RU2844196C1 - Anti-icing systems and control thereof - Google Patents
Anti-icing systems and control thereofInfo
- Publication number
- RU2844196C1 RU2844196C1 RU2023101591A RU2023101591A RU2844196C1 RU 2844196 C1 RU2844196 C1 RU 2844196C1 RU 2023101591 A RU2023101591 A RU 2023101591A RU 2023101591 A RU2023101591 A RU 2023101591A RU 2844196 C1 RU2844196 C1 RU 2844196C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- heating elements
- impedance
- temperature
- aircraft
- Prior art date
Links
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИAREA OF TECHNOLOGY
Настоящая заявка относится к системам нагрева для проводящих материалов.This application relates to heating systems for conductive materials.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
Многие проводящие поверхности, такие как поверхности автомобилей, летательных аппаратов и спутников, в ходе повседневного использования подвержены воздействию условий низких температур и обледенения. Накопление льда или воды на проводящих поверхностях этих конструкций может привести к неэффективным или небезопасным условиям эксплуатации. Например, накопление льда на крыльях летательного аппарата может привести к снижению подъемной силы и повышению сопротивления.Many conductive surfaces, such as those on automobiles, aircraft, and satellites, are exposed to freezing temperatures and icing during everyday use. Ice or water accumulation on the conductive surfaces of these structures can lead to inefficient or unsafe operating conditions. For example, ice accumulation on aircraft wings can lead to decreased lift and increased drag.
Многие из этих конструкций не оснащены системами нагрева или же оснащены системами нагрева, предполагающими использование громоздкого электронного оборудования или оборудования другого типа. Использование громоздких устройств в данной отрасли промышленности является проблемой.Many of these structures are not equipped with heating systems or are equipped with heating systems that require the use of bulky electronic equipment or other types of equipment. The use of bulky devices in this industry is a problem.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE ESSENCE OF THE INVENTION
В настоящей заявке описаны технологии нагрева проводящей поверхности. Эти технологии, как правило, предусматривают использование высокочастотных сигналов переменного тока (например, с частотой выше 1 кГц) для обеспечения плотности тока в целевой области проводящей объемной среды (например, проводящего материала), что приводит к джоулеву нагреву среды.This application describes technologies for heating a conductive surface. These technologies typically involve the use of high-frequency alternating current signals (e.g., with a frequency greater than 1 kHz) to provide a current density in a target region of a conductive volumetric medium (e.g., a conductive material), which results in Joule heating of the medium.
Джоулев нагрев, также известный как омический нагрев или резистивный нагрев, представляет собой процесс, в ходе которого при прохождении электрического тока через проводник вырабатывается тепло. Количество тепла, вырабатываемого проводящей средой, зависит от величины тока, проходящего через среду, и электрического сопротивления среды. Следовательно, нагревом можно управлять (например, увеличивать или уменьшать) путем регулирования тока, напряжения, сопротивления или их комбинации.Joule heating, also known as ohmic heating or resistive heating, is a process in which heat is generated when an electric current passes through a conductor. The amount of heat generated by a conducting medium depends on the amount of current passing through the medium and the electrical resistance of the medium. Therefore, heating can be controlled (e.g. increased or decreased) by adjusting the current, voltage, resistance, or a combination of these.
Сопротивление конкретного проводника может быть увеличено путем ограничения объема проводника, в котором может протекать ток, и увеличения длины, вдоль которой течет ток. Варианты реализации раскрытия настоящего изобретения могут быть выполнены с возможностью осуществления нагрева в объемной среде путем управления механизмами формирования (например, сужения, удлинения и т.д.) тока в проводящей среде (например, объемной среде, проводнике): например, с использованием поверхностного эффекта и эффекта близости. Оба эффекта основаны на протекании высокочастотного переменного тока через проводящую среду, подлежащую нагреву. Поверхностный эффект ограничивает протекание тока за счет использования тенденции к распределению переменного электрического тока в проводнике таким образом, что плотность тока увеличивается вблизи поверхности проводника и уменьшается в направлении вглубь проводника. Эффект близости можно использовать для дополнительного ограничения протекания тока в проводнике, разместив другой путь переменного тока вблизи существующего тока, протекающего в проводнике. Эффект близости также может обеспечивать удлинение пути тока.The resistance of a particular conductor can be increased by limiting the volume of the conductor in which the current can flow and by increasing the length along which the current flows. Embodiments of the disclosure of the present invention can be made with the possibility of implementing heating in a bulk medium by controlling the mechanisms of formation (e.g. narrowing, lengthening, etc.) of the current in a conducting medium (e.g. a bulk medium, a conductor): for example, using the skin effect and the proximity effect. Both effects are based on the flow of high-frequency alternating current through a conducting medium to be heated. The skin effect limits the current flow by using the tendency for alternating electric current to be distributed in a conductor in such a way that the current density increases near the surface of the conductor and decreases in the direction into the conductor. The proximity effect can be used to further limit the current flow in a conductor by placing another alternating current path near the existing current flowing in the conductor. The proximity effect can also provide for the extension of the current path.
Например, варианты реализации раскрытия настоящего изобретения выполнены с возможностью увеличения сопротивления объемной среды вдоль пути тока через среду путем ограничения тока, протекающего вдоль этого пути. Следовательно, варианты реализации могут обеспечить повышенную эффективность нагрева в проводящих средах и при этом позволяют уменьшить ток, требуемый для выработки тепла. Т. е. за счет повышения эффективного сопротивления проводящей среды вдоль конкретного пути тока для осуществления джоулева нагрева среды может потребоваться меньший ток, чем потребовалось бы в ином случае.For example, embodiments of the disclosure of the present invention are configured to increase the resistance of a bulk medium along a current path through the medium by limiting the current flowing along this path. Accordingly, embodiments can provide increased heating efficiency in conductive media while reducing the current required to generate heat. That is, by increasing the effective resistance of a conductive medium along a particular current path, less current may be required to perform Joule heating of the medium than would otherwise be required.
Объект настоящего изобретения, описанный в настоящем документе, может быть реализован таким образом, чтобы обеспечить одно или более из следующих преимуществ. Для нагрева проводника можно использовать более легкую и менее громоздкую электрическую систему. Кроме того, нагрев может быть локализован в целевой области, чтобы не перегревать схему системы нагрева. Система нагрева может быть более эффективной, например, за счет выработки тепла непосредственно в самой объемной среде (например, крыле летательного аппарата), вместо выработки тепла в нагревательном элементе или нагревательном слое, прикрепленном к объемной среде. В системе также можно использовать меньший ток и напряжение для нагрева, что потенциально повышает безопасность и надежность. В некоторых вариантах реализации также может быть уменьшено механическое напряжение в компоненте. Установка или модернизация системы может быть осуществлена проще, быстрее или дешевле. Обслуживание системы может быть дешевле или проще. Система может не требовать вмешательства при установке в существующие системы. Система может быстрее устранять обледенение.The subject matter of the present invention described herein may be implemented in such a way as to provide one or more of the following advantages. A lighter and less bulky electrical system may be used to heat the conductor. In addition, the heating may be localized in the target area so as not to overheat the heating system circuit. The heating system may be more efficient, for example, by generating heat directly in the bulk medium itself (for example, an aircraft wing), instead of generating heat in a heating element or a heating layer attached to the bulk medium. The system may also use less current and voltage for heating, which potentially increases safety and reliability. In some embodiments, mechanical stress in the component may also be reduced. Installation or upgrade of the system may be easier, faster, or cheaper. Maintenance of the system may be cheaper or easier. The system may not require intervention when installed in existing systems. The system can remove icing faster.
Подробная информация об одном или более вариантах реализации объекта настоящего изобретения приведена на приложенных чертежах и в нижеследующем описании. Другие признаки, аспекты и преимущества объекта настоящего изобретения станут очевидными из описания, чертежей и формулы изобретения.Detailed information on one or more embodiments of the subject matter of the present invention is given in the attached drawings and in the following description. Other features, aspects and advantages of the subject matter of the present invention will become apparent from the description, drawings and claims.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение приведенной для примера установки для нагрева объемной среды.Fig. 1 is a schematic representation of an example of an installation for heating a volumetric medium.
Фиг. 2А-2В представляют собой схематические изображения, иллюстрирующие приведенную для примера установку для нагрева объемной среды, в которой используется поверхностный эффект для концентрации плотности тока в первом направлении в объемном проводнике.Fig. 2A-2B are schematic diagrams illustrating an exemplary apparatus for heating a bulk medium in which the skin effect is used to concentrate the current density in a first direction in a bulk conductor.
Фиг. 3 представляет собой график, показывающий повышенную концентрацию плотности тока в зависимости от подаваемого переменного тока, возникающую за счет поверхностного эффекта.Fig. 3 is a graph showing the increased current density concentration as a function of the supplied alternating current, which occurs due to the skin effect.
Фиг. 4A-D представляют собой схематические изображения, иллюстрирующие приведенные для примера установки для нагрева объемной среды, в которых используется эффект близости для концентрации плотности тока во втором направлении в объемном проводнике.Fig. 4A-D are schematic diagrams illustrating exemplary installations for heating a bulk medium in which the proximity effect is used to concentrate the current density in a second direction in a bulk conductor.
Фиг. 5А-В представляют собой результаты графического моделирования, показывающие повышенную концентрацию плотности тока в объемном проводнике вблизи второго проводника в зависимости от расстояния между проводниками, возникающую за счет эффекта близости.Fig. 5A-B are graphical simulation results showing the increased current density concentration in the bulk conductor near the second conductor as a function of the distance between the conductors, which occurs due to the proximity effect.
Фиг. 6А представляет собой схематическое изображение приведенной для примера установки для нагрева объемной среды с использованием матрицы электродов.Fig. 6A is a schematic representation of an exemplary apparatus for heating a bulk medium using an electrode array.
Фиг. 6B-D представляют собой схематические изображения приведенных для примера установок для нагрева объемной среды с использованием различных электродных устройств.Fig. 6B-D are schematic representations of exemplary installations for heating a bulk medium using various electrode devices.
Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока преобразования сигнала, включающего в себя основные подблоки преобразования в стандартизированное питание и выработки переменного тока.Fig. 7 is a schematic representation of an example signal conversion block including the main sub-blocks for conversion to standardized power supply and generation of alternating current.
Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока преобразования сигнала, включающего в себя основные подблоки преобразования в стандартизированное питание, выработки переменного тока и управления.Fig. 8 is a schematic representation of an exemplary signal conversion unit including the main sub-units of conversion to standardized power supply, AC generation, and control.
Фиг. 9А представляет собой схематическое изображение приведенного для примера подблока преобразования в стандартизированное питание, включающего в себя обратноходовой преобразователь и синфазный дроссель.Fig. 9A is a schematic representation of an exemplary standardized power conversion sub-block including a flyback converter and a common mode choke.
Фиг. 9В представляет собой схематическое изображение приведенного для примера обратноходового преобразователя.Fig. 9B is a schematic representation of an exemplary flyback converter.
Фиг. 10А представляет собой схематическое изображение приведенного для примера подблока выработки переменного тока, включающего в себя усилитель класса D с двойными полевыми МОП-транзисторами, кварцевый генератор с температурной компенсацией и драйвер затвора.Fig. 10A is a schematic diagram of an exemplary AC power generation sub-block including a dual MOSFET class D amplifier, a temperature compensated crystal oscillator, and a gate driver.
Фиг. 10В представляет собой схематическое изображение приведенного для примера коммутирующего усилителя класса D.Fig. 10B is a schematic diagram of an exemplary class D switching amplifier.
Фиг. 10С представляет собой схематическое изображение приведенного для примера подблока выработки переменного тока, включающего в себя усилитель класса D с двойными полевыми МОП-транзисторами, кварцевый генератор с температурной компенсацией, драйвер затвора и каскад преобразования малой мощности.Fig. 10C is a schematic diagram of an exemplary AC power generation sub-block including a dual MOSFET class D amplifier, a temperature compensated crystal oscillator, a gate driver, and a low power conversion stage.
Фиг. 11 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера подблока управления, включающего в себя микроконтроллер и каскад преобразования малой мощности.Fig. 11 is a schematic representation of an exemplary control sub-unit including a microcontroller and a low power conversion stage.
Фиг. 12 представляет собой схематическое изображение схемы регулировки импеданса между источником и нагрузкой.Fig. 12 is a schematic representation of a circuit for adjusting the impedance between a source and a load.
Фиг. 13A-D представляют собой схематические изображения приведенных для примера структурных блоков схемы регулировки импеданса.Fig. 13A-D are schematic representations of exemplary structural blocks of an impedance adjustment circuit.
Фиг. 14 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока схемы регулировки, включающего в себя подблок пассивной регулировки.Fig. 14 is a schematic representation of an exemplary control circuit block including a passive control sub-block.
Фиг. 15А представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока схемы регулировки, включающего в себя подблок активной регулировки и подблок управления.Fig. 15A is a schematic representation of an exemplary control circuit block including an active control sub-block and a control sub-block.
Фиг. 15В представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока схемы регулировки, включающего в себя подблок активной регулировки, каскад преобразования малой мощности и подблок управления.Fig. 15B is a schematic representation of an exemplary control circuit block including an active control sub-block, a low power conversion stage, and a control sub-block.
Фиг. 16 представляет собой схематическое изображение ступеней кабелей в приведенной для примера системе нагрева.Fig. 16 is a schematic representation of the cable stages in the exemplary heating system.
Фиг. 17 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера электрода для системы нагрева.Fig. 17 is a schematic representation of an exemplary electrode for a heating system.
Фиг. 18А представляет собой схематическое изображение приведенного для примера крепления между электродом и объемной средой посредством паяного соединения.Fig. 18A is a schematic representation of an example of a fastening between an electrode and a volumetric medium by means of a soldered connection.
Фиг. 18В представляет собой схематическое изображение приведенного для примера крепления между электродом и объемной средой посредством заклепок.Fig. 18B is a schematic representation of an example of fastening between an electrode and a volumetric medium by means of rivets.
Фиг. 18С представляет собой схематическое изображение приведенного для примера крепления между электродом и объемной средой посредством воздухонепроницаемой ленты.Fig. 18C is a schematic representation of an example of fastening between an electrode and a volumetric medium by means of an airtight tape.
Фиг. 18D представляет собой схематическое изображение приведенного для примера комбинированного крепления между электродом и объемной средой.Fig. 18D is a schematic representation of an example of a combined fastening between an electrode and a bulk medium.
Фиг. 19 представляет собой вид в разрезе приведенной для примера соединительной полосы для подачи высокочастотных сигналов нагрева в объемную среду в соответствии с вариантами реализации раскрытия настоящего изобретения.Fig. 19 is a sectional view of an exemplary connecting strip for supplying high frequency heating signals to a volumetric medium in accordance with embodiments of the disclosure of the present invention.
На фиг. 20 изображена приведенная для примера схема расположения соединительных полос по фиг.19 на крыле летательного аппарата.Fig. 20 shows an example diagram of the arrangement of the connecting strips according to Fig. 19 on the wing of an aircraft.
На фиг. 21 изображен вид сверху нескольких приведенных для примера соединительных полос для иллюстрации различных конфигураций проводящего слоя в соединительной полосе.Fig. 21 shows a top view of several exemplary connecting strips to illustrate various configurations of the conductive layer in the connecting strip.
На фиг. 22А изображен график смоделированной плотности тока, созданной в обшивке летательного аппарата приведенной для примера соединительной полосой, и плотности электрического поля между соединительной полосой и обшивкой летательного аппарата.Fig. 22A shows a graph of the simulated current density created in the aircraft skin by the example connecting strip and the electric field density between the connecting strip and the aircraft skin.
На фиг. 22В изображен график смоделированной плотности тока, созданной в обшивке летательного аппарата, изображенной на фиг. 22А.Fig. 22B is a graph of the simulated current density created in the aircraft skin shown in Fig. 22A.
На фиг. 23 изображены схематические изображения схем расположения нескольких приведенных для примера компоновок проводящего слоя в соединительной полосе.Fig. 23 shows schematic representations of the arrangement diagrams of several example arrangements of the conductive layer in the connecting strip.
На фиг. 24А изображен вид в разрезе, взятом по линии А-А', соединительной полосы согласно схеме А расположения на фиг. 23.Fig. 24A shows a sectional view, taken along line A-A', of a connecting strip according to the arrangement diagram A in Fig. 23.
На фиг. 24В изображен вид в разрезе, взятом по линии В-В', соединительной полосы согласно схеме В расположения на фиг. 23.Fig. 24B shows a sectional view, taken along line B-B', of a connecting strip according to the arrangement diagram B in Fig. 23.
На фиг. 24С изображен вид в разрезе, взятом по линии С-С', соединительной полосы согласно схеме С расположения и схеме D расположения на фиг. 23.Fig. 24C shows a sectional view, taken along line C-C', of a connecting strip according to arrangement diagram C and arrangement diagram D in Fig. 23.
На фиг. 25А изображен вид в разрезе приведенной для примера конфигурации для крепления соединительной полосы к объемной среде.Fig. 25A is a sectional view of an exemplary configuration for attaching a connecting strip to a volumetric medium.
На фиг. 25В изображен вид в разрезе еще одной приведенной для примера конфигурации для крепления соединительной полосы к объемной среде.Fig. 25B is a sectional view of another exemplary configuration for attaching a connecting strip to a volumetric medium.
Фиг. 26А представляет собой вид в разрезе соединительной полосы с двусторонним адгезивным нижним слоем до установки на объемную среду; фиг. 26В представляет собой вид в разрезе соединительной полосы по фиг. 26А, установленной на объемную среду.Fig. 26A is a sectional view of the connecting strip with a double-sided adhesive bottom layer before installation on a bulk medium; Fig. 26B is a sectional view of the connecting strip of Fig. 26A installed on a bulk medium.
На фиг. 27A-27F изображены виды в разрезе различных вариантов реализации встроенных соединительных полос.Fig. 27A-27F show sectional views of various embodiments of built-in connecting strips.
Фиг. 28 изображены схематические изображения вариантов реализации соединителя соединительной полосы.Fig. 28 shows schematic images of embodiments of the connecting strip connector.
На фиг. 29 изображены схематические изображения еще одного варианта реализации соединителя соединительной полосы.Fig. 29 shows schematic images of another embodiment of the connector of the connecting strip.
Фиг. 30 представляет собой блочную схему первой приведенной для примера системы нагрева объемной среды с использованием соединительных полос согласно вариантам реализации раскрытия настоящего изобретения.Fig. 30 is a block diagram of a first exemplary system for heating a bulk medium using connecting strips according to embodiments of the disclosure of the present invention.
Фиг. 31 представляет собой блочную схему второй приведенной для примера системы нагрева объемной среды с использованием соединительных полос согласно вариантам реализации раскрытия настоящего изобретения.Fig. 31 is a block diagram of a second exemplary system for heating a bulk medium using connecting strips according to embodiments of the disclosure of the present invention.
Фиг. 32 представляет собой блочную схему третьей приведенной для примера системы нагрева объемной среды с использованием соединительных полос согласно вариантам реализации раскрытия настоящего изобретения.Fig. 32 is a block diagram of a third exemplary system for heating a bulk medium using connecting strips according to embodiments of the disclosure of the present invention.
Одинаковые элементы указаны на различных чертежах одинаковыми ссылочными позициями и обозначениями.Identical elements are indicated in different drawings by the same reference numbers and designations.
Фиг. 33 представляет собой иллюстрацию, изображающую приведенный для примера участок поля зрения пилота на летательном аппарате с наложенным отображением температуры крыла.Fig. 33 is an illustration showing an exemplary portion of a pilot's field of view on an aircraft with a superimposed display of wing temperature.
Фиг. 34 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее способы рефлектометрии во временной области (РВО).Fig. 34 is a schematic diagram illustrating time domain reflectometry (TDR) techniques.
Фиг. 35А представляет собой график, показывающий сравнение двух линий передачи, в которых проводят измерения с использованием рефлектометрии во временной области, причем одна линия включает в себя соединитель длиной 2 метра.Fig. 35A is a graph showing a comparison of two transmission lines measured using time domain reflectometry, one line including a 2 meter long connector.
Фиг. 35В представляет собой график, показывающий анализ в частотной области, на котором показано изменение импеданса после образования вмятины от удара.Fig. 35B is a graph showing a frequency domain analysis showing the change in impedance after an impact dent is formed.
Фиг. 36 представляет собой график, иллюстрирующий сравнение двух линий передачи, в которых проведены измерения с использованием рефлектометрии во временной области, причем на испытательной панели одной из линий имеется вмятина.Fig. 36 is a graph illustrating a comparison of two transmission lines measured using time domain reflectometry, with one of the lines having a dent in the test panel.
На фиг. 37А, 37В и 37С показаны приведенные для примера дисплеи оповещения полетной палубы.Figs. 37A, 37B, and 37C illustrate exemplary flight deck alert displays.
На фиг. 40 изображены графики импеданса и температуры в зависимости от времени для соединительной полосы при выполнении операции по устранению обледенения.Fig. 40 shows graphs of impedance and temperature versus time for a connecting strip during a deicing operation.
Фиг. 41 представляет собой трехмерный график диэлектрической постоянной приведенного для примера акрилового адгезивного материала для диапазона рабочих температур.Fig. 41 is a three-dimensional graph of the dielectric constant of an exemplary acrylic adhesive material over a range of operating temperatures.
Фиг. 42 представляет собой график диэлектрической постоянной приведенного для примера акрилового адгезивного материала для диапазона рабочих температур.Fig. 42 is a graph of the dielectric constant of an exemplary acrylic adhesive material over a range of operating temperatures.
На фиг. 43 изображены графики частотных откликов для исправной линии и неисправной линии.Fig. 43 shows the frequency response graphs for a healthy line and a faulty line.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
В системе нагрева согласно настоящему изобретению для увеличения эффективного электрического сопротивления проводящих материалов (например, алюминия, углеволокнистых композитов) с целью облегчения их нагрева используется переменный ток. В целом, тепло, вырабатываемое в проводящем материале, может использоваться для плавления льда, образовавшегося на поверхности проводящего материала. Кроме того, тепло может использоваться для поддержания повышенной температуры проводящих материалов с целью предотвращения осаждения паров на поверхности или предотвращения замерзания воды на поверхности, а также предотвращения скопления на поверхности замерзающих осадков (например, снега, ледяной крупы, тумана, ледяного дождя). Например, тепло, вырабатываемое в проводящем материале, может распространяться (например, рассеиваться) по всему проводящему материалу. Кроме того, вырабатываемое тепло может вызывать конвекцию на границе раздела проводящего материала и какой-либо жидкости на поверхности, например, для нагрева жидкости и предотвращения ее замерзания.In the heating system according to the present invention, alternating current is used to increase the effective electrical resistance of conductive materials (e.g. aluminum, carbon fiber composites) in order to facilitate their heating. In general, the heat generated in the conductive material can be used to melt ice formed on the surface of the conductive material. In addition, the heat can be used to maintain an elevated temperature of the conductive materials in order to prevent vapor deposition on the surface or to prevent water from freezing on the surface, as well as to prevent freezing precipitation (e.g. snow, ice pellets, fog, freezing rain) from accumulating on the surface. For example, the heat generated in the conductive material can spread (e.g. dissipate) throughout the conductive material. In addition, the generated heat can cause convection at the interface of the conductive material and any liquid on the surface, for example, to heat the liquid and prevent it from freezing.
Для создания ряда электромагнитных эффектов, повышающих эффективное сопротивление проводящего материала, может использоваться переменный ток, что облегчает выработку тепла с использованием джоулева нагрева в проводящем материале. К таким эффектам относятся поверхностный эффект, эффект близости, индукция, вихревые токи, гистерезисные потери и диэлектрические потери. Что касается поверхностного эффекта, если для частоты тока в проводнике установлено достаточно высокое значение, большая часть тока будет проходить через глубину скин-слоя проводящего материала, которая значительно меньше геометрической толщины проводящего материала. Кроме того, для создания эффекта близости в проводящем материале может использоваться определенная геометрия устройства, которая будет дополнительно ограничивать ширину плотности тока и тем самым дополнительно увеличивать эффективное сопротивление вдоль пути тока в проводящем материале. Комбинация этих двух эффектов может использоваться для увеличения электрического сопротивления проводящего материала и, как результат, джоулева нагрева.An alternating current can be used to create a number of electromagnetic effects that increase the effective resistance of a conductive material, which facilitates heat generation using Joule heating in a conductive material. Such effects include the skin effect, the proximity effect, induction, eddy currents, hysteresis losses, and dielectric losses. With regard to the skin effect, if the frequency of the current in the conductor is set to a sufficiently high value, most of the current will pass through a skin depth of the conductive material that is significantly smaller than the geometric thickness of the conductive material. In addition, a certain device geometry can be used to create a proximity effect in the conductive material, which will further limit the width of the current density and thereby further increase the effective resistance along the current path in the conductive material. A combination of these two effects can be used to increase the electrical resistance of the conductive material and, as a result, Joule heating.
Например, джоулев нагрев, как правило, связан с теплом, вырабатываемым при прохождении электрического тока через проводник. Тепло, вырабатываемое в определенном токонесущем проводнике, пропорционально сопротивлению материала, умноженному на среднеквадратичное значение амплитуды тока, возведенное в квадрат:For example, Joule heating is generally associated with the heat generated when an electric current passes through a conductor. The heat generated in a given current-carrying conductor is proportional to the resistance of the material multiplied by the square of the root mean square of the current amplitude:
Тепло, выделяемое нагревательным элементом, как правило, увеличивается за счет увеличения тока, проходящего через проводник, и за счет обеспечения нагревательных элементов, имеющих относительно более высокое сопротивление. Однако в вариантах реализации раскрытия настоящего изобретения джоулев нагрев осуществляется за счет эффективного использования определенных электромагнитных явлений (например, поверхностного эффекта и эффекта близости) для ограничения плотности локализованного тока в объемной среде. Это ограничение плотности тока приводит к увеличению эффективного сопротивления вдоль пути тока в объемной среде. Хотя конкретные эффекты могут различаться в разных материалах, имеющих разную геометрию, эффективное сопротивление для заданной длины вдоль пути тока через объемную среду, как правило, может быть представлено следующим образом:The heat generated by a heating element is typically increased by increasing the current passing through the conductor and by providing heating elements that have a relatively higher resistance. However, in embodiments of the present disclosure, Joule heating is achieved by effectively using certain electromagnetic phenomena (e.g., the skin effect and the proximity effect) to limit the localized current density in the bulk medium. This limitation of the current density results in an increase in the effective resistance along the current path in the bulk medium. Although the specific effects may vary in different materials having different geometries, the effective resistance for a given length along the current path through the bulk medium can generally be represented as follows:
где ρ - удельное сопротивление материала, через который проходит ток, l - длина пути тока и Аэфф - ограниченная площадь поперечного сечения плотности тока. В вариантах реализации раскрытия настоящего изобретения электромагнитные явления используются для уменьшения Аэфф до площади, меньшей, чем поперечное сечение объемной среды вдоль пути тока, благодаря чему указанное эффективное сопротивление объемной среды повышается выше эффективного сопротивления объемной среды постоянному току.where ρ is the specific resistance of the material through which the current passes, l is the length of the current path, and A eff is the limited cross-sectional area of the current density. In embodiments of the disclosure of the present invention, electromagnetic phenomena are used to reduce A eff to an area smaller than the cross-section of the bulk medium along the current path, due to which the said effective resistance of the bulk medium increases above the effective resistance of the bulk medium to direct current.
В некоторых вариантах реализации раскрытия настоящего изобретения эти электромагнитные явления могут использоваться для увеличения длины пути тока через объемную среду. Например, как описано ниже со ссылкой на фиг. 4D, технологии, описанные в настоящем документе, могут использоваться для «направления» пути тока по непрямому маршруту (например, по серпантиновидному пути) между двумя электродами, прикрепленными к объемной среде. Непрямой маршрут может создавать путь тока, эффективная длина (lэфф) которого больше, чем по существу прямой путь, который обычно образуется при пропускании тока между двумя электродами при отсутствии таких электромагнитных эффектов, как, например, эффект близости. Таким образом, системы, описанные в настоящем документе, выполнены с возможностью увеличения длины / пути тока до эффективной длины (lэфф), превышающей прямой путь, по которому проходит ток при отсутствии различных систем и компоновок проводников, описанных в настоящем документе. Соответственно, такие варианты реализации могут увеличивать эффективное сопротивление (Rэфф) как путем ограничения эффективной площади (Аэфф) поперечного сечения тока, проходящего через объемную среду, так и путем увеличения эффективной длины (lэфф), которую ток проходит через объемную среду, что дополнительно повышает эффективное сопротивление объемной среды выше эффективного сопротивления объемной среды постоянному току. В таких вариантах реализации эффективное сопротивление может быть в общем представлено следующим образом:In some embodiments of the disclosure of the present invention, these electromagnetic phenomena can be used to increase the length of the current path through the bulk medium. For example, as described below with reference to Fig. 4D, the technologies described herein can be used to "direct" the current path along an indirect route (e.g., a serpentine path) between two electrodes attached to the bulk medium. The indirect route can create a current path whose effective length (l eff ) is greater than the substantially direct path that is typically formed when passing a current between two electrodes in the absence of such electromagnetic effects as, for example, the proximity effect. Thus, the systems described herein are configured to increase the length/path of the current to an effective length (l eff ) that is greater than the direct path along which the current passes in the absence of the various systems and conductor arrangements described herein. Accordingly, such embodiments can increase the effective resistance (R eff ) both by limiting the effective area (A eff ) of the cross-section of the current passing through the bulk medium and by increasing the effective length (l eff ) that the current passes through the bulk medium, which further increases the effective resistance of the bulk medium above the effective resistance of the bulk medium to direct current. In such embodiments, the effective resistance can be generally represented as follows:
За счет использования таких технологий варианты реализации раскрытия настоящего изобретения могут обеспечивать высокое локализованное сопротивление в проводящих объемных материалах (например, в алюминии, меди, стали и их сплавах).By using such technologies, embodiments of the present disclosure can provide high localized resistance in conductive bulk materials (e.g., aluminum, copper, steel, and their alloys).
Поверхностный эффект, как использовано в настоящем документе, в целом относится к тенденции переменного электрического тока к неравномерному распределению в проводнике таким образом, что плотность тока больше вблизи поверхности проводника и уменьшается по мере увеличения расстояния до поверхности проводника. Интенсивность поверхностного эффекта увеличивается с увеличением частоты тока и проводимости материала, по которому проходит ток. В некоторых вариантах реализации раскрытия настоящего изобретения поверхностный эффект можно регулировать таким образом, чтобы электрический ток протекал больше по наружной поверхности проводника (например, «в глубине скин-слоя») при более высоких частотах переменного тока.Skin effect, as used herein, generally refers to the tendency of an alternating electric current to be distributed unevenly in a conductor such that the current density is greater near the surface of the conductor and decreases with increasing distance from the surface of the conductor. The intensity of the skin effect increases with increasing frequency of the current and the conductivity of the material through which the current flows. In some embodiments of the disclosure of the present invention, the skin effect can be controlled such that the electric current flows more along the outer surface of the conductor (e.g., "in the depth of the skin layer") at higher frequencies of alternating current.
В целом, поверхностный эффект в проводнике можно представить следующей формулой:In general, the skin effect in a conductor can be represented by the following formula:
где J - плотность тока, Jп - поверхностная плотность тока, d -глубина точки, в которой вычисляют плотность тока, δ - глубина скин-слоя, ρ - удельное сопротивление проводника, ω - угловая частота тока, μ - магнитная проницаемость проводника, ε - диэлектрическая проницаемость проводника. В случае цилиндрического проводника, имеющего радиус R основания, плотность тока также может быть определена следующим образом:where J is the current density, J п is the surface current density, d is the depth of the point at which the current density is calculated, δ is the skin depth, ρ is the specific resistance of the conductor, ω is the angular frequency of the current, μ is the magnetic permeability of the conductor, ε is the permittivity of the conductor. In the case of a cylindrical conductor with a base radius R, the current density can also be determined as follows:
где J0 - функция Бесселя первого рода нулевого порядка.where J 0 is the Bessel function of the first kind of zero order.
В случае прямоугольной бесконечно длинной и широкой пластины, по которой протекает поверхностный ток, поверхностный эффект может быть представлен следующей формулой:In the case of a rectangular plate of infinite length and width carrying a surface current, the skin effect can be represented by the following formula:
где Js - вынужденная составляющая поверхностного тока, σ - проводимость пластины, е - толщина пластины, и sh - функция гиперболического синуса. Например, на графике, показанном на фиг. 3, который будет более подробно рассмотрен ниже, показан пример ограничения плотности тока в глубине материала (например, в глубине скин-слоя) в цилиндрическом проводнике, вызванного поверхностным эффектом. Как описано выше, такое ограничение эффективного поперечного сечения увеличивает эффективное сопротивление проводника.where J s is the forced component of the surface current, σ is the plate conductivity, e is the plate thickness, and sh is the hyperbolic sine function. For example, the graph shown in Fig. 3, which will be discussed in more detail below, shows an example of current density limitation in the depth of the material (e.g., in the skin depth) in a cylindrical conductor caused by the skin effect. As described above, such a limitation of the effective cross-section increases the effective resistance of the conductor.
Например, на графике, показанном на фиг. 3, который будет более подробно рассмотрен ниже, показан пример ограничения плотности тока в глубине материала (например, в глубине скин-слоя), вызванного поверхностным эффектом.For example, the graph shown in Fig. 3, which will be discussed in more detail below, shows an example of current density limitation in the depth of the material (e.g., in the skin depth) caused by the surface effect.
Эффект близости, как использовано в настоящем документе, в целом относится к влиянию переменного тока, протекающего в первом пути тока (например, в проводнике), на плотность переменного тока, протекающего во втором, расположенном вблизи, пути тока. Например, как показано на фиг. 5А-5В и более подробно описано ниже, переменный ток в первом пути тока вызывает «концентрирование» или ограничение плотности переменного тока во втором пути тока вокруг первого пути тока. В вариантах реализации раскрытия настоящего изобретения, например, плотность тока, проходящего через объемную среду, «притягивается» к другому проводнику, по которому проходит переменный ток, при размещении проводника вблизи прохождения тока через объемную среду. Степень и направление ограничения плотности тока (например, концентрации), вызванного эффектом близости, зависят от нескольких переменных, включая, например, расстояние между двумя или более путями переменного тока, направление прохождения тока по отдельным путям тока относительно друг друга, частоты переменного тока в путях тока и величины отдельных токов в путях тока.The proximity effect, as used herein, generally refers to the effect of an alternating current flowing in a first current path (e.g., a conductor) on the density of alternating current flowing in a second, nearby current path. For example, as shown in Fig. 5A-5B and described in more detail below, an alternating current in a first current path causes a "concentration" or limitation of the density of alternating current in a second current path around the first current path. In embodiments of the disclosure of the present invention, for example, the density of current passing through a bulk medium is "attracted" to another conductor carrying an alternating current when the conductor is placed near the passage of current through the bulk medium. The degree and direction of current density limitation (e.g., concentration) caused by the proximity effect depends on several variables, including, for example, the distance between two or more alternating current paths, the direction of current flow in individual current paths relative to each other, the frequency of the alternating current in the current paths, and the magnitudes of the individual currents in the current paths.
Для лучшего понимания система нагрева согласно настоящему изобретению будет описана со ссылкой на систему устранения обледенения и предотвращения обледенения для наружной поверхности самолета в качестве примерного контекста. Однако система нагрева согласно раскрытию настоящего изобретения может использоваться в другом контексте, включая, без ограничения, нагрев поверхностей других летательных аппаратов, беспилотников, ветровых турбин, блоков, участвующих в криогенных операциях, тепловых насосов, автомобилей, радиовышек, железнодорожных путей, пилотируемых или беспилотных военных транспортных средств, крыш или нагрев других проводящих поверхностей, на которых желательно контролировать образование льда и накопление воды. Система нагрева может использоваться для устранения обледенения или предотвращения обледенения. В некоторых вариантах реализации система нагрева может использоваться для нагрева менее проводящих материалов, например, путем нанесения проводящего слоя поверх непроводящего материала или внутри него. Такие варианты реализации могут использоваться для нагрева поверхностей дорог (например, проезжей части), строительных материалов, крыш, перекрытий, либо других материалов с низкой проводимостью или непроводящих материалов.For better understanding, the heating system according to the present invention will be described with reference to a deicing and anti-icing system for the exterior surface of an aircraft as an exemplary context. However, the heating system according to the disclosure of the present invention can be used in other contexts, including, but not limited to, heating the surfaces of other aircraft, drones, wind turbines, units involved in cryogenic operations, heat pumps, automobiles, radio towers, railroad tracks, manned or unmanned military vehicles, roofs or heating other conductive surfaces on which it is desirable to control ice formation and water accumulation. The heating system can be used to deicing or to prevent icing. In some embodiments, the heating system can be used to heat less conductive materials, for example, by applying a conductive layer on top of or inside a non-conductive material. Such embodiments can be used to heat road surfaces (e.g., roadways), building materials, roofs, floors, or other low-conductive or non-conductive materials.
Устранение обледенения, как использовано в настоящем документе, в целом относится к удалению снега, льда или инея (в совокупности называемых «льдом») с поверхности. В некоторых вариантах реализации система нагрева выполнена с возможностью растапливания только части льда, имеющегося на проводящей поверхности. Затем лед может быть удален с поверхности (например, за счет его сползания с поверхности после начала процесса плавления и разрыва связей между льдом и поверхностью).De-icing, as used herein, generally refers to the removal of snow, ice, or frost (collectively referred to as "ice") from a surface. In some embodiments, the heating system is configured to melt only a portion of the ice present on the conductive surface. The ice may then be removed from the surface (e.g., by sliding off the surface after the melting process has begun and the bonds between the ice and the surface have been broken).
Предотвращение обледенения, как использовано в настоящем документе, в целом относится к предотвращению образования или налипания снега, льда или инея (в совокупности называемых «льдом») на поверхности. В некоторых вариантах реализации система нагрева поддерживает достаточно высокую температуру поверхности для предотвращения образования льда на поверхности и для предотвращения налипания или нарастания льда (например, из-за замерзающих осадков, таких как снег, иней, ледяная крупа, ледяной дождь и т.д.).As used herein, icing prevention generally refers to preventing the formation or adhesion of snow, ice, or frost (collectively referred to as "ice") on a surface. In some embodiments, a heating system maintains a surface temperature high enough to prevent ice from forming on the surface and to prevent ice from adhering or accreting (e.g., due to freezing precipitation such as snow, frost, sleet, freezing rain, etc.).
На фиг. 1 показана блочная схема приведенной для примера системы 100 нагрева для нагрева объемной среды. Система 100 нагрева включает в себя систему 104 управления питанием, подключенную к электродам 116 и 118. Электроды 116 и 118 соединены с целевой областью объемной среды 102 (например, с частью крыла летательного аппарата). Система 104 управления питанием вырабатывает переменный ток (например, с частотой 1 кГц или выше) в замкнутой цепи по проводу (или пути, или кабелю) 106, через объемную среду 102 и, наконец, по проводу (или обратному пути) 108. Направление 112 протекания тока по проводам показано пунктирной стрелкой.Fig. 1 shows a block diagram of an example heating system 100 for heating a volumetric medium. The heating system 100 includes a power control system 104 connected to electrodes 116 and 118. The electrodes 116 and 118 are connected to a target region of the volumetric medium 102 (for example, to a part of the wing of an aircraft). The power control system 104 generates an alternating current (for example, with a frequency of 1 kHz or higher) in a closed circuit along a wire (or path, or cable) 106, through the volumetric medium 102, and finally along a wire (or return path) 108. The direction 112 of current flow through the wires is shown by a dotted arrow.
В некоторых вариантах реализации система 100 нагрева может включать в себя, без ограничения, систему 104 управления питанием, электроды 116 и 118, а также специальные кабели (например, провода 108 и 106). В некоторых вариантах реализации система нагрева выполнена с возможностью подключения к электродам 116 и 118. В некоторых вариантах реализации система нагрева выполнена с возможностью подключения к специальным кабелям (например, 108 или 116). В некоторых вариантах реализации система 104 управления питанием может включать в себя, без ограничения, блок выработки сигнала, источник питания, блок преобразования сигнала, схему регулировки импеданса, блок управления и датчики, конкретные конфигурации которых более подробно описаны ниже. Как подробно описано ниже, в некоторых вариантах реализации схема регулировки импеданса представляет собой схему согласования импеданса.In some embodiments, the heating system 100 may include, without limitation, a power management system 104, electrodes 116 and 118, and special cables (e.g., wires 108 and 106). In some embodiments, the heating system is configured to be connected to the electrodes 116 and 118. In some embodiments, the heating system is configured to be connected to the special cables (e.g., 108 or 116). In some embodiments, the power management system 104 may include, without limitation, a signal generation unit, a power source, a signal conversion unit, an impedance adjustment circuit, a control unit, and sensors, the specific configurations of which are described in more detail below. As described in detail below, in some embodiments, the impedance adjustment circuit is an impedance matching circuit.
В некоторых вариантах реализации электроды 116 и 118 представляют собой контактные электроды. Например, электроды 116 и 118 физически соединены с объемной средой 102 для подачи электрического тока от системы 104 управления питанием в объемную среду. В некоторых вариантах реализации электроды 116 и 118 могут быть соединены с объемной средой 102, но при этом электрически изолированы от объемной среды 102. Например, в таких вариантах реализации электроды 116 и 118 могут представлять собой вход и выход катушки индуктивности, расположенной вблизи объемной среды 102 для индуцирования тока в объемной среде 102 за счет магнитного поля.In some embodiments, the electrodes 116 and 118 are contact electrodes. For example, the electrodes 116 and 118 are physically connected to the volumetric medium 102 to supply an electric current from the power management system 104 to the volumetric medium. In some embodiments, the electrodes 116 and 118 can be connected to the volumetric medium 102, but at the same time are electrically isolated from the volumetric medium 102. For example, in such embodiments, the electrodes 116 and 118 can be an input and an output of an inductor coil located near the volumetric medium 102 to induce a current in the volumetric medium 102 due to a magnetic field.
Система 104 управления питанием выполнена с возможностью подачи тока с достаточно высокой частотой (например, выше 1 кГц) для ограничения протекания тока в направлении z между электродами 116 и 118 путем регулировки поверхностного эффекта, результатом которой является более высокое сопротивление объемной среды 102. Например, система 104 управления питанием выполнена с возможностью обеспечения переменного тока с частотой от 1 кГц до 300 ГГц. В некоторых вариантах реализации частота тока составляет от 10 кГц до 30 ГГц. В некоторых вариантах реализации частота тока составляет от 100 кГц до 450 МГц. В некоторых вариантах реализации частота тока находится в диапазоне от 1 МГц до 50 МГц, от 100 МГц до 150 МГц, от 200 МГц до 300 МГц, от 400 МГц до 500 МГц или от 800 МГц до 1 ГГц.The power management system 104 is configured to supply a current with a sufficiently high frequency (for example, above 1 kHz) to limit the current flow in the z direction between the electrodes 116 and 118 by adjusting the skin effect, which results in a higher resistance of the bulk medium 102. For example, the power management system 104 is configured to provide an alternating current with a frequency of 1 kHz to 300 GHz. In some embodiments, the current frequency is from 10 kHz to 30 GHz. In some embodiments, the current frequency is from 100 kHz to 450 MHz. In some embodiments, the current frequency is in the range of 1 MHz to 50 MHz, 100 MHz to 150 MHz, 200 MHz to 300 MHz, 400 MHz to 500 MHz, or 800 MHz to 1 GHz.
В некоторых вариантах реализации обратный путь 108 расположен в непосредственной близости от поверхности объемной среды 102. Близость обратного пути 108 к поверхности объемной среды можно использовать для регулировки эффекта близости для тока, протекающего между электродами 116 и 118 и, таким образом, дополнительного ограничения тока и увеличения нагрева объемной среды. Для использования эффекта близости с целью формирования тока, протекающего между электродами 116 и 118, необязательно использовать обратный путь 108 тока от самой цепи системы нагрева. В некоторых вариантах реализации в непосредственной близости (например, на расстоянии 120а) от объемной среды 102 может быть расположен еще один путь 122 тока (например, от другой цепи). Например, когда расстояние 120 или 120а от пути 108 или 122 тока до объемной среды 102 достаточно мало, эффект близости может использоваться для дополнительного ограничения прохождения тока через объемную среду.In some embodiments, the return path 108 is located in close proximity to the surface of the bulk medium 102. The proximity of the return path 108 to the surface of the bulk medium can be used to adjust the proximity effect for the current flowing between the electrodes 116 and 118 and, thus, additionally limit the current and increase the heating of the bulk medium. In order to use the proximity effect for the purpose of forming the current flowing between the electrodes 116 and 118, it is not necessary to use the return path 108 of the current from the heating system circuit itself. In some embodiments, another current path 122 (for example, from another circuit) can be located in close proximity (for example, at a distance 120a) to the bulk medium 102. For example, when the distance 120 or 120a from the current path 108 or 122 to the bulk medium 102 is sufficiently small, the proximity effect can be used to additionally limit the passage of current through the bulk medium.
Например, для создания эффекта близости расстояние 120 (или 120а) между объемной средой и путем 108 (или 122) может составлять менее 1 м, или менее 50 см или менее 10 см. Если имеется возможность обеспечения меньших расстояний с учетом конструктивных ограничений (например, если в случае крыла самолета в качестве объемной среды нервюра или лонжерон самолета не находятся на обратном пути 108/122), расстояние 120 (или 120а) может составлять менее 25 см или менее 10 см.For example, to create a proximity effect, the distance 120 (or 120a) between the volumetric medium and the path 108 (or 122) may be less than 1 m, or less than 50 cm, or less than 10 cm. If it is possible to provide smaller distances taking into account design constraints (for example, if in the case of an aircraft wing as a volumetric medium, the rib or spar of the aircraft is not on the return path 108/122), the distance 120 (or 120a) may be less than 25 cm or less than 10 cm.
Объемная среда 102 может включать в себя такие материалы, как, без ограничения, алюминий, металлические сплавы, углеволокнистые композиты, медь, серебро, титан или сталь. Например, объемная среда может представлять собой любую часть планера летательного аппарата (например, наружную оболочку или поверхность самолета, также известную как «обшивка» самолета), такую как фюзеляж, крылья, шасси, хвостовое оперение и т.д.The volumetric medium 102 may include materials such as, but not limited to, aluminum, metal alloys, carbon fiber composites, copper, silver, titanium, or steel. For example, the volumetric medium may be any part of an aircraft airframe (e.g., the outer shell or surface of an aircraft, also known as the "skin" of an aircraft), such as a fuselage, wings, landing gear, tail unit, etc.
Электроды (116 и 118) могут включать в себя такие материалы, как, без ограничения, алюминий, серебро, медь, их сплавы или другие проводящие материалы. В некоторых вариантах реализации материал электродов имеет по меньшей мере такую же электропроводность, как объемная среда 102. В некоторых вариантах реализации электроды 116 и 118 могут быть расположены в матрицах электродов. Электроды могут быть соединены с объемной средой различными способами, например, они могут быть соединены с верхней или нижней поверхностью среды, либо могут быть встроены в среду.The electrodes (116 and 118) may include materials such as, but not limited to, aluminum, silver, copper, their alloys, or other conductive materials. In some embodiments, the electrode material has at least the same electrical conductivity as the bulk medium 102. In some embodiments, the electrodes 116 and 118 may be located in electrode matrices. The electrodes may be connected to the bulk medium in various ways, for example, they may be connected to the upper or lower surface of the medium, or may be embedded in the medium.
Система 100 нагрева выполнена с возможностью обеспечения эффективного сопротивления в объемной среде 102 путем формирования плотности тока, проходящего через среду. Другими словами, в случае самолета существующий планер самолета будет использоваться как часть электрической цепи системы нагрева. Система 100 нагрева обеспечивает плотность тока путем регулировки поверхностного эффекта, эффекта близости или их комбинации для увеличения эффективного сопротивления объемной среды 102 вдоль пути тока между электродами 116 и 118. В некоторых случаях эффект близости также используют для направления пути тока, например, как показано на фиг. 4D, для нагрева требуемых секций объемной среды. Секция объемной среды, подлежащая нагреву, может упоминаться как «целевое место нагрева» или «целевое место».The heating system 100 is configured to provide an effective resistance in the volumetric medium 102 by forming a current density passing through the medium. In other words, in the case of an airplane, an existing airframe will be used as part of the electric circuit of the heating system. The heating system 100 provides a current density by adjusting the skin effect, the proximity effect, or a combination of both to increase the effective resistance of the volumetric medium 102 along the current path between the electrodes 116 and 118. In some cases, the proximity effect is also used to direct the current path, for example, as shown in Fig. 4D, to heat the desired sections of the volumetric medium. The section of the volumetric medium to be heated may be referred to as a "heating target location" or a "target location".
В некоторых вариантах реализации переменный ток с частотой 1 кГц или выше могут пропускать непосредственно через планер самолета. В результате на участке планера вблизи поверхности, через которую проходит ток, будет происходить джоулев нагрев. Кроме того, тепло, вырабатываемое при прохождении тока, за счет проводимости будет распространяться по всей объемной среде 102.In some embodiments, alternating current with a frequency of 1 kHz or higher may be passed directly through the airframe. As a result, Joule heating will occur in the airframe area near the surface through which the current passes. In addition, the heat generated by the current passing will be distributed throughout the entire volumetric medium 102 by conduction.
Со ссылкой на фиг. 2А-2В, система 100 нагрева обеспечивает плотность тока в средней целевой области 102 путем использования поверхностного эффекта. Как и на фиг. 1, переменный ток (в направлении 212) подают посредством электродов 116 и 118 через целевую область объемной среды 102. Фиг. 2А представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее профиль (например, вид сбоку) плотности 202 тока через целевую область объемной среды 102 без поверхностного эффекта (например, с частотой тока менее 1 кГц). Ток течет в направлении у (212), при этом большая часть тока протекает в объеме среды 102, обозначенном стрелками. Например, ток имеет глубину 206 около 2 мм, например, почти по всей толщине объемной среды. Таким образом, на фиг. 2А показана работа системы 100 с незначительным формированием плотности тока за счет поверхностного эффекта или без такого формирования.Referring to Fig. 2A-2B, the heating system 100 provides a current density in the middle target region 102 by using the skin effect. As in Fig. 1, an alternating current (in the direction 212) is supplied through the electrodes 116 and 118 through the target region of the volumetric medium 102. Fig. 2A is a schematic illustration illustrating a profile (e.g., a side view) of the current density 202 through the target region of the volumetric medium 102 without the skin effect (e.g., with a current frequency of less than 1 kHz). The current flows in the y direction (212), with most of the current flowing in the volume of the medium 102 indicated by the arrows. For example, the current has a depth 206 of about 2 mm, for example, almost through the entire thickness of the volumetric medium. Thus, Fig. 2A shows the operation of the system 100 with little or no current density formation due to the skin effect.
