一种表面结冰探测和融冰复合结构及其方法与流程

1.本发明涉及传感测量技术领域，具体为一种基于热阻抗测量的表面结冰探测和融冰复合结构和方法。


背景技术：

2.表面结冰的探测在多个领域都有应用需求，如家电、电子设备、风力发电、公路、高压输电、天线、建筑等。典型应用是航空领域，在飞行器飞行期间，需要对机翼、尾翼等多处表面进行结冰探测，在结冰时发出警告，提示机组人员启动除冰措施，以保障飞行安全。
3.现有多种结冰探测技术，主要是利用冰的物理特性或结冰导致的物体表面物理特性变化来探测结冰状态。如使用图像采集技术来探测表面是否有冰层及其厚度，使用振动传感器来通过检测振动频率等的变化判断是否结冰，使用超声波等无损探测方法探测冰层及其厚度等。
4.现有的表面结冰探测技术，普遍存在以下缺点：
5.一是系统组成复杂，使用和维护不便，如图像采集式的探测系统包括图像采集、图像传输、图像处理、图像分析等模块，系统构成复杂。
6.二是系统抗干扰能力较弱，如基于超声技术的探测方法以及图像采集探测方法等，易受干扰，导致探测结果不佳；
7.三是破坏被检测表面的形态，部分探测器需要布置在表面外部，导致表面的防护特性发生变化；
8.四是探测与融冰部件不能复合使用，由于原理的差异，探测系统与融冰系统各自独立成系统，不能合并利用，提高空间和载荷的利用率。


技术实现要素：

9.为解决现有表面结冰探测技术复杂，抗干扰能力弱，不能与融冰设备复合使用等问题，本发明主要目的在于提供一种表面结冰探测和融冰复合结构及其方法。
10.表面结冰探测和融冰复合结构及其方法使用热阻隔离层突出待探测面的热传输特性，使用一定时间长度的主动热功率阶跃变化脉冲，使物体表面升温或降温，记录温度变化瞬态曲线，并根据曲线计算出热阻抗特性，以此判断是否存在冰层以及估算冰层厚度。该方法目前在元器件热阻测试方面得到广泛的应用，但未见用于物体表面的结冰探测。
11.具体而言本技术提供了如下技术方案：
12.一种表面结冰探测和融冰复合结构，包括均温体、加热件、温度探头、隔热环和隔热盖、解算控制器，加热件和温度探头与解算控制器通过引线连接。
13.其中，均温体采用导热性能良好的耐腐蚀材料制作，安装在被探测表面的内侧，二者之间的接触部位设有导热硅脂。
14.其中，均温体与被探测表面的接触面轮廓为任意形状，如圆形、矩形、梯形等。
15.其中，加热件为电加热部件，安装在均温体的表面或内部，二者之间的接触部位设
有导热硅脂。
16.其中，所述加热件为电加热件。
17.其中，温度探头置于均温体内，二者之间的接触部位设有导热硅脂。
18.其中，隔热环安装在均温体外围，覆盖隔热盖，共同构成隔热罩，将均温体、加热件、温度探头隔离在腔体内。
19.其中，加热件和温度探头的引线穿过隔热盖连接至解算控制器。
20.其中，解算控制器内装有微控制单元、温度探头接口和直流程控功率源，内置嵌入式软件，通过接口与上位机通信；温度探头接口与温度探头连接；直流程控功率源与加热件连接；解算控制器内置的嵌入式软件包括温度读取、输出指定直流加热功率功能，单独或由上位机完成热阻抗分析功能。
21.本发明表面结冰探测和融冰复合结构的探测方法，具体为：
22.(1)温度探测
23.使用解算控制器读取温度探头的实时温度，并反馈上位机；
24.(2)时间温度曲线记录
25.按照设定的时间间隔，使用解算控制器读取温度探头的实时温度，记录时间温度曲线，并反馈上位机；
26.(3)升温或降温热响应曲线记录
27.使用解算控制器控制直流程控功率源，对加热件实施阶跃功率变化激励；阶跃功率从零功率变为设定的功率时，为升温。阶跃功率由由设定的功率变为零功率时，为降温。
