专利名称：探测结冰条件的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于例如在飞机飞行期间探测结冰条件的方法和系统。
背景技术：
包括商用飞机，通用航空飞机，商业飞机和军用飞机的许多现代飞机被设计为飞行通过所有类型的天气。这种飞机遇到的一个潜在有害的天气条件是飞行中结冰。当飞行通过结冰条件时，飞机遭遇过度冷的水滴的区域，所述水滴撞击在重要的飞机表面(包括翼前边缘，发动机入口和飞行控制表面)，然后冻结并且形成积冰。积冰可能抑止飞机性能和/或损害飞机(例如通过折断和撞击飞机部件)。
解决飞机结冰的一个措施是为飞机提供飞行中抗结冰或除冰设备。可以与上述设备结合使用的另一措施是为飞机提供飞机上(on-board)冰探测系统。这种探测系统能够(a)触发抗结冰/除冰设备，并且(b)警告驾驶员存在结冰条件，从而飞行员能够将在这种条件下消耗的时间最小化。一个典型冰探测系统是磁阻系统，该磁阻系统在冰堆积时探测冰。这种系统的一个潜在缺点是由于冰必须在结冰条件被探测到之前堆积，因此在启动抗或除冰系统之前，或在飞出结冰环境之前飞机性能可能降低。这种降低尽管不会给飞机带来安全问题，但是能够降低飞机燃料的效率并且因此增强操作飞机的成本。
发明内容
本发明总体上涉及一种用于探测在交通工具例如飞机的外部结冰或初始结冰条件的系统和方法。根据本发明一个方面的系统包括温度传感器，所述温度传感器构造为引导与气流的温度对应的第一信号。所述系统进一步包括含水量(water content)传感器，所述含水量传感器构造为引导(direct)与气流的含水量对应的第二信号。处理单元能够与温度传感器和含水量传感器耦合，以便接收第一和第二信号，并且基于至少第一和第二信号，当被联系在一起的至少第一和第二信号与至少初始结冰条件相应时，提供指示。
在本发明的进一步特定的方面，含水量传感器能够包括液态含水量传感器，总含水量传感器，和冰晶传感器至少一个。温度传感器、含水量传感器和处理单元能够被构造为安装到飞机上，并且温度传感器和含水量传感器能够彼此远离地定位或定位在单个壳体内。
根据本发明另一方面的方法包括接收与交通工具外面的气流温度对应的第一信号，接收与气流的含水量对应的第二信号，且基于至少第一和第二信号，当联系在一起的至少第一和第二信号与至少初始结冰条件对应时，自动产生指示。在本发明的进一步特定的方面，所述方法能够包括确定温度传感器探测到与在水的局部冻结点上或水的局部冻结点以下的静温对应的温度的时间，确定含水量传感器探测到液态水的时间，以及仅在温度传感器探测到与在水的局部冻结点上或水的局部冻结点以下的静温对应的温度且含水量传感器探测到液态水的时候产生指示。在本发明的再一方面，所述方法能够包括接收与气流压力对应的第三信号并且基于第一和第三信号一起确定第一信号是否与处于水冻结的温度上或处于水冻结温度以下的温度对应。
图1是示出了具有根据本发明实施例构造的冰探测系统的飞机的局部示意等比例视图；图2是局部示意等比例视图，示出了根据本发明实施例构造的冰探测系统的部件；图3是流程图，示出了根据本发明实施例的用于探测至少初始结冰条件的方法；图4A-4B是流程图，示出了根据本发明另一实施例的用于探测至少初始结冰条件的方法的方面；
图5是局部示意截面图，示出了根据本发明实施例的具有设置在同一位置的含水量传感器和温度传感器的冰探测系统。
具体实施例方式
本公开描述了用于探测例如在航空飞机上的结冰或初始结冰条件的方法和系统。本发明的特定实施例的许多具体细节在下面的描述和图1-5中提出，以便提供对这些实施例的彻底了解。然而，本领域的普通技术人员可以理解本发明可以具有附加的实施例，并且本发明可以在没有下面描述的几个细节而实施。
图1是局部示意等比例视图，示出了载有根据本发明实施例构造的冰探测系统10的飞机100。在本实施例的一个方面，飞机100包括机身104，悬挂在机身104上的机翼101，和尾翼103，所述尾翼103定位成提供稳定性和有关飞机倾斜和偏航轴的控制。飞机100能够进一步包括推进系统102，例如双引擎布置，每个引擎定位在悬挂在相应机翼101上的吊舱式(podded)引擎机舱内。在其他实施例中，飞机100能够具有其他通用布置。
