DE102008044738B4 - Sensoranordnung und Detektionsverfahren zur Messung einer Eisschicht - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung einer Eisschicht auf einer Außenoberfläche einer Außenwand eines Luftfahrzeugs oder eines Rotorblatts mit einer Sensoreinheit, die eine Ultraschallgebereinrichtung und eine Ultraschallempfängereinrichtung aufweist undan einer Innenseite der Außenwand angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einer solchen Sensoranordnung und ein Verfahren zur Erfassung einer solchen Eisschicht.
- Sensoranordnungen zur Erfassung einer Eisschicht auf einer Oberfläche einer Außenwand sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die
DE 10 2006 009 480 A1 ein aerodynamisches Profil für Luftfahrzeuge und Windkraftanlagen. In einem aerodynamischen Profil sind dazu Ultraschallgeber an verschiedenen Positionen angeordnet, die Ultraschallwellen in verschiedene Richtungen aussenden. Durch Messung einer Laufzeit der Signale wird ermittelt, an welchen Stellen des Profils Eis angelagert ist. - Die
US 4,461,178 A zeigt ein Verfahren zur Detektion von Eis auf einer Tragfläche. Ein Impulsgeber und ein Empfänger sind an unterschiedlichen Stellen der Tragfläche angeordnet. Der Sender sendet Oberflächenwellen aus, die von dem Empfänger erfasst werden. Wenn sich auf der Oberfläche Eis bildet, werden die Wellen auf dem Weg zum Empfänger gedämpft. Eine Anzeige warnt dann vor Eisbildung. Eine Messung der Dicke des Eises ist nicht vorgesehen. - Die
US 4,628,736 A , dieUS 4,833,660 A und dieUS 5,507,183 A zeigen jeweils Eisdickensensoren, die in Öffnungen der zu überwachenden Außenwand angeordnet sind. Eine solche Anbringung schwächt die Außenwand und ist daher nicht immer wünschenswert. - Aus der
US 5,095,754 A geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Eisschicht auf einer Oberfläche hervor. Eine reflektierende Schicht ist zur Kalibrierung in die Außenwand eingelassen. Die Messung der Schichtdicken findet durch eine Laufzeitmessung statt. - In der
US 6,731,225 B2 wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Impedanz der Kombination aus Eis und der Außenwand gemessen wird und daraus die Dicke der Eisschicht ermittelt wird. - Die
US 5,038,615 A zeigt eine tragbare Vorrichtung, die mittels Laufzeitmessung die Dicke von Farbschichten auf eine Oberfläche ermitteln kann. Ähnliche Verfahren und Vorrichtungen sind in derUS 5,866,819 A und derUS 5,974,886 A beschrieben. - Aufgrund des großen Impedanzunterschiedes zwischen Eis und den meisten anderen Materialien sind diese Vorrichtungen und Verfahren nicht zur Detektion einer Eisschicht auf einem Material verwendbar.
- Die
EP 1 336 564 A2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Eisschichtdicke an einem Flugzeug. An der Innenseite der Tragflächenoberfläche sind Signalwandler angebracht, die die den Strom und den Phasenwinkel des Stroms in Relation zur angelegten Spannung messen. Aus diesen Daten wird die Widerstandskoponente der Impedanz berechnet und daraus die Dicke der Eisschicht bestimmt. Die Datenverarbeitung in diesem Verfahren erfordert mehrere Schritte un damit einen erhöhten Rechenaufwand. - Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die einfach zu integrieren ist. Des Weiteren sollen ein entsprechendes Verfahren und ein Luftfahrzeug mit einer solchen Sensoranordnung zur Verfügung gestellt werden.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, bei einer Sensoranordnung der eingangs genannten Art eine Kopplungsschicht vorzusehen, welche die Innenseite der Außenwand und die Sensoreinheit miteinander koppelt. Des Weiteren werden erfindungsgemäß ein Luftfahrzeug nach Anspruch 6 und ein Detektionsverfahren nach Anspruch 7 vorgeschlagen.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Sensoranordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Die erfindungsgemäße Sensoranordung kann an der Innenseite eines Objekts angeordnet werden. Durchbrüche durch die Außenwand sind nicht notwendig. Somit wird die Stabilität der Außenwand nicht beeinträchtigt. Zusätzlich ist die Sensoreinheit vor äußeren Einwirkungen, beispielsweise Korrosion, geschützt.
