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Die Ausführungsformen betreffen allgemein integrierte Schaltungen, insbesondere integrierte Schaltungen und verwandte Systeme und Verfahren zum Integrieren von Erkennungs- und Beheizungsfunktionen unter Nutzung leitender Polymere z. B. zum Enteisen.
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Vereisung ist ein Problem, von dem unter anderem die Luftfahrtbranche und die Branche für die Erzeugung erneuerbarer Energien betroffen sind und das an Tragflächen, Propellern und anderen Bauteilen von Luftfahrzeugen sowie an den Rotorblättern von Windturbinen auftreten kann. In der Luftfahrtbranche werden oft chemische und/oder elektrische Enteisungstechniken verwendet, doch es gibt keine entsprechende Technik, die für Windturbinen angesichts ihrer Größe, ihrer ortsfesten Aufstellung und ihrer Tendenz zu ungleichmäßiger Vereisung wegen der Windgeschwindigkeitsdifferenz an der Spitze gegenüber der Mitte des Rotorblatts geeignet ist. Daher muss eine Windturbine, falls an den Rotorblättern der Turbine eine Vereisung detektiert wird, in der Regel ausgeschaltet werden, was zu einem Verlust bei der Energieerzeugung führt. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Verfahren, Schaltungen und Systeme bereitzustellen, die zum Detektieren einer Vereisung und Bereitstellen von Beheizung z. B. zum Enteisen besser geeignet sind. Diese Aufgabe wird durch das System nach Anspruch 1, die Windturbine nach Anspruch 16, die integrierte Schaltung nach Anspruch 27 und das Verfahren nach Anspruch 37 gelöst. Verschiedene Beispiele der Erfindung und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Ausführungsformen betreffen integrierte Schaltungen und verwandte Systeme und Verfahren zum Integrieren von Erkennungs- und Beheizungsfunktionen in Konstruktionen z. B. zum Enteisen. In einer Ausführungsform umfasst ein Erkennungs- und Beheizungssystem ein erstes Element und ein zweites Element; und einen Schaltkreis, der an das erste und das zweite Element gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Signal von dem ersten und/oder dem zweiten Element hinsichtlich einer Eigenschaft zu empfangen, um das Signal zu analysieren, um einen Zustand zu detektieren, und um das erste und/oder das zweite Element zu aktivieren, um Wärme bereitzustellen, falls das Signal den Zustand angibt.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Windturbine wenigstens ein Erkennungs- und Beheizungssystem, das eine Konstruktion umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Eigenschaft zu erkennen und Wärme bereitzustellen; und einen Schaltkreis, der an das wenigstens eine Erkennungs- und Beheizungssystem gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Signal hinsichtlich der Eigenschaft zu empfangen, um das Signal zu analysieren, und um Wärme in einem Bereich der Windturbine nahe der erkannten Eigenschaft bereitzustellen, falls das Analysieren einen Zustand angibt.
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In einer Ausführungsform umfasst eine integrierte Schaltung einen Ansteuerschaltkreis, der dazu ausgebildet ist, eine Beheizungs- und Erkennungskonstruktion zu steuern; und einen Zustandsautomatenschaltkreis, der an den Ansteuerschaltkreis gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Signal von der Beheizungs- und Erkennungskonstruktion zu empfangen, das Signal zu analysieren, um ein Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Zustands nahe der Beheizungs- und Erkennungskonstruktion zu bestimmen, und den Ansteuerschaltkreis basierend auf dem bestimmten Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Zustands zu steuern.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren Erkennen einer Eigenschaft durch eine Erkennungs- und Beheizungskonstruktion; Analysieren der Eigenschaft, um zu bestimmen, ob an der Erkennungs- und Beheizungskonstruktion Nässe vorhanden ist; und Aktivieren der Erkennungs- und Beheizungskonstruktion, um Wärme bereitzustellen, falls ein Ergebnis des Analysierens ein Vorhandensein von Nässe ist.
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Ein umfassenderes Verständnis der Erfindung wird unter Berücksichtigung der folgenden ausführlichen Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vermittelt, in denen:
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1 eine Ansicht einer Windturbine nach einer Ausführungsform ist.
