民用飛機引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)控制理論研究

汪凌飛

【摘 要】基于共晶鹽探測器的引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)，探測范圍大、可靠性高、反應(yīng)時間快等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用到民用航空飛機上。本文研究了引氣泄漏過熱系統(tǒng)控制理論，從探測回路設(shè)計、探測回路電氣特性和探測區(qū)域控制邏輯三方面闡述了共晶鹽探測器在民用飛機上的應(yīng)用。

【關(guān)鍵字】民用飛機;共晶鹽探測器;引氣泄漏過熱探測系統(tǒng);控制理論

中圖分類號： V241;V228文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0032-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.015

Research on Control Theory of Bleed Air Overheat Detection System in Civil Aircraft

WANG Ling-fei

（Shanghai Aircraft Design And Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】The bleed air overheat detection system based on eutectic sensor，which has advantages of wide detection range， high reliability and fast response etc.， has been widely applied on civil aircraft. This paper studies a control theory of bleed air overheat detection system， from the system loop design， loop electrical characteristic and loop zone logic， to describe eutectic sensor application on civil aircraft.

【Key words】Civil aircraft; Eutectic sensor; Bleed air overheat detection system; Control theory

0 引言

飛機引氣管路屬于高溫壓力管道系統(tǒng)，在飛機運行過程中，環(huán)境惡劣、引氣管路受腐蝕、外力作用、絕緣層老化等因素的影響，會產(chǎn)生泄漏或者過熱問題。根據(jù)CCAR-25部適航條款25.1103（d）[1]：對于渦輪發(fā)動機和輔助動力裝置的引氣導(dǎo)管系統(tǒng)，如果空氣導(dǎo)管的引氣口與飛機的用氣裝置之間的任一部位上出現(xiàn)導(dǎo)管破損，不得造成危害。目前，民用飛機引氣泄漏過熱探測器系統(tǒng)廣泛采用具有探測范圍大、可靠性高、反應(yīng)時間快等優(yōu)點的共晶鹽過熱探測器[2]。本文研究了引氣泄漏過熱系統(tǒng)控制理論，從探測回路設(shè)計、探測回路電氣特性和探測區(qū)域控制邏輯三方面闡述了共晶鹽探測器在民用飛機上的應(yīng)用。

1 基于共晶鹽過熱探測器的引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)

共晶鹽探測器由金屬外殼、中心導(dǎo)線和填充在導(dǎo)線與外殼之間的共晶鹽層組成。共晶鹽探測器通常通過外殼接地，中心僅內(nèi)嵌一根導(dǎo)線，器結(jié)構(gòu)如圖1所示。探測器的金屬外殼通常為鎳625，中心導(dǎo)線也是鎳合金材料。中心導(dǎo)線具有在大溫度范圍內(nèi)保持恒定電阻的特性，反復(fù)暴露在高于共晶鹽的融合溫度之上的溫度時，其電阻基本不變。

中心導(dǎo)體與鎳外殼之間的共晶鹽化合物對溫度十分敏感，在常溫時為固態(tài)，中心導(dǎo)體與地之間的電阻值非常大（兆歐級）;當溫度上升至告警溫度時，共晶鹽層融化，中心導(dǎo)線與外殼間的電阻急劇減小，電路接通，控制器給出告警。由于共晶鹽探測器告警時的溫度值與探測器受熱長度無關(guān)，幾乎為固定值。因此共晶鹽探測器可以很好地應(yīng)用在引氣導(dǎo)管的局部泄漏探測上。通過分別測量共晶鹽探測器兩端回路的阻值之比，控制系統(tǒng)可以計算除高溫點的具體位置。準備告知維修人員引氣泄漏點的位置，節(jié)省排故時間[3]。

2 引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)控制架構(gòu)

引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)單個回路通常由若干個共晶鹽溫度傳感器、傳感器連接線纜和系統(tǒng)控制器三部分。每個溫度傳感器兩端自帶一定長度與飛機電氣線纜相同規(guī)格的導(dǎo)線，可實現(xiàn)與另一段傳感器直接串接或與飛機線纜串接，形成完成的探測回路?；芈返钠鹗级伺c結(jié)束端最后連接至控制器。其中，傳感器與線纜串接成回路的部分為內(nèi)部中心導(dǎo)線。如圖2所示為某型號飛機引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)回路架構(gòu)。

2.1 系統(tǒng)探測回路

飛機上引氣泄漏過熱探測區(qū)域根據(jù)引氣管路的布置、管路分區(qū)活門和探測關(guān)閥的需求進行劃分，可以有機翼防冰區(qū)域、APU引氣區(qū)域、發(fā)動機引氣區(qū)域和空調(diào)包引氣區(qū)域等。系統(tǒng)探測回路根據(jù)探測區(qū)域的定義進行設(shè)計，每個探測回路負責一個指定區(qū)域的引氣泄漏防護。

系統(tǒng)探測回路的狀態(tài)根據(jù)實際傳感器物理狀態(tài)可以劃分為可用（Enable）、過熱告警（Alarm）、短路（Short）、降級（Degraded）和開路（Open）五種狀態(tài)，其中前三種狀態(tài)是共晶鹽探測器芯線與周圍地（飛機地）之間的阻抗值，后兩者狀態(tài)是探測回路自身的阻抗值。

