專利名稱：探測結冰條件的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于例如在飛機飛行期間探測結冰條件的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
包括商用飛機，通用航空飛機，商業(yè)飛機和軍用飛機的許多現(xiàn)代飛機被設計為飛行通過所有類型的天氣。這種飛機遇到的一個潛在有害的天氣條件是飛行中結冰。當飛行通過結冰條件時，飛機遭遇過度冷的水滴的區(qū)域，所述水滴撞擊在重要的飛機表面(包括翼前邊緣，發(fā)動機入口和飛行控制表面)，然后凍結并且形成積冰。積冰可能抑止飛機性能和/或損害飛機(例如通過折斷和撞擊飛機部件)。
解決飛機結冰的一個措施是為飛機提供飛行中抗結冰或除冰設備?？梢耘c上述設備結合使用的另一措施是為飛機提供飛機上(on-board)冰探測系統(tǒng)。這種探測系統(tǒng)能夠(a)觸發(fā)抗結冰/除冰設備，并且(b)警告駕駛員存在結冰條件，從而飛行員能夠將在這種條件下消耗的時間最小化。一個典型冰探測系統(tǒng)是磁阻系統(tǒng)，該磁阻系統(tǒng)在冰堆積時探測冰。這種系統(tǒng)的一個潛在缺點是由于冰必須在結冰條件被探測到之前堆積，因此在啟動抗或除冰系統(tǒng)之前，或在飛出結冰環(huán)境之前飛機性能可能降低。這種降低盡管不會給飛機帶來安全問題，但是能夠降低飛機燃料的效率并且因此增強操作飛機的成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明總體上涉及一種用于探測在交通工具例如飛機的外部結冰或初始結冰條件的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明一個方面的系統(tǒng)包括溫度傳感器，所述溫度傳感器構造為引導與氣流的溫度對應的第一信號。所述系統(tǒng)進一步包括含水量(water content)傳感器，所述含水量傳感器構造為引導(direct)與氣流的含水量對應的第二信號。處理單元能夠與溫度傳感器和含水量傳感器耦合，以便接收第一和第二信號，并且基于至少第一和第二信號，當被聯(lián)系在一起的至少第一和第二信號與至少初始結冰條件相應時，提供指示。
在本發(fā)明的進一步特定的方面，含水量傳感器能夠包括液態(tài)含水量傳感器，總含水量傳感器，和冰晶傳感器至少一個。溫度傳感器、含水量傳感器和處理單元能夠被構造為安裝到飛機上，并且溫度傳感器和含水量傳感器能夠彼此遠離地定位或定位在單個殼體內。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的方法包括接收與交通工具外面的氣流溫度對應的第一信號，接收與氣流的含水量對應的第二信號，且基于至少第一和第二信號，當聯(lián)系在一起的至少第一和第二信號與至少初始結冰條件對應時，自動產生指示。在本發(fā)明的進一步特定的方面，所述方法能夠包括確定溫度傳感器探測到與在水的局部凍結點上或水的局部凍結點以下的靜溫對應的溫度的時間，確定含水量傳感器探測到液態(tài)水的時間，以及僅在溫度傳感器探測到與在水的局部凍結點上或水的局部凍結點以下的靜溫對應的溫度且含水量傳感器探測到液態(tài)水的時候產生指示。在本發(fā)明的再一方面，所述方法能夠包括接收與氣流壓力對應的第三信號并且基于第一和第三信號一起確定第一信號是否與處于水凍結的溫度上或處于水凍結溫度以下的溫度對應。


圖1是示出了具有根據(jù)本發(fā)明實施例構造的冰探測系統(tǒng)的飛機的局部示意等比例視圖；圖2是局部示意等比例視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例構造的冰探測系統(tǒng)的部件；圖3是流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于探測至少初始結冰條件的方法；圖4A-4B是流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于探測至少初始結冰條件的方法的方面；
圖5是局部示意截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有設置在同一位置的含水量傳感器和溫度傳感器的冰探測系統(tǒng)。
具體實施例方式
本公開描述了用于探測例如在航空飛機上的結冰或初始結冰條件的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的特定實施例的許多具體細節(jié)在下面的描述和圖1-5中提出，以便提供對這些實施例的徹底了解。然而，本領域的普通技術人員可以理解本發(fā)明可以具有附加的實施例，并且本發(fā)明可以在沒有下面描述的幾個細節(jié)而實施。
