飛機共晶鹽過熱探測器電氣特性探究范文

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《電子測量與儀器學報》2016年第8期

摘要:

為了準確把握飛機共晶鹽過熱探測器的電氣性能和等效電路模型，分析了共晶鹽及其電特性和共晶鹽探測器的基本結構，采用安捷倫E4980A精密LCR表測量了新探測器、性能已失效和未失效探測器在不同頻率、電壓和溫度下的電學特性。結果顯示高于400Hz的測試頻率才能較好反映探測器的特性;未失效的探測器在低于共晶溫度時具有高阻抗低電容的特點，電路等效為并聯電容模型，Cp≈200PF/m;在高于共晶溫度時具有低阻抗高電容的特點，電路等效為并聯電阻電容模型，Cp＞1μF/m，R≤100Ω。共晶鹽探測器的參數測量和模型建立為飛機引氣泄露探測和定位研究提供了理論依據。

關鍵詞:

飛機引氣泄漏;共晶鹽過熱探測器;電氣特性;探測與定位;等效電路模型

1引言

飛機引氣管路屬于高溫壓力管道系統，在飛機運行過程中，環境惡劣，引氣管路受腐蝕、外力作用、絕熱層老化等因素的影響，會產生泄漏或者過熱問題。這不僅會直接影響引氣系統的能量、流量等參數的調節，同時也會對導管周圍區域的結構、設備等帶來安全隱患在管道故障檢測方面，國內外諸多學者取得了許多較為顯著的研究成果，并在工程實踐中得到了一定程度的應用［2-6］。熱紅外輻射技術［7］、瞬態壓力波法［8］、示蹤劑法［9］和聲學檢漏技術［10-11］被應用到管網泄漏探測和定位探測。這些探測方法主要是基于管內輸送介質的特性(溫度、壓力、聲傳播)而設計，然而這些方法對檢測設備和安裝條件要求高，且均不能實現全線分布式定位探測。目前，飛機引氣泄漏探測系統廣泛采用共晶鹽過熱探測器［12］，優點是探測范圍大，連接線纜少，重量輕。雖然共晶鹽過熱探測器在引氣泄漏檢測上具有較高可靠性，較快的反應時間等優秀性能，但在引氣泄漏的定位上準確性不高。一直以來，國內外對共晶鹽的研究始終處在晶體狀態［13］和蓄冷特性［14-15］方面，而電學特性方面研究非常少。因此，由其構成的傳感器及傳感器應用的特性難以準確把握。為了更好對飛機引氣泄漏位置進行探測和定位研究，有必要深入研究共晶鹽過熱探測器的電氣特性。本文在介紹共晶鹽及其電特性和共晶鹽探測器的基本結構后，采用安捷倫E4980A精密LCR表測量了不同頻率、電壓和溫度下的共晶鹽探測器的電學特性。結合探測器結構特征和實測數據進行了參數分析并建立相應電氣參數模型，為共晶鹽過熱探測器的實際應用和飛機引氣管路泄漏的探測和定位提供了較好的理論依據。

2共晶鹽及過熱探測器

2．1共晶鹽及其電特性

鹽是指一類金屬離子或銨根離子(NH4+)與酸根離子或非金屬離子結合的化合物。圖1為鹽溶液的二元共晶相圖，在鹽溶液形成共晶系統的過程中，隨著溫度的降低，二元系統的溶液逐漸減少，冰晶顆粒逐漸增多，最后，在降到共晶點溫度TfE時，整個系統已不再是鹽溶液而變成了固態的水合鹽，即變成了固態的共晶鹽狀態。可溶性鹽的溶液中因為有可自由游動的離子，故有導電性，可作為電解質。隨溫度下降，在鹽溶液在凍結過程中，冰晶逐漸增多，能移動的帶電離子逐漸減少，阻抗也就越來越大。當溫度降至某一值時，溶液全部凍結，帶電離子即停止定向移動，阻抗突然增大，此溫度即鹽溶液的共晶溫度。固態鹽在升溫過程中，其阻抗突然減小時的溫度為共熔溫度。一般鹽的共晶點和共熔點為同一值。共晶點也即為共晶鹽過熱探測器阻抗突變的臨界點。共晶態下的鹽具有較強的絕緣性，但是溫度一旦超過它的共晶溫度，導電性急劇上升，呈現低阻抗特性。共晶鹽過熱探測器正是利用共晶鹽此特性敏感飛機引氣管路泄漏狀況的。

