(57)【要約】本発明は、航空機用火山灰検知技術並びにその関連検知装置及び方法に関する。航空機用の火山灰検知器が記載される。この検知器は、導電性灰電荷収集デバイスと、前記収集デバイスを空気ダクト内に取り付ける電気的に絶縁された支持体と、前記灰電荷収集デバイスに電気的に結合された入力を有する電荷測定システムとを含み、前記導電性灰電荷収集デバイスは、前記灰電荷収集デバイスにわたる空気流が乱流となるように構成され、かつ、前記電荷測定システムは、前記灰電荷収集デバイスにおける電荷のレベルを決定することにより前記空気流における火山灰の存在を決定するべく構成される。
2014521966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機用の火山灰検知器であって、
導電性灰電荷収集デバイスと、
前記収集デバイスを空気ダクト内に取り付ける電気的に絶縁された支持体と、
前記灰電荷収集デバイスに電気的に結合された入力を有する電荷測定システムと
を含み、
前記電荷測定システムは、前記灰電荷収集デバイスにおける電荷のレベルを決定することにより前記空気流における火山灰の存在を決定するべく構成される火山灰検知器。
【請求項２】
前記導電性灰電荷収集デバイスは、前記灰電荷収集デバイスにわたる空気流が乱流となるように構成される、請求項１に記載の火山灰検知器。
【請求項３】
前記灰電荷収集デバイスの表面は、複数のリブ、段及び／又は開口を有する、請求項１又は２に記載の火山灰検知器。
【請求項４】
前記灰電荷収集デバイスは一般に円錐状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の火山灰検知器。
【請求項５】
前記空気流において前記灰電荷収集デバイスの上流に取り付けられる灰帯電用電極と、
前記灰に電荷を付与する電圧を前記帯電用電極に適用するべく前記灰帯電用電極に結合された粒子帯電電力供給部と
をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の火山灰検知器。
【請求項６】
前記電荷測定システムは、前記灰の帯電能力に依存するデータを決定することにより前記空気流における火山灰の存在を決定するべく構成される、請求項５に記載の火山灰検知器。
【請求項７】
前記粒子帯電電力供給部は、正電圧及び負電圧を前記帯電用電極に供給することにより前記帯電能力を決定するべく構成される、請求項６に記載の火山灰検知器。
【請求項８】
前記空気流において前記灰電荷収集デバイスの上流に取り付けられる一対の帯電粒子偏向電極と、
前記空気流において灰粒子を偏向させるべく前記一対の電極にわたる電界を適用する粒子偏向電力供給部と
をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の火山灰検知器。
【請求項９】
前記粒子偏向電力供給部は、前記一対の帯電粒子偏向電極にわたる極性変化電界を適用するべく構成され、
前記電荷測定システムは、前記変化電界に起因する前記灰電荷収集デバイスにおける変動電荷に対応することにより前記空気流における火山灰の存在を決定する、請求項８に記載の火山灰検知器。
【請求項１０】
前記導電性灰電荷収集デバイスは、一対の別個の隣り合った収集電極をさらに含み、
前記電荷測定システムは、前記一対の収集電極における前記電荷のレベルの差分を決定することにより前記空気流における火山灰の存在を決定するべく構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載の火山灰検知器。
【請求項１１】
前記電荷測定システムは、前記一対の収集電極における前記電荷のレベルの差分の変動を決定することにより前記空気流における火山灰の存在を決定するべく構成される、請求項９に従属する場合の請求項１０に記載の火山灰検知器。
【請求項１２】
前記電荷測定システムは、前記空気流における液体ミストの存在を決定するべくさらに構成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の火山灰検知器。
【請求項１３】
航空機用の液体ミスト検知システムであって、
それぞれが請求項１から１２のいずれか一項に記載の火山灰検知器である一対の火山灰検知器と、
前記検知器のそれぞれの電荷測定システムからの出力を対比することにより前記空気流における液体ミストの存在を特定する手段と
を含む液体ミスト検知システム。
【請求項１４】
固体又は液体微粒子の検知器であって、
導電性の固体又は液体微粒子電荷収集デバイスと、
前記微粒子電荷収集デバイスを空気ダクト内に取り付ける電気的に絶縁された支持体と、
前記微粒子電荷収集デバイスに電気的に結合された入力を有する電荷測定システムと
を含み、
前記導電性微粒子電荷収集デバイスは、前記微粒子電荷収集デバイスにわたる空気流が乱流となるように構成され、
前記電荷測定システムは、前記固体又は液体微粒子電荷収集デバイスにおける電荷のレベルを決定することにより前記空気流における固体又は液体微粒子の存在を決定するべく構成される検知器。
