矩形内部区域，该矩形内部区域同样至少在某一小部分上应用于连接空气入口1的输送管3。

申请人近来提出一种传感器结构，具体是在申请WO01/88496中，在该传感器结构中空气入口的截面至少部分为圆形或椭圆形。

已经表明，这种形状比具有矩形空气入口截面的传感器能够经受更严酷的冰冻条件。

发明内容

本发明的总体目标是提出一种传感器，该传感器在冰冻条件下的性能进一步提高，同时在干燥条件下测量性能不降低。

具体地说，本发明涉及一种传感器，其包括：安装到流线型主体的流体入口；在所述流线型主体中提供的允许流体流动的输送管，所述输送管与所述流体入口连通；以及设置在所述输送管中的敏感元件。

本发明尤其提出了一种空气入口结构，其使防结冰速度进一步提高并改善了空气入口缺陷，该缺陷对于该类型的传感器是历来公知的。

使用现有技术的传感器，在消除某些冰块方面会遭遇困难，这些冰块堵塞了空气入口的入口区域。在一些情况下，可能发生其自身的加热系统不能足够地用于快速脱离空气入口。

本发明提供了一种用于测量流体物理参数的传感器，尤其用于测量总空气温度，该传感器包括：

·安装到流线型主体的流体入口；

·在所述流线型主体中提供的允许流体流动的输送管，所述输送管与所述流体入口连通；以及

·设置在所述输送管中的敏感元件；

该传感器特征在于：所述流体入口具有入口区域，该入口区域以这样的方式延伸以限定一个表面，使其在所述入口相对于流体主流动方向的垂线倾斜，所述表面为任何可能产生在那里的冰块限定出滑动表面。

本发明也提供了一种解决方案，用于改善边界层吸入装置带来的缺陷，在图1和图2所示类型的结构中，该吸入装置由孔6构成。

这种吸入装置表现出低效率，其意味着大量的孔；为了保证操作可重复这意味着紧密的制造公差；这种装置也来源于对角度具有显著敏感性的传感器，当传感器在倾斜角度时其降低了测量性能。

本发明提出了一种传感器，其中吸入装置不存在上述缺陷。

具体地说，本发明提供了一种用于测量一个或多个流体物理参数的传感器，尤其是用于测量总空气温度，该传感器包括：

·安装到流线型主体的流体入口；

·在所述流线型主体中提供的允许流体流动的输送管，所述输送管与所述流体入口连通；以及

·设置在所述输送管中的敏感元件，该流体入口具有至少一个平表面限定的内部区域，该平表面与腔连通，该腔向外部开放并构成边界层吸入腔；

该传感器的特征在于：所述平表面出于用于提供相对于流体入口中的流体总流动方向横向延伸的多个吸入狭缝。

本发明也提出了关于敏感元件的改进。传统地，该敏感元件由两个金属管之间的电阻线缠绕构成，它与这两个金属管电绝缘，并通过中空金属支座设置在传感器内。该金属支座通过焊接与传感器的金属体装配在一起。结果，在传感器主体中消耗的热量通过传导传递到敏感元件。