2．2共晶鹽過熱探測器

共晶鹽過熱探測器采用一根固體鎳導線鑲嵌在因康鎳合金管中，兩者之間填充多孔氧化鋁陶瓷圈，陶瓷圈浸低熔點共晶鹽，結構如圖2所示。鎳合金外殼接地，內芯與控制系統相連。當環境溫度達到報警溫度時，芯體阻抗值突然下降使得內導線和外殼接通，控制單元發出相應的告警信號。目前，飛機引氣泄漏采用共晶鹽過熱探測器作為敏感元件，探測傳感元件采用雙環路平行安裝，沿飛機熱空氣管道布置，安裝在發動機、輔助動力裝置、后設備艙、機身、機翼等處。圖3所示為飛機引氣泄漏探測典型結構示意圖。單個探測單元可達4．55m，探測器單元串聯為探測環路，其長度可達120m，沿引氣管路分布監測。由于引氣管路不同位置的氣體溫度不同，分布式線狀火警探測環路不同位置的報警溫度也就不同。引氣管路任一點發生引氣泄漏，探測點溫度超過相對應的共晶鹽傳感單元內低熔點共晶鹽的報警點，則觸發控制單元內的繼電器動作，進而發出警報。探測元件可工作在復雜的環境中，具有較強的抗腐蝕和抗濕性，并且對離散過熱監測點的探測回路僅需要一個控制單元就可以完成連續的報警監控任務。探測元件具有重復使用的特點，當溫度回落到報警溫度以下時，元件又恢復到原狀態繼續監測對應管路的溫度狀況。

3飛機共晶鹽過熱探測器電學特性分析

圖4為器件手冊給出的NG124飛機共晶鹽過熱探測器的溫度-電阻、電容變化曲線，此電阻表示的是傳感器芯殼間阻抗。溫度較低時，芯殼之間電容較小，阻抗很大。在溫度上升穿越共晶點時，阻抗急劇下降，電容急劇上升，128℃左右時，阻抗值小于15Ω，電容大于10μF。結合共晶鹽傳感器結構，器件手冊給出以下兩種獨立電參數的等效模型，圖5為電容參數等效模型，圖6為阻抗參數等效模型。1)并聯電容等效模型在溫度低于共晶點時，芯殼間電容很小，約為0．5pF/m。當溫度高于共晶點溫度時，芯殼之間的電容增大約40倍，為20pF/m左右。2)并聯阻抗等效模型并聯阻抗等效模型中，一部分是金屬殼及芯線的阻抗，在20℃線阻抗為2．15±0．05Ω/m，泄漏點兩側長度分別為L1和L2，對應的阻抗值分別為RL1和RL2:另一部分是芯殼之間的阻抗RI，為共晶鹽電阻率Ri與長度Li的比值，即RI=Ri/Li。

4實際測試及分析

采用Keysight公司的E4980A精密LCR表，對新傳感器、損壞的傳感器等多個不同性能的共晶鹽傳感器進行測試分析。

4．1新傳感器35658-4-255特性

35658-4-255共晶鹽傳感器，長度4．0m，直徑2．2mm，溫度閾值124℃，在1V、1kHz的激勵下，測試結果如表1所示。由表1可看出，共晶鹽傳感器在常溫下具有200kΩ左右的高阻抗特點，并聯等效電容為800pF，阻抗角接近－90°。