【請求項１５】
空気流における火山灰微粒子及び／又は液体粒子を検知する方法であって、
導電性電荷収集デバイスにおいて前記微粒子を捕捉することと、
前記電荷収集デバイスにおける電荷に対応して前記微粒子を検知することと
を含み、
前記捕捉することは、前記空気流に擾乱を発生させることにより、前記電荷収集デバイスに付着する微粒子の比率を増加させることを含む方法。
【請求項１６】
前記捕捉することの前に所定レベルの電荷を前記微粒子に適用することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記捕捉することの前に極性変化電界により前記微粒子を偏向することを含む、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記電荷収集デバイスは、前記空気流内の異なる横断位置に一対の電極を含み、
前記検知することは、前記一対の電極における差分電荷を検知することを含む、請求項１５、１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記検知することは、ｉ）前記微粒子の帯電能力、ｉｉ）前記微粒子の平均質量、及びｉｉｉ）前記微粒子の電荷質量比の一以上の見積もりを決定することをさらに含む、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
液体微粒子と火山灰微粒子とを弁別することをさらに含む、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
空気流における火山灰微粒子及び／又は液体粒子を検知する検知器であって、
導電性電荷収集デバイスにおいて前記粒子を捕捉する手段と、
前記電荷収集デバイスにおける電荷に対応して前記微粒子を検知する手段と、
前記空気流に擾乱を発生させることにより、前記電荷収集デバイスに付着する微粒子の比率を増加させる手段、前記捕捉することの前に所定レベルの電荷を前記微粒子に適用する手段、前記捕捉することの前に極性変化電界により前記微粒子を偏向する手段、前記空気流内の異なる横断位置に一対の電極を含む前記電荷収集デバイスであって、前記検知する手段が前記一対の電極における差分電荷を検知するべく構成された前記電荷収集デバイス、ｉ）前記微粒子の帯電能力、ｉｉ）前記微粒子の平均質量、及びｉｉｉ）前記微粒子の電荷質量比の一以上の見積もりを決定する手段、並びに前記液体微粒子と前記火山灰微粒子とを弁別する手段の一以上と
を含む検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機用火山灰検知技術並びにその関連検知装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２０１０年４月のエイヤフィヤトラヨークトルの噴火危機は、ヨーロッパにおけるかなりの経済的損失、ビジネス破綻、及び世界経済不確実性の一層の悪化をもたらした。この危機の間に明らかだったことは、我々の態勢レベルが整っていないこと、及び、際立つことに、我々が火山活動中に飛行することのリスクを確実に評価できないことであった。
【０００３】
様々な気象庁及び航空安全庁が発行する現行火山灰観測の方法及びデータは、空中火山灰の質量濃度の確実な測定値、すなわち航空会社、航空機製造業者及び航空機エンジン製造業者にとって重要な情報を与えない。この濃度値は目下のところ、飛行が安全か否かについて飛行観測に基づき文書化された予報値にすぎないからである。
【０００４】
ＬＩＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）、ＩＲ（赤外線）カメラ及び衛星観測のような遠隔検知技術は、主に表面感受性の技術であって、灰雲の単位面積当たりの質量を見積もる。遠隔検知によっては、個々の航空機はモニタリングをすることができず、吸い込まれた微粒子に対する累積エンジン暴露の測定をすることもできない。累積エンジン暴露は、エンジンのメンテナンスの決定にとって重要な考慮対象である。
【０００５】
レーザ粒子計数器は、以下に提案される検知器の一代替案である。しかしながら、その検出方法は、光に基づくので、塵及び灰に対する暴露によって検知器性能が経時的に劣化する。加えて、光に基づくシステムは、典型的に脆弱であって振動及び温度変動の影響を受けやすいので、その寿命及び信頼性は、抽気ダクトが受ける温度のような高温に曝されると低下する。
【０００６】
火山灰の検知は、粒径が、例えば３μｍ未満のように一般に小さいので、特別な問題が存在する。火山灰はまた、電荷捕捉に対して特に格好の状況を与える鋭いエッジを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１５０７５４（Ａ１）号明細書
【特許文献２】米国特許第５６２１２０８号明細書