圖1是局部示意等比例視圖，示出了載有根據(jù)本發(fā)明實施例構造的冰探測系統(tǒng)10的飛機100。在本實施例的一個方面，飛機100包括機身104，懸掛在機身104上的機翼101，和尾翼103，所述尾翼103定位成提供穩(wěn)定性和有關飛機傾斜和偏航軸的控制。飛機100能夠進一步包括推進系統(tǒng)102，例如雙引擎布置，每個引擎定位在懸掛在相應機翼101上的吊艙式(podded)引擎機艙內。在其他實施例中，飛機100能夠具有其他通用布置。
在上述實施例中的任一個中，冰探測系統(tǒng)110能夠包括溫度傳感器120和含水量傳感器130，溫度傳感器120和含水量傳感器130中的每一個利用連接件160(示出為輸入連接件160a，160b)與處理單元140耦合。處理單元140能夠構造為從溫度傳感器120和含水量傳感器130接收數(shù)據(jù)，并且基于從上述傳感器接收的數(shù)據(jù)，確定什么時候在飛機100的外部環(huán)境中存在結冰或初始結冰條件。當存在這種條件時，處理單元140能夠自動產生指示信號，所述顯示信號通過輸出連接件160c傳輸?shù)街甘酒?50。在這個實施例的一個方面，指示器150能夠專門地將信息提供給飛機駕駛艙內的人員。在其他實施例中，這種信息能夠提供給地基設備和/或由飛機100承載的記錄設備。冰探測系統(tǒng)100的實施例的進一步的細節(jié)參考圖2-圖5B描述。
圖2是局部示意等比例視圖，示出了冰探測系統(tǒng)100的實施例。在這個實施例的一個方面中，溫度傳感器120和含水量傳感器130彼此遠程定位并且安裝到飛機100(其外表面部分示出在圖2中)。在參考圖5更詳細描述的另一個實施例中，溫度傳感器120和含水量傳感器130能夠共同定位在單個裝置中。在任一實施例中，溫度傳感器120和含水量傳感器130能夠可操作地與處理單元140耦合，以便提供處理單元140必需的信息，從而確定什么時候存在至少初始結冰條件。如此處所使用，術語至少初始結冰條件用于包括通常對冰形成有利的條件，和/或并在其下冰實際形成的條件。
在圖2所示實施例的一個方面中，溫度傳感器120能夠包括靜氣溫探針，所述靜氣溫探針直接測量飛機100外部氣流的靜溫。在另一個實施例中，溫度傳感器120能夠包括總溫度傳感器，如來自加利福尼亞的SpaceAge control of Palmmdale的模型300536 TAT傳感器。因為初始結冰條件的確定典型地基于靜氣溫，如果溫度傳感器120包括總氣溫探針，系統(tǒng)110能夠進一步包括壓力傳感器170，壓力傳感器170提供數(shù)據(jù)，處理單元140通過所述數(shù)據(jù)能夠確定基于總氣溫的靜氣溫。在這個實施例的一個方面，壓力傳感器170能夠包括典型地設置在飛機100上的皮托管靜(pitot-static)探針系統(tǒng)。在其他實施例中，壓力傳感器170能夠包括其他單獨的系統(tǒng)。在這些實施例的任一個中，壓力傳感器170能夠探測飛機100外面環(huán)境的總氣壓和靜氣壓，并且通過輸入連接件160d和160e將相應的信號傳遞到處理單元140?；谶@個信息，處理單元140能夠計算靜氣溫并且將這個信息與從含水量傳感器130接收的信息組合，以便確定初始結冰條件。在另一實施例中，單獨的裝置能夠從壓力數(shù)據(jù)計算靜氣溫。這種裝置可以從紐約的Insight Avionics of Buffalo得到。
在圖2所示實施例的一個方面，含水量傳感器130能夠包括液態(tài)含水量測量探針，例如可以從科羅拉多，Boulder的Particle Measuring System，Inc.得到的Johnson-Williams探針。這種探針能夠基于來自加熱的線的熱損耗確定通過它的氣流的液態(tài)含水量，所述加熱的線定位成被氣流內的水撞擊。在其他實施例中，含水量傳感器130可以具有其他布置。例如，含水量傳感器130能夠包括冰晶傳感能力和/或總水傳感能力，以便探測混合相或冰晶結冰條件。在這個實施例的特定方面，除了液態(tài)水傳感能力，可以提供冰晶傳感能力和/或總水傳感能力。在這些實施例的任一個中，含水量傳感器130能夠產生通過輸入連接件160a傳輸?shù)男盘枺鲂盘柲軌蛑甘九c飛機100相鄰通過的氣流是否包括水。
