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飞机共晶盐过热探测器电气特性探究

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《电子测量与仪器学报》2016年第8期

摘要:

为了准确把握飞机共晶盐过热探测器的电气性能和等效电路模型,分析了共晶盐及其电特性和共晶盐探测器的基本结构,采用安捷伦E4980A精密LCR表测量了新探测器、性能已失效和未失效探测器在不同频率、电压和温度下的电学特性。结果显示高于400Hz的测试频率才能较好反映探测器的特性;未失效的探测器在低于共晶温度时具有高阻抗低电容的特点,电路等效为并联电容模型,Cp≈200PF/m;在高于共晶温度时具有低阻抗高电容的特点,电路等效为并联电阻电容模型,Cp>1μF/m,R≤100Ω。共晶盐探测器的参数测量和模型建立为飞机引气泄露探测和定位研究提供了理论依据。

关键词:

飞机引气泄漏;共晶盐过热探测器;电气特性;探测与定位;等效电路模型

1引言

飞机引气管路属于高温压力管道系统,在飞机运行过程中,环境恶劣,引气管路受腐蚀、外力作用、绝热层老化等因素的影响,会产生泄漏或者过热问题。这不仅会直接影响引气系统的能量、流量等参数的调节,同时也会对导管周围区域的结构、设备等带来安全隐患在管道故障检测方面,国内外诸多学者取得了许多较为显著的研究成果,并在工程实践中得到了一定程度的应用[2-6]。热红外辐射技术[7]、瞬态压力波法[8]、示踪剂法[9]和声学检漏技术[10-11]被应用到管网泄漏探测和定位探测。这些探测方法主要是基于管内输送介质的特性(温度、压力、声传播)而设计,然而这些方法对检测设备和安装条件要求高,且均不能实现全线分布式定位探测。目前,飞机引气泄漏探测系统广泛采用共晶盐过热探测器[12],优点是探测范围大,连接线缆少,重量轻。虽然共晶盐过热探测器在引气泄漏检测上具有较高可靠性,较快的反应时间等优秀性能,但在引气泄漏的定位上准确性不高。一直以来,国内外对共晶盐的研究始终处在晶体状态[13]和蓄冷特性[14-15]方面,而电学特性方面研究非常少。因此,由其构成的传感器及传感器应用的特性难以准确把握。为了更好对飞机引气泄漏位置进行探测和定位研究,有必要深入研究共晶盐过热探测器的电气特性。本文在介绍共晶盐及其电特性和共晶盐探测器的基本结构后,采用安捷伦E4980A精密LCR表测量了不同频率、电压和温度下的共晶盐探测器的电学特性。结合探测器结构特征和实测数据进行了参数分析并建立相应电气参数模型,为共晶盐过热探测器的实际应用和飞机引气管路泄漏的探测和定位提供了较好的理论依据。

2共晶盐及过热探测器

2.1共晶盐及其电特性

盐是指一类金属离子或铵根离子(NH4+)与酸根离子或非金属离子结合的化合物。图1为盐溶液的二元共晶相图,在盐溶液形成共晶系统的过程中,随着温度的降低,二元系统的溶液逐渐减少,冰晶颗粒逐渐增多,最后,在降到共晶点温度TfE时,整个系统已不再是盐溶液而变成了固态的水合盐,即变成了固态的共晶盐状态。可溶性盐的溶液中因为有可自由游动的离子,故有导电性,可作为电解质。随温度下降,在盐溶液在冻结过程中,冰晶逐渐增多,能移动的带电离子逐渐减少,阻抗也就越来越大。当温度降至某一值时,溶液全部冻结,带电离子即停止定向移动,阻抗突然增大,此温度即盐溶液的共晶温度。固态盐在升温过程中,其阻抗突然减小时的温度为共熔温度。一般盐的共晶点和共熔点为同一值。共晶点也即为共晶盐过热探测器阻抗突变的临界点。共晶态下的盐具有较强的绝缘性,但是温度一旦超过它的共晶温度,导电性急剧上升,呈现低阻抗特性。共晶盐过热探测器正是利用共晶盐此特性敏感飞机引气管路泄漏状况的。

2.2共晶盐过热探测器

共晶盐过热探测器采用一根固体镍导线镶嵌在因康镍合金管中,两者之间填充多孔氧化铝陶瓷圈,陶瓷圈浸低熔点共晶盐,结构如图2所示。镍合金外壳接地,内芯与控制系统相连。当环境温度达到报警温度时,芯体阻抗值突然下降使得内导线和外壳接通,控制单元发出相应的告警信号。目前,飞机引气泄漏采用共晶盐过热探测器作为敏感元件,探测传感元件采用双环路平行安装,沿飞机热空气管道布置,安装在发动机、辅助动力装置、后设备舱、机身、机翼等处。图3所示为飞机引气泄漏探测典型结构示意图。单个探测单元可达4.55m,探测器单元串联为探测环路,其长度可达120m,沿引气管路分布监测。由于引气管路不同位置的气体温度不同,分布式线状火警探测环路不同位置的报警温度也就不同。引气管路任一点发生引气泄漏,探测点温度超过相对应的共晶盐传感单元内低熔点共晶盐的报警点,则触发控制单元内的继电器动作,进而发出警报。探测元件可工作在复杂的环境中,具有较强的抗腐蚀和抗湿性,并且对离散过热监测点的探测回路仅需要一个控制单元就可以完成连续的报警监控任务。探测元件具有重复使用的特点,当温度回落到报警温度以下时,元件又恢复到原状态继续监测对应管路的温度状况。