【特許文献３】英国特許出願公開１１０５６０４（Ａ）号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００３／０００６７７８（Ａ１）号明細書
【特許文献４】特開昭５９−２０２０５５号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明の第１側面によれば、航空機用の火山灰検知器が与えられる。この検知器は、導電性灰電荷収集デバイスと、前記収集デバイスを空気ダクト内に取り付ける電気的に絶縁された支持体と、前記灰電荷収集デバイスに電気的に結合された入力を有する電荷測定システムとを含み、好ましくは、前記導電性灰電荷収集デバイスは、前記灰電荷収集デバイスにわたる空気流が乱流となるように構成され、かつ、前記電荷測定システムは、前記灰電荷収集デバイスにおける電荷のレベルを決定することにより前記空気流における火山灰の存在を決定するべく構成される。
【０００９】
複数の実施形態において、灰電荷収集デバイスにわたり乱空気流を与えることにより、灰微粒子が検知器に付着する可能性が高まるとともに、粒子の摩擦帯電性が向上する。加えて、火山灰は特に、固有の電荷を捕捉しかつ保持することができるように思われる。
【００１０】
いくつかの好ましい実施形態において、灰電荷収集デバイスは一般に円錐状（ここでは例えばラッパ状のような朝顔状の形を含む）である。複数の好ましい実施形態において、デバイスの表面は、複数のリブ、段及び／又は開口（及び／又はワイヤ及び／又は他の構造物）が設けられるか又はこれらを含み、これらは前記乱流をもたらすべく、例えば、デバイスの長手方向沿いに間隔をおいて一般に円周の態様で配列される。すなわち、デバイスの表面は、例えば、デバイスの長手方向沿いに間隔をおいて配置されてサイズ（直径）が増加する一組のワイヤの輪によって一般に円錐状の表面に近似するように設けられ、又は同様に配列されたらせんワイヤである。このワイヤ構造は、（金属）支持体のフィンによって内部から支持することができる。代替的に、デバイスは、クリスマスツリーの外形に類似する段状の外観を有する。複数の実施形態において、デバイスは、空気流沿いに当該円錐の長手軸を有して搭載される。デバイスは、例えば、電気的に絶縁されたスパイダーによって支持されたピトー管に搭載される。
【００１１】
灰粒子の摩擦帯電は、自然又は固有のレベルのバックグラウンド電荷を与える。驚くべきことに、これが正又は負のいずれかであるにもかかわらず、収集デバイスにおける灰の蓄積は、当該デバイスにおいて全体的に正又は負の正味電荷をもたらす傾向があることが見出されている。しかしながら、複数の実施形態において、当該固有又は自然の電荷に対して追加の電荷を適用することが有利となり得る。既知の電荷を粒子に適用するべく、電力供給部に結合された電極を使用することができる。
【００１２】
したがって、複数の実施形態において、検知器はさらに、空気流において灰電荷収集デバイスの上流に取り付けられる、例えば環又は輪のような灰帯電用電極と、この電極に電圧を適用する電力供給部とを含む。灰に付与される電荷の程度は、この電極に適用される高電圧パルスの持続時間及び／又は振幅を制御することにより制御可能である（典型的には５ｃｍ未満の横断方向寸法を有する検知器システムに対して１００ボルトを超える）。
【００１３】
この場合、電荷測定システムは、電圧が存在する場合の灰電荷収集デバイスにおける電荷を、電圧が存在しない場合の電荷と対比する。複数の実施形態において、灰検出／弁別の改善を目的として、正電圧及び負電圧（及び／又はゼロ電圧）のパターンが帯電用電極に適用される。パルス持続時間は、例えば１秒のオーダのように比較的長いが、灰電荷収集デバイスの「緩和時間」（このフレーズはここでは、灰が空気流によって当該デバイスから除去されるのにかかる時間を意味する）に依存する。
【００１４】
追加的又は代替的に、検知器は、灰電荷収集デバイスの上流に一対の帯電粒子偏向電極を含み、かつ、これらの電極に電界を適用する対応電力供給部を含む。この電界は、固有に帯電した（又はそうではないように帯電した）灰粒子を偏向し、ひいては、例えば、電荷の平均極性、及び／又はさらに高度なシステムにおける粒子の平均電荷質量比、及び／又は、粒子の見積もり平均質量（特に「質量分光器」タイプの原理を使用して既知の電荷が適用される場合）を決定する。
【００１５】
検知器が粒子偏向電極を組み入れている場合に特に好ましいのは、灰電荷収集デバイスが空気流内の異なる横断位置に一対の電極を含む場合である。例えば、円錐状電極が長手方向において２つの半体に分割される。この場合、当該対の各電極には、それぞれの電荷測定システム（これは可能性として同じシステムで多重としてもよい）が設けられる。
【００１６】
この場合、かかる配列は、例えば、自然又は摩擦の電荷を有する灰粒子の電荷測定又は弁別の改善を目的として、当該対の各電極における電荷の差分レベルを決定するべく使用される。いくつかの好ましい実施形態において、収集デバイス電極のこの配列は、粒子偏向電極と組み合わせられる。その結果、偏向電極にわたって反対の極性の電界を適用すること、及び差分信号同士の違いを決定することができる。複数の実施形態において、偏向電極にとって適切な電界は、数十ボルトで生成することができる。