Фиг. 2В представляет собой схематическое изображение профиля плотности 202 тока, полученного в результате подачи переменного тока более высокой частоты (например, выше 1 кГц) посредством электродов. На фиг. 2В показана работа системы 100 при формировании плотности тока за счет поверхностного эффекта. Например, за счет поверхностного эффекта, создаваемого при работе системы 100 нагрева с высокой частотой, глубина плотности 202 тока, протекающего через объемную среду 102, ограничивается в направлении z до узкой области вблизи поверхности объемной среды 102. Кроме того, эффективное сопротивление объемной среды 102 в области протекания тока значительно увеличивается, так что в этой области может осуществляться джоулев нагрев без перегрева остальной части цепи (например, проводов, источника питания, инвертора, схемы регулировки, электродов). Эффективное сопротивление объемной среды переменному току в целевой области может быть больше, чем сопротивление объемной среды постоянному току. Например, эффективное сопротивление может быть на два или более порядков выше, чем сопротивление объемной среды постоянному току.Fig. 2B is a schematic illustration of a current density profile 202 obtained by applying an alternating current of a higher frequency (e.g., above 1 kHz) through the electrodes. Fig. 2B shows the operation of the system 100 in forming the current density due to the skin effect. For example, due to the skin effect created during the operation of the heating system 100 at a high frequency, the depth of the current density 202 flowing through the bulk medium 102 is limited in the z direction to a narrow region near the surface of the bulk medium 102. In addition, the effective resistance of the bulk medium 102 in the region of the current flow is significantly increased, so that Joule heating can be performed in this region without overheating the rest of the circuit (e.g., wires, a power source, an inverter, a control circuit, electrodes). The effective resistance of the bulk medium to alternating current in the target region can be greater than the resistance of the bulk medium to direct current. For example, the effective resistance can be two or more orders of magnitude higher than the DC resistance of the bulk medium.
Фиг. 3 представляет собой график, показывающий концентрацию плотности тока (ось у, приведенная к 1) в глубине материала (ось х, приведенная к 1) в зависимости от подаваемого переменного тока за счет поверхностного эффекта. Плотность тока экспоненциально снижается по толщине (направление z) среды. При увеличении частоты от 1 кГц до 10 МГц плотность тока становится более концентрированной вблизи поверхности объемной среды. Таким образом, чем выше частота, тем более выражено указанное снижение. Другими словами, поверхностный эффект ограничивает плотность тока, вызывая прохождение тока через тонкий слой вблизи поверхности объемной среды. Следовательно, в этом слое также будет происходить джоулев нагрев.Fig. 3 is a graph showing the concentration of the current density (y-axis, normalized to 1) in the depth of the material (x-axis, normalized to 1) as a function of the applied alternating current due to the skin effect. The current density decreases exponentially with the thickness (z-direction) of the medium. As the frequency increases from 1 kHz to 10 MHz, the current density becomes more concentrated near the surface of the bulk medium. Thus, the higher the frequency, the more pronounced this decrease. In other words, the skin effect limits the current density by causing the current to pass through a thin layer near the surface of the bulk medium. Consequently, Joule heating will also occur in this layer.
Фиг. 4А представляет собой схематический вид сбоку системы 400 для использования эффекта близости с целью дополнительного ограничения плотности тока. Как и на фиг. 1, электроды 116 и 118 прикреплены к объемной среде 102 (например, к целевой области планера) и подают сигнал переменного тока (например, с частотой выше 1 кГц) для создания плотности 410 (или пути) тока с направлением 412 через среду. Обратный путь 108 расположен на расстоянии 120 от пути 410 (или плотности) тока в среде и имеет направление 112, отличное от направления 412. В некоторых вариантах реализации обратный путь 108 электрически изолирован от объемной среды 102. Например, обратный путь 108 может представлять собой провод или кабель, расположенный на расстоянии 120 от объемной среды 102. Обратный путь 108 может представлять собой провод или кабель, замыкающий цепь системы 400.Fig. 4A is a schematic side view of a system 400 for using the proximity effect to further limit the current density. As in Fig. 1, electrodes 116 and 118 are attached to a volumetric medium 102 (e.g., a target area of the airframe) and supply an alternating current signal (e.g., with a frequency greater than 1 kHz) to create a current density 410 (or path) with a direction 412 through the medium. A return path 108 is located at a distance 120 from the current path 410 (or density) in the medium and has a direction 112 different from the direction 412. In some embodiments, the return path 108 is electrically isolated from the volumetric medium 102. For example, the return path 108 can be a wire or cable located at a distance 120 from the volumetric medium 102. The return path 108 can be a wire or cable that completes the circuit of the system 400.
Если обратный путь 108 расположен достаточно близко к пути 410 тока (например, на расстоянии менее 50 см), переменный ток в обратном пути 108 ограничивает ток в пути 410 тока в направлениях и поперек пути протекания тока в пути 410 тока. Другими словами, размещение обратного пути 108 достаточно близко к пути 410 тока приводит к ограничению площади поперечного сечения протекания тока в пути 410 тока. Например, со ссылкой на фиг. 4А-4С ток ограничен в двух направлениях (например, в направлении х и направлении z, как показано на фигуре) между электродами 116 и 118. Например, как показано на фиг. 4D, эффект близости ограничивает плотность 410 тока либо в направлении х, либо в направлении у в зависимости от направления протекания тока. Например, если ток течет в направлении х, эффект близости ограничивает ток в направлении у. Например, эффект близости преимущественно ограничивает ток поперек направления протекания тока, тогда как поверхностный эффект преимущественно ограничивает плотность тока в глубине объемной среды (например, в направлении z, как показано на фиг. 2А и 2В). В некоторых случаях эффект близости также может дополнять ограничение плотности тока в глубине (например, в направлении z) объемной среды 102, например, за счет усиления поверхностного эффекта в вариантах реализации, в которых используется как поверхностный эффект, так и эффект близости. В некоторых вариантах реализации эффект близости также может использоваться для задания направления протекания тока через объемную среду (например, маршрута, по которому ток проходит через объемную среду 102).If the return path 108 is located close enough to the current path 410 (for example, at a distance of less than 50 cm), the alternating current in the return path 108 limits the current in the current path 410 in the directions and across the path of current flow in the current path 410. In other words, placing the return path 108 close enough to the current path 410 results in limiting the cross-sectional area of the current flow in the current path 410. For example, with reference to Fig. 4A-4C, the current is limited in two directions (for example, in the x direction and the z direction, as shown in the figure) between the electrodes 116 and 118. For example, as shown in Fig. 4D, the proximity effect limits the current density 410 either in the x direction or in the y direction depending on the direction of current flow. For example, if the current flows in the x direction, the proximity effect limits the current in the y direction. For example, the proximity effect predominantly limits the current across the direction of current flow, while the skin effect predominantly limits the current density in the depth of the volumetric medium (e.g., in the z direction, as shown in Figs. 2A and 2B). In some cases, the proximity effect may also complement the limitation of the current density in the depth (e.g., in the z direction) of the volumetric medium 102, for example, by enhancing the skin effect in embodiments that use both the skin effect and the proximity effect. In some embodiments, the proximity effect may also be used to determine the direction of current flow through the volumetric medium (e.g., the route along which the current passes through the volumetric medium 102).
Фиг. 4В-С представляют собой приведенные для примера схематические изображения системы 400, если смотреть сверху. Электроды 116 и 118 прикреплены к целевой области объемной среды 102 и пропускают сигнал переменного тока (например, с частотой выше 1 кГц) для создания плотности 410 (или пути) тока с направлением 412 через среду. Обратный путь 108 расположен в другой плоскости х-у (пунктирная линия), отличной от плоскости пути 410 (или плотности) тока в объемной среде 102. В некоторых вариантах реализации протекание тока в обратном пути 108 осуществляется в направлении 112, отличном от направления 412 протекания тока в пути 410 тока через объемную среду 102. Например, в некоторых вариантах реализации направление 112 протекания тока в обратном пути 108 противоположно направлению 412 протекания тока в пути 410 тока. Если расстояние 120 от обратного пути 108 до пути 412 тока достаточно мало (например, составляет менее 50 см), ток, протекающий между электродами 116 и 118 в объемной среде 102, будет концентрироваться вблизи провода обратного пути (например, сужаться в направлении у и направлении z) за счет эффекта близости, как показано на фиг. 4С. Чем больше расстояние от обратного пути 108 до объемной среды 102, тем меньше ограничивается путь 412 тока в объемной среде 102, как показано на фиг. 4В.Fig. 4B-C are exemplary schematic illustrations of a system 400 as viewed from above. Electrodes 116 and 118 are attached to a target region of a volumetric medium 102 and pass an alternating current signal (e.g., with a frequency greater than 1 kHz) to create a current density 410 (or path) with a direction 412 through the medium. A return path 108 is located in a different x-y plane (dashed line) than the plane of the current path 410 (or density) in the volumetric medium 102. In some embodiments, the current flow in the return path 108 is in a direction 112 that is different from the direction 412 of the current flow in the current path 410 through the volumetric medium 102. For example, in some embodiments, the direction 112 of the current flow in the return path 108 is opposite to the direction 412 of the current flow in the current path 410. If the distance 120 from the return path 108 to the current path 412 is small enough (for example, less than 50 cm), the current flowing between the electrodes 116 and 118 in the volumetric medium 102 will be concentrated near the return path wire (for example, narrowed in the y direction and the z direction) due to the proximity effect, as shown in Fig. 4C. The greater the distance from the return path 108 to the volumetric medium 102, the less the current path 412 in the volumetric medium 102 is limited, as shown in Fig. 4B.
Фиг. 4D представляет собой приведенное для примера схематическое изображение еще одного варианта реализации системы 450, если смотреть сверху. Как и в предыдущей системе 100, электроды 116 и 118 прикреплены к целевой области объемной среды 102. Обратный путь 108 расположен вблизи объемной среды 102 и в плоскости х-у, отличной от плоскости пути 410 тока в объемной среде 102. Показанный вариант реализации демонстрирует, как можно использовать обратный путь 108 (или другой отдельный путь тока) для формирования пути прохождения тока 410 через объемную среду 102. Например, при размещении второго пути тока (например, токонесущего провода или кабеля, такого как обратный путь 108) вблизи объемной среды 102 эффект близости может использоваться как для ограничения ширины плотности тока поперек направления протекания тока, так и для формирования пути 410 тока в объемной среде 102. На фиг. 4D также показано, что эффект близости ограничивает плотность тока вдоль пути 410 тока поперек направления протекания тока. Например, на фиг. 4D плотность тока вдоль пути 410 тока ограничена в направлении, по существу перпендикулярном направлению протекания тока в каждом сегменте пути 410, и путь 410 тока в объемной среде 102 соответствует форме обратного пути 108. В частности, в секции А пути 410 тока ток направляют таким образом, чтобы он протекал в направлении х, а плотность тока ограничивается в направлении у и направлении z. В секции В пути 410 тока ток направляют таким образом, чтобы он протекал в направлении у, а плотность тока ограничивается в направлении х и направлении z.Fig. 4D is an exemplary schematic diagram of another embodiment of system 450, viewed from above. As in the previous system 100, electrodes 116 and 118 are attached to a target region of volumetric medium 102. Return path 108 is located near volumetric medium 102 and in an x-y plane different from the plane of current path 410 in volumetric medium 102. The illustrated embodiment demonstrates how return path 108 (or another separate current path) can be used to form a current path 410 through volumetric medium 102. For example, by placing a second current path (e.g., a current-carrying wire or cable, such as return path 108) near volumetric medium 102, the proximity effect can be used both to limit the width of the current density across the direction of current flow and to form the current path 410 in volumetric medium 102. In Fig. 4D also shows that the proximity effect limits the current density along the current path 410 across the direction of current flow. For example, in Fig. 4D, the current density along the current path 410 is limited in a direction substantially perpendicular to the direction of current flow in each segment of the path 410, and the current path 410 in the volumetric medium 102 corresponds to the shape of the return path 108. In particular, in section A of the current path 410, the current is directed such that it flows in the x direction, and the current density is limited in the y direction and the z direction. In section B of the current path 410, the current is directed such that it flows in the y direction, and the current density is limited in the x direction and the z direction.
Возможность придания пути тока более сложной геометрии за счет эффекта близости, как показано на фиг. 4D, может иметь ряд преимуществ. Во-первых, такая геометрия пути может использоваться для увеличения эффективной длины / пути тока. Как описано выше, увеличение длины пути приводит к увеличению сопротивления и, следовательно, увеличению джоулева нагрева. Во-вторых, геометрия пути тока может быть выполнена с возможностью направления тока к стратегически важным местам для их нагрева. В-третьих, геометрия пути тока может использоваться для создания областей повышенного нагрева (например, горячих точек) на острых углах пути тока.The ability to create a more complex current path geometry using the proximity effect, as shown in Fig. 4D, can have several advantages. First, such a path geometry can be used to increase the effective length/path of the current. As described above, increasing the path length leads to an increase in resistance and, therefore, to an increase in Joule heating. Second, the current path geometry can be designed to direct the current to strategic locations for heating. Third, the current path geometry can be used to create areas of increased heating (e.g., hot spots) at sharp corners of the current path.
За счет комбинирования эффекта близости и поверхностного эффекта эффективное сопротивление объемной среды переменному току в целевой области может быть больше, чем сопротивление объемной среды постоянному току. Например, эффективное сопротивление может быть на два или более порядков выше, чем сопротивление объемной среды постоянному току.Due to the combination of the proximity effect and the skin effect, the effective resistance of the bulk medium to alternating current in the target region can be greater than the resistance of the bulk medium to direct current. For example, the effective resistance can be two or more orders of magnitude higher than the resistance of the bulk medium to direct current.
На фиг. 5А-В показаны результаты графического моделирования, иллюстрирующие повышенную концентрацию плотности тока в целевой области объемного проводника 102 вблизи второго проводника / пути 108 в зависимости от расстояния 120 между проводниками за счет эффекта близости. Ток в объемном проводнике и втором пути достаточен для создания эффекта близости (например, частота выше 1 кГц или 10 МГц) при уменьшении расстояния 120. Например, когда расстояние 120 составляет 20 см, плотность 410 тока остается приблизительно одинаковой в плоскости х-у, как показано на фиг. 5А. При уменьшении расстояния 120 до 2 см, как показано на фиг. 5В, эффект близости вызывает «концентрацию» или «ограничение» тока 410 вокруг обратного пути 108 в плоскости x-z. Это происходит за счет того, что большая часть тока 410 концентрируется на узкой полосе вдоль объемного проводника и повторяет путь второго проводника (108) (например, обратного пути или других токонесущих проводов). Другими словами, ток 410 следует по пути наименьшей индуктивности, а не распределяется по объемной среде равномерно.Fig. 5A-B show the results of graphical modeling illustrating the increased concentration of the current density in the target region of the volume conductor 102 near the second conductor/path 108 as a function of the distance 120 between the conductors due to the proximity effect. The current in the volume conductor and the second path is sufficient to create the proximity effect (e.g., a frequency above 1 kHz or 10 MHz) as the distance 120 decreases. For example, when the distance 120 is 20 cm, the current density 410 remains approximately the same in the x-y plane, as shown in Fig. 5A. As the distance 120 decreases to 2 cm, as shown in Fig. 5B, the proximity effect causes a "concentration" or "confinement" of the current 410 around the return path 108 in the x-z plane. This occurs because the majority of the current 410 is concentrated in a narrow strip along the bulk conductor and follows the path of the second conductor (108) (e.g., the return path or other current-carrying wires). In other words, the current 410 follows the path of least inductance, rather than being distributed uniformly throughout the bulk medium.
В некоторых вариантах реализации для создания эффекта близости используется провод, отличный от обратного пути 108, показанный как путь 122 на фиг. 1. В этом случае колебания тока в этом проводе могут находиться под управлением той же системы (например, системы 104 управления питанием), что и пути 106 и 108, или нет. В этом случае эффект близости провода 122 будет зависеть от расстояния от провода 112 до пути 412 тока в объемном проводнике. Как и в случае обратного пути 108, может потребоваться, чтобы провод 122 находился достаточно близко (например, на расстоянии менее 50 см) к пути 412.In some embodiments, a wire other than the return path 108, shown as path 122 in Fig. 1, is used to create the proximity effect. In this case, the current fluctuations in this wire may be controlled by the same system (for example, the power management system 104) as the paths 106 and 108, or not. In this case, the proximity effect of the wire 122 will depend on the distance from the wire 112 to the current path 412 in the bulk conductor. As in the case of the return path 108, it may be necessary for the wire 122 to be quite close (for example, at a distance of less than 50 cm) to the path 412.
В целом, система 104 управления питанием подает ток в объемную среду 102 посредством электродов (например, 116 и 118) и специальных электрических проводников (например, специальных проводов или специальных кабелей) для образования замкнутой цепи (см. фиг. 1). Три этих компонента будут более подробно рассмотрены ниже.In general, the power management system 104 supplies current to the volumetric medium 102 via electrodes (e.g., 116 and 118) and special electrical conductors (e.g., special wires or special cables) to form a closed circuit (see Fig. 1). These three components will be discussed in more detail below.
В некоторых вариантах реализации электроды 116 и 118 включают в себя матрицу входных и выходных электродов, как показано на фиг. 6А. Система 600 электродов включает в себя три входных электрода 116 (1)-(3), образующих матрицу 116 электродов, и три выходных электрода 118 (1)-(3), образующих матрицу 118 электродов и формирующих смежные пути 410 тока в объемной среде. Эффект близости за счет тока 112 в обратных проводах 108 ограничивает плотность 410 тока в объемной среде, как описано выше.In some embodiments, the electrodes 116 and 118 include an array of input and output electrodes, as shown in Fig. 6A. The electrode system 600 includes three input electrodes 116 (1) - (3) forming an electrode array 116, and three output electrodes 118 (1) - (3) forming an electrode array 118 and forming adjacent current paths 410 in the volumetric medium. The proximity effect due to the current 112 in the return wires 108 limits the current density 410 in the volumetric medium, as described above.
В целом, для достижения необходимого нагрева в целевых областях объемной среды 102 могут использоваться электроды различной геометрии. Например, со ссылкой на фиг. 6В, система 610 показывает два электродных устройства 116 и 118, используемых для подачи тока через целевую область объемной среды 102 (с входным / выходным проводами 106 и 108). Компоновка 116 и 118 электродов может представлять собой матрицу из одного или более электродов, как показано на фиг. 6А. Фиг. 6C-D представляют собой схематические изображения других конфигураций 620 и 630 электродов соответственно для нагрева целевой области (областей) 120, например, на крыле летательного аппарата. Компоновки электродов, обозначенные ссылочными позициями 116, 118 и 640, могут представлять собой одиночные электроды или матрицу из одного или более электродов, как показано на фиг. 6А. Дополнительная информация о форме и конструкции электродов приведена ниже.In general, electrodes of different geometries can be used to achieve the desired heating in the target regions of the volumetric medium 102. For example, with reference to Fig. 6B, the system 610 shows two electrode devices 116 and 118 used to supply current through the target region of the volumetric medium 102 (with input/output wires 106 and 108). The arrangement 116 and 118 of the electrodes can be an array of one or more electrodes, as shown in Fig. 6A. Figs. 6C-D are schematic illustrations of other configurations 620 and 630 of the electrodes, respectively, for heating the target region(s) 120, for example, on the wing of an aircraft. The electrode arrangements designated by reference numerals 116, 118 and 640 can be single electrodes or an array of one or more electrodes, as shown in Fig. 6A. Additional information on the shape and design of the electrodes is provided below.
В некоторых вариантах реализации объемная среда представляет собой обшивку самолета, а целевые области нагрева включают в себя, без ограничения: крылья, фюзеляж, вертикальные стабилизаторы, горизонтальные стабилизаторы, окна, законцовки, лобовое стекло, поверхности управления (закрылки, элероны, руль направления, руль высоты, воздушные тормоза и т.д.), носовую часть / носовой обтекатель, шасси, тормоза шасси, створки шасси, двигатели и гондолы двигателей, впуски и выпуски системы кондиционирования, вентиляционные отверстия топливных баков, приемники воздушного давления, приемники статического давления и другие антенны, датчики и внешние сигнальные огни, эксплуатационные щитки. Другими словами, в некоторых случаях предложенная технология может предусматривать размещение электродов на внутренней части планера в одной или более конфигурациях, показанных на фиг. 6A-D. В некоторых вариантах реализации система 100 нагрева будет осуществлять джоулев нагрев на участках целевой области, а затем теплопроводность материала может обеспечивать более «распределенный» нагрев.In some embodiments, the volumetric medium is the skin of the aircraft, and the target areas of heating include, but are not limited to: wings, fuselage, vertical stabilizers, horizontal stabilizers, windows, winglets, windshield, control surfaces (flaps, ailerons, rudder, elevator, air brakes, etc.), nose section/nose cone, landing gear, landing gear brakes, landing gear doors, engines and engine nacelles, air conditioning inlets and outlets, fuel tank vents, air pressure probes, static pressure probes and other antennas, sensors and external warning lights, operational flaps. In other words, in some cases, the proposed technology may provide for placing electrodes on the interior of the airframe in one or more of the configurations shown in Fig. 6A-D. In some embodiments, the heating system 100 will provide Joule heating in portions of the target area, and then the thermal conductivity of the material may provide more "distributed" heating.
В целом, система 104 управления питанием включает в себя систему выработки сигнала, выполненную с возможностью выработки высокочастотного (например, с частотой выше 1 кГц) сигнала переменного электрического тока и передачи его через вышеуказанную целевую область объемной среды 102. В некоторых вариантах реализации, в которых импеданс целевой области мал (в некоторых случаях значительно меньше 1 Ом), система выработки сигнала выполнена с возможностью выработки и поддержания необходимого уровня тока для осуществления джоулева нагрева целевой области. В некоторых случаях, поскольку импедансы других частей системы (например, электрических проводников или проводов, по которым передается сигнал) выше нуля, высокий ток, проходящий через эти части, будет осуществлять нежелательный джоулев нагрев за пределами целевой области. По этой причине в некоторых вариантах реализации система выработки сигнала спроектирована таким образом, что высокий ток подается только вблизи целевой области.In general, the power management system 104 includes a signal generation system configured to generate a high-frequency (for example, with a frequency above 1 kHz) alternating electric current signal and transmit it through the above-mentioned target region of the volumetric medium 102. In some embodiments, in which the impedance of the target region is small (in some cases significantly less than 1 ohm), the signal generation system is configured to generate and maintain the necessary current level to perform Joule heating of the target region. In some cases, since the impedances of other parts of the system (for example, electrical conductors or wires along which the signal is transmitted) are above zero, the high current passing through these parts will perform unwanted Joule heating outside the target region. For this reason, in some embodiments, the signal generation system is designed in such a way that the high current is supplied only near the target region.
В некоторых вариантах реализации некоторые или все элементы/блоки системы выработки сигнала, а также проводящие блоки/кабели, соединяющие их, спроектированы таким образом, чтобы максимально снижать нежелательные потери мощности, обычно возникающие при передаче высокого тока и высокочастотных электромагнитных сигналов.In some embodiments, some or all of the elements/blocks of the signal generation system, as well as the conductive blocks/cables connecting them, are designed to minimize unwanted power losses typically encountered when transmitting high current and high frequency electromagnetic signals.
В некоторых вариантах реализации система выработки сигнала может получать питание от существующих источников питания (например, от существующих электрических шин летательного аппарата). В некоторых вариантах реализации в системе используется специальный аккумулятор или специальный источник питания, который является частью системы. Например, такие специальные источники питания могут включать в себя, без ограничения: электрические генераторы, работающие на топливе, электрические генераторы, работающие на солнечной энергии, электрические генераторы, работающие на энергии ветра, электрические генераторы, работающие на газу, и т.д. В некоторых вариантах реализации система выработки сигнала может быть расположена в цепи между источником питания (например, существующей электрической шиной, специальным аккумулятором, специальным источником питания) и целевой областью.In some embodiments, the signal generation system may be powered by existing power sources (e.g., existing electrical buses of the aircraft). In some embodiments, the system uses a special battery or a special power source that is part of the system. For example, such special power sources may include, but are not limited to: fuel-powered electrical generators, solar-powered electrical generators, wind-powered electrical generators, gas-powered electrical generators, etc. In some embodiments, the signal generation system may be located in a circuit between the power source (e.g., an existing electrical bus, a special battery, a special power source) and the target area.
Кроме того, в некоторых вариантах реализации система выработки сигнала может включать в себя схемы и устройства управления, существующие в виде независимых блоков и/или встроенные в совокупность других блоков, которые являются частью системы выработки сигнала.In addition, in some embodiments, the signal generation system may include control circuits and devices that exist as independent units and/or are integrated into a plurality of other units that are part of the signal generation system.
В некоторых вариантах реализации система 100 нагрева используется для нагрева нескольких отдельных целевых областей. В таком случае каждый элемент или блок системы нагрева (например, блок преобразования сигнала, схема регулировки импеданса, и т.д.) либо может быть централизованным для всей системы, либо может быть распределен в виде отдельного блока или нескольких блоков из расчета на целевую область или группу целевых областей. Конфигурации централизации или распределения, помимо прочего, могут использоваться для улучшения функциональности системы, повышения энергоэффективности, снижения стоимости, соответствия нормативным документам, уменьшения массы, размера и сложности. Например, в некоторых вариантах реализации блок преобразования сигнала является централизованным, тогда как схема регулировки импеданса распределена из расчета один или более блоков на целевую область. В некоторых вариантах реализации блок преобразования сигнала является только частично централизованным с централизованным подблоком преобразования в стандартизированное питание, но при этом подблок выработки переменного тока распределен из расчета один или более подблоков на целевую область или группу целевых областей. В некоторых вариантах реализации блок преобразования сигнала является полностью распределенным, при этом каждый из его подблоков распределен из расчета один или более подблоков на целевую область или группу целевых областей.In some embodiments, the heating system 100 is used to heat several separate target areas. In such a case, each element or block of the heating system (for example, the signal conversion block, the impedance adjustment circuit, etc.) can either be centralized for the entire system, or can be distributed as a separate block or several blocks based on the target area or a group of target areas. Centralization or distribution configurations, among other things, can be used to improve the functionality of the system, increase energy efficiency, reduce cost, comply with regulatory documents, reduce weight, size and complexity. For example, in some embodiments, the signal conversion block is centralized, while the impedance adjustment circuit is distributed based on one or more blocks per target area. In some embodiments, the signal conversion block is only partially centralized with a centralized sub-block for converting to standardized power, but the AC generation sub-block is distributed based on one or more sub-blocks per target area or a group of target areas. In some embodiments, the signal conversion unit is fully distributed, with each of its sub-units distributed at the rate of one or more sub-units per target area or group of target areas.
В некоторых вариантах реализации система 104 управления питанием непрерывно подает питание на целевую область 102 до тех пор, пока операция нагрева / устранения обледенения/предотвращения обледенения не будет завершена. В некоторых вариантах реализации система может включать и выключать подачу питания (например, с использованием блока управления) улучшенным / эффективным образом для достижения необходимой выработки и распределения тепла в проводящем материале 102. Например, когда система включена, тепло вырабатывается в конкретных местах целевой области и передается по целевой области, «распределяясь» на остальную часть целевой области. Когда система выключена, выработанное тепло продолжает распространяться по целевой области.In some embodiments, the power management system 104 continuously supplies power to the target area 102 until the heating/deicing/anti-icing operation is completed. In some embodiments, the system can turn on and off the power supply (e.g., using a control unit) in an improved/efficient manner to achieve the desired heat generation and distribution in the conductive material 102. For example, when the system is turned on, heat is generated in specific locations of the target area and is transferred across the target area, "spreading" to the rest of the target area. When the system is turned off, the generated heat continues to spread across the target area.
В некоторых вариантах реализации в качестве улучшения система может включать в себя разные уровни мощности для включенного состояния и циклически переключать выключенное состояние и разные уровни мощности. В некоторых вариантах реализации конкретные уровни мощности могут быть достигнуты с помощью плавного увеличения / уменьшения мощности в отличие от одноступенчатого увеличения или уменьшения мощности. Такие импульсные режимы работы системы управления питанием могут быть либо полностью предварительно запрограммированы при настройке системы, либо могут изменяться и динамически улучшаться на основе контуров обратной связи, образующих часть блока управления системы, как подробно описано ниже.In some embodiments, as an improvement, the system may include different power levels for the on state and cycle between the off state and different power levels. In some embodiments, specific power levels may be achieved by smoothly increasing/decreasing the power, as opposed to a single step increase or decrease in power. Such pulsed modes of operation of the power management system may either be completely pre-programmed when setting up the system, or may be changed and dynamically improved based on feedback loops that form part of the control unit of the system, as described in detail below.
В некоторых вариантах реализации, в которых система нагрева включает в себя несколько целевых областей, импульсный режим подачи питания, описанный выше, может асинхронно использоваться по всем целевым областям, так что все целевые области будут нагреваться за необходимое количество времени, при этом как общие средние, так и общие мгновенные уровни мощности будут оставаться ниже заданного порогового значения. Например, в случае противообледенительной системы летательного аппарата, предусматривающей нагрев обоих крыльев, фюзеляжа, а также горизонтального и вертикального стабилизаторов, такой поэтапный режим подачи питания может быть разработан таким образом, чтобы система включалась только для одной целевой области за раз. В некоторых вариантах реализации, поэтапный режим подачи питания может быть следующим: включение системы для левого крыла, затем для фюзеляжа, затем для правого крыла, затем для вертикального стабилизатора и затем для горизонтального стабилизатора.In some embodiments, in which the heating system includes several target areas, the pulsed power supply mode described above may be used asynchronously across all target areas, so that all target areas will be heated in a required amount of time, while both the total average and total instantaneous power levels will remain below a specified threshold. For example, in the case of an aircraft anti-icing system that provides for heating both wings, the fuselage, and the horizontal and vertical stabilizers, such a staged power supply mode may be designed so that the system is turned on for only one target area at a time. In some embodiments, the staged power supply mode may be as follows: turning on the system for the left wing, then for the fuselage, then for the right wing, then for the vertical stabilizer and then for the horizontal stabilizer.
В некоторых вариантах реализации на каждом этапе для достижения необходимого нагрева, средней мощности, мгновенного уровня мощности, а также приемлемого распределения тепла может использоваться улучшенная синхронизация. В некоторых вариантах реализации, аналогично вышеописанному режиму, в заданное время может быть нагрето любое подмножество целевых областей.In some embodiments, improved synchronization may be used at each stage to achieve the desired heating, average power, instantaneous power level, and acceptable heat distribution. In some embodiments, similar to the above-described mode, any subset of target areas may be heated at a given time.
В некоторых вариантах реализации один или более блоков или элементов, указанных как часть конструкции системы нагрева, имеют кожух. Такой кожух может быть разработан для одного блока или для любой совокупности блоков. В некоторых вариантах реализации кожухи разработаны в соответствии со стандартами аттестации по воздействию на окружающую среду. Например, кожухи могут быть разработаны в соответствии такими критериями, как негорючесть, защита от осадков, крепление и конструкция, обеспечивающие защиту от внешних ударов и вибраций, электрическая изоляция, защита от внешних электромагнитных помех и экранирование излучения внешних электромагнитных помех в замкнутых цепях, а также тепловая разгрузка.In some embodiments, one or more units or elements specified as part of the heating system design have a casing. Such a casing may be designed for one unit or for any combination of units. In some embodiments, the casings are designed in accordance with environmental impact certification standards. For example, the casings may be designed in accordance with criteria such as non-flammability, protection from precipitation, fastening and design that provide protection from external shocks and vibrations, electrical insulation, protection from external electromagnetic interference and shielding of external electromagnetic interference radiation in closed circuits, as well as thermal relief.
В некоторых вариантах реализации некоторые кожухи могут быть разработаны таким образом, чтобы использовать конструкцию нагреваемого объекта (например, объемного проводящего материала) в качестветеплоотвода. Например, один или более блоков системы нагрева могут быть размещены в металлических или проводящих конструкциях, установленных таким образом, чтобы они имели высокую теплопроводность по отношению к объемной среде, на которой они находятся. Одним возможным преимуществом этой конструкции является нагрев объемной среды, а также обеспечение необходимого охлаждения электронного оборудования. Другим возможным преимуществом этой конструкции является уменьшение массы системы нагрева (или устройства) за счет исключения необходимости обеспечения отдельного теплоотвода для рассеивания потерь. В некоторых вариантах реализации целевые области могут использоваться как часть теплоотводов блоков системы нагрева. Такое использование может повысить эффективность системы нагрева, поскольку цепи системы нагрева неизбежно создают потери тепла, которые могут передаваться в целевые области для их нагрева.In some embodiments, some housings may be designed to use the structure of the heated object (for example, a bulk conductive material) as a heat sink. For example, one or more blocks of the heating system may be placed in metal or conductive structures installed in such a way that they have a high thermal conductivity with respect to the bulk medium on which they are located. One possible advantage of this design is heating the bulk medium and also providing the necessary cooling of the electronic equipment. Another possible advantage of this design is a reduction in the mass of the heating system (or device) by eliminating the need to provide a separate heat sink to dissipate losses. In some embodiments, the target areas may be used as part of the heat sinks of the blocks of the heating system. Such use may increase the efficiency of the heating system, since the circuits of the heating system inevitably create heat losses that can be transferred to the target areas for their heating.
В некоторых вариантах реализации для крепления кожуха к объемной среде могут использоваться адгезивы или крепежные средства различных типов. Например, один адгезив, используемый в основном для сохранения механической жесткости, может использоваться для удержания кожуха на месте, тогда как другой адгезив (или слой) может использоваться для обеспечения пути с более низким тепловым импедансом для выполнения теплоотводящей функции кожуха.In some embodiments, adhesives or fasteners of different types may be used to attach the housing to the bulk medium. For example, one adhesive used primarily to maintain mechanical rigidity may be used to hold the housing in place, while another adhesive (or layer) may be used to provide a path with lower thermal impedance to perform the heat-dissipating function of the housing.
В некоторых вариантах реализации один или более блоков системы нагрева могут быть выполнены с возможностью определения одного или более измерений, включая, без ограничения, напряжение, ток, температуру, прямую мощность и отраженную мощность, измеренные в цепях блока, окружающих кабелях, других блоках или целевых областях. В некоторых вариантах реализации такие измерения в дальнейшем могут использоваться для отслеживания рабочего состояния блока (блоков) и управления их работой (с использованием механизма обратной связи), в том числе включением / выключением, уровнями выходного сигнала и внутреннего управления переключающими и настраиваемыми деталями для повышения эффективности (более подробная информация об управлении переключающими и настраиваемыми деталями в схеме динамической регулировки приведена ниже). Регулируемые параметры могут включать в себя отношение мощности к нагрузке и/или тока к нагрузке, управление напряжением в схеме регулировки и другие соответствующие сигналы.In some embodiments, one or more units of the heating system may be configured to determine one or more measurements, including, but not limited to, voltage, current, temperature, forward power and reflected power measured in the unit circuits, surrounding cables, other units or target areas. In some embodiments, such measurements may then be used to monitor the operating state of the unit(s) and control their operation (using a feedback mechanism), including on/off, output signal levels and internal control of switching and adjustable parts to improve efficiency (more details on control of switching and adjustable parts in the dynamic adjustment circuit are provided below). Adjustable parameters may include power to load and/or current to load ratio, voltage control in the adjustment circuit and other relevant signals.
В некоторых вариантах реализации вышеописанные измерения, используемые в рамках контуров обратной связи, также могут включать в себя специальные датчики обледенения, которые могут быть установлены на целевых областях или вблизи них. Такие датчики могут использоваться, например, для информирования системы нагрева и/или пользователя о статусе завершения устранения обледенения, а также могут обеспечивать входные данные для регулировки уровней мощности на этапах устранения обледенения и предотвращения обледенения. В некоторых вариантах реализации датчики обледенения также могут использоваться для обнаружения отказов системы и/или необходимости технического обслуживания.In some embodiments, the above-described measurements used within the feedback loops may also include special icing sensors that may be installed at or near target areas. Such sensors may be used, for example, to inform the heating system and/or the user of the completion status of deicing, and may also provide input data for adjusting power levels during the deicing and icing prevention stages. In some embodiments, icing sensors may also be used to detect system failures and/or the need for maintenance.
В некоторых вариантах реализации система нагрева может включать в себя блок управления преобразователем протокола (или «блок управления» или «подблок управления»), который принимает входные данные от пользователя (которым может быть пилот или второй пилот в случае противообледенительной системы летательного аппарата) и/или отдатчиков системы и выводит сигналы управления в другие блоки. В некоторых вариантах реализации входные данные от пользователя могут включать в себя, без ограничения, состояние включения / выключения, состояние устранения обледенения / предотвращения обледенения/выключения, целевые температуры для целевых областей и целевую выходную мощность для целевых областей. В некоторых вариантах реализации входные данные от датчиков могут включать в себя, без ограничения, напряжение, ток, температуру, прямую мощность и отраженную мощность, импеданс, данные отдатчиков обледенения, предохранительного фиксатора, различных логических блоков летательного аппарата, информацию от радиоэлектронного оборудования, а также другие данные. В некоторых вариантах реализации блок управления преобразователем протокола является централизованным для всей системы. В некоторых вариантах реализации он является распределенным из расчета один блок управления преобразователем протокола на целевую область или группу целевых областей.In some embodiments, the heating system may include a protocol converter control unit (or "control unit" or "sub-control unit") that receives input data from a user (which may be a pilot or co-pilot in the case of an aircraft anti-icing system) and/or system transmitters and outputs control signals to other units. In some embodiments, the user input data may include, but is not limited to, an on/off state, an ice removal/anti-icing/off state, target temperatures for target areas, and a target output power for target areas. In some embodiments, the sensor input data may include, but is not limited to, voltage, current, temperature, forward power and reflected power, impedance, ice transmitter data, a safety latch, various aircraft logic units, information from avionics, and other data. In some embodiments, the protocol converter control unit is centralized for the entire system. In some embodiments, it is distributed at the rate of one protocol converter control unit per target area or group of target areas.
В некоторых вариантах реализации входные данные пользователя могут быть переданы в блок управления либо по проводной (например, с использованием стандартов передачи данных, таких как ARINC 429), либо по беспроводной связи (например, с использованием соединения по Bluetooth или Wi-Fi с низким энергопотреблением). В некоторых вариантах реализации пользовательское устройство ввода может быть либо встроено в систему нагрева (например, встроено в экранные элементы управления в полетной палубе в случае противообледенительной системы летательного аппарата), либо может представлять собой отдельное устройство, например, планшет с сенсорным экраном (например, отдельный планшет, установленный на полетной палубе, или специальное приложение, установленное на планшете пилота с сенсорным экраном в случае противообледенительной системы летательного аппарата).In some embodiments, the user input data may be transmitted to the control unit either by wire (e.g., using data transmission standards such as ARINC 429) or wireless (e.g., using a Bluetooth or low energy Wi-Fi connection). In some embodiments, the user input device may be either integrated into the heating system (e.g., integrated into on-screen controls on the flight deck in the case of an aircraft de-icing system) or may be a separate device such as a touchscreen tablet (e.g., a separate tablet mounted on the flight deck or a dedicated application installed on the pilot's touchscreen tablet in the case of an aircraft de-icing system).
В некоторых вариантах реализации система 104 управления питанием включает в себя блок или схему преобразования сигнала, который или которая преобразует сигнал от существующих электрических шин или специального аккумулятора, либо любого другого источника питания системы нагрева в необходимый высокочастотный сигнал переменного тока для выработки тока в объемной среде. Например, в случае летательного аппарата блок преобразования сигнала может принимать питание постоянного тока, доступное от электрической шины самолета, и преобразовывать его в необходимый высокочастотный сигнал переменного тока. Еще в одном примере летательного аппарата блок преобразования сигнала может принимать питание, доступное от электрической шины самолета, в виде сигнала переменного тока и преобразовывать его в необходимый высокочастотный сигнал переменного тока. В некоторых вариантах реализации блок преобразования сигнала может принимать питание постоянного тока, доступное от специального аккумулятора или от любого специального источника питания (например, образующего часть системы нагрева), и преобразовывать его в необходимый высокочастотный сигнал переменного тока. В некоторых вариантах реализации специальные аккумуляторы или источники питания могут быть встроены в тот же кожух и/или монтажную плату, что и блок преобразования сигнала.In some embodiments, the power management system 104 includes a signal conversion unit or circuit that converts a signal from existing electrical buses or a special battery, or any other power source of the heating system into the necessary high-frequency AC signal for generating current in the volumetric medium. For example, in the case of an aircraft, the signal conversion unit may receive DC power available from the aircraft electrical bus and convert it into the necessary high-frequency AC signal. In another example of an aircraft, the signal conversion unit may receive power available from the aircraft electrical bus in the form of an AC signal and convert it into the necessary high-frequency AC signal. In some embodiments, the signal conversion unit may receive DC power available from a special battery or from any special power source (for example, forming part of the heating system) and convert it into the necessary high-frequency AC signal. In some embodiments, the special batteries or power sources may be integrated into the same housing and/or circuit board as the signal conversion unit.
Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока 700 преобразования сигнала для системы 104 управления питанием, включающего в себя основной подблок 710 преобразования в стандартизированное питание и основной подблок 720 выработки переменного тока, которые предшествуют другой схеме 730 в остальной части устройства 100. Система 104 управления питанием может получать питание от существующих источников питания, как показано на фиг. 7.Fig. 7 is a schematic diagram of an example signal conversion unit 700 for the power management system 104, including a main subunit 710 for converting to standardized power and a main subunit 720 for generating alternating current, which precede another circuit 730 in the rest of the device 100. The power management system 104 can be powered from existing power sources, as shown in Fig. 7.
Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока 800 преобразования сигнала для системы 104 управления питанием, включающего в себя подблок 810 преобразования в стандартизированное питание, подблок 820 выработки переменного тока и подблок 830 управления.Fig. 8 is a schematic diagram of an example signal conversion unit 800 for power management system 104, including a standardized power conversion subunit 810, an AC generation subunit 820, and a control subunit 830.
В некоторых вариантах реализации подблок преобразования в стандартизированное питание получает питание от существующих источников питания или от аккумулятора системы нагрева и преобразует его в стандартизированный входной сигнал, например, 250 В постоянного тока, для улучшения работы подблока выработки переменного тока, а также для повышения эффективности передачи питания блока преобразования сигнала.In some embodiments, the standardized power conversion subunit receives power from existing power sources or from a heating system battery and converts it into a standardized input signal, such as 250 V DC, to improve the operation of the AC generation subunit and to improve the power transmission efficiency of the signal conversion unit.
В некоторых вариантах реализации, в которых существующие электрические шины подают питание в виде сигнала 400 Гц, 115 В переменного тока в подблок преобразования в стандартизированное питание, подблок преобразования в стандартизированное питание может включать в себя обратноходовой преобразователь с фильтром на выходе, таким как синфазный дроссель, предотвращающий попадание электромагнитных помех в подблок выработки переменного тока или его повреждение. Фиг. 9А представляет собой схематическое изображение приведенного для примера подблока 900 преобразования в стандартизированное питание, включающего в себя обратноходовой преобразователь 910 и синфазный дроссель 920. Фиг. 9В представляет собой схематическое изображение приведенного для примера обратноходового преобразователя 910.In some embodiments, in which existing electrical buses supply power in the form of a 400 Hz, 115 V AC signal to the power standardization subunit, the power standardization subunit may include a flyback converter with an output filter, such as a common mode choke, that prevents electromagnetic interference from entering or damaging the AC generation subunit. Fig. 9A is a schematic illustration of an example power standardization subunit 900 that includes a flyback converter 910 and a common mode choke 920. Fig. 9B is a schematic illustration of an example flyback converter 910.
В некоторых вариантах реализации подблок преобразования в стандартизированное питание представляет собой мостовой выпрямитель, преобразующий питание переменного тока, поступающее от существующих источников питания, в любое необходимое напряжение постоянного тока. В некоторых вариантах реализации подблок преобразования в стандартизированное питание получает питание постоянного тока от аккумулятора или существующих источников питания (например, на 28 В постоянного тока, что типично для летательного аппарата) и преобразует его в другое напряжение постоянного тока или напряжение переменного тока. Например, преобразование напряжения постоянного тока может быть предпочтительным для питания блоков управления и элементов системы нагрева, в этом случае возможные уровни напряжения могут включать в себя ±3,3 В, ±5 В и/или ±12 В. Наконец, в некоторых вариантах реализации в конструкцию подблока преобразования в стандартизированное питание может быть включен каскад коррекции коэффициента мощности в зависимости от источника питания. В некоторых вариантах реализации коррекция коэффициента мощности может служить для коррекции нелинейной нагрузки источника питания, которая может быть необходима. Могут применяться каскады активной и пассивной коррекции коэффициента мощности.In some embodiments, the power standardization subunit is a bridge rectifier that converts AC power from existing power sources to any desired DC voltage. In some embodiments, the power standardization subunit receives DC power from a battery or existing power sources (e.g., 28 VDC, which is typical for an aircraft) and converts it to another DC voltage or AC voltage. For example, DC voltage conversion may be preferred for powering control units and heating system components, in which case possible voltage levels may include ±3.3 V, ±5 V, and/or ±12 V. Finally, in some embodiments, a power factor correction stage may be included in the design of the power standardization subunit depending on the power source. In some embodiments, the power factor correction may serve to correct a non-linear load of the power source, which may be necessary. Active and passive power factor correction stages may be used.
В некоторых вариантах реализации подблок выработки переменного тока использует входное питание от подблока преобразования в стандартизированное питание и преобразует его в необходимый высокочастотный сигнал переменного тока. В некоторых вариантах реализации подблок выработки переменного тока предназначен для повышения эффективности передачи питания блоком преобразования сигнала. В некоторых вариантах реализации подблок выработки переменного тока включает в себя усилитель мощности или генератор переменного тока / радиочастотный генератор.In some embodiments, the AC generation subunit uses the input power from the standardized power conversion subunit and converts it into the desired high-frequency AC signal. In some embodiments, the AC generation subunit is designed to improve the efficiency of power transmission by the signal conversion unit. In some embodiments, the AC generation subunit includes a power amplifier or an AC generator/RF generator.
В некоторых вариантах реализации основной каскад усиления мощности усилителя мощности является либо «линейным», либо «коммутирующим». Соответствующие компромиссы между этими двумя архитектурами могут включать в себя эффективность, допустимую мощность и линейность. Примеры линейных усилителей могут включать усилители класса А, класса В и класса С. Примеры коммутирующих усилителей могут включать усилители класса D, класса Е и класса F. В некоторых вариантах реализации линейные усилители имеют высокую линейность и низкую эффективность по сравнению с коммутирующими усилителями. Низкая эффективность может означать более сложное управление тепловым режимом, более высокие требования к компонентам и т.д. Низкая линейность может означать повышенное содержание гармоник, потенциально вызывающее проблемы соответствия нормативным требованиям, более низкую эффективность, более сложную конструкцию физических и электрических схем расположения и т.д.In some embodiments, the main power gain stage of the power amplifier is either "linear" or "switching". The relevant tradeoffs between these two architectures may include efficiency, power handling, and linearity. Examples of linear amplifiers may include class A, class B, and class C amplifiers. Examples of switching amplifiers may include class D, class E, and class F amplifiers. In some embodiments, linear amplifiers have high linearity and low efficiency compared to switching amplifiers. Low efficiency may mean more complex thermal management, higher component requirements, etc. Low linearity may mean increased harmonic content, potentially causing regulatory compliance issues, lower efficiency, more complex physical and electrical layout design, etc.
В некоторых вариантах реализации подблок выработки переменного тока включает в себя полномостовой усилитель класса D. Например, в конструкции усилителя используются двойные полевые МОП-транзисторы, питаемые от драйвера затвора и кварцевого генератора с температурной компенсацией, генерирующего необходимую частоту. Фиг. 10А представляет собой схематическое изображение приведенного для примера подблока 1000 выработки переменного тока, включающего в себя усилитель 1010 класса D с двойными полевыми МОП-транзисторами, кварцевый генератор 1020 с температурной компенсацией и драйвер 1030 затвора. Фиг. 10В представляет собой теоретическое схематическое изображение приведенного для примера усилителя класса D с использованием двойных полевых МОП-транзисторов. В некоторых вариантах реализации полномостовая архитектура может обеспечивать возможность дифференциальной (сбалансированной) передачи, а также в четыре раза большую выходную мощность для заданного уровня напряжения шины при заданной нагрузке по сравнению с полумостовой архитектурой. Дифференциальная передача также может иметь значение с точки зрения соблюдения нормативов излучения в условиях сбалансированной нагрузки, представленной предполагаемой конструкцией крыла. Кроме того, в некоторых вариантах реализации архитектуры класса D могут иметь более высокий коэффициент использования коммутатора, чем другие архитектуры коммутации.In some embodiments, the AC current generation subunit includes a full-bridge class D amplifier. For example, the amplifier design uses dual MOSFETs fed by a gate driver and a temperature-compensated crystal oscillator generating the desired frequency. Fig. 10A is a schematic diagram of an example AC current generation subunit 1000 that includes a dual MOSFET class D amplifier 1010, a temperature-compensated crystal oscillator 1020, and a gate driver 1030. Fig. 10B is a theoretical schematic diagram of an example class D amplifier using dual MOSFETs. In some embodiments, the full-bridge architecture may provide differential (balanced) transmission capability and four times the output power for a given bus voltage level at a given load compared to a half-bridge architecture. Differential transmission may also be important in terms of meeting emission standards under balanced load conditions, as presented by the intended wing design. Additionally, in some implementations, Class D architectures may have higher switch utilization than other switching architectures.
В некоторых вариантах реализации в архитектуре класса D с одночастотной передачей многие входные параметры могут быть изменены для достижения улучшенных выходных параметров. Пример входного параметра включает бестоковую паузу. Примеры выходных параметров включают эффективность, пиковые напряжения компонентов и т.д.In some implementations of a single-frequency Class D architecture, many input parameters can be changed to achieve improved output parameters. An example of an input parameter includes dead time. Examples of output parameters include efficiency, component peak voltages, etc.