在上述實施例的任一個中，處理單元140能夠從溫度傳感器120，含水量傳感器130，(和可選地，壓力傳感器170)接收信息。處理單元140能夠包括飛機飛行數(shù)據(jù)系統(tǒng)的現(xiàn)有部分(例如，被編程以便執(zhí)行上述功能)，或單獨的單元，上述任一個都能夠通過輸出連接件160c提供至輸出指示器150的輸出信號。在一個實施例中，輸出指示器150能夠包括用于機組人員視覺可見的可視顯示器，從而機組人員能夠意識到初始結冰條件，并且能夠例如通過改變飛機的飛行路線和/或通過啟動抗結冰或除冰系統(tǒng)相應地作出反應。在其他實施例中，輸出指示器150能夠包括可聽見的報警，或能夠通過其他技術給機組人員提供通知。在這些實施例的任一個中，處理單元140能夠收集和處理數(shù)據(jù)，以便提供適當?shù)妮敵鲂盘?，如下面參考圖4-4B的更詳細描述。
圖3是流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例用于(例如通過處理單元140完成的)探測至少初始結冰條件的方法300。在這個實施例的一個方面，方法300能夠包括確定氣流的靜氣溫(處理部分302)和確定氣流的液體含水量(處理部分304)。所述方法300能夠進一步包括確定所述靜氣溫是否處于預先選擇的閾值或處于預先選擇的閾值之下(處理部分306)。在這個實施例的一個方面，預先選擇的閾值可以固定用于所有的飛行條件，且在其他實施例中，閾值能夠依賴于一定的飛行條件，例如飛機高度。在任一實施例中，如果靜氣溫不處于所述閾值上或處于閾值以下，所述方法包括不指示結冰條件(處理部分308)。如果靜氣溫處于閾值上或處于閾值以下，方法300進行到處理部分310。
在處理部分310，方法300包括確定液體含水量是否處于閾值或處于閾值之上。在這個實施例的特定方面，閾值可以為非零，從而系統(tǒng)不提供用于所探測到的液態(tài)含水量的不連貫量的積極指示。如果液態(tài)含水量不處于閾值上或處于閾值之上，方法300包括不指示結冰條件(處理部分308)。如果液態(tài)含水量處于閾值或處于閾值之上，那么方法300能夠包括指示至少初始結冰條件(處理部分312)。
圖4A-4B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的處理部分302和306的進一步細節(jié)。首先參考圖4A，處理部分302(其包括確定氣流的靜氣溫)能夠包括首先從例如總氣溫探針接收與總氣溫對應的信號。所述方法能夠進一步包括從例如壓力傳感器170(上面參考圖2所述)接收與總氣壓(處理部分404)和靜氣壓(處理部分406)對應的信號。在處理部分408，靜氣溫被例如使用可容易獲得的技術基于總氣溫和靜氣壓與總氣壓的比率計算。在其他實施例中，靜氣溫能夠根據(jù)其他方法計算。例如，靜氣溫能夠基于接收到的總氣壓信號(處理部分402)和飛機速度和高度的指示而被計算，其可以依次以上述來自總氣壓和靜氣壓信號的計算為基礎。在這些實施例中的任一個中，處理部分302能夠包括確定直接來自于靜氣溫傳感器的氣流的靜氣溫，或者直接經由對從總氣溫傳感器接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行的計算確定氣流的靜氣溫。
現(xiàn)在參考圖4B，處理部分306(其包括驅動靜氣溫是否處于閾值上或處于閾值之下)能夠包括接收靜氣溫值(處理部分420)和接收與總氣壓(處理部分422)和靜氣壓(處理部分424)對應的信號。所述方法能夠進一步包括計算飛機飛行的壓力—高度(處理部分426)?；诳倸鈮汉挽o氣壓，所述方法能夠進一步包括基于壓力高度計算局部凍結點(處理部分428)。在處理部分430，所述方法能夠包括將局部凍結點與靜氣溫相比較，以便確定靜氣溫值是否處于局部凍結點或處于局部凍結點之下。如果是，那么所述方法包括確定液態(tài)含水量是否處于所述閾值或處于所述閾值之下(處理部分310，上面參考圖3的討論)。如果不是，那么所述方法包括不指示初始結冰條件(處理部分308，圖3)。
在上述實施例的任一個中，上述方法能夠通過合適的計算系統(tǒng)完成，包括飛機飛行數(shù)據(jù)系統(tǒng)或單獨的系統(tǒng)。用于完成上述處理的程序可以在硬件，軟件或其他計算機可讀介質內編碼。在這些實施例的任一個中，上述處理的部分或全部能夠自動完成。這個布置的優(yōu)點是能夠降低機組人員的工作量并且提高系統(tǒng)可重復性和可靠性。
在參考圖2的上述實施例的一個方面中，冰探測系統(tǒng)110包括與含水量傳感器130遠程定位的溫度傳感器120。在另一實施例中，如圖5所示，冰探測系統(tǒng)510能夠包括共同定位(Co-located)在單個殼體511內的溫度傳感器520和含水量傳感器530。在這個實施例的一個方面，殼體511能夠包括基部514，從基部514延伸出的支架515，和由支架515承載的流動通道512。流動通道512能夠包括入口516和沿流動軸線513位于入口516下游且與入口516對齊的出口517。流動通道512能夠攜帶延伸到由流動通道512捕獲的氣流內的探針桿531。探針桿531能夠支撐加熱線532，所述加熱線532定位成撞擊包含在捕獲的氣流內的水(例如液態(tài)水)。在這個實施例的特定方面，溫度傳感器520能夠定位在探針桿531的背風表面(lee surface)上，以便不直接暴露于捕獲的氣流內的水。相應地，溫度傳感器520能夠測量實際的總或靜溫而不受捕獲的氣流內的任何水的影響。探測器510能夠可選地包括預處理器541(例如以調節(jié)從加熱線532和溫度傳感器520接收的信號)并且能夠通過輸出連接件560a和560b將輸出信號提供給處理單元(諸如上述處理單元140)。