【００１７】
当業者にわかることだが、偏向電界は多くの方法で変形することができる。例えば、正弦波、三角波、矩形波等の波形によって、及び、オプションとして、変動する振幅及び／又は周波数によって駆動される。複数の実施形態において、例えば、第１及び第２（正及び負）の極性電界及び、オプションとして、ゼロ電界の強度を含む電界変化パターンが適用される。上述のとおり、かかるアプローチは、検出された粒子の帯電能力及び／又は質量及び／又は電荷質量比の見積もりを容易にすることができる。
【００１８】
驚くべきことだが、上述の検知器は、液体ミストの液体粒子を検出することにも適している。航空機においては、かかる液体は、例えば、エンジン経由で巡ってきた客室空気取り入れ口におけるオイルを含む。客室空気取り入れ口におけるオイルミストは、健康上の危険をもたらす可能性があるので、かかるオイルミストの存在を検出できることは有用である。見出される可能性がある他の液体には、航空機の防氷由来の不凍剤（グリコール）が含まれる。ここに記載される検知器は、極性及び非極性液体の双方で動作するように思われる。
【００１９】
火山灰検知器は、例えば航空機の翼に取り付けられる。第２検知器が第２空気流内に、例えば客室空気取り入れ口に含まれる場合、これら２つの空気流内で検知された微粒子同士の対比により、客室空気取り入れ口におけるオイルと灰とを、及び翼の（又は他の）空気取り入れ口における実質的に灰のみを区別することができる。検知器の複数の実施形態はまた、砂、煙、塵等の微小粒子を検出するべく用いることができる。
【００２０】
したがって、関連する一側面において、本発明は、固体又は液体微粒子の検知器を与える。これは、導電性の固体又は液体微粒子電荷収集デバイスと、前記微粒子電荷収集デバイスを空気ダクト内に取り付ける電気的に絶縁された支持体と、前記微粒子電荷収集デバイスに電気的に結合された入力を有する電荷測定システムとを含み、前記導電性微粒子電荷収集デバイスは、前記微粒子電荷収集デバイスにわたる空気流が乱流となるように構成され、かつ、前記電荷測定システムは、前記固体又は液体微粒子電荷収集デバイスにおける電荷のレベルを決定することにより前記空気流における固体又は液体微粒子の存在を決定するべく構成される。
【００２１】
複数の実施形態において、電荷測定システムは、電界効果トランジスタ（又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が設けられた高インピーダンスのフロントエンドを有する。この場合、導電性収集デバイスは、このトランジスタのゲート（又はベース）に結合される。好ましくは、電荷測定システムは自己較正され、例えば、この入力トランジスタのゲート（又はベース）に既知の電荷を適用する回路を含む。
【００２２】
複数の実施形態において、検知器は自己クリーニングもされる。すなわち、灰電荷収集デバイスが空気流から灰を収集しても、収集された灰はまた、空気流によって当該デバイスから除去される。すなわち、灰が空気流から除去される場合、空気流が収集デバイスをクリーニングすることにより、測定された電荷のゆっくりとした減衰又は緩和が観測される。複数の実施形態において、検知器は、十分な入力信号が生成されるように灰の収集速度を自己クリーニング速度と均衡させるように配列される。
【００２３】
関連するさらなる一側面において、本発明は、空気流における火山灰微粒子及び／又は液体粒子を検知する方法を与える。これは、導電性電荷収集デバイスにおいて前記微粒子を捕捉することと、前記電荷収集デバイスにおける電荷に対応して前記微粒子を検知することとを含み、前記捕捉することは、前記空気流に擾乱を発生させることにより、前記電荷収集デバイスに付着する微粒子の比率を増加させることを含む。
【００２４】
複数の実施形態において、航空機が少なくとも１００ｍ／秒の速度で進んでいる場合、灰電荷収集デバイスにわたる空気流は乱流である。複数の実施形態において、灰電荷収集デバイスは、ダクト又はピトー管内に取り付けられる。灰電荷収集デバイスにわたる流れは、レイノルズ数が少なくとも２，１００、好ましくは少なくとも３，０００、さらに好ましくは少なくとも４，０００であることを特徴とする。
【００２５】
当業者にわかることだが、他の複数の実施形態において、上述の検知器の異なる複数の特徴が組み合わされる。
【００２６】