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2A ist ein Blockschaltbild eines Erkennungs- und Beheizungssystems nach einer Ausführungsform.
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2B ist ein Blockschaltbild eines Erkennungs- und Beheizungssystems nach einer weiteren Ausführungsform.
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2C ist ein Blockschaltbild eines Erkennungs- und Beheizungssystems, das einen MD8710 nutzt, nach einer Ausführungsform.
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2D ist ein Blockschaltbild eines Schaltkreises und eines Erkennungs- und Beheizungsabschnitts nach einer Ausführungsform.
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3 ist eine Abbildung einer leitenden Polymerkonstruktion nach einer Ausführungsform.
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4A ist ein Ablaufschaubild eines Verfahrens nach einer Ausführungsform.
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4B ist ein Plot von Kapazitäten gegenüber der Frequenz für Luft, Wasser und zwei Dicken von Eis nach einer Ausführungsform.
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4C ist ein weiterer Plot von Kapazitäten gegenüber der Frequenz für Luft, Wasser und Eis nach einer Ausführungsform.
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4D ist ein Plot eines Phasenwinkels gegenüber der Frequenz für Luft, Wasser und Eis nach einer Ausführungsform.
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5 ist ein Funktionsblockschaltbild eines Erkennungs- und Beheizungssystems nach einer Ausführungsform.
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6 ist ein Plot von Temperaturkoeffizienten eines Widerstandskörpers nach einer Ausführungsform.
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Wenngleich die Erfindung verschieden abgewandelt und alternativ ausgestaltet werden kann, wurden Einzelheiten davon in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und werden ausführlich beschrieben. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen, die beschrieben werden, begrenzt sein soll. In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, ähnliche oder entsprechende Teile.
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Die Ausführungsformen betreffen integrierte Schaltungen, Systeme und Verfahren für kombinierte Erkennungs- und Beheizungsfunktionen in Konstruktionen, die zur Verwendung in Enteisungs-, Beheizungs- und anderen Anwendungen geeignet sind. In einer Ausführungsform ist eine integrierte Schaltung an ein Beheizungselement gekoppelt und dazu ausgebildet, um den Betrieb des Beheizungselements zu steuern, um Wärme bereitzustellen, sowie um das Beheizungselement wenigstens als Teil einer Erkennungskonstruktion zu nutzen, um das Vorhandensein von Eis, Wasser oder Luft an oder nahe dem Beheizungselement zu erkennen. In den Ausführungsformen umfasst das Beheizungselement eine leitende Polymerkonstruktion, und das Vorhandensein von Eis, Wasser oder Luft wird basierend auf einer Kapazität, einer Impedanz oder einer anderen Spektroskopie der Konstruktion erkannt, die durch den an die Konstruktion gekoppelten integrierten Schaltkreis erkannt und analysiert werden. Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Windturbine 100 abgebildet. Die Turbine 100 ist ein Horizontalläufer und umfasst einen Tragpfeiler 102 und drei Rotorblätter 104, wenngleich die Rotorblattanzahl und die allgemeine Anordnung der Turbine 100 in den Ausführungsformen variieren können. Wenngleich dies nicht abgebildet ist, sind die Ausführungsformen auch für noch andere Typen von Windturbinen geeignet, einschließlich Vertikalläufern, die unter anderem Darrieus, Savonius, Savonius verwunden, parallel, Giromill und Korkenzieher umfassen können. Die Turbine 100 kann auch einen Rotor, ein Getriebe, computergesteuerte Richtungsmotoren, einen Generator und Bremsen und andere Bauteile umfassen, die in 1 nicht abgebildet sind. Im Betrieb drehen sich die Rotorblätter 104 im Wind. In Anwendungen zur Erzeugung von elektrischem Strom sind die Rotorblätter 104 durch den Rotor an den Generator gekoppelt, und das Drehen der Rotorblätter bewirkt, dass vom Generator Strom erzeugt wird, wodurch Windenergie in Strom zur Verteilung und Verwendung umgewandelt wird.