- Die Kopplungsschicht kann aus einem Ultraschallwellen dämpfenden Material gebildet sein. Dadurch werden insbesondere parasitäre Reflexionen aus der Außenwand gedämpft, so dass die erwünschten Reflexionen aus der Eisschicht deutlicher erkennbar werden.
- Zur Ermittlung der Dicke der Eisschicht ist vorteilhaft eine Signalprozessoreinrichtung vorgesehen, welche die Signale der Ultraschallempfängereinrichtung verarbeitet. Signalprozessoren können Laufzeitmessungen mit hoher Genauigkeit durchführen und durch Softwarefilter die Erkennung der einzelnen Reflexionen verbessern.
- Die erfindungsgemäße Sensoranordnung sowie das erfindungsgemäße Detektionsverfahren sind in bevorzugter Ausgestaltung zur Eisdickenmessung durch eine Metallschicht ausgebildet.
- Die Außenwand ist vorteilhaft aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, gebildet. Derartige Metalle finden insbesondere im Flugzeugbau Verwendung.
- Eine Mehrzahl von Sensoreinheiten ist vorteilhaft vorgesehen, die an unterschiedlichen Stellen an der Innenseite der Außenwand angeordnet sind. Wenn sich an der Außenwand Eis bildet, dann werden oftmals Luftblasen in das Eis eingeschlossen. Verdecken diese Luftblasen eine einzelne Sensoreinheit, so ist aufgrund der Verfügbarkeit mehrerer Sensoreinheiten an verschiedenen Messpunkten trotzdem eine korrekte Messung gewährleistet.
- Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Sensoranordnung vorgeschlagen.
- Erfindungsgemäß ist ein Detektionsverfahren zur Erfassung einer Eisschicht auf einer Außenoberfläche einer Außenwand eines Luftfahrzeugs oder eines Rotorblatts vorgesehen. Eine Sensoreinheit, die eine Ultraschallgebereinrichtung und eine Ultraschallempfängereinrichtung aufweist und an einer Innenseite der Außenwand angeordnet ist, sendet Messimpulse aus und empfängt die Messimpulse und/oder deren Reflexionen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Messimpulse mittels einer Kopplungsschicht, die bevorzugt dämpfungsoptimiert ausgebildet ist, in die Außenwand eingekoppelt werden. Dadurch ist es möglich, parasitäre Reflexionen in dem Messergebnis zu dämpfen.
- Vorteilhafterweise werden die Messimpulse mittels einer bewusst dämpfenden Kopplungsschicht in die Außenwand eingekoppelt.
- Vorteilhaft wird der zeitliche Abstand zwischen der Aussendung der Messimpulse und Empfang der Messimpulse und/oder deren Reflexionen von einer Signalprozessoreinrichtung zur Ermittlung der Dicke der Eisschicht herangezogen. Dies erlaubt eine zuverlässige und präzise Bestimmung der Schichtdicke.
- Weiter ist vorteilhaft vorgesehen, dass mehrere Sensoreinheiten nacheinander eine Detektion durchführen. Dadurch wird vermieden, dass sich die Sensoreinheiten durch die Aussendung von Ultraschallimpulsen gegenseitig stören. Des Weiteren ist es möglich, durch einen Vergleich der unterschiedlichen Ergebnisse der Sensoreinheiten eine Verdeckung des Sensors, beispielsweise durch Lufteinschlüsse in der Eisschicht, zu erkennen. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung wird dadurch erhöht.
- Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In den die Ausführungsbeispiele lediglich schematisch darstellenden Zeichnungen veranschaulichen im Einzelnen:
-
1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Eisdickenmessung, die an einer Außenwand befestigt ist; -
2 ein Diagramm zur Erläuterung der Reflexionswege bei der Laufzeitmessung; -
3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung der Kopplungsschicht; -
4 ein Diagramm mit einem Messergebnis der Ultraschallempfängereinrichtung, wenn keine Kopplungsschicht eingesetzt wird; -
5 ein Diagramm des Messergebnisses der Ultraschallempfängereinrichtung, wenn eine Kopplungsschicht verwendet wird; -
6 eine perspektivische Ansicht einer möglichen Anordnung mehrerer Sensoreinheiten und -
7 eine beispielhafte Anordnung von Sensoreinheiten in einer Tragfläche eines Luftfahrzeugs. -
1 zeigt eine Sensoranordnung10 , die eine Sensoreinheit12 aufweist. Eine Ultraschallgebereinrichtung14 und eine Ultraschallempfängereinrichtung16 sind in die Sensoreinheit12 integriert. Die Sensoreinheit12 ist mittels einer Kopplungsschicht18 mit einer Innenseite20a einer Außenwand20 gekoppelt. Die Kopplungsschicht18 ist derart ausgebildet, dass an den Übergängen zwischen Sensoreinheit12 und der Kopplungsschicht18 sowie zwischen der Kopplungsschicht18 und der Außenwand20 nur vernachlässigbare Verluste entstehen. - Die Außenwand
20 ist aus einer Aluminiumlegierung gebildet. - Die Sensoreinheit
12 ist mit einer Signalprozessoreinrichtung24 verbunden, welche die Ultraschallgebereinrichtung14 steuert und die Messungen der Ultraschallempfängereinrichtung16 auswertet. - Auf einer Außenoberfläche
20b der Außenwand20 befindet sich in dem in1 gezeigten Fall eine Eisschicht22 . Zur Messung der Dicke dieser Eisschicht22 wird von der Ultraschallgebereinrichtung14 ein Ultraschallsignal erzeugt und über die Kopplungsschicht18 in die Außenwand20 eingebracht. - Die Sensoreinheit
12 bildet somit einen Ultraschallprüfkopf mit Sender und Empfänger, der hinter einer Metallschicht angebracht wird, um durch diese Eis auf der Außenoberfläche20b zu detektieren. Zwischen der Außenwand20 und der Sensoreinheit12 befindet sich eine dämpfende Kopplungsschicht18 . - In
2 sind die Laufwege des Ultraschallsignals über die Zeit t in den verschiedenen Schichten18 ,20 ,22 gezeigt. Das Ultraschallsignal wird zum Startzeitpunkt26 ausgesendet und breitet sich zunächst durch die Kopplungsschicht18 und die Außenwand20 aus. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen der Reflexion an einem Übergang A zwischen Außenwand20 und Eisschicht22 und der Reflexion an der Außenseite der Eisschicht22 wird über die Schallgeschwindigkeit in Eis die Eisdicke berechnet. - Ein Grund für Schwierigkeiten bei der Eisdickenmessung durch Metall sind parasitäre Reflektionen in der Außenwand
20 , welche die Auswertung erschweren. Diese können mit der dämpfenden Kopplungsschicht18 weitgehend eliminiert werden. - Dies ergibt sich daraus, dass die Kopplungsschicht
18 einen Dämpfungsfaktor α besitzt. Wenn das Ultraschallsignal mit der Intensität Iin abgestrahlt wird, dann nimmt eine Intensität Iout des empfangenen Ultraschallsignals mit Iout(s) = Iin·e(–αs) über eine in der Kopplungsschicht18 durchlaufene Strecke s ab. - Ein akustischer Impuls, nämlich der Ultraschallimpuls, bewegt sich durch die Kopplungsschicht
