CN110127061A - 提高结冰探测器探测杆敏感度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，旨在提供一种同时提高结冰探测器对降水结冰和迎风或侧风向结冰的探测敏感度的探测杆。本发明可以通过下述技术方案予以实现：制备一个底部为柱体底盘的探测杆，柱体底盘向上同体相连一个圆锥体谐振筒，构成一个顶端圆锥台倒圆弧的锥状探测体，在锥状探测体高度的2/3处设置一个与锥状探测体锥面平滑过渡齐平的连接区域A，将结冰敏感元件镶嵌于圆锥台顶盖探头与下部接锥体谐振筒之间连接区域A；光纤式结冰传感器从柱体底盘中心圆孔内穿出；当连接区域A探测面结冰时，光纤式结冰传感器利用光强调制原理检测结冰状态，根据检测接收光信号的强度将测量结冰状态转换为结冰信号。

Description

提高结冰探测器探测杆敏感度的方法

技术领域

本发明是关于提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，特别是提高地面或塔台等安装结冰探测器探测杆环境敏感度的方法。

背景技术

现有技术中冰传感器利用不同频率的空气、水和冰的不同物理特性。通过测量传感器周围介质的复杂阻抗，能够区分水和冰，从而识别冰的形成。冰的形成和增加取决于特定的气候条件，这些条件是由冰所附着的气温、湿度和表面温度决定的，潜在结冰区可通过观测气象结冰条件来判断。过冷水滴是温度低于凝固点仍未冻结的液态水滴。当过冷水滴粒径范围超过50um时，称其为过冷大水滴(Supercooled Large Droplet)，简称SLD。过冷大水滴(SLD)的形成途径有很多种。其中一种形成过冷大水滴(SLD)的途径是：雪降落经过大气暖层时融化形成的。云层上方暖层产生的雪融化而降落穿过大气暖层，形成小雨或雨滴。大水滴继续下落并再次进入大气冷层，由于水冻结时要释放潜热，冻结潜热为80cal/g，而空气是热的不良导体，由于潜热难以传递出去，过冷水滴在环境温度已远低于0℃时仍保持为液态。但当与水滴接触的环境介质有良好的传热性能而环境温度低于0℃时，如水落在冰面或金属面上，水滴会发生冻结而且表现出在流动过程中冻结的特征。SLD也可以从较小的云滴形成。液滴以不同的速度落下时，可以彼此碰撞和聚结以形成较大的液滴。液滴大小的增加归因于层状云顶部风切变和稳定的热力学轮廓的存在。由于传统的探头型结冰传感器探头体积小，传热能力不足，当SLD撞击到探头时不能完全冻结，产生明显的流动和飞溅，导致探头冻结系数太小，不能可靠探测SLD结冰。当探测器正前端结冰已经很厚时，其前端侧面结冰相对很薄，而后端完成探测过冷大水滴功能的传感器处几乎没有结冰。这是由于探测器迎风面处曲率半径过小，导致水滴捕获率过大造成的。当前端侧面处结冰很厚时，后端完成探测过冷大水滴功能的传感器处才稍有结冰。这主要是由于探测器整体长度尤其是前端长度过长引起的。目前，市面上已有诸多形式的结冰探测器，其共性在于使用一敏感探头或探测杆收集空气中的水分，当收集到的水分冻结成冰时，结冰探测器的敏感量产生变化，从而识别探测杆是否结冰，进而判断当前环境是否为结冰环境。但是，此类结冰探测器的敏感面或探测杆多为平面或圆棒形，其中平面式的结冰探测器(如北京杰成物联科技有限公司的JCJ-1600电容式结冰传感器)对降水(湿雪、冻雨)结冰和冷凝结冰比较敏感，但对云雾等空气中的液态水经风的作用后造成的结冰(淞冰、明冰)不够敏感，即对迎风或侧风向结冰不够敏感；圆棒形结冰探测器(如美国Goodrich公司的基于磁致伸缩谐振原理的0871系列，瑞典HoloOptics公司的基于超声波原理的T40系列)对迎风或侧风向结冰比较敏感，但对降水结冰不够敏感。上述结冰探测器其根本缺陷在于，探测杆的设计没有充分考虑重力和风力(空气动力)对空气中的液态水滴的复合作用效果。

对于飞行器，尤其是飞机结冰对航空活动有着极其严重的影响，轻度结冰就会破坏飞机原有的气动外形，降低飞机的飞行性能；重度积冰时可能出现严重问题，如失速、操纵翼面失效等现象。现有技术外伸式探测器探测杆通常采用大小两个圆柱相切而成，两圆柱中心距为6。因为较小的圆柱曲率较大，为了提高了探测器的捕获率，将其作为迎风面。探测杆上分布有两只光纤式结冰传感器，第一只传感器分布在9点钟位置，主要探测来流方向上的结冰。第二只传感器偏离30，分布在10点钟位置。

