DE102008063408A1

DE102008063408A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kontrolle einer Enteisungsvorrichtung an einem Strukturbauteil eines Flugzeugs

Info

Publication number: DE102008063408A1
Application number: DE102008063408A
Authority: DE
Inventors: Holger Orawetz; Matti Reppe; York Caesar Roth; Martin Latrille
Original assignee: Airbus Operations GmbH; Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations GmbH; Airbus Operations SAS
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2029-01-01
Also published as: DE102008063408B4

Abstract

Strukturbauteil (1) eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines Bereichs des Strukturbauteils (1), wobei das Strukturbauteil (1) ein Schalenteil (5) mit einer umströmten Außenfläche und einem inneren Bereich (7) und ein Trägerbauteil (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Messvorrichtung aufweist: - ein an einem Trägerbauteil (3) des Strukturbauteils (1) angeordnetes Pyrometer (10), auf einen Bereich an der dem Pyrometer (10) zugewandten Oberfläche des Schalenteils (5) gerichtet ist, und einen Strahlungssensor zur Erzeugung von Sensorwerten aufgrund der Wärmestrahlung aufweist, - eine Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung, die aus den von dem Strahlungssensor erfassten Sensorwerten Temperaturwerte ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kontrolle einer Enteisungsvorrichtung an einem Strukturbauteil eines Flugzeugs. Das Strukturbauteil kann insbesondere ein der Strömung ausgesetztes Strukturbauteil eines Flugzeugs und z. B. die Vorderkante eines Flügels, eines Leitwerks oder einer Vorderkantenklappe eines Flügels sein.
Aus dem Stand der Technik ist zur Enteisung der Vorderkanten der Flügel eines Flugzeugs bekannt, in den Bereich innerhalb der Vorderkanten Leitungen einzubauen, die mit von einer Triebwerks-Brennkammer entnommener heißer Zapfluft aus dem Triebwerk durchströmt werden, um die Verhinderung oder Reduktion von Vereisungen an der Bauteilaußenseite zu erreichen. Zur Kontrolle einer derartigen Enteisungsvorrichtung an einem Strukturbauteil eines Flugzeugs ist aufwendig und nur indirekt durch Messung der Temperatur der die Leitungen durchströmenden Zapfluft möglich.
Aus dem Stand der Technik und z. B. aus der US 7,202,321 B2 ist bekannt, zur Verhinderung der Eisbildung an Außenflächen von Strukturbauteilen eines Flugzeugs mit einem Polymer zu beschichten.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kontrolle einer Enteisungsvorrichtung an einem Strukturbauteil eines Flugzeugs bereitzustellen, mit der bzw. mit dem effizient und sicher der Enteisungszustand an dem Strukturbauteil ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diese rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Pyrometer zur Messung der Temperatur an einem Bereich des Strukturbauteils verwendet. Dabei ist insbesondere ein Strukturbauteil eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines Bereichs des Strukturbauteils vorgesehen, wobei das Strukturbauteil ein Schalenteil mit einer umströmten Außenfläche und einem inneren Bereich und ein Trägerbauteil aufweist. Die Temperatur-Messvorrichtung weist insbesondere auf:

– ein an einem Trägerbauteil des Strukturbauteils angeordnetes Pyrometer, auf einen Bereich an der dem Pyrometer zugewandten Oberfläche des Schalenteils gerichtet ist, und einen Strahlungssensor zur Erzeugung von Sensorwerten aufgrund der Wärmestrahlung aufweist,
– eine Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung, die aus den von dem Strahlungssensor erfassten Sensorwerten Temperaturwerte ermittelt.

Dabei kann die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung eine Vergleichsfunktion aufweisen, die Temperaturwerte mit zumindest einem Vergleichswert, der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil entspricht, vergleicht und einen Signalwert an eine Systemfunktion sendet, wenn der Grenzwert erreicht oder überschritten wird.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass am Schalenteil eine Heizvorrichtung zur Verhinderung einer Eisbildung an dem Schalenteil angeordnet ist und die Systemfunktion derart gestaltet ist, dass diese die Heizvorrichtung einschaltet, wenn der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil entsprechende Grenzwert überschritten wird. Dabei kann die Heizvorrichtung derart gestaltet sein, dass diese verschiedene Heizstufen erzeugen kann, und die Systemfunktion derart ausgeführt ist, dass das Warnsignal bei dem Vorliegen der höchsten Heizstufe, bei der die maximale Wärmeleistung erzeugt wird, und dem gleichzeitigen Überschreiten des einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil entsprechende Grenzwerts erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Kombination aus einem Strukturbauteil und einer Temperatur-Messvorrichtung kann derart gestaltet sein, dass an einer Oberfläche des Schalenteils (5) zumindest eine Heizschicht angeordnet ist, die durch eine Energieversorgungs-Vorrichtung zur Verhinderung von Eisbildung erwärmt werden kann.