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Die Windturbine 100 kann allein oder als Teil eines Windparks positioniert sein. In beiden Situationen befindet sich die Windturbine 100 in der Regel in einem Bereich mit ausreichend viel Wind, um beständig Strom zu erzeugen. Ein solcher Bereich kann auch variierenden Temperaturen ausgesetzt sein, außerdem Feuchtigkeit, Regen, Schneeregen, Schnee und anderen Witterungsverhältnissen, welche die Bildung von Eis an der Turbine 100, vor allem an den Rotorblättern 104, begünstigen. Ein Eisansatz an der Turbine 100 kann viele Probleme bewirken, einschließlich Vibrationen und Masse, was zu mechanischer Materialermüdung oder Ausfällen führen kann, Eisabwurf, der Verletzungen oder Schäden bewirken kann, und geringerer Mengen oder Verlusten bei der Erzeugung elektrischer Energie wegen einer niedrigeren Leistung oder einer vollständigen Abschaltung aufgrund ungünstiger Verhältnisse.
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In Avionik- und Automobilanwendungen wird die Vereisung oft mittels chemischer oder elektrischer Enteisungstechniken angegangen. Zum Beispiel kann ein Luftfahrzeug vor dem Flug auf dem Boden chemisch enteist werden und/oder mit Beheizungselementen ausgestattet sein, die von einem Bediener manuell eingeschaltet werden können, falls eine Vereisung detektiert wird oder die Verhältnisse darauf hindeuten. Chemische Enteisungen werden auch auf Brücken, Fahrbahnen und anderen Konstruktionen, auf denen Fahrzeuge fahren, verwendet. Einfache mechanische Techniken wie Abkratzen oder Zertrümmern können ebenfalls verwendet werden. Keine dieser Techniken eignet sich jedoch für Windturbinen. Aufgrund der Größe und der Anordnung von Windturbinen ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, chemische und mechanische Techniken zu verwenden, während herkömmliche elektrische Techniken die Masse, den Energiebedarf, die Komplexität und die Kosten erhöhen, was für Hersteller, Eigentümer und Betreiber von Windturbinen unerwünscht oder unhaltbar ist. Ferner erfordern diese Techniken nach wie vor manuelles Detektieren von Vereisungsverhältnissen, sodass sie für entfernt gelegene Windturbinen unpraktisch sind.
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In einer Ausführungsform und unter Bezugnahme auf 2A umfasst ein zur Verwendung mit Windturbinen und anderen Konstruktionen und Einrichtungen geeignetes Enteisungssystem 106 einen mit einem Schaltkreis 110 gekoppelten Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108. Der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 umfasst in einer Ausführungsform wenigstens eine Beheizungskonstruktion 112 und wenigstens eine Erkennungskonstruktion 114. In dieser und anderen Ausführungsformen kann der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 eine Beheizungskonstruktion, etwa die Konstruktion 112, umfassen, welche ein stromführendes Material, etwa ein widerstandsfähiges leitendes Polymer, umfasst; einen dünnen Film; Draht; Beschichtungs- oder beschichtetes Material; gesputtertes, bedrucktes oder aufgebrachtes Metall oder Komposit; oder irgendein anderes geeignetes leitendes Material in anderen Ausführungsformen, das in oder an einem Bereich, einer Oberfläche oder einer Kante angebracht werden kann. Geeignete leitende Polymere in Ausführungsformen sind zum Beispiel erhältlich von VILLINGER RESEARCH AND DEVELOPMENT (www.villinger.com). Das leitende Polymer in den Ausführungsformen kann intrinsisch oder extrinsisch sein und eine einzige Schicht oder mehrere Schichten umfassen.
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Der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 umfasst auch wenigstens eine Erkennungskonstruktion 114, die etwa zusammen mit dem Beheizungsabschnitt 108 ein Kondensator, ein Induktor oder eine andere geeignete Erkennungskonstruktion ist oder einen Teil davon bildet. Zum Beispiel bilden ein Abschnitt der Beheizungskonstruktion 112 und ein Abschnitt der Erkennungskonstruktion 114 in der Ausführungsform von 2A zusammen einen Interdigitalkondensator. In anderen Ausführungsformen kann die Erkennungskonstruktion 114 eine andere als eine interdigitale Form oder Konstruktion umfassen oder kann durch eine resistive oder eine induktive Konstruktion oder eine andere Konstruktion ersetzt sein, die zum Ermöglichen des Detektierens von Eis und/oder Wasser darauf geeignet ist.
