DE10160522A1 - Optisches Sensorsystem zur Erfassung von Eisbildungen - Google Patents

Abstract

Ein optisches Sensorsystem zur Erfassung von Eisbildung, mit einer Strahlungsquelle, deren Strahlung ein erster faseroptischer Lichtleiter auf ein Sensorelement führt, dessen Sensorfläche die Strahlung reflektiert und die reflektierte Strahlung einem Strahlungsempfänger mittels eines zweiten faseroptischen Lichtleiters zuführt, der ein der jeweiligen Strahlungsintensität entsprechendes elektrisches Signal erzeugt und an eine Auswerteeinheit weiterleitet, besitzt als Sensorelement ein Reflexionsprisma, in dessen Hypotenusenfläche die vom ersten faseroptischen Lichtleiter transportierte Strahlung unter senkrechtem Lichteinfall eingekoppelt, an den Dachflächen reflektiert und in Richtungsumkehr nach senkrechtem Lichtaustritt aus der Hypotenusenfläche auf die Lichteintrittsfläche des zweiten faseroptischen Lichtleiters gelenkt wird, wobei bei fehlender Eisbedeckung der Dachflächen eine Totalreflexion und bei vorhandener Eisbedeckung eine nur teilweise Reflexion der eingekoppelten Strahlung erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem zum Erfassen von Eisbildungen unter atmosphärischen Bedingungen. Die während der kalten Jahreszeit häufig auftretenden Vereisungen an technischen Anlagen zur Energieerzeugung oder dem Funkverkehr, auf Straßen und Flugplätzen sowie an Fahrzeugen u. a., die fortwährend der natürlichen Witterung ausgesetzt sind, stellen ein erhebliches Gefahrenpotential dar. Sie können nicht nur zu Zerstörungen an den betroffenen Einrichtungen selbst führen, sondern auch erhebliche Personenschäden zur Folge haben.
• Sogenannte Eissensoren sind vor allem aus der Kraftfahrzeugtechnik zur Ermittlung des Vereisungszustandes der Windschutzscheibe in mannigfaltigen Ausführungen bekannt. Häufig sind solche Systeme mit Heizvorrichtungen zur Scheibenbeheizung oder auch mit der Scheibenwischeranlagen gekoppelt, die durch vom Sensor abgegebene elektrische Signale angesteuert werden.
• Bekannt wurden aber auch Eissensoren für stationäre Einrichtungen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Es werden hierbei vor allem elektrische und optische Meßprinzipien benutzt. So gibt es beispielsweise Sensorsysteme, die auf die vom Niederschlag oder einer Eisbildung hervorgerufene Widerstands- oder Kapazitätsänderungen reagieren und dies, zur Anzeige bringen. Sensorsystemen, die auf Lichtmeßverfahren basieren, sind unter anderem dann der Vorzug zu geben, wenn diese im Freien an technischen Anlagen in großer Höhe über dem Erdboden angebracht werden sollen und atmosphärische Entladungen, z. B. durch Blitzschlag nicht ausszuschließen sind. Denn die auf elektrischen Meßprinzipien basierenden Eissensoren sind dann besonders gefährdet und im hohen Maße störanfällig.
• Aus DE-PS 350 06 317 ist ein Eisdetektor für ein Eiswarnsystem bekannt, bei dem Licht einer Strahlungsquelle auf eine lichtdurchlässige Detektionsfläche gerichtet und das an dieser Fläche reflektierte Licht von einem Strahlungsempfänger registriert wird. Die Reflexion des eingestrahlten Lichtes ist dann besonders groß, wenn sich Eis auf der Detektionsfläche ablagert hat, während ansonsten das Licht ungehindert hindurch treten kann. Zur Übertragung des Lichtes von der Strahlungsquelle zur Detektionsfläche und des reflektierten Lichts von der Detektionsiläche auf den Strahlungsempfänger werden faseroptische Lichtleiter benutzt, die hierbei als 4-Tor-Verzweiger, Y-Verzweiger oder auch als teilweise gespleisste Lichtleiter ausgeführt sind. Die Einrichtung ist von einfachem Aufbau, auch wird das Nutz-/Störsignal-Verhältnis als ausreichend beschrieben. Allerdings ist der Reflexionsgrad von Eis von dessen häufig wechselndem Kristallisationszustand so stark abhängig, daß die Meßgenauigkeit einer derartigen Einrichtung für viele Anwendungen nicht ausreichen kann.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Sensorsystem für die Erfassung von Eisbildungen zu schaffen, das nach optischen Meßprinzipien arbeitet und das auch unter unterschiedlichsten Außenbedingungen zuverlässig ist und eine ausreichende Meßgenauigkeit gewährleistet. Die Meßeinrichtung soll robust sein und eine Justierung mit geringem Aufwand erlauben. Unter Verwendung von entsprechend angepaßten optischen Bauelementen sollen die Lichtverluste möglichst gering bleiben und auch die Störeinflüsse durch unerwünschte Fremdstrahlung weitgehend unterdrückt werden können. Das Sensorsystem sollte sich insbesondere für eine Anbringung in größerer Höhe, wie z. B. an Tragsäulen von Windkraftmaschinen oder Masten von Energiefreileitungen usw. eignen. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Sensorsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruches verwendet, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Sensorelement ein Reflexionsprisma ist, in dessen Hypotenusenfläche die vom ersten faseroptischen Lichtleiters transportierte Strahlung unter senkrechtem Lichteinfall eingekoppelt, an den Dachflächen reflektiert und in Richtungsumkehr nach senkrechtem Lichtaustritt aus der Hypotenusenfläche auf die Lichteintrittsfläche des zweiten faseroptischen Lichtleiters gelenkt wird. Die Dachflächen des Reflexionsprisma bilden die Sensorflächen des Meßsytems. Die in das Reflexionsprisma einfallende Strahlung wird an diesen Flächen totalreflektiert, weil der Lichteinfallswinkel hierbei größer als der Grenzwinkel für die Totalreflexion für den Übergang Glas/Luft ist. Sind aber eine oder auch beide Dachflächen mit einer Eisschicht bedeckt, vergrößert sich dieser Grenzwinkel wegen des Übergang zwischen den Medien Glas/Eis. Infolge der gestörten Totalreflexion wird die einfallende Strahlung an den Dachflächen des Prismas dann nur noch teilweise reflektiert und aus dem Prisma ausgelenkt. Ein beträchtlicher Anteil der Gesamtstrahlung tritt dagegen ohne Reflexion aus den Dachflächen aus. Weil die Strahlung nacheinander auf zwei reflektierende Flächen auftrifft, wird dieser Effekt und damit auch die Meßempfindlichkeit der Anordnung noch wesentlich verstärkt. Der Strahlungsempfänger registriert die abgeschwächte Intensität der reflektierten Strahlung und erzeugt ein elektrisches Signal entsprechender Größe. Durch den senkrechten Durchtritt der Strahlung durch die Hypotenusenfläche des Reflexionsprima bleiben hierbei auftretende Strahlungsverluste auf ein Minimum beschränkt.
• Die Verwendung der flexiblen faseroptischen Lichtleitkabel gestattet es zudem, das Sensorelement auch an schwer zugänglichen Orten, etwa in der Nähe einer Mastspitze und auch in größerer Entfernung zur Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger anzubringen. Dadurch kann die Störanfälligkeit einer solchen Anordnung verringert werden, zumal auch die bei atmosphärischen Entladungen besonders gefährdeten elektrischen Zuleitungen und dergleichen hier völlig fehlen.
• Um den Einfluß von Fremdstrahlung auf das Meßergebnis möglichst gering zu halten, sollten die vom Meßlicht nicht beaufschlagten Flächenbereiche des Reflexionsprismas mit einem lichtundurchlässigen Lack abgedeckt werden.
• Den robuste Aufbau des Sensorsystems läßt sich noch dadurch verstärken, indem man auf die Hypotenusenfläche des Reflexionsprismas die zugehörigen Enden der faseroptischen Lichtleitkabel direkt aufgesetzt und mit dieser Prismenfläche fest verkittet. Zur Vermeidung von unerwünschten Reflexionsverlusten sollten sich die Brechungsindizes des Prismenmaterials, der Einzelfasern der Lichtleiter sowie des optischen Kittes nur geringfügig voneinander unterscheiden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert. Von einer Strahlungsquelle 1, z. B. einer Lumineszenzdiode, wird die Strahlung durch einen faseroptischen Lichtleiter 2, dessen Einzelfasern aus Quarzglas bestehen, auf ein Reflexionsprisma 3 mit einer Hypotenusenfläche 4 und Dachflächen 5 und 6 gelenkt. Das Strahlenbündel tritt durch die Hypotenusenfläche hindurch und wird nacheinander an den Dachflächen des Prismas vollständig reflektiert, sofern die Lichteinfallswinkel α₁, α₂ größer als der Grenzwinkel für die Totalreflexion sind. Als Reflexionsprisma wird hier ein rechtwinkliges Prisma verwendet, so daß der Lichteinfallswinkel sowie der Reflexionswinkel bei senkrechten Lichteintritt durch die Hypotenusenfläche 45° betragen. Hingegen liegt der Grenzwinkel für eine Totalreflexion für Übergang Glas/Luft bei ca. 42°. In Richtungsumkehr gelangt die totalreflektierte Strahlung aus dem Reflexionsprisma durch einen faseroptischen Lichtleiter 7 auf einen Strahlungsempfänger 8, z. B. eine Photodiode, der ein der einfallenden Strahlungsintensität entsprechendes Signal an eine Auswerteeinheit 9 abgibt. Ist auf den Dachflächen 5, 6 des Prismas ein Eisbelag vorhanden, wird der Grenzwinkel für die Totalreflexion größer und liegt beim Grenzübergang zwischen den Medien Glas/Eis bei Werten von ca. 60°. Es wird dann nur noch ein kleiner Teil der einfallenden Gesamtstrahlung an den Reflexionsflächen umgelenkt und auf den Strahlungsempfänger gerichtet und das entsprechende elektrische Signal in der Auswerteeinheit angezeigt. Hingegen tritt der restliche Strahlungsanteil durch die Dachflächen 5 und 6 des Reflexionsprisma nach außen aus.
• Bei der hier beschriebenen Anordnung sind die Änderungen in den Meßwerten beim Übergang von der vollständigen zur gestörten Totalreflexion so beträchtlich, so daß eine für viele Anwendungszwecke völlig ausreichende Empfindlichkeit vorhanden ist.
• Das Ausführungsbeispiel kann nur die Hauptmerkmale der Erfindung aufzeigen. So ist es z. B. möglich, das die Strahlungsquelle gepulstes Licht aussendet, um damit den eventuell noch störenden Einfluß von aus der Umgebung einfallendem Gleichlicht eliminieren zu können. Auch läßt sich das Licht des Strahlungsempfänger unter Verwendung von weiteren faseroptischen Lichtleitern auf mehrere Sensorelemente lenken. Ferner könnte die Auswerteeinheit eine Heizungsvorrichtung ansteuern, um bei Bedarf das auf dem Reflexionsprisma befindliche Eis wieder abzutauen und das System erneut in den funktionsbereiten Zustand zu versetzen.