Der Temperatur-Messvorrichtung kann eine Regelfunktion zur Regelung der Temperatur des von dem Pyrometer erfassten Bereichs des Schalenteils zugeordnet sein, die mit der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung funktional verbunden ist und von dieser die Temperaturwerte als Eingangsgröße empfängt, die aus Sensorwerten des Pyrometers ermittelt wurden, wobei die Regelfunktion auf der Basis einer Soll-Temperatur des von dem Pyrometer erfassten Bereichs des Schalenteils Kommandosignale an die Energieversorgungs-Vorrichtung erzeugt.
Erfindungsgemäß kann das Pyrometer derart an dem Träger-Bauteil angebracht sein, dass die Lage und/oder die Position des Pyrometers einstellbar ist.
Vorteile bei dem Einsatz eines Pyrometers ergeben sich insbesondere dadurch, dass die Messung in sehr kurzer Zeit, und zwar typischerweise in einem Zeitraum zwischen 1 ms und 10 μs erfolgen kann. Dadurch kann die Auswertung in einer Auswertungsvorrichtung und insbesondere eine Regelung der Temperatur mit einer Enteisungsvorrichtung in kurzer Zeit und sogar innerhalb derselben Iterationsrate erfolgen. Die Fehlerrate der Messvorrichtung mit dem Pyrometer weist keinen Verschleiß auf, so dass diese mit einer geringen Fehlerrate versehen ist. Auch ist mit der erfindungsgemäßen Verwendung eines Pyrometers eine ausreichende Genauigkeit der Messung verbunden, da mit dem Pyrometer keine Temperatur-Beeinflussung des Messobjekts gegebene ist und sich keine Fehler durch mangelhaften Wärmekontakt eines Sensors mit dem Bauteil, an dem die Messung vorzunehmen ist, ergeben. Insbesondere kann auch eine Messung mit dem Pyrometer auch bei dem Auftreten elektromagnetischer Felder an einer Oberfläche des Bauteils erfolgen.
Zur direkten Erfassung von Temperaturen an Bereichen von Bauteilen und insbesondere Schalenbauteilen könnten in das Bauteil bzw. das Schalenbauteil integrierte Thermoelemente verwendet werden. Demgegenüber hat der Einsatz eines Pyrometers zur Temperaturerfassung an Enteisungsstrukturen für Luftfahrtbauteile den Vorteil, dass dieses als zusätzliche Komponente in eine optimierte Bauteil-Struktur eingebaut werden kann, ohne das Schalenbauteils des jeweiligen Bauteils modifizieren zu müssen. Demgegenüber ist durch die Verwendung von in das Bauteil bzw. das Schalenbauteil integrierten Thermoelementen eine aufwendigere Fertigung der Bauteilstruktur erforderlich. Auch würde eine Integration eines traditionellen Thermoelementes zu Aufdickungen des Schalenbauteils führen, was an umströmten Luftfahrtteilen ungünstig wäre. Weiterhin ist die Verbindungstechnik, mit der ein Thermoelement in ein Schalenbauteil zu integrieren ist, wegen einer unsicheren Lebensdauer der Verbindung an Flugzeug-Bauteilen problematisch. Weiterhin ist die thermische Ankopplung an die Heizstruktur kompliziert und aufwendig und nur mit technischen Einschränkungen mit Folgen bei der Erfassung von Temperaturen möglich. Die Folge davon ist, dass das Vorsehen eines herkömmlichen Thermoelements ist, dass dieses zu träge wäre, um eine hohe Aufheizrate bei der Aktivierung einer Enteisung an einem Flugzeug-Bauteil mit vollziehen und erfassen zu können.
Bei einem Einbau eines Pyrometers in ein Strukturbauteil eines Flugzeugs kann durch einen geeigneten Abstand und einer Optik eine Fläche definiert werden, in der das Pyrometer „integral” die Temperatur erfassen kann. Mit einem in ein Schalenbauteil integrierten Thermoelement kann die Temperatur nur lokal auf einer sehr kleinen Fläche am Heizelement erfasst werden.
Der Austausch des Pyrometers im Schadensfall ist unproblematisch und vor allem im Vergleich zu der Verwendung eines in einem Schalenbauteil integrierten Thermoelements vorteilhaft, da das Pyrometer im Falle eines Defekts austauschbar ist. Im Gegensatz dazu müsste bei einem in die Heizstruktur integrierten Thermoelement das gesamte Schalenbauteil erneuert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Figuren beschrieben, die zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Erfindung mit einer Vorderkanten-Klappe eines Flugzeugs, die ein Schalenteil und einen inneren Bereich aufweist, in dem ein Pyrometer zu Erfassung der Temperatur des Schalenteils angeordnet ist;
2 einen Abschnitt einer Vorderkantenklappe eines Flugzeugs, in den zwei Heizungs-Zusatzkörper integriert sind.