28.在实施阶跃功率快速变化的同时，按照设定的时间间隔，使用解算控制器读取温度探头的实时温度，记录升温或降温的热响应曲线，直至温度变化趋于平衡，并反馈上位机；
29.记录升温曲线时，施加阶跃功率前的温度记录为环境温度t
amb
，记录降温曲线时，阶跃功率变化为0且趋于平衡时的温度为环境温度t
amb
。
30.(4)热阻抗分析
31.对步骤(3)所获取的升温或降温热响应曲线，参考固态技术协会标准jesd51-14《基于瞬态双界面法的单一散热路径半导体器件结壳热阻检测和评价方法》中的结构函数法进行计算，从结构函数中分析出热传输路径上各层的热阻抗参数，包括热阻r
t
和热容c
t
；
32.(5)冰层参数分析准备
33.针对某一具体的表面结冰探测和融冰结构及其工作条件(如温度、气压、空气流速等)，绘制单位热容下热阻与热导率的关系图，具体步骤包括：
34.①
绘制冰层密度和热导率关系图
35.通过实验或查询文献等方法，绘制特定温度范围和气压范围下的冰层密度—热导率关系图；
36.②
绘制单位热容下热阻与热导率的关系图
37.采用理论计算或计算机仿真等手段，应用步骤(5)
‑①
的数据，针对某一具体的表面结冰探测和融冰结构，计算单位热容下热阻与热导率的关系图；
38.针对某一具体的表面结冰探测和融冰结构及其工作条件，步骤(5)的准备工作只需做一次；
39.(6)计算冰层参数
40.①
判断是否为纯结冰状态
41.如环境温度t
amb
》该气压条件下的冰点，则不具备结冰条件，不是结冰状态；
42.如t
amb
≈该气压条件下的冰点，且步骤(5)计算出的热阻r
t
很小，热容c
t
很大时，即使用公式计算冰层单位热容下的热阻r
tc
，对比预先准备的单位热容下热阻与热导率的关系图，当r
tc
明显处于曲线对应的x轴值域范围之外时，为冰层和表面之间有液态融冰，处于正在融化的状态；
43.当处于上述两种状态时，不为纯结冰状态，无法进行后续冰层参数的计算。此时，将状态信息反馈上位机。
44.当不处于上述状态时，为结冰状态，此时，可进行后续冰层参数的计算。此时，进行后续计算，并将后续计算结果反馈上位机。
45.②
计算冰层质量
46.使用公式计算冰层质量，其中m为冰层质量，c
t
为步骤4计算得到的热容，c为冰的比热容；
47.③
计算单位热容下的热阻
48.使用公式计算冰层单位热容下的热阻，其中，r
tc
为单位热容下的热阻，热阻r
t
和热容c
t
为步骤4的计算结果；
49.④
计算冰层热导率
50.使用近似曲线等方式，将上述步骤(6)
‑②
得到的单位热容下的热阻r
tc
与步骤(5)
‑②
预先准备的单位热容下热阻与热导率的关系图相比较，计算得到冰层热导率λi；
51.⑤
计算冰层密度
52.通过将上述步骤
③
得到的冰层热导率λi，与预先准备的冰层密度—热导率关系图相比较，使用近似曲线等方式，计算得到冰层密度ρi；
53.⑥
计算冰层厚度
54.使用公式计算冰层厚度，其中di为冰层厚度，m为冰层质量，ρi为步骤4得到的冰层密度，s为结构传热面积；
55.(7)加热除冰
56.使用解算控制器控制直流程控功率源，对加热件输出一定的电加热功率，使表面温度提升至冰点以上，以融化附着的冰层，加热功率和时间可以程序控制。
57.与现有技术相比，本发明的表面结冰探测和融冰复合结构及其方法至少具有以下有益效果：
58.(1)直接使用热特性参数来判断是否存在冰层，并估算厚度，系统构成简单，体积小，使用维护简单，抗干扰能力强，实施成本低，可靠性高；