18 , wird zum einen an der Trennschicht A reflektiert und dringt zum anderen Teil in die Eisschicht22 ein, wo er wieder reflektiert wird. - Wichtig dabei ist, welche Distanz der Schall in der Kopplungsschicht
18 durchläuft. Das erste Echo, das an der Aluminiumschicht reflektiert wird, durchläuft in der Kopplungsschicht18 der Dicke d die Strecke s = 2d. Das zweite Echo der Trennschicht A durchläuft die Kopplungsschicht18 zweimal, was eine kumulierte Strecke von s = 4d bedeutet. Daraus ergeben sich die Intensitäten auf die Schicht K bezogen von I1 = Iin·e(–α2d) und I2 = Iin·e(–α4d). -
3 zeigt diese Intensitäten relativ zueinander als zwei Kurven unterschiedlicher Dämpfungskoeffizienten α. Eine Kurve32 zeigt den Intensitätsverlauf in Abhängigkeit der Strecke s unter Verwendung einer schwach dämpfenden Kopplungsschicht18 , während eine Kurve34 den Intensitätsverlauf bei Verwendung einer stärker dämpfenden Kopplungsschicht18 zeigt. Ein Niveau einer exemplarischen Detektionsschwelle35 ist ebenfalls eingezeichnet. - Hieran ist zu sehen, dass die Echos, die eine Schicht hoher Dämpfung mehrfach durchlaufen, in der Folge immer stärker abklingen. Abhängig von der Dicke d der Kopplungsschicht
18 und des Dämpfungskoeffizienten α kann man die Kopplungsschicht18 so optimieren, dass eine starke Dämpfung der n + 1 ten Echos erfolgt und nur das erste Echo die Kopplungsschicht18 mit möglichst hoher Intensität passiert. Dadurch wird die digitale Signalanalyse deutlich vereinfacht. - Neben der Verwendung der Kopplungsschicht
18 als Mittler von einem Medium in ein anderes mit möglichst hoher Leistung ergibt sich somit eine zweite vorteilhafte Anwendung der Kopplungsschicht18 . - Im Idealfall ist die Kopplungsschicht
18 so ausgelegt, dass, fehlerfreies klares Eis vorausgesetzt, nur noch zwei Echos detektiert werden: Das erste Echo der Trennschicht A (Metall-Eis-Übergang) und das zweite Echo des Eis-Luftübergangs, also die beiden relevanten Echos, aus welchen sich die Dicke der Eisschicht22 berechnen lässt. - Zur Veranschaulichung des Einflusses einer dämpfenden Kopplungsschicht
18 sind in den4 und5 zwei vergleichbare Graphen36 ,38 aufgeführt. In den beiden Diagrammen ist jeweils nach rechts eine Zeit t und nach oben ein Schalldruck p aufgetragen. - Aus diesen beiden Graphen
36 ,38 ist deutlich der Einfluss einer stärkeren Dämpfung zu erkennen. Ein Zeitpunkt t1, zu dem das erste Echo der Trennschicht A zwischen Außenwand20 und Eisschicht22 gemessen wird, und ein Zeitpunkt t2, zu dem das Echo des Übergangs Eis-Luft gemessen wird, sind in beiden Figuren markiert. Geht bei dem Graph36 , der die Variante mit schwach dämpfender Kopplungsschicht18 zeigt, das eigentliche Eis-Echo in der Überlagerung mit den Metall-Echos beinahe unter, so sieht man in dem Graph38 das Ergebnis mit gedämpften multiplen Reflexionen. - In dieser Anwendung liegt insbesondere der Vorteil, dass sie für den Einsatz in aerodynamisch geformten und der Erosion ausgesetzten Bauteilen, z. B. in Rotorblättern, Flügeln etc. geeignet ist, da alle anderen Ansätze entweder der Aerodynamik oder der Erosionsbeständigkeit abträglich sind, oder nicht geeignet sind, die Eisdicke zu bestimmen.
- Störend bei der Messung der Eisdicke sind Lufteinschlüsse bzw. Luftschichten. Überdeckt ein solcher Lufteinschluss mehr als 50% der Sensorfläche, so kann kein aussagekräftiges Ergebnis mehr erzielt werden. Das Ergebnis wird umso schlechter, je mehr Luft im Eis gebunden ist, da dies zu zusätzlicher Streuung des Schalls führt.
