DE4023982A1 - System und verfahren zum melden der vereisung, insbesondere eines propellerblattes - Google Patents
System und verfahren zum melden der vereisung, insbesondere eines propellerblattesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Vereisungsmelder und be
trifft insbesondere einen Vereisungsmelder zum Bestimmen
der Lage und der Dicke von Eisansatz auf einem Flugzeugpro
peller.
Verschiedene Formen von Vereisungsmeldern für Flugzeuge
sind bereits entwickelt worden. Solche Melder umfassen ra
diometrische Vorrichtungen, die im Frequenzbereich von 35-
95 GHz senden und mit Frequenzverschiebungen von reflek
tierten Wellen arbeiten, vgl. z.B. NASA Contract Report
NAS8-33800, "Ice/Frost Detection System Using Millimeter
Wave Radiometry". Eine weitere Ausführungform der Millime
terwellenerfassung ist beschrieben in NASA Contract Report
3598, "Development and Test of a Microwave Ice Accretion
Measurement Instrument (MIAMI)". Bei dieser letztgenannten
Vorrichtung wird ein in Resonanz schwingender, an der Ober
fläche befestigter Signalgeber benutzt, dessen Resonanzfre
quenz sich im Verhältnis zur Dicke einer über ihm liegenden
Eisschicht verändert. Ein Mikrocomputer überwacht die Reso
nanzfrequenz des Signalgebers und liefert eine ständige An
zeige der Eisdicke. Der Signalgeber ist als Resonanzwellen
leiter beschrieben. Bei noch einem weiteren Vereisungsmel
der, der in der NASA-Veröffentlichung 86346479 beschrieben
ist und auch als NASA-CASE-LAR-13403-1, "Ice Detector" be
zeichnet wird, werden zwei Kapazitätsmesser in Kombination
mit einem Temperaturmesser benutzt, die in einem Hohlraum
in einem Flugzeugbauteil befestigt sind. Der Temperaturmes
ser liefert eine Anzeige des Zustands von über ihm liegen
dem Wasser, d.h. fest oder flüssig, wogegen die Kapazitäts
messer eine Anzeige der Dicke liefern.
Die oben erwähnten Vereisungsmelder arbeiten nicht vollkom
men zufriedenstellend, was die auf alternative Vorrichtun
gen gerichteten Forschungsanstrengungen erkennen lassen.
Zum Beispiel erfordert die Radiometrie eine im wesentlichen
stationäre Oberfläche und eine große Stromquelle sowie eine
Antenne zum Beleuchten der zu betrachtenden Oberfläche. Der
Resonanzwellenleiter ist eine intrusive Vorrichtung und er
fordert eine direkt angeschlossene Stromquelle, was bei
Oberflächen zulässig sein kann, bei denen es auf die bauli
che Unversehrtheit nicht ankommt, aber die bauliche Unver
sehrtheit in Fällen beeinträchtigen kann, wo die bauliche
Unversehrtheit von solchen Oberflächen wesentlich ist.
Ebenso erfordert die Verwendung von Kapazitäts- und Tempe
raturmessern deren Intrusion in eine Oberfläche und ir
gendeine Form von direktem Anschluß zum Auslesen. Die Ver
wendung jedes dieser Systeme bei mit hoher Geschwindigkeit
drehenden Flugzeugpropellern könnte deshalb unlösbare Pro
bleme mit sich bringen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vereisungsmeldesystem zu
schaffen, welches die obigen und weitere Nachteile des
Standes der Technik überwindet.
Weiter soll durch die Erfindung ein nichtintrusives System
zum Bestimmen der Dicke von Wasser in flüssigem oder festem
Zustand an vorbestimmten Stellen auf einer Oberfläche ge
schaffen werden.
Ferner soll durch die Erfindung ein Vereisungsmeldesystem
geschaffen werden, das einen nichtintrusiven Signalgeber
hat, der zum Bestimmen von Vereisungszuständen fernabge
fragt werden kann.
Außerdem soll durch die Erfindung ein Vereisungsmeldesystem
geschaffen werden, das bei einem sich schnell drehenden
Flugzeugpropeller benutzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt
ein Vereisungsmeldesystem zum Erfassen (Detektieren des Zustands (d.h.
fest oder flüssig) und der Dicke von Wasser, das einer Flä
che überlagert ist, kurz gesagt, mehrere an der Oberfläche
befestigte Schwingkreise, die mit gegenseitigem Abstand an
vorbestimmten Stellen um die Oberfläche angeordnet sind,
wobei jeder Schwingkreis eine vorgewählte Resonanzfrequenz
hat, die sich aufgrund der Dicke von über ihm liegendem
Wasser verändert, ungeachtet dessen, ob es in seinem festen
Zustand (d.h. Eis) oder in seinem flüssigen Zustand ist.
