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技术领域

实施例大体上涉及集成电路，更具体地涉及用于将导电聚合物用于例如除冰的集成感测和加热功能的集成电路以及相关系统和方法。

背景技术

结冰尤其是影响航空和可再生能量产生产业等的问题，并且能够发生在机翼、螺旋桨和其他组件上以及在风力涡轮机的叶片上。化学和/或电除冰技术通常用于航空产业，但是考虑到风力涡轮机的大小、固定布置和由于叶片的尖端对中心处风速上的差异而引起的冰不均匀分布的趋势，没有适合于风力涡轮机的相应技术。因而，如果在风力涡轮机的叶片上检测到结冰，则涡轮机通常必须关闭，这导致能量产生的损失。

发明内容

实施例涉及用于集成用于例如除冰的结构中的感测和加热功能的集成电路和相关系统和方法。

在实施例中，一种感测和加热系统包括第一元件和第二元件；以及电路，所述电路耦合到第一和第二元件并且被配置成从第一或第二元件中的至少一个接收与特性相关的信号，分析所述信号以检测条件，并且在所述信号指示该条件的情况下，激活第一和第二元件中的至少一个以提供热量。

在实施例中，一种风力涡轮机包括至少一个感测和加热系统，所述系统包括被配置成感测特性并且提供热量的结构；以及电路，所述电路耦合到所述至少一个感测和加热系统并且被配置成接收与特性相关的信号，分析所述信号，并且在所述分析指示条件的情况下，在风力涡轮机接近所感测到的特性的区域中提供热量。

在实施例中，一种集成电路包括被配置成控制加热和感测结构的驱动电路；以及状态机电路，所述状态机电路耦合到驱动电路并且被配置成从加热和感测结构接收信号，分析所述信号以确定接近加热和感测结构处存在或不存在条件，并且基于已确定的存在或不存在条件来控制驱动电路。

在实施例中，一种方法包括由感测和加热结构来感测特性；分析所述特性以确定感测和加热结构处是否存在水分；以及在所述分析的结果是存在水分的情况下，激活感测和加热结构以提供热量。

附图说明

鉴于联系附图对本发明的各种实施例的下述详细描述可以更完整地理解本发明，其中：

图1是根据一个实施例的风力涡轮机的示图。

图2A是根据一个实施例的感测和加热系统的框图。

图2B是根据另一个实施例的感测和加热系统的框图。

图2C是根据一个实施例利用MD8710的感测和加热系统的框图。

图2D是根据一个实施例的电路以及感测和加热部分的框图。

图3是根据一个实施例的导电聚合物结构的描绘。

图4A是根据一个实施例的方法的流程图。

图4B是根据一个实施例用于空气、水和两厚度冰的电容对频率的曲线图。

图4C是根据一个实施例用于空气、水和冰的电容对频率的另一个曲线图。

图4D是根据一个实施例用于空气、水和冰的相位角对频率的曲线图。

图5是根据一个实施例的感测和加热系统的功能性框图。

图6是根据一个实施例的电阻器的温度系数的曲线图。

尽管本发明对各种修改和替代形式是可修正的，但是其细节已经在附图中以示例的方式示出并将详细描述。然而，应该理解的是该意图并不限制本发明为所描述的特定实施例。相反的是，意图是覆盖落入如附加的权利要求所定义的本发明的精神和范围内的所有的修改、等价物、和替代物。

具体实施方式

实施例涉及适合用于除冰、加热和其他应用的结构中组合的感测和加热功能的集成电路、系统和方法。在一个实施例中，集成电路耦合到加热元件并且被配置成控制加热元件的操作以提供热量以及利用所述加热元件作为用于感测在加热元件上或其附近存在冰、水或空气的感测结构的至少部分。在实施例中，所述加热元件包括导电聚合物结构，并且基于由耦合到所述结构的集成电路所感测和分析的所述结构的电容、阻抗或其他光谱来感测冰、水或空气的存在。

参考图1，示出了风力涡轮机100。涡轮机100是水平轴风力涡轮机（HAWT）并且包括支撑柱102和三个叶片104，不过涡轮机100的叶片数量和通常配置能够在各实施例中变化。尽管没有描述，实施例适合于其他类型的风力涡轮机，包括垂直轴风力涡轮机（VAWT），其尤其可以包括Darrieus、Savonius、扭曲（twisted）Savonius、并联型（parallel）、Giromill和螺旋形等。涡轮机100还能够包括转子、齿轮箱、计算机控制的定向电动机、发电机和制动器、以及其他组件，其可以未在图1中示出。在操作中，叶片104随风旋转。在电力发电应用中，叶片104通过转子耦合到发电机，并且叶片的旋转使发电机发电，将风能转换成电力用于分发和使用。