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Zum Beispiel ist in 3 eine geeignete leitende Polymerkonstruktion 116 abgebildet, die erfolgreich in Versuchen genutzt wurde, und in einer Ausführungsform handelt es sich bei dieser Konstruktion 116 um eine Ausführungsform einer Erkennungskonstruktion 114. Die Konstruktion 116 ist in einer Ausführungsform ungefähr 30 cm mal ungefähr 30 cm groß, jedoch können die Größe und die Anordnung in anderen Ausführungsformen variieren. Zum Beispiel kann der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 in den Ausführungsformen Abmessungen von ungefähr 0,2 mm bis ungefähr 1 mm mal ungefähr 0,2 mm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen.
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Der Schaltkreis 110 ist an den Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 gekoppelt. In einer Ausführungsform umfasst der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 drei Stifte A, B und C. In 2A koppeln die Stifte A und B die Erkennungs- und Beheizungskonstruktion 112 an eine Stromquelle 118, während die Stifte A und C die Erkennungs- und Beheizungskonstruktion 112 an den Schaltkreis 110 koppeln. In einer Ausführungsform umfasst der Schaltkreis 100 eine integrierte Schaltung und ist für Signalverarbeitung und Analysen von vom Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 erlangten Signalen durch dielektrische Spektroskopie angepasst. In den Ausführungsformen umfasst der Schaltkreis 110 auch Abschnitte zum Bereitstellen einer pulsbreitenmodulierten Ausgabe und einen Treiber für Schalter, um den Betrieb des Erkennungs- und Beheizungsabschnitts 108 zwischen Erkennungsfunktionen und Beheizungsfunktionen zu steuern. Deshalb ist der Schaltkreis 110 auch an eine Stromquelle 118 gekoppelt, die gesteuert vom Schaltkreis 110 geregelten Strom für den Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 bereitstellt.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 2B abgebildet, in welcher der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 zwei parallel gekoppelte Elemente 111 umfasst. Die Elemente 111 können je Beheizungselemente sein und können auch als Kondensator verwendet werden, wobei der Schaltkreis 110 eine Kapazität zwischen den zwei Elementen 111 erkennt. Folglich können dieselben Elemente sowohl zum Beheizen als auch zum Erkennen verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform umfasst nur ein erstes der Elemente 111 ein Beheizungselement, während ein zweites in Kombination mit dem ersten zum Erkennen verwendet wird. In noch einer anderen Ausführungsform werden mehr als zwei Elemente 111 verwendet. In einer Ausführungsform kann ein Schalter, ein Kurzschluss oder eine andere Verbindung zwischen zwei Stiften, etwa den Stiften A und C oder den Stiften B und D, implementiert werden, um beide Elemente 111 zu beheizen, dann kann der Schalter periodisch geöffnet werden, um die Kapazität des Abschnitts 108 zu messen, um zu bestimmen, ob eine weitere Beheizung notwendig ist.
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Zum Beispiel kann der Schaltkreis 110 in einer Ausführungsform den Abschnitt 108 mit einem Arbeitszyklus mit 95% Beheizung und 5% Erkennung betreiben, auch wenn diese Prozentsätze lediglich für eine Ausführungsform beispielhaft sind und in anderen variieren können. Wenn kein Wasser, keine Vereisung oder kein anderer eine Beheizung erfordernder Zustand erkannt wurden, kann das Beheizen entfallen, bis eine periodische Erkennung der Kapazität der Konstruktion 108 angibt, dass ein Beheizen, um Eis oder Wasser zu entfernen, oder aus irgendeinem anderen Grund notwendig ist. Eines oder mehrere der Elemente 111 können in den Ausführungsformen auch Widerstandskörper umfassen.
