民用飛機線型感溫探測器對比研究

朱紅玉

[摘要]本文介紹了國內(nèi)外民用飛機防火系統(tǒng)中常用的三種線型感溫探測器，包括熱敏電阻式探測器、共晶鹽式探測器和氣動式探測器。分別介紹了它們的主要結構和工作原理，并對其性能進行了對比分析。

[關鍵詞]民用飛機；防火系統(tǒng)；火警探測器；火熱探測器

在民航運輸中。飛機的飛行安全至關重要。飛機火災時有發(fā)生，一旦不當就可能釀成機毀人亡的重大事故。2013年1月，日本航空的B787貨艙發(fā)生火情，飛機迫降波士頓機場：2011年1月，俄羅斯西伯利亞一架飛機起飛滑行時發(fā)動機起火引爆油箱，造成3人死亡，43人受傷。據(jù)統(tǒng)計，美國民航飛機墜毀事故中全部死亡人數(shù)的15%是由墜毀后起火燒死的。而在那些撞擊可生存的事故中，燒死的幾乎占40%。因此，飛機的防火措施決不能忽視。

飛機防火系統(tǒng)一般由探測器、滅火裝置、控制系統(tǒng)組成。探測器的性能高低直接決定了能否及時發(fā)現(xiàn)飛機上的火情，影響了整個防火系統(tǒng)的可靠程度。

1飛機防火系統(tǒng)探測器概述

現(xiàn)代飛機（包括軍用飛機和民用飛機）防火系統(tǒng)的探測器種類繁多，包括雙金屬式、熱電偶式、熱敏電阻式、光學式、離子式、氣動式、共晶鹽式、光電式等等，部分探測器的外形如圖1所示。

從外形上，防火系統(tǒng)探測器可分為點式探測器和線型探測器兩大類。雙金屬式探測器和熱電偶式探測器屬于點式探測器，主要在早期的飛機上有所應用，探測范圍較小。光學探測器以高溫火焰的特定光譜為火災特性，具有毫秒級的響應速度，是實現(xiàn)抑爆功能不可或缺的探測器，被F22、F35等戰(zhàn)機所選用。離子式探測器響應速度快。探測范圍也較大，但其虛警率較高，并且故障后無法檢測，因此在民機上幾乎沒有應用。光電式感煙探測器常被用于貨艙、客艙的火災探測。熱敏電阻式探測器、氣動式探測器和共晶鹽式探測器均為線型感溫探測器，探測范圍大，響應速度較快，并且虛警率低，被廣泛應用于現(xiàn)役民機的著火，過熱探測，如發(fā)動機艙著火探測、引氣管路泄漏過熱探測等。本文將對這三種常用的線型感溫探測器的工作原理進行介紹，并進行對比分析。

2三種線型感溫探測器介紹

2.1熱敏電阻探測器

2.1.1主要結構

熱敏電阻探測器由金屬外殼、中心導線和填充在導線與外殼之間的熱敏材料組成。金屬外殼保證了探測線擁有足夠的強度、抗腐蝕性以及耐用性。外殼與中心導線之間填充緊密壓縮的熱敏材料，可以保證在振動或彎曲時中心導線不會移動。導致內(nèi)部短路。探測器中心通常內(nèi)嵌兩根或一根導線。若內(nèi)嵌兩根導線，如圖2（a），則一根導線焊接至探測器的兩端，通過探測器端頭接地，另一根導線焊接至探測器端頭的中心接線柱，熱敏材料與金屬外殼間以硅酸鹽類絕緣材料隔絕。若內(nèi)嵌一根導線，如圖2（b），則中心導線焊接至端頭的中心接線柱，探測線通過外殼接地。

2.1.2工作原理

熱敏電阻探測器可以看成無限個熱敏電阻并聯(lián)在兩個中心導線或中心導線與金屬外殼之間的并聯(lián)電路。熱敏材料有著負溫度指數(shù)，即隨著環(huán)境溫度的升高，探測線阻值會逐漸降低。當阻值降低到告警值時，將觸發(fā)過熱，著火告警信號。熱敏電阻探測器的電阻變化是可逆的。當環(huán)境溫度下降后，探測器電阻也將恢復至正常值，同時解除過熱/著火警報。熱敏電阻探測器的阻值及阻值變化速率均被控制系統(tǒng)監(jiān)控，以便于區(qū)分探測器正常工作時的告警，和短路等故障導致的阻值下降，達到降低虛警率的目的。