在上述实施例中的任一个中，冰探测系统110能够包括温度传感器120和含水量传感器130，温度传感器120和含水量传感器130中的每一个利用连接件160(示出为输入连接件160a，160b)与处理单元140耦合。处理单元140能够构造为从温度传感器120和含水量传感器130接收数据，并且基于从上述传感器接收的数据，确定什么时候在飞机100的外部环境中存在结冰或初始结冰条件。当存在这种条件时，处理单元140能够自动产生指示信号，所述显示信号通过输出连接件160c传输到指示器150。在这个实施例的一个方面，指示器150能够专门地将信息提供给飞机驾驶舱内的人员。在其他实施例中，这种信息能够提供给地基设备和/或由飞机100承载的记录设备。冰探测系统100的实施例的进一步的细节参考图2-图5B描述。
图2是局部示意等比例视图，示出了冰探测系统100的实施例。在这个实施例的一个方面中，温度传感器120和含水量传感器130彼此远程定位并且安装到飞机100(其外表面部分示出在图2中)。在参考图5更详细描述的另一个实施例中，温度传感器120和含水量传感器130能够共同定位在单个装置中。在任一实施例中，温度传感器120和含水量传感器130能够可操作地与处理单元140耦合，以便提供处理单元140必需的信息，从而确定什么时候存在至少初始结冰条件。如此处所使用，术语至少初始结冰条件用于包括通常对冰形成有利的条件，和/或并在其下冰实际形成的条件。
在图2所示实施例的一个方面中，温度传感器120能够包括静气温探针，所述静气温探针直接测量飞机100外部气流的静温。在另一个实施例中，温度传感器120能够包括总温度传感器，如来自加利福尼亚的SpaceAge control of Palmmdale的模型300536 TAT传感器。因为初始结冰条件的确定典型地基于静气温，如果温度传感器120包括总气温探针，系统110能够进一步包括压力传感器170，压力传感器170提供数据，处理单元140通过所述数据能够确定基于总气温的静气温。在这个实施例的一个方面，压力传感器170能够包括典型地设置在飞机100上的皮托管静(pitot-static)探针系统。在其他实施例中，压力传感器170能够包括其他单独的系统。在这些实施例的任一个中，压力传感器170能够探测飞机100外面环境的总气压和静气压，并且通过输入连接件160d和160e将相应的信号传递到处理单元140。基于这个信息，处理单元140能够计算静气温并且将这个信息与从含水量传感器130接收的信息组合，以便确定初始结冰条件。在另一实施例中，单独的装置能够从压力数据计算静气温。这种装置可以从纽约的Insight Avionics of Buffalo得到。
在图2所示实施例的一个方面，含水量传感器130能够包括液态含水量测量探针，例如可以从科罗拉多，Boulder的Particle Measuring System，Inc.得到的Johnson-Williams探针。这种探针能够基于来自加热的线的热损耗确定通过它的气流的液态含水量，所述加热的线定位成被气流内的水撞击。在其他实施例中，含水量传感器130可以具有其他布置。例如，含水量传感器130能够包括冰晶传感能力和/或总水传感能力，以便探测混合相或冰晶结冰条件。在这个实施例的特定方面，除了液态水传感能力，可以提供冰晶传感能力和/或总水传感能力。在这些实施例的任一个中，含水量传感器130能够产生通过输入连接件160a传输的信号，所述信号能够指示与飞机100相邻通过的气流是否包括水。
在上述实施例的任一个中，处理单元140能够从温度传感器120，含水量传感器130，(和可选地，压力传感器170)接收信息。处理单元140能够包括飞机飞行数据系统的现有部分(例如，被编程以便执行上述功能)，或单独的单元，上述任一个都能够通过输出连接件160c提供至输出指示器150的输出信号。在一个实施例中，输出指示器150能够包括用于机组人员视觉可见的可视显示器，从而机组人员能够意识到初始结冰条件，并且能够例如通过改变飞机的飞行路线和/或通过启动抗结冰或除冰系统相应地作出反应。在其他实施例中，输出指示器150能够包括可听见的报警，或能够通过其他技术给机组人员提供通知。在这些实施例的任一个中，处理单元140能够收集和处理数据，以便提供适当的输出信号，如下面参考图4-4B的更详细描述。