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Unter Bezugnahme auf 2C umfasst der Schaltkreis 110 in einem Ausführungsbeispiel einen MD8710, der von der INFINEON TECHNOLOGIES AG erhältlich ist. Der MD8710 ist ein integrierter Datenaufnahme- und -verarbeitungsmikrocontroller für medizinische, industrielle und andere Anwendungen und kann an die Ausführungsformen des Systems 106 angepasst werden. Der MD8710 umfasst einen digitalen Abschnitt 118 und einen analogen Frontend-Abschnitt 119. Der analoge Frontend-Abschnitt 120 kann dazu ausgebildet sein, die Spektral- oder eine andere Analyse anhand von Daten auszuführen, die vom Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 empfangen werden, der in 2C eine leitende Polymer- oder ähnliche Konstruktion umfasst, wie hierin erörtert, dargestellt als Impedanz mit dem Bezugszeichen Z2. In anderen Ausführungsformen kann die Impedanz Z2 stattdessen eine Kapazität, ein Widerstand oder eine andere Eigenschaft sein. In der Ausführungsform von 2C wird eine Vierpunktverbindung zwischen dem analogen Abschnitt 119 und der Erkennungs- und Beheizungskonstruktion 108 verwendet, wenngleich dies in anderen Ausführungsformen variieren kann (siehe z. B. 2D). Ausgangssignale vom analogen Frontend-Abschnitt 120 können dann über den digitalen Abschnitt 118 bereitgestellt werden, etwa für eine Benutzerschnittstelle, einen Rechner, einen Server, ein Dashboard oder eine andere Einrichtung in den Ausführungsformen. In der Ausführungsform von 2B stellen Z1 und Z3 parasitäre Impedanzen in einer Versuchsanordnung dar. Abhängig von den Größen dieser parasitären Impedanzen kann es in anderen Ausführungsformen auch möglich sein, als Alternative eine einfache Zweidrahtmessung von Z2 zu implementieren.
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Die Ausführungsform von 2C ist ein Beispiel für eine Ausführungsform, die einen MD8710 verwendet. In anderen Ausführungsformen können andere den MD8710 enthaltende Anordnungen implementiert sein, und noch weitere Ausführungsformen können den MD8710 in der Anordnung von 2C durch einen anderen Mikrocontroller, Chip oder Schaltkreis ersetzen oder andere Aufbauten nutzen als denjenigen, der in 2C abgebildet ist. Mit anderen Worten, 2C ist nur eine Versuchsanordnung, die mit einer Ausführungsform assoziiert wird, welche mit Bezug auf andere Ausführungsformen nicht als begrenzend anzusehen ist.
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Zum Beispiel umfasst in 2D eine verallgemeinerte Abbildung von 2C einen digitalen Schaltkreis 115, einen analogen Schaltkreis 117 und einen Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108. Der digitale Schaltkreis 115 und der analoge Schaltkreis 117 können in verschiedenen Ausführungsformen in einem einzigen Chip, etwa einem MD8710- oder einem anderen Chip, implementiert oder können voneinander getrennt sein. Abhängig von der Anordnung des Erkennungs- und Beheizungsabschnitts 108 können die Verbindungen zwischen dem Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 und dem analogen Schaltkreis 117 variieren. Zum Beispiel kann eine Drei-Stift-Kopplung wie in 2A verwendet werden, oder eine Vier-Stift-Kopplung wie entweder in 2B oder in 2C oder irgendeine andere Verbindung, sodass der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108, unabhängig von seiner Anordnung, mit einem Schaltkreis 110, etwa den Schaltkreisen 115 und 117, zum Bereitstellen von Wärme verbunden sein und verwendet werden kann, um zu erkennen, ob basierend auf der Erkennung einer Kapazität, einer Impedanz, eines Spektrums, eines Phasenwinkels oder irgendeiner anderen Eigenschaft Wärme zugeführt werden soll.