In der 1 ist beispielartig für diese Anwendungen eine Vorderkantenklappe eines Flugzeugs dargestellt, auf dem zwei Anordnungen von jeweils mehreren Heizschichten nach der Erfindung angeordnet sind. Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Strukturbauteil 1 eines Flugzeugs mit einem Träger-Bauteil 3 und einem Schalenteil 5, das eine umströmte Außenfläche 5a und einen inneren Bereich 7 aufweist. Das Strukturbauteil 1 ist in der Darstellung der 1 eine Vorderkanten-Klappe eines Flugzeugs. Das Strukturbauteil 1 des Flugzeugs ist insbesondere ein Bauteil, das eine Oberfläche aufweist, die entgegen die Strömung, die das Flugzeug im Flug umströmt, gerichtet ist. Dabei kann das Strukturbauteil die Vorderkante eines Flügels, eines Leitwerks oder einer Vorderkantenklappe eines Flügels sein. Das Strukturbauteil weist demgemäß eine Außenhaut oder ein Schalenteil 5 mit einer Außenseite, die von der Strömung umströmt oder angeströmt wird, und einer entgegen gesetzt zu der Außenfläche 5a gelegenen Innenfläche 5b auf.
Erfindungsgemäß ist eine Temperatur-Messvorrichtung in Gestalt eines Pyrometers oder Strahlungsthermometers 10 im inneren Bereich 7 des Strukturbauteils 1 angeordnet. Das Pyrometer 10 kann insbesondere eine Thermographie-Kamera sein.
Der Strahlungsempfänger empfängt die von der Innenfläche 5b des Schalenteils ausgehende Wärmestrahlung, deren Intensität von seiner Temperatur der Innenfläche 5b abhängt, und erzeugt aufgrund der Wärmestrahlung Sensorwerte zur Ermittlung der Temperatur der Innenfläche 5b des Schalenteils 5. Wenn die dem Pyrometer 10 zugewandten Innenfläche 5b des Schalenteils 5 kälter als der Strahlungsempfänger des Pyrometers 10 ist, ist der Strahlungsfluss negativ, d. h. der Strahlungssensor des Pyrometers 10 gibt Wärmestrahlung an die Innenfläche 5b ab, und umgekehrt. Die Ermittlung der Temperatur der Innenfläche 5b des Schalenteils 5 kann insbesondere auf der Basis des Emissionsgrads ε der Innenfläche 5b erfolgen, also der Wärmeabstrahl-Fähigkeit der Innenfläche 5b.
Das Pyrometer 10 ist auf die Innenfläche 5b des Schalenteils 5 gerichtet, um die Wärmestrahlung, die von einem Bereich der Innenfläche 5b des Schalenteils 5 ausgeht, und somit die Temperatur des Schalenteils 5 erfassen zu können. Zu diesem Zweck ist das Pyrometer 10 in einem geeigneten Abstand zu der Innenfläche 5b an dem Träger- Bauteil 3 angeordnet. Das Träger-Bauteil 3 kann Teil des Struktur-Bauteils 1 oder eines Zusatz-Bauteils an demselben sein und ist derart gestaltet, dass das Pyrometer 10 in geeigneter Position und Lage relativ zu der Innenfläche 5b oder zu einem Bereich derselben angeordnet werden kann. Weiterhin kann das Pyrometer 10 derart an dem Träger-Bauteil angebracht sein, dass die Lage und/oder die Position des Pyrometers 10 einstellbar ist bzw. sind. Unter Lage wird in diesem Zusammenhang die Drehstellung des Pyrometers 10 relativ zur Innenfläche 5b verstanden.
Weiterhin weist die Temperatur-Messvorrichtung eine Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung auf, die aus den von dem Pyrometer 10 erfassten Sensorwerten Temperaturwerte ermittelt. Die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung ist über eine Signal-Leitung mit dem Pyrometer 10 funktional verbunden und kann entfernt von dem Pyrometer 10 angeordnet sein. Insbesondere kann die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung in einer Flugsteuerungs-Vorrichtung integriert sein.