为了限制该效应，通常的做法是在金属支座和敏感元件之间使用支撑螺栓。

然而，支撑螺栓结构存在许多缺陷：

安装复杂；

支撑螺栓的疲劳特性很差，导致测量元件断裂；以及

因为金属材料的使用使电绝缘受到限制。

本发明提出了一种结构，其通过使用热绝缘陶瓷作为支撑螺栓而改善上述缺陷，以提供改善的机械强度和热隔离。

因此，本发明提供了一种用于测量一个或多个流体物理参数的传感器，尤其是用于测量总空气温度，该传感器包括：

·安装到流线型主体的流体入口；

·在所述流线型主体中提供的允许流体流动的输送管，所述输送管与所述流体入口连通；以及

·设置在所述输送管中的敏感元件；

所述传感器的特征在于：敏感元件包括陶瓷管，该陶瓷管在其上具有测量电阻绕线。

附图的简单说明

通过以下描述，本发明的其它特征和优点将更为显明，其中下面的描述是说明性的和非限定性的，并应当参考附图进行理解，图中：

以上已经描述的图1和2是现有技术用于测量总空气温度的防冰冻传感器的图示截面；

图3是显示本发明的一种可行实施方案的截面图；

图4是图3所示实施方案的侧视图；

图5和6是空气入口形状的两个示例的立体图；

图7是空气入口的底壁的概略平面图，其带有包括在其中的吸入边界层的装置；

图8a和8b显示了流体首先在现有技术已知类型的吸入装置中的流动，其次在图7所示类型的吸入装置中的流动；

图9a和9b首先是显示传感器相对于流动方向的倾斜角的图示，其次是测量误差作为倾斜角的函数怎样变化，首先对于现有技术传感器，其次对于图5-7中所示类型的传感器；

图10a和10b是显示在底壁的厚度中流体流动的概略截面图，首先在具有孔的吸入装置中(图10a)，其次在本发明的有利实施方案中(图10b)；

图11a，11b，和11c显示了本发明传感器中狭缝的各种可能形状；

图12是类似于图7的概略平面图，其显示了另一可能的实施方案；

图13a和13b显示了由空气入口的入口区域限定的滑动表面的两个可行实施方案；

图14是空气入口的概略横截面图；

图15是构成本发明可行实施方案的传感器的概略立体图，该立体图显示了一个用于传感器的排放区的可能形状；以及

图16是敏感元件的图解侧视图。本发明具体实施方案的描述

总体结构

图3及其它图中所示的传感器具有空气入口1，该空气入口由流线型主体或“槲体”2支撑并在输送管3中变大，该输送管在所述槲体2内延伸，并容纳敏感元件9。

该流线型主体或“槲体”2从固定凸缘11延伸。

具体地说，该固定凸缘具有支撑面11a，用于支撑传感器固定在其上的部分(例如机身部分)，该支撑面为传感器限定了固定平面。

入口区域的倾角和形状

传统地，支撑传感器的空气入口的区域垂直于流动方向。

如图13a所述，提议该空气入口的入口区域应当相对于与流动方向垂直的截面倾斜一个角度θ。

该倾斜是从入口的底边缘到下游(向后)，从而空气入口的入口区域构成用于可能堵塞所述空气入口的冰块的滑动表面。

使这些冰块沿所述表面滑动并与之脱离，所述表面由防冰冻系统加热。

使用这种具有倾斜入口区域的结构，防结冰速度被提高的幅度可高达50％(当角度θ范围在5°到45°范围时)。具体地说，该角度θ优选等于10°。

在另一变化中，如图13b所示，形成冰滑动表面的入口区域可以是圆形(凹或凸)。

为了同时优化防结冰速度和吸入狭缝的效率，空气入口的形状优选如图6和图14中所示的类型。

在这些图中可以看出，该形状包括两个平侧面，其相互平行且在空气入口的正截面中长度不同。这些侧面由两个圆形侧面连接在一起。

例如，限定底平面1b和携带吸入狭缝12的侧面的长度在15毫米(mm)到25mm的范围内(图14中L表示的双箭头)，而第二侧面的长度在5mm到15mm范围内(图14中1表示的双箭头)。

其它两个圆形侧面用于减小暴露于冰冻的内表面区域。它们具有曲率半径(R)，其范围在5mm到15mm。

也可以观察到空气入口正截面的各个侧面之间的所有角度大于90°，从而能够限制死区，并使流体均匀分布。

如在图5和6中具体所示，空气入口1的形状至少部分是圆形。

在图5所示的示例中，空气入口1由大致圆柱形的内部形状的顶部1a，和平面形状的底壁1b限定，所述底壁在空气入口1的开口边缘和惯性区4之间延伸，其中术语“顶”和“底”应当在这里理解为相对于主体2的主轴，固定凸缘11被当作底端而空气入口被当作顶端。输送管3的至少部分也具有圆形形状。

空气入口1和/或输送管3的圆形形状的使用优点在于，使传感器的内表面区域减少，其中在该内表面上可能堆积冰，和消除被测量的空气或流体的流动截面变化的区域，从而消除在拐角产生的死区。