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Im Betrieb und unter Bezugnahme auf 4A beeinflussen Eis, Wasser, Feuchtigkeit, Nässe oder andere Stoffe in, an oder nahe dem Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 eine Kapazität, eine Impedanz oder irgendeine andere Eigenschaft der Erkennungskonstruktion 114, sodass der Schaltkreis 110 eine Kapazität, eine Impedanz oder eine Änderung darin der Konstruktion 112 bei 121 erkennen und die erkannte Eigenschaft oder einen anderen Wert analysieren kann, indem er bei 123 eine dielektrische Spektroskopie, die Frequenz oder ein anderes geeignetes Verfahren zum Unterscheiden zwischen Eis, Wasser, Luft oder irgendeinem anderen Stoff verwendet. Der Schaltkreis 110 kann den Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 in den Ausführungsformen zu unterschiedlichen Zeiten und mit unterschiedlicher Häufigkeit abtasten, um zu bestimmen, ob gerade eine Vereisung auftritt. In einer Ausführungsform kann der Schaltkreis 110 periodisch einen Messwert der Eigenschaft vom Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 erlangen und diesen Messwert dann gemäß einer dielektrischen Spektroskopie, der Frequenz oder irgendeinem anderen Faktor analysieren und einen Vergleich mit Bezug auf bekannte Kapazitäts-, Widerstands- oder Impedanzwerte hinsichtlich des Erkennungs- und Beheizungsabschnitts 108 ziehen, um zu bestimmen, ob gerade eine Vereisung auftritt. Falls gerade eine Vereisung auftritt oder falls Wasser vorhanden ist oder irgendein anderer Zustand besteht und unerwünscht ist, kann die Beheizung des Erkennungs- und Beheizungsabschnitts 108 bei 125 aktiviert oder zyklisch wiederholt werden.
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Zum Beispiel bildet 4B verschiedene Kapazitätsspektrum-Eigenschaften unterschiedlicher Stoffe am Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 ab. Die Linie 120 stellt Wasser dar, die Linie 122 stellt eine erste Dicke von Eis dar, die Linie 124 stellt eine zweite Dicke von Eis dar und die Linie 126 stellt Luft dar. Angesichts der relativ niedrigen dielektrischen Konstante von Luft (ungefähr 1,0) gegenüber den relativ höheren dielektrischen Konstanten von Eis (3,2) und Wasser (80,4) kann der Schaltkreis 110 zuverlässig zwischen Luft (Linie 126) und Wasser oder Eis (Linien 120, 122, 124) unterscheiden, indem er vom Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 einen Kapazitäts-, Impedanz- oder anderen Messwert empfängt und diesen Messwert mit bekannten Werten oder Wertebereichen vergleicht.
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Die 4C und 4D betreffen Versuchsdaten einer Ausführungsform. 4C ähnelt 4B, eine graphische Abbildung der Kapazität, in Farad, gegenüber der Frequenz. Ähnlich wie in 4B können Wasser, Eis und trockene Verhältnisse basierend auf den bekannten dielektrischen Konstanten der Stoffe von Interesse unterschieden werden. In 4D ist der Phasenwinkel in Grad mit Bezug auf die Frequenz grafisch dargestellt, und Eis kann wiederum von trockener Luft oder Wasser unterschieden werden. In anderen Ausführungsformen können noch andere Vorgehensweisen zum Unterscheiden hinsichtlich des Vorhandenseins von Luft, Eis oder Wasser in oder an Rotorblättern 104 angewendet werden.
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Eine andere Abbildung des Systems 106 wird in 5 als Funktionsblockschaltbild gezeigt. In 5 umfasst das System 106 ein Beheizungselement 130, ein Sensorelement 132, einen Ansteuerschaltkreis 134 zum Beheizen des Beheizungselements 130, eine Zustandsautomat 136 zur Analyse von Signalen vom Sensorelement 132 und zur Steuerung des Ansteuerschaltkreises 134 und einen optionalen Temperaturmessschaltkreis 138. In den Ausführungsformen, und wie zuvor erörtert, können das Beheizungselement 130 und das Sensorelement 132 dieselbe Konstruktion umfassen, oder ihre Konstruktionen können sich teilweise decken, sodass dieselbe Konstruktion zum Teil oder insgesamt sowohl zum Erkennen als auch zum Beheizen verwendet werden kann. Unabhängig von der bestimmten Anordnung beliebiger Ausführungsformen und davon, ob gleich dem Sensorelement 132, sich teilweise mit ihm deckend oder einstückig mit ihm ausgebildet, kann das Beheizungselement 130 ein extrinsisches leitendes Polymer, ein intrinsisches leitendes Polymer, ein widerstandsfähiges Beheizungselement oder irgendeine andere geeignete stromführende Konstruktion umfassen. Das Sensorelement 132 ist dazu ausgebildet, Änderungen der elektrischen Polarisierbarkeit, des Widerstands, der Kapazität, der Impedanz oder irgendeiner anderen Eigenschaft aufgrund des Vorhandenseins von Eis, Wasser oder Luft zu erkennen. Der Ansteuerschaltkreis 134 ist dazu ausgebildet, das Beheizungselement 130 anzusteuern, und kann einen Linearregler oder irgendein anderes Schaltverfahren mit Pulsbreitenmodulation (PBM) umfassen. Der Ansteuerschaltkreis 134 kann auch Topologien für geregelte Spannungsumwandlung und andere Funktionen umfassen. Die Zustandsautomat 136 ist dazu ausgebildet, Signale vom Sensorelement 132 zu analysieren, basierend auf dem erkannten Signal zu bestimmen, ob Eis, Nässe oder Luft vorhanden ist, und den Ansteuerschaltkreis 134 zu steuern. Um Signale vom Sensorelement zu analysieren, kann die Zustandsautomat 136 eine Änderung im Frequenzbereich, Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen oder irgendein anderes geeignetes Verfahren verwenden.