Die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung kann eine Vergleichsfunktion aufweisen, die Temperaturwerte mit zumindest einem Vergleichswert vergleicht und einen Signalwert an eine Systemfunktion sendet, wenn der Grenzwert erreicht oder unterschritten wird. Der Grenzwert kann insbesondere einem unteren Temperaturwert entsprechen, der derart definiert ist, dass bei dieser Temperatur eine Eisbildung an der Außenfläche 5a des Schalenteils 5 möglich oder wahrscheinlich ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung eine Überwachungsfunktion aufweisen, die zur Ermittlung der Möglichkeit einer Eisbildung an der Außenfläche 5a derart gestaltet ist, dass diese Luftdaten und insbesondere die Außentemperatur, die Flughöhe und/oder den Luftdruck empfängt und mit den Sensorwerten einen Wahrscheinlichkeits-Grenzwert für eine Eisbildung ermittelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung eine Vergleichsfunktion auf, die den ermittelten Wahrscheinlichkeitswert für eine Eisbildung mit einem Soll-Wahrscheinlichkeitswert für eine Eisbildung für die maximal zulässige Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung vergleicht und bei Überschreiten des Soll-Wahrscheinlichkeitswerts einen Signalwert als Warnsignal an eine Systemfunktion wie z. B. ein Flugsteuerungssystem oder eine Cockpitanzeige sendet. Die Cockpitanzeige kann derart gestaltet sein, dass diese dem Piloten anzeigt, dass der Flugzustand und dabei insbesondere die Flughöhe verringert werden muss, um ein Vereisen des Schalenteils 5 zu verhindern.
Am Schalenteil 5 kann eine Heizvorrichtung zur Verhinderung einer Eisbildung an dem Schalenteil 5 angeordnet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Systemfunktion derart gestaltet sein, dass diese die Heizvorrichtung einschaltet, wenn ein Grenzwert, der einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil 5 entspricht, überschritten wird.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strukturbauteils oder Bauteils eines Flugzeugs ist in der 2 dargestellt. Das Bauteil ist als Vorderteil einer Vorderkantenklappe eines Flügels ausgeführt. Diese Ausführungsform kann bei lediglich anderer Formgebung des Bauteils auch das Vorderteil eines Hauptflügels, eines Höhenflosse oder einer anderen Klappe oder eines Seiteleitwerks und generell eines aerodynamischen Körpers sein. Das Bauteil weist an seiner Oberfläche mehrere elektrothermische Heizschichten auf, die aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung durch die Energieversorgungs-Vorrichtung (nicht dargestellt) Wärme abgeben, um dadurch eine Vereisung der Oberfläche des Bauteils zu verhindern. Die Anzahl und Größe der Heizschichten, die Anordnung derselben auf einer Oberfläche des Bauteils 1 sowie die elektrische Auslegung der Heizschichten und der Energieversorgungs-Vorrichtung hängt vom Anwendungsfall ab und ist auf diesen jeweils anzupassen. Generell weist die Oberfläche bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung zumindest eine Heizschicht auf.
Bei dem in der 2 konkret dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf einer Oberfläche 3 des Bauteils 1 oder eines Basiskörpers 4, das im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Schalenteil 4 der Vorderkantenklappe 1 ist, zwei Heizschicht-Anordnungen H1, H2 mit jeweils einer Basis-Heizschicht 101 bzw. 102 und einer Mehrzahl von innerhalb der jeweiligen Basis-Heizschicht 101, 102 angeordneten inneren Heizvorrichtungen oder Zusatz-Heizschichten 111, 112 bzw. 121, 122 integriert.
Die Basis-Heizschichten 101, 102 und die Zusatz-Heizschichten 111, 112 bzw. 121, 122 sind derart gestaltet und angeordnet, dass die Basis-Heizschicht die erste und die zweite Zusatz-Heizschicht in ihrer flächigen Erstreckung umgibt. Zu diesem Zweck weist die Basis-Heizschicht zwei Ausnehmungen auf, wobei in der ersten der Ausnehmungen die erste Zusatz-Heizschicht 111 bzw. 121 und in der zweiten der Ausnehmungen die zweite Zusatz-Heizschicht 121 bzw. 122 gelegen ist. Jede der Heizschichten wird von der Energieversorgungs-Vorrichtung bestromt. Die mit einer elektrothermischen Schicht gebildete Basis-Heizschicht 101 ist über eine elektrische Anschlussvorrichtung mittels elektrischen Leitungen an die Energieversorgungs-Vorrichtung angeschlossen. Weiterhin sind auch die zwei Zusatz-Heizschichten 111, 112 jeweils über eine elektrische Anschlussvorrichtung an die Energieversorgungs-Vorrichtung angeschlossen. Somit können die Basis-Heizschicht 110 und die zwei innerhalb desselben angeordneten Zusatz-Heizschichten 111, 112 durch die Energieversorgungs-Vorrichtung mit unterschiedlichen Funktionen bestromt werden, so dass die Heizschichten 110, 111, 112 entsprechend dieser Bestromung Wärme an das Bauteil abgeben, an dem die Heizschichten 110, 111, 112 angebracht sind.