图3是流程图，示出了根据本发明实施例用于(例如通过处理单元140完成的)探测至少初始结冰条件的方法300。在这个实施例的一个方面，方法300能够包括确定气流的静气温(处理部分302)和确定气流的液体含水量(处理部分304)。所述方法300能够进一步包括确定所述静气温是否处于预先选择的阈值或处于预先选择的阈值之下(处理部分306)。在这个实施例的一个方面，预先选择的阈值可以固定用于所有的飞行条件，且在其他实施例中，阈值能够依赖于一定的飞行条件，例如飞机高度。在任一实施例中，如果静气温不处于所述阈值上或处于阈值以下，所述方法包括不指示结冰条件(处理部分308)。如果静气温处于阈值上或处于阈值以下，方法300进行到处理部分310。
在处理部分310，方法300包括确定液体含水量是否处于阈值或处于阈值之上。在这个实施例的特定方面，阈值可以为非零，从而系统不提供用于所探测到的液态含水量的不连贯量的积极指示。如果液态含水量不处于阈值上或处于阈值之上，方法300包括不指示结冰条件(处理部分308)。如果液态含水量处于阈值或处于阈值之上，那么方法300能够包括指示至少初始结冰条件(处理部分312)。
图4A-4B示出了根据本发明实施例的处理部分302和306的进一步细节。首先参考图4A，处理部分302(其包括确定气流的静气温)能够包括首先从例如总气温探针接收与总气温对应的信号。所述方法能够进一步包括从例如压力传感器170(上面参考图2所述)接收与总气压(处理部分404)和静气压(处理部分406)对应的信号。在处理部分408，静气温被例如使用可容易获得的技术基于总气温和静气压与总气压的比率计算。在其他实施例中，静气温能够根据其他方法计算。例如，静气温能够基于接收到的总气压信号(处理部分402)和飞机速度和高度的指示而被计算，其可以依次以上述来自总气压和静气压信号的计算为基础。在这些实施例中的任一个中，处理部分302能够包括确定直接来自于静气温传感器的气流的静气温，或者直接经由对从总气温传感器接收的数据执行的计算确定气流的静气温。
现在参考图4B，处理部分306(其包括驱动静气温是否处于阈值上或处于阈值之下)能够包括接收静气温值(处理部分420)和接收与总气压(处理部分422)和静气压(处理部分424)对应的信号。所述方法能够进一步包括计算飞机飞行的压力—高度(处理部分426)。基于总气压和静气压，所述方法能够进一步包括基于压力高度计算局部冻结点(处理部分428)。在处理部分430，所述方法能够包括将局部冻结点与静气温相比较，以便确定静气温值是否处于局部冻结点或处于局部冻结点之下。如果是，那么所述方法包括确定液态含水量是否处于所述阈值或处于所述阈值之下(处理部分310，上面参考图3的讨论)。如果不是，那么所述方法包括不指示初始结冰条件(处理部分308，图3)。
在上述实施例的任一个中，上述方法能够通过合适的计算系统完成，包括飞机飞行数据系统或单独的系统。用于完成上述处理的程序可以在硬件，软件或其他计算机可读介质内编码。在这些实施例的任一个中，上述处理的部分或全部能够自动完成。这个布置的优点是能够降低机组人员的工作量并且提高系统可重复性和可靠性。
在参考图2的上述实施例的一个方面中，冰探测系统110包括与含水量传感器130远程定位的温度传感器120。在另一实施例中，如图5所示，冰探测系统510能够包括共同定位(Co-located)在单个壳体511内的温度传感器520和含水量传感器530。在这个实施例的一个方面，壳体511能够包括基部514，从基部514延伸出的支架515，和由支架515承载的流动通道512。流动通道512能够包括入口516和沿流动轴线513位于入口516下游且与入口516对齐的出口517。流动通道512能够携带延伸到由流动通道512捕获的气流内的探针杆531。探针杆531能够支撑加热线532，所述加热线532定位成撞击包含在捕获的气流内的水(例如液态水)。在这个实施例的特定方面，温度传感器520能够定位在探针杆531的背风表面(lee surface)上，以便不直接暴露于捕获的气流内的水。相应地，温度传感器520能够测量实际的总或静温而不受捕获的气流内的任何水的影响。探测器510能够可选地包括预处理器541(例如以调节从加热线532和温度传感器520接收的信号)并且能够通过输出连接件560a和560b将输出信号提供给处理单元(诸如上述处理单元140)。