Eine variable Frequenzerzeugungseinrichtung erzeugt ein Si
gnal, das um die Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises ver
ändert werden kann. Eine Empfängereinrichtung ist auf die
Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises abstimmbar und ent
hält eine Einrichtung zum Identifizieren der Resonanzfre
quenz jedes Schwingkreises und zum Bestimmen des Gütefak
tors Q jedes Schwingkreises. Eine Verarbeitungseinrichtung,
die auf die identifizierte Resonanzfrequenz und den ermit
telten Gütefaktor anspricht, ermittelt den Dickenzustand
von Wasser, das über jedem Schwingkreis liegt.
Jeder Schwingkreis wird vorzugsweise auf eine andere vorge
wählte Resonanzfrequenz abgestimmt, um eine Fernidentifi
zierung der Lage des Schwingkreises aus der Resonanzfre
quenz zu gestatten. Die Schwingkreise umfassen vorzugsweise
dünne Folienteile, von denen jedes seine eigene, eindeutige
Resonanzöffnung hat, die in ihm gebildet ist und durch emp
fangene Hochfrequenz- oder HF-Signale angeregt werden kann.
Die Dünnfilmschwingkreise können mit einer Zwischenschicht
unter der Oberfläche eines Propellerblattes verklebt und
mit einem nichtleitfähigen Oberflächenschutzüberzug, z.B.
einem Polyurethanüberzug, überlagert sein.
Die variable Frequenzerzeugungseinrichtung kann einen Hoch
frequenzfunksender umfassen, der in einem vorbestimmten
Frequenzbereich, welcher die Resonanzfrequenzen von sämtli
chen abgestimmten Schwingkreisen umfaßt, variabel gewobbelt
werden kann. Die Empfängereinrichtung kann durch den Sender
getastet werden, um die empfangenen Signale mit den gesen
deten Signalen zu korrelieren und die Lage jedes Schwing
kreises zu ermitteln. Die Verarbeitungseinrichtung bestimmt
die Dicke von Eis oder Flüssigkeit über jedem Resonanzkreis
aus der Resonanzfrequenz des betreffenden Schwingkreises
und dem Gütefaktor desselben. Die Verarbeitungseinrichtung
enthält vorzugsweise einen Mikrocomputer mit einem Spei
cher, in welchem eine Tabelle von vorbestimmten Resonanz
frequenzen und Gütefaktoren gespeichert ist, die den ver
schiedenen Dicken von Eis und Flüssigkeit über jedem der
Schwingkreise entsprechen. Durch Korrelieren der erfaßten
Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises und des berechneten
Gütefaktors dieser Schwingkreise kann die Verarbeitungsein
richtung aus der Suchtabelle die Dicke und den Zustand von
Wasser bestimmen, das über jedem der Schwingkreise liegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un
ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gastur
binentriebwerks mit mantellosem Fan, die ein
Paar Propeller zeigt, welche eine Art der
Verwendung der Erfindung veranschaulichen,
Fig. 2 eine ebene Darstellung einer Ausführungsform
eines Dünnfilmschwingkreises, der bei der
Erfindung verwendbar ist,
Fig. 3 ein Propellerblatt, das mehrere gegenseiti
gen Abstand aufweisende Schwingkreise mit
unterschiedlichen Resonanzfrequenzen zum
Melden von Vereisungszuständen an verschie
denen Stellen auf dem Blatt hat,
Fig. 4 ein Diagramm der Frequenz und der Amplitude
eines Anregungssignals zum Anregen der
Schwingkreise nach Fig. 3 im Vergleich mit
Signalen, die durch die Schwingkreise er
zeugt werden,
Fig. 5 ein alternatives Verfahren zum Anregen der
Schwingkreise nach Fig. 3 durch die Verwen
dung einer induktiven Kopplung,
Fig. 6 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Aus
führungsform eines Hochfrequenzgenerators
und -empfängers zur Ausführung der Erfin
dung, und
Fig. 7 eine alternative Ausführungsform eines
Schwingkreises zum Erzeugen eines Resonanz
signals mit dem Zweifachen der Frequenz des
Anregungssignals.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinen
triebwerks 10 mit mantellosem Fan, die zwei gegenläufige
Propeller 12 und 14 zeigt, welche durch das Triebwerk ange
trieben werden. Die Propeller 12, 14 haben jeweils mehrere
Propellerblätter 16 bzw. 18. An jedem Propellerblatt sind
mehrere Dünnfilmschwingkreise 20 befestigt. Die Schwing
kreise, die der Einfachheit der Darstellung halber nur an
einem der Propellerblätter 16 schematisch dargestellt sind,
können durch HF-Energie angeregt werden, welche von einem
Sender 22 gesendet wird, oder, in einer alternativen Aus
führungsform, durch eine HF-Quelle 24 gespeist werden, die
mit ihnen induktiv gekoppelt ist.