すなわち、さらなる一側面において、本発明は、空気流における火山灰微粒子及び／又は液体粒子を検知する検知器を与える。これは、導電性電荷収集デバイスにおいて前記粒子を捕捉する手段と、前記電荷収集デバイスにおける電荷に対応して前記微粒子を検知する手段と、前記空気流に擾乱を発生させることにより、前記電荷収集デバイスに付着する微粒子の比率を増加させる手段、前記捕捉することの前に所定レベルの電荷を前記微粒子に適用する手段、前記捕捉することの前に極性変化電界により前記微粒子を偏向する手段、前記空気流内の異なる横断位置に一対の電極を含む前記電荷収集デバイスであって、前記検知する手段が前記一対の電極における差分電荷を検知するべく構成された前記電荷収集デバイス、ｉ）前記微粒子の帯電能力、ｉｉ）前記微粒子の平均質量、及びｉｉｉ）前記微粒子の電荷質量比の一以上の見積もりを決定する手段、並びに前記液体微粒子と前記火山灰微粒子とを弁別する手段の一以上とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明のこれらの及び他の側面が、添付図面を参照する例示のみによって以下でさらに説明される。
【００２８】
【図１】図１ａ及び１ｂはそれぞれ、本発明の一実施形態に係る火山灰検知器の垂直断面、及び当該検知器とともに使用される灰電荷収集デバイスの例を示す。
【図２】図１の検知器とともに使用される電荷検出回路の例を示す。
【図３】図３ａ及び３ｂはそれぞれ、図１の火山灰検知器を試験するべく使用される風洞設定、並びにフィルタなし（上）及びフィルタ搭載済み（下）の灰粒子を収集するフィルタシステムの詳細を示す。
【図４】図４ａ及び４ｂは、負及び正それぞれに帯電した粒子に対する電荷対質量の較正曲線の例を示す。
【図５】図５ａから５ｅはそれぞれ、灰帯電用電極を組み入れた火山灰検知器の一実施形態、灰の自然摩擦的バックグラウンド帯電の例示、灰帯電用電極を駆動するパルス列の例、正、負及びゼロの電圧レベル部分を含む灰帯電用電極駆動波形の例、及び負から始まり正へのパルスとなる灰帯電用電極駆動波形のさらなる例を示す。
【図６】２つの半体に電気的に分割された灰電荷収集デバイスのさらなる例の垂直断面を示す。
【図７】灰帯電用電極、スプリット型灰電荷収集デバイス及び帯電灰粒子偏向電極を組み入れた本発明の一実施形態に係る火山灰検知器のさらなる例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
火山灰の検出に有用なシステム及び方法が説明されるが、これらはまた、砂粒子、及び、例えばエンジン抽気内の航空流体に係るエアロゾルの検出に用いることもできる。以下の表は、火山灰（及び砂）の有害な影響のいくつかを例示する。これらは典型的に、暴露持続時間、灰の濃度及びタイプ、エンジン出力等の因子の関数である。表は、検出することが望ましい火山灰濃度レベルの指標を与える。加えて、連邦航空局は、火山灰中の（現行の）飛行は、１立方メートル当たり２ｍｇの火山灰濃度レベルまで許容可能であると決定しているので、１立方メートル当たり０．２から２ｍｇの火山灰濃度（可視の火山灰は不在）での動作がモニタリングされる。したがって、具体的には導入で述べられたような商用航空機に対して火山灰のレベルを測定できるようにすることが望ましい。乾燥した砂漠領域を飛行通過する航空機のエンジンが暴露される砂粒子のレベルを測定できるようにすることがさらに望ましい。これは、エネルギー供給体制の頻度に影響を与えるからである。
【００３０】
灰、砂及び航空流体エアロゾルは、大抵はこれら自体が誘電体である。これらの表面は、空中での摩擦電気により容易に帯電する。これらの濃度を決定するべく、その表面電荷を正確に測定する技術が記載される。以下に説明される技術は、測定された電荷と灰、砂及びエアロゾル濃度との関係を確立するべく、大きなダイナミックレンジにわたる電荷検知を行うことができる。
【表１】
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【００３１】
そこで、図１ａを参照すると、航空機用火山灰検知器１００の一実施形態が示される。これは、抽気ダクトのような金属管１０２を含む。金属管１０２は、接地接続１０４を有し、かつ、電荷収集器１０６が中に配置される。電荷収集器１０６は、電荷測定システム１０８に電気的に結合される。図１ａにおける空気流方向は左から右に向かい、当該空気流は帯電粒子１１０を搬送する。帯電粒子１１０は収集デバイス１０６によって収集されるので、その収集電荷を測定することができる。
【００３２】
電荷収集器は、灰粒子から導電性収集器ひいては電荷測定システム１０８への電荷移送を最適化するべく構成される。電荷測定システム１０８では、灰（及び／又はエアロゾル）粒子の正味電荷が検出され、その質量濃度の決定が確立される。
【００３３】
図１ｂは、原型灰電荷収集デバイス１０６の異なる図を示す。灰電荷収集デバイス１０６は、金属製支持体１０６ｂ上の円錐形状銅コイル１０６ａを含む。他の実施形態では、電荷収集器は、例えば銅又はニッケルクロムのような金属製の空間・枠組構造を含む。原則的に、管１０２全体に単数のワイヤが用いられ、又は、当該管の側方断面に一組のワイヤ又は蜘蛛の巣タイプの配列が用いられる。しかしながら、利用可能な検知領域を増加させるべく、例示のようなコイル巻線が使用される。被検知粒子に対する大きな暴露面積が与えられる一方で、比較的低い抵抗が得られる。複数の実施形態において、灰電荷収集デバイスは抽気ダクトに搭載される。