上述系统的至少几个实施例的一个特征是它们能够基于与温度和含水量对应的信号自动地确定指示初始结冰条件。如上所述，这个布置能够减少机组人员的工作量并且提高系统性能。上述系统的至少几个实施例的另一特征是它们能够探测对冰形成有利的条件且不首先要求形成显著的冰的集结。结果，机组人员能够快速地例如通过改变航行路线和/或启动冰防止系统响应结冰条件的出现。
从上述可知，这里描述的本发明的特定实施例用于说明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行多种修改。相应地，本发明不限于上述实施例而是由权利要求限定。
权利要求
1.一种用于探测交通工具之外的结冰条件的系统，包括温度传感器，所述温度传感器构造为引导与气流的温度对应的第一信号；含水量传感器，所述含水量传感器构造为引导与气流的含水量对应的第二信号；和处理单元，所述处理单元与所述温度传感器和所述含水量传感器耦合以便接收所述第一信号和第二信号，且基于至少第一信号和第二信号，当至少一起的第一信号和第二信号与至少初始结冰条件对应时，提供指示。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述含水量传感器包括液体含水量传感器、总含水量传感器和冰晶传感器至少一个。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述温度传感器、所述含水量传感器和所述处理单元构造为安装到飞机上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述温度传感器和所述含水量传感器定位在单个壳体内。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述含水量传感器包括加热线，所述加热线定位成被包含在所述气流内的水撞击。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理单元构造为当所述温度传感器探测到与处于水的局部冻结点或处于水的局部冻结点之下的静温对应的温度，以及含水量传感器探测到液态水时提供至少初始结冰条件的积极指示。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述温度传感器和所述含水量传感器彼此远离地定位。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述温度传感器构造为探测气流的总温度。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述温度传感器构造为探测气流的总温度，且其中所述处理单元构造为至少部分地基于第一信号确定气流的静温。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述含水量传感器包括探针，所述探针具有被定位以当气流沿流动轴行进时朝向气流的第一表面，所述探针进一步具有与第一表面相对的第二表面，且其中所述温度传感器包括至少接近探针的第二表面定位的静气温传感器，且其中所述系统进一步包括壳体，所述壳体设置在含水量传感器和温度传感器周围，所述壳体具有定位成用于接收气流的孔，所述探针的孔和第一表面沿所述流动轴线对齐。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理单元可操作地与压力传感器可耦合，以便接收与气流的压力对应的第三信号，且其中处理单元构造为基于第一信号、第二信号和第三信号提供所述指示。
12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括具有机身部分、机翼部分、尾翼部分和推进系统的飞机，且其中温度传感器、含水量传感器和处理单元的每一个由所述机身部分、机翼部分、尾翼部分和推进系统中的至少一个所承载。