Die Energieversorgungs-Vorrichtung kann funktional insbesondere derart gestaltet sein, dass in einer Aktivierungsphase der Heizvorrichtung der Basis-Heizschicht 110, 120 permanent Strom zugeführt und der ersten 111 bzw. 121 und der zweiten 112 bzw. 122 Zusatz-Heizschicht in vorbestimmter Weise abwechselnd Strom zugeführt wird, so dass die erste 111 bzw. 121 und die zweite 112 bzw. 122 Zusatz-Heizschicht zeitlich abwechselnd Wärme erzeugen. Auf diese Weise erfolgt eine Wärmewirkung für die Oberfläche der gesamten Heiz-Vorrichtung 110 bzw. 120 auf eine energetisch effiziente Weise.
Generell kann eine Heiz-Vorrichtung 110, 120 nur eine Zusatz-Heizschicht aufweisen, die innerhalb oder außerhalb der Basis-Heizschicht gelegen sein kann. In diesem generellen Ausführungsbeispiel kann die Funktion zur Steuerung einer Heizphase des gesamten Heizsystems derart gestaltet sein,

– dass in der Heizphase des Heizsystems der Basis-Heizschicht 110, 120 permanent Strom und z. B. Strom in weitgehend gleichbleibender Stärke (innerhalb einer Bandbreite von 10 Prozent eines Mittelwertes) zum Erwärmen der Basis-Heizschicht 110, 120 zugeführt und
– dass innerhalb derselben Heizphase in ersten Zeitabschnitten elektrischer Strom durch die Zusatz-Heizschicht fließt, der stärker ist als der Strom der durch die Basis-Heizschicht 110 fließt, und sich die ersten Zeitabschnitte abwechseln mit zweiten Zeitabschnitten, in denen kein elektrischer Strom oder ein Strom in der Zusatz-Heizschicht fließt, der geringer ist als der Strom der durch die Basis-Heizschicht 110 fließt.

Insbesondere können die Zusatz-Heizschichten eines Heizsystems zeitlich derart abwechselnd oder sich ergänzend angesteuert werden, dass diese abwechselnd Wärme erzeugen.
Dadurch kann ein energetisch effizientes Erwärmen einer Oberfläche an einem Flugzeug-Bauteil vorgenommen werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch nur eine oder können mehrere Basis-Heizschichten ohne eine Zusatz-Heizschicht in dem Bauteil integriert sein.
Das Schalenteil 5 kann insbesondere aus einem Faserverbundwerkstoff (FVW) oder einem Faserverbund-Kunststoff (FVK) gebildet sein. Die je nach Ausführungsform vorgesehenen Heizschichten sind auf einer elektrisch nicht-leitenden Schicht angeordnet, so dass die Heizschichten gegenüber den übrigen Abschnitten des Schalenteils isoliert ist.
Die zumindest eine auf dem Bauteil angeordnete Heizschicht ist vorzugsweise aus Kohlenstoff-Material gebildet, die über elektrische Anschlussvorrichtungen elektrisch angeschlossen sind und bei dem Anliegen einer entsprechenden Spannung Strom führen, so dass diese entsprechend erwärmt werden können. Insbesondere kann die zumindest eine Heizschicht aus elektrisch leitfähigen Rovingen in einer vorbestimmten Struktur und Dichte oder einem Bündel oder einem Verbund oder Band von Rovingen gebildet sein.
Unter ”Roving” wird in diesem Zusammenhang ein Bündel aus endlosen Kohlenstoff-Filamenten oder elektrisch leitenden Kabeln verstanden, die in dem Roving unverdreht und/oder gestreckt sein können. Die Kabel können dabei insbesondere aus mittels Glasfasern ummantelten elektrischen wie z. B. metallischen Leitern gebildet sein. Die elektrisch leitenden Einzel-Filamente können aus Kohlenstoff-Filamenten und/oder Kohlenstoff-Fasern und/oder metallischen Legierungen und/oder aus Glasfasern mit z. B. metallischer Beschichtung gebildet sein. Auch können die Rovings insbesondere ausschließlich aus Fasern und insbesondere Kohlenstofffasern gebildet sein. Die Rovinge können mit oder ohne Matrix-Material versehen sein. Dabei können für die erfindungsgemäß verwendeten Rovings Materialien in Form von Endlos-Rovingen, Endlos-Garnen, Endlos-Zwirnen, Endlos-Schnüren, Endlos-Gewirke, Endlos-Webware, Endlos-Kordeln oder Endlos-Maschenware verwendet werden. Solche Endlos-Rovinge können zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren auf Spulen oder Trommeln aufgewickelt sein, um Rovinge zur Anwendung für das erfindungsgemäße Verfahren in geeigneten Längenabschnitten von diesen zu entnehmen.