59.(2)结冰探测和融冰系统能够高度集成，复用加热件和温度传感器，不需要分别维护两套系统，提高空间利用率和载荷利用率；
60.(3)结冰探测系统和融冰系统位于被探测表面内部，不需要伸出探测面，不会破坏表面的物理特性和防护、封闭特性。
61.下面结合附图对本发明的表面结冰探测和融冰复合结构及其方法作进一步说明。
附图说明
62.图1为表面结冰探测及融冰复合结构的示意图；
63.图2为密度-热导率曲线示意图；
64.图3为单位热容下热阻-热导率曲线示意图。
65.其中，1-被探测表面，2-表面冰层，3-均温体，4-加热件，5-温度探头，6-隔热环，7-隔热盖，8-引线，9-解算控制器。
具体实施方式
66.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
67.(一)表面结冰探测和融冰复合结构
68.一种表面结冰探测和融冰复合结构，用于环境温度基本不变情况下的良好导热表面的冰层厚度探测，其结构示意图如图1所示。
69.被探测表面1应为良好导热的薄层表面，如金属板、壁等，导热不佳的表面不适用。上方为被探测表面1的内侧，即设备内部，下方为被探测表面1的外侧，即设备外部，冰层在表面外侧。
70.探测结构由均温体3、加热件4、温度探头5、隔热环6和隔热盖7、解算控制器9组成，加热件4和温度探头5与解算控制器9通过引线8连接。
71.均温体3使用导热性能良好的耐腐蚀材料制作，如6061铝合金，安装在被探测表面1内侧，并在接触部位使用导热硅脂等材料，使均温体3与被探测表面1之间导热良好。均温体3在满足机械和均温效果的前提下尽量减少厚度，以减少热容，与被探测表面1的接触面轮廓为圆形、多边形或其他适合形状，并具有一定的接触面积。
72.加热件4为电加热部件，安装在均温体3的表面或内部，并在接触部位使用导热硅脂等材料，使加热件4与均温体3之间导热良好。本实施例中为环形电加热片，也可以使用电加热带或电加热棒。
73.温度探头5使用具有较高分辨率的温度探头，本实施例中使用热敏电阻探头，置于均温体3内，并在接触部位使用导热硅脂等材料，使温度探头5与均温体3之间导热良好。
74.隔热环6和隔热盖7使用隔热性能和机械性能良好的材料制成，本实施例中使用具有一定厚度的硬质发泡聚氨酯制成。隔热环6安装在均温体外围，覆盖隔热盖7，共同构成隔热罩，将均温体3、加热件4、温度探头5隔离在腔体内。
75.加热件4和温度探头5的引线8穿过隔热盖7连接至解算控制器9。
76.解算控制器9内装有微控制单元、温度探头接口和直流程控功率源，内置嵌入式软件，通过接口与上位机通信。温度探头接口与温度探头5连接，实现温度采集功能。直流程控功率源与加热件4连接，实现电加热功能。解算控制器9内置嵌入式软件主要功能包括温度读取、输出指定直流加热功率，单独或由上位机完成热阻抗分析等功能。
77.(二)基本探测方法
78.本探测方法中的冰层厚度分析，适用于表面外为开放空间，仅有冰层时的情况，即开放空间为大气环境，表面结冰如融化后，不会积存在表面时的情况。
79.具体方法包括以下步骤：
80.1、温度探测
81.使用解算控制器读取温度探头5的实时温度，并反馈上位机。
82.2、时间温度曲线记录
83.按照设定的时间间隔，使用解算控制器读取温度探头5的实时温度，记录时间温度曲线，并反馈上位机。
84.3、升温或降温热响应曲线记录
85.使用解算控制器9控制直流程控功率源，对加热件4实施阶跃功率变化激励。加热功率从0功率或小功率快速变化为较大功率，此时为升温激励，或加热功率从大功率快速变化为小功率或0功率，此时为降温激励。在实施阶跃功率快速变化的同时，按照设定的时间间隔，使用解算控制器读取温度探头5的实时温度，记录升温或降温的热响应曲线，直至温度变化趋于平衡，并反馈上位机。