飛機上指定的探測區(qū)域，根據(jù)艙內(nèi)最高環(huán)境溫度和探測器安裝位置可確定最終的告警溫度，比如120℃、150℃、200℃等[4]，從而確定探測回路告警時的阻抗值。飛機系統(tǒng)探測回路可用（Enable）狀態(tài)的門限值設(shè)定為200～5000歐姆（±30%），過熱告警（Alarm）門限值設(shè)定在200～800歐姆（±30%），而短路（Short）的門限值設(shè)置為告警門限值的25%。對于特定的探測回路，其各狀態(tài)的阻抗值為固定值。如圖3所示為系統(tǒng)探測回路阻抗與時間的曲線。

當探測回路總阻抗從高于可用（Enable）門限值持續(xù)變小，小于等于告警（Alarm）門限值后報告過熱告警，繼續(xù)減小到小于等于短路（Short）門限值后將報告短路狀態(tài)。當回路阻抗從可用門限值以上減小至小于等于告警的門限值且不滿足短路的計時條件時需在2s內(nèi)報告回路的過熱狀態(tài)。

為避免芯線與地之間阻抗的變化導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)輸出反復(fù)切換，飛機探測系統(tǒng)設(shè)計了一個狀態(tài)切換的“滯后作用”。通過在短路和告警的基礎(chǔ)上，設(shè)定與Enable阻抗門限值相同的短路和告警重置的閾值。當回路總阻抗小于等于狀態(tài)重置門限值且此前處于過熱/短路狀態(tài)，回路狀態(tài)持續(xù)判定為過熱/短路狀態(tài)。即當回路阻抗變小觸發(fā)了過熱/短路后，雖然阻抗恢復(fù)變大超過了過熱/短路門限值，只要沒有大于狀態(tài)重置的門限值，依舊保持此前觸發(fā)的狀態(tài)。當阻抗超過Enable門限值時，已存在的回路過熱或短路狀態(tài)將終止。

通過受控的共晶鹽傳感器長度和飛機線纜阻抗，探測系統(tǒng)需具備在10s內(nèi)定位確認的過熱或短路事件的位置，精度要求是整個探測回路長度的±6%或者是1.5m規(guī)格的芯線阻值3.41Ω/m長度的±1.5%或者2.5m規(guī)格芯線阻值2.15Ω/m長度的±2%的最大值。

系統(tǒng)探測回路的降級（Degraded）和開路（Open）狀態(tài)識別，需設(shè)定一個基準判斷阻值。探測回路芯線阻值由芯線、連接線纜和飛機線纜三部分組成，當回路總阻值設(shè)計值小于60歐姆時，設(shè)定60歐姆作為系統(tǒng)降級或開路的基準。當芯線阻值超過定義值的130%（±13%）判斷為回路降級，當芯線阻值超過定義值的160%（±10%）判斷為回路開路。

2.2 系統(tǒng)探測回路電氣特性

民用飛機上應(yīng)用的共晶鹽過熱探測系統(tǒng)一般設(shè)計要求如下：

（1）使用小于15V電壓250（±5%）Hz頻率交流電監(jiān)控過熱位置和短路位置;

（2）使用小于15V電壓30（±5%）Hz頻率交流點監(jiān)控開路位置;

（3）系統(tǒng)控制器需具備隔離外部探測回路傳感器和內(nèi)部電路的能力

（4）系統(tǒng)初始啟動階段，系統(tǒng)需對每個探測回路上施加10mA潤濕電流激勵500ms，用于清理觸頭表面的塵垢和腐蝕以保持觸頭狀態(tài)良好。

2.3 系統(tǒng)探測區(qū)域邏輯

應(yīng)用于民用飛機上引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)均采用雙回路冗余設(shè)計架構(gòu)，即在其中一個探測回路出現(xiàn)故障的情況下，仍具備飛機泄漏和過熱告警能力。兩個回路的布置和設(shè)計要求完全相同。

每個探測區(qū)域在雙回路均沒有故障的情況下，使用回路“AND”邏輯進行告警，即雙回路需同時探測到過熱狀態(tài)才會觸發(fā)系統(tǒng)告警。一旦出現(xiàn)回路故障、控制器內(nèi)部通道故障或者內(nèi)部連接通話丟失，探測系統(tǒng)會從雙回路“AND”邏輯切換至單回路“OR”邏輯。因此可用得到引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)回路控制邏輯表。如表1所示。

3 總結(jié)

民用飛機引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)是飛機不可或缺的火災(zāi)防護系統(tǒng)，覆蓋了全機大部分區(qū)域。本文研究了基于共晶鹽探測器飛機引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)的組成架構(gòu)、系統(tǒng)探測回路狀態(tài)控制、電氣特性和區(qū)域控制邏輯等方面內(nèi)容，從實際飛機使用角度剖析了引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)的控制理論。

【參考文獻】

[1]中國民用航空局.CCAR-25-R4，中國民用航空規(guī)章：運輸類飛機適航標準[S].2011.

[2]陳鑫，郝魁紅，陳肖楠，薛倩.飛機共晶鹽過熱探測器電氣特性研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2016，（08）：1160-1166.

[3]韓琨.民用飛機感溫探測器發(fā)展綜述[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014，25（8）：9-13.

[4]陳彥偉，馬進濤.民用飛機引氣過熱探測告警溫度研究[J].科技視界，2015（27）：118-118.