对于给定的防冰冻能量，这些形状比具有矩形空气入口截面的传统传感器能够经受更严酷的冰冻条件；它们也能够符合航空标准的最新发展。尤其是，对于同样的冰冻条件，与现有技术的传感器相比，所需的防冰冻能量减少了10％到20％。

然而，应当观察到图6中所示类型的空气入口是更优选的：尤其该平面顶表面1c能够确保足够的内部压缩率以保证吸入系统的良好效率，而不考虑外部流动率。

边界层的吸入

在图5所示的例子中，和图6和7中相同，空气入口1的平底表面1b具有的不是在现有系统中提供的用于吸入边界层的吸入孔，而是狭缝12，这些狭缝垂直于通过空气入口的流体的流动方向。

这些狭缝12用于限制热边界层在传感器内和在包含敏感元件的输送管3内扩张，因为：

·由于有效截面面积更大从而吸入效率增加：以及

·由于不存在流动线路的偏斜，所述狭缝能够使流动具有一定量的宽度(图8b中的流动2D)，而不像基于孔的吸入系统(图8a)。

这种改进尤其有利地应用于相对于流体流动方向具有较大倾斜角(倾斜角大于5°)的传感器。当加热系统启动时角度敏感性减小20％-50％。

这显示在图9a和9b中，其中图9a定义了传感器相对于流动方向的倾斜角(比较双箭头表示围绕传感器的轴枢转)，而图9b是其上绘有曲线的图表，其显示测量总空气温度中的误差作为倾斜角的函数如何变化，所述倾斜角为流动方向和传感器轴之间的角度，该图首先表示具有吸入孔的现有技术的传感器(连续曲线)，其次表示带有吸入狭缝的传感器(虚线曲线)。

可看出，使用吸入狭缝极大地增加了角度特性，该传感器尤其对角度效应迟钝，该传感器的分离角度无论如何都被向后推动较大的量。

也应当观察到，狭缝的使用能够消除存在于现有技术中使用的吸入孔之间的冷点，所述冰点会促使冰驻留。

另外，如果外来物体(沙，火山灰，…)进入传感器，它们更不可能造成堵塞。

也应当观察到，这些狭缝可以有利地倾斜于底壁1b的厚度方向。这在图10a和10b中示出，这两个图分别显示了流体在无倾斜狭缝(图10a)和倾斜狭缝(图10b)中的流动。

从这些图示中可以理解，相对于壁1b垂线的倾斜角φ能够优化获得的流动效果，该效果具体是通过狭缝内的逆流区的减小以及输送压力值的增加而获得。

作为举例，角度φ可以在10°到60°范围内。例如其大约为45°。

另外，如图11a，11b和11c所示，可设想各种不同形状用于这些狭缝。具体地说，这些狭缝可以是矩形截面(图11a)；它们可以是具有圆形末端的截面(图11b)；它们可以是V形形式(图11c)；等等。

图12显示了具有三个V形狭缝12的壁。该V形狭缝12的尖端朝向传感器的排放区5。

而且，这些吸入狭缝12开向腔7，该腔7首先由壁1b，其次由壁13限定。通过优化传感器内部和腔7的形状所以限定的开口之间的压力差，在壁13的边缘产生边缘涡流，该倾斜壁13使狭缝12的吸入容量增加。这减小了加热系统在低流速时带来的误差。

进一步地，这样限定区5的排放截面(图15)，使得允许进入传感器的微粒惯性分离并且使传感器具有吸收冰晶体和霜的能力。

敏感元件

如图15所示，敏感元件9由两个圆柱形的主要部分构成(陶瓷管21和支撑心轴22)，这些形状使能量以最优方式与测量的流体进行交换，并由此用于减小热传递造成的误差，所述热传递通过传导在传感器和敏感元件之间进行。通过选用热绝缘陶瓷的支撑心轴，可以更优化上述效果。