В некоторых вариантах реализации архитектуры класса D могут иметь высокий коэффициент использования коммутатора и варианты реализации полностью кремниевых компонентов, что делает их подходящими для потенциальной разработки интегральных схем специального назначения. В таких разработках возможна реализация системы на кристалле, в которой все компоненты управления и силовая электроника находятся либо на одном кристалле, либо в многокристальном корпусе. В некоторых вариантах реализации архитектура класса D имеет распределенные модули, вмещающие системы на кристалле и поддерживающие схемы, прикрепленные к различным, распределенным местам на заданном элементе летательного аппарата.In some embodiments, class D architectures may have high switch utilization and all-silicon component implementations, making them suitable for potential special-purpose integrated circuit development. Such designs may implement a system-on-chip in which all control components and power electronics are either on a single chip or in a multi-chip package. In some embodiments, class D architectures have distributed modules that contain systems-on-chip and support circuits attached to various, distributed locations on a given aircraft component.
В других вариантах реализации используются другие конструкции коммутации, такие как архитектуры с одним коммутатором, например, класса Е или класса F. В некоторых вариантах реализации такие архитектуры могут быть реализованы с более высокой частотой коммутации, при этом драйвер затвора верхнего плеча сложно или практически невозможно реализовать. В некоторых вариантах реализации архитектуры с одним коммутатором могут использоваться вместо реализаций класса D при увеличении частоты из-за потенциальных ограничений реализаций класса D на этих частотах.Other implementations use other switching designs, such as single switch architectures, such as Class E or Class F. In some implementations, such architectures may be implemented at higher switching frequencies, making the high-side gate driver difficult or impossible to implement. In some implementations, single switch architectures may be used in place of Class D implementations as frequency increases due to potential limitations of Class D implementations at these frequencies.
В некоторых вариантах реализации для ослабления отрицательного влияния нелинейных искажений, присущих некоторым архитектурам коммутации, с коммутирующими усилителями могут использоваться технологии уменьшения и устранения гармоник. Например, для устранения гармоник во время выработки сигнала можно использовать изменение основного рабочего цикла сигнала, гасящие импульсы и другие технологии.In some embodiments, harmonic reduction and elimination technologies may be used with switching amplifiers to mitigate the negative effects of nonlinear distortion inherent in some switching architectures. For example, fundamental duty cycle variation, blanking pulses, and other technologies may be used to eliminate harmonics during signal generation.
В некоторых вариантах реализации подблок выработки переменного тока включает в себя транзисторы, в том числе кремниевые полевые МОП-транзисторы. В некоторых вариантах реализации транзисторы представляют собой полевые МОП-транзисторы на основе нитрида галлия (Gallium Nitride, GaN). В некоторых вариантах реализации транзисторы на основе GaN имеют следующие предпочтительные свойства: сопротивление во включенном состоянии, заряд затвора при включении и заряд обратного восстановления. В некоторых вариантах реализации GaN подходит для более высоких частот.In some embodiments, the AC power generation subunit includes transistors, including silicon MOSFETs. In some embodiments, the transistors are Gallium Nitride (GaN) MOSFETs. In some embodiments, GaN-based transistors have the following preferred properties: on-resistance, gate charge when turned on, and reverse recovery charge. In some embodiments, GaN is suitable for higher frequencies.
В некоторых вариантах реализации подблок преобразования в стандартизированное питание дополнительно включает в себя каскад преобразования малой мощности, например, линейный регулятор, для получения питания от существующих источников питания и преобразования его в подходящий входной сигнал питания для элементов, приводящих в действие подблок выработки переменного тока, например, драйверов затвора или кварцевых генераторов. Фиг. 10С представляет собой схематическое изображение приведенного для примера подблока 1050 выработки переменного тока, включающего в себя усилитель 1010 класса D с двойными полевыми МОП-транзисторами, кварцевый генератор 1020 с температурной компенсацией, драйвер 1030 затвора и каскад 1060 преобразования малой мощности.In some embodiments, the standardized power conversion subunit further includes a low-power conversion stage, such as a linear regulator, for receiving power from existing power sources and converting it into a suitable power input signal for elements that drive the AC generation subunit, such as gate drivers or crystal oscillators. Fig. 10C is a schematic illustration of an example AC generation subunit 1050 that includes a class D amplifier 1010 with dual MOSFETs, a temperature-compensated crystal oscillator 1020, a gate driver 1030, and a low-power conversion stage 1060.
В некоторых вариантах реализации подблок выработки переменного тока расположен вблизи целевой области. Возможным преимуществом этой конструкции является ограничение потерь и излучений, которые происходят при передаче переменного тока от подблока выработки переменного тока через схему регулировки в целевую область. В некоторых вариантах реализации подблок преобразования в стандартизированное питание может быть расположен вблизи подблока выработки переменного тока или вблизи существующего источника питания или специального аккумулятора. Когда подблок преобразования в стандартизированное питание расположен ближе к подблоку выработки переменного тока, он может быть объединен с подблоком выработки переменного тока, что потенциально снижает количество модулей в системе и ее сложность. Когда подблок преобразования в стандартизированное питание расположен ближе к существующему источнику питания или специальному аккумулятору, он может быть предназначен для улучшения передачи питания (включая повышение эффективности и уменьшение электромагнитных помех) от источника питания или аккумулятора в подблок выработки переменного тока. Например, когда существующий источник питания обеспечивает питание с частотой 400 Гц и напряжением 115 В переменного тока, подблок преобразования в стандартизированное питание может включать в себя преобразователь переменного тока в постоянный, преобразующий напряжение источника питания в 250 В постоянного тока, что уменьшает электромагнитные помехи, которые могут быть вызваны переменным током, и повышает эффективность за счет увеличения напряжения и уменьшения количества тока, передаваемого из подблока преобразования в стандартизированное питание в подблок выработки переменного тока.In some embodiments, the AC generation subunit is located near the target area. A possible advantage of this design is to limit the losses and emissions that occur when transmitting AC from the AC generation subunit through the regulation circuit to the target area. In some embodiments, the standardized power conversion subunit may be located near the AC generation subunit or near an existing power source or a special battery. When the standardized power conversion subunit is located closer to the AC generation subunit, it can be combined with the AC generation subunit, which potentially reduces the number of modules in the system and its complexity. When the standardized power conversion subunit is located closer to the existing power source or a special battery, it can be designed to improve power transmission (including increased efficiency and reduced electromagnetic interference) from the power source or battery to the AC generation subunit. For example, when an existing power source provides power at a frequency of 400 Hz and a voltage of 115 V AC, the power conversion subunit may include an AC-to-DC converter that converts the power source voltage to 250 V DC, which reduces electromagnetic interference that may be caused by the AC current and improves efficiency by increasing the voltage and decreasing the amount of current transferred from the power conversion subunit to the AC generation subunit.
В некоторых вариантах реализации подблок управления управляет состоянием блока преобразования сигнала, включением / выключением, выходной мощностью, частотой и другими параметрами на основании соответствующих входных данных, доступных в области применения, для которой разработано устройство (система нагрева), путем вывода сигналов управления в другие подблоки преобразования сигнала, включая подблок преобразования в стандартизированное питание, а также драйверы подблока выработки переменного тока. В примере системы нагрева для устранения обледенения и предотвращения обледенения летательного аппарата в некоторых вариантах реализации ввод данных может включать в себя ручной ввод данных пилотом посредством переключателя на полетной палубе, температуру отдатчиков температуры внутри и снаружи планера, статус обжатия шасси от предохранительного фиксатора, различных логических блоков летательного аппарата, информацию от радиоэлектронного оборудования, обратную связь от самого устройства (системы нагрева), а также другие данные. В некоторых вариантах реализации подблок управления включает в себя супервизор микроконтроллера, питаемый от каскада преобразования малой мощности, такой как линейный регулятор, получающий питание от существующих источников питания и преобразующий его в подходящий входной сигнал питания, и выводящий сигналы управления в подблок преобразования в стандартизированное питание и подблок выработки переменного тока. Фиг. 11 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера подблока 1100 управления, включающего в себя микроконтроллер 1110 и каскад 1120 преобразования малой мощности.In some embodiments, the control subunit controls the state of the signal conversion unit, on/off, output power, frequency and other parameters based on the relevant input data available in the application area for which the device (heating system) is designed, by outputting control signals to other signal conversion subunits, including a standardized power conversion subunit, as well as drivers of the alternating current generation subunit. In the example of a heating system for deicing and preventing icing of an aircraft, in some embodiments, the data input may include manual data input by the pilot via a switch on the flight deck, the temperature of the temperature sensors inside and outside the airframe, the status of the landing gear compression from the safety latch, various logical units of the aircraft, information from the radio-electronic equipment, feedback from the device (heating system) itself, as well as other data. In some embodiments, the control subunit includes a microcontroller supervisor fed from a low-power conversion stage, such as a linear regulator that receives power from existing power sources and converts it into a suitable power input signal, and outputs control signals to a standardized power conversion subunit and an AC generation subunit. Fig. 11 is a schematic illustration of an example control subunit 1100 that includes a microcontroller 1110 and a low-power conversion stage 1120.
В некоторых вариантах реализации, например, в случае модернизированной противообледенительной системы нагрева летательного аппарата блок преобразования сигнала может быть установлен вблизи доступных электрических шин в централизованном месте. Это может снизить сложность установки, время установки и затраты на этот блок. В некоторых вариантах реализации блок преобразования сигнала децентрализован и установлен ближе к целевым областям. Это может уменьшить расстояние, которое должен преодолеть сигнал переменного тока между блоком преобразования сигнала и целевыми областями, что потенциально может снизить затраты, связанные с экранированием сигнала от электромагнитных помех и требованиями к кабелю, по которому передается такой сигнал переменного тока.In some embodiments, for example, in the case of a modernized anti-icing heating system of an aircraft, the signal conversion unit may be installed near accessible electrical buses in a centralized location. This may reduce the complexity of installation, installation time and costs of this unit. In some embodiments, the signal conversion unit is decentralized and installed closer to the target areas. This may reduce the distance that the AC signal must travel between the signal conversion unit and the target areas, which may potentially reduce costs associated with shielding the signal from electromagnetic interference and requirements for the cable through which such an AC signal is transmitted.
В некоторых вариантах реализации система нагрева имеет схему регулировки импеданса, выполненную с возможностью регулировки выходного импеданса системы нагрева до необходимых уровней. Например, схема регулировки импеданса может быть выполнена с возможностью регулировки выходного импеданса системы нагрева в соответствии с входным импедансом объемной среды, которая должна быть нагрета. Например, схема регулировки импеданса может быть выполнена с возможностью регулировки импедансов между выходом системы нагрева и входом объемной среды таким образом, чтобы они находились в требуемом диапазоне относительно друг друга. В некоторых вариантах реализации схема регулировки импеданса выполнена с возможностью регулировки выходного импеданса системы нагрева в соответствии с импедансом объемной среды. Другими словами, схема согласования выполнена с возможностью согласования выходного импеданса блока преобразования сигнала («источника») с импедансом целевой области («нагрузки») в пределах разумных технических допусков. В некоторых вариантах реализации согласование импедансов источника и нагрузки включает в себя регулировку импеданса источника системы нагрева таким образом, чтобы он был комплексно-сопряженным с импедансом объемной среды. В некоторых вариантах реализации схему регулировки импеданса регулируют таким образом, чтобы выходной импеданс системы нагрева находился в пределах 10-30% от импеданса объемной среды, подлежащей нагреву.In some embodiments, the heating system has an impedance control circuit configured to adjust the output impedance of the heating system to the desired levels. For example, the impedance control circuit can be configured to adjust the output impedance of the heating system in accordance with the input impedance of the bulk medium that is to be heated. For example, the impedance control circuit can be configured to adjust the impedances between the output of the heating system and the input of the bulk medium so that they are in a desired range relative to each other. In some embodiments, the impedance control circuit is configured to adjust the output impedance of the heating system in accordance with the impedance of the bulk medium. In other words, the matching circuit is configured to match the output impedance of the signal conversion unit ("source") with the impedance of the target region ("load") within reasonable technical tolerances. In some embodiments, matching the impedances of the source and load includes adjusting the impedance of the source of the heating system so that it is complex-conjugate with the impedance of the bulk medium. In some embodiments, the impedance adjustment circuit is adjusted so that the output impedance of the heating system is within 10-30% of the impedance of the bulk medium to be heated.
Фиг. 12 представляет собой концептуальное схематическое изображение схемы 1200 регулировки между источником 1210 и нагрузкой 1220. На фиг. 12 показана схема регулировки, получающая входное питание от блока преобразования сигнала («источника») через входной порт, импеданс которого отрегулирован в соответствии с выходным сигналом блока преобразования сигнала, и выводящая питание на целевые области («нагрузка») через выходной порт, импеданс которого отрегулирован в соответствии с целевыми областями.Fig. 12 is a conceptual schematic illustration of a control circuit 1200 between a source 1210 and a load 1220. Fig. 12 shows a control circuit that receives input power from a signal conditioning unit ("source") through an input port whose impedance is adjusted in accordance with an output signal of the signal conditioning unit, and outputs power to target areas ("load") through an output port whose impedance is adjusted in accordance with the target areas.
В целом, в случае сигнала переменного тока, когда выходной импеданс источника не соответствует импедансу нагрузки, часть сигнала, переданного от источника к нагрузке, отражается обратно в источник, а не проходит через нагрузку. В некоторых вариантах реализации схема регулировки импеданса может обеспечивать ряд преимуществ за счет предотвращения отражения сигнала и наращивания стоячей волны напряжения, в том числе:In general, in the case of an AC signal, when the output impedance of the source does not match the impedance of the load, a portion of the signal transmitted from the source to the load is reflected back to the source rather than passing through the load. In some embodiments, an impedance adjustment circuit can provide a number of benefits by preventing signal reflection and the buildup of a voltage standing wave, including:
- уменьшение напряжения при вероятности нагрева и возникновения электрической дуги- voltage reduction in case of risk of heating and electric arcing
- повышение эффективности системы нагрева- increasing the efficiency of the heating system
- уменьшение полной выходной мощности, которая требуется от блока преобразования сигнала, и, следовательно, уменьшение размера, массы и стоимости блока преобразования сигнала- reduction of the total output power required from the signal conversion unit and, consequently, reduction of the size, weight and cost of the signal conversion unit
- снижение нагрузки на компоненты системы- reducing the load on system components
- повышение надежности- increasing reliability
- уменьшение температурных градиентов в кабельной разводке и объемной среде.- reduction of temperature gradients in cable wiring and volumetric environment.
В некоторых вариантах реализации выходной импеданс блока преобразования сигнала выше, чем импеданс целевых областей. В этом случае схема регулировки преобразует питание с относительно высоким напряжением и низким током от блока преобразования сигнала в питание с относительно низким напряжением и высоким током, подаваемое на целевые области. В вариантах реализации это означает, что высокий ток подается только после схемы регулировки и, таким образом, ближе к целевой области, что снижает джоулевы потери в остальной части блока преобразования сигнала и повышает общую эффективность системы нагрева.In some embodiments, the output impedance of the signal conversion unit is higher than the impedance of the target areas. In this case, the control circuit converts the relatively high-voltage, low-current power supply from the signal conversion unit into a relatively low-voltage, high-current power supply supplied to the target areas. In embodiments, this means that the high current is supplied only after the control circuit and thus closer to the target area, which reduces the Joule losses in the rest of the signal conversion unit and increases the overall efficiency of the heating system.
В различных вариантах реализации схема регулировки может быть либо централизованной, либо распределенной по всем целевым областям. Распределение схемы регулировки может позволить использовать кабельную разводку в качестве фильтра, что потенциально снижает пиковое напряжение, пиковый ток и/или температурные воздействия на любой заданный компонент. Распределение также может добавить модульности конструкции системы, что может повысить удобство обслуживания / замены деталей. Кроме того, распределение потенциально позволяет исключить из системы чувствительное оборудование и/или взрывоопасные области, например, топливные баки.In various embodiments, the control circuit may be either centralized or distributed across all target areas. Distributing the control circuit may allow the cabling to be used as a filter, potentially reducing peak voltage, peak current, and/or temperature effects on any given component. Distributing may also add modularity to the system design, which may improve ease of maintenance/replacement of parts. In addition, distributing may potentially eliminate sensitive equipment and/or hazardous areas, such as fuel tanks, from the system.
Распределенная схема регулировки импеданса, такая как схема согласования импеданса, расположенная на входе соединительной полосы 1900, может способствовать локальному осуществлению распределенного мониторинга для каждой соединительной полосы, даже в вариантах реализации, в которых система 104 управления питанием подает питание на множество соединительных полос. Она также может обеспечивать средства для различных локализованных возможностей, включая возможности для включения или выключения соединительной полосы 1900, и средства для передачи информации в систему 104 управления питанием. Такая передача может быть обеспечена либо с помощью отдельных кабелей связи, либо с помощью кодирования кабеля питания (например, с помощью кабелей питания, подключенных к соединительным полосам 1900), чтобы уменьшить массу и не допустить путаницы кабелей.A distributed impedance adjustment circuit, such as an impedance matching circuit located at the input of the connection strip 1900, can facilitate local implementation of distributed monitoring for each connection strip, even in embodiments in which the power management system 104 supplies power to a plurality of connection strips. It can also provide means for various localized capabilities, including capabilities for turning on or off the connection strip 1900, and means for transmitting information to the power management system 104. Such transmission can be provided either by separate communication cables or by coding the power cable (for example, by power cables connected to the connection strips 1900) in order to reduce weight and prevent cable entanglement.
Например, распределенная схема регулировки импеданса может инициировать специальное состояние импеданса, которое может быть обнаружено системой 104 управления питанием на основании использования преднамеренного изменения импеданса для кодирования сигналов, подлежащих отправке обратно по линии питания, например, путем кодирования типа цифровой связи, либо способов кодирования аналогового или порогового уровня. В качестве еще одного примера, распределенная схема регулировки импеданса выполнена с возможностью добавления дополнительного сигнала данных (в дополнение к сигналу питания для нагрева) в кабель питания. Альтернативно или дополнительно один или более блоков или элементов, указанных как часть системы нагрева, могут передавать информацию посредством беспроводных средств.For example, the distributed impedance control circuit can initiate a special impedance state that can be detected by the power management system 104 based on the use of an intentional impedance change to encode signals to be sent back along the power line, such as by encoding a type of digital communication, or by encoding an analog or threshold level. As another example, the distributed impedance control circuit is configured to add an additional data signal (in addition to the power signal for heating) to the power cable. Alternatively or additionally, one or more units or elements indicated as part of the heating system can transmit information by wireless means.
В некоторых вариантах реализации схема регулировки дополнительно поддерживает индикацию неисправности. В этих вариантах реализации система нагрева может включать в себя локальные датчики неисправностей, которые, как будет более подробно описано ниже в разделе «Управление и измерение», могут включаться или выключаться в случае возникновения неисправностей или отказов в системе нагрева. Например, локальные датчики неисправностей могут быть расположены на соединительных полосах 1900. Схема регулировки может включать в себя контроллер, который поддерживает работу со справочной таблицей, в которой определены различные типы неисправностей конкретных частей и секций системы нагрева, а также различные значения импеданса, соответствующие типам неисправностей. Затем схема регулировки может быть выполнена с возможностью регулировки ее входного импеданса, определяемого системой управления питанием, до конкретных значений таким образом, чтобы указать на конкретные типы неисправностей или отказов, которые могут присутствовать.In some embodiments, the control circuit additionally supports fault indication. In these embodiments, the heating system may include local fault sensors, which, as will be described in more detail below in the section "Control and measurement", may be turned on or off in the event of faults or failures in the heating system. For example, local fault sensors may be located on the connecting strips 1900. The control circuit may include a controller that supports work with a look-up table, in which various types of faults of specific parts and sections of the heating system are defined, as well as various impedance values corresponding to the types of faults. Then, the control circuit may be configured to adjust its input impedance, determined by the power management system, to specific values in such a way as to indicate specific types of faults or failures that may be present.
Кроме того, в некоторых вариантах реализации схема регулировки может быть сбалансирована путем включения дополнительных емкостных компонентов и заземления средних точек симметрии в схеме. При приведении в действие от полностью дифференциального источника балансировка схемы может обеспечить высокий уровень ослабления синфазного сигнала и лучшую помехоустойчивость. В некоторых вариантах реализации такой баланс не достигается и конец обратного пути схемы регулировки находится на заземлении цепи.In addition, in some embodiments, the control circuit may be balanced by including additional capacitive components and grounding the midpoints of symmetry in the circuit. When driven from a fully differential source, balancing the circuit may provide a high level of common mode rejection and better noise immunity. In some embodiments, such balance is not achieved and the end of the return path of the control circuit is at the ground of the circuit.
В целом, в некоторых вариантах реализации схемы регулировки могут включать в себя пассивные электронные компоненты, расположенные в соответствии с определенными конфигурациями структурных блоков. Например, эти конфигурации структурных блоков могут включать в себя трансформаторы, L-образные схемы, п-образные схемы, Т-образные схемы и другие конфигурации. Фиг. 13A-D представляют собой схематические изображения приведенных для примера структурных блоков схемы регулировки импеданса.In general, in some embodiments, the adjustment circuits may include passive electronic components arranged in accordance with certain configurations of structural blocks. For example, these configurations of structural blocks may include transformers, L-shaped circuits, U-shaped circuits, T-shaped circuits, and other configurations. Figs. 13A-D are schematic illustrations of exemplary structural blocks of an impedance adjustment circuit.
В некоторых вариантах реализации схема регулировки системы нагрева включает в себя подблок пассивной регулировки. Фиг. 14 представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока 1400 схемы регулировки, включающего в себя подблок 1410 пассивной регулировки. В некоторых вариантах реализации подблок пассивной регулировки может включать в себя одну или более конфигураций структурных блоков, описанных выше, а также другие конфигурации, собранные вместе. В некоторых вариантах реализации пассивные электронные компоненты подблока пассивной регулировки выбраны с расчетом на высокие показатели качества, например, для повышения эффективности схемы.In some embodiments, the heating system control circuit includes a passive control subunit. Fig. 14 is a schematic illustration of an example control circuit block 1400 that includes a passive control subunit 1410. In some embodiments, the passive control subunit may include one or more configurations of the structural blocks described above, as well as other configurations assembled together. In some embodiments, the passive electronic components of the passive control subunit are selected to have high quality indicators, for example, to improve the efficiency of the circuit.
В некоторых вариантах реализации схема регулировки системы нагрева может быть выполнена таким образом, чтобы она имела высокий показатель качества или низкий показатель качества. Схемы регулировки с высоким показателем качества могут использоваться для фильтрации гармоник в сигнале. Фильтрация может быть предпочтительна в конструкции коммутирующего усилителя, поскольку в этом случае содержание гармоник может выше, чем в случае линейного усилителя. Однако схемы с высоким показателем качества могут быть более чувствительны к допускам деталей, эксплуатационным изменениям во внешних условиях, вариациям сборки и любым другим изменениям в системе. Таким образом, применение систем с высоким показателем качества может повлечь за собой практические проблемы при реализации систем. Например, в случае противообледенительной системы крыла летательного аппарата, если система имеет высокий показатель качества, настойки схемы регулировки импеданса могут разрегулироваться из-за незначительных возмущений (например, перемещения закрылков), что вызывает риск отказа. Снижение содержания гармоник за пределами основной частоты возбуждения может быть предпочтительным для официальной сертификации, а также для решения практических задач проектирования, включая содержание паразитных сигналов в конструкции, перенапряжение компонентов (либо при пиковых нагрузках, либо при усредненных нагрузках), нестабильность алгоритма управления и т.д. В некоторых случаях можно уменьшить или даже исключить эти проблемы чувствительности за счет использования элементов с динамической настройкой.In some embodiments, the heating system control circuit may be designed to have a high figure of merit or a low figure of merit. Control circuits with a high figure of merit may be used to filter harmonics in the signal. Filtering may be preferable in the design of a switching amplifier, since in this case the harmonic content may be higher than in the case of a linear amplifier. However, circuits with a high figure of merit may be more sensitive to component tolerances, operational changes in external conditions, assembly variations, and any other changes in the system. Thus, the use of systems with a high figure of merit may entail practical problems in the implementation of the systems. For example, in the case of an aircraft wing anti-icing system, if the system has a high figure of merit, the impedance control circuit settings may become misadjusted due to minor disturbances (e.g., flap movements), which causes a risk of failure. Reducing harmonic content outside the fundamental excitation frequency may be desirable for formal certification purposes as well as for practical design issues including spurious content in the design, component overstress (either at peak loads or at average loads), control algorithm instability, etc. In some cases, these sensitivity issues can be reduced or even eliminated by using dynamically tuned elements.
В некоторых вариантах реализации конструкция схемы регулировки системы нагрева может быть основана на концепциях регулировки линии передачи. Например, кабельную разводку на входе и/или выходе схемы регулировки можно рассматривать как часть схемы регулировки. В некоторых вариантах реализации за счет выбора правильных материалов, форм-фактора, размеров и длины кабелей можно добиться подходящей регулировки импеданса.In some embodiments, the design of the heating system control circuit may be based on transmission line control concepts. For example, the cabling at the input and/or output of the control circuit may be considered as part of the control circuit. In some embodiments, by selecting the right materials, form factor, dimensions, and length of cables, suitable impedance control may be achieved.
В некоторых вариантах реализации схема регулировки системы нагрева представляет собой схему динамической регулировки, включающую в себя подблок активной регулировки и подблок управления. Фиг. 15А представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока 1500 схемы регулировки, включающего в себя подблок 1510 активной регулировки и подблок 1520 управления. В некоторых вариантах реализации подблок активной регулировки включает в себя одну или более конфигураций схемы регулировки под управлением подблока управления. В некоторых вариантах реализации пассивные электронные компоненты подблока активной регулировки выбраны с учетом высоких показателей качества, например, для повышения эффективности схемы. В некоторых вариантах реализации подблок управления получает входные данные из сигнала, передаваемого и поступающего из целевых областей (такие как прямая мощность, отраженная мощность или коэффициент стоячей волны напряжения), и динамически управляет подблоком активной регулировки для регулировки настройки импеданса в реальном времени. Например, такое управление может быть достигнуто путем настройки элементов, входящих в конструкцию подблока активной регулировки. Например, элементы с динамической настройкой могут включать в себя настраиваемые конденсаторы и/или настраиваемые катушки индуктивности. Кроме того, примеры настраиваемых элементов включают в себя: точечные диоды, конденсаторы из титаната бария-стронция, отдельные настроечные конденсаторы, варакторные диоды, микроэлектромеханические системы, сегнетоэлектрические варакторы, ферромагнитные компоненты, фильтры на основе железоиттриевого граната и т.д. Приведенные для примера показатели, которые могут учитываться при оценке таких устройств, включают в себя: диапазон рабочих частот, настройку напряжения постоянного тока, настройку линейности сигнала управления, сложность управления, отношение настройки емкости / индуктивности, скорость настройки, показатель качества (Q), срок службы при переключениях, стоимость упаковки, допустимую мощность, потребляемую мощность, напряжение пробоя, линейность, перехват составляющих третьего порядка (IP3), возможность интеграции и т.д.In some embodiments, the heating system control circuit is a dynamic control circuit that includes an active control subunit and a control subunit. Fig. 15A is a schematic diagram of an example control circuit block 1500 that includes an active control subunit 1510 and a control subunit 1520. In some embodiments, the active control subunit includes one or more control circuit configurations under the control of the control subunit. In some embodiments, the passive electronic components of the active control subunit are selected to have high quality characteristics, such as to improve the efficiency of the circuit. In some embodiments, the control subunit receives input data from a signal transmitted and received from target areas (such as forward power, reflected power, or voltage standing wave ratio), and dynamically controls the active control subunit to adjust the impedance setting in real time. For example, such control can be achieved by adjusting elements included in the design of the active control subunit. For example, dynamically tuned elements may include tuned capacitors and/or tuned inductors. Further examples of tuned elements include: point contact diodes, barium strontium titanate capacitors, individual tuning capacitors, varactor diodes, microelectromechanical systems, ferroelectric varactors, ferromagnetic components, yttrium iron garnet filters, etc. Example metrics that may be considered when evaluating such devices include: operating frequency range, DC voltage tuning, control signal linearity tuning, control complexity, capacitance/inductance tuning ratio, tuning speed, figure of merit (Q), switching lifetime, packaging cost, power handling, power consumption, breakdown voltage, linearity, IP3 interception, integration capability, etc.
В некоторых вариантах реализации использование блока управления с обратной связью между целевыми областями и схемой регулировки может позволить схеме адаптироваться к любым внешним изменениям, которые могут повлиять на импеданс целевой области или выходной импеданс блока преобразования сигнала, включая изменения температуры, геометрическую конфигурацию целевых областей, место расположения системы нагрева, окружающую среду системы и целевых областей, а также другие параметры. В некоторых вариантах реализации схема регулировки дополнительно включает в себя каскад преобразования малой мощности, такой как линейный регулятор, получающий питание от существующих источников питания и преобразующий его в подходящий входной сигнал питания для подблока управления. Фиг. 15В представляет собой схематическое изображение приведенного для примера блока 1550 схемы регулировки, включающего в себя подблок 1510 активной регулировки, каскад 1560 преобразования малой мощности и подблок 1520 управления.In some embodiments, the use of a control unit with feedback between the target areas and the control circuit may allow the circuit to adapt to any external changes that may affect the impedance of the target area or the output impedance of the signal conditioning unit, including changes in temperature, the geometric configuration of the target areas, the location of the heating system, the environment of the system and the target areas, and other parameters. In some embodiments, the control circuit further includes a low-power conversion stage, such as a linear regulator, receiving power from existing power sources and converting it into a suitable input power signal for the control subunit. Fig. 15B is a schematic illustration of an example block 1550 of the control circuit, including an active regulation subunit 1510, a low-power conversion stage 1560 and a control subunit 1520.
В некоторых вариантах реализации в целевых областях могут выполняться специальные измерения импеданса для всех конфигураций и условий окружающей среды, покрывающих спектр возможных ситуаций при использовании системы нагрева. Эти измерения могут позволить разработать блок схемы динамической регулировки, адаптированный к наименьшему диапазону импеданса, который позволяет оптимально регулировать импеданс для всего спектра вышеуказанных ситуаций. В некоторых вариантах реализации такая конструкция достигается за счет использования алгоритмической оптимизации или компьютерного моделирования для повышения эффективности системы при снижении массы, сложности и стоимости схемы регулировки.In some embodiments, special impedance measurements may be performed in target areas for all configurations and environmental conditions covering the spectrum of possible situations when using the heating system. These measurements may allow the development of a dynamic control circuit block adapted to the smallest impedance range that allows optimal impedance control for the entire spectrum of the above situations. In some embodiments, such a design is achieved by using algorithmic optimization or computer modeling to improve the efficiency of the system while reducing the weight, complexity and cost of the control circuit.
В некоторых вариантах реализации в системе нагрева могут использоваться специальные кабели, специально разработанные или выбранные на каждой ступени с целью повышения эффективности и экранирования сигнала питания, передаваемого на целевые области. Фиг. 16 представляет собой схематическое изображение ступеней кабелей в приведенной для примера системе нагрева. В различных вариантах реализации ступени кабелей в системе нагрева могут быть выполнены с учетом особенностей, включая кабели между источниками 1620 питания и блоком 1610 преобразования сигнала (первая ступень 1630 кабелей), кабели в блоке преобразования сигнала между подблоком 1640 преобразования в стандартизированное питание и подблоком 1650 выработки переменного тока (вторая ступень 1660 кабелей), кабели между блоком 1610 преобразования сигнала и схемой 1670 регулировки (третья ступень 1680 кабелей), а также кабели между схемой 1670 регулировки и целевыми областями 1690 (четвертая ступень 1695 кабелей).In some embodiments, the heating system may use special cables that are specially designed or selected at each stage to improve the efficiency and shielding of the power signal transmitted to the target areas. Fig. 16 is a schematic illustration of cable stages in an example heating system. In various embodiments, the cable stages in the heating system may be designed to include features including cables between the power sources 1620 and the signal conditioning unit 1610 (the first cable stage 1630), cables in the signal conditioning unit between the standardized power conversion subunit 1640 and the alternating current generation subunit 1650 (the second cable stage 1660), cables between the signal conditioning unit 1610 and the control circuit 1670 (the third cable stage 1680), and cables between the control circuit 1670 and the target areas 1690 (the fourth cable stage 1695).
В целом, при проектировании специальных кабелей в системе нагрева важно учитывать различные конструктивные особенности. В некоторых вариантах реализации важно учитывать тепловые особенности. Например, в некоторых вариантах реализации кабель, соединяющий схему регулировки с целевой областью (или в некоторых случаях проходящий вблизи целевой области и возвращающийся в схему регулировки) зафиксирован для обеспечения увеличенного теплового потока от кабеля на целевую область. Это предпочтительно, если часть тепла, вырабатываемого при прохождении тока по кабелям (которое в противном случае было бы потеряно), рекуперируется и передается в целевую область, задачей которой является выработка тепла, что повышает эффективность системы.In general, when designing special cables in a heating system, it is important to consider various design features. In some embodiments, it is important to consider thermal features. For example, in some embodiments, the cable connecting the control circuit to the target area (or in some cases passing near the target area and returning to the control circuit) is fixed to provide an increased heat flow from the cable to the target area. This is advantageous if a portion of the heat generated by the current flowing through the cables (which would otherwise be lost) is recovered and transferred to the target area whose task is to generate heat, which increases the efficiency of the system.
В некоторых вариантах реализации кабели могут быть проложены вблизи целевой области с использованием крепежных элементов. В таких случаях для улучшения теплового контакта может использоваться термопаста, обладающая улучшенной теплопроводностью, для заполнения воздушных зазоров на границе раздела между кабелями, крепежными элементами и целевой областью.In some embodiments, cables may be routed near the target area using fasteners. In such cases, thermal paste with improved thermal conductivity may be used to improve thermal contact by filling air gaps at the interface between the cables, fasteners, and the target area.
В некоторых вариантах реализации кабели прикреплены непосредственно к целевой области. В таких случаях для улучшения теплового контакта для крепления кабеля к области контакта может использоваться адгезив, обладающий более высокой теплопроводностью. Кроме того, для заполнения некоторых или всех оставшихся воздушных зазоров между кабелем и целевой областью может использоваться термопаста, обладающая более высокой теплопроводностью.In some embodiments, cables are attached directly to the target area. In such cases, to improve thermal contact, an adhesive with higher thermal conductivity may be used to attach the cable to the contact area. In addition, a thermal paste with higher thermal conductivity may be used to fill some or all of the remaining air gaps between the cable and the target area.
В некоторых вариантах реализации могут использоваться кабели с поперечным сечением различной геометрии, а также с разными форм-факторами, в зависимости от блоков, целевых областей или источников питания, к которым подключаются кабели. В некоторых вариантах реализации кабель включает в себя только главный проводник с защитной оболочкой (в том числе для электрической изоляции и/или защиты от окружающей среды, например, коррозии, влажности, экстремальных температур, трения) или без нее. Такая конфигурация может быть предпочтительной для частей системы, по которым будет предаваться сигнал постоянного тока, или которые будут доставлять сигнал в целевую область.In some embodiments, cables with different cross-sectional geometries and form factors may be used, depending on the units, target areas, or power sources to which the cables are connected. In some embodiments, the cable includes only the main conductor with or without a protective jacket (including for electrical insulation and/or protection from the environment, such as corrosion, humidity, extreme temperatures, friction). This configuration may be preferable for parts of the system that will carry a DC signal or that will deliver a signal to the target area.
В некоторых вариантах реализации кабель представляет собой коаксиальный кабель. Коаксиальный кабель может включать в себя экран, который может уменьшать излучение электромагнитных помех при передаче сигнала переменного тока и может защищать от электромагнитных помех, окружающих систему, при передаче любого сигнала.In some embodiments, the cable is a coaxial cable. The coaxial cable may include a shield that can reduce electromagnetic interference radiation when transmitting an AC signal and can protect against electromagnetic interference surrounding the system when transmitting any signal.
В некоторых вариантах реализации кабель представляет собой триаксиальный кабель. Эта конструкция может быть предпочтительной для защиты от электромагнитных помех и изоляции при передаче любого сигнала и, в частности, при передаче балансного сигнала, например, на выходе балансного варианта реализации блока схемы регулировки.In some embodiments, the cable is a triaxial cable. This design may be advantageous for electromagnetic interference protection and isolation when transmitting any signal, and in particular when transmitting a balanced signal, such as at the output of a balanced embodiment of the control circuit block.
В некоторых вариантах реализации кабель представляет собой твинаксиальный кабель. Эта конструкция может иметь те же преимущества, которые обеспечивает триаксиальный кабель.In some embodiments, the cable is a twinaxial cable. This design can have the same advantages as a triaxial cable.
В некоторых вариантах реализации могут использоваться кабели с поперечным сечением разной геометрии в зависимости от блоков, целевых областей или источников питания, к которым подключаются кабели.In some embodiments, cables with different cross-sectional geometries may be used depending on the units, target areas, or power sources to which the cables are connected.
В некоторых вариантах реализации проводник(и) кабеля имеет круглое поперечное сечение. Преимуществом этой конструкции является относительно низкая стоимость производства (низкие единовременные затраты на проектирование) в случае коаксиального / триаксиального / твинаксиального форм-фактора.In some embodiments, the cable conductor(s) have a circular cross-section. The advantage of this design is the relatively low manufacturing cost (low one-time design costs) in the case of coaxial/triaxial/twinaxial form factors.
В некоторых вариантах реализации поперечное сечение кабеля имеет плоскую и/или прямоугольную форму. Например, это поперечное сечение может быть предпочтительной геометрией кабеля на последней ступени системы, на которой кабель подводит ток к целевой области. На этой ступени прямоугольная форма может позволить снизить влияние эффекта близости и поверхностного эффекта на ток, проходящий по кабелю, что приводит к снижению потерь и повышению эффективности системы. Кроме того, такая геометрия может уменьшить общее количество проводящего материала кабеля и, следовательно, уменьшить массу системы, что является важным аспектом в случае противообледенительной системы летательного аппарата.In some embodiments, the cable cross-section has a flat and/or rectangular shape. For example, this cross-section may be a preferred cable geometry in the last stage of the system, where the cable delivers current to the target area. In this stage, the rectangular shape may reduce the influence of the proximity effect and the skin effect on the current passing through the cable, which leads to reduced losses and increased efficiency of the system. In addition, such a geometry may reduce the total amount of conductive material in the cable and, therefore, reduce the mass of the system, which is an important aspect in the case of an aircraft anti-icing system.
В некоторых вариантах реализации в зависимости от конкретного входного и выходного тока и сигналов, передаваемых по кабелю, а также в зависимости от геометрии поперечного сечения и других факторов, размер поперечного сечения может быть выбран таким образом, чтобы ограничивать рабочие температуры до определенного диапазона (например, в соответствии и в зависимости от материалов, используемых для изготовления кабеля), а также чтобы уменьшить массу и размер.In some embodiments, depending on the specific input and output current and signals transmitted through the cable, as well as depending on the cross-sectional geometry and other factors, the cross-sectional size may be selected to limit operating temperatures to a certain range (e.g., in accordance with and depending on the materials used to make the cable), and to reduce weight and size.
В некоторых вариантах реализации может использоваться экранирование кабеля разных типов (и с разной геометрией поперечного сечения) в зависимости от блоков, целевых областей или источников питания, к которым подключаются кабели.In some embodiments, different types of cable shielding (and cross-sectional geometries) may be used depending on the units, target areas, or power sources to which the cables are connected.
В некоторых вариантах реализации кабель не имеет экранирования. Это наиболее предпочтительно на ступенях, на которых передается постоянный ток (и, следовательно, применяются более низкие требования к устранению электромагнитных помех) и на которых отсутствует необходимость прокладывания обратного пути (например, на более поздней ступени системы в варианте реализации, в котором по целевой области проходит обратный ток, и близлежащий кабель подает этот ток в целевую область).In some embodiments, the cable is not shielded. This is most advantageous in stages where DC current is carried (and hence lower EMI requirements apply) and where there is no need to provide a return path (e.g., in a later stage of the system in an embodiment where a return current is carried through the target area and a nearby cable supplies this current to the target area).
В некоторых вариантах реализации используется одинарное экранирование. Это предпочтительно, например, когда достаточно одного слоя экранирования для соответствия кабеля требованиям к электромагнитным помехам / электромагнитной совместимости, а также другим экологическим требованиям.In some embodiments, single shielding is used. This is preferred, for example, when one layer of shielding is sufficient to meet the cable's EMI/EMC requirements and other environmental requirements.
В некоторых вариантах реализации используется двойное экранирование. При этом добавляется еще один экранирующий слой, который, например, может дополнительно уменьшать излучение электромагнитных помех и снижать чувствительность кабеля к электромагнитным помехам.In some embodiments, double shielding is used. In this case, another shielding layer is added, which, for example, can further reduce the emission of electromagnetic interference and reduce the sensitivity of the cable to electromagnetic interference.
В некоторых вариантах реализации используется экранирование тремя или более слоями. При этом добавляются дополнительные экранирующие слои, аналогичные указанным выше.In some embodiments, shielding with three or more layers is used, adding additional shielding layers similar to those indicated above.
В некоторых вариантах реализации для заданной целевой области кабели, подводящие ток к этой области, могут проходить по разным возможным путям.In some embodiments, for a given target area, cables supplying current to that area may run along different possible paths.
В некоторых вариантах реализации кабели просто проходят по приблизительно прямолинейным путям от одной стороны целевой области до другой. В некоторых случаях эти пути могут быть параллельными. В некоторых вариантах реализации кабели могут проходить через целевую область по диагонали, пересекаясь друг с другом в разных местах целевой области. Это, например, обеспечивает более равномерную выработку тепла по всей поверхности целевой области и позволяет создавать относительно более горячие точки в необходимых местах, где кабели пересекаются друг с другом.In some embodiments, the cables simply follow approximately straight paths from one side of the target area to the other. In some cases, these paths may be parallel. In some embodiments, the cables may run diagonally across the target area, crossing each other at various locations in the target area. This, for example, provides for more uniform heat generation across the surface of the target area and allows for the creation of relatively hotter spots at desired locations where the cables cross each other.
В некоторых вариантах реализации кабели проходят по зигзагообразному пути, серпантиновидному пути или по пути, который может быть смоделирован с помощью двумерных сплайновых кривых. Эта конструкция позволяет повысить эффективность системы за счет удлинения пути, по которому проходит ток, протекающий через целевую область, и, следовательно, дополнительно увеличить эффективное сопротивление. Это, например, позволяет достичь более высокой эффективности, более низкого тока и более стабильной регулировки импеданса в системе.In some embodiments, the cables are routed along a zigzag path, a serpentine path, or a path that can be modeled using two-dimensional spline curves. This design allows for increased system efficiency by extending the path along which the current flows through the target area, and thus further increasing the effective resistance. This allows for higher efficiency, lower current, and more stable impedance regulation in the system, for example.
В некоторых вариантах реализации конструкции путей кабеля основаны на комбинации вышеописанных, а также других вариантов.In some embodiments, cable path designs are based on a combination of the above and other options.
В некоторых вариантах реализации в зависимости от конструкции, ступени и назначения кабеля при его изготовлении могут использоваться разные материалы.In some embodiments, depending on the design, stage and purpose of the cable, different materials may be used in its manufacture.
В зависимости от требований к локальному напряжению, току, температуре, мощности, радиусу изгиба и износостойкости, а также других критериев, материалы проводников кабелей могут быть выбраны для повышения эффективности, улучшения электропроводности, уменьшения массы, стоимости, размера и улучшения тепловых характеристик.Depending on local voltage, current, temperature, power, bend radius and wear resistance requirements, and other criteria, cable conductor materials can be selected to improve efficiency, improve electrical conductivity, reduce weight, cost, size and improve thermal performance.
В некоторых вариантах реализации материал проводника может представлять собой медь, серебро, алюминий, углеволокнистый композит, титан или их сплав. В некоторых вариантах реализации проводник выполнен из любого из вышеуказанных материалов и покрыт другими материалами, например, серебряным покрытием для улучшения проводимости оболочки проводника.In some embodiments, the conductor material may be copper, silver, aluminum, carbon fiber composite, titanium, or an alloy thereof. In some embodiments, the conductor is made of any of the above materials and coated with other materials, such as a silver coating to improve the conductivity of the conductor shell.
В некоторых вариантах реализации проводники могут быть выполнены из монолитных материалов или могут быть скручены. Например, в некоторых вариантах реализации все жилы могут бы изолированы друг от друга с использованием изолирующего покрытия, например, эмали. Например, для снижения влияния поверхностного эффекта и эффекта близости в кабеле может использоваться литцендрат.In some embodiments, the conductors may be made of solid materials or may be twisted. For example, in some embodiments, all the cores may be insulated from each other using an insulating coating, such as enamel. For example, to reduce the influence of the skin effect and the proximity effect, litz wire may be used in the cable.
В некоторых вариантах реализации (например, в случае коаксиальных / триаксиальных / твинаксиальных кабелей) в зависимости от требований к локальному напряжению, току, температуре, мощности, радиусу изгиба и износостойкости, а также других критериев, диэлектрические материалы кабелей могут быть выбраны для улучшения таких параметров, как эффективность (например, за счет снижения диэлектрических потерь), масса, стоимость, гибкость, максимальное допустимое отклонение напряжения, максимальное допустимое отклонение мощности, температурный номинал (за счет выдерживания более высоких температур, и/или более высокой теплоемкости, и/или меньших диэлектрических потерь и/или лучшей теплопроводности кабеля).In some embodiments (e.g., in the case of coaxial/triaxial/twinaxial cables), depending on the requirements for local voltage, current, temperature, power, bend radius and durability, as well as other criteria, cable dielectric materials can be selected to improve such parameters as efficiency (e.g., by reducing dielectric losses), weight, cost, flexibility, maximum permissible voltage deviation, maximum permissible power deviation, temperature rating (by withstanding higher temperatures, and/or higher thermal capacity, and/or lower dielectric losses and/or better thermal conductivity of the cable).
В некоторых вариантах реализации, в которых в блоке схемы регулировки используется регулировка линии передачи, в соответствующих кабелях могут использоваться диэлектрические материалы, выбранные также для достижения необходимых уровней импеданса. Приведенные для примера материалы включают в себя материалы на основе полиэтилена и тефлона, а также другие материалы.In some embodiments in which the control circuit block uses transmission line control, the corresponding cables may use dielectric materials that are also selected to achieve the required impedance levels. Examples of materials include polyethylene and Teflon-based materials, as well as other materials.
В некоторых вариантах реализации в зависимости от требований к локальному напряжению, току, температуре, мощности, радиусу изгиба и износостойкости, а также других критериев материалы оболочек кабелей выбраны для улучшения таких параметров, как масса, стоимость, гибкость, максимальное допустимое отклонение напряжения, температурный номинал и теплопроводность в отношении ближайших теплоотводов (например, целевой области, когда она используется в качестве теплоотвода).In some embodiments, depending on local voltage, current, temperature, power, bend radius, and durability requirements, as well as other criteria, cable jacket materials are selected to improve parameters such as weight, cost, flexibility, maximum allowable voltage deviation, temperature rating, and thermal conductivity with respect to nearby heat sinks (e.g., a target area when used as a heat sink).
В некоторых вариантах реализации в случае использования регулировки линии передачи в рамках схемы регулировки для достижения целевого уровня импеданса в дополнение к диэлектрическим материалам можно регулировать длину кабеля, используемого для регулировки импеданса. Например, кабель, подводящий ток к целевой области, используют как часть системы регулировки линии передачи, при этом его длину увеличивают для регулировки импеданса и кабель локально сматывают, чтобы он занимал меньше места.In some embodiments, when using transmission line adjustment as part of an adjustment scheme to achieve a target impedance level, in addition to dielectric materials, the length of the cable used to adjust the impedance can be adjusted. For example, a cable that supplies current to a target area is used as part of a transmission line adjustment system, with its length being increased to adjust the impedance and the cable being locally wound so that it takes up less space.
В некоторых вариантах реализации могут использоваться особые технологии крепления для прокладывания кабелей через конструкцию системы. Такие технологии могут быть выбраны для улучшения таких параметров, как стоимость и время установки, масса системы (за счет уменьшения необходимой длины провода и массы крепежных элементов), а также для улучшения необходимых электромагнитных эффектов и теплопередачи кабелей вблизи целевой области.In some embodiments, special fastening technologies may be used to route cables through the system structure. Such technologies may be selected to improve such parameters as installation cost and time, system weight (by reducing the required wire length and fastener weight), and to improve the required electromagnetic effects and heat transfer of cables near the target area.
В некоторых вариантах реализации крепежный элемент выбран для уменьшения расстояния между кабелем, подводящим питание к целевой области, и целевой областью. Такая конструкция может создавать более выраженный эффект близости. В некоторых вариантах реализации в случае небольшого расстояния между кабелем и целевой областью могут быть выбраны обычные конструкции крепежных элементов кабеля.In some embodiments, the fastening element is selected to reduce the distance between the cable supplying power to the target area and the target area. Such a design can create a more pronounced proximity effect. In some embodiments, in the case of a small distance between the cable and the target area, conventional cable fastening element designs can be selected.
В некоторых вариантах реализации крепежные элементы также используют для увеличения теплопроводности от кабелей к целевой области.In some embodiments, fasteners are also used to increase thermal conductivity from cables to the target area.
В некоторых вариантах реализации материалы крепежных элементов выбраны для снижения массы и стоимости системы. Это может быть достигнуто, например, при использовании композитных материалов. В некоторых вариантах реализации, в которых крепежные элементы также используют для подвода тепла к целевой области, материалы также выбраны для увеличения теплопроводности (металлы, например, обычно имеют относительно высокую теплопроводность).In some embodiments, the fastener materials are selected to reduce the weight and cost of the system. This can be achieved, for example, by using composite materials. In some embodiments in which the fasteners are also used to supply heat to the target area, the materials are also selected to increase thermal conductivity (metals, for example, typically have relatively high thermal conductivity).