由于熱敏電阻材料的特性，系統(tǒng)響應的是探測器內(nèi)所有并聯(lián)電阻的總阻值，因此探測器的告警溫度并非固定值，而與探測器受熱長度有關。探測器受熱長度越長，發(fā)出過熱告警時的環(huán)境溫度就越低，即要讓探測器達到設定的告警阻值，探測器局部受熱的所需溫度高于全長受熱所需溫度。熱敏電阻探測器加熱長度對告警溫度的影響如圖3所示。

在實際使用中，熱敏電阻探測器多于探測飛機艙室的整體過熱情況，比如發(fā)動機艙著火或過熱探測、APU艙著火探測等。當發(fā)動機等發(fā)生著火或過熱時，艙內(nèi)溫度將整體上升，此種情況下，設置的告警溫度一般指探測器的全長加熱告警溫度。對于加熱范圍小，溫度高的情況，熱敏電阻探測器也可響應。

2.2共晶鹽探測器

2.2.1主要結構

共晶鹽探測器與熱敏電阻探測器的結構類似，它由金屬外殼、中心導線和填充在導線與外殼之間的共晶鹽層組成。共晶鹽探測器通常通過外殼接地。中心僅內(nèi)嵌一根導線，其結構如圖4所示。探測器的金屬外殼通常為鎳625，中心導體也是鎳合金材料。中心導線具有在大溫度范圍內(nèi)保持恒定電阻的特性，反復暴露在高于共晶鹽的融化溫度之上的溫度時，其電阻基本不變。

2.2.2工作原理

擠壓填充在中心導體與鎳外殼之間的共晶鹽化合物對溫度十分敏感。共晶鹽層在常溫時為固態(tài)，中心導體與地之間的電阻值非常大（兆歐級），當溫度上升至告警溫度時，共晶鹽層融化，使得中心導線與外殼間的電阻急劇減小，電路接通，控制器給出過熱告警，如圖5所示。

共晶鹽探測器告警時的溫度值與探測器受熱長度無關，幾乎為固定值。因此共晶鹽探測器常用于探測分散的小范圍高溫，如引氣泄漏過熱探測。探測引氣泄漏時，共晶鹽探測器安裝在引氣管道通氣孔的上方，一旦引氣泄漏，只要探測器上任意一點達到告警溫度，便能發(fā)出告警。在引氣泄漏的初始階段，艙內(nèi)整體升溫不明顯，僅引氣管道通氣孔附近出現(xiàn)局部高溫，因此相比熱敏電阻探測器來說，共晶鹽探測器能更加快速、準確地探測引氣泄漏。通過分別測量共晶鹽探測器兩端回路的阻值之比，控制系統(tǒng)可以計算出高溫點的具體位置，準確告知維修人員引氣泄漏點的位置，節(jié)省排故時間。

2.3氣動式探測器

2.3.1主要結構

氣動式探測器的主要結構如圖6所示，可以分為傳感器和響應器兩部分。傳感器即線型探測管道，由探測器外殼、金屬核心以及填充在金屬核心和外殼之間的氦氣組成。金屬核心由鈦系氫化物制成，在高溫下可快速釋放氫氣：當溫度降低時，又可將氫氣重新貯藏。

響應器中有兩個開關：告警開關和完整性開關，開關的主要部件為金屬膜片和接觸針。兩個開關均被密封在不銹鋼外殼內(nèi)，位于探測管道的一端，外殼與接觸針之間用陶瓷絕緣體隔離。氣動式探測器的密封外殼防止了液體、濕氣、鹽沫、沙塵及其他污染物的進入，即使完全浸沒在水中也可以正常工作。

2.3.2工作原理

當氣動式探測器周圍的環(huán)境溫度上升時，首先，填充在探測管道內(nèi)的氦氣受熱膨脹，氣壓逐漸升高。當溫度繼續(xù)上升到某個設定值時，探測管道中的金屬核心以極高的速率釋放氫氣，導致探測管道中氣壓快速升高。達到告警壓力后，推動金屬膜觸碰接觸針，接通告警開關，發(fā)出告警信號。當熱源移除之后，氫氣被重新吸入金屬核心內(nèi)，氦氣受冷收縮，探測管道中氣壓降低，金屬膜片與接觸針分開，電路斷開，警報消除。