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Ein optionaler Messschaltkreis 138 kann dazu ausgebildet sein, Temperaturen basierend auf der Impedanz des Beheizungselements 130 und bekannten Temperaturverhalten zu messen. Zum Beispiel bildet 6 beispielhafte Temperaturkoeffizienten für die Probe eines leitenden Polymers ab. Wie ersichtlich ist, liegt bei höheren Temperaturen ein stark positiver Temperaturkoeffizient vor, und in den Ausführungsformen kann dies berücksichtigt werden, um eine Filamentierung von Strom im Beheizungselement 130 zu verhindern.
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In der Ausführungsform von 2A, auf die erneut Bezug genommen wird, kann der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 durch Integrieren der Sensorkonstruktion 114 in die Beheizungskonstruktion 112 gebildet und dann in oder an den Rotorblättern 104 oder irgendeiner anderen Konstruktion der Windturbine 100 aufgebracht oder montiert werden. Zum Beispiel kann der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 an den Kanten, etwa den Eintrittskanten, der Rotorblätter 104 oder über eine gesamte Oberfläche von jedem der Rotorblätter 104 aufgebracht sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 in Teilabschnitten der Rotorblätter 104, etwa an der Spitze, im mittleren Abschnitt und im inneren Abschnitt am nächsten an der Stützkonstruktion 102, implementiert sein. Dies ermöglicht, dass Wasser oder Eis überall am Rotorblatt 104 erkannt wird, vor allem angesichts dessen, dass Vereisungsverhältnisse entlang der Länge des Rotorblatts 104 aufgrund der Drehgeschwindigkeit, der Windverhältnisse und der Konstruktion variieren können. Eine Multiplexanzeige der Sensorkonstruktionen 114 durch eine zentrale Zustandsautomat und/oder die Steuerung des Erkennungs- und Beheizungsabschnitts 108 können unabhängig von der jeweiligen Verteilung entlang dem Rotorblatt 104 die unterschiedlichen Vereisungsverhältnisse berücksichtigen, die an unterschiedlichen Stellen auftreten können. Zum Beispiel kann das System 106 an einer einzigen Windturbine 100 in einer Ausführungsform mehrere entlang einem oder mehreren Rotorblättern 104 verteilte Exemplare des Erkennungs- und Beheizungsabschnitts 108 umfassen. Falls nur in bestimmten Bereichen, z. B. an der Spitze eines einzigen Rotorblatts 104, eine Vereisung detektiert wird, kann in einer Ausführungsform nur die in diesem Bereich befindliche Beheizungskonstruktion 112 aktiviert werden, um eine Enteisung bereitzustellen. Dies ermöglicht Energieeinsparungen im Vergleich zu Systemen, die entweder an oder aus sind, und es kann deshalb Wärme bereitgestellt werden, um Bereiche zu enteisen, die nicht von einer Vereisung betroffen sind, wenn eine Vereisung detektiert wird. In diesen und anderen Ausführungsformen kann der Erkennungs- und Beheizungsabschnitt 108 modular, mit einem einzigen Exemplar des Schaltkreises 100 oder irgendeiner anderen Steuereinheit gekoppelt sein, der oder die dazu ausgebildet ist, mit dem System 106 verbunden zu sein, Signale auszulesen und die Beheizung und die Erkennung zu steuern.