В некоторых вариантах реализации адгезивы, используемые для крепления крепежных элементов к областям крепления, выбраны для повышения прочности и обеспечения долговременного крепления к целевой области. Прочность адгезива особенно предпочтительна в случае, когда область крепления относительно мала, а механические ограничения, создаваемые в области крепления, относительно высоки. Кроме того, в некоторых вариантах реализации, в которых крепежные элементы используют для подвода тепла от кабеля к целевой области, адгезив также выбран для увеличения теплопроводности.In some embodiments, adhesives used to attach fasteners to fastening areas are selected to improve strength and ensure long-term attachment to the target area. The strength of the adhesive is particularly advantageous in the case where the fastening area is relatively small and the mechanical constraints created in the fastening area are relatively high. In addition, in some embodiments in which fasteners are used to conduct heat from a cable to a target area, the adhesive is also selected to improve thermal conductivity.
Наконец, в некоторых вариантах реализации, в которых крепежные элементы используют для подвода тепла от кабеля к целевой области, воздушные зазоры в области между кабелем, крепежными элементами и целевой областью заполнены термопастой, обладающей достаточной теплопроводностью для обеспечения улучшенного потока тепла от кабеля в целевую область.Finally, in some embodiments in which fasteners are used to conduct heat from a cable to a target area, the air gaps in the area between the cable, fasteners, and target area are filled with a thermal paste having sufficient thermal conductivity to provide improved heat flow from the cable to the target area.
В некоторых вариантах реализации кабели прикреплены непосредственно к окружающим конструкциям, таким как объемная среда, с использованием адгезива, что обеспечивает лучшую теплопередачу от кабеля на конструкцию, к которой он прикреплен. Адгезивы выбраны на основе критериев, аналогичных критериям, используемым для крепежных элементов.In some embodiments, cables are attached directly to surrounding structures, such as a bulk environment, using an adhesive, which provides better heat transfer from the cable to the structure to which it is attached. Adhesives are selected based on criteria similar to those used for fasteners.
В некоторых вариантах реализации конструкции кабельных узлов предусматривают разделение заданного пути кабеля на группу из двух или более отдельных ответвлений. Это, например, предпочтительно в вариантах реализации, в которых одна схема регулировки подает ток на группу из нескольких целевых областей. В таких вариантах реализации один кабель может быть единственным выходом схемы регулировки и по мере приближения к целевым областям кабель может разделяться на отдельные ответвления, каждое из которых подводит ток к целевым областям. В некоторых вариантах реализации такое разделение может быть достигнуто путем разделения заданной жилы проводника на несколько меньших жил путем распределения подмножества жил в каждое из отдельных ответвлений, когда разделенный кабель имеет многожильный проводник, или путем использования делителя мощности. Делитель мощности может использоваться для управления величиной тока, напряжения и мощности, подаваемых на каждое из ответвлений, на которые разделен кабель.In some embodiments, the cable assembly designs provide for dividing a given cable path into a group of two or more separate branches. This is, for example, advantageous in embodiments in which a single control circuit supplies current to a group of several target areas. In such embodiments, one cable may be the only output of the control circuit and, as it approaches the target areas, the cable may be divided into separate branches, each of which supplies current to the target areas. In some embodiments, such a division may be achieved by dividing a given conductor core into several smaller cores by distributing a subset of the cores to each of the separate branches when the divided cable has a multi-core conductor, or by using a power divider. The power divider may be used to control the amount of current, voltage and power supplied to each of the branches into which the cable is divided.
Аналогичным образом в некоторых вариантах реализации два или более кабелей могут соединяться в меньшее количество кабелей, которые объединяют сигналы, поступающие от всех соединенных кабелей. Такое соединение может быть достигнуто путем соединения заданных жил проводника с другими жилами путем перегруппировки разных подмножеств жил в новые многожильные кабели или путем использования сумматора мощности (например, устройства, аналогичного делителю мощности, но используемого противоположным образом). Сумматор мощности может использоваться для управления величиной тока, напряжения и мощности, подаваемых в каждое из ответвлений, в которые были соединены кабели.Similarly, in some embodiments, two or more cables may be connected into a smaller number of cables that combine signals from all of the connected cables. Such a connection may be achieved by connecting specific conductor cores to other cores, by rearranging different subsets of the cores into new multi-core cables, or by using a power combiner (e.g., a device similar to a power divider but used in the opposite manner). A power combiner may be used to control the amount of current, voltage, and power supplied to each of the branches into which the cables have been connected.
В некоторых вариантах реализации каждая ступень кабелей в системе нагрева имеет уникальные конструктивные особенности кабелей.In some embodiments, each stage of cables in a heating system has unique cable design features.
В некоторых вариантах реализации первая ступень кабелей выбрана таким образом, чтобы обеспечивать эффективную передачу питания от источников питания в подблок преобразования в стандартизированное питание. В некоторых вариантах реализации, в которых источники питания выдают постоянный электрический ток, первая ступень кабелей включает в себя многожильный медный провод, изолированный подходящим материалом, общий эквивалентный калибр которого подходит для мощности, напряжения и тока, подаваемых в подблок преобразования в стандартизированное питание. В некоторых вариантах реализации, в которых источники питания выдают сигнал 400 Гц, 115 В переменного тока, первая ступень кабелей включает в себя многожильный и скрученный медный провод, изолированный подходящим материалом, общий эквивалентный калибр которого подходит для мощности, напряжения и тока, подаваемых в подблок преобразования в стандартизированное питание.In some embodiments, the first stage of the cables is selected so as to ensure efficient transmission of power from the power sources to the subunit for converting into standardized power. In some embodiments, in which the power sources deliver direct electric current, the first stage of the cables includes a multi-core copper wire insulated with a suitable material, the overall equivalent gauge of which is suitable for the power, voltage and current supplied to the subunit for converting into standardized power. In some embodiments, in which the power sources deliver a signal of 400 Hz, 115 V AC, the first stage of the cables includes a multi-core and twisted copper wire insulated with a suitable material, the overall equivalent gauge of which is suitable for the power, voltage and current supplied to the subunit for converting into standardized power.
В некоторых вариантах реализации вторая ступень кабелей выбрана таким образом, чтобы обеспечить эффективную передачу питания от подблока преобразования в стандартизированное питание в подблок выработки переменного тока. В некоторых вариантах реализации, в которых подблок преобразования в стандартизированное питание выдает питание в виде сигнала 250 В постоянного тока, вторая ступень кабелей включает в себя многожильный медный провод, изолированный подходящим материалом, общий эквивалентный калибр которого подходит для мощности, напряжения и тока, подаваемых в подблок преобразования в стандартизированное питание.In some embodiments, the second stage of cables is selected so as to provide efficient transmission of power from the standardized power conversion subunit to the AC generation subunit. In some embodiments, in which the standardized power conversion subunit produces power in the form of a 250 V DC signal, the second stage of cables includes a multi-strand copper wire insulated with a suitable material, the overall equivalent gauge of which is suitable for the power, voltage and current supplied to the standardized power conversion subunit.
В некоторых вариантах реализации третья ступень кабелей выбрана и адаптирована таким образом, чтобы обеспечивать эффективную передачу высокочастотного сигнала питания переменного тока от выхода блока преобразования сигнала в схему регулировки. Например, кабель может быть выполнен с возможностью уменьшения омических и электромагнитных потерь, обусловленных высокой частотой сигнала, и может быть экранирован от внешних помех, которые могут нарушить целостность сигнала, а также предотвращения утечки сигнала из кабеля, которая может влиять на окружающее оборудование и материалы. В некоторых вариантах реализации третья ступень кабелей представляет собой линию передачи высокой мощности и высокой частоты в виде специального коаксиального кабеля. В некоторых вариантах реализации коаксиальный кабель включает в себя проводник с сердечником, по которому проходит входной сигнал схемы регулировки и который выполнен из многожильного медного провода достаточно большого внешнего диаметра, что позволяет передавать питание с меньшими омическими потерями, диэлектрический материал, окружающий сердечник, выбранный для улучшения электрической изоляции и выдерживания диапазонов высокого напряжения и температуры, экранирующий проводник, обеспечивающий обратный путь сигнала в подблок выработки переменного тока, выполненный из многожильного и плетеного медного провода, достаточно большого эквивалентного калибра, что позволяет передавать питание с меньшими омическими потерями, первый кожух, изолирующий проводящий экран, выбранный для выдерживания диапазонов высокого напряжения и температуры, внешний экран, аналогичный проводящему экрану, но непосредственно не проводящий ток и используемый для экранирования кабеля от внешних помех и для предотвращения утечки, и, наконец, второй кожух, аналогичный первому кожуху и изолирующий внешний экран.In some embodiments, the third stage of the cables is selected and adapted so as to ensure efficient transmission of the high-frequency AC power signal from the output of the signal conversion unit to the control circuit. For example, the cable can be designed to reduce ohmic and electromagnetic losses caused by the high frequency of the signal, and can be shielded from external interference that can disrupt the integrity of the signal, as well as prevent signal leakage from the cable that can affect surrounding equipment and materials. In some embodiments, the third stage of the cables is a high-power and high-frequency transmission line in the form of a special coaxial cable. In some embodiments, the coaxial cable includes a conductor with a core, through which the input signal of the control circuit passes and which is made of a multi-strand copper wire of a sufficiently large outer diameter, which allows for the transmission of power with lower ohmic losses, a dielectric material surrounding the core, selected to improve electrical insulation and to withstand high voltage and temperature ranges, a shield conductor providing a return path for the signal to the alternating current generating subunit, made of a multi-strand and braided copper wire, of a sufficiently large equivalent gauge, which allows for the transmission of power with lower ohmic losses, a first casing, an insulating conductive shield, selected to withstand high voltage and temperature ranges, an outer shield, similar to the conductive shield, but not directly conducting current and used to shield the cable from external interference and to prevent leakage, and, finally, a second casing, similar to the first casing and insulating the outer shield.
В некоторых вариантах реализации четвертая ступень кабелей выбрана и адаптирована таким образом, чтобы обеспечить эффективную передачу сигнала питания переменного тока высокой частоты и высокого тока от схемы регулировки в целевые области. В некоторых вариантах реализации этот кабель выполнен с возможностью регулировки импеданса между схемой регулировки и целевыми областями для уменьшения омических и электромагнитных потерь, обусловленных высокой частотой сигнала, и может быть экранирован от внешних помех, которые могут нарушить целостность сигнала, а также предотвращения утечки сигнала из кабеля, которая может влиять на окружающее оборудование и материалы. В некоторых вариантах реализации четвертая ступень кабелей представляет собой линию передачи высокой мощности, высокой частоты и высокого тока в виде специального коаксиального кабеля, аналогичную варианту реализации, описанному выше в отношении третьей ступени кабелей, за исключением больших сечений и диаметров проводников и дополнительного серебряного покрытия тех же проводников для улучшения характеристик при высоком токе и дополнительного снижения омических потерь. В некоторых вариантах реализации четвертая ступень кабелей дополнительно адаптирована с помощью конструкции на основе литцендрата. Назначением такой конструкции является снижение потерь из-за эффекта близости и поверхностного эффекта в кабелях за счет изготовления проводников из материалов, более тонких, чем глубина скин-слоя, отдельно изолированных (например, с использованием эмалевого покрытия) и скрученных или сплетенных с идеальной симметрией.In some embodiments, the fourth stage of the cables is selected and adapted to provide efficient transmission of the high-frequency and high-current AC power signal from the regulation circuit to the target areas. In some embodiments, this cable is configured to adjust the impedance between the regulation circuit and the target areas to reduce ohmic and electromagnetic losses caused by the high frequency of the signal, and can be shielded from external interference that can disrupt the integrity of the signal, as well as prevent signal leakage from the cable, which can affect the surrounding equipment and materials. In some embodiments, the fourth stage of the cables is a high-power, high-frequency and high-current transmission line in the form of a special coaxial cable similar to the embodiment described above in relation to the third stage of the cables, except for large cross-sections and diameters of the conductors and additional silver coating of the same conductors to improve the characteristics at high current and further reduce ohmic losses. In some embodiments, the fourth stage of the cables is further adapted using a litz wire-based design. The purpose of this design is to reduce proximity and skin effect losses in cables by making the conductors from materials thinner than the skin depth, individually insulated (e.g. using an enamel coating) and twisted or braided with perfect symmetry.
В целом, электроды включают в себя материал, по которому ток будет попадать в целевую область объемной среды и покидать ее. В некоторых вариантах реализации для подключения электродов к объемной среде используется соединитель. Соединитель относится к крепежному приспособлению, соединяющему электроды с объемной средой. В некоторых вариантах реализации электроды и соединители выполнены с возможностью уменьшения контактного сопротивления между электродами и объемной средой. Другими словами, электроды выполнены с возможностью усреднения разности потенциалов, возникающей в целевой области, для заданного обратного пути. Если это контактное сопротивление выше, чем сопротивление целевой области между двумя электродами, в точках контакта будет происходить больший нагрев, чем вдоль целевой области, при прочих равных условиях, что снижает эффективность системы нагрева. В некоторых вариантах реализации по аналогичным причинам электроды и соединители выполнены с возможностью уменьшения контактного сопротивления между электродами и проводами (или кабелями) системы нагрева. В некоторых вариантах реализации электроды и соединители также могут быть выполнены с возможностью уменьшения электромагнитных потерь (например, электромагнитного излучения).In general, the electrodes include a material through which the current will enter and leave the target region of the bulk medium. In some embodiments, a connector is used to connect the electrodes to the bulk medium. The connector refers to a fastening device that connects the electrodes to the bulk medium. In some embodiments, the electrodes and connectors are configured to reduce the contact resistance between the electrodes and the bulk medium. In other words, the electrodes are configured to average the potential difference that occurs in the target region for a given return path. If this contact resistance is higher than the resistance of the target region between the two electrodes, more heating will occur at the contact points than along the target region, all other things being equal, which reduces the efficiency of the heating system. In some embodiments, for similar reasons, the electrodes and connectors are configured to reduce the contact resistance between the electrodes and the wires (or cables) of the heating system. In some embodiments, the electrodes and connectors can also be configured to reduce electromagnetic losses (e.g., electromagnetic radiation).
В некоторых вариантах реализации конструктивные особенности электродов для решения одной или более вышеуказанных задач включают в себя: (1) выбор материала электродов, имеющего высокую проводимость, и (2) увеличение «реальной» площади контакта между электродами и объемной средой, а также между электродами и проводами. «Реальная» область контакта относится к едва заметному контакту между металлами или между материалами, за счет которого ток перетекает с одного материала на другой, часто называемому «точками проводящего контакта». В некоторых вариантах реализации соединители также выполнены с возможностью решениях этих задач.In some embodiments, design features of electrodes for solving one or more of the above problems include: (1) selecting an electrode material having high conductivity, and (2) increasing the "real" contact area between the electrodes and the bulk medium, as well as between the electrodes and the wires. The "real" contact area refers to the barely noticeable contact between metals or between materials, due to which current flows from one material to another, often referred to as "conductive contact points". In some embodiments, connectors are also configured to solve these problems.
В некоторых вариантах реализации материал электродов может включать в себя серебро, медь, алюминий, углеволокнистый композит, титан или их сплав.In some embodiments, the electrode material may include silver, copper, aluminum, carbon fiber composite, titanium, or an alloy thereof.
В некоторых вариантах реализации электроды являются частью кабелей, используемых для передачи тока в объемную среду.In some embodiments, the electrodes are part of cables used to transmit current into a volumetric medium.
В некоторых вариантах реализации геометрия электродов выполнена в соответствии с конкретной целевой областью, и/или для уменьшения контактного сопротивления между электродами и объемной средой и/или для уменьшения электромагнитных потерь.In some embodiments, the geometry of the electrodes is configured to suit a specific target region and/or to reduce contact resistance between the electrodes and the bulk medium and/or to reduce electromagnetic losses.
В некоторых вариантах реализации электроды могут иметь круглую форму.In some embodiments, the electrodes may be round in shape.
В некоторых вариантах реализации электроды имеют форму концов кабелей, используемых для подвода тока к объемной среде.In some embodiments, the electrodes are in the form of ends of cables used to supply current to the bulk medium.
В некоторых вариантах реализации используют линейные электроды (например, прямоугольные электроды, длина которых больше, чем ширина).In some embodiments, linear electrodes are used (e.g., rectangular electrodes whose length is greater than their width).
В некоторых вариантах реализации используют электроды в форме двумерных сплайновых кривых малой толщины (в третьем пространственном измерении).In some embodiments, electrodes in the form of two-dimensional spline curves of small thickness (in the third spatial dimension) are used.
В некоторых вариантах реализации проводник кабеля может быть подключен к целевой области путем зажатия между пластиной соединителя и целевой областью. Например, участок стороны пластины соединителя, контактирующий с целевой областью, может быть отфрезерован. Проводник кабеля, посредством которого реализовано подключение к целевой области, может быть расположен в этом отфрезерованном участке. Эта конфигурация позволяет прижать или приклеить пластину соединителя электрода, под которой находится проводник кабеля, без необходимости сгибания соединения для обеспечения надлежащего крепления к целевой области.In some embodiments, the cable conductor may be connected to the target area by clamping between the connector plate and the target area. For example, a portion of the side of the connector plate that contacts the target area may be milled. The cable conductor, by means of which the connection to the target area is realized, may be located in this milled portion. This configuration allows the electrode connector plate, under which the cable conductor is located, to be pressed or glued without the need to bend the connection to ensure proper fastening to the target area.
В целом, существуют различные варианты реализации и конструктивные особенности электродов и соединителей.In general, there are various implementation options and design features of electrodes and connectors.
Фиг. 17 представляет собой изображение приведенного для примера электрода 1700 со шпилькой круглого сечения для системы 100 нагрева. Электрод включает в себя шпильку заземления круглого сечения, соединенную с диском 1710, выполненным из проводящего материала (например, алюминия), на котором установлен резьбовой проводящий материал 1720 (например, алюминий).Fig. 17 is an illustration of an exemplary electrode 1700 with a round cross-section stud for the heating system 100. The electrode includes a round cross-section grounding stud connected to a disk 1710 made of a conductive material (e.g., aluminum), on which a threaded conductive material 1720 (e.g., aluminum) is mounted.
В некоторых вариантах реализации проводник кабеля, соединенный с целевой областью посредством электрода 1700, равномерно намотан вокруг резьбового проводящего материала 1720, покрывая значительный участок площади поверхности как резьбового проводящего материала, так и диска. В некоторых вариантах реализации для прижатия проводника к диску 1710 на резьбовом материале 1720 может использоваться гайка и шайба, что обеспечивает большую площадь контакта и меньшее контактное сопротивление.In some embodiments, a cable conductor connected to a target area via an electrode 1700 is uniformly wound around a threaded conductive material 1720, covering a significant portion of the surface area of both the threaded conductive material and the disk. In some embodiments, a nut and washer may be used to press the conductor against the disk 1710 on the threaded material 1720, which provides a larger contact area and lower contact resistance.
В некоторых вариантах реализации воздушные зазоры между шайбой, кабелем и диском 1710 заполнены электропроводящей и/или теплопроводящей термопастой, что обеспечивает улучшенную теплопроводность и/или электропроводность от кабеля на шпильку 1700.In some embodiments, the air gaps between the washer, cable, and disk 1710 are filled with electrically conductive and/or thermally conductive thermal paste, which provides improved thermal conductivity and/or electrical conductivity from the cable to the stud 1700.
В некоторых вариантах реализации электрод 1700 со шпилькой круглого сечения прикреплен к целевой области с использованием специально выбранного адгезива, который обладает достаточной электропроводностью и теплопроводностью для передачи тепла и электрического сигнала от кабеля на целевую область. В некоторых вариантах реализации адгезив также обладает достаточной прочностью, чтобы выдерживать крутящий момент, создаваемый гайкой и шайбой.In some embodiments, the electrode 1700 with a round cross-section stud is attached to the target area using a specially selected adhesive that has sufficient electrical conductivity and thermal conductivity to transfer heat and an electrical signal from the cable to the target area. In some embodiments, the adhesive also has sufficient strength to withstand the torque created by the nut and washer.
В некоторых вариантах реализации соединитель представляет собой U-образное приспособление, прикрепленное к объемной среде и электродам таким образом, что между электродом и объемной средой создается значительное сопротивление сжатию.In some embodiments, the connector is a U-shaped device attached to the bulk medium and the electrodes in such a way that significant compressive resistance is created between the electrode and the bulk medium.
В некоторых вариантах реализации материалы электрода и соединителя могут быть выбраны для снижения их массы. В некоторых вариантах реализации материал электрода выбран для улучшения электропроводности и/или теплопроводности через материал в дополнение к снижению массы. Улучшенная проводимость может быть предпочтительной для конструкций электрода, в которых ток, протекающий от кабеля в целевую область, проходит через электрод (например, шпильку круглого сечения, конструкцию с одной пластиной).In some embodiments, the materials of the electrode and the connector may be selected to reduce their weight. In some embodiments, the electrode material is selected to improve electrical conductivity and/or thermal conductivity through the material in addition to reducing weight. Improved conductivity may be advantageous for electrode designs in which the current flowing from the cable to the target area passes through the electrode (e.g., a round stud, a single plate design).
В некоторых вариантах реализации в конструкцию соединителя и электрода могут быть включены специальные кожухи. Например, такие кожухи могут быть выбраны для прохождения аттестации по воздействию на окружающую среду, включающей такие критерии, как тепловая разгрузка и/или теплоизоляция, электрическая изоляция, экранирование от электромагнитных помех, защита от коррозии, устойчивость к вибрации и ударам, долговечность, защита от внешних загрязнений и осадков.In some embodiments, special housings may be included in the connector and electrode design. For example, such housings may be selected to pass environmental impact certification, including criteria such as thermal relief and/or thermal insulation, electrical insulation, electromagnetic interference shielding, corrosion protection, vibration and shock resistance, durability, protection from external contaminants and precipitation.
В целом, предусмотрены различные конфигурации адгезии (и их комбинации) между электродами и/или соединителями и объемной средой. В некоторых вариантах реализации эти конфигурации уменьшают контактное сопротивление между электродами и объемной средой и/или снижают электромагнитные потери.In general, various adhesion configurations (and combinations thereof) between the electrodes and/or connectors and the bulk medium are provided. In some embodiments, these configurations reduce the contact resistance between the electrodes and the bulk medium and/or reduce electromagnetic losses.
В некоторых вариантах реализации электроды соединены с объемной средой с использованием паяного соединения. На фиг. 18А показано схематическое изображение приведенного для примера крепления 1800 между электродом 1802 и целевой областью 102 объемной среды, которая является частью большей объемной среды 1806, посредством паяного соединения. Для получения паяного соединения 1804 используют паяльный материал. Например, с целью достижения низкого контактного сопротивления для припаивания электродов к целевой области может использоваться низкотемпературный твердый припой (например, AL 802). В некоторых вариантах реализации для уменьшения окисления (образования слоя оксида алюминия в месте пайки) твердый припой покрыт флюсом. Флюс представляет собой материал, который при высоких температурах растворяет оксиды и предотвращает повторное окисление поверхности до нанесения твердого припоя на поверхность.In some embodiments, the electrodes are connected to the bulk medium using a soldered joint. Fig. 18A shows a schematic illustration of an example fastening 1800 between an electrode 1802 and a target region 102 of the bulk medium, which is part of a larger bulk medium 1806, by means of a soldered joint. A soldering material is used to form the soldered joint 1804. For example, a low-temperature brazing alloy (e.g., AL 802) can be used to solder the electrodes to the target region in order to achieve low contact resistance. In some embodiments, the brazing alloy is coated with a flux to reduce oxidation (the formation of an aluminum oxide layer at the soldering point). The flux is a material that dissolves oxides at high temperatures and prevents re-oxidation of the surface before the brazing alloy is applied to the surface.
В некоторых вариантах реализации электроды и целевая область соединяются друг с другом под воздействием давления и температуры. Например, в некоторых вариантах реализации между электродами и целевой областью прикладывают сжимающее усилие. Без ограничения какой-либо теорией отметим, что сжимающее усилие может уменьшать контактное сопротивление между электродами и объемной средой в соответствии со следующей формулой:In some embodiments, the electrodes and the target area are connected to each other under the influence of pressure and temperature. For example, in some embodiments, a compressive force is applied between the electrodes and the target area. Without being limited by any theory, it is noted that the compressive force can reduce the contact resistance between the electrodes and the bulk medium in accordance with the following formula:
где ρ - удельное электрическое сопротивление контактных материалов, H - твердость по Виккерсу более мягкой из контактных поверхностей и F- сжимающее или контактное усилие.where ρ is the specific electrical resistance of the contact materials, H is the Vickers hardness of the softer of the contact surfaces, and F is the compressive or contact force.
В некоторых вариантах реализации сжимающее усилие может быть приложено для соединения электродов и объемной среды с использованием механического крепежного соединителя. Фиг. 18В представляет собой схематическое изображение приведенной для примера конфигурации 1820 крепления между электродом 1802 и целевой областью 102, которая является частью большей объемной среды 1806. Для приложения сжимающего усилия с целью соединения электрода с целевой областью используют сплошные заклепки 1822.In some embodiments, a compressive force may be applied to connect the electrodes and the bulk medium using a mechanical fastening connector. Fig. 18B is a schematic illustration of an example fastening configuration 1820 between the electrode 1802 and the target region 102, which is part of a larger bulk medium 1806. Solid rivets 1822 are used to apply a compressive force to connect the electrode to the target region.
В некоторых вариантах реализации сжимающее усилие может быть приложено с использованием вакуумной ленты или аналогичного предмета, способного герметизировать соединение между электродами и целевой областью. Фиг. 18С представляет собой схематическое изображение приведенной для примера конфигурации 1840 крепления между электродом 1802 и целевой областью 102, которая является частью большей объемной среды 1806. Для соединения электрода и целевой области используется воздухонепроницаемая лента 1842. После завершения герметизации для создания вакуума между электродами и целевой областью может использоваться всасывающее устройство, которое сводит их друг с другом и создает сжимающее усилие.In some embodiments, the compressive force may be applied using a vacuum tape or similar object capable of sealing the connection between the electrodes and the target area. Fig. 18C is a schematic illustration of an example configuration 1840 of fastening between the electrode 1802 and the target area 102, which is part of a larger volume environment 1806. An airtight tape 1842 is used to connect the electrode and the target area. After sealing is complete, a suction device can be used to create a vacuum between the electrodes and the target area, which brings them together and creates a compressive force.
В некоторых вариантах реализации сжимающее усилие может быть приложено с использованием зажимов, зажимающих электрод и целевую область и увеличивающих давление на границе раздела, например, с использованием зажимных скоб.In some embodiments, the compressive force may be applied using clamps that clamp the electrode and the target area and increase the pressure at the interface, such as using clamping clips.
В некоторых вариантах реализации сжимающее усилие может быть приложено с использованием магнитов или намагниченных поверхностей. В некоторых вариантах реализации намагничивают либо поверхность электрода, либо поверхность целевой области, что обеспечивает силу притяжения между магнитами и электродом и/или областью контакта, в результате чего возникает необходимое сжимающее усилие. В некоторых вариантах реализации используют два или более магнитов, а электрод и целевую область располагают между ними, что обеспечивает силу притяжения между магнитами, в результате чего возникает необходимое сжимающее усилие. В некоторых вариантах реализации намагничивают поверхность электрода, а также поверхность целевой области, что обеспечивает силу притяжения между электродом и целевой областью, в результате чего возникает необходимое сжимающее усилие.In some embodiments, the compressive force can be applied using magnets or magnetized surfaces. In some embodiments, either the electrode surface or the target area surface is magnetized, which provides an attractive force between the magnets and the electrode and/or the contact area, resulting in the desired compressive force. In some embodiments, two or more magnets are used, and the electrode and the target area are located between them, which provides an attractive force between the magnets, resulting in the desired compressive force. In some embodiments, the electrode surface is magnetized, as well as the target area surface, which provides an attractive force between the electrode and the target area, resulting in the desired compressive force.
В некоторых вариантах реализации сжимающее усилие прикладывают с помощью внешнего или внутреннего зажимного соединителя, который прилипает к поверхности целевой области или вблизи нее и преобразует силу адгезии в необходимое сжимающее усилие. В некоторых вариантах реализации адгезивы (например, отверждающиеся адгезивы) могут использоваться в сочетании с зажимными соединителями.In some embodiments, the compressive force is applied by an external or internal clamping connector that adheres to or near the surface of the target area and converts the adhesive force into the desired compressive force. In some embodiments, adhesives (e.g., curable adhesives) can be used in combination with clamping connectors.
В некоторых вариантах реализации электроды могут быть частично или полностью встроены в объемную среду с использованием одного из вышеуказанных способов или альтернативной технологии.In some embodiments, the electrodes may be partially or completely embedded in the bulk medium using one of the above methods or an alternative technology.
В некоторых вариантах реализации между электродами и целевой областью расположен проводящий материал (например, графен).In some embodiments, a conductive material (e.g., graphene) is located between the electrodes and the target area.
В некоторых вариантах реализации материал соединителя, используемый для соединения электрода с целевой областью, представляет собой адгезив, выбранный для повышения прочности, что обеспечивает долговременное крепление к целевой области. Прочность адгезива может быть предпочтительной в случае, когда область крепления относительно мала, а механические ограничения, создаваемые в области крепления, относительно высоки (например, в случае электрода с U-образной шпилькой). В одном варианте реализации, когда электрод должен оставаться в неподвижном положении для отверждения адгезива после его нанесения, для удержания электрода на месте могут использоваться внутренние или внешние / одноразовые приспособления с использованием адгезивов и механического усилия.In some embodiments, the material of the connector used to connect the electrode to the target area is an adhesive selected for strength, which ensures long-term attachment to the target area. The strength of the adhesive may be advantageous in the case where the attachment area is relatively small and the mechanical constraints created in the attachment area are relatively high (for example, in the case of an electrode with a U-shaped stud). In one embodiment, when the electrode must remain in a stationary position for the adhesive to cure after its application, internal or external / disposable devices can be used to hold the electrode in place using adhesives and mechanical force.
В некоторых вариантах реализации материал соединителя, используемый для соединения электрода с целевой областью, также выбран для обеспечения более высокой теплопроводности и/или электропроводности с целью обеспечения лучшего потока тепла и тока от кабеля на целевую область. Например, более высокая проводимость может быть рассмотрена в случае, когда используемый электрод прикреплен таким образом, что адгезив находится на пути электрического тока, проходящего от кабеля/электрода в целевую область (например, в случае электрода со шпилькой круглого сечения и электрода с одной пластиной). С этой целью в некоторых вариантах реализации между электродами и объемной средой расположены наноматериалы (например, углеродные нанотрубки). В некоторых вариантах реализации поверхность электродов и участок поверхности объемной среды, который будет контактировать с электродами (например, целевая область), могут быть обработаны для увеличения «реальной» площади контакта между ними.In some embodiments, the material of the connector used to connect the electrode to the target area is also selected to provide higher thermal conductivity and/or electrical conductivity in order to provide better heat and current flow from the cable to the target area. For example, higher conductivity can be considered in the case where the electrode used is attached in such a way that the adhesive is in the path of the electrical current passing from the cable/electrode to the target area (for example, in the case of an electrode with a round cross-section pin and an electrode with a single plate). For this purpose, in some embodiments, nanomaterials (for example, carbon nanotubes) are located between the electrodes and the bulk medium. In some embodiments, the surface of the electrodes and the surface area of the bulk medium that will contact the electrodes (for example, the target area) can be processed to increase the "real" contact area between them.
В некоторых вариантах реализации и в комбинации с вышеуказанными вариантами реализации, а также другими вариантами реализации, соединитель, электроды и часть целевой области покрыты материалом, который уменьшает или исключает электромагнитные потери.In some embodiments and in combination with the above embodiments, as well as other embodiments, the connector, electrodes and a portion of the target area are coated with a material that reduces or eliminates electromagnetic losses.
В некоторых вариантах реализации любая комбинация вышеуказанных способов используется с любым вариантом реализации электрода и соединителя. Например, фиг.18D представляет собой схематическое изображение приведенного для примера комбинированного крепления 1860 между электродом 1802 и целевой областью 102 объемной среды 1806. Это крепление включает в себя паяное соединение 1804 и сплошные заклепки 1822.In some embodiments, any combination of the above methods is used with any embodiment of the electrode and connector. For example, Fig. 18D is a schematic illustration of an example of a combination fastening 1860 between an electrode 1802 and a target region 102 of a volumetric medium 1806. This fastening includes a soldered joint 1804 and solid rivets 1822.
В некоторых вариантах реализации в системе может отсутствовать необходимость в каких-либо соединителях / кабелях, поскольку для выработки необходимого тока не требуется физический контакт. В этом случае в некоторых вариантах реализации обратный путь сигнала может представлять собой дополнительный участок провода, ведущего обратно в схему регулировки.In some embodiments, the system may not require any connectors/cables since no physical contact is required to generate the required current. In this case, in some embodiments, the return signal path may be an additional section of wire leading back to the control circuit.
Варианты реализации системы нагрева, описанные в настоящем документе, могут использоваться в качестве устройства устранения обледенения / предотвращения обледенения для плавления льда на поверхности самолета путем подачи высокочастотного переменного тока на целевую область обшивки / планера самолета (например, для осуществления джоулева нагрева). Тепло, вырабатываемое в целевой области планера, передается на поверхность планера, а затем путем конвекции передается через границу раздела планера и льда на лед. В некоторых вариантах реализации лед плавится полностью. В некоторых вариантах реализации плавится часть льда (слой, непосредственно контактирующий с планером), что приводит к образованию слоя воды между льдом и планером, в результате чего лед может соскользнуть или может быть механически удален с планера. В некоторых вариантах реализации нагрев осуществляется до появления льда, что предотвращает его образование.Embodiments of a heating system described herein may be used as an ice removal/anti-icing device to melt ice on an aircraft surface by applying high-frequency alternating current to a target area of the aircraft skin/airframe (e.g., to perform Joule heating). Heat generated in the target area of the airframe is transferred to the airframe surface and then transferred by convection across the airframe-ice interface to the ice. In some embodiments, the ice is completely melted. In some embodiments, a portion of the ice (the layer in direct contact with the airframe) is melted, resulting in the formation of a water layer between the ice and the airframe, as a result of which the ice may slide off or may be mechanically removed from the airframe. In some embodiments, heating is performed before ice appears, which prevents its formation.
В некоторых вариантах реализации после плавления льда продолжается подача высокочастотного переменного тока для поддержания джоулева нагрева планера, который переносится на воду, образовавшуюся/оставшуюся на поверхности, за счет теплопроводности и конвекции.In some embodiments, after the ice melts, high frequency alternating current is continued to maintain Joule heating of the airframe, which is transferred to the water formed/remaining on the surface due to conduction and convection.
На фиг. 19-32 представлены примеры узлов для передачи и подвода электромагнитной энергии в системах нагрева объемной среды. Узлы (называемые в настоящем документе «соединительными полосами») выполнены с возможностью функционирования аналогично линиям передачи в сочетании с объемной проводящей средой, к которой они прикреплены. Например, в некоторых вариантах реализации благодаря конструкции соединительных полос сама объемная среда проводит ток аналогично прохождению тока по линии передачи. Соединительные полосы могут обеспечивать электромагнитную передачу сигналов переменного тока от линий на объемную среду, тем самым вырабатывая соответствующие сигналы тока в объемной среде. Таким образом, по существу, можно сказать, что благодаря конструкции соединительный полосы объемная среда (в комбинации с соединительной полосой) служит в качестве линии передачи, или в качестве альтернативы объемная среда и соединительные полосы совместно образуют систему, которая ведет себя, как линия передачи, и которая может быть проанализирована и спроектирована как таковая.Fig. 19-32 illustrates examples of nodes for transmitting and supplying electromagnetic energy in systems for heating a volumetric medium. The nodes (referred to herein as "connecting strips") are configured to function similarly to transmission lines in combination with a volumetric conductive medium to which they are attached. For example, in some embodiments, due to the design of the connecting strips, the volumetric medium itself conducts current similarly to the passage of current along a transmission line. The connecting strips can provide for the electromagnetic transmission of alternating current signals from the lines to the volumetric medium, thereby generating corresponding current signals in the volumetric medium. Thus, in essence, it can be said that due to the design of the connecting strip, the volumetric medium (in combination with the connecting strip) serves as a transmission line, or alternatively, the volumetric medium and the connecting strips together form a system that behaves like a transmission line and that can be analyzed and designed as such.
Например, как рассмотрено выше, варианты реализации настоящего изобретения могут быть выполнены с возможностью осуществления нагрева объемной среды путем управления механизмами формирования (например, сужения, удлинения и т.д.) тока в проводящей среде (например, объемной среде, проводнике): например, с использованием поверхностного эффекта и эффекта близости. Оба эффекта основаны на протекании высокочастотного переменного тока через проводящую среду, подлежащую нагреву. Поверхностный эффект ограничивает протекание тока за счет использования тенденции переменного электрического тока к распределению в проводнике таким образом, что плотность тока является наибольшей вблизи поверхности проводника и уменьшается в направлении вглубь проводника. Эффект близости можно использовать для дополнительного ограничения протекания тока в проводнике, разместив другой путь переменного тока вблизи существующего пути тока в проводнике. Эффект близости также может обеспечивать удлинение пути тока. Соединительные полосы могут использоваться для создания и управления такими эффектами в дополнение к системам и процессам, рассмотренным выше. Например, соединительные полосы могут использоваться с различными системами управления питанием, описанными выше.For example, as discussed above, embodiments of the present invention can be configured to heat a bulk medium by controlling the mechanisms for forming (e.g., narrowing, lengthening, etc.) a current in a conductive medium (e.g., a bulk medium, a conductor): for example, using the skin effect and the proximity effect. Both effects are based on the flow of a high-frequency alternating current through a conductive medium to be heated. The skin effect limits the current flow by using the tendency of an alternating electric current to distribute itself in a conductor in such a way that the current density is greatest near the surface of the conductor and decreases in the direction deeper into the conductor. The proximity effect can be used to further limit the current flow in a conductor by placing another alternating current path near an existing current path in the conductor. The proximity effect can also provide for the lengthening of the current path. Connecting strips can be used to create and control such effects in addition to the systems and processes discussed above. For example, connecting strips can be used with the various power management systems described above.
Фиг. 19 представляет собой вид в разрезе приведенной для примера соединительной полосы 1900. Соединительная полоса 1900 может использоваться для подачи высокочастотных сигналов тока на объемную среду, такую как обшивка 1902 летательного аппарата, для нагрева объемной среды. Соединительная полоса 1900 имеет многослойную конструкцию, которая включает в себя первый диэлектрический слой 1908 поверх объемной среды 1902, проводящий слой 1904 поверх первого диэлектрического слоя 1908, второй диэлектрический слой 1908 поверх проводящего слоя 1904, и проводящий экранирующий слой 1906 поверх второго диэлектрического слоя 1908.Fig. 19 is a sectional view of an example of a connecting strip 1900. The connecting strip 1900 can be used to apply high-frequency current signals to a volumetric medium, such as a skin 1902 of an aircraft, to heat the volumetric medium. The connecting strip 1900 has a multilayer structure that includes a first dielectric layer 1908 over the volumetric medium 1902, a conductive layer 1904 over the first dielectric layer 1908, a second dielectric layer 1908 over the conductive layer 1904, and a conductive shielding layer 1906 over the second dielectric layer 1908.
Первый диэлектрический слой 1908 имеет толщину D1. Проводящий слой 1904 имеет толщину D2. Второй диэлектрический слой 1908 имеет толщину D3. Проводящий экранирующий слой 1906 имеет толщину D4. Общая толщина соединительной полосы 1900 обозначена как D5. Проводящий слой 1904 может быть выполнен из проводящих материалов, включая, без ограничения, медь, медные сплавы (например, латунь или бронзу), серебро, серебряные сплавы, алюминий, алюминиевые сплавы, титан, титановые сплавы, хром, никель, никелевые сплавы, кобальтовые сплавы, нержавеющую сталь, графит или их комбинации. Проводящий экранирующий слой 1906 может быть выполнен из проводящих материалов, включая, без ограничения, медь, медные сплавы (например, латунь или бронзу), серебро, серебряные сплавы, алюминий, алюминиевые сплавы, титан титановые сплавы, хром, никель, никелевые сплавы, кобальтовые сплавы, нержавеющую сталь, графит или их комбинации. В некоторых вариантах реализации проводящий экранирующий слой 1906 может быть выполнен в виде металлической фольги (например, медной фольги или алюминиевой фольги) или в виде плетеного металлического слоя. Диэлектрические слои 1908 могут быть выполнены из диэлектрических материалов, включая, без ограничения, каптон, майлар, полиэтилентерефталат (ПЭТФ), политетрафторэтилен (ПТФЭ), резину или их комбинацию.The first dielectric layer 1908 has a thickness of D 1 . The conductive layer 1904 has a thickness of D 2 . The second dielectric layer 1908 has a thickness of D 3 . The conductive shielding layer 1906 has a thickness of D 4 . The total thickness of the connecting strip 1900 is designated as D 5 . The conductive layer 1904 can be made of conductive materials, including, without limitation, copper, copper alloys (for example, brass or bronze), silver, silver alloys, aluminum, aluminum alloys, titanium, titanium alloys, chromium, nickel, nickel alloys, cobalt alloys, stainless steel, graphite or combinations thereof. The conductive shielding layer 1906 can be made of conductive materials, including, but not limited to, copper, copper alloys (for example, brass or bronze), silver, silver alloys, aluminum, aluminum alloys, titanium titanium alloys, chromium, nickel, nickel alloys, cobalt alloys, stainless steel, graphite or combinations thereof. In some embodiments, the conductive shielding layer 1906 can be made in the form of a metal foil (for example, copper foil or aluminum foil) or in the form of a braided metal layer. The dielectric layers 1908 can be made of dielectric materials, including, but not limited to, Kapton, Mylar, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), rubber or a combination thereof.
В некоторых вариантах реализации соединительная полоса 1900 включает в себя защитный слой поверх проводящего экранирующего слоя. Например, защитный слой может включать в себя, без ограничения, один или более слоев полиуретана, полифторида, краски, пленки, заменяющей краску, герметика или их комбинацию.In some embodiments, the connecting strip 1900 includes a protective layer over the conductive shielding layer. For example, the protective layer may include, without limitation, one or more layers of polyurethane, polyfluoride, paint, a film replacing paint, a sealant, or a combination thereof.
Как проиллюстрировано на фиг. 20, соединительные полосы 1900 могут быть расположены на поверхности объемной среды, такой как обшивка 2000 летательного аппарата (например, крыла), для подачи электрического тока на объемную среду и нагрева объемной среды путем выработки и формирования тока в объемной среде. Соединительные полосы 1900 проходят вдоль поверхности обшивки летательного аппарата 2000 и расположены на расстоянии друг от друга. В некоторых вариантах реализации одна или более соединительных полос 1900 включают в себя короткозамкнутую оконечную нагрузку, которая электрически соединяет по меньшей мере участок соединительной полосы (например, проводящий слой 1904) с объемной средой 1902. Например, соединительная полоса 1900 может оканчиваться электродом, таким как электроды, рассмотренные выше, для образования замкнутой цепи (например, короткозамкнутой цепи) между содержащимся в ней проводящим слоем 1904 и объемной средой 1902. Оконечной нагрузкой соединительной полосы 1900 является дальний конец полосы, противоположный концу, на который подается ток (например, противоположный концу ввода питания). В некоторых вариантах реализации одна или более соединительных полос 1900 оканчиваются разомкнутой цепью. Разомкнутая оконечная нагрузка означает, что оконечный конец соединительной полосы 1900 оставлен в виде разомкнутой цепи; не подключен к электрическому заземлению через объемную среду 1902 или проводящий экранирующий слой соединительной полосы 1900. В некоторых вариантах реализации одна или более соединительных полос 1900 оканчиваются компонентом регулировки импеданса (например, элементом цепи), подключенным между соединительной полосой 1900 и объемной средой 1902. Например, соединительная полоса 1900 может оканчиваться емкостной, резистивной или индуктивной оконечной нагрузкой. Например, элемент цепи, такой как конденсатор, катушка индуктивности или резистор, может быть подключен между проводящим слоем 1904 соединительной полосы 1900 и объемной средой 1902.As illustrated in Fig. 20, the connecting strips 1900 can be arranged on the surface of a volumetric medium, such as a skin 2000 of an aircraft (for example, a wing), for supplying an electric current to the volumetric medium and heating the volumetric medium by generating and forming a current in the volumetric medium. The connecting strips 1900 extend along the surface of the skin of the aircraft 2000 and are located at a distance from each other. In some embodiments, one or more connecting strips 1900 include a short-circuited termination that electrically connects at least a portion of the connecting strip (e.g., the conductive layer 1904) to the bulk medium 1902. For example, the connecting strip 1900 can be terminated by an electrode, such as the electrodes discussed above, to form a closed circuit (e.g., a short-circuited circuit) between the conductive layer 1904 contained therein and the bulk medium 1902. The termination of the connecting strip 1900 is the distal end of the strip opposite the end to which current is supplied (e.g., opposite the end of the power input). In some embodiments, one or more connecting strips 1900 are terminated in an open circuit. An open termination means that the terminal end of the connecting strip 1900 is left as an open circuit; is not connected to an electrical ground through the bulk medium 1902 or the conductive shielding layer of the connecting strip 1900. In some embodiments, one or more connecting strips 1900 are terminated with an impedance adjustment component (e.g., a circuit element) connected between the connecting strip 1900 and the bulk medium 1902. For example, the connecting strip 1900 can be terminated with a capacitive, resistive, or inductive termination load. For example, a circuit element such as a capacitor, an inductor, or a resistor can be connected between the conductive layer 1904 of the connecting strip 1900 and the bulk medium 1902.
Со ссылкой на фиг. 19 и 20, система управления питанием (например, система 104 управления питанием, описанная выше) подключена к одному концу каждой из соединительных полос для подачи электрического тока на каждую полосу. Например, линия подачи питания от системы управления питанием может быть подключена к проводящему слою каждой проводящей полосы 1900 и одна или обе объемные среды 1902 (например, обшивка 2000 летательного аппарата) могут быть подключены к электрическому заземлению.Referring to Fig. 19 and 20, a power management system (for example, the power management system 104 described above) is connected to one end of each of the connecting strips for supplying electric current to each strip. For example, a power supply line from the power management system can be connected to a conductive layer of each conductive strip 1900 and one or both volumetric media 1902 (for example, the skin 2000 of the aircraft) can be connected to an electrical ground.
Система управления питанием подает переменный ток на каждую проводящую полосу 1900. Например, система управления питанием может подавать переменный ток с частотой от 1 кГц до 450 МГц. В некоторых вариантах реализации частота составляет от 1 МГц до 450 МГц. В некоторых вариантах реализации частота составляет от 1кГц до 1 МГц. Система управления питанием может быть выполнена с возможностью подачи переменного тока величиной от 0,1 А до 200 А на каждую соединительную полосу 1900. Например, источник питания системы управления питанием и электрическая компоновка соединительных полос 1900 могут быть выполнены с возможностью подачи необходимого количества тока (например, от 0,1 А до 200 А) на каждую соединительную полосу 1900. В качестве обобщающего примера, если соединительные полосы 1900 подключены к системе управления питанием последовательно, для подачи тока величиной 100 А на каждую соединительную полосу 1900 может использоваться источник питания на 100 А. Если десять соединительных полос 1900 подключены к системе управления питанием параллельно, для подачи тока величиной 10 А на каждую соединительную полосу 1900 может использоваться источник питания на 100 А. Следует отметить, что этот пример предполагает, что импедансы соединительных полос равны. Как рассмотрено ниже, импеданс соединительных полос 1900 может быть настроен различным образом для управления распределением тока между соединительными полосами, что может быть желательным или может требоваться в конкретных областях применения нагрева.The power management system supplies alternating current to each conductive strip 1900. For example, the power management system may supply alternating current with a frequency of 1 kHz to 450 MHz. In some embodiments, the frequency is from 1 MHz to 450 MHz. In some embodiments, the frequency is from 1 kHz to 1 MHz. The power management system may be configured to supply an alternating current of from 0.1 A to 200 A to each connecting strip 1900. For example, the power supply of the power management system and the electrical arrangement of the connecting strips 1900 may be configured to supply a desired amount of current (e.g., from 0.1 A to 200 A) to each connecting strip 1900. As a general example, if the connecting strips 1900 are connected to the power management system in series, a 100 A power supply may be used to supply a current of 100 A to each connecting strip 1900. If ten connecting strips 1900 are connected to the power management system in parallel, a 100 A power supply may be used to supply a current of 10 A to each connecting strip 1900. It should be noted that this example assumes that the impedances of the connecting strips are equal. As discussed below, the impedance of the 1900 connecting strips can be adjusted in various ways to control the distribution of current between the connecting strips, which may be desired or may be required in particular heating applications.