【００３４】
動作中、検知器の複数の実施形態において当該粒子は、その電荷が収集器１０６まで移送され、図１ａに例示されるように流路を進み続ける。複数の実施形態（後にさらに説明される）において、収集器の表面は、乱流を生じさせる構造とされる。乱流は、捕捉電荷を増大させ、ひいては検知器の効率を増加させる。
【００３５】
電荷測定システム１０８のための回路例が図２に示される。これは、低入力電流ＪＦＥＴを備えたオペアンプ（電位差計により入力オフセット電圧がゼロとされる）により与えられる非常に高い入力インピーダンスを有する電荷検知回路（電位計）を例示する。これは、第２の低オフセットオペアンプに結合される。この場合、第２の低オフセットオペアンプは、例えば、電圧入力をさらなる処理を行うアナログ／デジタル変換器に、及び／又はパイロット警告システムへの入力の近くに与える。複数の実施形態において、灰等の被検出微粒子体の存在を知らせるべく、例えば赤ランプのような、簡単な可聴及び／又は可視の警報システムが設けられる。オプションとして、収集されたデータは、後に使用されるように、例えば、経時的な灰濃度及び／又は粒径分布（電荷はサイズに比例する）のマッピングのようにログとして記録されてもよい。
【００３６】
図２の電荷検出回路は、正電荷及び負電荷の双方を検出することができる。これは、粒子が正又は負いずれかに帯電するので有用である。複数の電荷収集電極が用いられる場合、同等の回路を２以上の別個の電極それぞれに接続することができる。
【００３７】
オプションとして、火山灰検知システムは、（空気流の）局所温度を測定する温度検知システムを含むこともできる。これにより、出力を、温度の変動に対して補償することで正確に較正することができる。
【００３８】
上述の微粒子／エアロゾル検知器は、検知器にわたる空気流が当該検知器から灰を除去するので、一定程度の自己クリーニングを行う。しかしながら、複数の実施形態において、灰は検知器に蓄積し、最終的には当該検知器からの灰除去のゆっくりとした減衰が灰収集速度と均衡する。すなわち、本発明の複数の実施形態において、灰電荷収集デバイスは、灰収集デバイスとして作用し、又はそのようにみなすことができる。
【００３９】
加えて、検知器の複数の実施形態は、検知器クリーニングシステムを含む。これは、電荷収集器１０６を高温まで加熱して有機不純物を除去することによって与えられる。これは、図１ｂの電荷収集器において、例えば検知器のワイヤを電気的に加熱することを周期的に行って達成される。
【００４０】
検知器の複数の実施形態はまた、例えば、既知の電荷を電荷測定システム（電位計）の、例えば図２のＩＮ２のような入力に適用する回路を当該電荷測定システムに設けることにより、電気的に自己較正される。
【００４１】
図３ａ及び３ｂは、粒子質量濃度を測定する電荷検知器を較正するべく使用される一実験装置を示す。この装置は、一定流速の微粒子を例示の風洞に導入する投入デバイスを含む。微粒子は、加圧されたアルゴンガスと混合されて風洞に投入される。灰の代用として水酸化ケイ酸マグネシウム粒子が用いられる。微粒子の流速は、アルゴンガスの圧力を調節することによって制御することができる。粒子は、空洞内で摩擦電気により帯電し、電荷収集器と衝突する場合にその表面電荷を移送する。これが、電荷測定システム（電位計）によって検出かつ測定される。その電荷の検知器までの移送が完了すると、粒子は細密フィルタ（図３ｂ）を使用して収集される。電位計によって収集された総電荷が、フィルタによって収集された総粒子質量と対比され、かつ、検知器及びフィルタを通って流れた空気体積（デジタル流量計によって測定される）に対するマイクロバランスによって測定される。
【００４２】
すなわち、大まかにいえば、灰粒子は、その電荷を灰収集デバイスに移送した後に慎重に収集され、かつ、非常に敏感なはかりを使用して重さが計量される。空気流速は流量計を使用して測定され、かつ、電荷、灰質量及び流速を使用して較正曲線が確立される。この較正曲線から、単位体積当たりの質量が得られる。
【００４３】
図４ａは、負に帯電した粒子に対して試験装置から得られた典型的な電荷対質量較正曲線を例示する。図４ｂは、正に帯電した粒子に対する同様の較正曲線を例示する。システムは、１メートル当たり０．１ｍｇすなわち０．１ｍｇ／ｍ３までの濃度を検出することができる。オプションとして、例えば４００℃近辺までの周囲温度からの測定を可能とするべく、試験装置には加熱要素が含まれる。オプションとして、試験装置は、抽気ダクト条件を模擬するべく修正される。
【００４４】
測定可能な電荷信号は、火山灰、砂、コンプレッサ洗浄剤、不凍剤及びターボオイルから得ることができる。システムは、様々な火山灰及び砂粒子の形態、組成及び粒径分布に対して検知器を較正するべく使用することができる。異なる組成の航空流体も特徴とすることができる。
【００４５】