上述系統(tǒng)的至少幾個實施例的一個特征是它們能夠基于與溫度和含水量對應的信號自動地確定指示初始結冰條件。如上所述，這個布置能夠減少機組人員的工作量并且提高系統(tǒng)性能。上述系統(tǒng)的至少幾個實施例的另一特征是它們能夠探測對冰形成有利的條件且不首先要求形成顯著的冰的集結。結果，機組人員能夠快速地例如通過改變航行路線和/或啟動冰防止系統(tǒng)響應結冰條件的出現(xiàn)。
從上述可知，這里描述的本發(fā)明的特定實施例用于說明，但是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進行多種修改。相應地，本發(fā)明不限于上述實施例而是由權利要求限定。
權利要求
1.一種用于探測交通工具之外的結冰條件的系統(tǒng)，包括溫度傳感器，所述溫度傳感器構造為引導與氣流的溫度對應的第一信號；含水量傳感器，所述含水量傳感器構造為引導與氣流的含水量對應的第二信號；和處理單元，所述處理單元與所述溫度傳感器和所述含水量傳感器耦合以便接收所述第一信號和第二信號，且基于至少第一信號和第二信號，當至少一起的第一信號和第二信號與至少初始結冰條件對應時，提供指示。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述含水量傳感器包括液體含水量傳感器、總含水量傳感器和冰晶傳感器至少一個。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器、所述含水量傳感器和所述處理單元構造為安裝到飛機上。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器和所述含水量傳感器定位在單個殼體內。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述含水量傳感器包括加熱線，所述加熱線定位成被包含在所述氣流內的水撞擊。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元構造為當所述溫度傳感器探測到與處于水的局部凍結點或處于水的局部凍結點之下的靜溫對應的溫度，以及含水量傳感器探測到液態(tài)水時提供至少初始結冰條件的積極指示。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器和所述含水量傳感器彼此遠離地定位。
8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器構造為探測氣流的總溫度。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器構造為探測氣流的總溫度，且其中所述處理單元構造為至少部分地基于第一信號確定氣流的靜溫。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述含水量傳感器包括探針，所述探針具有被定位以當氣流沿流動軸行進時朝向氣流的第一表面，所述探針進一步具有與第一表面相對的第二表面，且其中所述溫度傳感器包括至少接近探針的第二表面定位的靜氣溫傳感器，且其中所述系統(tǒng)進一步包括殼體，所述殼體設置在含水量傳感器和溫度傳感器周圍，所述殼體具有定位成用于接收氣流的孔，所述探針的孔和第一表面沿所述流動軸線對齊。
11.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元可操作地與壓力傳感器可耦合，以便接收與氣流的壓力對應的第三信號，且其中處理單元構造為基于第一信號、第二信號和第三信號提供所述指示。
12.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括具有機身部分、機翼部分、尾翼部分和推進系統(tǒng)的飛機，且其中溫度傳感器、含水量傳感器和處理單元的每一個由所述機身部分、機翼部分、尾翼部分和推進系統(tǒng)中的至少一個所承載。