Переменный ток для нагрева обшивки 1902 летательного аппарата подают через проводящий слой 1904. Переменный ток, подаваемый через проводящий слой 1904, вырабатывает (например, за счет электромагнитной емкостной и индукционной связи) соответствующий ток в обшивке 1902 летательного аппарата, как показано на фиг. 22А-22В. На фиг. 22А-22В показаны графики, полученные в результате электромагнитного анализа методом конечных элементов, моделирующего работу приведенной для примера соединительной полосы 1900, прикрепленной к проводящей объемной среде 1902. На графике на фиг. 22А обозначены объемная среда 1902 (например, моделируемая как обшивка летательного аппарата), проводящий слой 1904 и проводящий экранирующий слой 1906. На фиг. 22В отдельные компоненты соединительной полосы 1900 не показаны, и обозначены только соединительная полоса 1900 (изображенная в общем) и объемная среда 1902. Область, обозначенная ссылочной позицией 2206 на обоих графиках, представляет фоновую среду (например, атмосферу). На обоих графиках показана приведенная плотность (в А/м2) тока, индуцированного в объемной среде 1902 и обозначенного затушеванной областью 2204. Плотность тока в объемной среде 1902 является максимальной в узкой области 2204 вблизи поверхности объемной среды 1902. Кроме того, на графике на фиг. 22А показана приведенная напряженность электрического поля (светло-серая область 2202) в диэлектрических слоях соединительной полосы 1900. Следует отметить, что проводящий экранирующий слой 1906 экранирует окружающую среду 2206 от электрических полей, создаваемых током, проходящим через проводящий слой 1904, например, для уменьшения или исключения электромагнитного излучения и для защиты соединительной полосы 1900 от внешних электромагнитных помех. Объемная среда 1902 также служит в качестве экранирующего слоя, например, минимизируя или блокируя электрические поля. Таким образом, проводящий экранирующий слой 1906 и объемная среда 1902 в вариантах реализации соединительной полосы 1900 могут служить для сдерживания электрических полей в соединительной полосе 1900 (например, между проводящим экранирующим слоем 1906 и объемной средой 1902). Этот эффект уменьшает или исключает электромагнитные помехи между системой нагрева и другими близлежащими электрическими компонентами. Варианты реализации соединительной полосы 1900 в комбинации с объемной средой 1902 могут обеспечивать рабочие характеристики, сопоставимые с полосковыми линиями передачи.An alternating current for heating the aircraft skin 1902 is supplied through the conductive layer 1904. The alternating current supplied through the conductive layer 1904 generates (e.g., due to electromagnetic capacitive and inductive coupling) a corresponding current in the aircraft skin 1902, as shown in Figs. 22A-22B. Figs. 22A-22B show graphs obtained as a result of electromagnetic finite element analysis simulating the performance of an exemplary connecting strip 1900 attached to a conductive volumetric medium 1902. In the graph of Fig. 22A, the volumetric medium 1902 (e.g., modeled as the aircraft skin), the conductive layer 1904, and the conductive shielding layer 1906 are designated. In Fig. 22B, the individual components of the connecting strip 1900 are not shown, and only the connecting strip 1900 (shown generally) and the volumetric medium 1902 are indicated. The region indicated by the reference numeral 2206 in both graphs represents the background medium (e.g., the atmosphere). Both graphs show the reduced current density (in A/m 2 ) induced in the volumetric medium 1902 and indicated by the shaded region 2204. The current density in the volumetric medium 1902 is maximum in a narrow region 2204 near the surface of the volumetric medium 1902. In addition, in the graph of FIG. 22A shows the reduced electric field strength (light gray area 2202) in the dielectric layers of the connecting strip 1900. It should be noted that the conductive shielding layer 1906 shields the environment 2206 from electric fields generated by the current passing through the conductive layer 1904, for example, to reduce or eliminate electromagnetic radiation and to protect the connecting strip 1900 from external electromagnetic interference. The bulk medium 1902 also serves as a shielding layer, for example, by minimizing or blocking electric fields. Thus, the conductive shielding layer 1906 and the bulk medium 1902 in embodiments of the connecting strip 1900 can serve to contain electric fields in the connecting strip 1900 (for example, between the conductive shielding layer 1906 and the bulk medium 1902). This effect reduces or eliminates electromagnetic interference between the heating system and other nearby electrical components. Embodiments of the connecting strip 1900 in combination with the bulk medium 1902 can provide performance characteristics comparable to stripline transmission lines.
Со ссылкой на фиг. 19, нагревательное воздействие проводящих полос 1900 на объемную среду, а также импеданс каждой проводящей полосы 1900 могут регулироваться путем изменения характеристик проводящей полосы, таких как, например, толщина различных слоев 1904, 1906 и 1908; ширина проводящего слоя; схема расположения проводящего слоя; материалы каждого слоя, включая их диэлектрические постоянные и свойства проводимости; или путем добавления компонентов регулировки импеданса (например, конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов). Кроме того, нагревательное воздействие тока, вырабатываемого в объемной среде 1902, также может быть изменено путем изменения этих характеристик, которые также служат для регулировки эффекта близости и пути тока нагрева, проходящего через объемную среду 1902, как рассмотрено выше.Referring to Fig. 19, the heating effect of the conductive strips 1900 on the bulk medium, as well as the impedance of each conductive strip 1900, can be adjusted by changing the characteristics of the conductive strip, such as, for example, the thickness of the various layers 1904, 1906 and 1908; the width of the conductive layer; the arrangement of the conductive layer; the materials of each layer, including their dielectric constants and conductivity properties; or by adding impedance adjustment components (for example, capacitors, inductors and resistors). In addition, the heating effect of the current generated in the bulk medium 1902 can also be changed by changing these characteristics, which also serve to adjust the proximity effect and the path of the heating current passing through the bulk medium 1902, as discussed above.
Например, каждый из слоев 1904, 1906, 1908 может иметь соответствующую толщину (D1-D4), как правило, находящуюся в диапазоне от 0,1 мила до 1 дюйма или в некоторых вариантах реализации от 0,5 мила до 10 милов. В некоторых вариантах реализации соединительная полоса 1900 может иметь разные расстояния, отделяющие проводящий слой 1904 от объемной среды 1902 и отделяющие проводящий слой 1904 от проводящего экранирующего слоя 1906. В некоторых вариантах реализации эти расстояния связаны соотношением. Например, соединительная полоса 1900 может быть образована так, что относительная толщина D1 и относительная толщина D3 диэлектрического слоя 1908 связаны соотношением. Например, в некоторых вариантах реализации соотношение D1:D3 может находиться в диапазоне от 1:1 до 1:5. В других вариантах реализации соотношение D1:D3 может находиться в диапазоне от 1:1 до 5:1, например, для получения необходимой плотности тока и/или значения импеданса для данной области применения. В одном приведенном для примера варианте реализации D1 составляет 3 мила, D2 составляет 1 мил, D3 составляет 3 мила и D4 составляет 1 мил. В другом приведенном для примера варианте реализации D1 составляет 7,2 милов, D2 составляет 1,4 мила, D3 составляет 2,4 мила и D4 составляет 1,4 мила. Еще в одном варианте реализации D1 составляет 1000 милов, D2 составляет 50 милов, D3 составляет 500 милов и D4 составляет 50 милов. Еще в одном варианте реализации D1 составляет 10 милов, D2 составляет 2,5 мила, D3 составляет 50 милов и D4 составляет 2,5 мила. Еще в одном примере D1 составляет 2,4 мила, D2 составляет 1,4 мила, D3 составляет 7,2 милов и D4 составляет 1,4 мила. В дополнительном примере Di составляет 17,6 милов, D2 составляет 9,8 милов, D3 составляет 24,5 мила и D4 составляет 9,8 милов. Еще в одном примере D1 составляет 100 милов, D2 составляет 20 милов, D3 составляет 250 милов и D4 составляет 20 милов. Еще в одном примере D1 составляет 5,5 милов, D2 составляет 2,5 мила, D3 составляет 9,0 милов и D4 составляет 2,5 мила. Еще в одном дополнительном примере D1 составляет 1,5 дюйма, D2 составляет 0,25 дюйма, D3 составляет 2,2 дюйма и D4 составляет 0,25 дюйма. Еще в одном примере D1 составляет 3,8 мила, D2 составляет 2 мила, D3 составляет 3,8 мила и D4 составляет 2 мила. Еще в одном примере D1 составляет 2,9 мила, D2 составляет 1,5 мила, D3 составляет 5,8 милов и D4 составляет 2,5 мила. В дополнительном примере D1 составляет 5 милов, D2 составляет 2,5 мила, D3 составляет 25 милов и D4 составляет 1,5 дюйма. Еще в одном примере D1 составляет 11 милов, D2 составляет 3 мила, D3 составляет 5,5 милов и D4 составляет 3 мила. Еще в одном примере D1 составляет 21 мил, D2 составляет 1,5 мила, D3 составляет 7 милов и D4 составляет 2,5 мила. В дополнительном примере D1 составляет 10 милов, D2 составляет 2,5 мила, D3 составляет 2 мила и D4 составляет 2,5 дюйма. Еще в одном дополнительном примере D1 составляет 4,5 дюйма, D2 составляет 0,25 дюйма, D3 составляет 1,5 дюйма и D4 составляет 0,25 дюйма. В другом приведенном для примера варианте реализации D1 составляет 3 мила, D2 составляет 1 мил, D3 составляет 3 мила и D4 составляет 1 мил. Еще в одном примере D1 составляет 10,2 милов, D2 составляет 3,5 мила, D3 составляет 40,8 милов и D4 составляет 2,5 мила. Еще в одном примере D1 составляет 4,8 мила, D2 составляет 0,5 мила, D3 составляет 14,4 милов и D4 составляет 0,5 мила. Еще в одном примере D1 составляет 15 милов, D2 составляет 1,4 мила, D3 составляет 3 мила и D4 составляет 1,4 мила. Еще в одном примере D1 составляет 113 милов, D2 составляет 10 милов, D3 составляет 28,25 милов и D4 составляет 10 милов. Еще в одном примере D1 составляет 127 милов, D2 составляет 5 милов, D3 составляет 254 мила и D4 составляет 10 милов. Еще в одном примере D1 составляет 53 мила, D2 составляет 12 милов, D3 составляет 159 милов и D4 составляет 12 милов. Еще в одном примере D1 составляет 13 милов, D2 составляет 1,4 мила, D3 составляет 2,6 мила и D4 составляет 1,4 мила. Еще в одном примере D1 составляет 23 мила, D2 составляет 4 мила, D3 составляет 46 милов и D4 составляет 4 мила. Еще в одном примере D1 составляет 11,5 милов, D2 составляет 2,8 мила, D3 составляет 57,5 милов и D4 составляет 2,8 мила. Еще в одном примере D1 составляет 10 милов, D2 составляет 1,4 мила, D3 составляет 2,5 мила и D4 составляет 1,4 мила.For example, each of the layers 1904, 1906, 1908 can have a corresponding thickness (D1-D4), typically in the range of 0.1 mil to 1 inch or in some embodiments from 0.5 mil to 10 mil. In some embodiments, the connecting strip 1900 can have different distances separating the conductive layer 1904 from the bulk medium 1902 and separating the conductive layer 1904 from the conductive shielding layer 1906. In some embodiments, these distances are related by a ratio. For example, the connecting strip 1900 can be formed such that the relative thickness D 1 and the relative thickness D 3 of the dielectric layer 1908 are related by a ratio. For example, in some embodiments, the ratio D 1 : D 3 can be in the range of 1:1 to 1:5. In other embodiments, the ratio D 1 :D 3 may be in the range of 1:1 to 5:1, for example, to obtain a desired current density and/or impedance value for a given application. In one exemplary embodiment, D 1 is 3 mils, D 2 is 1 mil, D 3 is 3 mils, and D 4 is 1 mil. In another exemplary embodiment, D 1 is 7.2 mils, D 2 is 1.4 mils, D 3 is 2.4 mils, and D 4 is 1.4 mils. In yet another embodiment, D 1 is 1000 mils, D 2 is 50 mils, D 3 is 500 mils, and D 4 is 50 mils. In yet another embodiment, D 1 is 10 mils, D 2 is 2.5 mils, D 3 is 50 mils, and D 4 is 2.5 mils. In yet another example, D 1 is 2.4 mils, D 2 is 1.4 mils, D 3 is 7.2 mils, and D 4 is 1.4 mils. In yet another example, D i is 17.6 mils, D 2 is 9.8 mils, D 3 is 24.5 mils, and D 4 is 9.8 mils. In yet another example, D 1 is 100 mils, D 2 is 20 mils, D 3 is 250 mils, and D 4 is 20 mils. In yet another example, D 1 is 5.5 mils, D 2 is 2.5 mils, D 3 is 9.0 mils, and D 4 is 2.5 mils. In yet another example, D 1 is 1.5 inches, D 2 is 0.25 inches, D 3 is 2.2 inches, and D 4 is 0.25 inches. In another example, D 1 is 3.8 mils, D 2 is 2 mils, D 3 is 3.8 mils, and D 4 is 2 mils. In another example, D 1 is 2.9 mils, D 2 is 1.5 mils, D 3 is 5.8 mils, and D 4 is 2.5 mils. In an additional example, D 1 is 5 mils, D 2 is 2.5 mils, D 3 is 25 mils, and D 4 is 1.5 inches. In another example, D 1 is 11 mils, D 2 is 3 mils, D 3 is 5.5 mils, and D 4 is 3 mils. In yet another example, D 1 is 21 mils, D 2 is 1.5 mils, D 3 is 7 mils, and D 4 is 2.5 mils. In a further example, D 1 is 10 mils, D 2 is 2.5 mils, D 3 is 2 mils, and D 4 is 2.5 inches. In yet another further example, D 1 is 4.5 inches, D 2 is 0.25 inches, D 3 is 1.5 inches, and D 4 is 0.25 inches. In another exemplary embodiment, D 1 is 3 mils, D 2 is 1 mil, D 3 is 3 mils, and D 4 is 1 mil. In yet another example, D 1 is 10.2 mils, D 2 is 3.5 mils, D 3 is 40.8 mils, and D 4 is 2.5 mils. In yet another example, D 1 is 4.8 mils, D 2 is 0.5 mils, D 3 is 14.4 mils, and D 4 is 0.5 mils. In another example, D 1 is 15 mils, D 2 is 1.4 mils, D 3 is 3 mils, and D 4 is 1.4 mils. In another example, D 1 is 113 mils, D 2 is 10 mils, D 3 is 28.25 mils, and D 4 is 10 mils. In another example, D 1 is 127 mils, D 2 is 5 mils, D 3 is 254 mils, and D 4 is 10 mils. In another example, D 1 is 53 mils, D 2 is 12 mils, D 3 is 159 mils, and D 4 is 12 mils. In another example, D 1 is 13 mils, D 2 is 1.4 mils, D 3 is 2.6 mils, and D 4 is 1.4 mils. In another example, D 1 is 23 mils, D 2 is 4 mils, D 3 is 46 mils, and D 4 is 4 mils. In another example, D 1 is 11.5 mils, D 2 is 2.8 mils, D 3 is 57.5 mils, and D 4 is 2.8 mils. In another example, D 1 is 10 mils, D 2 is 1.4 mils, D 3 is 2.5 mils, and D 4 is 1.4 mils.
Кроме того, ширина проводящего слоя 1904, как правило, может находиться в диапазоне нескольких дюймов или нескольких милов поперек слоя. На фиг. 21 изображен вид сверху нескольких приведенных для примера соединительных полос (примеры 1-9) для демонстрации различных конфигураций проводящего слоя 1904 в соединительной полосе 1900. Следует отметить, что в целях наглядности соединительные полосы 1900 на фиг. 21 изображены без слоев, расположенных над проводящим слоем 1904 (например, без второго диэлектрического слоя и проводящего экранирующего слоя). Площадь поперечного сечения проводящего слоя 1904 может изменяться вдоль его длины. Например, ширина проводящего слоя 1904 может изменяться вдоль его длины для регулировки импеданса соединительной полосы 1900 и в некоторых случаях для регулировки плотности тока в объемной среде и проводящем слое. Примеры 1-9 иллюстрируют несколько приведенных для примера вариантов изменения ширины проводящего слоя 1904 соединительной полосы 1900. Например, ширина проводящего слоя 1904 поперек соединительной полосы 1900 может изменяться от максимальной ширины до минимальной ширины. В некоторых вариантах реализации максимальная ширина всего в 1,5 раза больше минимальной ширины. В других вариантах реализации максимальная ширина в 100 раз больше минимальной ширины. Например, ширина проводящего слоя 1904, показанного в Примере 1, может составлять 1,5 дюйма в самом широком месте (например, на верхнем конце) и 1 дюйм в самом узком месте (например, на нижнем конце). В другом примере ширина проводящего слоя 1904, показанного в Примере 1, может составлять 1 дюйм в самом широком месте (например, на верхнем конце) и 10 мил в самом узком месте (например, на нижнем конце).In addition, the width of the conductive layer 1904 may typically be in the range of several inches or several mils across the layer. Fig. 21 shows a top view of several example connection strips (examples 1-9) to demonstrate various configurations of the conductive layer 1904 in the connection strip 1900. It should be noted that for purposes of clarity, the connection strips 1900 in Fig. 21 are shown without layers located above the conductive layer 1904 (e.g., without a second dielectric layer and a conductive shield layer). The cross-sectional area of the conductive layer 1904 can vary along its length. For example, the width of the conductive layer 1904 can vary along its length to adjust the impedance of the connection strip 1900 and, in some cases, to adjust the current density in the bulk medium and the conductive layer. Examples 1-9 illustrate several exemplary variations in the width of the conductive layer 1904 of the connecting strip 1900. For example, the width of the conductive layer 1904 across the connecting strip 1900 can vary from a maximum width to a minimum width. In some embodiments, the maximum width is only 1.5 times the minimum width. In other embodiments, the maximum width is 100 times the minimum width. For example, the width of the conductive layer 1904 shown in Example 1 can be 1.5 inches at the widest point (e.g., at the upper end) and 1 inch at the narrowest point (e.g., at the lower end). In another example, the width of the conductive layer 1904 shown in Example 1 can be 1 inch at the widest point (e.g., at the upper end) and 10 mils at the narrowest point (e.g., at the lower end).
В некоторых вариантах реализации толщина проводящего слоя 1904 может изменяться вдоль его длины. Например, ширина проводящего слоя 1904 может изменяться вдоль его длины для регулировки импеданса соединительной полосы 1900. В некоторых вариантах реализации толщина, ширина и материал проводящего слоя 1904 могут изменяться вдоль его длины.In some embodiments, the thickness of the conductive layer 1904 may vary along its length. For example, the width of the conductive layer 1904 may vary along its length to adjust the impedance of the connecting strip 1900. In some embodiments, the thickness, width, and material of the conductive layer 1904 may vary along its length.
В некоторых вариантах реализации импеданс соединительной полосы 1900 может регулироваться путем добавления компонентов регулировки импеданса (например, конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов) в одном или более местах вдоль длины проводящего слоя 1904. Например, проводящий слой может быть разделен на несколько сегментов по длине, при этом один или более компонентов регулировки импеданса соединяют сегменты. Например, со ссылкой на соединительную полосу из Примера 4 на фиг. 21, проводящий слой 1904 может быть разделен на два сегмента в области 2102 и компонент регулировки импеданса (например, конденсатор, катушка индуктивности, резистор или их комбинация) может быть электрически подключен между каждыми соседними сегментами. В качестве альтернативы или в дополнение компонент регулировки импеданса может быть подключен к проводящему слою в качестве шунтирующего элемента между проводящим слоем 1904 и либо объемной средой 1902, либо проводящим экранирующим слоем 1906.In some embodiments, the impedance of the coupling strip 1900 can be adjusted by adding impedance adjustment components (e.g., capacitors, inductors, and resistors) at one or more locations along the length of the conductive layer 1904. For example, the conductive layer can be divided into several segments along the length, wherein one or more impedance adjustment components connect the segments. For example, with reference to the coupling strip of Example 4 in Fig. 21, the conductive layer 1904 can be divided into two segments in the region 2102 and the impedance adjustment component (e.g., a capacitor, inductor, resistor, or a combination thereof) can be electrically connected between each adjacent segment. Alternatively or in addition, the impedance adjustment component can be connected to the conductive layer as a shunt element between the conductive layer 1904 and either the bulk medium 1902 or the conductive shielding layer 1906.
В некоторых вариантах реализации ширина, толщина или оба этих параметра проводящего экранирующего слоя 1906 могут изменяться вдоль длины соединительной полосы 1900. В некоторых вариантах реализации ширина, толщина или оба этих параметра диэлектрических слоев 1908 могут изменяться вдоль длины соединительной полосы 1900. Например, в некоторых вариантах реализации площади поперечных сечений проводящего слоя 1904, диэлектрических слоев 1908 и проводящего экранирующего слоя 1906 могут изменяться вдоль длины полосы 1900.In some embodiments, the width, thickness, or both of the conductive shielding layer 1906 may vary along the length of the connecting strip 1900. In some embodiments, the width, thickness, or both of the dielectric layers 1908 may vary along the length of the connecting strip 1900. For example, in some embodiments, the cross-sectional areas of the conductive layer 1904, the dielectric layers 1908, and the conductive shielding layer 1906 may vary along the length of the strip 1900.
На фиг. 23 показаны схематические изображения схем расположения (Схемы А-Е расположения) нескольких приведенных для примера компоновок проводящего слоя 1904 в соединительной полосе 1900. Первоначально, при линейном расположении (как изображено на фиг. 21) проводящий слой 1904 линейно проходит по длине соединительной полосы 1900. Схемы А-Е расположения иллюстрируют соединительные полосы 1900, проводящий слой 1904 которых расположен таким образом, чтобы соответствовать нелинейной модели или нелинейному пути. В частности, в примерах на фиг. 23 изображен проводящий слой 1904, расположенный в виде с различных серпантиновидных узоров. Изображенные серпантиновидные узоры предусматривают размещение сегментов проводящего слоя 1904 рядом друг с другом в направлении ширины соединительной полосы 1900. Такое расположение позволяет уменьшить общую длину соединительной полосы 1900 при сохранении необходимой общей длины проводящего слоя 1904. В некоторых областях применения сохранение относительно неизменной длины проводящего слоя 1904 в разных соединительных полосах 1900 способствует сохранению одинакового импеданса между соединительными полосами 1900 разной длины. Например, в каждой из Схем А и В расположения проводящий слой 1904 может иметь одинаковую общую длину. Однако общая длина соединительной полосы 1900 в Схеме В расположения может быть уменьшена до половины длины соединительной полосы 1900 с проводящим слоем с линейным расположением (например, как изображено на фиг. 21). Аналогичным образом общая длина соединительной полосы 1900 в Схеме С расположения может быть уменьшена до одной трети длины соединительной полосы 1900 с проводящим слоем с линейным расположением. Кроме того, соединительные полосы 1900 меньшей длины могут быть размещены в местах корпуса летательного аппарата с ограниченным пространством. Например, соединительные полосы 1900 с проводящим слоем, расположенным согласно Схемам А-Е расположения, могут быть размещены в узких областях крыла (например, на концевых обтекателях крыла), в которых не может быть установлена слишком длинная соединительная полоса 1900 с линейным размещением проводящего слоя.Fig. 23 shows schematic illustrations of arrangement patterns (arrangement patterns A-E) of several exemplary arrangements of conductive layer 1904 in a connecting strip 1900. Initially, in a linear arrangement (as shown in Fig. 21), conductive layer 1904 extends linearly along the length of connecting strip 1900. Arrangements patterns A-E illustrate connecting strips 1900 in which conductive layer 1904 is arranged in such a way as to correspond to a nonlinear model or nonlinear path. In particular, in the examples of Fig. 23, conductive layer 1904 is shown arranged in various serpentine patterns. The illustrated serpentine patterns provide for the arrangement of segments of the conductive layer 1904 next to each other in the width direction of the connecting strip 1900. Such an arrangement allows for a reduction in the overall length of the connecting strip 1900 while maintaining the required overall length of the conductive layer 1904. In some application areas, maintaining a relatively constant length of the conductive layer 1904 in different connecting strips 1900 helps to maintain the same impedance between connecting strips 1900 of different lengths. For example, in each of the Schemes A and B of the arrangement, the conductive layer 1904 can have the same overall length. However, the overall length of the connecting strip 1900 in the Scheme B of the arrangement can be reduced to half the length of the connecting strip 1900 with a conductive layer with a linear arrangement (for example, as shown in Fig. 21). In a similar manner, the overall length of the connecting strip 1900 in the arrangement Scheme C can be reduced to one third of the length of the connecting strip 1900 with a conductive layer with a linear arrangement. In addition, connecting strips 1900 of shorter length can be placed in areas of the aircraft body with limited space. For example, connecting strips 1900 with a conductive layer arranged according to the arrangement Schemes A-E can be placed in narrow areas of the wing (for example, on the wing tips), in which too long a connecting strip 1900 with a linear arrangement of the conductive layer cannot be installed.
Каждая из Схем А-Е расположения иллюстрирует соединительную полосу 1900, имеющую проводящий слой 1904, расположенный вдоль нелинейного пути от входного конца 2302 до оконечного конца 2304. Схема А расположения иллюстрирует соединительную полосу 1900 с проводящим слоем 1904, расположенным с двукратным перекрытием. Проводящий слой 1904 в Схеме А расположения включает в себя два сегмента, расположенных рядом друг с другом, например, вдоль U-образного пути от входного конца 2302 до оконечного конца 2304. На фиг. 24А изображен вид разрезе, взятом по линии А-А', соединительной полосы 1900 согласно Схеме А расположения.Each of the Arrangement Diagrams A-E illustrates a connecting strip 1900 having a conductive layer 1904 arranged along a non-linear path from an input end 2302 to an output end 2304. Arrangement Diagram A illustrates a connecting strip 1900 with a conductive layer 1904 arranged with a double overlap. The conductive layer 1904 in Arrangement Diagram A includes two segments arranged next to each other, for example, along a U-shaped path from the input end 2302 to the output end 2304. Fig. 24A shows a sectional view taken along line A-A' of the connecting strip 1900 according to Arrangement Diagram A.
Схема В расположения иллюстрирует соединительную полосу 1900 с проводящим слоем 1904, расположенным с трехкратным перекрытием. Проводящий слой 1904 в Схеме В расположения включает в себя три сегмента, расположенных рядом друг с другом, например, вдоль S-образного пути от входного конца 2302 до оконечного конца 2304. На фиг. 24 В изображен вид в разрезе, взятом по линии В-В', соединительной полосы 1900 согласно Схеме В расположения.The arrangement diagram B illustrates a connecting strip 1900 with a conductive layer 1904 arranged with a three-fold overlap. The conductive layer 1904 in the arrangement diagram B includes three segments arranged next to each other, for example, along an S-shaped path from the input end 2302 to the terminal end 2304. Fig. 24B shows a sectional view taken along the line B-B' of the connecting strip 1900 according to the arrangement diagram B.
Схемы С и D расположения иллюстрируют соединительные полосы 1900 с проводящим слоем 1904 с разными вариациями расположения с четырехкратным перекрытием. Проводящий слой 1904 в каждой из Схем С и D расположения включает в себя четыре сегмента, расположенных рядом друг с другом. В Схеме С расположения сегменты проводящего слоя 1904 расположены, например, вдоль М-образного пути (или W-образного пути) от входного конца 2302 до оконечного конца 2304. В Схеме D расположения сегменты проводящего слоя 1904 расположены, например, в виде расположения с двукратным перекрытием, сложенного вдоль самого себя. Аналогичная технология также может быть применена в отношении тройной конфигурации путем складывания проводящего слоя 1904 вдоль самого себя. На фиг. 24С изображен вид разрезе, взятом по линии С-С', соединительной полосы 1900 согласно Схеме С расположения и Схеме D расположения.The arrangement schemes C and D illustrate the connecting strips 1900 with the conductive layer 1904 with different variations of the arrangement with a four-fold overlap. The conductive layer 1904 in each of the arrangement schemes C and D includes four segments arranged next to each other. In the arrangement scheme C, the segments of the conductive layer 1904 are arranged, for example, along an M-shaped path (or a W-shaped path) from the input end 2302 to the terminal end 2304. In the arrangement scheme D, the segments of the conductive layer 1904 are arranged, for example, in the form of an arrangement with a two-fold overlap, folded along itself. A similar technology can also be applied to a three-fold configuration by folding the conductive layer 1904 along itself. Fig. 24C shows a sectional view taken along the line C-C' of the connecting strip 1900 according to the arrangement scheme C and the arrangement scheme D.
Схема Е расположения иллюстрирует более общее расположение проводящего слоя 1904. Например, Схема Е расположения иллюстрирует пример проводящего слоя 1904 с множеством сегментов разной ширины, расположенных рядом друг с другом. Кроме того, в некоторых вариантах реализации проводящий слой 1904 может включать в себя внутренние соединения 2306 между сегментами в различных местах между сегментами, как показано в Схеме Е расположения. В некоторых вариантах реализации соединительная полоса 1900 также может включать в себя множество входов 2302 сигнала.The arrangement diagram E illustrates a more general arrangement of the conductive layer 1904. For example, the arrangement diagram E illustrates an example of the conductive layer 1904 with a plurality of segments of different widths arranged next to each other. In addition, in some embodiments, the conductive layer 1904 may include internal connections 2306 between segments at various locations between segments, as shown in the arrangement diagram E. In some embodiments, the connecting strip 1900 may also include a plurality of signal inputs 2302.
На фиг. 25А изображен вид в разрезе приведенной для примера конфигурации для крепления соединительной полосы 1900 к объемной среде 1902. В частности, на фиг. 25А изображена конфигурация крепления снизу. В конфигурации крепления снизу адгезивный материал 2502 расположен между нижней поверхностью соединительной полосы 1900 (например, нижним диэлектрическим слоем) и поверхностью объемной среды 1902. Например, адгезивный материал может представлять собой, без ограничения, слой двухстороннего адгезива (например, двустороннюю ленту), смолы или эпоксидной смолы.Fig. 25A shows a sectional view of an example configuration for fastening the connecting strip 1900 to the volumetric medium 1902. In particular, Fig. 25A shows a bottom fastening configuration. In the bottom fastening configuration, the adhesive material 2502 is located between the bottom surface of the connecting strip 1900 (e.g., the bottom dielectric layer) and the surface of the volumetric medium 1902. For example, the adhesive material can be, without limitation, a layer of double-sided adhesive (e.g., double-sided tape), resin, or epoxy resin.
На фиг. 25В изображен вид в разрезе еще одной приведенной для примера конфигурации для крепления соединительной полосы 1900 к объемной среде 1902. В частности, на фиг. 25В изображена конфигурация крепления сверху. В конфигурации крепления сверху адгезивный слой 2504 нанесен поверх соединительной полосы 1900 для крепления соединительной полосы 1900 к обшивке 1902 летательного аппарата. Адгезивный слой 2504 может представлять собой, например, адгезивное покрытие, адгезивную пленку или ленту.Fig. 25B shows a sectional view of another exemplary configuration for fastening the connecting strip 1900 to the volumetric medium 1902. In particular, Fig. 25B shows a top-fastening configuration. In the top-fastening configuration, an adhesive layer 2504 is applied over the connecting strip 1900 for fastening the connecting strip 1900 to the aircraft skin 1902. The adhesive layer 2504 may be, for example, an adhesive coating, an adhesive film, or a tape.
Фиг. 26А представляет собой вид в разрезе соединительной полосы 1900 с двухсторонним адгезивным нижним слоем до установки на объемную среду 1902, а фиг. 26В представляет собой вид в разрезе соединительной полосы 1900 по фиг. 26А, установленной на объемную среду 1902. В некоторых вариантах реализации, например, в конфигурации крепления снизу, соединительная полоса 1900 включает в себя адгезивный нижний слой 2608. Адгезивный нижний слой может быть выполнен из двухстороннего адгезивного материала (например, двусторонней клейкой ленты). В таких вариантах реализации двухсторонний адгезивный материал может служить в качестве нижнего диэлектрического слоя (например, нижнего диэлектрического слоя 1908 на фиг. 19). В некоторых вариантах реализации адгезивный нижний слой 2608 может представлять собой, например, адгезивное покрытие или адгезивную пленку, нанесенную на нижнюю поверхность нижнего диэлектрического слоя 1908. Перед установкой соединительная полоса 1900 с адгезивным нижним слоем 2608 может включать в себя защитный слой 2610 поверх адгезивного нижнего слоя 2608. Защитный слой 2610 может представлять собой, например, отрывной слой. Например, защитный слой 2610 может защищать адгезивный нижний слой 2608 перед установкой. Во время установки защитный слой 2610 может быть удален с адгезивного нижнего слоя 2608, открывая адгезивную поверхность, так что соединительная полоса 1900 может быть прикреплена к поверхности объемной среды 1902.Fig. 26A is a cross-sectional view of the connecting strip 1900 with a double-sided adhesive bottom layer before being mounted on the bulk medium 1902, and Fig. 26B is a cross-sectional view of the connecting strip 1900 of Fig. 26A mounted on the bulk medium 1902. In some embodiments, such as in a bottom-mounted configuration, the connecting strip 1900 includes an adhesive bottom layer 2608. The adhesive bottom layer can be made of a double-sided adhesive material (e.g., double-sided adhesive tape). In such embodiments, the double-sided adhesive material can serve as a lower dielectric layer (e.g., lower dielectric layer 1908 in Fig. 19). In some embodiments, the adhesive bottom layer 2608 may be, for example, an adhesive coating or an adhesive film applied to the lower surface of the lower dielectric layer 1908. Before installation, the connecting strip 1900 with the adhesive bottom layer 2608 may include a protective layer 2610 over the adhesive bottom layer 2608. The protective layer 2610 may be, for example, a peel-off layer. For example, the protective layer 2610 may protect the adhesive bottom layer 2608 before installation. During installation, the protective layer 2610 can be removed from the adhesive bottom layer 2608, exposing the adhesive surface, so that the connecting strip 1900 can be attached to the surface of the bulk medium 1902.
В некоторых вариантах реализации могут быть включены один или более адгезивных слоев 2604 и 2606 для крепления диэлектрического слоя 1908 к проводящему слою 1904 и/или для крепления проводящего экранирующего слоя 1906 к диэлектрическому слою 1908. В некоторых вариантах реализации соединительная полоса 1900 включает в себя защитный слой 2602 поверх проводящего экранирующего слоя 1906. Например, защитный слой 2602 может включать в себя, без ограничения, один или более слоев полиуретана, полифторида, краски, пленки, заменяющей краску, герметика или их комбинацию.In some embodiments, one or more adhesive layers 2604 and 2606 may be included for attaching the dielectric layer 1908 to the conductive layer 1904 and/or for attaching the conductive shielding layer 1906 to the dielectric layer 1908. In some embodiments, the connecting strip 1900 includes a protective layer 2602 over the conductive shielding layer 1906. For example, the protective layer 2602 may include, without limitation, one or more layers of polyurethane, polyfluoride, paint, paint replacement film, sealant, or a combination thereof.
В некоторых областях применения может потребоваться нагрев непроводящей объемной среды. В таких ситуациях системы нагрева и соединительные полосы, описанные в настоящем документе, могут быть модифицированы для нагрева непроводящей объемной среды. Например, для нагрева непроводящей объемной среды с помощью системы нагрева с использованием соединительных полос может использоваться встроенный слой.In some applications, it may be necessary to heat a non-conductive bulk medium. In such situations, the heating systems and connecting strips described herein may be modified to heat a non-conductive bulk medium. For example, an embedded layer may be used to heat a non-conductive bulk medium using a heating system using connecting strips.
Фиг. 27A-27F представляют собой виды в разрезе различных вариантов реализации встроенных соединительных полос. На фиг. 27А изображена соединительная полоса 2700, аналогичная соединительной полосе 1900 на фиг. 19. Как и соединительная полоса 1900, соединительная полоса 2700 имеет многослойную конструкцию, которая включает в себя первый диэлектрический слой 1908 поверх объемной среды 1902, проводящий слой 1904 поверх первого диэлектрического слоя 1908, второй диэлектрический слой 1908 поверх проводящего слоя 1904 и проводящий экранирующий слой 1906 поверх второго диэлектрического слоя 1908, и, при необходимости, защитный слой 2706 поверх проводящего экранирующего слоя 1906. Защитный слой 2706 аналогичен защитному слою 2602, описанному выше. Соединительная полоса 2700 отличается от соединительной полосы 1900 тем, что она прикреплена к поверхности непроводящей объемной среды 2702, а непроводящая объемная среда 2702 включает в себя объемный проводящий материал 2704, встроенный в нее. Например, объемный проводящий материал 2704 может быть выполнен в виде металлической фольги, металлической ленты или в виде плетеного металлического слоя, встроенного в непроводящую объемную среду 2702. Например, непроводящая объемная среда 2702 может представлять собой слоистый материал (например, углеволокнистый композит, стеклокомпозит или кевлар) с проводящим объемным материалом 2704, расположенным между слоями непроводящей объемной среды 2702. Объемный проводящий материал 2704 может быть выполнен из проводящих материалов, включая, без ограничения, медь, медные сплавы (например, латунь или бронзу), серебро, серебряные сплавы, алюминий, алюминиевые сплавы, титан, титановые сплавы, хром, никель, никелевые сплавы, кобальтовые сплавы, нержавеющую сталь, графит или их комбинации.Fig. 27A-27F are sectional views of various embodiments of the integrated connection strips. Fig. 27A shows a connection strip 2700 similar to the connection strip 1900 in Fig. 19. Like the connection strip 1900, the connection strip 2700 has a multilayer structure that includes a first dielectric layer 1908 over a bulk medium 1902, a conductive layer 1904 over the first dielectric layer 1908, a second dielectric layer 1908 over the conductive layer 1904, and a conductive shielding layer 1906 over the second dielectric layer 1908, and, optionally, a protective layer 2706 over the conductive shielding layer 1906. The protective layer 2706 is similar to the protective layer 2602 described above. The connecting strip 2700 differs from the connecting strip 1900 in that it is attached to the surface of the non-conductive volumetric medium 2702, and the non-conductive volumetric medium 2702 includes a bulk conductive material 2704 embedded therein. For example, the bulk conductive material 2704 can be in the form of a metal foil, a metal tape, or a braided metal layer embedded in the non-conductive bulk medium 2702. For example, the non-conductive bulk medium 2702 can be a layered material (e.g., a carbon fiber composite, a glass composite, or Kevlar) with the conductive bulk material 2704 located between layers of the non-conductive bulk medium 2702. The bulk conductive material 2704 can be made of conductive materials including, without limitation, copper, copper alloys (e.g., brass or bronze), silver, silver alloys, aluminum, aluminum alloys, titanium, titanium alloys, chromium, nickel, nickel alloys, cobalt alloys, stainless steel, graphite, or combinations thereof.
В каждом из примеров, изображенных на фиг. 27A-27F, переменный ток, проходящий через проводящий слой 1904 соединительной полосы 2700, вырабатывает ток нагрева в объемном проводящем материале 2704, а не в непроводящей объемной среде 2702. Затем тепло, выработанное в объемном проводящем материале 2704, передается непроводящей объемной среде 2702 (например, за счет теплопроводности). В некоторых примерах, если непроводящая объемная среда обладает некоторой электропроводностью, тепло также будет вырабатываться в непроводящем участке в дополнение к слою объемного проводящего материала.In each of the examples shown in Fig. 27A-27F, the alternating current passing through the conductive layer 1904 of the connecting strip 2700 generates a heating current in the bulk conductive material 2704, and not in the non-conductive bulk medium 2702. Then, the heat generated in the bulk conductive material 2704 is transferred to the non-conductive bulk medium 2702 (e.g., by conduction). In some examples, if the non-conductive bulk medium has some electrical conductivity, heat will also be generated in the non-conductive region in addition to the layer of bulk conductive material.
На фиг. 27 В проиллюстрирован вариант реализации соединительной полосы 2700, которая включает в себя только защитный слой 2706, проводящий слой 1904 и диэлектрический слой 1908. Соединительная полоса 2700 скомпонована так, что защитный слой 2706 расположен поверх проводящего слоя 1904, а проводящий слой 1904 расположен поверх диэлектрического слоя 1908. Диэлектрический слой 1908 отделен от встроенного проводящего объемного материала 2704 участком непроводящей объемной среды 2702.Fig. 27B illustrates an embodiment of a connecting strip 2700 that includes only a protective layer 2706, a conductive layer 1904, and a dielectric layer 1908. The connecting strip 2700 is arranged such that the protective layer 2706 is located on top of the conductive layer 1904, and the conductive layer 1904 is located on top of the dielectric layer 1908. The dielectric layer 1908 is separated from the embedded conductive bulk material 2704 by a portion of a non-conductive bulk medium 2702.
На фиг. 27С проиллюстрирован вариант реализации соединительной полосы 2700, которая включает в себя проводящий слой 1904, встроенный в непроводящую объемную среду 2702. Соединительная полоса 2700 на фиг. 27С включает в себя защитный слой 2706, проводящий экранирующий слой 1906, диэлектрический слой 1908 и проводящий слой 1904. Соединительная полоса 2700 скомпонована так, что защитный слой 2706, проводящий экранирующий слой 1906 и диэлектрический слой 1908 расположены поверх проводящего слоя 1904. Проводящий слой 1904 встроен в непроводящую объемную среду 2702 и отделен от проводящего объемного материала 2704 участком непроводящей объемной среды 2702. Например, каждый из проводящего слоя 1904 и проводящего объемного материала 2704 может быть расположен между разными слоями непроводящей объемной среды 2702.Fig. 27C illustrates an embodiment of a connecting strip 2700 that includes a conductive layer 1904 embedded in a non-conductive bulk medium 2702. The connecting strip 2700 in Fig. 27C includes a protective layer 2706, a conductive shielding layer 1906, a dielectric layer 1908 and a conductive layer 1904. The connecting strip 2700 is arranged so that the protective layer 2706, the conductive shielding layer 1906 and the dielectric layer 1908 are located on top of the conductive layer 1904. The conductive layer 1904 is embedded in the non-conductive volumetric medium 2702 and is separated from the conductive volumetric material 2704 by a portion of the non-conductive volumetric medium 2702. For example, each of the conductive layer 1904 and the conductive volumetric material 2704 can be located between different layers of the non-conductive volumetric medium 2702.
На фиг. 27D проиллюстрирован вариант соединительной полосы 2700, изображенной на фиг. 27С, но без защитного слоя 2706, проводящего экранирующего слоя 1906 и диэлектрического слоя 1908.Fig. 27D illustrates a variant of the connecting strip 2700 shown in Fig. 27C, but without the protective layer 2706, the conductive shielding layer 1906 and the dielectric layer 1908.
На фиг. 27Е проиллюстрирован вариант соединительной полосы 2700, изображенной на фиг. 27D, но с обратным расположением проводящего слоя 1904 и проводящего объемного материала 2704. Т. е. в компоновке соединительной полосы 2700, изображенной на фиг. 27Е, проводящий объемный материал 2704 расположен ближе к поверхности непроводящей объемной среды 2702, чем проводящий слой 1904.Fig. 27E illustrates a variant of the connecting strip 2700 shown in Fig. 27D, but with the reverse arrangement of the conductive layer 1904 and the conductive bulk material 2704. That is, in the arrangement of the connecting strip 2700 shown in Fig. 27E, the conductive bulk material 2704 is located closer to the surface of the non-conductive bulk medium 2702 than the conductive layer 1904.
На фиг. 27F проиллюстрирован вариант реализации соединительной полосы 2700, которая включает в себя проводящий слой 1904 и проводящий экранирующий слой 1906, встроенный в непроводящую объемную среду 2702. В компоновке соединительной полосы 2700, изображенной на фиг.27F, участки непроводящей объемной среды 2702 (например, слои непроводящей объемной среды 2702) отделяют проводящий слой 1904 от проводящего экранирующего слоя 1906 и от проводящего объемного материала 2704. Непроводящая объемная среда 2702 выполняет ту же функцию, что диэлектрические слои 1908 в соединительной полосе 1900, показанной на фиг. 19.Fig. 27F illustrates an embodiment of a connecting strip 2700 that includes a conductive layer 1904 and a conductive shielding layer 1906 embedded in a non-conductive bulk medium 2702. In the arrangement of the connecting strip 2700 shown in Fig. 27F, portions of the non-conductive bulk medium 2702 (e.g., layers of the non-conductive bulk medium 2702) separate the conductive layer 1904 from the conductive shielding layer 1906 and from the conductive bulk material 2704. The non-conductive bulk medium 2702 performs the same function as the dielectric layers 1908 in the connecting strip 1900 shown in Fig. 19.
На фиг. 28 показаны схематические изображения одного варианта реализации соединителя 2802 соединительной полосы. Схематическое изображение 2805 представляет собой принципиальную схему соединителя 2802. Соединитель 2802 включает в себя встроенную схему 2804 регулировки импеданса. Схема 2804 регулировки импеданса электрически подключена между входным сигнальным интерфейсом 2806 и соединительной полосой 1900. Например, входной сигнальный интерфейс 2806 может представлять собой подключение коаксиального кабеля. Входная клемма 2810 входного сигнального интерфейса 2806 (например, центральный провод подключения коаксиального кабеля) подключена к проводящему слою 1904 соединительной полосы 1900 проводом 2808. Клемма (клеммы) 2814 заземления входного сигнального интерфейса 2806 (например, экрана подключения коаксиального кабеля) подключена к объемной среде 1902 и/или к проводящему экранирующему слою 1906 соединительной полосы 1900 одним или более проводами 2812.Fig. 28 shows schematic illustrations of one embodiment of a connector 2802 of a connecting strip. Schematic illustration 2805 is a basic diagram of a connector 2802. The connector 2802 includes a built-in impedance adjustment circuit 2804. The impedance adjustment circuit 2804 is electrically connected between the input signal interface 2806 and the connecting strip 1900. For example, the input signal interface 2806 can be a coaxial cable connection. The input terminal 2810 of the input signal interface 2806 (for example, the central wire of the coaxial cable connection) is connected to the conductive layer 1904 of the connecting strip 1900 by a wire 2808. The ground terminal(s) 2814 of the input signal interface 2806 (for example, the shield of the coaxial cable connection) is connected to the volumetric medium 1902 and/or to the conductive shielding layer 1906 of the connecting strip 1900 by one or more wires 2812.
Схема 2804 регулировки импеданса выполнена с возможностью регулировки входного импеданса соединительной полосы 1900 до необходимого уровня, который измеряется на входном сигнальном интерфейсе 2806. Схема 2804 регулировки импеданса может представлять собой фиксированную или переменную схему регулировки импеданса. Например, схема 2804 регулировки импеданса может быть реализована как одна из схем регулировки импеданса, описанных выше со ссылкой на фиг. 12-15В. На схематическом изображении 2850 схема 2804 регулировки импеданса реализована в виде шунтирующего конденсатора C1 между заземлением, подключенным к проводящему экранирующему слою 1906 соединительной полосы 1900 и/или к объемной среде 1902 (или объемному проводящему материалу 2704 в случае реализации для непроводящей объемной среды).The impedance adjustment circuit 2804 is configured to adjust the input impedance of the coupling strip 1900 to a desired level, which is measured at the input signal interface 2806. The impedance adjustment circuit 2804 may be a fixed or variable impedance adjustment circuit. For example, the impedance adjustment circuit 2804 may be implemented as one of the impedance adjustment circuits described above with reference to Fig. 12-15B. In the schematic illustration 2850, the impedance adjustment circuit 2804 is implemented as a shunt capacitor C 1 between the ground connected to the conductive shielding layer 1906 of the coupling strip 1900 and/or to the bulk medium 1902 (or the bulk conductive material 2704 in the case of implementation for a non-conductive bulk medium).
На фиг. 29 показаны схематические изображения еще одного варианта реализации соединителя 2902 соединительной полосы. Соединитель 2902 включает в себя два входных сигнальных интерфейса 2906А и 2906В, например, для последовательного подключения множества соединительных полос 1900 друг к другу. Схематическое изображение 2905 представляет собой принципиальную схему соединителя 2902. Соединитель 2902 включает в себя встроенную схему 2904 регулировки импеданса. Схема 2904 регулировки импеданса включает в себя последовательные шунтирующие компоненты 2904А, 2904В, 2904С регулировки импеданса, электрически подключенные между входными сигнальными интерфейсами 2906А, 2906В и соединительной полосой 1900. Например, входные сигнальные интерфейсы 2906А и 2906В могут представлять собой подключения коаксиальных кабелей. Соответствующие входные клеммы 22910 входных сигнальных интерфейсов 2906А, 2906В подключены к проводящему слою 1904 соединительной полосы 1900 и друг к другу проводом 2808. Соответствующая клемма (клеммы) 2914 заземления входных сигнальных интерфейсов 2906А, 2906В соединены с объемной средой 1902 и/или с проводящим экранирующим слоем 1906 соединительной полосы 1900 одним или более проводами 2912.Fig. 29 shows schematic illustrations of another embodiment of a connector 2902 of a connecting strip. The connector 2902 includes two input signal interfaces 2906A and 2906B, for example, for connecting a plurality of connecting strips 1900 to each other in series. Schematic illustration 2905 is a basic diagram of the connector 2902. The connector 2902 includes a built-in impedance adjustment circuit 2904. The impedance adjustment circuit 2904 includes series shunt components 2904A, 2904B, 2904C of impedance adjustment, electrically connected between the input signal interfaces 2906A, 2906B and the connecting strip 1900. For example, the input signal interfaces 2906A and 2906B can be connections of coaxial cables. The corresponding input terminals 22910 of the input signal interfaces 2906A, 2906B are connected to the conductive layer 1904 of the connecting strip 1900 and to each other by a wire 2808. The corresponding ground terminal(s) 2914 of the input signal interfaces 2906A, 2906B are connected to the bulk medium 1902 and/or to the conductive shielding layer 1906 of the connecting strip 1900 by one or more wires 2912.
На схематическом изображении 2950 схема 2804 регулировки импеданса реализована в виде последовательных конденсатора C1 и двух шунтирующих конденсаторов С2, С3 между заземлением, подключенным к проводящему экранирующему слою 1906 соединительной полосы 1900 и/или к объемной среде 1902 (или объемному проводящему материалу 2704 в случае реализации для непроводящей объемной среды).In the schematic representation 2950, the impedance adjustment circuit 2804 is implemented in the form of a series capacitor C 1 and two shunt capacitors C 2 , C 3 between the ground connected to the conductive shielding layer 1906 of the connecting strip 1900 and/or to the bulk medium 1902 (or the bulk conductive material 2704 in the case of implementation for a non-conductive bulk medium).
Фиг. 30 представляет собой блочную схему первой приведенной для примера системы 3000 нагрева объемной среды с использованием соединительных полос 1900 согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Система 3000 нагрева включает в себя несколько соединительных полос 1900, расположенных на расстоянии друг от друга и прикрепленных к объемной среде 1902 (например, к крылу летательного аппарата). Каждая соединительная полоса 1900 подключена к системе 3002 управления питанием. Система 3002 управления питанием может быть реализована согласно любому из вариантов реализации системы 104 управления питанием, рассмотренных выше. Система 3002 управления питанием подает переменный ток на каждую полосу.Fig. 30 is a block diagram of a first example system 3000 for heating a volumetric medium using connecting strips 1900 according to embodiments of the present invention. The heating system 3000 includes a plurality of connecting strips 1900 located at a distance from each other and attached to a volumetric medium 1902 (for example, to an aircraft wing). Each connecting strip 1900 is connected to a power management system 3002. The power management system 3002 can be implemented according to any of the embodiments of the power management system 104 discussed above. The power management system 3002 supplies alternating current to each strip.