Fig. 2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines der an den
Blättern befestigten Schwingkreise 20. Jeder Schwingkreis
ist vorzugsweise ein hundeknochen- oder hantelförmiger
Schwingkreis aus einer dünnen Folie oder einem dünnen Film
aus elektrisch leitfähigem Material. Der Mittelteil 26 des
Schwingkreises weist zwei parallele leitfähige Folienele
mente auf, die eine Kapazität C haben, wogegen die kreis
förmigen Enden 28 des Schwingkreises jeweils eine Indukti
vität L haben. Die miteinander verbundenen Enden 28 und der
sie verbindende Mittelteil 26 bilden somit einen LC-Kreis,
der eine charakteristische Resonanzfrequenz hat. Die räum
lichen Abmessungen des Schwingkreises können verändert wer
den, um den Schwingkreis abzustimmen, wodurch seine Reso
nanzfrequenz verändert wird. In einer bevorzugten Ausfüh
rungsform sind die Schwingkreise 20, die in gegenseitigem
Abstand an verschiedenen vorbestimmten Stellen auf jedem
Propellerblatt 16, 18 gemäß Fig. 1 angeordnet sind, so be
messen, daß jeder Schwingkreis eine für ihn eindeutige Re
sonanzfrequenz hat. Das erlaubt, die Schwingkreise mit den
Propellerblättern in vorgewählten Positionen auf denselben
zu verkleben oder auf andere Weise zu verbinden, so daß Si
gnale aus jedem besonderen Schwingkreis der vorgewählten
Stelle zugeordnet werden können, indem die empfangene Reso
nanzfrequenz identifiziert wird.
Tabelle 1 veranschaulicht die Veränderung der Resonanzfre
quenz und des Gütefaktors Q für einen Typ von abgestimmtem
Schwingkreis aufgrund von unterschiedlichen Dicken (oder
Tiefen) des über ihm liegenden Eises oder Wassers. Der
Schwingkreis war anfänglich auf eine Resonanzfrequenz von
75 MHz bei einem Gütefaktor von 324 abgestimmt. Als der
Schwingkreis mit einer 3,18 mm (1/8 Zoll) Schicht flüssigen
Wassers bedeckt wurde, änderte sich die Resonanzfrequenz
auf 73,9 MHz und der Gütefaktor Q des Schwingkreises sank
auf 2,82. Als die Wasserdicke auf 6,35 mm (1/4 Zoll) erhöht
wurde, sank die Resonanzfrequenz weiter auf 73,3 MHz, und
der Gütefaktor sank sogar auf 255. Als der Schwingkreis mit
einer 3,18 mm (1/8 Zoll) Schicht Eis (statt flüssigen Was
sers) bedeckt wurde, fiel die Resonanzfrequenz auf 74,9
MHz, und der Gütefaktor stieg auf 340. Bei einer 6,35 mm
(1/4 Zoll) Schicht Eis fiel die Resonanzfrequenz auf 74,8
MHz, wogegen der Gütefaktor konstant auf 340 blieb. Somit
liefert die Resonanzfrequenz in Kombination mit dem Güte
faktor Q für den Schwingkreis bei dieser Frequenz eine An
zeige des Zustands des Wassers, das dem abgestimmten
Schwingkreis überlagert ist, d.h. eine Anzeige darüber, ob
das Wasser Eis oder flüssig ist, und außerdem eine Anzeige
über die Dicke der Schicht. Selbst bei einer Differenz von
3,18 mm (1/8 Zoll) in der Dicke ergibt sich eine Frequenz
änderung, die erfaßt werden kann.
Fig. 3 zeigt ein einzelnes Propellerblatt 16 mit mehreren
Dünnfilmschwingkreisen 20, die in Positionen A-F über die
Oberfläche des Propellerblattes verteilt sind. Jeder
Schwingkreis 20 hat eine andere Größe, so daß er eine ein
deutige Resonanzfrequenz hat, d.h. eine Resonanzfrequenz,
die sich von der der anderen Schwingkreise 20 unterschei
det. Der in Fig. 1 gezeigte Sender 22 erzeugt ein Signal
mit fester Amplitude und variabler Frequenz, mit welchem
jeder abgestimmte Schwingkreis 20 auf dem Propellerblatt 16
abgefragt oder angeregt wird.