Zur Bildung der Heizschicht Rovinge können als einzelne Rovinge oder als zumindest ein Verbund oder als zumindest ein Band von Rovingen angeordnet sein. Unter „Band von Rovingen” wird in diesem Zusammenhang eine Anordnung von in ihrer Längsrichtung nebeneinander verlaufenden Rovingen verstanden, die somit an keinem ihrer Längsabschnitte in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sind. Unter „Verbund von Rovingen” wird in diesem Zusammenhang eine Anordnung von in ihrer Längsrichtung nebeneinander oder auch übereinander verlaufenden Rovingen verstanden, die somit an zumindest einem ihrer Längsabschnitte in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sind.
Mit den in Bezug auf die Längsrichtung des Rovings gelegenen Endstücken desselben kann jeweils ein elektrisch leitendes Verbindungsstück verbunden sein, mit denen wiederum die elektrischen Leitungen verbunden und an der Energieversorgungs-Vorrichtung angeschlossen sind. Dadurch kann mit der Steuerungsfunktion der Energieversorgungs-Vorrichtung Strom mit vorbestimmter Stromstärke und vorbestimmtem zeitlichem Verlauf durch den Roving fließen, um diese und somit das Bauteil, auf dem der Roving angeordnet sind, erwärmen. Grundsätzlich können in Dickenrichtung des Bauteils gesehen mehrere Rovinge übereinander angeordnet sein, die parallel zueinander oder auch gegensinnig zueinander verlaufen können.
Die Rovinge oder das zumindest eine Bündel oder Band von Rovingen können bzw. kann parallel zueinander und schwingungsförmig verlaufen. Grundsätzlich können in Dickenrichtung des Bauteils gesehen mehrere Rovinge übereinander angeordnet sein, die parallel zueinander oder auch gegensinnig zueinander verlaufen können. Andere Formen, in denen Rovinge oder zumindest ein Bündel oder Band von Rovingen zur Bildung einer Heizschicht eines Heizsystems angeordnet sein können bzw. kann, sind nach den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls vorzusehen.
Bei der Verwendung zumindest eines Heizsystems an dem Bauteil 1 nach den vorgenannten Ausführungsbeispielen kann die mit der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung funktional gekoppelte Systemfunktion weiterhin als Regelfunktion zur Regelung der Temperatur des von dem Pyrometer 10 erfassten Bereichs des Schalenteils 5 gestaltet sein. Dabei empfängt die Systemfunktion von der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung die Temperaturwerte, die aus Sensorwerten des Pyrometers 10 ermittelt wurden, und vergleicht diese mit eine Referenzwert oder einer Temperatur als Regelgröße. Dieser Referenzwert oder Temperaturwert liegt oberhalb einer Temperatur, bei der eine Eisbildung am Schalenteil 5 auftreten kann oder diese vermieden werden kann. Die Regelfunktion ist mit der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung funktional verbunden und empfängt von dieser die Temperaturwerte als Eingangsgröße, die aus Sensorwerten des Pyrometers 10 ermittelt wurden. Weiterhin steuert die Regelfunktion die Energieversorgungs-Vorrichtung derart an, dass die zumindest eine Heizschicht derart erwärmt wird, dass der von dem Pyrometer 10 erfasste Bereich des Schalenteils eine Soll-Temperatur möglichst einhält. Die Regelfunktion erzeugt somit auf der Basis einer Soll-Temperatur für den von dem Pyrometer 10 erfassten Bereich des Schalenteils 5 dementsprechende Kommandosignale, die an die Energieversorgungs-Vorrichtung übermittelt werden, die in entsprechender Weise die zumindest eine Heizschicht bestromt. Bei dem Vorhandensein mehrere Heizschichten können auch mehrere Heizschichten angesteuert werden, um die Temperatur an dem von dem Pyrometer 10 erfassten Bereich des Schalenteils 5 zu regeln.