13.一種用于探測交通工具之外的結冰條件的系統(tǒng)，包括溫度傳感裝置，所述溫度傳感裝置構造為傳感氣流的溫度并且引導與所述溫度對應的第一信號；含水量傳感裝置，所述含水量傳感裝置構造為傳感氣流的含水量且引導與所述含水量對應的第二信號；和處理裝置，所述處理裝置與所述溫度傳感裝置和所述含水量傳感裝置耦合且構造為接收所述第一信號和第二信號，并至少基于第一信號和第二信號，當至少在一起的第一信號和第二信號與至少初始結冰條件對應時，提供指示。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感裝置、所述含水量傳感裝置和所述處理裝置構造為安裝到飛機上。
15.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感裝置和所述含水量傳感裝置定位在單個殼體內。
16.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述處理裝置構造為當溫度傳感裝置探測到與處于水的局部凍結點或處于水的局部凍結點以下的靜溫對應的溫度以及含水量傳感裝置探測到液態(tài)水時提供至少初始結冰條件的積極指示。
17.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感裝置和所述含水量傳感裝置構造為彼此遠離地定位。
18.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述含水量傳感裝置包括探針，所述探針具有當氣流沿流動軸行進時面向氣流定位的第一表面，所述探針進一步具有與第一表面相對的第二表面，且其中所述溫度傳感裝置包括至少接近探針的第二表面定位的靜氣溫傳感器，且其中所述系統(tǒng)進一步包括殼體，所述殼體設置在含水量傳感裝置和溫度傳感裝置周圍，所述殼體具有定位成用于接收氣流的孔，所述探針的孔和第一表面沿所述流動軸對齊。
19.一種用于探測交通工具之外的結冰條件的方法，包括接收與交通工具之外的氣流的溫度對應的第一信號；接收與所述氣流的含水量對應的第二信號；基于至少第一信號和第二信號，當作為一起的至少所述第一信號和第二信號與至少初始結冰條件對應時，自動產生指示。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中接收第二信號包括從液態(tài)含水量傳感器、總含水量傳感器和冰晶傳感器中的至少一個接收第二信號。
21.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中接收第一信號，接收第二信號和自動產生要求的指示的處理在飛機上執(zhí)行。
22.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中接收第一信號和第二信號包括從位于單個殼體內的傳感器接收第一信號和第二信號。
23.根據(jù)權利要求19所述的方法，進一步包括確定溫度傳感器探測到與處于水的局部凍結點或處于水的局部凍結點之下的靜溫對應的溫度的時間；確定含水量傳感器探測到液態(tài)水的時間；和僅當溫度傳感器探測到與處于水的局部凍結點或處于水的局部凍結點之下的靜溫對應的溫度且含水量傳感器探測到液態(tài)水時產生指示。
24.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中接收第一信號包括從溫度傳感器接收第一信號，且其中接收第二信號包括從遠離溫度傳感器定位的含水量傳感器接收第二信號。
25.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中接收第一信號包括與氣流的總溫度對應的第一信號，以及其中所述方法進一步包括至少部分地基于第一信號確定氣流的靜溫。
26.根據(jù)權利要求19所述的方法，進一步包括接收與氣流的壓力對應的第三信號；和基于第一信號和第三信號，確定第一信號是否與處于水凍結的溫度或處于水凍結的溫度之下的溫度對應。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于探測交通工具(100)外部的結冰或初始結冰條件的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明一個實施例的裝置包括溫度傳感器(120)，所述溫度傳感器(120)構造為引導與氣流的溫度對應的第一信號；和含水量傳感器(130)，所述含水量傳感器(130)構造為引導與氣流的含水量對應的第二信號。處理單元(140)能夠接收第一信號和第二信號，且基于至少第一信號和第二信號，當至少第一信號和第二信號一起與至少初始結冰條件對應時，提供指示(150)。相應地，所述系統(tǒng)可以安裝到飛機上以對機組人員提醒初始或者現(xiàn)有結冰條件。
文檔編號G08B19/02GK1820289SQ03826928
公開日2006年8月16日 申請日期2003年8月20日 優(yōu)先權日2003年8月20日
發(fā)明者唐納德·E·庫克, 邁克爾·P·費德爾 申請人:波音公司