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die konstante Amplitude
und die linear ansteigende Frequenz des HF-Signals aus dem
in Fig. 1 dargestellten Sender 22 zeigt und in welchem eine
Linie 27 den Verlauf eines korrelierten Resonanzsignals
zeigt, das durch jeden abgestimmten Schwingkreis 20 auf
grund der Anregungsfrequenz des von dem in Fig. 1 darge
stellten Sender 22 gesendeten HF-Signals erzeugt wird. Die
Resonanzsignale, die durch jeden Schwingkreis 20 in den Po
sitionen A-F in Fig. 3 erzeugt werden, können aufgrund
ihres zeitlichen Auftretens in bezug auf den Beginn eines
HF-Impulses aus dem Sender 22 unterschieden werden. Da die
Senderfrequenz von ihrem Anfang bis zu ihrem Ende im we
sentlichen linear ansteigt, sind die Resonanzfrequenzen
zeitlich verteilt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Zeit-
und deshalb die Frequenzkorrelation des gesendeten Signals
mit den Signalen, die aus den Schwingkreisen zurückkehren,
ermöglicht es, die Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises 20
ohne weiteres zu bestimmen. Jedes der korrelierten empfan
genen Signale kann auch auf bekannte Weise analysiert wer
den, um einen Meßwert des Gütefaktors Q jedes Schwingkrei
ses 20 zu ermitteln. Gemäß Tabelle I liefert der Gütefaktor
eine genaue Anzeige des Zustands von der Tiefe von jedwedem
Wasser, welches jedem Schwingkreis 20 überlagert ist.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die in
Fig. 5 dargestellt ist, ist eine HF-Erregerquelle 50 über
induktive Kopplungsvorrichtungen, die als Wicklungen eines
Transformators 51 dargestellt sind, mit jedem der abge
stimmten Schwingkreise 20 induktiv gekoppelt. Diese Anord
nung eliminiert zwar die Notwendigkeit des Sendens eines
abgestrahlten HF-Signals, erfordert jedoch das Koppeln ei
ner sich drehenden Erregerquelle mit dem sich drehenden
Teil der Gondel des in Fig. 1 gezeigten Triebwerks 10 neben
den Propellerblättern. Das wiederum erfordert das Koppeln
von HF-Energie mit dem umlaufenden Propellerblatt. Die HF-
Energiequelle kann zweckmäßig innerhalb der Gondel angeord
net sein und eine geeignete Sendeleitung zum Leiten von En
ergie zu einer induktiven Kopplungsvorrichtung (z.B. einer
Transformatorprimärwicklung) an der Nabe des umlaufenden
Propellerblattes aufweisen. Eine entsprechende Kopplungs
vorrichtung (z.B. eine Transformatorsekundärwicklung), die
an der Nabe des Propellerblattes befestigt ist, kann die
induktiv gekoppelte Energie empfangen, um sie über einen
geeigneten leitfähigen Weg 52 direkt auf die verschiedenen
Schwingkreise 20 auf dem Propellerblatt zu verteilen.
Sowohl bei der Methode, bei der abgestrahlte Signale gesen
det werden, als auch bei der induktiven Kopplungsmethode
stimmt die Arbeitsweise der Schwingkreise 20 mit der mit
Bezug auf Fig. 3 beschriebenen im wesentlichen überein.
Fig. 6 zeigt einen kombinierten HF-Generator und -Empfänger
eines Typs, der bei der Erfindung verwendet werden kann.
Der HF-Generator oder -Sender regt die Schwingkreise auf
jedem Propellerblatt an. Der Sender 30 enthält einen Pilot
signalgenerator 32, der ein Pilotsignal fester Frequenz er
zeugt. Dieses Signal wird benutzt, um das Vorhandensein ei
nes Propellerblattes in einer Position zu erfassen, in der
die an ihm befestigten Schwingkreise durch HF-Energie ange
regt werden können, welche von einer Antenne 34 gesendet
wird. Alternativ kann die Antenne durch einen Transformator
gemäß der Darstellung in Fig. 5 ersetzt werden. Der Empfän
ger 36 hat eine Empfangsantenne 38 zum Empfangen entweder
von reflektierter Energie von den Propellerblättern oder
von rückgesendeter Energie, welche durch die Schwingkreise
auf den Propellerblättern erzeugt wird. Das empfangene Si
gnal kann ebenso wie das gesendete Signal auch induktiv ge
koppelt werden. Wenn der Empfänger 36 ein reflektiertes Si
gnal erfaßt, welches der Frequenz des Pilotsignals ent
spricht, gibt der Empfänger ein Triggersignal an einen Wob
belfrequenz- oder frequenzveränderlichen Signalgenerator 40
in dem Sender 30 ab. Der Wobbelfrequenzgenerator 40 erzeugt
dann ein Wobbelfrequenzsignal, das mit dem Pilotsignal in
einem Summierer 33 addiert wird. Das Ausgangssignal des
Summierers 33 wird durch einen HF-Verstärker 42 verstärkt
und über die Antenne 34 gesendet. Das Wobbelfrequenzsignal
aus dem Signalgenerator 40 wird außerdem über einen Fre
quenzverdoppler 44 an den Empfänger 36 abgegeben.
