冰晶探测器和探测方法与流程

本发明涉及一种冰晶探测器领域，尤其是一种探测飞机在空中是否存在冰晶结冰条件的冰晶探测器和进行这种探测的方法。本发明还涉及一种探测飞机在空中是否存在冰晶结冰条件和过冷水滴结冰条件的混合态结冰探测器。

背景技术：

飞机飞行在空中遭遇到的结冰条件包括了适航条款14cfr25部附录c常规过冷水滴结冰条件（水滴直径≤50um），14cfr25部附录o大过冷水滴结冰条件（50µm＜水滴直径＜500µm，称为冻毛毛雨；水滴直径≥500µm，称为冻雨），和14cfr33部附录d冰晶结冰条件。本发明将附录c常规过冷水滴和附录o大过冷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。探测过冷水滴结冰条件的探测器一般称为结冰探测器或及结冰条件探测器。

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。探测冰晶结冰条件的探测器一般称为冰晶探测器或冰粒探测器。

近年来，大过冷水滴和冰晶结冰条件导致了数起坠机事故，逐渐引起适航当局关注，陆续发布了14cfr25部附录o大过冷水滴和14cfr33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。

us7,104,502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，无法探测冰晶结冰条件。

专利us7,014,357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。冰晶随高速气流穿过传感器，不会在温度传感器上结冰，无法探测冰晶结冰条件。

专利us7,845,221公开了一种冰晶探测装置，由两个并列的圆锥形管组成，一个圆锥管恒定加热，一个圆锥管不加热，两个压力传感器分别测量两者的压力计算压差，冰晶撞击到后者圆锥管而堵塞该圆锥管，压差变化到阈值，发出告警。不足之处，两个圆锥管的构造，结构复杂，电功率消耗大。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种冰晶探测器，其包括至少一个轴向延伸的冰晶收集探头和至少一个检测装置。每一冰晶收集探头包括在一侧的迎风面和与迎风面相对的背风面，并包括：

沿轴向延伸的杆体，

设置在杆体中、位于迎风面沿杆体的轴向延伸的凹槽，凹槽包括开口和底部，底部用于积聚冰晶；

至少一个检测装置，每一检测装置包括安装在杆体两端或一端的光电传感器，光电传感器在凹槽中形成与凹槽的底部间隔的光路，用于监测积聚在凹槽的底部上的冰晶。

每一控制器与光电传感器相连接，且控制器根据光电传感器反馈的电信号变化，判断是否存在冰晶结冰条件。

其中，冰晶探测器还包括多个设置在杆体中的气流通道，气流通道的进口位于冰晶收集探头的凹槽的底部，其出口位于冰晶收集探头的背风面。

较佳地，气流通道为渐缩气流通道。

较佳地，冰晶探测器还包括支撑部件，支撑部件纵向延伸，冰晶收集探头固定并支撑在支撑部件的顶端上。

较佳地，冰晶收集探头的轴向纵向延伸，使冰晶收集探头的底部支撑和固定于支撑部件的顶端。

较佳地，气流通道的轴线相对冰晶收集探头的横截面顺气流方向倾斜设置。

较佳地，凹槽由多个相邻的漏斗形凹部形成，多个漏斗形凹部的多个离散的底端构成凹槽的底部，气流通道的进口位于漏斗形凹部的底端，一容腔沿凹槽的底部延伸穿过多个漏斗形凹部的斜面，光路形成在容腔中。

较佳地，气流通道的轴线相对冰晶收集探头的横截面平行设置。

较佳地，冰晶收集探头的轴向横向延伸，并横向地固定和支撑于支撑部件的顶端。

较佳地，冰晶收集探头通过其中部支撑于支撑部件。

较佳地，气流通道的轴线平行于冰晶收集探头的横截面设置。

较佳地，凹槽深度从杆体的两侧端朝中部逐渐加深，使得凹槽的底部从两侧端到中部相比杆体的轴线向顺气流方向倾斜。

较佳地，冰晶收集探头还包括设置在杆体两端或一端的整流元件，整流元件具有腔室和透明腔体，光学传感器位于透明腔体的腔室中。

根据本发明，还提供一种采用上述技术方案中的的冰晶探测器进行探测的方法，其中，控制器与飞机结冰探测系统交联，冰晶探测器用来获得冰晶信号，飞机结冰探测系统用来获得结冰信号，控制器和飞机结冰探测系统包括以下判断步骤：

