民用飞机引气泄漏过热探测系统控制理论研究

2019-07-23汪凌飞

科技视界 2019年15期

汪凌飞

【摘要】基于共晶盐探测器的引气泄漏过热探测系统，探测范围大、可靠性高、反应时间快等优点，已广泛应用到民用航空飞机上。本文研究了引气泄漏过热系统控制理论，从探测回路设计、探测回路电气特性和探测区域控制逻辑三方面阐述了共晶盐探测器在民用飞机上的应用。

【关键字】民用飞机;共晶盐探测器;引气泄漏过热探测系统;控制理论

中图分类号： V241;V228文献标识码： A文章编号： 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

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、绝缘层老化等因素的影响，会产生泄漏或者过热问题。根据CCAR-25部适航条款25.1103（d）[1]：对于涡轮发动机和辅助动力装置的引气导管系统，如果空气导管的引气口与飞机的用气装置之间的任一部位上出现导管破损，不得造成危害。目前，民用飞机引气泄漏过热探测器系统广泛采用具有探测范围大、可靠性高、反应时间快等优点的共晶盐过热探测器[2]。本文研究了引气泄漏过热系统控制理论，从探测回路设计、探测回路电气特性和探测区域控制逻辑三方面阐述了共晶盐探测器在民用飞机上的应用。

1 基于共晶盐过热探测器的引气泄漏过热探测系统

共晶盐探测器由金属外壳、中心导线和填充在导线与外壳之间的共晶盐层组成。共晶盐探测器通常通过外壳接地，中心仅内嵌一根导线，器结构如图1所示。探测器的金属外壳通常为镍625，中心导线也是镍合金材料。中心导线具有在大温度范围内保持恒定电阻的特性，反复暴露在高于共晶盐的融合温度之上的温度时，其电阻基本不变。

中心导体与镍外壳之间的共晶盐化合物对温度十分敏感，在常温时为固态，中心导体与地之间的电阻值非常大（兆欧级）;当温度上升至告警温度时，共晶盐层融化，中心导线与外壳间的电阻急剧减小，电路接通，控制器给出告警。由于共晶盐探测器告警时的温度值与探测器受热长度无關，几乎为固定值。因此共晶盐探测器可以很好地应用在引气导管的局部泄漏探测上。通过分别测量共晶盐探测器两端回路的阻值之比，控制系统可以计算除高温点的具体位置。准备告知维修人员引气泄漏点的位置，节省排故时间[3]。

2 引气泄漏过热探测系统控制架构

引气泄漏过热探测系统单个回路通常由若干个共晶盐温度传感器、传感器连接线缆和系统控制器三部分。每个温度传感器两端自带一定长度与飞机电气线缆相同规格的导线，可实现与另一段传感器直接串接或与飞机线缆串接，形成完成的探测回路。回路的起始端与结束端最后连接至控制器。其中，传感器与线缆串接成回路的部分为内部中心导线。如图2所示为某型号飞机引气泄漏过热探测系统回路架构。

2.1 系统探测回路

飞机上引气泄漏过热探测区域根据引气管路的布置、管路分区活门和探测关阀的需求进行划分，可以有机翼防冰区域、APU引气区域、发动机引气区域和空调包引气区域等。系统探测回路根据探测区域的定义进行设计，每个探测回路负责一个指定区域的引气泄漏防护。

系统探测回路的状态根据实际传感器物理状态可以划分为可用（Enable）、过热告警（Alarm）、短路（Short）、降级（Degraded）和开路（Open）五种状态，其中前三种状态是共晶盐探测器芯线与周围地（飞机地）之间的阻抗值，后两者状态是探测回路自身的阻抗值。

飞机上指定的探测区域，根据舱内最高环境温度和探测器安装位置可确定最终的告警温度，比如120℃、150℃、200℃等[4]，从而确定探测回路告警时的阻抗值。飞机系统探测回路可用（Enable）状态的门限值设定为200～5000欧姆（±30%），过热告警（Alarm）门限值设定在200～800欧姆（±30%），而短路（Short）的门限值设置为告警门限值的25%。对于特定的探测回路，其各状态的阻抗值为固定值。如图3所示为系统探测回路阻抗与时间的曲线。

当探测回路总阻抗从高于可用（Enable）门限值持续变小，小于等于告警（Alarm）门限值后报告过热告警，继续减小到小于等于短路（Short）门限值后将报告短路状态。当回路阻抗从可用门限值以上减小至小于等于告警的门限值且不满足短路的计时条件时需在2s内报告回路的过热状态。

为避免芯线与地之间阻抗的变化导致系统状态输出反复切换，飞机探测系统设计了一个状态切换的“滞后作用”。通过在短路和告警的基础上，设定与Enable阻抗门限值相同的短路和告警重置的阈值。当回路总阻抗小于等于状态重置门限值且此前处于过热/短路状态，回路状态持续判定为过热/短路状态。即当回路阻抗变小触发了过热/短路后，虽然阻抗恢复变大超过了过热/短路门限值，只要没有大于状态重置的门限值，依旧保持此前触发的状态。当阻抗超过Enable门限值时，已存在的回路过热或短路状态将终止。

通过受控的共晶盐传感器长度和飞机线缆阻抗，探测系统需具备在10s内定位确认的过热或短路事件的位置，精度要求是整个探测回路长度的±6%或者是1.5m规格的芯线阻值3.41Ω/m长度的±1.5%或者2.5m规格芯线阻值2.15Ω/m长度的±2%的最大值。

系统探测回路的降级（Degraded）和开路（Open）状态识别，需设定一个基准判断阻值。探测回路芯线阻值由芯线、连接线缆和飞机线缆三部分组成，当回路总阻值设计值小于60欧姆时，设定60欧姆作为系统降级或开路的基准。当芯线阻值超过定义值的130%（±13%）判断为回路降级，当芯线阻值超过定义值的160%（±10%）判断为回路开路。

2.2 系统探测回路电气特性

民用飞机上应用的共晶盐过热探测系统一般设计要求如下：

（1）使用小于15V电压250（±5%）Hz频率交流电监控过热位置和短路位置;

（2）使用小于15V电压30（±5%）Hz频率交流点监控开路位置;

（3）系统控制器需具备隔离外部探测回路传感器和内部电路的能力

（4）系统初始启动阶段，系统需对每个探测回路上施加10mA润湿电流激励500ms，用于清理触头表面的尘垢和腐蚀以保持触头状态良好。

2.3 系统探测区域逻辑

应用于民用飞机上引气泄漏过热探测系统均采用双回路冗余设计架构，即在其中一个探测回路出现故障的情况下，仍具备飞机泄漏和过热告警能力。两个回路的布置和设计要求完全相同。

每个探测区域在双回路均没有故障的情况下，使用回路“AND”逻辑进行告警，即双回路需同时探测到过热状态才会触发系统告警。一旦出现回路故障、控制器内部通道故障或者内部连接通话丢失，探测系统会从双回路“AND”逻辑切换至单回路“OR”逻辑。因此可用得到引气泄漏过热探测系统回路控制逻辑表。如表1所示。

3 总结

民用飞机引气泄漏过热探测系统是飞机不可或缺的火灾防护系统，覆盖了全机大部分区域。本文研究了基于共晶盐探测器飞机引气泄漏过热探测系统的组成架构、系统探测回路状态控制、电气特性和区域控制逻辑等方面内容，从实际飞机使用角度剖析了引气泄漏过热探测系统的控制理论。

【参考文献】