Ein erwünschtes Merkmal des Vereisungsmeldesystems ist, daß
es möglich ist, zwischen Signalen zu unterscheiden, die von
einem Propellerblatt reflektiert werden, und Signalen, die
durch die verschiedenen Schwingkreise erzeugt werden. Ein
Verfahren zum Realisieren dieses Merkmals besteht darin,
die Schwingkreise so aufzubauen, daß sie bei einem Vielfa
chen der Erregerfrequenz aus dem Wobbelfrequenzgenerator 40
in Resonanz schwingen. Das Zweifache kann erzielt werden,
indem die Schwingkreise so modifiziert werden, wie es in
Fig. 7 dargestellt ist. Die grundlegende Forderung ist, daß
eine Spannung mit der Grundfrequenz einem nichtlinearen
Schaltungselement wie einer Halbleiterdiode aufgeprägt
wird. Der sich ergebende Strom, der dann jedem Schwingkreis
zugeführt wird, hat die Form einer stark verzerrten Sinus
schwingung, die in eine Reihe von Strömen mit Harmonischen
der Grundfrequenz aufgelöst werden kann. Wenn die Schal
tungsanordnung so ist, daß sie für eine gewählte Harmoni
sche des Stroms eine beträchtliche Impedanz hat, wird eine
Spannung bei dieser Harmonischen mit ausreichender Ampli
tude erzeugt, um das Entnehmen von Energie bei dieser Har
monischen durch Strahlung oder Übertragungsleitungskopplung
zu gestatten. Eine Schaltung 70 zum Erzeugen der vorgenann
ten harmonischen Spannung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist,
ist vorzugsweise der hantel- oder hundeknochenförmige
Schwingkreis 20, der in Fig. 2 gezeigt ist. Die Schaltung
70 wird vorzugsweise als ein Ausschnitt in einem leitfähi
gen Blech hergestellt, z.B. in die Folie einer Leiterplatte
geätzt oder in die metallische Oberfläche eines Propeller
blattes eingeprägt. Ein verlängerter Schlitz 72 wird so
eingeprägt oder geätzt, daß der gesamte Ausschnitt sowohl
bei der Grundfrequenz als auch bei der zweiten Harmonischen
des Treibersignals, das an die Schaltung angelegt wird, in
Resonanz schwingt. Derartige Doppelresonatoren sind be
kannt. Zum Erzeugen der Energie der zweiten Harmonischen
ist eine Halbleiterdiode 74, vorzugsweise in Form eines
Balkenleiterchips, über dem Schlitz 22 an einer Stelle an
geschlossen, an der sich eine optimale Energieumwandlung
ergibt.
Somit beinhaltet die Realisierung des Systems zur Erfassung
der zweiten Harmonischen eine Matrix von Doppelschwingkrei
sen, die über die Oberfläche des Propellerblattes verteilt
sind, und zwar mit einer Verteilung der Resonanzfrequenzen,
um die räumliche Lage von Eisbildung zu identifizieren, und
mit zusätzlicher Unterscheidungsmöglichkeit von unerwünsch
ten Reflexionen der Grundfrequenzsignale.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 gibt der Sender 30
HF-Energie an Schwingkreise der in Fig. 7 gezeigten Art auf
den Propellerblättern ab, während gleichzeitig ein Signal
mit dem Zweifachen der Wobbelfrequenz von dem Frequenzver
doppler 44 an den Empfänger 36 abgegeben wird. Das von dem
Sender gelieferte Signal ist die Summe des Pilotsignals aus
dem Signalgenerator 32 und dem Wobbelfrequenzsignal aus dem
Signalgenerator 40. Das Pilotsignal wird an den Empfänger
36 abgegeben, um das Erfassen des Signals zu ermöglichen,
das an den Propellerblättern reflektiert wird, wenn diese
mit der Sendeantenne 34 ausgerichtet sind. Das in der Fre
quenz verdoppelte Wobbelfrequenzsignal wird an den Empfän
ger 36 angelegt, um das Erfassen der in der Frequenz ver
doppelten Signale zu ermöglichen, die durch die Schwing
kreise an den Propellerblättern erzeugt werden.
Von den verschiedenen Arten von Empfängern, die zum Erfas
sen und Identifizieren von Signalen bekannter Frequenz
(innerhalb eines vorbestimmten Bereiches) und unbekannter
Phase benutzt werden können, zeigt Fig. 6 eine Ausführungs
form. Sowohl der Pilotsignalteil 36A des Empfängers 36 als
auch der Wobbelfrequenzteil 36B desselben sind im wesentli
chen identisch. Zu Erläuterungszwecken kann angenommen wer
den, daß das grundlegende Referenzsignal, das an jeden
Schwingkreis angelegt wird, durch den Ausdruck cos(ωct) de
finiert ist, wobei ωc die Signalfrequenz und t die Zeit re
präsentiert. Das empfangene Signal (an einem Propellerblatt
reflektiert oder durch einen Schwingkreis erzeugt) kann
durch den Ausdruck Acos(ωct+R) definiert werden, wobei R
eine unbekannte Phasenverschiebung ist. Ein weiteres Refe
renzsignal, sin(ωct), wird durch Phasenverschiebung des
grundlegenden Referenzsignals um -90° in einem Phasenschie
ber 46 erzeugt.
Das empfangene Signal Acos(ωct+R) wird mit cos(ωct) in
einem Multiplizierer 48 und mit sin(ωct) in einem Multipli
zierer 50 multipliziert, um Signale mit Frequenzsummen-
bzw. Frequenzdifferenzkomponenten zu erzeugen. Die resul
tierenden Signale werden dann jeweils an entsprechende
Tiefpaßfilter 52, 54 angelegt, welche dazu dienen, die Fre
quenzsummenkomponenten abzustreifen, so daß nur 1/2(AcosR)
und 1/2(AsinR) zurückbleiben. Jedes dieser Signale wird
dann in Multiplizierern 56 bzw. 58 quadriert, um die Si
gnale (1/2A)2cos2R und (1/2A)2sin2R zu erzeugen. Die Addi
tion dieser letztgenannten Signale in einem Summierer 60
ergibt das Signal (1/2A)2, das eine skalierte Version eines
Signals ist, welches die Energie in dem empfangenen Signal
repräsentiert.