（1）若冰晶信号为真，结冰信号为真，则激发混合态结冰告警信息；

（2）若冰晶信号为真，结冰信号为假，则激发冰晶结冰告警信息；

（3）若冰晶信号为假，结冰信号为真，则激发过冷水滴结冰告警信息；以及

（4）若冰晶信号为假，结冰信号为假，则不激发告警信息。

本发明构造的冰晶收集探头具有结构形式简单，易于实现，可靠性高等优点，可将冰晶收集探头与控制器分离设置，扩大安装和使用范围。

本发明构造的凹槽结构的冰晶收集探头，保证了当飞机偏航，和/或大攻角状态时，也具有有效的冰晶收集表面；在空中冰晶浓度很小时，也能够在顶部积聚足够的冰晶，激发冰晶信号。

通过简单的增加冰晶收集探头长度，一方面增加冰晶收集的表面积；另一方面增加了检测长度，光路上任何局部有冰晶积聚；特别的，当飞机在偏航和/或大攻角状态下，气动特性变化，即使杆状探头受到干扰或屏蔽的影响，长度方向上总是有足够有效的冰晶收集表面积，保证了这些特定条件下的冰晶探测效果。

构造的气流通道，进一步保证了在空中冰晶浓度很小时，也能够在顶部积聚足够的冰晶，激发冰晶信号。

附图说明

图1是根据本发明的冰晶探测器的示意性等轴视图和等轴视图中的局部b的放大图，其示出了根据本发明的第一个方面，图中箭头方向为气流方向；

图2是图1所示冰晶探测器的正视图、轴向截面图，其示出了根据本发明的第一个方面的第一实施例；

图3是图1所示冰晶探测器的轴向截面图；

图4是根据本发明的冰晶探测器的示意性等轴视图和等轴视图中的局部b的放大图，其示出了根据本发明的第一个方面的第二实施例，图中箭头方向为气流方向；

图5是图4所示冰晶探测器的正视图、轴向截面图；

图6是根据本发明的冰晶探测器的示意性等轴视图，其示出了根据本发明的第二个方面，图中箭头方向为气流方向；

图7a-c是图6所示冰晶探测器的正视图、多个横截面的截面图和轴向截面图，其示出了根据本发明的第二个方面的第一实施例；

图8a-c是图6所示冰晶探测器的正视图、多个横截面的截面图和轴向截面图，其示出了根据本发明的第二个方面的第二实施例；

图9示出了根据本发明的冰晶探测器结合飞机结冰探测系统的综合告警信息判断步骤。

上述附图仅仅是示意性的，未严格按照比例绘制。

图中的附图标记在技术方案和实施例中的列表：

根据本发明的冰晶探测器，包括：

1－冰晶收集探头，包括：

10－气流通道；

11－杆体，

12－迎风面；

13－背风面；

14－凹槽，

14’－漏斗形凹部，

14a－凹槽侧面，

15－开口，

16－底部，

17－间隔体，

17a－斜面，

17b－容腔，

2－支撑部件；

3－控制器；

4－法兰盘；

5－箭头；

1－冰晶收集探头，还包括：

6－光电传感器；

6a－光电传感器发射端；

6b－光电传感器接收端，

7－整流元件；

8－光路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步描述本发明，从而更清楚地连接本发明的发明原理和有益的技术效果。

本文中使用的术语说明：

迎风面：面对气流的一面；

背风面：与迎风面相对，背对气流的一面；

纵向：指基本垂直于机体的安装根据本发明的探测器的安装表面；

横向：指基本平行于机体的安装根据本发明的探测器的安装表面；

底端：纵向设置的杆体靠近探测器的支撑部件的一端；

顶端：纵向设置的杆体远离探测器的支撑部件的一端；

底部：纵向设置的冰晶收集探头靠近探测器的支撑部件的端部；

顶部：纵向设置的冰晶收集探头远离探测器的支撑部件的端部；

两侧端：横向设置的杆体的相对的两端；

稍微高于冰点温度：冰晶被收集到探测器后仍然能够结冰的温度。

如图1和6所示，根据本发明，提供一种冰晶探测器，该冰晶探测器包括至少一个轴向延伸的冰晶收集探头1和至少一个控制器3。每一冰晶收集探头1包括在一侧的迎风面12和与迎风面12相对的背风面13，并包括：