Один конец каждой соединительной полосы 1900 (называемый в настоящем документе «входным концом») подключен к системе 3002 управления питанием через соединитель 3004. В проиллюстрированном примере противоположный конец каждой соединительной полосы 1900 (называемый в настоящем документе «оконечным концом») имеет либо разомкнутую оконечную нагрузку 3006, либо замкнутую оконечную нагрузку 3008. Соединительные полосы 1900 расположены чередующимся образом, при этом каждая соседняя пара соединительных полос 1900 имеет оконечные нагрузки разного типа. Например, одна соединительная полоса 1900 в каждой соседней паре обеспечена разомкнутой оконечной нагрузкой 3006 на оконечном конце, тогда как другая соединительная полоса 1900 в паре обеспечена замкнутой оконечной нагрузкой 3008. Разомкнутые оконечные нагрузки 3006 означают, что оконечный конец соединительной полосы 1900 оставлен в виде разомкнутой цепи; не подключен к электрическому заземлению через объемную среду 1902 или проводящий экранирующий слой соединительной полосы 1900. В некоторых вариантах реализации замкнутые оконечные нагрузки 3008 представляют собой короткозамкнутые цепи между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и объемной средой 1902 и/или проводящим экранирующим слоем соединительной полосы 1900. В некоторых вариантах реализации замкнутые оконечные нагрузки 3008 представляют собой емкостные оконечные нагрузки, при этом между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и электрическим заземлением подключен конденсатор. Например, конденсатор подключен между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и либо объемной средой 1902, либо проводящим экранирующим слоем соединительной полосы 1900. В некоторых вариантах реализации замкнутые оконечные нагрузки 3008 представляют собой индуктивные оконечные нагрузки, при этом между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и электрическим заземлением подключена катушка индуктивности. Например, катушка индуктивности подключена между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и либо объемной средой 1902, либо проводящим экранирующим слоем соединительной полосы 1900. В некоторых вариантах реализации замкнутые оконечные нагрузки 3008 представляют собой резистивные оконечные нагрузки, при этом между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и электрическим заземлением подключен резистор. Например, резистор подключен между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и либо объемной средой 1902, либо проводящим экранирующим слоем соединительной полосы 1900.One end of each connecting strip 1900 (referred to herein as the "input end") is connected to the power management system 3002 via a connector 3004. In the illustrated example, the opposite end of each connecting strip 1900 (referred to herein as the "termination end") has either an open termination 3006 or a closed termination 3008. The connecting strips 1900 are arranged in an alternating manner, with each adjacent pair of connecting strips 1900 having terminations of a different type. For example, one connecting strip 1900 in each adjacent pair is provided with an open termination 3006 at the termination end, while the other connecting strip 1900 in the pair is provided with a closed termination 3008. Open terminations 3006 mean that the termination end of the connecting strip 1900 is left as an open circuit; is not connected to electrical ground through the bulk medium 1902 or the conductive shielding layer of the connecting strip 1900. In some embodiments, the closed termination loads 3008 are short-circuited circuits between the conductive layer of the connecting strip 1900 and the bulk medium 1902 and/or the conductive shielding layer of the connecting strip 1900. In some embodiments, the closed termination loads 3008 are capacitive termination loads, wherein a capacitor is connected between the conductive layer of the connecting strip 1900 and electrical ground. For example, the capacitor is connected between the conductive layer of the connecting strip 1900 and either the bulk medium 1902 or the conductive shielding layer of the connecting strip 1900. In some embodiments, the closed termination loads 3008 are inductive termination loads, and an inductor is connected between the conductive layer of the connecting strip 1900 and the electrical ground. For example, the inductor is connected between the conductive layer of the connecting strip 1900 and either the bulk medium 1902 or the conductive shielding layer of the connecting strip 1900. In some embodiments, the closed termination loads 3008 are resistive termination loads, and a resistor is connected between the conductive layer of the connecting strip 1900 and the electrical ground. For example, a resistor is connected between a conductive layer of the connecting strip 1900 and either the bulk medium 1902 or the conductive shielding layer of the connecting strip 1900.
Комплементарные типы оконечных нагрузок могут быть применены к соседним соединительным полосам 1900 для обеспечения необходимого входного импеданса в системе 3002 управления питанием, для обеспечения необходимого распределения тепла в объемной среде 1902 или для выполнения обеих функций. Например, соединительные полосы 1900 могут быть установлены на объемной среде 1902 таким образом, чтобы соседние соединительные полосы 1900 имели комплементарные типы оконечных нагрузок. Например, оконечные нагрузки соседних соединительных полос 1900 могут чередоваться между разомкнутыми оконечными нагрузками 3006 и короткозамкнутыми оконечными нагрузками (например, замкнутая оконечная нагрузка 3008, реализованная в виде короткозамкнутых цепей). Еще в одном примере оконечные нагрузки соседних соединительных полос 1900 могут чередоваться между замкнутой оконечной нагрузкой 3008, реализованной в виде емкостных оконечных нагрузок, и замкнутой оконечной нагрузкой 3008, реализованной в виде индуктивных оконечных нагрузок.Complementary types of termination loads can be applied to adjacent connection strips 1900 to provide the necessary input impedance in the power management system 3002, to provide the necessary heat distribution in the volumetric environment 1902, or to perform both functions. For example, the connection strips 1900 can be installed on the volumetric environment 1902 such that adjacent connection strips 1900 have complementary types of termination loads. For example, the termination loads of adjacent connection strips 1900 can alternate between open termination loads 3006 and short-circuited termination loads (for example, a closed termination load 3008 implemented in the form of short-circuited circuits). In yet another example, the terminations of adjacent connecting strips 1900 may alternate between a closed termination 3008 implemented as capacitive terminations and a closed termination 3008 implemented as inductive terminations.
Фиг. 31 представляет собой блочную схему второй приведенной для примера системы 3100 нагрева объемной среды с использованием соединительных полос 1900 согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Система 3100 нагрева аналогична системе 3000 нагрева, описанной выше, с добавлением системы 3102 управления, выполненной с возможностью управления переменными оконечными нагрузками 3106, прикрепленными к оконечному концу каждой соединительной полосы 1900. Переменные оконечные нагрузки 3106 включают в себя переключаемую оконечную нагрузку. В некоторых вариантах реализации переменные оконечные нагрузки 3106 выполнены с возможностью переключения между короткозамкнутой оконечной нагрузкой и разомкнутой оконечной нагрузкой. Например, переменные оконечные нагрузки 3106 включают в себя управляемый переключатель, подключенный между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и электрическим заземлением. Управляемый переключатель может быть реализован в виде электронного переключателя (например, транзистора, силового диода, тиристора, кремниевого управляемого выпрямителя и т.д.) или механического переключателя (например, реле). Например, управляемый переключатель подключен между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и либо объемной средой 1902, либо проводящим экранирующим слоем соединительной полосы 1900. Выход системы управления подключен к клемме управления управляемого переключателя.Fig. 31 is a block diagram of a second example system 3100 for heating a bulk medium using connecting strips 1900 according to embodiments of the present invention. The heating system 3100 is similar to the heating system 3000 described above, with the addition of a control system 3102 configured to control variable termination loads 3106 attached to the end of each connecting strip 1900. The variable termination loads 3106 include a switchable termination load. In some embodiments, the variable termination loads 3106 are configured to switch between a short-circuited termination load and an open termination load. For example, the variable termination loads 3106 include a controllable switch connected between a conductive layer of the connecting strip 1900 and electrical ground. The controlled switch may be implemented as an electronic switch (e.g., a transistor, a power diode, a thyristor, a silicon controlled rectifier, etc.) or a mechanical switch (e.g., a relay). For example, the controlled switch is connected between the conductive layer of the connecting strip 1900 and either the bulk medium 1902 or the conductive shielding layer of the connecting strip 1900. The output of the control system is connected to the control terminal of the controlled switch.
Оконечная нагрузка каждой соединительной полосы 1900 может переключаться между разомкнутой цепью и короткозамкнутой цепью путем размыкания и замыкания управляемого переключателя (или включения и отключения электронного переключателя). Например, система 3102 управления управляет работой переменных оконечных нагрузок 3106 соединительной полосы 1900 путем управления управляемым переключателем для изменения типа оконечной нагрузки соединительной полосы 1900 по мере необходимости для нагрева объемной среды 1902. В некоторых вариантах реализации система 3102 управления выполнена с возможностью независимого управления каждой переменной оконечной нагрузкой 3106 соединительной полосы. В некоторых вариантах реализации система 3102 управления выполнена с возможностью синхронного управления переменными оконечными нагрузками 3106 группы (например, пары или большей группы) соединительных полос. В некоторых вариантах реализации система 3102 управления выполнена с возможностью управления переменными оконечными нагрузками 3106 одной или более соединительных полос 1900 через регулярные промежутки времени, например, согласно регулярному рабочему циклу. Рабочий цикл для переключения переменных оконечных нагрузок 3106 может находиться в диапазоне от 0,01 Гц до 100 Гц.The termination load of each connecting strip 1900 can be switched between an open circuit and a short circuit by opening and closing a controlled switch (or turning on and off an electronic switch). For example, the control system 3102 controls the operation of the variable termination loads 3106 of the connecting strip 1900 by controlling the controlled switch to change the type of termination load of the connecting strip 1900 as needed to heat the bulk medium 1902. In some embodiments, the control system 3102 is configured to independently control each variable termination load 3106 of the connecting strip. In some embodiments, the control system 3102 is configured to synchronously control the variable termination loads 3106 of a group (for example, a pair or a larger group) of connecting strips. In some embodiments, the control system 3102 is configured to control the variable termination loads 3106 of one or more connecting strips 1900 at regular time intervals, for example, according to a regular duty cycle. The duty cycle for switching the variable termination loads 3106 can be in the range from 0.01 Hz to 100 Hz.
В некоторых вариантах реализации система 3102 управления управляет работой переменных оконечных нагрузок 3106 путем поочередного переключения между разомкнутыми и замкнутыми оконечными нагрузками. Например, система 3102 управления переключает половину переменных оконечных нагрузок 3106 на короткозамкнутые оконечные нагрузки, а половину переменных оконечных нагрузок 3106 на разомкнутые оконечные нагрузки в первой половине рабочего цикла. Затем во второй половине рабочего цикла система 3102 управления переключает переменные оконечные нагрузки 3106 таким образом, что оконечные нагрузки, переключенные на разомкнутые оконечные нагрузки, переключаются на замкнутые оконечные нагрузки, и наоборот. Рабочий цикл для переключения переменных оконечных нагрузок 3106 может находиться в диапазоне от 0,01 Гц до 100 Гц.In some embodiments, the control system 3102 controls the operation of the variable termination loads 3106 by alternately switching between open and closed termination loads. For example, the control system 3102 switches half of the variable termination loads 3106 to short-circuited termination loads and half of the variable termination loads 3106 to open termination loads in the first half of the duty cycle. Then, in the second half of the duty cycle, the control system 3102 switches the variable termination loads 3106 such that the termination loads switched to open termination loads are switched to closed termination loads, and vice versa. The duty cycle for switching the variable termination loads 3106 can be in the range from 0.01 Hz to 100 Hz.
В некоторых вариантах реализации переменными оконечными нагрузками 3106 каждой пары соседних соединительных полос 1900 управляют для сохранения противоположного типа оконечных нагрузок. Т. е. система 3102 управления управляет переменными оконечными нагрузками 3106 таким образом, что оконечная нагрузка одной соединительной полосы 1900 в каждой соседней паре выполнена в виде разомкнутой цепи, а оконечная нагрузка другой соединительной полосы 1900 в паре выполнена в виде разомкнутой цепи, при этом оконечные нагрузки чередуются в каждой половине рабочего цикла.In some embodiments, the variable termination loads 3106 of each pair of adjacent connector strips 1900 are controlled to maintain opposite termination load types. That is, the control system 3102 controls the variable termination loads 3106 such that the termination load of one connector strip 1900 in each adjacent pair is configured as an open circuit, and the termination load of the other connector strip 1900 in the pair is configured as an open circuit, with the termination loads alternating in each half of the duty cycle.
Система 3102 управления может представлять собой вычислительное устройство с одним или более процессорами или микроконтроллерами, выполненными с возможностью управления работой переменных оконечных нагрузок 3106. Например, система 3102 управления включает в себя запоминающее устройство, в котором хранятся инструкции (например, программный код), которые при выполнении системой управления побуждают систему 3102 управления к подаче соответствующих сигналов управления управляемым переключателям в переменных оконечных нагрузках 3106. В некоторых вариантах реализации система 3002 управления питанием и система 3102 управления могут быть объединены в общую систему управления питанием и управления.The control system 3102 may be a computing device with one or more processors or microcontrollers configured to control the operation of the variable termination loads 3106. For example, the control system 3102 includes a memory device that stores instructions (e.g., program code) that, when executed by the control system, cause the control system 3102 to supply corresponding control signals to the controlled switches in the variable termination loads 3106. In some embodiments, the power management system 3002 and the control system 3102 may be combined into a common power management and control system.
В некоторых вариантах реализации переменные оконечные нагрузки 3106 выполнены с возможностью переключения между емкостной оконечной нагрузкой и индуктивной оконечной нагрузкой. Например, управляемый переключатель может быть выполнен с возможностью переключения между подключением проводящего слоя соединительной полосы 1900 к конденсатору, который подключен к заземлению, или подключением проводящего слоя соединительной полосы 1900 к катушке индуктивности, которая подключена к заземлению. Как отмечено выше, заземление может проходить либо через объемную среду 1902, либо через проводящий экранирующий слой соединительной полосы 1900. Кроме того, в таких вариантах реализации система 3102 управления может работать, как описано выше, для поочередного переключения переменных оконечных нагрузок 3106 между проводящими и индуктивными оконечными нагрузками.In some embodiments, the variable termination loads 3106 are configured to switch between a capacitive termination load and an inductive termination load. For example, the controllable switch can be configured to switch between connecting the conductive layer of the connection strip 1900 to a capacitor that is connected to ground, or connecting the conductive layer of the connection strip 1900 to an inductor that is connected to ground. As noted above, the ground can pass either through the bulk medium 1902 or through the conductive shielding layer of the connection strip 1900. In addition, in such embodiments, the control system 3102 can operate, as described above, to alternately switch the variable termination loads 3106 between conductive and inductive termination loads.
В других вариантах реализации переменные оконечные нагрузки 3106 могут быть модифицированы для переключения между разными типами оконечных нагрузок, например, между разомкнутыми оконечными нагрузками и емкостными оконечными нагрузками, между короткозамкнутыми оконечными нагрузками и индуктивными оконечными нагрузками, между разомкнутыми оконечными нагрузками и индуктивными оконечными нагрузками, между короткозамкнутыми оконечными нагрузками и емкостными оконечными нагрузками, между разомкнутыми оконечными нагрузками и резистивными оконечными нагрузками, между короткозамкнутыми оконечными нагрузками и резистивными оконечными нагрузками или другими их комбинациями.In other embodiments, the variable termination loads 3106 may be modified to switch between different types of termination loads, such as between open termination loads and capacitive termination loads, between short termination loads and inductive termination loads, between open termination loads and inductive termination loads, between short termination loads and capacitive termination loads, between open termination loads and resistive termination loads, between short termination loads and resistive termination loads, or other combinations thereof.
Фиг. 32 представляет собой блочную схему третьей приведенной для примера системы 3200 нагрева объемной среды с использованием соединительных полос согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Система 3200 нагрева выполнена с возможностью поочередного приведения в действие соседних соединительных полос 1900. Система 3200 нагрева аналогична системе 3000 нагрева, описанной выше, с добавлением системы 3202 управления, выполненной с возможностью приведения в действие переключаемых соединителей 3204, прикрепленных к входному концу каждой соединительной полосы 1900. Переключаемые соединители 3204 включают в себя управляемый переключатель, выполненный с возможностью подключения соответствующей соединительной полосы 1900 к системе 3002 управления питанием и отключения от нее. Управляемый переключатель может быть реализован в виде электронного переключателя (например, транзистора, силового диода, тиристора, кремниевого управляемого выпрямителя и т.д.) или механического переключателя (например, реле). Например, управляемый переключатель подключен между проводящим слоем соединительной полосы 1900 и входной клеммой переключаемого соединителя 3204. Выход системы управления подключен к клемме управления управляемого переключателя.Fig. 32 is a block diagram of a third example system 3200 for heating a bulk medium using connecting strips according to embodiments of the present invention. The heating system 3200 is configured to alternately actuate adjacent connecting strips 1900. The heating system 3200 is similar to the heating system 3000 described above, with the addition of a control system 3202 configured to actuate switchable connectors 3204 attached to the input end of each connecting strip 1900. The switchable connectors 3204 include a controllable switch configured to connect and disconnect a corresponding connecting strip 1900 to the power control system 3002. The controllable switch can be implemented as an electronic switch (e.g., a transistor, a power diode, a thyristor, a silicon controlled rectifier, etc.) or a mechanical switch (e.g., a relay). For example, a controlled switch is connected between the conductive layer of the connecting strip 1900 and the input terminal of the switching connector 3204. The output of the control system is connected to the control terminal of the controlled switch.
Система 3202 управления управляет работой переключаемого соединителя 3204 для поочередного подключения и отключения соединительных полос 1900 от системы 3002 управления питанием, эффективно подключая и отключая соединительные полосы 1900. Например, система 3202 управления может управлять переключаемыми соединителями 3204 для поочередного подключения и отключения соединительных полос 1900. Например, система 3202 управления управляет работой переключаемых соединителей 3204 соединительной полосы 1900 путем управления управляемым переключателем для подключения или отключения соединительной полосы 1900 по мере необходимости для нагрева объемной среды 1902. В некоторых вариантах реализации система 3102 управления выполнена с возможностью независимого управления каждой переменной оконечной нагрузкой 3106 соединительной полосы. В некоторых вариантах реализации система 3102 управления выполнена с возможностью синхронного управления переменными оконечными нагрузками 3106 группы (например, пары или большей группы) соединительных полос. В некоторых вариантах реализации система 3102 управления выполнена с возможностью управления переключением переменных оконечных нагрузок 3106 одной или более соединительных полос 1900 через регулярные промежутки времени, например, согласно регулярному рабочему циклу. Рабочий цикл для переключения переменных оконечных нагрузок 3106 может находиться в диапазоне от 0,01 Гц до 100 Гц. В некоторых вариантах реализации система 3202 управления подключает соединительные полосы 1900 с разомкнутыми оконечными нагрузками 3006 и отключает соединительные полосы 1900 с замкнутыми оконечными нагрузками 3008 в первой половине рабочего цикла. Затем во второй половине рабочего цикла система 3202 управления переключает переключаемые соединители 3204 для отключения соединительных полос 1900 с разомкнутыми оконечными нагрузками 3006 и подключения соединительных полос 1900 с замкнутыми оконечными нагрузками 3008.The control system 3202 controls the operation of the switchable connector 3204 to alternately connect and disconnect the connecting strips 1900 from the power management system 3002, effectively connecting and disconnecting the connecting strips 1900. For example, the control system 3202 can control the switchable connectors 3204 to alternately connect and disconnect the connecting strips 1900. For example, the control system 3202 controls the operation of the switchable connectors 3204 of the connecting strip 1900 by controlling the controllable switch to connect or disconnect the connecting strip 1900 as needed to heat the bulk medium 1902. In some embodiments, the control system 3102 is configured to independently control each variable termination load 3106 of the connecting strip. In some embodiments, the control system 3102 is configured to synchronously control the variable termination loads 3106 of a group (for example, a pair or a larger group) of connecting strips. In some embodiments, the control system 3102 is configured to control the switching of the variable termination loads 3106 of one or more coupling strips 1900 at regular intervals, such as according to a regular duty cycle. The duty cycle for switching the variable termination loads 3106 can be in the range from 0.01 Hz to 100 Hz. In some embodiments, the control system 3202 connects the coupling strips 1900 with open termination loads 3006 and disconnects the coupling strips 1900 with closed termination loads 3008 in the first half of the duty cycle. Then, in the second half of the duty cycle, the control system 3202 switches the switchable connectors 3204 to disconnect the coupling strips 1900 with open termination loads 3006 and connect the coupling strips 1900 with closed termination loads 3008.
Система 3202 управления может представлять собой вычислительное устройство с одним или более процессорами или микроконтроллерами, выполненными с возможностью управления работой переменных оконечных нагрузок 3106. Например, система 3202 управления включает в себя запоминающее устройство, в котором хранятся инструкции (например, программный код), которые при выполнении системой управления побуждают систему 3202 управления к подаче соответствующих сигналов управления управляемым переключателям в переменных оконечных нагрузках 3106. В некоторых вариантах реализации система 3002 управления питанием и система 3202 управления могут быть объединены в общую систему управления питанием и управления.The control system 3202 may be a computing device with one or more processors or microcontrollers configured to control the operation of the variable termination loads 3106. For example, the control system 3202 includes a memory device that stores instructions (e.g., program code) that, when executed by the control system, cause the control system 3202 to supply corresponding control signals to the controlled switches in the variable termination loads 3106. In some embodiments, the power management system 3002 and the control system 3202 may be combined into a common power management and control system.
Как использовано в настоящем документе, термины «перпендикулярно», или «по существу перпендикулярно», или «под прямым углом», или «по существу под прямым углом» относятся к взаимному расположению двух элементов (например, линий, направлений, осей, плоскостей, поверхностей или компонентов), которое образует угол девяносто градусов в пределах допустимых отклонений при проектировании или измерении. Например, направления могут считаться перпендикулярными, если угол между направлениями находится в пределах допустимого отклонения от девяноста градусов (например, ±1-2 градуса).As used herein, the terms "perpendicular" or "substantially perpendicular" or "at right angles" or "at substantially right angles" refer to the relative position of two elements (e.g., lines, directions, axes, planes, surfaces, or components) that forms an angle of ninety degrees within the tolerances of design or measurement. For example, directions may be considered perpendicular if the angle between the directions is within the tolerances of ninety degrees (e.g., ±1-2 degrees).
Хотя настоящая заявка содержит множество конкретных деталей вариантов реализации, их следует рассматривать не как ограничение объема какого-либо изобретения или объема того, что может быть заявлено, а как описания признаков, которые могут быть специфичными для конкретных вариантов реализации конкретных изобретений. Некоторые признаки, описанные в настоящем документе в контексте отдельных вариантов реализации, также могут быть реализованы в комбинации в одном варианте реализации. И наоборот, различные признаки, описанные в контексте одного варианта реализации, также могут быть реализованы во множестве вариантов реализации по отдельности или в любой подходящей подкомбинации. Кроме того, хотя признаки могут быть описаны выше как действующие в определенных комбинациях и даже первоначально заявлены как таковые, один или более признаков из заявленной комбинации в некоторых случаях могут быть исключены из комбинации, и заявленная комбинация может относиться к подкомбинации или изменению подкомбинации.Although the present application contains many specific details of embodiments, these should not be construed as limiting the scope of any invention or the scope of what may be claimed, but as descriptions of features that may be specific to particular embodiments of particular inventions. Certain features described herein in the context of individual embodiments may also be implemented in combination in a single embodiment. Conversely, various features described in the context of a single embodiment may also be implemented in a plurality of embodiments, individually or in any suitable subcombination. Furthermore, although features may be described above as operating in certain combinations, and even initially claimed as such, one or more features from a claimed combination may in some cases be omitted from the combination, and the claimed combination may refer to a subcombination or variation of a subcombination.
Аналогичным образом, хотя операции изображены на чертежах в конкретном порядке, это не следует понимать как требование того, что такие операции должны выполняться в конкретном показанном порядке или в последовательном порядке, или что для достижения необходимого результата должны выполняться все проиллюстрированные операции. В определенных обстоятельствах могут быть предпочтительны многозадачность и параллельная обработка. Кроме того, разделение различных модулей и компонентов системы в вариантах реализации, описанных выше, не следует понимать как требование такого разделения во всех вариантах реализации, и следует понимать, что описанные программные компоненты и системы в общем могут быть объединены в одном программном и/или аппаратном продукте или упакованы во множество программных и/или аппаратных продуктов.Similarly, although operations are depicted in the drawings in a particular order, this should not be understood as a requirement that such operations must be performed in the particular order shown or in a sequential order, or that all illustrated operations must be performed to achieve the desired result. In certain circumstances, multitasking and parallel processing may be advantageous. Furthermore, the separation of various modules and components of the system in the embodiments described above should not be understood as a requirement for such separation in all embodiments, and it should be understood that the software components and systems described in general may be combined in a single software and/or hardware product or packaged in a plurality of software and/or hardware products.
Выше были описаны конкретные варианты реализации объекта настоящего изобретения. Другие варианты реализации находятся в пределах объема нижеследующей формулы изобретения. Например, действия, указанные в формуле изобретения, могут быть выполнены в другом порядке и при этом все еще могут быть достигнуты необходимые результаты. В качестве одного примера процессы, изображенные на приложенных чертежах, не обязательно требуют конкретного показанного порядка или последовательного порядка для достижения желаемого результата. В некоторых случаях могут быть предпочтительны многозадачность и параллельная обработка.Specific embodiments of the subject matter of the present invention have been described above. Other embodiments are within the scope of the following claims. For example, the acts specified in the claims may be performed in a different order and still achieve the desired results. As one example, the processes depicted in the accompanying drawings do not necessarily require the specific order shown or the sequential order to achieve the desired result. In some cases, multitasking and parallel processing may be preferred.
Управление и измерениеManagement and measurement
В некоторых вариантах реализации контроллер представляет собой группу датчиков и цепей, которые выполняют функции управления, измерения и мониторинга систем управления питанием. Контроллер может представлять собой, например, систему 104 управления питанием, описанную со ссылкой на фиг. 1.In some embodiments, the controller is a group of sensors and circuits that perform control, measurement, and monitoring functions of power management systems. The controller may be, for example, the power management system 104 described with reference to Fig. 1.
В некоторых вариантах реализации функции управления включают включение и выключение всей системы управления питанием, включение и выключение определенных секций системы управления питанием, выполненных с возможностью подачи питания в определенные целевые области объемной среды, регулирование количества энергии, выводимой в определенные области объемной среды.In some embodiments, the control functions include turning on and off the entire power management system, turning on and off certain sections of the power management system configured to supply power to certain target areas of the volumetric medium, and regulating the amount of energy supplied to certain areas of the volumetric medium.
В некоторых вариантах реализации функции управления включают управление схемой динамической регулировки.In some embodiments, the control functions include control of a dynamic adjustment circuit.
В некоторых вариантах реализации функции мониторинга включают любую комбинацию из следующего: оценку работоспособности и надлежащей функциональности всей системы нагрева, оценку работоспособности и надлежащей функциональности конкретных частей и секций системы нагрева, выполнение обнаружения неисправности во всей системе нагрева, выполнение обнаружения неисправности конкретных частей и секций системы нагрева, оповещение о неисправности пользователя или пользователей системы, оповещение о неисправности бригады по техническому обслуживанию или ремонтной бригады.In some embodiments, the monitoring functions include any combination of the following: assessing the operability and proper functionality of the entire heating system, assessing the operability and proper functionality of specific parts and sections of the heating system, performing fault detection in the entire heating system, performing fault detection of specific parts and sections of the heating system, notifying the user or users of the system of the fault, notifying the maintenance crew or repair crew of the fault.
В некоторых вариантах реализации обнаружение неисправности означает любую комбинацию из следующего: обнаружение любых электрических неисправностей, обнаружение любых неисправностей функции нагрева, обнаружение любых неисправностей соединительной полосы, обнаружение повреждения в объемной среде (в том числе в случаях, когда система нагрева функционирует надлежащим образом и не повреждена). Соединительные полосы в настоящем раскрытии также могут упоминаться как «полосы» или в некоторых случаях просто как «линии». Соединительная полоса содержит, например, структурные слои, описанные выше со ссылкой на фиг. 19 и 23-27F. Как описано ниже, в некоторых вариантах реализации соединительные полосы могут включать в себя множество проводящих путей, например, линию обнаружения и несущую линию. В контексте настоящего документа термин «несущая линия» относится к проводящему пути внутри соединительной полосы, который переносит ток, используемый для нагрева объемной среды. Линия обнаружения представляет собой отдельный проводящий путь, выполненный с возможностью периодического или постоянного переноса меньшего тока, используемого для обнаружения неисправностей в несущей линии или соединительной полосе в целом.In some embodiments, detecting a fault means any combination of the following: detecting any electrical faults, detecting any faults in the heating function, detecting any faults in the connecting strip, detecting damage in the bulk medium (including in cases where the heating system is functioning properly and is not damaged). Connecting strips in the present disclosure may also be referred to as "strips" or, in some cases, simply as "lines". A connecting strip comprises, for example, the structural layers described above with reference to Figs. 19 and 23-27F. As described below, in some embodiments, the connecting strips may include a plurality of conductive paths, such as a detection line and a carrier line. In the context of the present document, the term "carrier line" refers to a conductive path within the connecting strip that carries a current used to heat the bulk medium. A detection line is a separate conductive path configured to periodically or continuously carry a smaller current used to detect faults in the carrier line or the connecting strip as a whole.
В некоторых вариантах реализации электрические неисправности включают, без ограничения: входную и выходную мощность, напряжение, ток в какой-либо ступени системы управления питанием, которые имеют уровни, находящихся вне пределов установленных интервалов. В некоторых вариантах реализации электрические неисправности включают значения температуры цепей, устройств или компонентов системы управления питанием, которые являются более высокими или более низкими, чем ожидалось при нормальной работе системы нагрева. В некоторых вариантах реализации электрические неисправности включают входные и выходные импедансы в какой-либо ступени системы питания, которые имеют уровни, находящихся вне пределов установленных интервалов.In some embodiments, electrical faults include, but are not limited to: input and output power, voltage, current in any stage of the power management system, which have levels that are outside the established intervals. In some embodiments, electrical faults include temperature values of circuits, devices or components of the power management system, which are higher or lower than expected during normal operation of the heating system. In some embodiments, electrical faults include input and output impedances in any stage of the power system, which have levels that are outside the established intervals.
В некоторых вариантах реализации неисправности функции нагрева включают, без ограничения: перегрев какой-либо области объемной среды по сравнению с нормальной работой системы нагрева, недогрев какой-либо области объемной среды по сравнению с нормальной работой системы нагрева. В вариантах реализации, в которых система нагрева представляет собой противообледенительную систему, неисправности функции нагрева также могут включать что-либо из следующего: неполную очистку какой-либо области объемной среды от обледенения, замерзание или повторное замерзание осадков на объемной среде во время или после осуществления операций устранения обледенения и предотвращения обледенения.In some embodiments, malfunctions of the heating function include, without limitation: overheating of any region of the volumetric medium compared to normal operation of the heating system, underheating of any region of the volumetric medium compared to normal operation of the heating system. In embodiments in which the heating system is an anti-icing system, malfunctions of the heating function may also include any of the following: incomplete clearing of any region of the volumetric medium from ice, freezing or refreezing of precipitation on the volumetric medium during or after the implementation of deicing and anti-icing operations.
В некоторых вариантах реализации неисправности соединительной полосы включают что-либо из следующего: значения температуры в одном или более местах на соединительных полосах или вблизи их и на объемной среде являются более высокими или более низкими, чем ожидалось при нормальной работе системы нагрева, обрезание соединительной полосы в любом месте, короткое замыкание в соединительной полосе (между дорожкой и экраном или в самой дорожке (проверить формулировку дорожки)), короткое замыкание между соединительной полосой и объемной средой, короткое замыкание и разомкнутая цепь на входном соединителе соединительной полосы, разомкнутая цепь в соединительной полосе, расслоение в конструкции соединительной полосы, подгорание секций соединительной полосы, расслоение между соединительной полосой и объемной средой, отслаивание соединительной полосы от объемной среды, механические повреждения, такие как вмятины, отверстия, удары, порезы, складки, заусенцы, вызванные такими явлениями, как град, удар молнии, неправильное обращение с соединительной полосой бригады по техническому обслуживанию или другого персонала, хождение по соединительной полосе или наступание на нее бригадой по техническому обслуживанию или другим персоналом, статический разряд, коррозия на соединительной полосе, возникновение коррозии или образование оксидных пленок между соединительной полосой и объемной средой, либо между электродом / соединителем и соединительной полосой, либо между электродом/соединителем и объемной средой.In some embodiments, the tie strip failures include any of the following: temperatures at one or more locations on or near the tie strips and on the bulk medium that are higher or lower than expected during normal operation of the heating system, a tie strip being cut off at any location, a short circuit in the tie strip (between the track and the shield or in the track itself (check track wording)), a short circuit between the tie strip and the bulk medium, a short circuit and an open circuit at the input connector of the tie strip, an open circuit in the tie strip, delamination in the tie strip structure, burning of sections of the tie strip, delamination between the tie strip and the bulk medium, peeling of the tie strip from the bulk medium, mechanical damage such as dents, holes, impacts, cuts, folds, burrs caused by events such as hail, lightning strike, improper handling of the tie strip by a maintenance crew or other personnel, walking on or stepping on the connecting strip by maintenance crews or other personnel, static discharge, corrosion on the connecting strip, the occurrence of corrosion or the formation of oxide films between the connecting strip and the bulk medium, or between the electrode/connector and the connecting strip, or between the electrode/connector and the bulk medium.
В некоторых вариантах реализации функции измерения включают применение всех датчиков, используемых для обеспечения ввода и обратной связи для контроллера, таких как датчики напряжения, тока, мощности, прямой мощности, отраженной мощности, коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН), рефлектометрии во временной области (РВО), температуры и обледенения.In some embodiments, the measurement functions include the use of all sensors used to provide input and feedback to the controller, such as voltage, current, power, forward power, reflected power, voltage standing wave ratio (VSWR), time domain reflectometry (TDR), temperature, and icing sensors.
В некоторых вариантах реализации некоторые элементы или все элементы контроллера распределены в системе управления питанием. В некоторых вариантах реализации некоторые элементы или все элементы контроллера установлены таким образом, что они независимы от остальной части системы управления. В некоторых вариантах реализации эти элементы размещены в отдельных специальных кожухах.In some embodiments, some or all of the elements of the controller are distributed in the power management system. In some embodiments, some or all of the elements of the controller are installed in such a way that they are independent of the rest of the control system. In some embodiments, these elements are located in separate special housings.
В некоторых вариантах реализации два или более элементов контроллера являются независимыми друг от друга и выполнены таким образом, что отказ функций контроллера произойдет лишь в случае одновременного отказа по меньшей мере двух из этих элементов. В таких вариантах реализации вследствие независимости контроллеров по отношению друг к другу повышается надежность контроллера, а надежность, требуемая от каждого из этих элементов для удовлетворения требований контроллера, является более низкой, что в некоторых случаях облегчает и упрощает их проектирование, реализацию и интеграцию. Это особенно предпочтительно в тех областях применения, когда безопасность и надежность контроллера являются критическими или регулируемыми, в частности, в случае установки системы нагрева на летательном аппарате.In some embodiments, two or more elements of the controller are independent of each other and are designed in such a way that a failure of the controller functions will occur only in the event of a simultaneous failure of at least two of these elements. In such embodiments, due to the independence of the controllers with respect to each other, the reliability of the controller is increased, and the reliability required from each of these elements to meet the requirements of the controller is lower, which in some cases facilitates and simplifies their design, implementation and integration. This is especially advantageous in those areas of application where the safety and reliability of the controller are critical or adjustable, in particular in the case of installing a heating system on an aircraft.
В некоторых вариантах реализации две или более подсистем, выполняющих функции мониторинга, выполнены независимыми друг от друга для обеспечения удовлетворения требований по надежности и безопасности. В некоторых вариантах реализации две или более подсистем, выполняющих функции измерения, выполнены независимыми друг от друга для обеспечения удовлетворения требований по надежности и безопасности. В некоторых вариантах реализации две или более подсистем, выполняющих функции управления, выполнены независимыми друг от друга для обеспечения удовлетворения требований по надежности и безопасности. В некоторых вариантах реализации любые комбинации подсистем управления, измерения и мониторинга выполнены независимыми друг от друга для обеспечения удовлетворения требований по надежности и безопасности.In some embodiments, two or more subsystems that perform monitoring functions are made independent of each other to ensure that the reliability and safety requirements are met. In some embodiments, two or more subsystems that perform measurement functions are made independent of each other to ensure that the reliability and safety requirements are met. In some embodiments, two or more subsystems that perform control functions are made independent of each other to ensure that the reliability and safety requirements are met. In some embodiments, any combinations of control, measurement, and monitoring subsystems are made independent of each other to ensure that the reliability and safety requirements are met.
В некоторых вариантах реализации в некоторых местах расположения датчиков используют по два идентичных датчика. В таких вариантах реализации оба датчика могут быть соединены с одной и той же подсистемой мониторинга и могут передавать данные на нее. Например, каждый из них может быть соединен с каждой отдельной подсистемой мониторинга и выполнен таким образом, что эти подсистемы мониторинга были независимыми друг от друга, каждый из них может быть соединен с двумя или более подсистемами мониторинга, выполненными с возможностью функционирования независимо друг от друга.In some embodiments, two identical sensors are used at some sensor locations. In such embodiments, both sensors may be connected to the same monitoring subsystem and may transmit data to it. For example, each of them may be connected to each individual monitoring subsystem and implemented in such a way that these monitoring subsystems are independent of each other, each of them may be connected to two or more monitoring subsystems implemented with the ability to function independently of each other.
В некоторых вариантах реализации два независимых датчика используют для сбора информации об аналогичной области и их независимость может быть достигнута за счет использования датчиков различных типов и/или их размещения по меньшей мере на некотором расстоянии друг от друга с сохранением в то же время возможности мониторинга одной и той же области или сбора эквивалентной информации. В таких вариантах реализации оба датчика могут быть соединены с одной и той же подсистемой мониторинга и могут передавать данные на нее, каждый из них может быть соединен с каждой отдельной подсистемой мониторинга и выполнен таким образом, что эти подсистемы мониторинга были независимыми друг от друга, каждый из них может быть соединен с двумя или более подсистемами мониторинга, выполненными с возможностью функционирования независимо друг от друга.In some embodiments, two independent sensors are used to collect information about a similar area, and their independence can be achieved by using sensors of different types and/or placing them at least at some distance from each other while maintaining the ability to monitor the same area or collect equivalent information. In such embodiments, both sensors can be connected to the same monitoring subsystem and can transmit data to it, each of them can be connected to each individual monitoring subsystem and implemented in such a way that these monitoring subsystems are independent of each other, each of them can be connected to two or more monitoring subsystems implemented with the ability to function independently of each other.
В некоторых вариантах реализации любая комбинация подсистем управления, измерения и мониторинга контроллера выполнена с возможностью оптимизации надежности и безопасности осуществления их наиболее важных функций. В случае системы нагрева, используемой для устранения обледенения и предотвращения обледенения летательного аппарата, в некоторых вариантах реализации такие функции могут включать комбинацию из следующего: обнаружение любых неисправностей системы нагрева и уведомление о них пилота, обнаружение электрических неисправностей в системе управления питанием и уведомление о них пилота, обнаружение любых неисправностей в соединительных полосах, обнаружение любых неисправностей, связанных с нагревом, в системе управления питанием и объемной среде и уведомление о них пилота.In some embodiments, any combination of the control, measurement and monitoring subsystems of the controller is configured to optimize the reliability and safety of the implementation of their most important functions. In the case of a heating system used to remove icing and prevent icing of an aircraft, in some embodiments, such functions may include a combination of the following: detecting any faults in the heating system and notifying the pilot about them, detecting electrical faults in the power management system and notifying the pilot about them, detecting any faults in the connecting strips, detecting any faults associated with heating in the power management system and the volumetric environment and notifying the pilot about them.
В некоторых вариантах реализации, в которых система нагрева используется для устранения обледенения и предотвращения обледенения летательного аппарата, контроллер дополнительно оптимизирован для выполнения проверки того, что критические поверхности летательного аппарата после устранения обледенения не содержат замерзающие или замерзшие осадки и загрязнения. Загрязнения могут представлять собой ледяной дождь, снег, лед или любой другой материал, который может прилипать к обшивке летательного аппарата и мешать его надлежащей работе.In some embodiments, in which the heating system is used to de-icing and prevent icing of the aircraft, the controller is further optimized to perform a check that the critical surfaces of the aircraft after de-icing are free of freezing or frozen precipitation and contaminants. Contaminants may be freezing rain, snow, ice, or any other material that may adhere to the skin of the aircraft and interfere with its proper operation.
В некоторых вариантах реализации схему расположения контроллера и соединительных полос на объемной среде проектируют и оптимизируют для обеспечения возможности их совместной работы. В таких вариантах реализации соединительные полосы могут быть расположены на объемной среде таким образом, чтобы создать представляющие интерес области в выбранных местах. Такие области могут быть, например, областями, которые при проектировании оставляют более холодными, чем остальную часть объемной среды, когда система нагрева активирована, или областями, которые могут быть в первую очередь подвержены явлению повторного замерзания (например, при продолжающемся замерзании либо от замерзших осадков, либо от расплавленных загрязнений, текущих по поверхности объемной среды), когда система нагрева работает или после того, как она была деактивирована. В таких вариантах реализации датчики контроллера могут быть расположены таким образом, чтобы они могли собирать информацию об этих областях и позволять оценить, функционирует ли система нагрева надлежащим образом или подвержена ли объемная среда явлению замерзания или повторного замерзания. В некоторых вариантах реализации объемная среда может быть локально модифицирована в некоторых из этих областей для обеспечения того, чтобы они были более холодными, чем другие области объемной среды, когда система нагрева работает, или чтобы они были в первую очередь подвержены явлению повторного замерзания (например, путем добавления относительно небольших элементов, таких как кромки и гребни, чтобы талая вода могла накапливаться и застаиваться над более холодной областью для облегчения повторного замерзания). В некоторых вариантах реализации такие области выбирают таким образом, чтобы их легко мог наблюдать пользователь системы нагрева (например, в случае противообледенительной системы летательного аппарата, чтобы они были легко видны пилоту из кабины или полетной палубы летательного аппарата) и чтобы этот пользователь мог сделать вывод о том, устранено ли обледенение объемной среды, на основании визуального наблюдения указанных областей.In some embodiments, the arrangement of the controller and the connecting strips on the volumetric medium is designed and optimized to ensure that they operate together. In such embodiments, the connecting strips can be arranged on the volumetric medium in such a way as to create regions of interest at selected locations. Such regions can be, for example, regions that are designed to remain colder than the rest of the volumetric medium when the heating system is activated, or regions that can be primarily subject to the phenomenon of refreezing (for example, with ongoing freezing either from frozen precipitation or from melted contaminants flowing along the surface of the volumetric medium) when the heating system is operating or after it has been deactivated. In such embodiments, the sensors of the controller can be arranged in such a way that they can collect information about these regions and allow an assessment of whether the heating system is functioning properly or whether the volumetric medium is subject to the phenomenon of freezing or refreezing. In some embodiments, the volumetric medium may be locally modified in some of these regions to ensure that they are colder than other regions of the volumetric medium when the heating system is operating, or that they are primarily subject to the phenomenon of refreezing (for example, by adding relatively small features such as edges and ridges so that melt water can accumulate and stagnate over the colder region to facilitate refreezing). In some embodiments, such regions are selected so that they can be easily observed by the user of the heating system (for example, in the case of an anti-icing system of an aircraft, so that they are easily visible to the pilot from the cockpit or flight deck of the aircraft) and so that this user can conclude whether the icing of the volumetric medium has been eliminated based on visual observation of said regions.
В некоторых вариантах реализации, в которых систему нагрева используют для устранения обледенения и предотвращения обледенения летательного аппарата, контроллер дополнительно оптимизирован для выполнения проверки того, не содержат ли конкретные области замерзающие или замерзшие осадки и загрязнения. Такие области могут включать: горизонтальные и наклонные верхние поверхности, на которые вертикально и почти вертикально падают осадки, верхнюю поверхность крыла и горизонтального стабилизатора.In some embodiments, in which the heating system is used to remove ice and prevent icing of an aircraft, the controller is further optimized to perform a check to see if specific areas contain freezing or frozen precipitation and contaminants. Such areas may include: horizontal and inclined upper surfaces on which precipitation falls vertically and nearly vertically, the upper surface of the wing and horizontal stabilizer.
В некоторых вариантах реализации некоторые функции мониторинга выполняют с использованием способов анализа, предполагающих использование технологий машинного обучения, компьютерного зрения и искусственного интеллекта для данных, собранных подсистемами измерения. В рамках таких способов анализа в некоторых вариантах реализации технологии могут предполагать обучение с использованием данных, эмпирически собранных при испытаниях, проведенных на системах нагрева, причем обучение и улучшение может происходить непрерывно с использованием данных, собранных установленными системами нагрева.In some embodiments, some monitoring functions are performed using analysis methods that involve the use of machine learning, computer vision, and artificial intelligence technologies for data collected by the measurement subsystems. As part of such analysis methods, in some embodiments, the technologies may involve learning using data empirically collected during tests conducted on heating systems, and learning and improvement may occur continuously using data collected by the installed heating systems.
В некоторых вариантах реализации контроллер выполнен с возможностью использования таймера, обеспечивающего временную информацию, такую как время активации системы нагрева, время, прошедшее с момента последней активации системы нагрева, и время, прошедшее с момента последней деактивации системы. В некоторых вариантах реализации информация от таймера может использоваться в сочетании с информацией от подсистем измерения для анализа того, как обеспечить выполнение контроллером предусмотренных для него функций.In some embodiments, the controller is configured to use a timer that provides time information such as the time the heating system was activated, the time that has passed since the last activation of the heating system, and the time that has passed since the last deactivation of the system. In some embodiments, the information from the timer can be used in combination with information from the measurement subsystems to analyze how to ensure that the controller performs its intended functions.
Как показано на фиг. 37А, в некоторых вариантах реализации может быть предусмотрена система отображения и оповещения полетной палубы. Эта система может иметь множество индикаторов, которые информируют пилота о состоянии системы. Например, индикатор «ON» (ВКЛ.) может загораться при подаче питания на систему, индикатор «WARM» (ТЕПЛО) может загораться при определении некоторыми или всеми необходимыми датчиками температуры уровня 15°С или выше. Например, индикатор «ОК» может загораться, когда некоторые или все необходимые датчики температуры указывают уровень 15°С или выше в течение по меньшей мере 15 минут. Индикатор «OVHT» (ПЕРЕГРЕВ) может загораться, если обнаружено состояние перегрева, например, любой датчик температуры достигает температуры, равной 150°С или выше. Индикатор «System Fail» (Отказ системы) может загораться по разным причинам, указывая на возможный отказ системы. Например, если система находилась в состоянии «ON» в течение заданного времени (например, 25 минут), не достигая по меньшей мере состояния «WARM». Еще в одном примере индикатор «System Fail» может загораться, если система находится в состоянии «ON» и находилась в состоянии «OVHT» более 10 секунд. Указанные выше значения температуры и времени приведены для примера, и они могут быть изменены или скорректированы без отступления от объема и сущности настоящего изобретения.As shown in Fig. 37A, in some embodiments, a flight deck display and warning system may be provided. This system may have a plurality of indicators that inform the pilot of the system status. For example, an "ON" indicator may be illuminated when power is supplied to the system, a "WARM" indicator may be illuminated when some or all of the required temperature sensors detect a level of 15 °C or higher. For example, an "OK" indicator may be illuminated when some or all of the required temperature sensors indicate a level of 15 °C or higher for at least 15 minutes. An "OVHT" indicator may be illuminated if an overheating condition is detected, for example, any temperature sensor reaches a temperature of 150 °C or higher. A "System Fail" indicator may be illuminated for various reasons, indicating a possible system failure. For example, if the system has been in the "ON" state for a specified time (e.g., 25 minutes) without reaching at least the "WARM" state. In another example, the "System Fail" indicator may light if the system is in the "ON" state and has been in the "OVHT" state for more than 10 seconds. The above temperature and time values are given as an example and they can be changed or adjusted without departing from the scope and spirit of the present invention.
На фиг. 37В изображен альтернативный пример индикации полетной палубы, показывающий статус функционирования системы для состояния системы «DE-ICE» (устранение обледенения), а также состояния системы «ANTI-ICE» (предотвращение обледенения). На приведенной для примера иллюстрации индикация полетной палубы может указывать, находится ли система в статусе «OFF» (выкл.), «GROUND DE-ICE» (устранение наледи), «GROUND ANTI-ICE» (предотвращение наледи) или «FAULT» (неисправность). В некоторых вариантах реализации для каждой области летательного аппарата или представляющей интерес области может быть обеспечена отдельная индикация.Fig. 37B illustrates an alternative example of a flight deck indicator showing the system operating status for a "DE-ICE" system state and an "ANTI-ICE" system state. In the example illustration, the flight deck indicator may indicate whether the system is in an "OFF" state, "GROUND DE-ICE" state, "GROUND ANTI-ICE" state, or "FAULT" state. In some embodiments, a separate indicator may be provided for each region of the aircraft or region of interest.
На фиг. 37С показан пример реализации, в котором индикация полетной палубы по фиг. 37В может быть расположена в кабине летательного аппарата. В примере на фиг. 37С, обозначенном пунктирной рамкой, индикация полетной палубы расположена в правом верхнем углу верхней полетной палубы летательного аппарата.Fig. 37C shows an embodiment example in which the flight deck indication of Fig. 37B can be located in the cockpit of the aircraft. In the example of Fig. 37C, indicated by the dotted frame, the flight deck indication is located in the upper right corner of the upper flight deck of the aircraft.
В некоторых вышеуказанных вариантах реализации подсистемы измерения контроллера могут включать в себя один или более беспроводных датчиков, например, один или более беспроводных датчиков температуры, либо один или более беспроводных датчиков обледенения, которые могут быть выполнены с возможностью передачи данных на центральный приемник по беспроводной сети передачи данных. Благодаря этому может уменьшиться потребность в прокладке дополнительных проводов датчиков и обеспечении доступа к различным физически удаленным местам на объемной среде. Беспроводные датчики могут получать питание от соединительной полосы 1900 с помощью прямого электрического подключения, например, путем использования низковольтного, низкоточного смещения постоянного тока, существующего в соединительной полосе 1900, или получать питание непосредственно в виде переменного тока, проходящего через соединительную полосу 1900. Альтернативно беспроводные датчики могут получать питание без непосредственного подключения к соединительной полосе 1900, например, путем использования электромагнитных излучений ближнего поля через антенну или катушку индуктивности.In some of the above embodiments, the controller measurement subsystems may include one or more wireless sensors, such as one or more wireless temperature sensors or one or more wireless icing sensors, which may be configured to transmit data to a central receiver via a wireless data transmission network. This may reduce the need for laying additional sensor wires and providing access to various physically remote locations on the volumetric environment. The wireless sensors may be powered from the connection strip 1900 using a direct electrical connection, such as by using a low-voltage, low-current DC bias existing in the connection strip 1900, or be powered directly in the form of an alternating current passing through the connection strip 1900. Alternatively, the wireless sensors may be powered without a direct connection to the connection strip 1900, such as by using near-field electromagnetic radiation through an antenna or an inductor.