86.记录升温曲线时，施加阶跃功率前的温度记录为环境温度t
amb
，记录降温曲线时，阶跃功率变化为0且趋于平衡时的温度为环境温度t
amb
。
87.4、热阻抗分析
88.对步骤3所获取的升温或降温热响应曲线，参照固态技术协会标准jesd51-14《基于瞬态双界面法的单一散热路径半导体器件结壳热阻检测和评价方法》中的结构函数法进行计算，从结构函数中分析出热传输路径上各层的热阻抗参数，包括热阻r
t
和热容c
t
。
89.5、冰层参数分析准备
90.针对某一具体的表面结冰探测和融冰结构及其工作条件(如温度、气压、空气流速等)，绘制单位热容下热阻与热导率的关系图，具体步骤包括：
91.(1)绘制冰层密度和热导率关系图
92.通过实验或查询文献等方法，绘制特定温度范围和气压范围下的冰层密度-热导率关系图，如图2所示。
93.(2)绘制单位热容下热阻与热导率的关系图
94.采用理论计算或计算机仿真等手段，应用步骤5-(1)的数据，针对某一具体的表面结冰探测和融冰结构，计算单位热容下热阻与热导率的关系图，如图3所示。
95.针对某一具体的表面结冰探测和融冰结构及其工作条件(如温度、气压、空气流速等)，步骤5的准备工作只需做一次。
96.6、计算冰层参数
97.(1)判断是否为纯结冰状态
98.如环境温度t
amb
》该气压条件下的冰点，则不具备结冰条件，不是结冰状态；
99.如t
amb
≈该气压条件下的冰点，且步骤(5)计算出的热阻r
t
很小，热容c
t
很大时，即使用公式计算冰层单位热容下的热阻r
tc
，对比预先准备的单位热容下热阻与热导率的关系图，当r
tc
明显处于曲线对应的x轴值域范围之外时，为冰层和表面之间有液态融
冰，处于正在融化的状态；
100.当处于上述两种状态时，不为纯结冰状态，无法进行后续冰层参数的计算。此时，将状态信息反馈上位机。
101.当不处于上述状态时，为结冰状态，此时，可进行后续冰层参数的计算，并将冰层参数反馈给上位机。
102.(2)计算冰层质量
103.使用公式计算冰层质量，其中m为冰层质量，c
t
为步骤4计算得到的热容，c为冰的比热容(在接近0℃冰点以下和1大气压下的参考值2100j/kg)。
104.(2)计算单位热容下的热阻
105.使用公式计算冰层单位热容下的热阻，其中，r
tc
为单位热容下的热阻，热阻r
t
和热容c
t
为步骤4的计算结果。
106.(3)计算冰层热导率
107.使用近似曲线等方式，将上述步骤6-(2)得到的单位热容下的热阻r
tc
与步骤5-(2)预先准备的单位热容下热阻与热导率的关系图相比较，计算得到冰层热导率λi。
108.(4)计算冰层密度
109.使用近似曲线等方式，通过将上述步骤(3)得到的冰层热导率λi，与预先准备的冰层密度—热导率关系图相比较，计算得到冰层密度ρi。
110.(5)计算冰层厚度
111.使用公式计算冰层厚度，其中di为冰层厚度，m为冰层质量，ρi为步骤(4)得到的冰层密度，s为结构传热面积，即均温体与被探测表面的接触面积。
112.7、融冰法除冰
113.使用解算控制器控制直流程控功率源，对加热件输出一定的电加热功率，使表面温度提升至冰点以上，以融化附着的冰层，除去附着的冰层。
114.作为一种替代，也可以采用振动除冰等其他方式进行除冰。
115.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。