具体地说，使用陶瓷用于制造测量元件的支座的事实提供了改善的机械强度和热隔离性能。

应当观察到这种结构具有提高的抗疲劳性。

而且，这种结构能够保证电绝缘，该电绝缘比依赖金属支座的技术所提供的绝缘更好。尤其是，该陶瓷提供了闪电保护，这在金属支座中是不可能的。

另外，陶瓷支座提供了有效的热隔离，即使在低速度下也是如此。

敏感元件21有利地由其上具有电阻绕线的陶瓷管构成。

上述改进有利地应用于一种传感器，该传感器包括具有支撑表面的固定凸缘，该支撑表面限定了传感器的固定平面，其中流线型主体相对于该固定面倾斜，并具有垂直于所述平面延伸的纵轴。

更精确地说，传感器然后延伸，使入口1的开口位于流体流动中，同时槲体也在流体中，它的中平面平行于流动方向，所述槲体的轴(即输送管3的轴和图3中参考标记为A的敏感元件9的轴)相对于流体流动倾斜并相对于一个方向以一角度设置，其中该方向在中平面中延伸，该中平面垂直于流体流动和由支撑表面11a限定的固定平面。

该倾角是“向后的”，传感器的头部，即空气入口1，比相对于流体流动方向距离最远的槲体2部分更靠后。

槲体2的轴A和上述垂直方向之间的角度(图3中的角α)约为5°到15°。

Claims (12)

1.一种用于测量流体物理参数的传感器，尤其用于测量总空气温度，该传感器包括：

安装到流线型主体(2)的流体入口(1)；

在所述流线型主体(2)中提供的允许流体流动的输送管，所述输送管与所述流体入口连通；以及

设置在所述输送管中的敏感元件；

该传感器的特征在于：所述流体入口具有入口区域，该入口区域以这样的方式延伸以限定一个表面，使其在所述入口相对于流体主流动方向的垂线倾斜，所述表面为任何可能产生在那里的冰块限定出滑动表面。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：入口区域相对于流体主流动方向的正交截面具有倾斜角。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：入口区域限定出凸形或凹形的滑动表面。

4.一种用于测量流体物理参数所述的传感器，尤其是用于测量总空气温度，该传感器包括：

·安装到流线型主体(2)的流体入口(1)；

·在所述流线型主体(2)中提供的允许流体流动的输送管，所述输送管与所述流体入口连通；以及

·设置在所述输送管中的敏感元件，该流体入口(1)具有至少一个平表面(1b)限定的入口区域，该平表面(1b)与腔(7)连通，该腔(7)向外部开放并构成边界层吸入腔；

该传感器的特征在于：所述平表面(1b)用于提供相对于流体入口中的流体总流动方向横向延伸的多个吸入狭缝(12)。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述狭缝在所述平表面壁中垂直于流体总流动方向而延伸。

6.如权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述狭缝在所述平表面壁中以V形延伸。

7.如权利要求4到6中任一项所述所述的传感器，其特征在于：所述狭缝延伸通过所述壁的厚度，从而朝下游倾斜。

8.一种用于测量流体物理参数所述的传感器，尤其是用于测量总空气温度，该传感器包括：

·安装到流线型主体(2)的流体入口(1)；

·在所述流线型主体(2)中提供的允许流体流动的输送管，所述输送管与所述流体入口连通；以及

·设置在所述输送管中的敏感元件；

所述传感器的特征在于：敏感元件包括陶瓷管，该陶瓷管在其上具有测量电阻绕线。

9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于：它包括支撑心轴，该支撑心轴支承敏感元件、且由热绝缘陶瓷制成。

10.如上述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于：它包括固定凸缘(11)，该固定凸缘具有限定传感器固定平面的支撑表面，由于流线型主体(2)相对于该固定平面倾斜，因此具有不垂直于所述平面延伸的纵轴。

11.如上述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于：流线型主体(2)的纵轴(A)和垂直于流体流动和/或固定平面的方向之间的角度在大致5°到15°范围内。

12.如上述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于：流体入口(1)具有内部区域，该内部区域由两个相互面对延伸的基本平的表面(1b，1c)限定，并由圆形表面相互连接。

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