风力涡轮机100能够独自放置或作为风力田（wind farm）的部分放置。在任何一种场景中，风力涡轮机100通常位于足够高风力的区域以持续发电。这种区域也可能经历变化的温度以及湿度、雨、冻雨、雪、和有利于在涡轮机100上（尤其在叶片104上）形成冰的其他天气条件。冰在涡轮机100上增长能够导致许多问题，包括能够引起机械疲劳或失效的振动和集结（mass）、能够导致伤害或损害的冰的脱落以及由于恶劣条件的低性能或整体关闭所引起的减少的或缺失的电能产生。

在航空电子和汽车应用中，结冰通常使用化学或电除冰技术来处理。例如，飞行器能够在飞行前在地面上被化学除冰和/或装有在检测到结冰或指示结冰的条件的情况下能够由操作者手动开启的加热元件。化学除冰也用于桥上、公路上和汽车在其上行驶的其他结构上。也能够使用简单的机械技术，诸如刮或犁。然而，这些技术中没有一个适合于风力涡轮机。风力涡轮机的大小和配置使化学和机械技术很难，即使并非不可能，而传统的电学技术增加了风力涡轮机的制造商、所有者和操作者所不需要或难以支持的质量、能量需求、复杂度和成本。此外，这些技术仍然需要手动检测结冰条件，使其对于远程放置的风力涡轮机是不切实际的。

在一个实施例中，并参考图2A，适合于与风力涡轮机和其他结构和设备一起使用的除冰系统106包括耦合于电路110的感测和加热部分108。在一个实施例中，感测和加热部分108包括至少一个加热结构112和至少一个感测结构114。在这个和其他实施例中，感测和加热部分108能够包括诸如结构112之类的加热结构，其包括导电材料，诸如电阻性导电聚合物；薄膜；导线；涂层或涂覆（coated）材料；溅射（sputter）、印刷或涂敷的（applied）金属或合成物；或在能够被建造在区域、表面或边缘上或在其中的其他实施例中的某种其他合适的导电材料。实施例中合适的导电聚合物的示例是可从VILLINGER RESEARCH AND DEVELOPMENT (www.villinger.com)购买的那些。在实施例中导电聚合物能够是本征的或非本征的并且包括单层或多层。

感测和加热部分108也包括至少一个感测结构114，诸如作为或与加热部分108一起形成电容器、电感器或其他合适的感测结构的部分的结构。例如，在图2A的实施例中，加热结构112的部分和感测结构114的部分一起形成交指电容器（interdigital capacitor）。在其他实施例中，感测结构114能够包括除交指之外的形状或结构，或者能够用电阻或电感性结构或适合于实现检测其上有冰和/或水的其他结构所代替。

例如，图3中示出了在测试中成功使用的一种合适的导电聚合物结构116，并且这种结构116是实施例中感测结构114的一个实施例。在实施例中结构116为约30cm乘约30cm，但是在其他实施例中大小和配置能够变化。例如，在实施例中感测和加热部分108能够具有约0.2mm到约1mm乘约0.2mm到约1.0mm的尺寸。

电路110耦合到感测和加热部分108。在实施例中，感测和加热结构108包括三个引脚A、B、C。在图2A中，引脚A和B将感测和加热结构112耦合到电源118，而引脚A和C将感测和加热结构112耦合到电路110。在一个实施例中，电路100包括集成电路并且适于从感测和加热部分108获得的信号的信号处理和电介质光谱分析。在实施例中，电路110还包括用于提供脉冲波调制（PWM）输出的部分和用于在感测功能和加热功能之间切换以控制感测和加热部分108的操作的驱动器。因此，电路110也耦合到电源118，其将被电路110所控制的闭环控制功率提供到感测和加热部分108。

在图2B中描述了另一个实施例，其中感测和加热部分108包括并联耦合的两个元件111。元件111均能够是加热元件并且也能够用作电容器，其中电路110感测两个元件111之间的电容。正因为如此，相同的元件能够被用于加热和感测二者。在另一个实施例中，只有第一个元件111包括加热元件，而第二个与第一个结合使用用于感测。在又另一个实施例中，使用了多于两个元件111。在一个实施例中，两个引脚（例如引脚A和C、或引脚B和D）之间的开关、短路或其他连接能够被实现以加热两个元件111，于是开关能够周期地打开来测量部分108的电容以确定是否另外的加热是必要的。例如，在实施例中，电路110能够以95%加热和5%感测的工作周期来操作部分108，不过这些百分数仅仅是一个实施例的示例并且能够在其他实施例中变化。当已经感测到没有水、结冰或需要加热的某种其他条件时，能够省略加热直到结构108的电容的周期性感测指示对于除冰或水或为了某种其他原因来说加热是必要的。在实施例中，元件111的一个或多个也能够包括电阻器。