沿轴向延伸的杆体11，

设置在杆体11中、位于迎风面12沿杆体11的轴向延伸的凹槽14，凹槽14包括开口15和底部16，底部16用于积聚冰晶,

安装在杆体11两端或一端的光电传感器6，光电传感器6在凹槽14中形成与凹槽14的底部16间隔的光路8，用于监测积聚在凹槽14的底部16上的冰晶。

其中，每一控制器3与光电传感器6相连接，且控制器3根据光电传感器6反馈的电信号变化，判断是否存在冰晶结冰条件。冰晶探测器还包括多个设置在杆体11中的气流通道10，气流通道10的进口位于冰晶收集探头1的凹槽14的底部16，其出口位于冰晶收集探头1的背风面13。

根据本发明构造的冰晶收集探头1通过在迎风面12构造凹槽14用于冰晶积聚，配合光电传感器6产生的光路8检测凹槽14中是否存在冰晶积聚，这样冰晶收集探头1提供了如下的有益效果：

通过简单的增加冰晶收集探头1长度，一方面，增加收集冰晶的表面积，有效的增加了光电传感器6的检测长度，另一方面，当飞机在偏航或大攻角状态下，气动特性变化，冰晶收集探头1的端部可能会产生剧烈的稳流，受到干扰或屏蔽的影响，但冰晶收集探头1的轴向总有足够有效的冰晶收集表面，保证了这些条件下的冰晶收集效果；

本发明的光路8使得检测方式为非接触测量，当冰晶收集探头1的凹槽14中有冰晶积聚，光路8被切断或光通量显著降低，接收端的光敏器件无电信号或电流号显著降低小于设置阈值，表征探测了冰晶积聚；

本发明结构简单，可靠性高，易于实现，响应快，精度高，功耗极小，具有抗干扰能力强的优势；以及

可将冰晶收集探头1与控制器3分离设置，扩大安装和使用范围。也可配合照明元件，安装在风挡中间框架上，作为目视结冰指示杆使用。

凹槽14的底部16增加一系列的气流通道10，使得气流加速通过，形成一系列的局部的低压区，这样的气流通道10有利于：

降低了冰晶收集探头1的气动阻力；

增加了冰晶收集探头1的表面积，提高冰晶收集效率；

气流通道10的流通面积较小，冰晶随气流通过气流通道10时易于堵塞气流通道10，在气流通道10处迅速积聚，易于触发冰晶信号，特别在空气中冰晶含量很小时，或当飞机偏航或大攻角状态时，气流通道10能够有效的促使冰晶积聚。

如图2所示，气流通道10为渐缩形气流通道，且渐缩形气流通道的轴线相对冰晶收集探头1的横截面顺气流方向倾斜设置。渐缩通道随着流通面积的减小，更有利气流加速增强引射作用，有利于冰晶积聚。渐缩通道倾斜设置，增加了冰晶收集表面积，并且增加了气流阻力，有利于冰晶的积聚。

如图1和6所示，冰晶探测器还包括支撑部件2，支撑部件2的轴线沿纵向延伸，冰晶收集探头1固定并支撑在支撑部件2的顶端上。冰晶收集探头1通过支撑部件2深入到结冰条件中，在冰晶收集探头1的迎风面12，沿其轴线构造一个横截面为三角形的凹槽14。控制器3与冰晶收集探头1、支撑被部件一体化设计，通过法兰盘4安装在气动表面。其中箭头5表明了气流方向，使用不褪色的油漆或颜料印刷在法兰盘4，并起到提示安装方向的作用。

作为一较佳实施例，如图1所示，冰晶收集探头1的轴线纵向延伸，使冰晶收集探头1的底部支撑和固定于支撑部件2的顶端。

优选地，冰晶收集探头1还包括设置在杆体11两端或一端的整流元件7，整流元件7具有腔室和透明或不透明腔体，光学传感器位于透明腔体的腔室中。在冰晶收集探头1的端部设置有整流元件7，就可以将光电传感器6设置在整流元件7中。较佳地，如图2所示，整流元件7设置在杆体11的两端，使得在底端的整流元件7上安装光电传感器发射端6a，在顶端的整流元件7上安装光电传感器接收端6b。整流元件7一般为翼型、圆形、椭圆或弧形，设置在冰晶收集探头1的端部，一方面，减弱端部的气流分离，保证冰晶收集探头1具有足够长度和有效的冰晶收集面积，特别是在偏航、大攻角情况，以及冰晶含量极小时，整流元件7的作用尤为显著；另一方面，光电传感器6安装在整流元件7内的腔室，能够有效避免或极大的减少外界条件(比如阴天、云、阳光、夜晚、太阳方位等等)的影响，抗干扰能力强。