Ein Prozessor 62 empfängt das Ausgangssignal des Summierers
60. Der Prozessor 62 kann ein Mikrocomputer sein, der Soft
ware enthält, die das Vergleichen und Erkennen von vorge
wählten Signalkennzeichen zum Freigeben des Wobbelfrequenz
signalgenerators 40 oder zum Liefern von Ausgangssignalen,
welche der Resonanzfrequenz und dem Gütefaktor Q eines emp
fangenen Signals entsprechen, ermöglicht. Im ersten Fall
kann der Prozessor 62 das empfangene Signal mit einer Refe
renzamplitude vergleichen, um den Generator 40 freizugeben,
wenn die Amplitude des empfangenen Signals bei der Refe
renzfrequenz die Referenzamplitude erreicht. Im zweiten
Fall kann der Prozessor 62′ auf das Signal (1/2A)2 unter
Verwendung von bekannten Beziehungen einwirken, um daraus
den Gütefaktor zu ermitteln und eine Anzeige der Resonanz
frequenz durch Korrelieren der Empfangszeit des Signals mit
der bekannten Wobbelfrequenzrate und der Wobbelstartzeit zu
liefern. Diese Information kann dem Prozessor 62′ durch den
Prozessor 62 geliefert werden, was durch die gestrichelte
Verbindung angegeben ist, oder, was praktischer ist, durch
Realisierung der Prozessoren 62, 62′ in einem einzelnen Mi
krocomputer.
Bei der Erfindung wird eine als ein Dünnfilmresonator aus
gebildete Resonanzvorrichtung benützt, die in einen Polyur
ethanüberzug auf der Oberfläche eines Propellerblattes ein
gebettet ist. Der Polyurethanüberzug bildet zusammen mit
dem Dielektrikum an der Oberfläche, zum Beispiel Luft, Was
ser oder Eis, das Dielektrikum der verteilten Kapazität des
abgestimmten Schwingkreises 20 nach Fig. 2 oder 70 nach
Fig. 7. Das Vorhandensein von Wasser, und in geringerem
Ausmaß von Eis, an der Resonanzvorrichtungsoberfläche ver
größert die Kapazität und verändert den Gütefaktor. Jeder
abgestimmte Schwingkreis 20 oder 70 ist so bemessen, daß
der Bereich der Resonanzfrequenz, die aus erwarteten Eis-
und Wasserschichten resultiert, die Bereiche von anderen
abgestimmten Schwingkreisen 20 oder 70 nicht überlappen
wird. Durch diese Auslegung wird jede Zweideutigkeit bei
dem Lokalisieren eines bestimmten Vereisungsgebietes ver
mieden.
Da die dielektrischen Eigenschaften von Eis und Wasser sich
stark unterscheiden, zum Beispiel hat Eis eine Dielektrizi
tätskonstante von 3,2 und einen Verlustfaktor von 0,003,
wogegen Wasser eine Dielektrizitätskonstante von 81 und
einen Verlustfaktor von 25,0 hat, ist es möglich, zwischen
Eis und Wasser an einer bestimmten Stelle durch die Reso
nanzverschiebung gekoppelt mit einem Q-Wert, der durch Si
gnalreflexion gemessen wird, zu unterscheiden. Selbst wenn
eine dünne Schicht flüssigen Wassers vorhanden wäre, die
dieselbe Resonanzverschiebung wie eine dickere Eisschicht
erzeugt, würde somit der viel niedrigere Gütefaktor Q auf
grund des höheren Verlustes von flüssigem Wasser somit er
möglichen festzustellen, welcher Zustand existiert.
Claims (13)
1. Vereisungsmeldesystem zum Detektieren des Zustands und der
Dicke von Wasser, das einer Oberfläche überlagert ist, ge
kennzeichnet durch:
mehrere Schwingkreise (20), die an vorbestimmten Stellen in gegenseitigem Abstand über eine elektrisch leitfähige Ober fläche verteilt sind und jeweils aus einem Ausschnitt in der Oberfläche bestehen und eine vorgewählte Resonanzfre quenz haben, die sich aufgrund der Dicke von über ihnen liegendem Eis oder flüssigen Wasser verändert;
eine in der Frequenz veränderliche Einrichtung (40) zum Er zeugen eines Sendesignals, das um die Resonanzfrequenz je des Schwingkreises (20) verändert werden kann, um jeden Schwingkreis zu veranlassen, aufgrund des Sendesignals ein Resonanzfrequenzsignal zu erzeugen;
eine Empfängereinrichtung (36), die auf die Resonanzfre quenz jedes Schwingkreises (20) abstimmbar ist und eine Einrichtung aufweist zum Identifizieren der Resonanzfre quenz jedes Schwingkreises (20) und zum Bestimmen des Güte faktors jedes Schwingkreises (20) aus den Resonanzfrequenz signalen, die durch die Schwingkreise erzeugt werden; und
eine Verarbeitungseinrichtung (62, 62′), die aufgrund der identifizierten Resonanzfrequenz und des ermittelten Güte faktors für jeden Schwingkreis den Zustand und die Dicke des über jedem Schwingkreis liegenden Wassers bestimmt.