Claims (4)

1. Optisches Sensorsystem zur Erfassung von Eisbildung, mit einer Strahlungsquelle, deren Strahlung ein erster faseroptischer Lichtleiter auf ein Sensorelement führt, dessen Sensorfläche die Strahlung reflektiert und die reflektierte Strahlung einem Strahlungsempfänger mittels eines zweiten faseroptischen Lichtleiters zuführt, der ein der jeweiligen Strahlungsintensität entsprechendes elektrisches Signal erzeugt und an eine Auswerteeinheit weiterleitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement ein Reflexionsprisma ist, in dessen Hypotenusenfläche die vom ersten faseroptischen Lichtleiters transportierte Strahlung unter senkrechtem Lichteinfall eingekoppelt, an den Dachflächen reflektiert und in Richtungsumkehr nach senkrechtem Lichtaustritt aus der Hypotenusenfläche auf die Lichteintrittsfläche des zweiten faseroptischen Lichtleiters gelenkt wird, wobei bei fehlender Eisbedeckung der Dachflächen eine Totalreflexion und bei vorhandener Eisbedeckung eine nur teilweise Reflexion der eingekoppelten Strahlung erfolgt.

2. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Nutzlicht der Strahlungsquelle nicht beaufschlagten Flächenbereiche des Reflexionsprismas mit einem lichtundurchlässigen Lack abgedeckt sind.

3. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Hypotenusenfläche des Reflexionsprismas die zugehörigen Enden der faseroptischen Lichtleiter direkt aufgesetzt und mit dem Reflexionsprisma fest verkittet sind.

4. Optisches Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle als Impulslichtquelle betrieben wird.