参考图2C，在一个示例性实施例中，电路110包括可向INFINEON TECHNOLOGIE AG购买的MD8710。MD8710是用于医疗、工业和其他应用的集成数据采集和处理的微控制器，并且能够适合于系统106的实施例。MD8710包括数字部分118和模拟前端部分119。模拟前端部分120能够被配置成根据从感测和加热部分108接收到的数据来执行谱分析或其他分析，其中如本文所述，在图2C中包括在Z2处表示为阻抗的导电聚合物或类似的结构。在其他实施例中，阻抗Z2可以代替为电容、电阻或其他特性。在图2C的实施例中，模拟部分119以及感测和加热结构108之间使用四点连接，不过在其他实施例中这能够变化（见，例如图2D）。在实施例中，来自模拟前端部分120的输出信号然后能够经由数字部分118被提供给例如用户接口、计算机、服务器、仪表盘或其他设备。在图2B的实施例中，Z1和Z3在实验配置中表示寄生阻抗。基于这些寄生阻抗的大小，也可能在其他实施例中实现Z2的简单双线（two-wire）测量作为替代。

图2C的实施例是使用MD8710的一个实施例的一个示例。包括MD8710的其他配置能够被实现在其他实施例中，并且又进一步实施例能够用另一个微控制器、芯片、或电路来替代图2C的配置中的MD8710，或者使用除图2C所描述的布置之外的布置。换句话说，图2C仅仅是相对于其他实施例不视为限制性的实施例关联的一个实验性设置。

例如，在图2D中，图2C的一般描绘包括数字电路15、模拟电路117以及感测和加热部分108。数字和模拟电路115和117能够被实现在单个芯片中，例如MD8710或另一个芯片，或者在各种实施例中能够分离的。基于感测和加热部分108的配置，感测和加热部分108以及模拟电路117之间的连接能够变化。例如，能够使用如图2A中的三引脚耦合、或如图2B或2C中的四引脚耦合、或某种其他连接以使得感测和加热部分108无论怎样被配置都能够与诸如电路115和117之类的电路110对接以提供热量并且被用于基于感测到的电容、阻抗、谱、相位角或某种其他特性来感测是否应该进行加热。

在操作中并参考图4A，在感测和加热部分108中、在其上、或接近该部分的冰、水、水分、湿度或其他材料会影响感测结构114的电容、阻抗或某种其他特性以使得电路110能够感测结构112的电容、阻抗或其中的变化（在121处）并且通过使用电介质光谱、频率或其他合适的方法来分析感测到的特性或其他值以区别冰、水、空气或某种其他材料（在123处）。在实施例中，电路110能够以变化的次数和速率对感测和加热部分108进行采样以确定是否发生结冰。在实施例中，电路110能够周期地从感测和加热部分108获得特性的测量并且然后根据电介质光谱、频率或某种其他因素来分析该测量并且进行关于与感测和加热部分108相关的已知电容、电阻、或阻抗值的比较来确定是否发生结冰。如果发生结冰或者如果水或某种其他条件存在并且是不合需要的，则能够激活或循环感测和加热部分108的加热（在125处）。

例如，图4B示出了感测和加热部分108上不同的材料的各种电容谱特性。线120表示水，线122表示第一厚度的冰，线124表示第二厚度的冰并且线126表示空气。给出空气的相对低电介质常量（大约1.0）对冰的相对较高的电介质常量（3.2）和水的电介质常量（80.4），电路110能够可靠地通过从感测和加热部分108接收电容、阻抗或其他测量并将所述测量与已知值或值的范围进行比较来区别空气（线126）和水或冰（线120、122、124）。

图4C和4D与实施例的实验数据相关。图4C与图4B类似，是电容（以法拉为单位）对频率的图形描绘。类似于图4B，水、冰和干燥条件能够基于感兴趣的材料的已知电介质常量来进行区别。在图4D中，关于频率绘制了以度为单位的相位角，并且同样能够将冰与干燥空气或水区别出来。在其他实施例中能够使用用于区别在叶片104上或在其中存在空气、冰或水的其他方法。

系统106的另一个描绘在图5中示出为功能性框图。在图5中，系统106包括加热元件130、传感器元件132、用于加热元件130的加热的驱动电路134、用于分析来自传感器元件132的信号并控制驱动电路134的状态机136以及可选的温度测量电路138。在实施例中，并且如前所述，加热元件130和传感器元件132能够包括相同的结构或者能够在结构上重叠，以使得所述相同结构的部分或全部能够被用于感测和加热二者。不考虑任何一个实施例的特定配置以及是否与传感器元件132相同、是否与其重叠或是传感器元件132的部分，加热元件130能够包括非本征导电聚合物、本征导电聚合物、电阻性加热元件或某种其他合适的导电结构。传感器元件132被配置成感测由于冰、水或空气的存在所引起的电极化度、电阻、电容、阻抗、或某种其他特性上的变化。驱动电路134被配置成驱动加热元件130并且能够包括线性稳压器（regulator）或具有脉冲宽度调制（PWM）的其他转换方法。驱动电路134还能够包括用于稳压转换和其他功能的拓扑。状态机136被配置成分析来自传感器元件132的信号以基于感测到的信号来确定是否存在冰、水分或空气并且以控制驱动电路134。为了分析来自传感器元件的信号，状态机136能够使用频域上的变换、用不同频率的仿真或某种其他合适的方法。