mehrere Schwingkreise (20), die an vorbestimmten Stellen in gegenseitigem Abstand über eine elektrisch leitfähige Ober fläche verteilt sind und jeweils aus einem Ausschnitt in der Oberfläche bestehen und eine vorgewählte Resonanzfre quenz haben, die sich aufgrund der Dicke von über ihnen liegendem Eis oder flüssigen Wasser verändert;
eine in der Frequenz veränderliche Einrichtung (40) zum Er zeugen eines Sendesignals, das um die Resonanzfrequenz je des Schwingkreises (20) verändert werden kann, um jeden Schwingkreis zu veranlassen, aufgrund des Sendesignals ein Resonanzfrequenzsignal zu erzeugen;
eine Empfängereinrichtung (36), die auf die Resonanzfre quenz jedes Schwingkreises (20) abstimmbar ist und eine Einrichtung aufweist zum Identifizieren der Resonanzfre quenz jedes Schwingkreises (20) und zum Bestimmen des Güte faktors jedes Schwingkreises (20) aus den Resonanzfrequenz signalen, die durch die Schwingkreise erzeugt werden; und
eine Verarbeitungseinrichtung (62, 62′), die aufgrund der identifizierten Resonanzfrequenz und des ermittelten Güte faktors für jeden Schwingkreis den Zustand und die Dicke des über jedem Schwingkreis liegenden Wassers bestimmt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß je
der Schwingkreis (20) auf eine andere vorgewählte Resonanz
frequenz abgestimmt ist, wobei jede Resonanzfrequenz so ge
wählt ist, daß sie eine Fernidentifizierung der Lage jedes
Schwingkreises (20) aus der durch diesen erzeugten Reso
nanzfrequenz gestattet.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Resonanzkreis (20) mit der frequenzveränderlichen
Sendesignalerzeugungseinrichtung (50) induktiv gekoppelt
ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Oberfläche ein elektrisch leitfähiges
Material aufweist und daß jeder Schwingkreis (20) aus einem
Ausschnitt in dem elektrisch leitfähigen Material besteht.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je
der Schwingkreis (20) eine hantelförmige Konfiguration auf
weist, die zwei Abstand voneinander aufweisende kreisför
mige Enden (28) hat, welche durch ein Gebiet (26) miteinan
der verbunden sind, das insgesamt parallele Begrenzungen
hat.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß je
der Schwingkreis (70) einen Fortsatz (72) aufweist, der
sich rechtwinkelig zu dem Gebiet erstreckt, welches insge
samt parallele Begrenzungen hat, und eine Halbleiterdiode
(74), die parallel an den Fortsatz angeschlossen ist.
7. Verfahren zum Melden von Vereisung auf einer Oberfläche
von elektrisch leitfähigem Material, in die Schwingkreise
durch Entfernen von Teilen des Materials eingebettet sind,
wobei jeder dieser Teile ein vorbestimmtes Profil hat und
jeder Schwingkreis auf eine separate vorgewählte Resonanz
frequenz abgestimmt ist, gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
Senden eines HF-Signals, das sich über einem vorbestimmten Bereich, welcher die Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises enthält, verändert, so daß jeder Schwingkreis mit seiner eigenen Resonanzfrequenz angeregt wird;
Erfassen von Signalen, die durch wenigstens einige der Schwingkreise erzeugt werden, welche durch das gesendete HF-Signal angeregt werden;
Bestimmen jeder Abweichung der Frequenz jedes erfaßten Si gnals von der vorgewählten Resonanzfrequenz für den Schwingkreis, der das erfaßte Signal erzeugt;
Berechnen des Gütefaktors jedes Schwingkreises aus den er faßten Signalen, die durch die Schwingkreise erzeugt wer den; und
Bestimmen des Zustands und der Dicke einer Schicht Wasser, die den Schwingkreisen überlagert ist, aus der Frequenz der erfaßten Signale und den Gütefaktoren derselben.
Senden eines HF-Signals, das sich über einem vorbestimmten Bereich, welcher die Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises enthält, verändert, so daß jeder Schwingkreis mit seiner eigenen Resonanzfrequenz angeregt wird;
Erfassen von Signalen, die durch wenigstens einige der Schwingkreise erzeugt werden, welche durch das gesendete HF-Signal angeregt werden;
Bestimmen jeder Abweichung der Frequenz jedes erfaßten Si gnals von der vorgewählten Resonanzfrequenz für den Schwingkreis, der das erfaßte Signal erzeugt;
Berechnen des Gütefaktors jedes Schwingkreises aus den er faßten Signalen, die durch die Schwingkreise erzeugt wer den; und
Bestimmen des Zustands und der Dicke einer Schicht Wasser, die den Schwingkreisen überlagert ist, aus der Frequenz der erfaßten Signale und den Gütefaktoren derselben.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den
Schritt Erzeugen einer Tabelle von Werten der Frequenz und
des Gütefaktors für den flüssigen und den festen Zustand
von Wasser als Funktion der Dicke der Wasserschicht, wobei
der Schritt des Bestimmens des Zustands und der Dicke der
Wasserschicht den Schritt beinhaltet, die Frequenz der er
faßten Signale und den berechneten Gütefaktor mit der Wer
tetabelle zu vergleichen.