Измерение температурыTemperature measurement
В некоторых вариантах реализации подсистемы измерения контроллера включают в себя датчики температуры. Датчики температуры могут использоваться для выполнения точечного измерения или для измерения таких параметров, как максимальная, минимальная, средняя температура или карта температур для определенной области, например, с использованием матрицы датчиков, которая содержит множество датчиков, с помощью которых может быть получена информация об области.In some embodiments, the controller measurement subsystems include temperature sensors. The temperature sensors can be used to perform a point measurement or to measure parameters such as maximum, minimum, average temperature or a temperature map for a certain area, for example, using a sensor matrix that contains a plurality of sensors by which information about the area can be obtained.
В некоторых вариантах реализации датчики температуры могут включать датчики, относящиеся к какому-либо из следующих типов: термопары, термопреобразователи сопротивления (Resistive Temperature Detector, RTD), термисторы, волоконно-оптические датчики, инфракрасные датчики. Термопары могут использоваться для измерения температуры путем измерения изменения напряжения. Термопары являются недорогими, простыми в реализации и имеют широкий диапазон измерения. Величина сигнала имеет порядок десятков милливольт, что потенциально требует значительного снижения шума для выполнения точного измерения в присутствии электромагнитных помех. Термопреобразователи сопротивления (Resistive temperature detector, RTD) могут использоваться для измерения температуры путем измерения изменения сопротивления датчика. Эти элементы, как правило, изготовлены из платины и имеют очень высокую точность. Это может предполагать выполнение измерений четырехзажимным способом или с применением коротких выводов, например, путем осуществления локального измерения напряжения, которое затем преобразуют в цифровой сигнал. Термисторы похожи на термопреобразователи сопротивления тем, что они оба вычисляют температуру на основании измерения сопротивления. Термисторы имеют дополнительное преимущество в том, что имеют высокое базовое сопротивление, что потенциально делает сопротивление вывода пренебрежимо малым. Волоконно-оптические датчики, как правило, основаны на волоконных брэгговских решетках. Эти решетки отражают свет с определенной длиной волны. При изменении температуры отраженная длина волны предсказуемо изменяется, что позволяет вычислить температуру. Поскольку каждая решетка отражает только небольшую полосу длин волн, в один волоконно-оптический элемент можно включить множество датчиков и производить измерения с помощью одного прибора. Сами волоконно-оптические элементы очень малы в диаметре, ~ 0,1 мм, но могут иметь общую длину в несколько метров или десятков метров. Поскольку измерение является оптическим, необходимо обеспечить защиту от радиочастотных помех.In some embodiments, temperature sensors may include sensors that are any of the following types: thermocouples, resistive temperature detectors (RTDs), thermistors, fiber optic sensors, infrared sensors. Thermocouples may be used to measure temperature by measuring a change in voltage. Thermocouples are inexpensive, easy to implement, and have a wide measurement range. The signal magnitude is on the order of tens of millivolts, potentially requiring significant noise reduction to make an accurate measurement in the presence of electromagnetic interference. Resistive temperature detectors (RTDs) may be used to measure temperature by measuring a change in resistance in the sensor. These elements are typically made of platinum and have very high accuracy. This may involve making measurements in a four-clamp manner or using short leads, such as by making a local voltage measurement that is then converted to a digital signal. Thermistors are similar to RTDs in that they both calculate temperature based on a resistance measurement. Thermistors have the added benefit of having a high base resistance, making the lead resistance potentially negligible. Fiber optic sensors are typically based on fiber Bragg gratings. These gratings reflect light at a specific wavelength. As the temperature changes, the reflected wavelength changes predictably, allowing the temperature to be calculated. Since each grating reflects only a small band of wavelengths, many sensors can be incorporated into a single fiber optic element and measurements can be made with a single instrument. The fiber optic elements themselves are very small in diameter, ~0.1 mm, but can have a total length of several meters or tens of meters. Since the measurement is optical, protection against radio frequency interference must be provided.
В некоторых вариантах реализации датчики температуры расположены на объемной среде таким образом, как было описано ранее в настоящем документе. В некоторых вариантах реализации датчики температуры могут быть расположены на большом расстоянии друг от друга, под обшивкой объемной среды или в обоих указанных местах, например, в соответствии с моделью сосредоточенной емкости, которая предполагает, что температура твердого вещества должна быть пространственно однородной в пределах объема, для которого число Био Bi достаточно мало (например, Bi < 0,1), где число Био определяют как , где k представляет собой теплопроводность твердого вещества, h представляет собой конвективный коэффициент теплопередачи от твердого вещества в окружающую среду, a L представляет собой характеристический размер объема. Модель сосредоточенной емкости может быть, в частности, полезной моделью, поскольку в объемах, в которых число Bi достаточно мало, температуры объемной среды можно считать приблизительно однородными, что позволяет уменьшить количество датчиков, установленных на объемной среде, благодаря чему снижается сложность системы, стоимость и трудозатраты на установку. Такие способы могут быть особенно эффективными на объемных средах, которые имеют высокую теплопроводность, таких как алюминиевые сплавы, из которых обычно состоит обшивка летательного аппарата, где число Био остается достаточно малым на относительно большой площади, что оправдывает использование ограниченного количества датчиков температуры и точек измерения. В некоторых вариантах реализации датчики температуры могут быть расположены на объемной среде, например, в определенных местах, таких как горячие точки, холодные точки, точки повторного замерзания среди других точек. Горячие точки могут представлять собой места, выбранные таким образом, чтобы они были относительно горячее, чем другие места на объемной среде, когда система нагрева активирована. Датчики горячих точек могут использоваться для выполнения общих функций контроллера и могут использоваться для обнаружения явления избыточного нагрева на объемной среде или соединительных полосах. Холодные точки могут представлять собой места, выбранные таким образом, чтобы они были относительно холоднее, чем другие места на объемной среде, когда система нагрева активирована. Датчики холодных точек могут использоваться для выполнения общих функций контроллера и могут использоваться для обнаружения недостаточного нагрева на объемной среде или соединительных полосах. Точки повторного замерзания могут представлять собой места, выбранные таким образом, чтобы в них явления замерзания или повторного замерзания происходили с большей вероятностью раньше, чем в других местах на объемной среде, когда система нагрева активирована или после ее деактивации. Датчики точек повторного замерзания могут использоваться для выполнения общих функций контроллера и могут использоваться для обнаружения явлений повторного замерзания или недостаточного нагрева на объемной среде или соединительных полосах. Другие точки могут быть расположены в других представляющих интерес областях, например, в областях, которые были ранее перечислены в настоящем описании.In some embodiments, the temperature sensors are located on the bulk medium in a manner as described previously herein. In some embodiments, the temperature sensors may be located at a large distance from each other, under the casing of the bulk medium, or in both of these locations, such as in accordance with the lumped capacitance model, which assumes that the temperature of the solid should be spatially uniform within a volume for which the Biot number Bi is sufficiently small (e.g., Bi < 0.1), where the Biot number is defined as , where k is the thermal conductivity of the solid, h is the convective heat transfer coefficient from the solid to the surrounding medium, and L is the characteristic dimension of the volume. The lumped capacitance model may be a particularly useful model because in volumes in which the Bi number is sufficiently small, the temperatures of the bulk medium may be considered to be approximately uniform, which allows for a reduction in the number of sensors installed on the bulk medium, thereby reducing the complexity of the system, the cost and labor required for installation. Such methods may be particularly effective on bulk media that have high thermal conductivity, such as aluminum alloys, which typically make up the skin of an aircraft, where the Biot number remains sufficiently small over a relatively large area to justify the use of a limited number of temperature sensors and measurement points. In some embodiments, the temperature sensors may be located on the bulk medium, for example at specific locations, such as hot spots, cold spots, refreezing points, among other points. Hot spots may be locations selected so that they are relatively hotter than other locations on the bulk medium when the heating system is activated. Hot spot sensors may be used to perform general controller functions and may be used to detect overheating events on the bulk medium or connecting strips. Cold spots may be locations selected so that they are relatively colder than other locations on the bulk medium when the heating system is activated. Cold spot sensors may be used to perform general controller functions and may be used to detect underheating events on the bulk medium or connecting strips. Refreeze points may be locations selected so that freezing or refreezing events are more likely to occur there earlier than other locations on the bulk medium when the heating system is activated or after it is deactivated. Refreeze point sensors may be used to perform general controller functions and may be used to detect refreezing or underheating events on the bulk medium or connecting strips. Other points may be located in other areas of interest, such as those previously listed in this description.
В некоторых вариантах реализации схема расположения соединительных полос на объемной среде может быть оптимизирована таким образом, чтобы точки, описанные выше, представляли собой назначенные области, выбранные с учетом таких параметров, как легкость доступа, легкость установки или простота визуального наблюдения для пользователя системы нагрева. Например, как изображено на фиг. 33, видимость с полетной палубы для пилота летательного аппарата ограничена линией 3302 прямой видимости. В результате этого пилоту не виден участок (3304) летательного аппарата и виден участок (3306) летательного аппарата. В некоторых вариантах реализации может быть выбрана точка повторного замерзания или холодная точка, которая расположена в пределах видимого участка (3306) летательного аппарата, для обеспечения возможности ее визуальной проверки пилотом.In some embodiments, the arrangement of the connecting strips on the volumetric medium may be optimized so that the points described above are designated areas selected based on parameters such as ease of access, ease of installation, or ease of visual observation for the user of the heating system. For example, as shown in Fig. 33, the visibility from the flight deck for the pilot of the aircraft is limited by the line of sight 3302. As a result, the pilot does not see the section (3304) of the aircraft and sees the section (3306) of the aircraft. In some embodiments, a refreeze point or cold spot may be selected that is located within the visible section (3306) of the aircraft to ensure that the pilot can visually inspect it.
Фиг. 33 дополнительно иллюстрирует пример наложенного отображения температуры крыла, когда система активна. Место 3308 на крыле может представлять собой пример холодной точки, выбранной или спроектированной таким образом, чтобы она была видима для пилота и могла быть проконтролирована для проверки противообледенительной защиты перед взлетом. Например, как показано на фигуре, место 3308 коррелировано с областью относительно низкой температуры (на что указывает градиент желтого цвета) по сравнению с большей частью крыла (на что указывает градиент красного цвета) в пределах модели нагрева, обеспечиваемой нагревательными элементами (такими как соединительные полосы, описанные в настоящем документе).Fig. 33 further illustrates an example of an overlay display of the wing temperature when the system is active. The location 3308 on the wing may be an example of a cold spot selected or designed to be visible to the pilot and to be monitored to check the anti-icing protection before takeoff. For example, as shown in the figure, the location 3308 is correlated with an area of relatively low temperature (as indicated by the yellow gradient) compared to the majority of the wing (as indicated by the red gradient) within the heating pattern provided by the heating elements (such as the connecting strips described herein).
Места расположения холодных и/или горячих точек могут быть спроектированы, например, путем размещения нагревательных полос (например, соединительных полос) на поверхности летательного аппарата в соответствии с узором, который обеспечивает модель нагрева на обшивке летательного аппарата с локальными более холодными или более теплыми участками обшивки по сравнению с остальной частью летательного аппарата. Например, соединительные полосы могут быть расположены согласно схеме с локальным обеспечением более низкой (или более высокой) плотности мощности (большего расстояния между проводами) или выбранные соединительные полосы могут работать с более низкой (или более высокой) плотностью мощности в местах с более высокой (более низкой) тепловой массой, либо осуществляют локальную настройку выходной мощности для создания модели нагрева, которая обеспечивает холодные / горячие точки в требуемых местах.The locations of cold and/or hot spots may be designed, for example, by arranging heating strips (e.g., tie strips) on the surface of the aircraft in a pattern that provides a heating pattern on the aircraft skin with locally colder or warmer areas of the skin compared to the rest of the aircraft. For example, tie strips may be arranged in a pattern to locally provide a lower (or higher) power density (greater distance between wires), or selected tie strips may operate at a lower (or higher) power density in areas of higher (lower) thermal mass, or locally adjust the power output to create a heating pattern that provides cold/hot spots in the desired locations.
В некоторых вариантах реализации по меньшей мере два независимых набора датчиков температуры могут использовать для повышения надежности осуществления критических функций контроллера за счет добавления избыточности для его подсистем измерения. В некоторых вариантах реализации независимость может быть достигнута путем добавления двух одинаковых датчиков температуры в каждом назначенном месте расположения датчика. В некоторых вариантах реализации независимость может быть достигнута путем добавления двух различных датчиков температуры (например, датчиков разных производителей или различного типа) в каждом назначенном месте расположения датчика. В некоторых вариантах реализации независимость может быть достигнута путем добавления двух датчиков температуры в местах, достаточно удаленных друг от друга, для уменьшения вероятности одновременного отказа обоих датчиков, и в то же время расположенных достаточно близко друг от друга для мониторинга эквивалентных параметров. В некоторых вариантах реализации независимость может быть достигнута с помощью любой комбинации указанных способов. В некоторых вариантах реализации наборы независимых датчиков могут отправлять информацию в одну подсистему мониторинга или могут отправлять информацию в набор независимых подсистем мониторинга, каждая из которых выполнена с возможностью работы с независимым набором датчиков, либо они все могут отправлять информацию в набор из по меньшей мере двух независимых подсистем мониторинга.In some embodiments, at least two independent sets of temperature sensors may be used to improve the reliability of the critical functions of the controller by adding redundancy to its measurement subsystems. In some embodiments, independence may be achieved by adding two identical temperature sensors at each designated sensor location. In some embodiments, independence may be achieved by adding two different temperature sensors (e.g., sensors from different manufacturers or different types) at each designated sensor location. In some embodiments, independence may be achieved by adding two temperature sensors at locations sufficiently distant from each other to reduce the likelihood of simultaneous failure of both sensors, and at the same time located sufficiently close to each other to monitor equivalent parameters. In some embodiments, independence may be achieved using any combination of these methods. In some embodiments, the sets of independent sensors may send information to one monitoring subsystem, or may send information to a set of independent monitoring subsystems, each of which is configured to work with an independent set of sensors, or they may all send information to a set of at least two independent monitoring subsystems.
В некоторых вариантах реализации измерение температуры может осуществляться с использованием одного или более датчиков температуры (или термочувствительных элементов), которые являются неотъемлемой частью соединительной полосы, например, вместо использования датчиков температуры или в дополнение к датчикам температуры, которые отдельно расположены на объемной среде. Примеры датчиков температуры более подробно описаны выше в разделе «Измерение температуры». Например, датчик температуры может быть прикреплен к соединительной полосе или к близлежащей линии обнаружения (линии обнаружения более подробно описаны ниже) и может быть либо короткозамкнут, либо разомкнут, когда температура превышает заданный порог. Короткозамкнутая или разомкнутая цепь может быть обнаружена в другом месте, например, на входном соединителе или в системе управления питанием (например, системе 104). Это позволяет определять температуру в месте расположения датчика температуры.In some embodiments, the temperature measurement may be performed using one or more temperature sensors (or temperature sensing elements) that are an integral part of the connection strip, for example, instead of using temperature sensors or in addition to temperature sensors that are separately located on the bulk medium. Examples of temperature sensors are described in more detail above in the "Temperature Measurement" section. For example, a temperature sensor may be attached to the connection strip or to a nearby detection line (detection lines are described in more detail below) and may be either short-circuited or open-circuited when the temperature exceeds a predetermined threshold. A short-circuited or open-circuited circuit may be detected elsewhere, such as at an input connector or in a power management system (e.g., system 104). This allows the temperature to be determined at the location of the temperature sensor.
В некоторых вариантах реализации в матрице датчики температуры могут быть расположены параллельно. Например, параллельно расположенные датчики могут образовывать матрицу параллельных датчиков избыточного нагрева или пониженной температуры, расположенных в виде контура управления термостатом. Работа контура управления термостатом основана на способе управления гистерезисом, используемом для поддержания температуры системы, например, системы 100 нагрева по фиг. 1, в заданном диапазоне, например, выше минимальной температуры Тмин и ниже максимальной температуры Тмакс, с использованием информации от датчика температуры.In some embodiments, the temperature sensors may be arranged in parallel in the matrix. For example, the parallel sensors may form a matrix of parallel overheating or undertemperature sensors arranged in the form of a thermostat control loop. The operation of the thermostat control loop is based on a hysteresis control method used to maintain the temperature of the system, for example, the heating system 100 according to Fig. 1, in a given range, for example, above the minimum temperature Tmin and below the maximum temperature Tmax, using information from the temperature sensor.
В некоторых вариантах реализации в матрице термочувствительные элементы могут быть расположены последовательно. Например, термочувствительные элементы могут быть расположены вдоль соединительной полосы 1900, например, прикреплены к соединительной полосе или к близлежащей линии обнаружения, либо вдоль отдельной кабельной полосы, чтобы обеспечить отключение при избыточном нагреве, если температура становится слишком высокой в любой точке в последовательной конфигурации.In some embodiments, the temperature-sensitive elements may be arranged in series in the matrix. For example, the temperature-sensitive elements may be arranged along the connection strip 1900, such as attached to the connection strip or to a nearby detection line, or along a separate cable strip to provide an overheat shutdown if the temperature becomes too high at any point in the series configuration.
В некоторых вариантах реализации термочувствительные элементы, такие как периодические термисторы различных номиналов, могут быть расположены параллельно таким образом, что когда конкретный термочувствительный элемент вдоль линии чрезмерно нагревается, может быть определено и декодировано аналоговое значение, указывающее не только на избыточный нагрев соединительной полосы, но и на конкретное место, где возникла неисправность вдоль соединительной линии.In some embodiments, temperature sensing elements, such as periodic thermistors of different ratings, may be arranged in parallel such that when a particular temperature sensing element along a line becomes excessively hot, an analog value may be determined and decoded indicating not only the excessive heating of the connecting strip, but also the specific location where the fault has occurred along the connecting line.
В некоторых вариантах реализации измерение температуры может быть осуществляться путем использования дорожек на гибких схемах, путем использования дополнительных линий обнаружения, проходящих внутри соединительных полос и вдоль несущих линий - линий обнаружения, действующих как провода, ведущие отдатчиков температуры и к ним, реализованные внутри соединительных полос -, путем использования дополнительных линий обнаружения и датчиков, реализованных внутри полос обнаружения, установленных независимо от соединительных полос, или путем реализации датчиков температуры непосредственно в соединительных полосах с несущими линиями, например, в конфигурации периодических конденсаторов, параллельных пластинчатых конденсаторов, индуктивностей в виде дорожки или их комбинации.In some embodiments, temperature measurement may be performed by using tracks on flexible circuits, by using additional detection lines running inside the connecting strips and along the carrier lines - detection lines acting as wires leading to and from temperature sensors, implemented inside the connecting strips -, by using additional detection lines and sensors implemented inside the detection strips installed independently of the connecting strips, or by implementing temperature sensors directly in the connecting strips with the carrier lines, for example, in a configuration of periodic capacitors, parallel plate capacitors, inductors in the form of a track, or a combination thereof.
В некоторых вариантах реализации температуру могут измерять как функцию времени. Например, изменения температуры могут измерять и записывать с регулярными интервалами измерения и сохранять в виде векторов, представляющих изменения температуры с привязкой ко времени, а не статические измерения температуры. Измерение температуры с привязкой ко времени может позволить проводить более сложный математический анализ, например, определять скорость изменения (например, производную с привязкой ко времени) или общую тепловую мощность (например, вычисление интеграла). В таких вариантах реализации контроллер может выполнять любую из множества оценок, включая оценки текущего статуса устранения обледенения на основании временной информации, связанной с изменениями температуры. В качестве конкретного примера, в ответ на показания температуры, измеренные датчиками температуры, в области 0°С контроллер может определить, что энергия, подаваемая системой нагрева объемной среды, переходит в скрытое тепло плавления и, таким образом, продолжается выполнение операции по устранению обледенения, и, кроме того, когда показания температуры, измеренные датчиками, увеличиваются после их нахождения в области 0°С, контроллер может определить, что операция по устранению обледенения завершена, поскольку энергия, подаваемая на объемную среду, переходит в повышение температуры, а не в скрытое тепло плавления после того, как замерзшее загрязнение растает на объемной среде. Другими словами, момент времени, в который объемная среда очищается от обледенения, может быть определен, когда график температуры в зависимости от времени был относительно плоским (например, имел нулевой наклон) в течение заданного периода времени, за которым следовал период положительного наклона.In some embodiments, temperature may be measured as a function of time. For example, temperature changes may be measured and recorded at regular measurement intervals and stored as vectors representing temperature changes with respect to time, rather than static temperature measurements. Measuring temperature with respect to time may allow for more complex mathematical analysis, such as determining a rate of change (e.g., a time-dependent derivative) or a total heat output (e.g., calculating an integral). In such embodiments, the controller may perform any of a variety of estimates, including estimates of the current deicing status based on time information associated with temperature changes. As a specific example, in response to the temperature readings measured by the temperature sensors in the region of 0°C, the controller can determine that the energy supplied by the heating system of the bulk medium is converted into the latent heat of fusion and, thus, the execution of the de-icing operation continues, and, further, when the temperature readings measured by the sensors increase after being in the region of 0°C, the controller can determine that the de-icing operation is completed since the energy supplied to the bulk medium is converted into an increase in temperature, and not into the latent heat of fusion after the frozen contamination melts on the bulk medium. In other words, the time point at which the bulk medium is cleared of ice can be determined when the temperature versus time graph has been relatively flat (e.g., had a zero slope) for a given period of time, followed by a period of positive slope.
В некоторых случаях, как будет описано ниже в разделе «Обнаружение обледенения / измерение», температура также может быть измерена в зависимости от времени и статус устранения обледенения может быть оценен аналогичным образом.In some cases, as will be described below in the Icing Detection/Measuring section, temperature can also be measured as a function of time and the de-icing status can be assessed in a similar manner.
На Фиг. 40 изображены графики импеданса и температуры в зависимости от времени на соединительной полосе. Как показано на графике 4000, показания температуры колеблются вокруг фиксированного значения (10°С) во время выполнения операции по устранению обледенения (приблизительно с 07:00 до 07:30), а затем, когда операция по устранению обледенения завершена, показания температуры увеличиваются (начиная приблизительно с 07:30).Fig. 40 shows graphs of impedance and temperature versus time on a connecting strip. As shown in graph 4000, the temperature readings fluctuate around a fixed value (10°C) during the deicing operation (from approximately 07:00 to 07:30), and then, when the deicing operation is completed, the temperature readings increase (starting from approximately 07:30).
Кроме того, в вариантах реализации, в которых объемная среда выполнена из высокотемпературных проводящих материалов (например, алюминия), в качестве основы для оценки статуса устранения обледенения системы может использоваться тепловая модель сосредоточенной емкости. Контроллер также может использовать тепловую модель сосредоточенной емкости для определения мест расположения любых холодных точек на объемной среде, а также для определения температуры холодных точек. Это позволяет уменьшить общее количество требуемых датчиков, облегчить более эффективное размещение датчиков, включая размещение датчиков под (т.е. вместо размещения поверх) обшивкой летательного аппарата, либо и то, и другое за счет использования теплопроводности объемной среды.In addition, in embodiments in which the bulk medium is made of high-temperature conductive materials (e.g., aluminum), a lumped capacitance thermal model may be used as a basis for assessing the deicing status of the system. The controller may also use the lumped capacitance thermal model to determine the locations of any cold spots on the bulk medium, as well as to determine the temperature of the cold spots. This may reduce the overall number of sensors required, facilitate more efficient placement of sensors, including placement of sensors under (i.e., instead of on top of) the aircraft skin, or both, by utilizing the thermal conductivity of the bulk medium.
Обнаружение обледенения / измерениеIcing detection/measurement
В некоторых вариантах реализации подсистемы измерения контроллера включают в себя детекторы или датчики обледенения. Термин «обнаружение обледенения» относится к способу распознавания замерзающих или замерзших осадков или загрязнений, включая, без ограничения, снег, лед и талый снег или аналогичные формы замерзших осадков, накопившихся на поверхности.In some embodiments, the controller measurement subsystems include icing detectors or sensors. The term "icing detection" refers to a method for recognizing freezing or frozen precipitation or contaminants, including, but not limited to, snow, ice, and melted snow or similar forms of frozen precipitation accumulated on a surface.
В некоторых вариантах реализации обнаружение обледенения используют для определения необходимости устранения обледенения конструкции, отслеживания и прогресса устранения обледенения, а также мониторинга последующего накопления льда после устранения обледенения.In some embodiments, ice detection is used to determine the need for deicing of a structure, track the progress of deicing, and monitor subsequent ice accumulation after deicing.
В некоторых вариантах реализации обнаружение обледенения достигается с помощью преобразователя или множества преобразователей для мониторинга акустических параметров конструкции, включая, без ограничения, коэффициент демпфирования, резонансную частоту и частотный отклик. В некоторых вариантах реализации обнаружение обледенения достигается путем наблюдения изменений поляризованного света. В некоторых вариантах реализации с использованием переменной поляризации можно наблюдать изменения падающего неполяризованного света после его взаимодействия со льдом. В некоторых вариантах реализации наблюдают изменения падающего поляризованного света. В некоторых вариантах реализации для обнаружения образования льда могут использовать изменения интенсивности отраженного света. В некоторых вариантах реализации на поверхности, на которой собирается снег / лед, обледенение обнаруживают с помощью датчика или множества датчиков. Когда на поверхности собирается снег или лед, они закрывают апертуру датчика, который сигнализирует о присутствии льда. В некоторых вариантах реализации инфракрасное излучение от поверхностей может указывать на присутствие льда. Это включает, без ограничения, изменение излучательной способности поверхности, а также вычисление температуры поверхности для определения того, что условия являются благоприятными для образования льда. В некоторых вариантах реализации обнаружение обледенения может быть достигнуто с использованием датчиков, установленных на критических поверхностях. Когда замерзающие или замерзшие осадки накапливаются на датчиках, это приводит к измеримому изменению электрического импеданса. В некоторых вариантах реализации для работы датчиков обледенения используют тот факт, что присутствие льда вблизи соединительных полос будет влиять на электромагнитные поля, окружающие указанные линии, оказывая обнаруживаемое влияние на отклик в частотной области и/или отклик во временной области соединительных полос на электрический сигнал. Эти изменения могут быть измерены и использованы для определения присутствия льда на конструкции. В некоторых вариантах реализации присутствие льда может быть предсказано на основании градиента температуры в конструкции или по скорости изменения температуры, которая может быть измерена с помощью датчиков температуры, как описано выше. В некоторых вариантах реализации любой из датчиков, описанных в настоящем документе, может быть установлен на поверхности конструкции.In some embodiments, icing detection is achieved by using a transducer or a plurality of transducers to monitor acoustic parameters of the structure, including, but not limited to, a damping ratio, a resonant frequency, and a frequency response. In some embodiments, icing detection is achieved by observing changes in polarized light. In some embodiments, using variable polarization, changes in incident unpolarized light can be observed after it interacts with ice. In some embodiments, changes in incident polarized light are observed. In some embodiments, changes in the intensity of reflected light can be used to detect ice formation. In some embodiments, icing is detected on a surface on which snow/ice accumulates using a sensor or a plurality of sensors. When snow or ice accumulates on a surface, they cover an aperture of a sensor that signals the presence of ice. In some embodiments, infrared radiation from surfaces can indicate the presence of ice. This includes, but is not limited to, a change in the emissivity of the surface, as well as calculating the surface temperature to determine that conditions are favorable for ice formation. In some embodiments, icing detection may be achieved using sensors mounted on critical surfaces. When freezing or frozen precipitation accumulates on the sensors, it results in a measurable change in electrical impedance. In some embodiments, the icing sensors operate using the fact that the presence of ice near the connecting strips will affect the electromagnetic fields surrounding the lines, causing a detectable effect on the frequency domain response and/or the time domain response of the connecting strips to an electrical signal. These changes may be measured and used to determine the presence of ice on the structure. In some embodiments, the presence of ice may be predicted based on a temperature gradient in the structure or on the rate of change of temperature, which may be measured using temperature sensors as described above. In some embodiments, any of the sensors described herein may be mounted on the surface of the structure.
В некоторых вариантах реализации датчики обледенения расположены на объемной среде также, как могут быть расположены датчики температуры, как было ранее описано в настоящем описании. В некоторых вариантах реализации датчики обледенения могут быть расположены на объемной среде, например, в определенных местах, таких как горячие точки, холодные точки, точки повторного замерзания среди других мест. Датчики горячих точек могут использоваться для выполнения общих функций контроллера и могут использоваться для обнаружения явления избыточного нагрева на объемной среде или соединительных полосах. Холодные точки могут быть выбраны таким образом, чтобы они были относительно холоднее, чем другие места на объемной среде, когда система нагрева активирована. Датчики холодных точек могут использоваться для выполнения общих функций контроллера и могут использоваться для обнаружения недостаточного нагрева на объемной среде или соединительных полосах. Точки повторного замерзания могут быть выбраны таким образом, чтобы в них явления замерзания или повторного замерзания происходили с большей вероятностью раньше, чем в других местах на объемной среде, когда система нагрева активирована или после ее деактивации. Датчики точек повторного замерзания могут использовать для выполнения общих функций контроллера и могут использовать для обнаружения явлений повторного замерзания или недостаточного нагрева на объемной среде или соединительных полосах. Другие точки могут быть расположены в других представляющих интерес областях, например, в областях, которые были ранее перечислены в настоящем описании.In some embodiments, the icing sensors are located on the volumetric medium in the same way as the temperature sensors can be located, as was previously described in this description. In some embodiments, the icing sensors can be located on the volumetric medium, for example, in certain places, such as hot spots, cold spots, refreezing points, among other places. The hot spot sensors can be used to perform general functions of the controller and can be used to detect an excessive heating phenomenon on the volumetric medium or connecting strips. The cold spots can be selected so that they are relatively colder than other places on the volumetric medium when the heating system is activated. The cold spot sensors can be used to perform general functions of the controller and can be used to detect insufficient heating on the volumetric medium or connecting strips. The refreezing points can be selected so that freezing or refreezing phenomena occur there with a higher probability earlier than in other places on the volumetric medium when the heating system is activated or after its deactivation. Refreeze point sensors may be used to perform general controller functions and may be used to detect refreeze or underheating events on bulk media or connecting strips. Other points may be located in other areas of interest, such as those previously listed in this description.
В некоторых вариантах реализации схема расположения соединительных полос на объемной среде может быть оптимизирована таким образом, чтобы точки, описанные выше, представляли собой назначенные области, выбранные с учетом таких параметров, как легкость доступа, легкость установки или простота визуального наблюдения для пользователя системы нагрева.In some embodiments, the arrangement of the connecting strips on the bulk medium may be optimized such that the points described above represent designated areas selected based on parameters such as ease of access, ease of installation, or ease of visual observation for a user of the heating system.
В некоторых вариантах реализации по меньшей мере два независимых набора датчиков обледенения могут использовать для повышения надежности осуществления критических функций контроллера за счет добавления избыточности для его подсистем измерения. В некоторых вариантах реализации независимость может быть достигнута путем добавления двух одинаковых датчиков обледенения в каждом назначенном месте расположения датчика. В некоторых вариантах реализации независимость может быть достигнута путем добавления двух различных датчиков обледенения (например, датчиков разных производителей или различного типа) в каждом назначенном месте расположения датчика. В некоторых вариантах реализации независимость может быть достигнута путем добавления двух датчиков обледенения в местах, достаточно удаленных друг от друга для уменьшения вероятности одновременного отказа обоих датчиков и в то же время расположенных достаточно близко друг от друга для мониторинга эквивалентных параметров. В некоторых вариантах реализации независимость может быть достигнута с помощью любой комбинации указанных способов. В некоторых вариантах реализации наборы независимых датчиков могут отправлять информацию в одну подсистему мониторинга или могут отправлять информацию в набор независимых подсистем мониторинга, каждая из которых выполнена с возможностью работы с независимым набором датчиков, либо они все могут отправлять информацию в набор из по меньшей мере двух независимых подсистем мониторинга.In some embodiments, at least two independent sets of ice sensors may be used to improve the reliability of the critical functions of the controller by adding redundancy to its measurement subsystems. In some embodiments, independence may be achieved by adding two identical ice sensors at each designated sensor location. In some embodiments, independence may be achieved by adding two different ice sensors (e.g., sensors from different manufacturers or different types) at each designated sensor location. In some embodiments, independence may be achieved by adding two ice sensors at locations that are sufficiently distant from each other to reduce the likelihood of a simultaneous failure of both sensors and at the same time located sufficiently close to each other to monitor equivalent parameters. In some embodiments, independence may be achieved using any combination of these methods. In some embodiments, the sets of independent sensors may send information to one monitoring subsystem, or may send information to a set of independent monitoring subsystems, each of which is configured to work with an independent set of sensors, or they may all send information to a set of at least two independent monitoring subsystems.
В некоторых вариантах реализации подсистемы измерения контроллера включают в себя один или более емкостных датчиков. Один или более емкостных датчиков, отдельно или в сочетании с другими датчиками, такими как датчики температуры, могут использовать для различения льда отводы. Например, монтажная плата, например, гибкая монтажная печатная плата (или гибкая печатная плата), которая включает в себя матрицу из одного или более емкостных датчиков, может быть размещена на поверхности объемной среды для измерения изменений показаний емкости на поверхности, например, из-за присутствия льда или воды. В качестве еще одного примера, емкостные датчики могут быть размещены под покровным слоем (например, пленкой вместо окраски) объемной среды.In some embodiments, the controller measurement subsystems include one or more capacitive sensors. One or more capacitive sensors, alone or in combination with other sensors, such as temperature sensors, can be used to distinguish ice taps. For example, a circuit board, such as a flexible printed circuit board (or flexible printed circuit board), which includes an array of one or more capacitive sensors, can be placed on the surface of the bulk medium to measure changes in capacitance readings on the surface, such as due to the presence of ice or water. As another example, the capacitive sensors can be placed under a cover layer (e.g., a film instead of paint) of the bulk medium.
В некоторых вариантах реализации температура на соединительной полосе 1900 может быть определена на основании измерений импеданса, который может быть аналогичным образом измерен в зависимости от времени, например, путем сравнения значений измерения импеданса с базой данных эталонных графиков частотных откликов при различных температурах. Например, данные могут быть собраны в испытательной системе, записывающей частотный отклик для импеданса в зависимости от температуры окружающей среды. Затем контроллер может использовать записанные данные для определения значений температуры соединительной полосы на основании показаний импеданса.In some embodiments, the temperature on the connection strip 1900 can be determined based on impedance measurements, which can be similarly measured as a function of time, for example, by comparing the impedance measurement values with a database of reference frequency response graphs at different temperatures. For example, the data can be collected in a test system that records the frequency response for impedance as a function of ambient temperature. The controller can then use the recorded data to determine the temperature values of the connection strip based on the impedance readings.
В некоторых таких вариантах реализации соединительная полоса 1900 включает в себя материал (материалы), который характеризуется значительными и предсказуемыми изменениями импеданса при изменениях температуры, что облегчает использование измерений импеданса для оценки температуры целевой области объемной среды. Например, соединительная полоса 1900 может быть частично изготовлена с использованием диэлектрических материалов или проводников, для которых диэлектрическая постоянная или проводимость может предсказуемо изменяться с изменением температуры, что приводит к локальному изменению импеданса в целевой области объемной среды. Например, соединительная полоса 1900 может быть изготовлена с использованием одного или более акриловых адгезивов, кремниевых адгезивов, этиленвинилацетатных адгезивов, полисульфидных герметиков, полиуретановых герметиков, майлара, ПТФЭ, ФЭП, каптона или материалов на основе эпоксидной смолы.In some such embodiments, the connecting strip 1900 includes a material (materials) that is characterized by significant and predictable changes in impedance with changes in temperature, which facilitates the use of impedance measurements to estimate the temperature of a target region of a bulk medium. For example, the connecting strip 1900 can be partially made using dielectric materials or conductors for which the permittivity or conductivity can predictably change with a change in temperature, which leads to a local change in impedance in a target region of a bulk medium. For example, the connecting strip 1900 can be made using one or more acrylic adhesives, silicone adhesives, ethylene vinyl acetate adhesives, polysulfide sealants, polyurethane sealants, Mylar, PTFE, FEP, Kapton or epoxy-based materials.
Например, для определения текущей температуры конкретной соединительной полосы контроллер может измерять значение импеданса конкретной соединительной полосы, а затем сравнивать это значение импеданса со значениями температуры в справочной таблице. В качестве еще одного примера, контроллер может выполнить измерение импеданса, а затем вычислить (например, на основании математической зависимости между импедансом и температурой) температуру на основании измеренного значения импеданса. В качестве конкретного примера акриловый адгезивный материал может быть использован для изготовления нижнего диэлектрического слоя полосы, который отделяет соединительную полосу от объемной среды.For example, to determine the current temperature of a specific connection strip, the controller may measure the impedance value of the specific connection strip and then compare this impedance value with the temperature values in a lookup table. As another example, the controller may perform an impedance measurement and then calculate (for example, based on a mathematical relationship between impedance and temperature) the temperature based on the measured impedance value. As a specific example, an acrylic adhesive material may be used to make the lower dielectric layer of the strip that separates the connection strip from the bulk medium.
На фиг. 41 представлен трехмерный график диэлектрической постоянной приведенного для примера акрилового адгезивного материала. На фиг. 42 представлен график диэлектрической постоянной приведенного для примера акрилового адгезивного материала.Fig. 41 is a three-dimensional graph of the dielectric constant of an exemplary acrylic adhesive material. Fig. 42 is a graph of the dielectric constant of an exemplary acrylic adhesive material.
Как показано на фиг. 41, диэлектрическая постоянная (εr) акрилового адгезивного материала изменяется в зависимости от температуры (°C). В частности, диэлектрическая постоянная определяет характеристический импеданс системы, включающей в себя соединительную полосу и объемную среду. Поскольку температура соединительной полосы изменяется, соответственно, изменяется диэлектрическая постоянная. Это, в свою очередь, приводит к изменению импеданса системы.As shown in Fig. 41, the permittivity (ε r ) of the acrylic adhesive material changes with temperature (°C). In particular, the permittivity determines the characteristic impedance of the system including the bonding strip and the bulk medium. As the temperature of the bonding strip changes, the permittivity changes accordingly. This, in turn, leads to a change in the impedance of the system.
В некоторых вариантах реализации импеданс может быть измерен в зависимости от времени, а статус устранения обледенения может быть определен на основании измерений импеданса с использованием схемы обнаружения, аналогичной измерениям температуры, поскольку импеданс, как правило, изменяется с изменением температуры. В частности, момент времени, в который объемная среда очищается от обледенения, может быть определен, когда график импеданса в зависимости от времени был относительно плоским (например, имел нулевой наклон) в течение заданного периода времени, за которым следовал период положительного или отрицательного наклона. Как показано на графике 4500 на фиг. 40, показания импеданса колеблются вокруг фиксированного значения (5,7 Ом) во время выполнения операции по устранению обледенения (приблизительно с 07:00 до 07:20), а затем, когда операция по устранению обледенения завершена, показания импеданса увеличиваются (начиная приблизительно с 07:20).In some embodiments, the impedance may be measured as a function of time, and the deicing status may be determined based on the impedance measurements using a detection circuit similar to temperature measurements, since impedance typically changes with a change in temperature. In particular, the time at which the bulk medium is deiced may be determined when the impedance versus time graph has been relatively flat (e.g., had a zero slope) for a given period of time, followed by a period of positive or negative slope. As shown in graph 4500 in Fig. 40, the impedance readings fluctuate around a fixed value (5.7 ohms) during the deicing operation (from approximately 07:00 to 07:20), and then, when the deicing operation is completed, the impedance readings increase (starting at approximately 07:20).
ЭлектрооборудованиеElectrical equipment
В некоторых вариантах реализации контроллер включает в себя подсистемы управления, измерения и мониторинга, используемые для измерения электрических параметров и производительности. Такие параметры включают напряжение, ток, входную и выходную мощность при любом выходном импедансе на любых ступенях системы нагрева, включая ее систему управления питанием, внутренние соединения, кабельную разводку, соединители и электроды.In some embodiments, the controller includes control, measurement and monitoring subsystems used to measure electrical parameters and performance. Such parameters include voltage, current, input and output power at any output impedance at any stages of the heating system, including its power management system, internal connections, cable routing, connectors and electrodes.
В некоторых вариантах реализации контроллер использует и анализирует собранные данные об электрических параметрах для оценки работоспособности системы нагрева и ее компонентов, для управления количеством энергии, подаваемой в целевые области объемной среды, для обеспечения надлежащего нагрева, для уведомления о любых неисправностях и ошибках пользователя системы и для регистрации данных, собранных для дальнейшей диагностики, от пользователя системы или бригады по техническому обслуживанию.In some embodiments, the controller uses and analyzes the collected electrical parameter data to evaluate the health of the heating system and its components, to control the amount of energy supplied to target areas of the volumetric medium to ensure proper heating, to notify the user of the system of any faults and errors, and to record the collected data for further diagnostics from the user of the system or a maintenance crew.
В некоторых вариантах реализации контроллер может выполнять проверку того, что все измеренные электрические параметры находятся в пределах ожидаемых диапазонов, для выполнения его функций управления и мониторинга.In some embodiments, the controller may verify that all measured electrical parameters are within expected ranges to perform its control and monitoring functions.
В некоторых вариантах реализации выходную и входную мощность в какой-либо из ступеней систем управления питанием измеряют одновременно, чтобы контроллер мог оценивать уровни мощности и эффективность работы этих ступеней. Например, путем мониторинга уровня мощности и эффективности (входной мощности, разделенной на мощность, подаваемую на нагревательные элементы) можно обнаружить неисправности в системе и уведомить об неисправностях системы для устранения обледенения. Например, это можно использовать для определения того, что недостаточная мощность, подаваемая на нагрузку, приведет к неполному устранению обледенения.In some embodiments, the output and input power in any of the stages of the power management systems are measured simultaneously so that the controller can evaluate the power levels and the efficiency of these stages. For example, by monitoring the power level and efficiency (input power divided by the power supplied to the heating elements), faults in the system can be detected and faults in the de-icing system can be notified. For example, this can be used to determine that insufficient power supplied to the load will result in incomplete de-icing.
В некоторых вариантах реализации контроллер измеряет и использует отношение напряжения к току на входе и выходе любой ступени системы нагрева. Например, на некоторых ступенях реализации системы нагрева изменения в электрических элементах со стороны нагрузки приводят к изменению отношения напряжения к току в ступенях со стороны питания электрической системы и обнаружение этих изменений позволяет обнаруживать удаленные отказы со стороны нагрузки и определять показатели производительности.In some embodiments, the controller measures and uses the voltage-to-current ratio at the input and output of any stage of the heating system. For example, in some stages of the heating system, changes in the electrical elements on the load side cause a change in the voltage-to-current ratio in the stages on the supply side of the electrical system, and detection of these changes allows for detection of remote faults on the load side and determination of performance indicators.
Анализ в частотной области обычно используют для анализа кабелей и высокочастотных систем, например, путем определения величины и фазы входного импеданса схемы во всем диапазоне частот. Эту информацию можно использовать для оценки работоспособности системы нагрева и в вариантах реализации, в которых система включает в себя соединительные полосы (которые выполняют функцию линий передачи) для оценки характеристического импеданса, постоянной распространения, оконечной нагрузки и длины соединительных полос.Frequency domain analysis is commonly used to analyze cables and high frequency systems, for example by determining the magnitude and phase of the input impedance of a circuit over a range of frequencies. This information can be used to evaluate the performance of a heating system and, in embodiments where the system includes coupling strips (which function as transmission lines), to evaluate the characteristic impedance, propagation constant, termination load, and length of the coupling strips.
Например, для линии передачи с известным характеристическим импедансом, с разомкнутой оконечной нагрузкой входной импеданс может изменяться от 0 на длинах, нечетно-кратных четверти длины волны бегущего сигнала, до Z0 на длинах, кратных половине длины волны.For example, for a transmission line with a known characteristic impedance, with an open-circuit termination, the input impedance can vary from 0 at lengths that are odd multiples of a quarter wavelength of the traveling signal, to Z 0 at lengths that are multiples of a half wavelength.
Этот анализ может быть выполнен из одной точки или, если возможен доступ к обоим концам кабеля, может быть выполнено измерение в «2 портах», в ходе которого анализируют передачу и отражение сигнала, проходящего от одного порта к другому.This analysis can be performed from a single point or, if access to both ends of the cable is possible, a "2-port" measurement can be performed, which analyzes the transmission and reflection of the signal as it passes from one port to the other.
Измерение в частотной области чаще всего выполняют с помощью схемного анализатора, инструмента, который передает ряд частот с высоком уровнем, вычисляет импеданс из соотношения напряжение / ток, интерполирует и отображает данные.Frequency domain measurements are most often made with a network analyzer, an instrument that transmits a series of frequencies at high levels, calculates impedance from the voltage/current relationship, interpolates, and displays the data.
Кроме того, могут быть применены инструменты, позволяющие установить наличие каких-либо изменений в системе линии передачи. В сложной электрической системе, в которой кабели могут проходить на большие расстояния и быть труднодоступными, анализ линий передачи является важным инструментом для проверки на разрывы кабеля или другие нежелательные изменения.In addition, tools can be used to determine if there have been any changes to the transmission line system. In a complex electrical system where cables may run over long distances and be difficult to access, transmission line analysis is an important tool to check for cable breaks or other unwanted changes.
Порезы и другие прямые повреждения соединительных полос и других кабелей в системе нагрева можно обнаружить путем выполнения измерений импеданса. Также могут быть определены дополнительные данные, например, полный или частичный разрез соединительной полосы или кабеля. Примером ошибки, которую можно обнаружить, является изменение длины. Например, в случае разрыва соединительной полосы или кабеля они становятся более короткими (и может измениться их оконечная нагрузка) и их полный импеданс изменяется в соответствии со следующей формулой:Cuts and other direct damage to the connecting strips and other cables in the heating system can be detected by performing impedance measurements. Additional data can also be determined, such as a complete or partial cut of the connecting strip or cable. An example of an error that can be detected is a change in length. For example, if a connecting strip or cable is broken, it becomes shorter (and its termination load may change) and its total impedance changes according to the following formula:
Неисправности также могут быть обнаружены, когда оконечная нагрузка отличается от ожидаемого значения, например, если соединительная полоса, которая обычно имеет разомкнутую оконечную нагрузку, накоротко замкнута или если соединительная полоса, которая обычно имеет накоротко замкнутую оконечную нагрузку, разрезана или отслоилась и оконечная нагрузка стала разомкнутой.Faults can also be detected when the termination load differs from the expected value, for example if a connecting strip that normally has an open termination load is shorted, or if a connecting strip that normally has a shorted termination load is cut or peeled off and the termination load becomes open.
Важно отметить, что пассивный мониторинг рабочей системы управления питанием обеспечивает возможность определения импеданса на рабочей частоте. Следовательно, диагностические функции, описанные в оставшейся части настоящего документа, могут быть выполнены во время работы.It is important to note that passive monitoring of the operating power management system provides the ability to determine the impedance at the operating frequency. Therefore, the diagnostic functions described in the remainder of this document can be performed during operation.
В то время как использование схемного анализатора предполагает передачу синусоидальных сигналов через устройство, в котором выполняют измерение, для получения его частотного отклика, что делает его способом активного измерения, пассивный мониторинг предполагает мониторинг сигналов, проходящих через указанное устройство (например, сигналов напряжения и тока) во время его нормальной работы, для вычисления его импеданса. Поскольку он позволяет получать информацию только на основании рабочих сигналов и условий, он не обеспечивает такой широкий спектр информации, как в случае использования полного диапазона частот. Тем не менее, его все же можно использовать для мониторинга неисправностей. Кроме того, он может работать непрерывно, в том числе во время работы системы нагрева.While using a network analyzer involves sending sinusoidal signals through the device being measured to obtain its frequency response, making it an active measurement method, passive monitoring involves monitoring signals passing through the device (such as voltage and current signals) during normal operation to calculate its impedance. Since it only provides information based on operating signals and conditions, it does not provide as much information as using the full frequency range. However, it can still be used to monitor faults. It can also operate continuously, including while the heating system is running.
Реализация пассивного мониторинга включает 3 основных элемента.The implementation of passive monitoring includes 3 main elements.
- Интерфейс:- Interface:
Интерфейс между системой питания и системой мониторинга должен быть тщательно спроектирован. Например, важно, чтобы избыточная энергия, например, энергия, предназначенная для противообледенительной защиты, не поступала в систему мониторинга.The interface between the power system and the monitoring system must be carefully designed. For example, it is important that excess energy, such as energy intended for de-icing, does not flow into the monitoring system.
- Деление:- Division:
Другим критическим элементом для системы является вычисление импеданса на основании напряжения и тока (например, V/I). Оно должно быть точным и достаточно быстрым, а также включать информацию о фазе.Another critical element for the system is the calculation of impedance based on voltage and current (e.g. V/I). It must be accurate and fast enough, and include phase information.
- Преобразование сигнала- Signal conversion
После вычисления сигнала импеданса его, как правило, преобразуют в форму, которая чаще всего используется в подсистемах мониторинга, например, с использованием аналого-цифрового преобразователя.Once the impedance signal has been calculated, it is typically converted into a form that is most commonly used in monitoring subsystems, such as using an analog-to-digital converter.
Пассивный мониторинг является ценным инструментом для защиты системы в целом, позволяющим обнаруживать неисправности в режиме реального времени и обеспечить защиту от любых повреждений системы электропитания, которые могут быть вызваны указанной неисправностью.Passive monitoring is a valuable tool for protecting the overall system by detecting faults in real time and providing protection against any damage to the power system that may be caused by the fault.