发明内容

本发明针对光纤传感器易受干扰的缺点，旨在提供一种不受干扰，同时提高结冰探测器对降水结冰和迎风或侧风向结冰的探测敏感度的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，具有如下技术特征：制备一个底部为柱体底盘2的探测杆，柱体底盘2向上同体相连一个圆锥体谐振筒，构成一个顶端圆锥台倒圆弧的锥状探测体1，在锥状探测体1高度的2/3处设置一个与锥状探测体1锥面平滑过渡齐平的连接区域A，将结冰敏感元件镶嵌于圆锥台顶盖探头与下部接锥体谐振筒之间连接区域A；锥状探测体1底部夹角θ的取值为80°～85°，光纤式结冰传感器从柱体底盘2中心圆孔内穿出；来自冰与空气界面的反射光在冰与接收光纤界面发生折射后耦合到接收光纤里，当连接区域A探测面结冰时，光纤式结冰传感器以光纤为传输介质，探测出连接区域A圆周上结冰分布状态，利用光强调制原理，通过接收冰反射的光强度变化来检测结冰程度信息，根据检测接收光信号的强度及变化趋势确定结冰状态，将测量结冰状态转换为结冰信号。

本发明采用柱体底盘向上同体相连一个圆锥体谐振筒构成一个圆锥台形状的锥状探测体，其探测部位为一特定角度的锥状结构，能兼顾重力和风力对空气中的液态水滴的复合作用效果，增加了探测杆收集空气中的液态水的相对面积，同时增大了水滴撞机探测杆的撞击角度，从而提高相关结冰探测器的敏感度，继而使得结冰探测器既能探测降水结冰，又能高效探测迎风或侧风向结冰。

本发明将结冰敏感元件镶嵌于探测器高度的2/3处，位于圆锥台顶盖探头与下部接锥体谐振筒之间的连接区域A，与锥状探测体1锥面平滑过渡齐平保形，克服了光纤传感器易受干扰的缺点，通过干扰试验结果表明，来自太阳光干扰和污染物干扰不会对探测器输出结果产生实质性影响，干扰在可控范围内；由于锥状探测体单位时间结冰量较大，可以使积冰表面具有较小的压力系数和较大的水收集系数，使结冰杆更早更快的结冰，发出结冰告警的时间能够提前。如果在壳体内壁上涂覆加热膜或整个壳体用电加热材料制作，可提高加热效率，用于放置微型温度传感器有利于准确、及时获得探测杆温度测量信息。这种采用锥状探测体探测来流方向上的结冰，在探测器高度2/3处比较容易结冰，其是提高了结冰探测的可靠性，并且小水滴主要集中在探测器的前部，而大水滴主要集中在探测器的后部，可以区分出大水滴和小水滴。因此，将三个光纤传感器放置在探测器高度的2/3处探头前端。

本发明采用探测杆底部为柱体结构的底盘，不仅保证了探测杆承受气动载荷的强度，而且结冰厚度增加时，在柱体测杆圆周上的结冰分布也必然会增大，传感器可以探测出圆周上的这种结冰分布，相当于结冰探测的一种余度形式。

本发明适用于航空、风力发电厂、高压电线、电缆汽车、天线、架空电线，街道，建筑等。为使用者提供冻雨防治，凝冰预警等多种功能服务。

附图说明

图1是本发明结冰探测器用的探测杆的主视图。

图2是图1俯视图。

图3是冻雨水滴撞击探测杆前瞬间的受力分析。

图4是本发明一个实施例的一种构造结构示意图。

图5本发明另一实施例的探测杆构造示意图。

图中：1锥状探测体，2柱体底盘，F1风力，F2重力，F3合力，F4浮力，F5阻力。

下面结合图1-图3对本发明的具体实时方式进行说明。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，制备一个底部为柱体底盘2的探测杆，柱体底盘2向上同体相连一个圆锥体谐振筒，构成一个顶端圆锥台倒圆弧的锥状探测体1，在锥状探测体1高度的2/3处设置一个与锥状探测体1锥面平滑过渡齐平的连接区域A，将结冰敏感元件镶嵌于圆锥台顶盖探头与下部接锥体谐振筒之间连接区域A；锥状探测体1底部夹角θ的取值为80°～85°，光纤式结冰传感器从柱体底盘2中心圆孔内穿出；来自冰与空气界面的反射光在冰与接收光纤界面发生折射后耦合到接收光纤里，当连接区域A探测面结冰时，光纤式结冰传感器以光纤为传输介质，探测出连接区域A圆周上结冰分布状态，利用光强调制原理，通过接收冰反射的光强度变化来检测结冰程度信息，根据检测接收光信号的强度及变化趋势确定结冰状态，将测量结冰状态转换为结冰信号。