9. Vereisungsmeldesystem für ein Flugzeugpropellerblatt,
gekennzeichnet durch:
mehrere Dünnfilmschwingkreise (20, 70), die mit einer unter der Oberfläche eines Propellerblattes (16) gelegenen Zwi schenschicht verbunden und von einem nichtleitfähigen Ober flächenschutzüberzug überlagert und jeweils auf eine vorge wählte Frequenz abgestimmt sind;
eine HF-Erzeugungseinrichtung (30) zum Erzeugen eines Pi lotsignals (32) fester Frequenz und eines gewobbelten Fre quenzsignals, wobei das gewobbelte Frequenzsignal einen Be reich durchläuft, der die vorgewählte Frequenz enthält;
eine Empfängereinrichtung (36) zum Erfassen von HF-Signalen in einem Bereich, der die vorgewählte Frequenz enthält, wobei die Empfängereinrichtung auf den Empfang des Pilotsi gnals anspricht, das an dem Propellerblatt (16) reflektiert wird, und der HF-Erzeugungseinrichtung (30) signalisiert, das gewobbelte Frequenzsignal einzuleiten, und wobei die Empfängereinrichtung (36) weiter auf den Empfang von Reso nanzfrequenzsignalen anspricht, die durch die Schwingkreise (20, 70) aufgrund des gewobbelten Frequenzsignals erzeugt werden, um die Resonanzfrequenz und den Gütefaktor der Schwingkreise (20) zu bestimmen; und
eine Verarbeitungseinrichtung (62, 62′) zum Bestimmen der Dicke von Eis auf dem Propellerblatt (16) aus der ermittel ten Resonanzfrequenz und dem ermittelten Gütefaktor.
mehrere Dünnfilmschwingkreise (20, 70), die mit einer unter der Oberfläche eines Propellerblattes (16) gelegenen Zwi schenschicht verbunden und von einem nichtleitfähigen Ober flächenschutzüberzug überlagert und jeweils auf eine vorge wählte Frequenz abgestimmt sind;
eine HF-Erzeugungseinrichtung (30) zum Erzeugen eines Pi lotsignals (32) fester Frequenz und eines gewobbelten Fre quenzsignals, wobei das gewobbelte Frequenzsignal einen Be reich durchläuft, der die vorgewählte Frequenz enthält;
eine Empfängereinrichtung (36) zum Erfassen von HF-Signalen in einem Bereich, der die vorgewählte Frequenz enthält, wobei die Empfängereinrichtung auf den Empfang des Pilotsi gnals anspricht, das an dem Propellerblatt (16) reflektiert wird, und der HF-Erzeugungseinrichtung (30) signalisiert, das gewobbelte Frequenzsignal einzuleiten, und wobei die Empfängereinrichtung (36) weiter auf den Empfang von Reso nanzfrequenzsignalen anspricht, die durch die Schwingkreise (20, 70) aufgrund des gewobbelten Frequenzsignals erzeugt werden, um die Resonanzfrequenz und den Gütefaktor der Schwingkreise (20) zu bestimmen; und
eine Verarbeitungseinrichtung (62, 62′) zum Bestimmen der Dicke von Eis auf dem Propellerblatt (16) aus der ermittel ten Resonanzfrequenz und dem ermittelten Gütefaktor.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß je
der Schwingkreis (20, 70) auf eine vorgewählte Frequenz ab
gestimmt ist, die von der vorgewählten Frequenz verschieden
ist, auf die jeder andere Schwingkreis (20, 70) abgestimmt
ist, und daß die Verarbeitungseinrichtung (62, 62′) eine
Einrichtung aufweist zum Korrelieren jedes aus den Schwing
kreisen empfangenen Resonanzfrequenzsignals mit einem vor
bestimmten Schwingkreis (20, 70), um die Eisdicke auf dem
Propellerblatt (16) mit der Lage jedes Schwingkreises (20,
70) zu korrelieren.
11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Schwingkreis (20, 70) ein mit ihm elektrisch ver
bundenes nichtlineares Element aufweist, welches bewirkt,
daß die Schwingkreise Energie mit einer Harmonischen der
Grundresonanzfrequenzen aussenden.
12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß jeder Schwingkreis (20, 70) einen hantel
förmigen leitfähigen Weg umfaßt, der aus einem elektrisch
leitfähigen Folienmaterial so gebildet ist, daß er zwei ge
genseitigen Abstand aufweisende kreisförmige Enden (28)
hat, die durch zwei insgesamt parallele Leiter (26) mitein
ander verbunden sind.
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
einer der Leiter (26) in den Schwingkreisen (70) ein Paar
insgesamt rechtwinkeliger Fortsätze (72) und eine zwischen
diese geschaltete Halbleiterdiode (74) aufweist.
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