検知器システムの複数の実施形態は、非常に敏感であり、かつ、大きな測定レンジを有する。詳しくは、灰及び砂、並びに、エンジンオイル、圧縮器洗浄剤及び不凍剤のようなエアロゾルを含む０．１ｍｇ／ｍ３未満から３，０００ｍｇ／ｍ３までの粒子の質量濃度を測定することができる。検知器の複数の実施形態は、軽量、頑丈であって高温及び振動に耐性があり、可動部品又は光学機器を含まず、及び動作電力条件が低い。火山灰／砂を検出するべく、検知器は、航空機翼の、例えばピトー管内の絶縁された取り付け台に取り付けられる。例えば、航空機客室内のオイルミスト蒸気を検出するべく、検知器は、客室空気取り入れ口、例えばエンジンに由来して予熱された客室空気取り入れ口に取り付けられる。オプションとして、いずれの場合も、検知器の下流には取り外し可能フィルタが設けられる。その結果、例えば検出された微粒子濃度の確認／較正を目的として、このフィルタを事後的に検査することができる。
【００４６】
ここで図５ａを参照すると、本発明に係る火山灰検知器５００のさらなる実施形態が概略的に示される。上述したものと同じ要素には同じ参照番号が付されている。図５の配列は、空気流内にある電荷収集器１０６の上流に環状電極５０２を含む。環状電極５０２はパルス発生器５０４に結合される。パルス発生器は、粒子に対して電極５０２を介して既知の電界を適用し、ひいては既知の電荷を粒子に対して適用することができる。
【００４７】
火山灰粒子は、比較的鋭いエッジを有するので電荷を容易に捕捉する。この粒子は、図５ｂに例示されるように、固有のバックグラウンドレベル電荷密度を有する。これは正として現れていることがわかる。（対照的に、砂・二酸化ケイ素はエッジが鋭くないので、正又は負いずれかの「固有」電荷を有し得るように思われる）。
【００４８】
図５ｃは、電極５０２に適用される簡単な電圧パルスパターンを概略的に例示する。しかしながら、いくつかの好ましい実施形態においては、１秒オン、１秒オフの順のような比較的長い電気パルスが適用される。オンの電界状態及びオフの電界状態間での電荷の相違を決定することによって、既知の適用電荷と粒子のバックグラウンド固有電荷との区別が容易となる。かかるパルス列の一例が、図５ｄに概略的に例示される。
【００４９】
図５ｅは、図５ｂのパルス列の一変形例を示す。正電圧が低い負電圧ベースラインから開始して電極５０２に適用される。
【００５０】
検知された粒子に応じて、摩擦により正に帯電した粒子もあれば、摩擦により負に帯電した粒子もある。これらを弁別することは有用となり得る。これは、一方が正の粒子を検知し他方が負の粒子を検知する２つの電荷収集器を用いることによって達成することができる。この場合、オプションとして、差分信号を生成して、例えば、火山灰のしきいレベルを検知するべく使用することができる（単数のみの電荷収集器を有する検知器の複数の実施形態は、検出された電荷をしきいレベル、例えば火山灰の許容可能レベルに対応して設定されたレベルと対比することによって灰検出信号を与えることができる）。
【００５１】
一方が正の粒子用、他方が負の粒子用の２つの電荷収集器を用いる検知器の好ましいバージョンはさらに、正及び負に帯電した粒子を異なる方向に分けるべく一以上の電極を含む「電気ゲート」を含む。これは、例えば、キャパシタのプレートと同様の一対の平行プレートを含む。オプションとして、この場合、これらの一以上の電極に適用される偏向電圧を調節することで、調節された電荷検出信号（片側接地の信号又は差分信号）を与えることができる。かかる調節により、粒子の電荷分布を決定することが容易となり、ひいては、さらに正確な火山灰粒子の検出／弁別が得られる。
【００５２】
図６は、灰帯電収集デバイス６００の一実施形態の垂直断面を示す。これは、正に帯電した粒子及び負に帯電した粒子を収集するべく、２つの部分６０４、６０６に電気的に分割される。例示のとおり、デバイスは、ピトー管６１０内にあるスパイダー状の絶縁取り付け台６０８に取り付けられる。
【００５３】
例示の灰電荷収集デバイスは、「クリスマスツリー」タイプの外観を有する。表面が段状又はリブ状とされて、検知器全体に乱空気流が与えられる。例示の検知器は、増加した表面積を有するので、帯電粒子捕捉の可能性が高くなる。これは、デバイスにわたる空気流の流れ分離によって向上される。これがさらに、粒子捕捉可能性を高める。専門家でない者の言い回しでは、粒子は、溝の中にトラップされ、かき混ぜられ、及び金属に付着される。
【００５４】
図６の配列は、導電性デバイスを例示するが、他の複数の実施形態において、電荷収集デバイスが、一組の金属リブ等の、絶縁支持体にわたって離間した（又は間に空隙を有する）複数の構造物を含む。金属リブは、互いに電気的に接続される。すなわち、複数の実施形態において、灰電荷収集デバイスは、絶縁表面上に取り付けられた電気的要素を含む。例示される例において段又はリブは円周方向に延びるが、追加的又は代替的には、リブ等の構造物は一般に長手方向に延び、又は他の検知器表面構造物、例えばらせん状構造物が用いられる可能性もある。