可选的测量电路138能够被配置成基于加热元件130的阻抗和已知的温度特性来测量温度。例如，图6示出了用于样本导电聚合物的示例性温度系数。如可见，在较高温度处有较强的正温度系数，并且在实施例中，这能够被考虑以便防止加热元件130中的电流丝（filamenting）。

回到图2A的实施例，感测和加热部分108能够通过将传感器结构114与加热结构112集成来形成并且然后应用于或安装在叶片104或风力涡轮机100的某种其他结构中或在其上。例如，感测和加热部分108能够应用在叶片104的诸如前缘（leading edge）之类的边缘上或在每个叶片104的整个表面上。在另一个实施例中，感测和加热部分108能够被实现在叶片104的部分中，例如在尖端、中部和最接近支撑结构102的内部。这能够实现感测所有叶片104上的水或冰，尤其考虑到由于旋转速度、风力条件和结构，结冰条件会沿叶片104的长度变化。复用由中央状态机读出传感器结构114和/或控制感测和加热部分108，无论沿叶片104如何分布都能够考虑在不同位置发生的不同的结冰条件。例如，在实施例中，系统106在单个风力涡轮机100上能够包括沿一个或多个叶片104分布的感测和加热部分108的多个实例。在实施例中，如果只在特定的区域中检测到结冰（例如，一个叶片104的尖端），则只有位于该区域中的加热结构112能够被激活以便提供除冰。与不是开启就是关闭并因此当检测到任何结冰时都提供热量以对没有经历结冰的区域除冰的系统相比，这能够节省能量。在这些和其他实施例中，感测和加热部分108能够是模块化的，与电路100的单个实例或被配置成与系统106对接的某种其他控制单元耦合以读出信号并控制加热和感测。

能够在除风力涡轮机之外的应用中使用实施例。例如，本文所述的系统和方法能够被用于各种航空电子、汽车、住宅和工业应用等。例如，系统106能够被嵌入汽车仪表盘或其他区域以当检测到某些温度时（而不是冰）提供热量。系统106也可能被用在汽车或飞行器的内部或外部区域以提供结冰或水的检测、移除和/或防止。其他实施例能够被用在住宅应用中以移除或防止在诸如屋顶边缘、行人区域和其他的问题区域中形成冰。无数附加的应用几乎在其中需要检测、移除和/或防止冰或水的任何场景中是可能的。

本文已经描述了系统、设备和方法的各种实施例。这些实施例是以示例的方式给出的并不意在限制本发明的范围。此外，应该认识到已经描述的实施例的各种特征可以以各种方式结合来产生各种另外的实施例。此外，尽管各种材料、尺寸、形状、配置和位置等已经被描述用于公开的实施例，在不超出本发明的范围的情况下可以利用除公开的之外的其他材料、尺寸、形状、配置和位置等。

本领域的普通技术人员会认识到本发明可以包括少于上述任何单独的实施例中所说明的特征。本文所述的实施例不意味着本发明的各种特征可以被结合的方式的穷举表示。因此，所述实施例不是特征的互斥结合；而是，本发明能够包括从不同的单独的实施例中选出的不同的单独的特征的组合，如本领域的普通技术人员所理解的。此外，关于一个实施例所描述的元件能够被实现在其他实施例中，即使在该实施例中没有进行描述，除另有指示外。尽管从属权利要求可以在权利要求中指代与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他权利要求也能够包括从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题的组合或者一个或多个特征与其他从属或独立权利要求的组合。在这里提出这样的组合，除非声明特定的组合不是预期的。此外，还意在任何其他独立权利要求中包括权利要求的特征，即使该权利要求不直接从属于所述独立权利要求。

通过引用上述文档的任何合并是限制性的，以使得合并的主题不与本文明确的公开相反。引用上述文档的任何合并是进一步限制性的，以使得包含在文档中的权利要求不会通过引用而合并。引用上述文档的任何合并是又进一步限制性的，以使得文档中所提供的任何定义不会通过引用而合并，除非文中明确包含。

出于为本发明解释权利要求的目的，明确表示不援引U.S.C第35篇112条第6款的规定，除非在权利要求中记载了特定的术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”。