锥状探测体1的锥面高度L1的取值范围是15mm～200mm(优选值为46mm)，锥状探测体1小端尺寸D1的取值范围是6mm～30mm，大端尺寸D2的取值范围是10mm～60mm(优选值为29.2mm)，且D2>D1。锥状探测体1基体2为柱体，高度L2的取值范围是0mm～400mm(优选值为74mm)。锥状探测体1底部夹角θ的取值范围是80°～85°(优选值为83°)。

图3所示的另一实施例中，给出了一种冻雨水滴撞击探测杆前的瞬间受力分析。水滴撞击角度越准直，撞击时的能量损失越大，低温时就越容易结冰，这要求θ+β趋近于90°。当风力F1大或重力F2小时，β减小，此时应增大θ；当风力F1小或重力增大时，β增大，此时应减小θ。

根据图3，风力F1越大，重力F2水滴运动轨迹的影响越小，相应的夹角θ的取值应越接近90°；反之，夹角θ的取值应适当偏离90°。试验表明，当夹角θ取83°时，可以充分匹配3级～8级风力环境下的结冰探测应用需求。

为了便于光纤传感器的安装和固定，锥状探测体1上下分别设计有顶盖和柱体底盘2，可将结冰敏感元件安装于锥状探测体1上，并与锥状探测体1表面齐平，如图1中所例阴影区域A，这样的敏感元件包括但不限于光纤式结冰传感器、谐振平膜式结冰传感器、电容式结冰传感器、温差式结冰传感器、压电陶瓷结冰传感器、热阻式结冰传感器。也可将结冰探测源布置于锥状探测体1周围，如超声波式探头、红外线式探头。采用光纤式结冰传感器，光纤式结冰传感器柱体底盘2中心圆孔内穿出。来自冰与空气界面的反射光会向后传播，并在冰与接收光纤界面发生折射后耦合到接收光纤里。当探测面结冰时，接收光纤会接收到反射光,不同的结冰信息，其反射光的强度不同，通过检测接收光信号的强度及变化趋势并进行适当的信号处理，即可达到测量结冰状态的目的。

在可选的本实施例中，柱体底盘2形状并非标准的柱体，可能的一种变换形式是是圆柱体，可以是图4所示的多层不同直径的阶梯柱体的叠加，还可以是图5所示球体或椎体的一部分并与锥状探测体1底部平滑连接或其它任何构型，只要能承载锥状探测体1即可。

然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和材料作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，具有如下技术特征：制备一个底部为柱体底盘(2)的探测杆，柱体底盘(2)向上同体相连一个圆锥体谐振筒，构成一个顶端圆锥台倒圆弧的锥状探测体(1)，在锥状探测体(1)高度的2/3处设置一个与锥状探测体(1)锥面平滑过渡齐平的连接区域A，将结冰敏感元件镶嵌于圆锥台顶盖探头与下部接锥体谐振筒之间连接区域A；锥状探测体(1)底部夹角θ的取值为80°～85°，光纤式结冰传感器从柱体底盘(2)中心圆孔内穿出；来自冰与空气界面的反射光在冰与接收光纤界面发生折射后耦合到接收光纤里，当连接区域A探测面结冰时，光纤式结冰传感器以光纤为传输介质，探测出连接区域A圆周上结冰分布状态，利用光强调制原理，通过接收冰反射的光强度变化来检测结冰程度信息，根据检测接收光信号的强度及变化趋势确定结冰状态，将测量结冰状态转换为结冰信号。

2.如权利要求1所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：锥状探测器(1)的壳体为非金属。

3.如权利要求2所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：所述的非金属选用聚四氟乙烯材料。

4.如权利要求2所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：在壳体内贴覆电磁屏蔽胶或在壳体外部喷涂金属.

如权利要求1所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：锥状探测体(1)的锥面高度L1的取值范围是15mm～200mm。

5.如权利要求1所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：锥状探测体(1)小端尺寸D1的取值范围是6mm～30mm，大端尺寸D2的取值范围是10mm～60mm，且D2>D1。

6.如权利要求1所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：锥状探测体(1)基体(2)为柱体，高度L2的取值范围是0mm～400mm。

7.如权利要求1所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：锥状探测体(1)底部夹角θ的取值范围是80°～85°。

8.如权利要求1所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：锥状探测体(1)上下分别设计有顶盖和柱体底盘2。

9.如权利要求1所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：结冰敏感元件安装于锥状探测体(1)上，并与锥状探测体(1)表面齐平。

10.如权利要求1所述的提高结冰探测器探测杆敏感度的方法，其特征在于：敏感元件包括光纤式结冰传感器、谐振平膜式结冰传感器、电容式结冰传感器、温差式结冰传感器、压电陶瓷结冰传感器、热阻式结冰传感器的其中一种。