如图3和4所示，其示出了上述实施例的一个变型形式，该实施例的凹槽14结构不同于上述实施例的凹槽14结构。凹槽14由多个相邻的漏斗形凹部14’形成，多个漏斗形凹部14’的多个离散的底端构成凹槽14的底部16，气流通道10的进口位于漏斗形凹部14’的底端，一容腔17b沿凹槽14的底部16延伸穿过多个漏斗形凹部14’的斜面17a，光路8形成在容腔17b中。即，在凹槽14中设置多个间隔体17，间隔体17包括在两端的斜面17a，凹槽14包括在两侧的凹槽侧面14a。相对的斜面17a和相对的凹槽侧面14a构成了漏斗形凹部14’，由此在凹槽14形成了多个通过间隔体17间隔开的漏斗形凹部14’，这些漏斗形凹部14’构成了凹槽14。容腔17b穿过多个间隔体17沿凹槽14的底部16延伸，由此在杆体11的两端延伸的光路8穿过该容腔17b。

冰晶收集探头1的凹槽14被多个间隔体17分割分为一系列小型的“漏斗形”的冰晶收集巢即漏斗形凹部14’，气流在每个冰晶收集巢前方被整流分割，加速通过冰晶收集巢底部的气流通道10，冰晶更加容易在气流通道10积聚，并且，具有如下技术效果：

降低了冰晶收集探头1的气动阻力；

增加了冰晶收集探头1的表面积，提高冰晶收集效率；

特别在空气中冰晶含量很小时，或当飞机偏航或大攻角状态时，气流通道10能够有效的促使冰晶积聚。

如图5所示，在该实施例中，气流通道10的轴线相对冰晶收集探头1的横截面平行设置。

如图6所示，作为另一种选择，冰晶收集探头1的轴线横向延伸，并横向地固定和支撑于支撑部件2的顶端，冰晶收集探头1通过其中部支撑于支撑部件2。

图7a-c示出了图6所示的冰晶收集探头1的正视图、沿杆体11的轴向的五个横截面剖面的截面图和沿杆体11的轴向截面剖面的一个截面图，其示出了冰晶收集探头1的凹槽14和气流通道10的构造，该构造类似于图2所示的构造，不同的是，气流通道10的轴线基本上平行于冰晶收集探头1的横截面设置。

凹槽14的底部16构造有与气流方向一致的多个气流通道10，一方面增加了冰晶收集表面积，另一方面提高了冰晶的收集效率，冰晶收集探头被分为一系列的、小型的、独立的、漏斗形凹部14’，用作冰晶收集巢，气流在每个气流通道10前方收缩加速，冰晶更加容易在通道积聚，触发传感器。

图8a-c示出了图7a-c实施例的一个变异形式，其示出了冰晶收集探头1的正视图、沿杆体11的轴向的五个横截面剖面的截面图和沿杆体11的轴向截面剖面的一个截面图，其示出了冰晶收集探头1的凹槽14和气流通道10的构造，凹槽14深度从杆体11的两侧端朝中部逐渐加深，使得凹槽14的底部16从两侧端到中部相比杆体11的轴线向顺气流方向倾斜。

凹槽14深度逐渐加深，中间部分凹槽14深度大于两侧，进一步促使气流携带冰晶向冰晶收集探头中部积聚。尤其是在空中冰晶浓度很小时，也能够在顶部积聚足够的冰晶，激发冰晶信号。

如图9所示，其示出了采用根据本发明的的冰晶探测器进行探测的方法，其中，控制器3与飞机结冰探测系统交联，冰晶探测器用来获得冰晶信号，飞机结冰探测系统用来获得结冰信号，控制器3和飞机结冰探测系统包括以下判断步骤：

（1）若冰晶信号为真，结冰信号为真，则激发混合态结冰告警信息；

（2）若冰晶信号为真，结冰信号为假，则激发冰晶结冰告警信息；

（3）若冰晶信号为假，结冰信号为真，则激发过冷水滴结冰告警信息；以及

（4）若冰晶信号为假，结冰信号为假，则不激发告警信息。

当冰晶信号为真，表征探测到冰晶结冰条件，反之，未探测到；结冰信号为真，表征探测到过冷水滴结冰条件，反之，未探测到。

结合飞机的结冰探测系统发出的结冰信号，进行综合逻辑判断，能够探测到且区分过冷水滴结冰条件、冰晶结冰条件，并激发相应的告警信息。

以上内容描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，这些变更和修改均落入本发明的保护范围。例如，根据本发明的第一个方面的一些构造可以与根据本发明的第二个方面的一些构造互换。

以上实施例中的各个特征还可以根据本发明原理在合理范围内作任意组合，这种组合也落入本发明的保护范围内。