- Solche Stör- oder Fehlstellen können durch Verwendung einer Mehrzahl von Sensoren ausgeglichen werden. Eine Ausführungsform für eine Sensoranordnung
10 mit mehreren Sensoreinheiten12 ist in6 gezeigt. - Die Ansteuerung der einzelnen Sensoreinheiten
12 erfolgt dabei nicht parallel, sondern seriell. Dadurch wird vermieden, dass sich die Ultraschallsignale gegenseitig beeinflussen. - Anhand von Abweichungen der Messwerte der einzelnen Sensoreinheiten
12 kann die Signalprozessoreinrichtung24 entscheiden, ob einzelne Sensoreinheiten12 durch Lufteinschlüsse fehlerhafte Eisdicken messen. - Die Sensoranordnung
10 wird so ausgelegt, dass sie vor allem Orte abdeckt, an denen eine Eisbildung erwartet wird. Sie kann in seiner Form und Ausdehnung den Gegebenheiten angepasst werden. - Das Verfahren und die Vorrichtung können grundsätzlich auch mit anderen Außenwänden
20 , beispielsweise aus GFK, CFK oder Kunststoff, verwendet werden. - Eine Ausführungsform der Sensoranordnung
10 , die die Verwendung in einer Tragfläche40 eines Luftfahrzeugs zeigt, ist in7 dargestellt. Mehrere Sensoreinheiten12 sind an einer Innenseite20a der Tragfläche40 , angeordnet und messen die Dicke der Eisschicht22 . - Die Sensoranordnung
10 ist ebenfalls in Rotorblättern von Hubschraubern und Windkraftanlagen einsetzbar. - Die Ultraschallgebereinrichtung
14 und die Ultraschallempfängereinrichtung16 können als ein Bauelement ausgeführt sein. Beispielsweise ist ein Piezokristall sowohl als Ultraschallgeber als auch als Ultraschallempfänger verwendbar. - Die hier beschriebene Vorrichtung und das hier beschriebene Verfahren erlauben bei geschützter Anbringung der Sensoreinheiten
12 eine zuverlässige und präzise Messung der Dicke der Eisschicht22 . - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Sensoranordnung
- 12
- Sensoreinheit
- 14
- Ultraschallgebereinrichtung
- 16
- Ultraschallempfängereinrichtung
- 18
- Kopplungsschicht
- 20
- Außenwand
- 20a
- Innenseite
- 20b
- Außenoberfläche
- 22
- Eisschicht
- 24
- Signalprozessoreinrichtung
- 26
- Startzeitpunkt
- 28
- Erstes Echo
- 30
- Zweites Echo
- 32
- Kurve (ungedämpft)
- 34
- Kurve (gedämpft)
- 35
- Detektionsschwelle
- 36
- Graph (ungedämpft)
- 38
- Graph (gedämpft)
- 40
- Tragfläche
- A
- Übergang
- I, Iin, Iout, I1, I2
- Intensität
- p
- Schalldruck
- t
- Zeit
- t1
- Zeitpunkt der ersten Echos
- t2
- Zeitpunkt des zweiten Echos
- α
- Dämpfungskoeffizient
Claims (10)
- Sensoranordnung (
10 ) zur Erfassung einer Eisschicht (22 ) auf einer Außenoberfläche (20b ) einer Außenwand (20 ) eines Luftfahrzeugs oder eines Rotorblatts mit einer Sensoreinheit (12 ), die eine Ultraschallgebereinrichtung (14 ) und eine Ultraschallempfängereinrichtung (16 ) aufweist und an einer Innenseite (20a ) der Außenwand (20 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kopplungsschicht (18 ) zum Dämpfen parasitärer Reflexionen vorgesehen ist, welche die Innenseite (20a ) der Außenwand (20 ) und die Sensoreinheit (12 ) miteinander koppelt. - Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsschicht (
18 ) aus einem Ultraschallwellen dämpfenden Material gebildet ist. - Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Dicke der Eisschicht (
22 ) eine Signalprozessoreinrichtung (24 ) vorgesehen ist, welche die Signale der Ultraschallempfängereinrichtung (16 ) verarbeitet. - Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (
20 ) aus Metall, insbesondere Leichtmetall, mehr insbesondere aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, gebildet ist. - Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoreinheiten (
12 ) vorgesehen ist, die an unterschiedlichen Stellen an der Innenseite (20a ) angeordnet sind. - Luftfahrzeug mit einer Sensoranordnung (
10 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche. - Detektionsverfahren zur Erfassung einer Eisschicht (
22 ) auf einer Außenoberfläche (20b ) einer Außenwand (22 ) eines Luftfahrzeugs oder eines Rotorblatts, wobei eine Sensoreinheit (12 ), die eine Ultraschallgebereinrichtung (14 ) und eine Ultraschallempfängereinrichtung (16 ) aufweist und an einer Innenseite (20a ) der Außenwand (22 ) angeordnet ist, Messimpulse aussendet und die Messimpulse und/oder deren Reflexionen empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messimpulse mittels einer Kopplungsschicht (18 ) zum Dämpfen parasitärer Reflexionen in die Außenwand (20 ) eingekoppelt werden. - Detektionsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsschicht (
18 ) dämpfungsoptimiert ist. - Detektionsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen Aussendung der Messimpulse und Empfang der Messimpulse und/oder deren Reflexionen von einer Signalprozessoreinrichtung (
24 ) zur Ermittlung der Dicke der Eisschicht (22 ) herangezogen wird. - Detektionsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoreinheiten (
12 ) nacheinander eine Detektion durchführen.
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