【００５５】
複数の実施形態において、例えば図６に例示のタイプのような灰電荷収集デバイスは、テフロン（登録商標）上に取り付けられたステンレス鋼から形成される。かかる材料は、比較的温度不感性及び水分不感性であるから特に有利である。
【００５６】
図６に概略的に示されるように、スプリット型灰電荷収集デバイスの複数の実施形態において、正及び負別個の接続部が、封入管を通って検知器から電荷測定システムまで引き出される。電荷測定システムは、例えば、デバイスの各部分に対し図２に示されるタイプの回路を含む。
【００５７】
図７は、火山灰検知システム７００の一実施形態を例示する。ここでも、上述したものと同じ要素には同じ参照番号が付されている。図７の配列は、偏向制御器７０４に結合された空気流内にある一対の平行プレート７０２ａ、７０２ｂを含む。偏向制御器７０４は、当該プレートにわたって電界を適用するべく構成される。例えば、当該プレート間に比較的高い電圧が適用される。複数の実施形態において、電界は調整又は調節される。詳しくは、方向を交互させるように調節される。これによっても、差分信号の検出による帯電粒子の検出が容易となる。偏向波形は、図５ｄ又は図５ｅに例示のタイプである。図５ｄに示されるタイプの波形は、ゼロ電界部分を含む。これは、電界が適用される場合に観測される信号から差し引かれるバックグラウンド信号を得るのに有用となり得る。
【００５８】
動作時、差分信号は、スプリット型電荷収集デバイス６００から得られる。この差分信号は、当該差分信号（一差分信号）に変動を発生させるべく、正及び負の電気補給源を電極７０２に適用することによって修正される。差分信号の変化は、空気の流れにおける負の粒子対正の粒子の流れに対応する。オプションとして、電極７０２に適用される電界調節は、同時検出を目的として、電極５０２に適用される帯電用電界と同期される。
【００５９】
複数の実施形態において、プレート７０２には数十ボルトのオーダの電圧が適用され、かつ、電極５０２には数百ボルトのオーダの電圧が適用される。電極５０２に適用される電圧が大きければ大きいほど、粒子に捕捉される電荷が大きくなるので、自然摩擦帯電の影響を支配かつ低減するべく高い電圧を使用することができる。しかしながら、上述のように、自然の又は固有の摩擦電荷の検出は、火山灰検出にとって特に有用である。火山灰は、（おそらくはその生成プロセス中に）固有的に帯電し、かつ、その電荷を自然に保持するように思われるからである。すなわち、火山灰検出に対しては、粒子の固有の摩擦電荷の測定が特に有用である。すなわち、当業者にわかることだが、火山灰検知器の複数の実施形態では、図７の電荷適用システム５０２、５０４及び電荷粒子偏向制御システム７０２、７０４のいずれか又は双方を省くことができる。
【００６０】
それにもかかわらず、図７の配列は、帯電粒子検出にとって特にいくつかの利点を有する。電荷適用システムは、電荷を粒子に適用することができるからである。帯電粒子検出が粒子の帯電能力に依存するところ、偏向制御システムは、一般に正の帯電粒子、負の帯電粒子及び／又は実質的に中性の粒子を含む粒子の集合体に既知の電界を適用することができる。事実上既知の電荷及び既知の電界を、オプションとして、既知の空気流速度（これは航空機の速度から決定される）と組み合わせて使用することができる。実際のところ、粒子の質量分光測定は、検知器を使用して質量対帯電能力比を決定することによって行われる。これはさらに、検知システムの弁別性／正確性と高めるべく用いることができる。
【００６１】
上述の検知システム及び技術は、火山灰の検知にとって特に有用であるが、上述のとおり、航空機において興味対象となる他の微粒子／エアロゾルの検出を目的として用いることもできる。しかしながら、原則的に、この検知器技術に対しては他のアプリケーションも可能である。例えば、上述と同じ一般的なタイプの検知器は、真空掃除機に用いることができる。例えば、家屋のダニの塵（これは非常に小さく検出困難である）及び／又は花粉のような微粒子物体を検出するべく、空気フィルタの後ろに用いることができる。かかる配列は、サイクロン分離タイプの真空掃除機における空気フィルタの後ろが特に有用である。かかる検知器は、例えばアレルギー低減にとっても有用であり、かつ、例えばフィルタの交換が必要な場合に可聴及び／又は可視の警報を与えることができる。本技術のもう一つの可能性ある適用は、鉱山にある。潜在的な爆発危険性の早期検出を目的として、低濃度の微細塵を検出することができる。
【００６２】
おそらく、多くの他の有効な代替例が、当業者に想起される。理解されることだが、本発明は上述の実施形態に限られることなく、添付の請求項の要旨及び範囲内にある当業者にとって明らかな修正例をも包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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