13.一种用于探测交通工具之外的结冰条件的系统，包括温度传感装置，所述温度传感装置构造为传感气流的温度并且引导与所述温度对应的第一信号；含水量传感装置，所述含水量传感装置构造为传感气流的含水量且引导与所述含水量对应的第二信号；和处理装置，所述处理装置与所述温度传感装置和所述含水量传感装置耦合且构造为接收所述第一信号和第二信号，并至少基于第一信号和第二信号，当至少在一起的第一信号和第二信号与至少初始结冰条件对应时，提供指示。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述温度传感装置、所述含水量传感装置和所述处理装置构造为安装到飞机上。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述温度传感装置和所述含水量传感装置定位在单个壳体内。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述处理装置构造为当温度传感装置探测到与处于水的局部冻结点或处于水的局部冻结点以下的静温对应的温度以及含水量传感装置探测到液态水时提供至少初始结冰条件的积极指示。
17.根据权利要求13所述的系统，其中所述温度传感装置和所述含水量传感装置构造为彼此远离地定位。
18.根据权利要求13所述的系统，其中所述含水量传感装置包括探针，所述探针具有当气流沿流动轴行进时面向气流定位的第一表面，所述探针进一步具有与第一表面相对的第二表面，且其中所述温度传感装置包括至少接近探针的第二表面定位的静气温传感器，且其中所述系统进一步包括壳体，所述壳体设置在含水量传感装置和温度传感装置周围，所述壳体具有定位成用于接收气流的孔，所述探针的孔和第一表面沿所述流动轴对齐。
19.一种用于探测交通工具之外的结冰条件的方法，包括接收与交通工具之外的气流的温度对应的第一信号；接收与所述气流的含水量对应的第二信号；基于至少第一信号和第二信号，当作为一起的至少所述第一信号和第二信号与至少初始结冰条件对应时，自动产生指示。
20.根据权利要求19所述的方法，其中接收第二信号包括从液态含水量传感器、总含水量传感器和冰晶传感器中的至少一个接收第二信号。
21.根据权利要求19所述的方法，其中接收第一信号，接收第二信号和自动产生要求的指示的处理在飞机上执行。
22.根据权利要求19所述的方法，其中接收第一信号和第二信号包括从位于单个壳体内的传感器接收第一信号和第二信号。
23.根据权利要求19所述的方法，进一步包括确定温度传感器探测到与处于水的局部冻结点或处于水的局部冻结点之下的静温对应的温度的时间；确定含水量传感器探测到液态水的时间；和仅当温度传感器探测到与处于水的局部冻结点或处于水的局部冻结点之下的静温对应的温度且含水量传感器探测到液态水时产生指示。
24.根据权利要求19所述的方法，其中接收第一信号包括从温度传感器接收第一信号，且其中接收第二信号包括从远离温度传感器定位的含水量传感器接收第二信号。
25.根据权利要求19所述的方法，其中接收第一信号包括与气流的总温度对应的第一信号，以及其中所述方法进一步包括至少部分地基于第一信号确定气流的静温。
26.根据权利要求19所述的方法，进一步包括接收与气流的压力对应的第三信号；和基于第一信号和第三信号，确定第一信号是否与处于水冻结的温度或处于水冻结的温度之下的温度对应。
全文摘要
本发明公开了用于探测交通工具(100)外部的结冰或初始结冰条件的方法和系统。根据本发明一个实施例的装置包括温度传感器(120)，所述温度传感器(120)构造为引导与气流的温度对应的第一信号；和含水量传感器(130)，所述含水量传感器(130)构造为引导与气流的含水量对应的第二信号。处理单元(140)能够接收第一信号和第二信号，且基于至少第一信号和第二信号，当至少第一信号和第二信号一起与至少初始结冰条件对应时，提供指示(150)。相应地，所述系统可以安装到飞机上以对机组人员提醒初始或者现有结冰条件。
文档编号G08B19/02GK1820289SQ03826928
公开日2006年8月16日 申请日期2003年8月20日 优先权日2003年8月20日
发明者唐纳德·E·库克, 迈克尔·P·费德尔 申请人:波音公司