3飞机共晶盐过热探测器电学特性分析

图4为器件手册给出的NG124飞机共晶盐过热探测器的温度-电阻、电容变化曲线,此电阻表示的是传感器芯壳间阻抗。温度较低时,芯壳之间电容较小,阻抗很大。在温度上升穿越共晶点时,阻抗急剧下降,电容急剧上升,128℃左右时,阻抗值小于15Ω,电容大于10μF。结合共晶盐传感器结构,器件手册给出以下两种独立电参数的等效模型,图5为电容参数等效模型,图6为阻抗参数等效模型。1)并联电容等效模型在温度低于共晶点时,芯壳间电容很小,约为0.5pF/m。当温度高于共晶点温度时,芯壳之间的电容增大约40倍,为20pF/m左右。2)并联阻抗等效模型并联阻抗等效模型中,一部分是金属壳及芯线的阻抗,在20℃线阻抗为2.15±0.05Ω/m,泄漏点两侧长度分别为L1和L2,对应的阻抗值分别为RL1和RL2:另一部分是芯壳之间的阻抗RI,为共晶盐电阻率Ri与长度Li的比值,即RI=Ri/Li。

4实际测试及分析

采用Keysight公司的E4980A精密LCR表,对新传感器、损坏的传感器等多个不同性能的共晶盐传感器进行测试分析。

4.1新传感器35658-4-255特性

35658-4-255共晶盐传感器,长度4.0m,直径2.2mm,温度阈值124℃,在1V、1kHz的激励下,测试结果如表1所示。由表1可看出,共晶盐传感器在常温下具有200kΩ左右的高阻抗特点,并联等效电容为800pF,阻抗角接近-90°。

4.2损坏的共晶盐过热探测器特性

损坏的共晶盐传感器35574-2-310,长度1.9m,温度阈值154℃,直径2.2mm。在电压为1V,频率逐渐由20增加至10000Hz过程中,其不同电参数测试结果如表2和图7所示。从表2和图7可知,在电压为1V,频率逐渐由20Hz上升到10kHz的过程中,阻抗始终为1.75kΩ左右,阻抗角在-1°左右。与新传感器比较,共晶盐传感器的阻抗和阻抗角变化较大,电容值在660pF左右与标准传感器也有一定差异。由于传感器中共晶盐的晶体状态或成分发生变异,使得共晶盐的电阻率大幅降低,共晶盐传感器失效。

4.3有一定使用时间,但性能正常的探测器测试

针对共晶盐传感器35574-4-255(1.9m,124℃,直径2mm)进行测试。表3和表4分别为常温下,电压为1V,频率由20Hz到1kHz,以及在频率为1kHz,电压由0.3到1V的测试数据。由表3和4可看出,共晶盐传感器在低频率时,阻抗变化较大,在激励频率较低时,离子导电可能存在电极拥堵现象。而当频率大于400Hz后,其阻抗值基本稳定,说明共晶盐传感器离子导电的特性。从表4可看出共晶盐传感器的对电压的敏感性并不强。在1V、1kHz激励下对传感器进行了加热测试,温度从23℃增大到250℃的过程中记录了阻抗Z,电容Cp,阻抗角θd和电阻R的值。测试结果列在表5中,图8和9分别对Z、Cp、θd和R关于温度T进行了曲线拟合。从图8和9可以看出,传感器的温度报警点与手册有些差别,传感器在温度在160℃左右时,电阻才有明显的下降,比原有温度报警点约高30℃。对比图8和4,实测的特性与手册给出的特性还是有较大区别。当温度超限后,虽然电阻阻值下降明显,但是,电容值有更大的变化,电容值由0.4nF迅速增大到μF数量级;同时,电阻值随温度的变化在共晶点温度变化剧烈,而不是随温度增高逐渐下降。由阻抗角也可看出,在随着温度超过共晶点温度后进一步升高时,电容特性与电阻特性变化有所不同,电容值进一步增大,而电阻阻值的下降已经不是很明显。在温度超限后,随着共晶态的改变,电容特性影响更为明显,从这一点来说,传感器的特性更类似于电容/温度传感器。结合以上测试分析,在温度门槛以下时,由于电阻阻值高达数十兆欧甚至数百兆欧,因此,简化等效模型如图10所示,当温度超过共晶点以上时,等效模型如图11所示。

5结论

本文介绍了飞机引气泄漏的背景,说明了飞机引气泄漏过热探测的基本情况。共晶盐过热探测器是现阶段飞机引气管路泄漏探测的重要手段之一,经过不同测试分析,作出了如下的基本结论。

1)共晶盐传感器在报警温度时其电特性明显变化,温度超过共晶点温度时,电容参数随温度进一步升高变化很大,而电阻阻值下降为几十欧姆后相对变化不大。

2)共晶盐过热探测器可以简化为两种比较合适的参数模型,由模型参数随温度、激励电压、激励频率变化分析,在传感器在线监测时,用400Hz以上交流激励能保证可靠工作;在出现报警时,若想判断出温度超限较为准确的位置,结合新建模型,可以采用电流比的方法来测试分析。或者采用阶跃脉冲激励,根据过渡过程参数判断。

3)对于失效传感器,由于本文分析的失效传感器其电阻阻值为2kΩ左右,相比芯线和外壳阻抗值较大,阻抗角近似为零。因此,无论改变激励频率,还是改变激励电压,都不易进行在线判断,现场排故运用二分法找出失效传感器仍然是较为有效的办法,或者采用高频脉冲激励进行判断。更快速和简便的判断失效传感器位置的检测方法还需要进一步研究。

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作者:陈鑫 郝魁红 陈肖楠 薛倩 单位:中国民航大学电子信息与自动化学院

电子测量与仪器学报责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次