В некоторых вариантах реализации контроллер может чередовать работу системы схемного анализатора с подачей питания на соединительные полосы. Например, контроллер может периодически переключать питание, подаваемое на соединительные полосы, подключая схемный анализатор для проверки на наличие неисправностей. Поток энергии на соединительные полосы может быть возобновлен после того, как схемный анализатор получит измерение. Затем схемный анализатор можно отключить, чтобы избежать его повреждения от сигналов питания. В некоторых вариантах реализации схемный анализатор может быть выполнен с возможностью поворота для выполнения измерений на различных соединительных полосах. Например, контроллер или система управления могут поочередно отключать поток энергии в различных соединительных полосах, когда на этой полосе осуществляют измерения с помощью схемного анализатора. Таким образом, соседние соединительные полосы все еще могут осуществлять некоторый нагрев поверхности летательного аппарата вблизи соединительной полосы, на которой выполняют измерения с помощью схемного анализатора.In some embodiments, the controller may alternate the operation of the circuit analyzer system with the supply of power to the connecting strips. For example, the controller may periodically switch the power supplied to the connecting strips, connecting the circuit analyzer to check for faults. The power flow to the connecting strips may be resumed after the circuit analyzer receives a measurement. Then, the circuit analyzer may be turned off to avoid damage to it from power signals. In some embodiments, the circuit analyzer may be configured to rotate to perform measurements on different connecting strips. For example, the controller or control system may alternately turn off the power flow in different connecting strips when measurements are being performed on this strip using the circuit analyzer. In this way, neighboring connecting strips may still perform some heating of the surface of the aircraft near the connecting strip on which measurements are being performed using the circuit analyzer.
В некоторых вариантах реализации схемный анализатор может быть выполнен с возможностью работы с использованием другого диапазона частот сигнала по сравнению с системой питания. Например, сигналы питания могут подавать в диапазоне 100-450 МГц, в то время как схемный анализатор может быть выполнен с возможностью измерения импеданса соединительных полос с использованием испытательных сигналов в диапазоне 1-10 МГц. Между входом / выходом схемного анализатора и источником питания может быть обеспечен фильтр нижних частот для предотвращения повреждения схемного анализатора сигналами питания и обеспечения измерения импеданса соединительных полос без необходимости прекращения нагрева.In some embodiments, the network analyzer may be configured to operate using a different signal frequency range than the power supply system. For example, the power supply signals may be supplied in the range of 100-450 MHz, while the network analyzer may be configured to measure the impedance of the coupling strips using test signals in the range of 1-10 MHz. A low-pass filter may be provided between the input/output of the network analyzer and the power supply to prevent damage to the network analyzer by power signals and to ensure that the impedance of the coupling strips is measured without the need to terminate heating.
В некоторых вариантах реализации в контроллере дополнительно используют способы рефлектометрии во временной области для выполнения его функций. Рефлектометр и я во временной области (РВО) - это исследование отражений в линии передачи. Его обычно используют для обнаружения неисправностей в кабелях, которые являются очень длинными или труднодоступны иным образом. Его основное отличие от ранее обсуждавшихся способов заключается в том, что он работает во временной области. Это означает, что он позволяет измерять время прохождения сигнала до достижения им конца кабеля или соединительной полосы и возврата к точке его ввода. Он, например, представляет собой эффективный инструмент для измерения таких параметров, как длина линии передачи или соединительной полосы, либо характеристический импеданс. Рефлектометрия во временной области является важным дополнением к анализу в частотной области, поскольку она позволяет получать значения параметров, которые сложно вывести из частотного графика.In some embodiments, the controller additionally uses time domain reflectometry techniques to perform its functions. Time domain reflectometer (TDR) is a study of reflections in a transmission line. It is typically used to locate faults in cables that are very long or otherwise difficult to access. Its main difference from the previously discussed techniques is that it operates in the time domain. This means that it measures the time it takes for a signal to reach the end of a cable or patch strip and return to its point of entry. It is, for example, an effective tool for measuring parameters such as the length of a transmission line or patch strip, or the characteristic impedance. Time domain reflectometry is an important complement to frequency domain analysis because it can provide values for parameters that are difficult to derive from a frequency plot.
На фиг. 34 изображен пример реализации рефлектометрии во временной области, иллюстрирующий, например, как разомкнутые цепи, короткозамкнутые цепи и несоответствия импеданса могут быть обнаружены с использованием рефлектометрии во временной области на соединительной полосе, прикрепленной к алюминиевой панели.Fig. 34 shows an example of an implementation of time domain reflectometry, illustrating, for example, how open circuits, short circuits, and impedance mismatches can be detected using time domain reflectometry on a connection strip attached to an aluminum panel.
Таким образом, рефлектометрия во временной области позволяет характеризовать и локализовать разрывы, неисправности или дефекты в линии передачи, кабеле или соединительной полосе. Например, для кабеля из однородных материалов может быть измерена скорость распространения электрического сигнала. Используя эту скорость распространения, расстояние отточки измерения с использованием рефлектометрии во временной области можно измерить и обнаружить любое возмущение, неисправность, изменение оконечной нагрузки или преобразование как локальные изменения импеданса.Thus, time domain reflectometry allows to characterize and localize breaks, faults or defects in a transmission line, cable or connecting strip. For example, for a cable made of homogeneous materials, the propagation velocity of an electrical signal can be measured. Using this propagation velocity, the distance from the measurement point using time domain reflectometry can be measured and any disturbance, fault, change in termination or transformation as local impedance changes can be detected.
Рефлектометрия во временной области предполагает использование очень быстрого генератора импульсов, который отправляет сигнал в систему, в которой проводят измерение. Ключевые параметры импульса, включая время, необходимое для перехода от низкого напряжения к высокому, настраивают для каждой конкретной испытываемой системы и для конкретных задач измерения с целью сбора требуемых данных. Затем этот импульс измеряют с помощью осциллографа. Можно использовать специализированные приборы, объединяющие в себе генератор импульсов и стробоскопический осциллограф, оптимизированные для периодических измерений. Однако специализированное оборудование требуется не всегда. Представление во временной области может быть восстановлено из частотной области. Используя обратное преобразование Фурье, выходной сигнал схемного анализатора можно преобразовать в аппроксимацию ожидаемого поведения во временной области.Time domain reflectometry involves using a very fast pulse generator to send a signal to the system being measured. Key parameters of the pulse, including the time it takes to transition from low to high voltage, are tuned for each specific system under test and for the specific measurement task to collect the required data. The pulse is then measured with an oscilloscope. Specialized pulse generator/sample scope instruments optimized for periodic measurements can be used, but specialized equipment is not always required. The time domain representation can be reconstructed from the frequency domain. Using the inverse Fourier transform, the output of a network analyzer can be transformed into an approximation of the expected time domain behavior.
Поскольку рефлектометрия во временной области позволяет характеризовать и локализовать разрывы в линии передачи, ее можно использовать для обнаружения коротких замыканий, размыканий, расслоения линии и других повреждений линии передачи в системе нагрева, например, в ее кабелях и соединительных полосах.Because time domain reflectometry can characterize and locate breaks in a transmission line, it can be used to detect shorts, opens, line delaminations, and other transmission line faults in a heating system, such as its cables and splice strips.
На фиг. 35А показано сравнение двух наших линий передачи, измеренных с использованием рефлектометрии во временной области. В одной линии через 2 метра установлен соединитель, который виден на графике как большое изменение импеданса, локализованного в узкой области. Та же технология может аналогичным образом использоваться для обнаружения деформации линий передачи или соединительных полос, коротких замыканий и отслоения линии передачи от объемной среды. В некоторых вариантах реализации контроллер выполняет автоматический анализ результатов. При надлежащей обработке сигналов и использовании передовых технологий анализа (например, с применением машинного обучения, компьютерного зрения, глубокого обучения, искусственного интеллекта и других способов, основанных на данных) можно сравнивать результаты измерения в реальном масштабе времени с хранимым эталонным значением для обнаружения, охарактеризования и количественной оценки изменений, а также интерпретировать графики для определения параметров, включающих импеданс, оконечную нагрузку и длину.Fig. 35A shows a comparison of two of our transmission lines measured using time domain reflectometry. In one line, a connector is installed at 2 meters, which is visible in the graph as a large change in impedance localized in a narrow region. The same technology can be similarly used to detect deformation of transmission lines or connecting strips, short circuits, and delamination of the transmission line from the bulk medium. In some embodiments, the controller automatically analyzes the results. With proper signal processing and the use of advanced analysis technologies (e.g., using machine learning, computer vision, deep learning, artificial intelligence, and other data-driven methods), it is possible to compare the measurement results in real time with a stored reference value to detect, characterize, and quantify changes, and interpret the graphs to determine parameters including impedance, termination, and length.
Можно доказать, что элементы системы нагрева, такие как ее кабели и соединительные полосы в вариантах реализации, в которых они включены, имеют геометрические и материальные свойства, которые зависят от температуры. В качестве примера, тепловое расширение и сжатие могут влиять на геометрическую форму линий передачи и соединительных полос. Кроме того, можно доказать, что проводимость, диэлектрическая постоянная и магнитная проницаемость материалов, включенных в конструкцию соединительных полос, могут варьироваться в зависимости от температуры. В предыдущих разделах описано, как неисправности могут быть обнаружены при изменении импеданса, измеренного в разных точках системы. В дополнение к обнаружению изменений в физической структуре соединительных полос или объемных сред, также может быть оценен статус устранения обледенения. Изменение импеданса в зависимости от температуры может быть вычислено, смоделировано или измерено эмпирически. В некоторых вариантах реализации можно измерять импеданс и изменение импеданса соединительных полос стечением времени для определения их температур в качестве дополнительного способа выполнения функции контроллером.It can be shown that the elements of the heating system, such as its cables and connecting strips in embodiments in which they are included, have geometric and material properties that depend on the temperature. As an example, thermal expansion and contraction can affect the geometric shape of the transmission lines and connecting strips. In addition, it can be shown that the conductivity, permittivity and magnetic permeability of the materials included in the structure of the connecting strips can vary depending on the temperature. The previous sections described how faults can be detected by changing the impedance measured at different points in the system. In addition to detecting changes in the physical structure of the connecting strips or volumetric media, the deicing status can also be assessed. The change in impedance depending on the temperature can be calculated, modeled or measured empirically. In some embodiments, it is possible to measure the impedance and the change in impedance of the connecting strips over time to determine their temperatures as an additional way to perform the function of the controller.
Еще одним полезным показателем может быть скорость изменения измеряемого импеданса. Можно доказать, что во время изменения его фазы материал (в данном случае лед, который тает с образованием воды) будет продолжать поглощать энергию, но его температура не будет изменяться (в данном случае оставаясь на уровне 0°С до полного расплавления). В некоторых вариантах реализации контроллер выполнен с возможностью измерения импедансов соединительных полос и использования этого свойства для лучшего выполнения его функций, включая определение того, что устранение обледенения продолжается или завершено.Another useful indicator may be the rate of change of the measured impedance. It can be shown that during its phase change, the material (in this case, ice that melts to form water) will continue to absorb energy, but its temperature will not change (in this case, remaining at 0 °C until completely melted). In some embodiments, the controller is configured to measure the impedances of the connecting strips and use this property to better perform its functions, including determining whether deicing is ongoing or complete.
- Обнаружение повреждений и преобразований на объемной среде- Detection of damage and transformations in a volumetric environment
В вариантах реализации, в которых соединительные полосы установлены на объемной среде таким образом, что объемная среда может рассматриваться как часть геометрии линии передачи (например, при установке соединительной полосы на алюминиевую обшивку таким образом, чтобы алюминиевая обшивка была одной из плоскостей полученной полосы, образованной комбинацией соединительной полосы и алюминиевой обшивки), эти способы могут использовать для обнаружения изменений, преобразований и повреждений в объемной среде, даже когда сама соединительная полоса не затронута. Для конструкции с достаточным покрытием соединительными полосами всей объемной среды, в которой эти линии проложены обратно к электрической системе, такой как системы нагрева, описанные в настоящем документе, секции объемной конструкции могут быть проанализированы и проверены в отношении возможного повреждения в точках централизованного измерения.In embodiments in which the connecting strips are installed on the volumetric medium in such a way that the volumetric medium can be considered as part of the geometry of the transmission line (for example, when installing the connecting strip on an aluminum cladding in such a way that the aluminum cladding is one of the planes of the resulting strip formed by the combination of the connecting strip and the aluminum cladding), these methods can be used to detect changes, transformations and damage in the volumetric medium, even when the connecting strip itself is not affected. For a structure with sufficient coverage of the connecting strips of the entire volumetric medium in which these lines are laid back to an electrical system, such as the heating systems described in this document, sections of the volumetric structure can be analyzed and checked for possible damage at centralized measurement points.
В некоторых вариантах реализации изменения в структуре объемной среды могут рассматриваться и анализироваться как геометрические изменения линий передачи, образованных соединительными полосами, соединенными с объемной средой. Например, вмятина может изменять геометрию объемной среды, изменяя характеристический импеданс линии передачи в некоторой области.In some embodiments, changes in the structure of the volumetric medium may be considered and analyzed as geometric changes in the transmission lines formed by the connecting strips connected to the volumetric medium. For example, a dent may change the geometry of the volumetric medium by changing the characteristic impedance of the transmission line in a certain region.
При установке на обшивке летательного аппарата система, описанная в настоящем документе, может обеспечить возможность обнаружения повреждения обшивки и конструкции. Такое обнаружение повреждений может выполняться автономно с помощью схем управления и измерения, встроенных в летательный аппарат, или с использованием специализированного диагностического оборудования, доставляемого бригадой по техническому обслуживанию в требуемые места в летательном аппарате. В настоящее время этот тип повреждения, как правило, обнаруживают путем визуального осмотра, который является трудоемким и подверженным ошибкам процессом. Кроме того, обнаружение повреждений в полете ограничено достаточно крупными событиями, которые экипаж может выявить без помощи какой-либо диагностической системы.When installed on the skin of an aircraft, the system described herein may provide the ability to detect damage to the skin and structure. Such damage detection may be performed autonomously using control and measurement circuits built into the aircraft or using specialized diagnostic equipment delivered by the maintenance crew to the required locations in the aircraft. Currently, this type of damage is typically detected by visual inspection, which is a labor-intensive and error-prone process. In addition, in-flight damage detection is limited to events large enough that the crew can detect them without the aid of any diagnostic system.
В случае летательного аппарата с композитной обшивкой линии передачи могут быть встроены в композитные слои материала обшивки (например, с использованием преимуществ молниезащитного экрана и добавлением проводящих линий в другой слой с образованием встроенных микрополосок или полос), что позволяет обнаруживать повреждения, включая расслоение композитного материала.In the case of an aircraft with a composite skin, transmission lines can be embedded into the composite layers of the skin material (e.g. by taking advantage of the lightning shield and adding conductive lines into another layer to form embedded micro strips or bands), allowing for damage detection, including delamination of the composite material.
В некоторых вариантах реализации система может включать в себя отдельные линии обнаружения, выполненные с возможностью обнаружения неисправностей в соединительных полосах. Например, соединительные полосы могут быть предрасположены к возникновению неисправности конкретного типа - расслоения, при котором соединительная полоса по меньшей мере частично отсоединяется от объемной среды. В некоторых таких вариантах реализации линия обнаружения может быть выполнена с большей чувствительностью к определенным неисправностям. В некоторых вариантах реализации линии обнаружения могут быть включены в несущую линию в соединительной полосе 1900.In some embodiments, the system may include separate detection lines configured to detect faults in the connecting strips. For example, the connecting strips may be prone to a particular type of fault - delamination, in which the connecting strip is at least partially separated from the bulk medium. In some such embodiments, the detection line may be configured to be more sensitive to certain faults. In some embodiments, the detection lines may be included in the carrier line in the connecting strip 1900.
Например, как кратко было указано выше, несущая линия представляет собой проводящий путь внутри соединительной полосы (см. 1900 на Фиг. 19 и 23-27F), который проводит ток, используемый для нагрева объемной среды, в то время как линия обнаружения представляет собой отдельный проводящий путь, выполненный с возможностью обнаружения неисправностей в несущей линии или соединительной полосе в целом. Линия обнаружения выполнена с возможностью периодического или постоянного переноса тока (переменного или постоянного), используемого для обнаружения неисправностей в несущей линии или соединительной полосе в целом. Ток в линии обнаружения, как правило, меньше тока в несущей линии при нормальных условиях эксплуатации (например, при отсутствии неисправности). Например, линия обнаружения может быть добавлена к соединительной полосе подобно соединительной полосе 1900, показанной на фиг. 19. Линия обнаружения может быть добавлена в тот же слой соединительной полосы, что и несущая линия (например, проводящий путь 1904 на фиг. 19), или в отдельный слой относительно несущей линии.For example, as briefly indicated above, the carrier line is a conductive path within the connecting strip (see 1900 in Fig. 19 and 23-27F) that conducts the current used to heat the bulk medium, while the detection line is a separate conductive path configured to detect faults in the carrier line or the connecting strip as a whole. The detection line is configured to periodically or continuously carry a current (AC or DC) used to detect faults in the carrier line or the connecting strip as a whole. The current in the detection line is typically less than the current in the carrier line under normal operating conditions (e.g., in the absence of a fault). For example, the detection line can be added to the connecting strip similar to the connecting strip 1900 shown in Fig. 19. The detection line can be added to the same layer of the connecting strip as the carrier line (e.g., conductive path 1904 in Fig. 19), or to a separate layer relative to the carrier line.
Датчик тока, который может быть выполнен с возможностью определения изменений в протекании тока в проводе или цепи, может использоваться системой для определения того, что через линию обнаружения проходит больший ток, чем обычно, и, следовательно, определяется расслаивание. В частности, система может выполнять обнаружение расслаивания на основании пороговых значений. Например, в правильно ламинированной линии ток, измеренный на линии обнаружения, будет относительно низким. Однако в (частично) расслоенной линии ток будет выше порогового значения тока. Пороговое значение может быть выбрано для обеспечения возможности обнаружения заданной длины расслаивания (например, 10 см) при сохранении достаточной высоты, чтобы избежать ложных срабатываний во время нормальной работы соединительной полосы 3900А или 3900В.A current sensor, which can be configured to detect changes in the current flow in a wire or circuit, can be used by the system to determine that a higher current than usual is flowing through the detection line and, therefore, delamination is detected. In particular, the system can perform delamination detection based on threshold values. For example, in a properly laminated line, the current measured on the detection line will be relatively low. However, in a (partially) delaminated line, the current will be higher than the current threshold value. The threshold value can be selected to ensure the ability to detect a given delamination length (e.g. 10 cm) while maintaining a sufficient height to avoid false alarms during normal operation of the 3900A or 3900B connecting strip.
Дополнительно или альтернативно в системе может использоваться двухпортовый схемный датчик-анализатор, в котором первый порт с опорным заземлением подключен к несущей линии, а второй порт с опорным заземлением подключен к линии обнаружения. Такой схемный датчик-анализатор может быть выполнен с возможностью количественной оценки связи между линией обнаружения и несущей линией путем измерения S-параметров (например, параметра S21) двухпортовой схемы датчика на одной или более выбранных частотах. Затем, если параметр S21 выше заданного порогового значения, может быть обнаружено расслаивание.Additionally or alternatively, a two-port network sensor-analyzer may be used in the system, in which the first port with a reference ground is connected to the carrier line, and the second port with a reference ground is connected to the detection line. Such a network sensor-analyzer may be configured to quantitatively evaluate the coupling between the detection line and the carrier line by measuring S-parameters (for example, the S21 parameter) of the two-port sensor network at one or more selected frequencies. Then, if the S21 parameter is above a specified threshold, delamination may be detected.
В некоторых вариантах реализации система нагрева может включать в себя любой из множества самоизменяющихся компонентов, которые могут способствовать обнаружению неисправностей системы, включая расслаивание. В частности, соединительная полоса 1900 может быть сконструирована таким образом, чтобы в конкретном режиме отказа переходить в легко обнаруживаемую конфигурацию отказа. Соединительная полоса 1900 может быть сконструирована таким образом, чтобы это происходило достаточно рано, чтобы обеспечить возможность быстрого обнаружения до того, как возникнут какие-либо нежелательные последствия отказа, например, для объемной среды 1902.In some embodiments, the heating system may include any of a plurality of self-changing components that may facilitate detection of system failures, including delamination. In particular, the connecting strip 1900 may be designed in such a way that in a particular failure mode it changes to an easily detectable failure configuration. The connecting strip 1900 may be designed in such a way that this occurs early enough to allow rapid detection before any undesirable consequences of the failure occur, for example, for the bulk medium 1902.
В качестве одного примера, диэлектрический разделитель между проводящим слоем 1904 и проводящим экранирующим слоем 1906 может быть изготовлен из такого одного или более заранее определенных материалов, чтобы происходило изменение геометрической формы диэлектрического разделителя и чтобы он терял изоляционные свойства, когда он начинает плавиться после того, как его температура превышает пороговую температуру, например, когда тепло аккумулируется на соединительной полосе 1900, локально на секции соединительной полосы 1900, отслоившейся от объемной среды 1902, из-за отслаивания секции соединительной полосы, подающей сигналы нагрева в свой собственный проводящий экранирующий слой (вместо объемной среды) и, таким образом, самонагревающей эту отсоединенную секцию соединительной полосы. Изменение, например, вследствие электрического замыкания, диэлектрического разделителя между проводящим слоем 1904 и проводящим экранирующим слоем 1906 приводит к резкому изменению характеристик и входного импеданса соединительной полосы, на основании которого можно легко обнаружить любое расслоение, например, с помощью датчика тока или датчика импеданса. Например, резкое изменение импеданса может представлять собой увеличение или уменьшение импеданса соединительной полосы на один или более порядков по сравнению с импедансом соединительной полосы во время нормальной (без неисправностей) работы.As one example, the dielectric separator between the conductive layer 1904 and the conductive shielding layer 1906 can be made of one or more predetermined materials such that the geometric shape of the dielectric separator changes and that it loses its insulating properties when it begins to melt after its temperature exceeds a threshold temperature, for example, when heat accumulates on the connecting strip 1900, locally on a section of the connecting strip 1900 that has peeled off from the bulk medium 1902, due to the peeling off of the section of the connecting strip, supplying heating signals to its own conductive shielding layer (instead of the bulk medium) and, thus, self-heating this detached section of the connecting strip. A change, for example due to an electrical short, of the dielectric separator between the conductive layer 1904 and the conductive shielding layer 1906 results in a sharp change in the characteristics and input impedance of the connecting strip, based on which any delamination can be easily detected, for example, using a current sensor or an impedance sensor. For example, a sharp change in impedance can be an increase or decrease in the impedance of the connecting strip by one or more orders of magnitude compared to the impedance of the connecting strip during normal (without faults) operation.
Например, в случае устранения обледенения с наружной поверхности самолета, поскольку система нагрева обычно работает в диапазоне температур от 50°C до 60°C, пороговая температура может быть установлена на значение, которое превышает верхний предел нормального диапазона и значительно ниже опасной температуры (например, температуры воспламенения топливного бака), например, на уровне 130°C. В этом примере материалы на основе полисульфидов являются примерами материалов, подходящих для использования при изготовлении диэлектрического разделителя.For example, in the case of deicing the exterior surface of an aircraft, since the heating system typically operates in the temperature range of 50°C to 60°C, the threshold temperature may be set to a value that is above the upper limit of the normal range and well below the dangerous temperature (e.g., the ignition temperature of a fuel tank), such as 130°C. In this example, polysulfide-based materials are examples of materials suitable for use in the manufacture of a dielectric separator.
В качестве еще одного примера, проводящий слой 1904 может быть изготовлен из такого одного или более заранее определенных материалов, чтобы проводящий слой 1904 терял свою электропроводность по мере повышения температуры, например, разлагался до разомкнутого состояния, тем самым обеспечивая непосредственное обнаружение расслоения. В этом примере медь, алюминий и сплавы являются подходящими материалами для использования при изготовлении проводящего слоя.As another example, the conductive layer 1904 can be made of one or more predetermined materials such that the conductive layer 1904 loses its electrical conductivity as the temperature increases, for example, decomposes to an open state, thereby providing direct detection of delamination. In this example, copper, aluminum and alloys are suitable materials for use in making the conductive layer.
В качестве еще одного примера, нижний диэлектрический слой может быть изготовлен из одного или более заранее определенных материалов, диэлектрическая постоянная которых может значительно изменяться в зависимости от температуры, что приводит к обнаруживаемым изменениям импеданса, которые можно использовать для определения неисправности или для обеспечения возможности точных измерений температуры с помощью измерений импеданса. В этом примере акриловые адгезивы, кремниевые адгезивы, этиленвинилацетатные адгезивы, полисульфидные герметики, полиуретановые герметики, майлар, ПТФЭ, ФЭП и каптон являются подходящими материалами для использования при изготовлении нижнего слоя.As another example, the lower dielectric layer can be made of one or more predetermined materials whose permittivity can vary significantly with temperature, resulting in detectable changes in impedance that can be used to determine a fault or to enable accurate temperature measurements using impedance measurements. In this example, acrylic adhesives, silicone adhesives, ethylene vinyl acetate adhesives, polysulfide sealants, polyurethane sealants, Mylar, PTFE, FEP and Kapton are suitable materials for use in making the lower layer.
В некоторых вариантах реализации проводящий слой 1904 может быть сконструирован таким образом, чтобы быть менее чувствительным к определенным аспектам системы по сравнению с другими аспектами. Например, проводящий слой 1904 может быть сконструирован таким образом, чтобы импеданс, площадь поперечного сечения, либо и то и другое для проводящего слоя 1904 оставались относительно независимыми от температуры. Таким образом, любая неисправность в системе, такая как расслоение, которая вызывает значительное изменение импеданса, будет легко отличимой от нормальных рабочих отклонений системы.In some embodiments, the conductive layer 1904 may be designed to be less sensitive to certain aspects of the system compared to other aspects. For example, the conductive layer 1904 may be designed to be relatively temperature-independent in terms of the impedance, cross-sectional area, or both for the conductive layer 1904. Thus, any fault in the system, such as delamination, which causes a significant change in impedance, will be easily distinguishable from normal operating variations of the system.
В частности, для достижения требуемой чувствительности проводящего слоя 1904 в этих вариантах реализации могут быть рассмотрены различные конструкционные материалы, различные связующие материалы и связанные с ними способы соединения, различная геометрическая конструкция, например, различные размеры поперечного сечения, или различные конфигурации оконечной нагрузки. Например, адгезивы на водной основе характеризуются резкими изменениями импеданса около 0°C, в то время как адгезивы на спиртовой основе, такие как этиленвинилацетат (ЭВА), характеризуются более последовательными или стабильными изменениями импеданса. Эпоксидная смола также имеет относительно стабильные диэлектрические свойства.In particular, in order to achieve the desired sensitivity of the conductive layer 1904 in these embodiments, different construction materials, different adhesive materials and associated connection methods, different geometric design, such as different cross-sectional dimensions, or different termination configurations may be considered. For example, water-based adhesives are characterized by abrupt changes in impedance near 0 ° C, while alcohol-based adhesives, such as ethylene vinyl acetate (EVA), are characterized by more consistent or stable changes in impedance. Epoxy resin also has relatively stable dielectric properties.
- Анализ в частотной области для обнаружения механических изменений объемной среды- Frequency domain analysis to detect mechanical changes in a volumetric environment
Изменения импеданса также можно использовать для обнаружения механических изменений (например, вмятин или трещин) обшивки летательного аппарата или другой объемной среды. Например, изменения импеданса могут быть обнаружены после ударов по конструкции как на соединительных полосах, так и вне их. Это было продемонстрировано с помощью установки для испытания на удар. Индентор массой 1,2 кг был сброшен на панель с высоты 2,8 м. Он был выбран таким образом, чтобы образовать 4 мм вмятину на расстоянии 25 мм от ближайшего крепежного элемента, прикрепляющего обшивку летательного аппарата к конструктивному элементу, например, нервюре крыла. Наблюдаемые изменения были достаточно незначительными, чтобы они не приводили к неисправности системы, но достаточно большими, чтобы их можно было обнаружить.Impedance changes can also be used to detect mechanical changes (e.g. dents or cracks) in the aircraft skin or other bulk medium. For example, impedance changes can be detected after impacts to the structure both on and off the connecting strips. This was demonstrated using an impact test rig. A 1.2 kg indenter was dropped onto the panel from a height of 2.8 m. It was chosen to produce a 4 mm dent 25 mm from the nearest fastener attaching the aircraft skin to a structural member, such as a wing rib. The observed changes were small enough that they did not cause a system failure, but large enough to be detected.
На фиг. 35В показана нормализованная активная составляющая импеданса непосредственно до и после удара. Выражения «ближний концевой обтекатель», «ближний соединитель» и «посередине» обозначают удары по соединительной полосе в указанном месте. Выражения «в промежутке» и «далеко» указывают на удары между двумя ответвлениями соединительной полосы и на удалении (~18 см) от ближайшей соединительной полосы. Как показано на фигуре, после удара виден скачок импеданса.Fig. 35B shows the normalized active component of the impedance immediately before and after the impact. The expressions "near end fairing", "near connector" and "in the middle" indicate impacts on the connector strip at the indicated location. The expressions "in between" and "far" indicate impacts between the two branches of the connector strip and at a distance (~18 cm) from the nearest connector strip. As shown in the figure, a jump in impedance is visible after the impact.
Как показано на фиг. 35В, после удара наблюдается относительно небольшой скачок (~5%) импеданса. Он может быть обнаружен как при ударах о соединительную полосу, так и вне ее. Поскольку изменение импеданса распознается даже при ударе вдали от соединительной полосы, его можно использовать для обнаружения ударов, в том числе, когда они происходят между линиями. Поскольку в нашей системе линии будут охватывать большую часть поверхности летательного аппарата, их можно использовать для мониторинга конструкции и обнаружения механических изменений (например, вмятин или трещин).As shown in Fig. 35B, a relatively small jump (~5%) in impedance is observed after the impact. It can be detected both for impacts on and off the connecting strip. Since the impedance change is detectable even for impacts away from the connecting strip, it can be used to detect impacts, including when they occur between lines. Since the lines in our system will cover a large part of the aircraft surface, they can be used to monitor the structure and detect mechanical changes (e.g., dents or cracks).
- Анализ в частотной области для обнаружения неисправности кабеля- Frequency domain analysis for cable fault detection
В некоторых вариантах реализации графики анализа в частотной области можно использовать для обнаружения любых неисправностей кабелей, которые могут присутствовать в системе 100 нагрева, например, расслоения соединительной полосы 1900; а также можно использовать для обнаружения механических изменений (например, вмятин или трещин) обшивки летательного аппарата или другой объемной среды. В частности, можно использовать передовые технологии анализа графов, включая технологии преобразования графика (например, преобразование Фурье) и технологии машинного обучения (например, нейронные сети), для извлечения, из графиков частотного отклика или данных, полученных из графиков частотного отклика, или из них обоих, признаков или характеристик, на основании которых могут быть обнаружены факты неисправностей кабеля или механических изменений объемной среды. В целом, различные признаки или характеристики могут указывать на различные типы повреждений кабелей и механических изменений объемной среды.In some embodiments, frequency domain analysis graphs can be used to detect any cable faults that may be present in the heating system 100, such as delamination of the connecting strip 1900; and can also be used to detect mechanical changes (such as dents or cracks) in the aircraft skin or other volumetric medium. In particular, advanced graph analysis technologies can be used, including graph transformation technologies (such as the Fourier transform) and machine learning technologies (such as neural networks), to extract, from the frequency response graphs or data obtained from the frequency response graphs, or from both, features or characteristics based on which facts of cable faults or mechanical changes in the volumetric medium can be detected. In general, different features or characteristics can indicate different types of cable faults and mechanical changes in the volumetric medium.
Например, признаки или характеристики могут включать минимальные или максимальные значения сопротивления или коэффициента тета, а также связанное с ними значение частоты, с которым связаны эти минимальные или максимальные значения. В качестве еще одного примера, признаки или характеристики могут включать информацию о модели резонансных пиков, включая, например, доминантность резонансных пиков, расстояние между пиками и согласованность разноса частот от пика к пику.For example, the features or characteristics may include minimum or maximum values of resistance or theta, as well as the associated frequency value with which these minimum or maximum values are associated. As another example, the features or characteristics may include information about the pattern of resonant peaks, including, for example, the dominance of resonant peaks, the distance between peaks, and the consistency of the frequency spacing from peak to peak.
На фиг. 43 изображены графики частотных откликов работоспособной соединительной полосы (например, неповрежденной соединительной полосы) и неисправной соединительной полосы, установленной на объемную среду. В этом примере, в качестве конкретного типа неисправности кабеля может быть обнаружено расслоение на основании определения того, происходит ли однообразное уменьшение или увеличение соответствующих значений резонансных пиков, например, резонансного пика 4310, в заданном диапазоне частот. Как изображено на графике 4300, значения резонансных пиков для работоспособной соединительной полосы однообразно уменьшаются. Однако, как изображено на графике 4350, для неработоспособной (например, расслоенной) соединительной полосы значения резонансных пиков могут сначала уменьшаться, затем увеличиваться, а затем снова уменьшаться.Fig. 43 shows graphs of frequency responses of a functional coupling strip (for example, an undamaged coupling strip) and a faulty coupling strip installed on a bulk medium. In this example, delamination can be detected as a specific type of cable fault based on determining whether a uniform decrease or increase in corresponding values of resonant peaks, for example, resonant peak 4310, occurs in a given frequency range. As shown in graph 4300, the values of the resonant peaks for a functional coupling strip decrease uniformly. However, as shown in graph 4350, for a non-functional (for example, delaminated) coupling strip, the values of the resonant peaks can first decrease, then increase, and then decrease again.
В некоторых вариантах реализации неисправность, такую как короткое замыкание цепи, разомкнутая цепь или расслоение кабеля (например, соединительной полосы), можно обнаружить путем сравнения измеренного импеданса в зависимости от частоты конкретного кабеля с данными, указывающими ожидаемую модель импеданса в зависимости от частоты для неповрежденного (например, работоспособного) кабеля. Например, анализатор спектра или устройство для осуществления рефлектометрии во временной области могут быть использованы для измерения модели импеданса в зависимости от частотной или временной области для конкретного кабеля. Измеренную модель импеданса в зависимости от частотной или временной области можно сравнить с ожидаемой моделью импеданса в зависимости от частотной или временной области для аналогичного кабеля, не имеющего неисправностей (как, например, изображено на графике 4350). В примере частотной области для идентификации неисправности(-ей) в кабеле можно использовать изменения признаков или характеристик модели резонансных пиков измеренной модели импеданса в зависимости от частоты по сравнению с ожидаемой моделью импеданса в зависимости от частоты.In some embodiments, a fault such as a short circuit, an open circuit, or a delamination of a cable (e.g., a patch strip) can be detected by comparing a measured impedance versus frequency of a particular cable with data indicating an expected impedance versus frequency pattern for an undamaged (e.g., healthy) cable. For example, a spectrum analyzer or a time domain reflectometry device can be used to measure an impedance pattern versus frequency or time domain for a particular cable. The measured impedance pattern versus frequency or time domain can be compared with an expected impedance pattern versus frequency or time domain for a similar cable that does not have the fault (as shown, for example, in graph 4350). In the frequency domain example, changes in features or characteristics of the resonant peak pattern of the measured impedance pattern versus frequency compared to the expected impedance pattern versus frequency can be used to identify fault(s) in the cable.
- Применение рефлектометрии во временной области для обнаружения механических изменений объемной среды- Application of time domain reflectometry to detect mechanical changes in a volumetric medium
Поскольку вмятины и другие механические изменения объемной среды представляют собой локализованную деформацию объемной среды, они могут привести к локализованному изменению характеристического импеданса линий передачи, установленных на объемной среде. Таким образом, рефлектометрия во временной области хорошо подходит для обнаружения и локализации механических изменений на объемной среде.Since indentations and other mechanical changes in the bulk medium represent localized deformation of the bulk medium, they can lead to a localized change in the characteristic impedance of transmission lines mounted on the bulk medium. Thus, time domain reflectometry is well suited for detecting and localizing mechanical changes in the bulk medium.
Фиг. 36 иллюстрирует примеры рефлектометрии во временной области на двух различных конструкциях соединительной полосы. Красные линии обозначают панель для испытания на вмятины, а синие линии обозначают основную панель. Благодаря рефлектометрии во временной области видны резкие изменения импеданса вдоль соединительной полосы с вмятиной, которые проявляются как колебания импеданса вокруг его обычного значения для панели без вмятины. С помощью этой информации можно дополнительно локализовать вмятины в конкретных областях кабеля. Таким образом, можно определить положение повреждения нижележащей структуры. Эти данные может быть сложно получить, используя только частотный отклик, поскольку средний характеристический импеданс вдоль длины соединительной полосы приблизительно одинаков. Тем не менее, рефлектометрия во временной области позволяет нам найти локализованные разрывы.Fig. 36 shows examples of time domain reflectometry on two different designs of a connection strip. The red lines represent the dent test panel and the blue lines represent the base panel. Time domain reflectometry reveals abrupt changes in impedance along the dented connection strip, which appear as impedance fluctuations around its normal value for the undented panel. With this information, it is possible to further localize the dents to specific areas of the cable. In this way, the location of the fault in the underlying structure can be determined. This information can be difficult to obtain using only the frequency response, since the average characteristic impedance along the length of the connection strip is approximately the same. However, time domain reflectometry allows us to find localized discontinuities.
В одном варианте осуществления системы нагрева измерения рефлектометрии во временной области, выполненные на соединительных полосах, покрывающих объемную среду, в сочетании с анализом полученных данных (например, с использованием передовых способов, перечисленных выше), можно использовать для картирования состояния обшивки объемной среды, состояния конструктивных элементов и работоспособности. Их можно использовать либо в качестве инструмента для диагностики при техническом обслуживании и ремонте, либо в качестве инструмента мониторинга в режиме реального времени.In one embodiment of the heating system, time domain reflectometry measurements made on the connecting strips covering the volumetric medium, in combination with the analysis of the obtained data (e.g., using the advanced methods listed above), can be used to map the condition of the skin of the volumetric medium, the condition of the structural components and the operability. They can be used either as a diagnostic tool for maintenance and repair, or as a real-time monitoring tool.
В вариантах реализации электрической противообледенительной системы с использованием соединительных полос для нагрева объемной среды на множество соединительных полос питание подают от одного и того же высокочастотного источника. Этот вариант реализации может включать в себя дополнительную кабельную разводку, чтобы источник питания переменного тока физически находился на удалении от рассматриваемых соединительных полос. В этих вариантах реализации все же возможно обнаружение неисправностей и оценка устранения обледенения, как описано выше. По существу, одна система мониторинга в источнике переменного тока способна контролировать производительность всех прикрепленных соединительных полос. Однако еще в одном варианте осуществления на входе каждой соединительной полосы могут быть размещены дополнительные средства мониторинга. Каждую соединительную полосу можно рассматривать как параллельный элемент с дополнительными кабельными соединениями, используемыми в качестве последовательных элементов в схеме. Эта схема также будет определяться геометрическими параметрами и параметрами материала ее конструкции.In embodiments of an electric anti-icing system using connecting strips for heating a volumetric medium, a plurality of connecting strips are powered by the same high-frequency source. This embodiment may include additional cabling so that the AC power source is physically located remotely from the connecting strips in question. In these embodiments, fault detection and de-icing assessment are still possible, as described above. In essence, a single monitoring system in the AC source is capable of monitoring the performance of all attached connecting strips. However, in another embodiment, additional monitoring means may be placed at the input of each connecting strip. Each connecting strip may be considered as a parallel element with additional cable connections used as series elements in the circuit. This circuit will also be determined by the geometrical parameters and material parameters of its construction.
В некоторых вариантах реализации множество источников переменного тока можно объединить для подачи питания на одну или более соединительных полос, как описано выше. Таким же образом, как указано выше, это позволит одной подсистеме контроллера обнаруживать неисправности среди одного или более источников переменного тока и одной или более соединительных полос. Однако также можно обеспечить отдельные средства мониторинга для каждого источника переменного тока, что позволит изолировать источник неисправности до одного элемента системы. В этом варианте реализации можно было бы установить избыточные источники переменного тока, чтобы система обнаружения неисправностей была способна приводить избыточные элементы в действие для компенсации неисправности при одновременном завершении устранения обледенения.In some embodiments, multiple AC sources may be combined to supply power to one or more tie strips, as described above. In the same manner as described above, this will allow one controller subsystem to detect faults among one or more AC sources and one or more tie strips. However, it is also possible to provide separate monitoring means for each AC source, which will allow the source of the fault to be isolated to one element of the system. In this embodiment, redundant AC sources could be installed so that the fault detection system is able to activate the redundant elements to compensate for the fault while simultaneously completing de-icing.
Некоторые варианты реализации электрической противообледенительной системы могут включать в себя распределенную или встроенную схему между источником переменного тока и соединительными полосами. Эта схема может быть пассивной (содержащей только катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы и трансформаторы). С другой стороны, эта схема может быть активной (содержащей транзисторы, логические вентили или другие элементы, например, в случае активных схем регулировки импеданса). В варианте реализации, в котором эта схема активна, она может использоваться для обнаружения неисправностей и оценки устранения обледенения. В вариантах реализации, в которых на несколько соединительных полос питание подают от одного или комбинированного источника переменного тока, распределенная активная схема может изолировать неисправности до одного элемента соединительной полосы за счет развертывания отдельных средств мониторинга для каждого элемента соединительной полосы. Кроме того, если установлены дополнительные избыточные элементы соединительной полосы, распределенная активная схема может подавать питание на другие соединительные полосы, чтобы уменьшить последствия возникновения неисправности в одной соединительной полосе и завершить устранение обледенения. Такая распределенная схема может взаимодействовать с источниками переменного тока или любыми схемами «со стороны питания» либо посредством кабелей или путем использования известных протоколов беспроводной связи, либо путем управления напряжением, током или импедансом системы. Например, в одном варианте реализации в такой распределенной схеме может использоваться электрический или электромеханический переключатель для отключения любых соединительных полос, в которых импеданс выходит за пределы нормального диапазона. Такое отключение может быть обнаружено системой мониторинга в источнике переменного тока, кроме того обеспечивается, чтобы неисправные соединительные полосы не находились под напряжением, для предотвращения возможного большего повреждения системы. Еще в одном варианте реализации энергия может быть подана в области большего обледенения путем координации работы других датчиков (например, датчиков температуры, датчиков обледенения) с такой распределенной схемой.Some embodiments of the electric anti-icing system may include a distributed or integrated circuit between the AC source and the tie strips. This circuit may be passive (containing only inductors, capacitors, resistors and transformers). On the other hand, this circuit may be active (containing transistors, logic gates or other elements, such as in the case of active impedance control circuits). In an embodiment in which this circuit is active, it may be used to detect faults and evaluate de-icing. In embodiments in which multiple tie strips are powered from a single or combined AC source, the distributed active circuit may isolate faults to a single tie strip element by deploying separate monitoring means for each tie strip element. In addition, if additional redundant tie strip elements are installed, the distributed active circuit may supply power to other tie strips to reduce the effects of a fault in one tie strip and complete de-icing. Such a distributed circuit may interact with AC sources or any "power side" circuits either via cables or by using known wireless communication protocols, or by controlling the voltage, current or impedance of the system. For example, in one embodiment, such a distributed circuit may use an electrical or electromechanical switch to disconnect any coupling strips in which the impedance is outside the normal range. Such disconnection may be detected by a monitoring system in the AC source, and it is also ensured that the faulty coupling strips are not energized to prevent possible further damage to the system. In another embodiment, energy may be supplied to areas of greater icing by coordinating the operation of other sensors (e.g., temperature sensors, icing sensors) with such a distributed circuit.
В вариантах реализации настоящего изобретения, в которых множество соединительных полос прикреплены к одной и той же объемной среде, неисправности в близлежащих соединительных полосах можно обнаружить путем передачи сигналов в одну соединительную полосу. Все соединительные полосы, прикрепленные к одной и той же объемной структуре, могут характеризоваться некоторым уровнем электромагнитной связи. Поместив передатчик на отдельную соединительную полосу (например, источник питания переменного тока, схемный анализатор, устройство для осуществления рефлектометрии во временной области и т.д.) и приемник, такой как осциллограф, на отдельную соединительную полосу, можно улавливать индуцированные сигналы. Этот эффект можно использовать для проверки того, что связь находится в пределах ожидаемого диапазона. Если коэффициент связи выходит за пределы ожидаемого диапазона, это может указывать на неисправность. Например, в одном из возможных вариантов реализации, плохое электрическое соединение соединительной полосы с объемной структурой может привести к усилению связи с другими соединительными полосами. Это также приведет к недостаточному нагреву для целей устранения обледенения. При мониторинге индуцированного сигнала в других соединительных полосах эта ошибка может быть обнаружена.In embodiments of the present invention in which a plurality of connecting strips are attached to the same volumetric medium, faults in nearby connecting strips can be detected by transmitting signals to one connecting strip. All connecting strips attached to the same volumetric structure can be characterized by some level of electromagnetic coupling. By placing a transmitter on a separate connecting strip (e.g., an AC power supply, a circuit analyzer, a device for performing time domain reflectometry, etc.) and a receiver, such as an oscilloscope, on a separate connecting strip, it is possible to capture induced signals. This effect can be used to verify that the coupling is within the expected range. If the coupling coefficient is outside the expected range, this may indicate a fault. For example, in one possible embodiment, a poor electrical connection of a connecting strip to a volumetric structure can lead to increased coupling with other connecting strips. This will also lead to insufficient heating for the purpose of removing icing. By monitoring the induced signal in other connecting strips, this error can be detected.
В некоторых вариантах реализации, как аналогичным образом описано выше, графики рефлектометрии во временной области можно использовать для облегчения обнаружения расслоения соединительных полос, например, с использованием технологий анализа графов для анализа определенных признаков, изображенных на графиках рефлектометрии во временной области или иным образом извлеченных из них.In some embodiments, as similarly described above, time domain reflectometry graphs can be used to facilitate detection of tie strip delamination, such as by using graph mining techniques to analyze certain features depicted in or otherwise extracted from the time domain reflectometry graphs.
В дополнение к обнаружению дефектов в соединительных полосах или обнаружению вмятин в объемной среде с использованием технологий, аналогичных описанным выше, для обнаружения присутствия различных загрязнений, таких как вода или лед, на объемной среде, а также для определения типа загрязнений, присутствующих на объемной среде, можно использовать рефлектометрию во временной области или анализ в частотной области.In addition to detecting defects in bonding strips or detecting dents in bulk media using technologies similar to those described above, time domain reflectometry or frequency domain analysis can be used to detect the presence of various contaminants, such as water or ice, on the bulk media and to determine the type of contaminants present on the bulk media.
Следует отметить, что в контексте настоящего документа термин «электрически соединенный» включает случай, когда компоненты соединены друг с другом посредством объекта, имеющего любую электрическую функцию, в отличие от «прямого соединения», при котором два электрических компонента непосредственно соединены друг с другом (например, посредством провода или печатного проводника без каких-либо дополнительных промежуточных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.). Кроме того, ссылки на первый компонент как электрически соединенный с конкретной клеммой второго компонента не предполагают включения электрического пути, проходящего через сам второй компонент. Например, электрическое соединение конденсатора с выводом затвора транзистора может включать случай, когда это электрическое соединение проходит через другие объекты или компоненты, которые имеют электрическую функцию, но не включает случай, когда электрическое соединение проходит через другой вывод (например, исток / сток) самого транзистора к затвору транзистора.It should be noted that, in the context of the present document, the term "electrically connected" includes the case where the components are connected to each other by means of an object having any electrical function, as opposed to a "direct connection" in which two electrical components are directly connected to each other (e.g. by means of a wire or printed conductor without any additional intermediate components such as resistors, capacitors, inductors, etc.). Furthermore, references to a first component as electrically connected to a particular terminal of a second component are not intended to include an electrical path passing through the second component itself. For example, an electrical connection of a capacitor to a gate terminal of a transistor may include the case where this electrical connection passes through other objects or components that have an electrical function, but does not include the case where the electrical connection passes through another terminal (e.g. source/drain) of the transistor itself to the gate of the transistor.
Claims (128)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US63/057,881 | 2020-07-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2844196C1 true RU2844196C1 (en) | 2025-07-28 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120946451A (en) * | 2025-10-14 | 2025-11-14 | 北京石墨烯研究院 | An electric heating assembly and an intake shroud using the same electric heating assembly. |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8746622B2 (en) * | 2010-06-08 | 2014-06-10 | Textron Innovations Inc. | Aircraft de-icing system and method |
| RU2583111C1 (en) * | 2014-12-26 | 2016-05-10 | Акционерное общество Научно-производственное объединение "Опытно-конструкторское бюро имени М.П. Симонова" | Anti-icing system |
| WO2019089434A1 (en) * | 2017-10-30 | 2019-05-09 | Battelle Memorial Institute | Ice protection system and controller |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8746622B2 (en) * | 2010-06-08 | 2014-06-10 | Textron Innovations Inc. | Aircraft de-icing system and method |
| RU2583111C1 (en) * | 2014-12-26 | 2016-05-10 | Акционерное общество Научно-производственное объединение "Опытно-конструкторское бюро имени М.П. Симонова" | Anti-icing system |
| WO2019089434A1 (en) * | 2017-10-30 | 2019-05-09 | Battelle Memorial Institute | Ice protection system and controller |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120946451A (en) * | 2025-10-14 | 2025-11-14 | 北京石墨烯研究院 | An electric heating assembly and an intake shroud using the same electric heating assembly. |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20250282483A1 (en) | De-icing systems and control | |
| JP7640657B2 (en) | De-icing system | |
| Griffiths et al. | The invisible fray: A critical analysis of the use of reflectometry for fray location | |
| US6995572B2 (en) | Sensor and method for detecting a superstrate | |
| JP6290778B2 (en) | Detection and evaluation of damage to composite structures. | |
| KR101549706B1 (en) | Lightning detection method | |
| US20240292494A1 (en) | Heating a bulk medium | |
| RU2844196C1 (en) | Anti-icing systems and control thereof | |
| US9052347B2 (en) | Method of testing the performance of electrical junctions in an aircraft current return network | |
| EP3901636A1 (en) | Prognostic health monitoring for heater | |
| JP7785746B2 (en) | De-icing Systems and Controls | |
| Millet et al. | Aircraft electrical wiring monitoring system | |
| RU2800691C2 (en) | Anti-icing systems | |
| Zhang et al. | Basic Knowledge of EMC and Methods of EMI Control | |
| CN116086716A (en) | High-temperature bleed air leakage detection system for airborne air | |
| Lowndes et al. | Safe electrical wiring interconnection systems (SEWIS) | |
| Heng-Cheng et al. | Fault detection, analysis and prevention of aircraft electrical circuit | |
| BR112021003760B1 (en) | SYSTEM FOR HEATING AN EXTERIOR OF AN AIRCRAFT AND METHOD FOR INSTALLING A SYSTEM FOR HEATING AN EXTERIOR OF AN AIRCRAFT | |
| HK40055023A (en) | De-icing systems | |
| JPH0554913B2 (en) |