4．2損壞的共晶鹽過熱探測器特性

損壞的共晶鹽傳感器35574-2-310，長度1．9m，溫度閾值154℃，直徑2．2mm。在電壓為1V，頻率逐漸由20增加至10000Hz過程中，其不同電參數測試結果如表2和圖7所示。從表2和圖7可知，在電壓為1V，頻率逐漸由20Hz上升到10kHz的過程中，阻抗始終為1．75kΩ左右，阻抗角在－1°左右。與新傳感器比較，共晶鹽傳感器的阻抗和阻抗角變化較大，電容值在660pF左右與標準傳感器也有一定差異。由于傳感器中共晶鹽的晶體狀態或成分發生變異，使得共晶鹽的電阻率大幅降低，共晶鹽傳感器失效。

4．3有一定使用時間，但性能正常的探測器測試

針對共晶鹽傳感器35574-4-255(1．9m，124℃，直徑2mm)進行測試。表3和表4分別為常溫下，電壓為1V，頻率由20Hz到1kHz，以及在頻率為1kHz，電壓由0．3到1V的測試數據。由表3和4可看出，共晶鹽傳感器在低頻率時，阻抗變化較大，在激勵頻率較低時，離子導電可能存在電極擁堵現象。而當頻率大于400Hz后，其阻抗值基本穩定，說明共晶鹽傳感器離子導電的特性。從表4可看出共晶鹽傳感器的對電壓的敏感性并不強。在1V、1kHz激勵下對傳感器進行了加熱測試，溫度從23℃增大到250℃的過程中記錄了阻抗Z，電容Cp，阻抗角θd和電阻R的值。測試結果列在表5中，圖8和9分別對Z、Cp、θd和R關于溫度T進行了曲線擬合。從圖8和9可以看出，傳感器的溫度報警點與手冊有些差別，傳感器在溫度在160℃左右時，電阻才有明顯的下降，比原有溫度報警點約高30℃。對比圖8和4，實測的特性與手冊給出的特性還是有較大區別。當溫度超限后，雖然電阻阻值下降明顯，但是，電容值有更大的變化，電容值由0．4nF迅速增大到μF數量級;同時，電阻值隨溫度的變化在共晶點溫度變化劇烈，而不是隨溫度增高逐漸下降。由阻抗角也可看出，在隨著溫度超過共晶點溫度后進一步升高時，電容特性與電阻特性變化有所不同，電容值進一步增大，而電阻阻值的下降已經不是很明顯。在溫度超限后，隨著共晶態的改變，電容特性影響更為明顯，從這一點來說，傳感器的特性更類似于電容/溫度傳感器。結合以上測試分析，在溫度門檻以下時，由于電阻阻值高達數十兆歐甚至數百兆歐，因此，簡化等效模型如圖10所示，當溫度超過共晶點以上時，等效模型如圖11所示。

5結論

本文介紹了飛機引氣泄漏的背景，說明了飛機引氣泄漏過熱探測的基本情況。共晶鹽過熱探測器是現階段飛機引氣管路泄漏探測的重要手段之一，經過不同測試分析，作出了如下的基本結論。

1)共晶鹽傳感器在報警溫度時其電特性明顯變化，溫度超過共晶點溫度時，電容參數隨溫度進一步升高變化很大，而電阻阻值下降為幾十歐姆后相對變化不大。

2)共晶鹽過熱探測器可以簡化為兩種比較合適的參數模型，由模型參數隨溫度、激勵電壓、激勵頻率變化分析，在傳感器在線監測時，用400Hz以上交流激勵能保證可靠工作;在出現報警時，若想判斷出溫度超限較為準確的位置，結合新建模型，可以采用電流比的方法來測試分析。或者采用階躍脈沖激勵，根據過渡過程參數判斷。

3)對于失效傳感器，由于本文分析的失效傳感器其電阻阻值為2kΩ左右，相比芯線和外殼阻抗值較大，阻抗角近似為零。因此，無論改變激勵頻率，還是改變激勵電壓，都不易進行在線判斷，現場排故運用二分法找出失效傳感器仍然是較為有效的辦法，或者采用高頻脈沖激勵進行判斷。更快速和簡便的判斷失效傳感器位置的檢測方法還需要進一步研究。

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作者:陳鑫 郝魁紅 陳肖楠 薛倩 單位:中國民航大學電子信息與自動化學院