Bei der Verwendung zumindest eines Heizsystems nach den vorgenannten Ausführungsbeispielen kann die Systemfunktion weiterhin derart gestaltet sein, dass diese in dem Fall, in dem die Heizvorrichtung eingeschaltet ist und zugleich der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil 5 entsprechende Grenzwert überschritten wird, ein Warnsignal ausgibt. Die Heizvorrichtung kann derart gestaltet sein, dass diese verschiedene Heizstufen, d. h. verschiedene Stufen an freigebender Wärmeleistung erzeugen kann. In diesem Fall kann die Systemfunktion insbesondere derart ausgeführt sein, dass das Warnsignal bei dem Vorliegen der höchsten Heizstufe der Heizvorrichtung, bei der die maximale Wärmeleistung erzeugt wird, und dem gleichzeitigen Überschreiten des einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil 5 entsprechende Grenzwerts erzeugt wird. Das Warnsignal kann an eine Flugführungsanzeige gesendet werden und diese kann derart ausgeführt sein, dass diese eine Empfehlung z. B. im Flight Director, für den Piloten erzeugt, nach der das Flugzeug in einen Flugzustand gebracht wird, in der die Eisbildung am Flügel vermieden wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Warnsignal an eine Flugsteuerungsvorrichtung gesendet werden, die eine Steuerungsfunktion aufweist, durch die das Flugzeug in einen Flugzustand gebracht wird, in der die Eisbildung am Flügel vermieden wird.
Das Warnsignal kann bedeuten, dass der elektrothermische Heizkörper defekt ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann deshalb vorgesehen sein, dass die Überwachungsfunktion ermittelt, ob die atmosphärischen Bedingungen bei dem Ausfall des elektrothermischen Heizkörpers eine kritische Situation für das Flugzeug bedeuten können. Hierbei kann vorgesehen sein, dass in einer Bewertungsfunktion die Flughöhe und optional die gemessene Luft-Temperatur verwendet wird. Falls die Anwendung der Bewertungsfunktion ergibt, dass sich aus der unzulässigen (d. h. zu hohen) Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung eine kritische Flugsituation ergeben kann, wird eine Warnung an das Flugsteuerungssystem oder an die Cockpitanzeige geschickt, die dem Piloten Handlungsempfehlungen anzeigt, mit denen er das Flugzeug in einen sichereren Flugzustand bringen kann. Dabei kann z. B. angezeigt werden, dass der Flugzustand und dabei insbesondere die Flughöhe verringert werden muss, um ein Vereisen des Flügels zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine automatische Steuerungsfunktion realisiert sein, die diese Maßnahmen automatisch umsetzt.
Das Pyrometer 10 kann ein Gesamtstrahlungs-Pyrometer, das die Ausstrahlung einer Messoberfläche über den gesamten Spektralbereich erfasst, oder ein Bandstrahlungs-Pyrometer, dessen Linsen, Fenster und Strahlungssensor nur jeweils in einem beschränkten Wellenlängenbereich arbeiten, sein.
Alternativ kann das Pyrometer 10 ein Quotientenpyrometer oder Verhältnispyrometer oder 2-Farben-Pyrometer sein, das das Verhältnis der Intensitäten von zwei unterschiedlichen ”Farben” erfasst, so dass die Temperatur der Innenfläche 5b nicht aufgrund der Helligkeit, sondern aufgrund der Farbe der Strahlung bestimmt wird. Weiterhin kann auf die innerer Seite des Strukturteiles ein „Anstrich” oder ein Material-Auftrag mit definiertem Emissionskoeffizienten aufgebracht werden, da die gemessene Temperatur von diesem stark beeinflusst wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Emissionskoeffizient von der Oberfläche bestimmt wird. In diesen Fällen ist der jeweilige Emissionskoeffizient in der Auswertungsfunktion zur Auswertung der erfassten Messwerte berücksichtigt. Die Auswertungsfunktion kann weiterhin derart gestaltet sein, dass diese weitere Wärmestrahler, die insbesondere durch Reflexionen die gemessene Temperatur auf der Innenseite des Strukturteiles beeinflussen, „rausgerechnet” oder abgeschottet, d. h. kompensiert werden.
Weiterhin kann das Schalenteil 5 derart ausgebildet sein, dass dessen Innenfläche 5b nicht stark oder nur in geringem Maße wellenlängenabhängig ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass eine Farbe der Innenfläche 5b als Referenzfarbe oder Vergleichswert ermittelt wird, die einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung entspricht, deren Unterschreiten vermieden werden soll. Die Auswertungsfunktion, die dem Pyrometer zugeordnet ist, kann in diesem Fall eine Vergleichsfunktion aufweisen, die die jeweils ermittelte Farbe der Innenfläche 5b mit der Referenzfarbe vergleicht und ein Signal generiert, wenn der Wert für die Referenzfarbe überschritten wird. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiel ist, dass der Emissionsgrad der Innenfläche 5b bei der Ermittlung der Temperatur derselben keine Rolle spielt und nicht erfasst werden muss. bei der Verhältnisbildung für die Messung keine Rolle, wenn er für das betreffende Messgut nicht stark wellenlängenabhängig ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Pyrometer 10 als Schmalband-Pyrometer ausgebildet, das nur einen durch einen Filter auf einen bestimmten Wellenlängenbereich eingeschränkten kleinen Teil des Strahlungsspektrums auswertet. Das Strahlungsspektrum ist dabei derart ausgelegt, dass dieses einen Bereich von Temperaturen der Innenfläche 5b beschreibt, bei denen eine Eisbildung an dem Schalenteil 5 wahrscheinlich ist.