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Die Ausführungsformen können nicht nur in Windturbinen, sondern auch in anderen Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel können die hierin erörterten Systeme und Verfahren unter anderem in verschiedenen Avionik-, Automobil-, privaten und industriellen Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel kann das System 106 in Armaturenbrettern oder anderen Bereichen von Autos eingebettet sein, um Wärme bereitzustellen, wenn statt Eis jeweilige Temperaturen detektiert werden. Das System 106 könnte auch an Innen- oder Außenbereichen von Autos oder Luftfahrzeugen verwendet werden, um Vereisungs- oder Wasserdetektion, -entfernung und/oder -verhinderung bereitzustellen. Andere Ausführungsformen können in privaten Anwendungen verwendet werden, um Eis in problematischen Bereichen, etwa an Dachkanten, in Fußgänger- und anderen Bereichen, zu entfernen oder die Eisbildung dort zu verhindern. Es sind noch unzählige weitere Anwendungen in praktisch jeglichen Situationen möglich, in denen Detektieren, Entfernen und/oder Verhindern von Eis oder Wasser gewünscht wird.
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Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Einrichtungen und Verfahren wurden hierin beschrieben. Diese Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht begrenzen. Es sollte sich ferner verstehen, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben wurden, verschieden kombiniert werden können, um zahlreiche weitere Ausführungsformen herzustellen. Ferner können, wenngleich verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Anordnungen und Stellen usw. zur Nutzung mit offenbarten Ausführungsformen beschrieben wurden, neben denjenigen, die offenbart wurden, noch andere genutzt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Der Durchschnittsfachmann auf dem jeweiligen Gebiet erkennt, dass die Erfindung auch weniger Merkmale als in beliebigen einzelnen, oben beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht umfassen kann. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sollen keine vollständige Darlegung der Möglichkeiten sein, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Demzufolge sind die Ausführungsformen keine einander ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; vielmehr kann die Erfindung auch eine Kombination unterschiedlicher einzelner Merkmale umfassen, die aus unterschiedlichen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt werden, wie sich für den Durchschnittsfachmann versteht. Ferner können mit Bezug auf eine Ausführungsform beschriebene Elemente auch in anderen Ausführungsformen implementiert werden, selbst wenn dies in den betreffenden Ausführungsformen nicht beschrieben wird, es sei denn, es ist anders angemerkt. Auch wenn sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen möglicherweise auf eine spezielle Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht, können andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination eines oder mehrerer Merkmale mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen enthalten. Derartige Kombinationen werden hierin nahegelegt, es sei denn, es wird erklärt, dass eine spezielle Kombination nicht vorgesehen ist. Des Weiteren ist auch vorgesehen, dass Merkmale eines Anspruchs in jeglichen anderen unabhängigen Ansprüchen enthalten sind, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt vom unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
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Eventuelle Aufnahmen durch Bezugnahme auf Dokumente oben sind insofern begrenzt, als ein Gegenstand nicht aufgenommen ist, wenn er der ausdrücklichen Offenbarung hierin zuwiderläuft. Eventuelle Aufnahmen durch Bezugnahme auf Dokumente oben sind weiter insofern begrenzt, als Ansprüche, die in den Dokumenten enthalten sind, durch Bezugnahme nicht hierin aufgenommen werden. Eventuelle Aufnahmen durch Bezugnahme auf Dokumente oben sind außerdem weiter insofern begrenzt, als eventuelle Definitionen, die in den Dokumenten bereitgestellt werden, durch Bezugnahme nicht hierin aufgenommen werden, es sei denn, sie werden ausdrücklich hierin aufgenommen.
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Zu Zwecken der Auslegung der Ansprüche für die vorliegende Erfindung ist ausdrücklich vorgesehen, dass eine Berufung auf die Bestimmungen von § 112, Absatz 6, U.S.C., Bd. 35 nicht möglich ist, es sei denn, die speziellen Begriffe „Mittel für” („means for”) oder „Schritt für” („step for”) werden in einem Anspruch genannt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- § 112, Absatz 6, U.S.C., Bd. 35 [0043]