氣動式探測器有任何破損均會導致氣壓損失，喪失探測功能。對此，氣動式探測器配有完整性開關，用于檢測探測器故障。正常情況下，完整性開關的壓力低于探測管道內(nèi)氦氣的氣壓，開關保持閉合狀態(tài)。若探測器損壞，探測管道內(nèi)氣壓降低后，金屬膜片將彈離接觸針。斷開電流通路。氣動式探測器工作原理如圖7所示。

探測器全長受熱及局部受熱情況下壓力上升趨勢如圖8所示。對于受熱長度長，溫度較低的“過熱”探測，一般僅靠探測器內(nèi)填充的氦氣膨脹來達到告警壓力。對于局部受熱，但溫度較高的“著火”探測來說，主要靠金屬核心釋放氫氣來使壓力上升。由于氣動式探測器在“過熱”和“著火”情況下的加壓方式不同，因此可以通過調節(jié)填充氦氣的量和改變金屬核心材料來靈活選定“過熱”告警溫度和“著火”告警溫度。

3三種探測器對比分析

上文介紹的三種線型感溫探測器均被廣泛應用于民用飛機上，包括波音公司和空客公司現(xiàn)役的各型號飛機，有著豐富的服役經(jīng)歷，其告警響應時間、工作溫度范圍、可靠性等性能滿足TSO-C11e、DO-160及一般民用飛機的設計要求。

三種探測器由于原理不同，在探測性能方面各有特點。共晶鹽探測器在告警溫度下阻值急劇下降的特性，決定了它更適合對分散的小范圍過熱/著火源進行探測，如引氣泄漏過熱探測。氣動式探測器和熱敏電阻探測器一般用于探測區(qū)域升溫，如發(fā)動機艙過熱/著火探測等，但二者對范圍小溫度高的“著火”情況也可響應。氣動式探測器可靈活選定“過熱”告警溫度和“著火”告警溫度，而熱敏電阻探測器的熱敏材料選定后，在指定告警阻值下，加熱長度和告警溫度之間的關系便已固定，無法根據(jù)需要調整。

在安裝方面，三種探測器均為線式安裝，需要支架和卡箍等固定。氣動式探測器僅需將響應器所在端連接至控制器，而熱敏電阻探測器連接，因此氣動式探測器所需電纜量更少。

在控制系統(tǒng)復雜度方面，氣動式探測器輸出為開關量信號或固定阻值，利于控制單元采樣，并且設有完整性開關。在故障檢測上更為簡便直接，因此對控制系統(tǒng)的要求較低，有利于降低系統(tǒng)成本。

此外，氣動式探測器采用機械觸電式工作原理，相對于其他線型探測器來說，有著抗電磁干擾能力強，誤告警率低，功耗低的優(yōu)點。在減少誤告警以及探測靈敏度方面也比熱敏電阻探測器更好。但氣動式探測器重量略重，而且有時也會受到振動、噪音等干擾。

三種線型感溫探測器各有優(yōu)點與不足，在實際設計中，應根據(jù)不同探測區(qū)域的特點和要求，如熱源類型、工作環(huán)境、溫度分布情況，并結合飛機和系統(tǒng)的總體設計方案選取合適的探測器類型。

4小結

本文介紹了當前民用飛機防火系統(tǒng)常用的三種線型感溫探測器：熱敏電阻探測器、共晶鹽探測器和氣動式探測器，并對三者的性能進行了對比分析。盡管線型感溫探測器在民用航空領域已是被廣泛使用的成熟產(chǎn)品，但仍有部分不足待開發(fā)和改進。比如在火災初期，煙氣溫度無法在短時間內(nèi)使探測器達到告警溫度，因此告警具有一定的滯后性。此外。進一步降低誤告警率，提高對惡劣環(huán)境的適應性，降低重量等。也是民用飛機火警/過熱探測器的研究方向。

[責任編輯：楊玉潔]