Die jeweiligen Sensorwerte oder Bereiche, die einer Wahrscheinlichkeit der Eisbildung an der Außenfläche 5a des Schalenteils entsprechen, werden insbesondere aufgrund von Tests definiert.
Als Strahlungssensor oder Detektor des Pyrometers 10 sind insbesondere thermische (z. B. Solometer, pyroelektrische Sensoren oder Thermosäulen aus Thermoelementen) oder photoelektrische Detektoren oder Fotodioden vorgesehen.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist also ein Strukturbauteil eines Flugzeugs mit einem Trägerbauteil 3 und einem Schalenteil 5 vorgesehen, das eine umströmte Außenfläche und einen inneren Bereich 7 aufweist. Das Strukturbauteil weist dabei weiterhin zumindest einen an dem Schalenteil angeordneten elektrothermischen Heizkörper auf, der von einer an dieser elektrisch angeschlossenen Energieversorgung bestromt werden kann. Durch die Erwärmung des Heizkörpers wird das Schalenteil 5 erwärmt, um ein Vereisen desselben zu verhindern oder ein Enteisen desselben zu erreichen. Weiterhin ist ein Pyrometer 10 vorgesehen, das im inneren Bereich 7 an einem Trägerbauteil 3 des Strukturbauteils 1 angeordnet ist und auf das Schalenteil 5 gerichtet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7202321 B2 [0003]

Claims

Strukturbauteil (1) eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines Bereichs des Strukturbauteils (1), wobei das Strukturbauteil (1) ein Schalenteil (5) mit einer umströmten Außenfläche und einem inneren Bereich (7) und ein Trägerbauteil (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Messvorrichtung aufweist: – ein an einem Trägerbauteil (3) des Strukturbauteils (1) angeordnetes Pyrometer (10), auf einen Bereich an der dem Pyrometer (10) zugewandten Oberfläche des Schalenteils (5) gerichtet ist, und einen Strahlungssensor zur Erzeugung von Sensorwerten aufgrund der Wärmestrahlung aufweist, – eine Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung, die aus den von dem Strahlungssensor erfassten Sensorwerten Temperaturwerte ermittelt.
Strukturbauteil (1) eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung eine Vergleichsfunktion aufweist, die Temperaturwerte mit zumindest einem Vergleichswert, der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil (5) entspricht, vergleicht und einen Signalwert an eine Systemfunktion sendet, wenn der Grenzwert erreicht oder überschritten wird.
Strukturbauteil (1) eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Schalenteil (5) eine Heizvorrichtung zur Verhinderung einer Eisbildung an dem Schalenteil (5) angeordnet ist und die Systemfunktion derart gestaltet ist, dass diese die Heizvorrichtung einschaltet, wenn der einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil (5) entsprechende Grenzwert überschritten wird.
Strukturbauteil (1) eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung kann derart gestaltet ist, dass diese verschiedene Heizstufen erzeugen kann, und die Systemfunktion derart ausgeführt ist, dass das Warnsignal bei dem Vorliegen der höchsten Heizstufe, bei der die maximale Wärmeleistung erzeugt wird, und dem gleichzeitigen Überschreiten des einer Wahrscheinlichkeit einer Eisbildung am Schalenteil (5) entsprechende Grenzwerts erzeugt wird.
Strukturbauteil (1) eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Oberfläche des Schalenteils (5) zumindest eine Heizschicht angeordnet ist, die durch eine Energieversorgungs-Vorrichtung zur Verhinderung von Eisbildung erwärmt werden kann.
Strukturbauteil (1) eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelfunktion zur Regelung der Temperatur des von dem Pyrometer (10) erfassten Bereichs des Schalenteils (5) vorgesehen ist, die mit der Sensorwert-Verarbeitungsvorrichtung funktional verbunden ist und von dieser die Temperaturwerte als Eingangsgröße empfängt, die aus Sensorwerten des Pyrometers (10) ermittelt wurden, wobei die Regelfunktion auf der Basis einer Soll-Temperatur des von dem Pyrometer (10) erfassten Bereichs des Schalenteils (5) Kommandosignale an die Energieversorgungs-Vorrichtung erzeugt.
Strukturbauteil (1) eines Flugzeugs mit einer Temperatur-Messvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrometer (10) derart an dem Träger-Bauteil angebracht ist, dass die Lage und/oder die Position des Pyrometers (10) einstellbar ist.