DE19645164C1

DE19645164C1 - Luftdruck-Meßfühler mit Enteisungsheizung

Info

Publication number: DE19645164C1
Application number: DE1996145164
Authority: DE
Inventors: Josef Wenzl; Robert Schneider
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1996-11-02
Filing date: 1996-11-02
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2016-11-03
Also published as: GB2318961B; GB2318961A; ES2148049B1; ES2148049A1; GB9722812D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftdruck-Meßfühler für Luftfahrzeuge und luftatmende Flug antriebe, mit einer elektrischen Enteisungsheizung und einer, gegenüber einer zu messenden Luftströmung oder -masse mündenden Druckleitung.

Derartige Meßfühler dienen beispielsweise zur Ermittlung des statischen Luftdruckes im Lufteinlauf von Strahltriebwerken. Der mit Meßfühler und Drucksonde gemessene Luftdruck wird als elektrisches Signal einer Triebwerks-Regeleinheit zugeführt, so daß zusammen mit anderen Betriebsparametern das Triebwerk innerhalb der zulässigen Grenzen betrieben werden kann. Ein für Luftfahrzeuge geeigneter Luftdruckmeßfühler mit einer zu der zu messenden Luftströmung mündenden Druckleitung ist aus der US-PS 47 30 487 (vergl. dort Fig. 3) bekannt. Der vor bekannte Luftdruckmeßfühler weist allerdings keine Enteisungs heizung auf, wodurch der praktische Einsatz des vorbekannten Meßfühlers eingeschränkt ist. Kommt das Triebwerk als Antrieb für Flugzeuge zum Einsatz, so sind extreme Umge bungsbedingungen bei der Messung des Luftdrucks zu berücksichtigen. Beim Durchflug von Wolken kann es aufgrund der dort herrschenden Luftfeuchtigkeit und niedrigen Temperatur zur Eisbildung im Lufteinlauf kommen, so daß der Meßfühler vereist und falsche Druckwerte an die Sonde liefert.

Um die daraus resultierenden Störungen zu vermeiden, werden derartige Meßfühler mit Ent eisungsheizungen versehen. Zu diesem Zweck sind elektrische Enteisungsheizungen bekannt, die entweder manuell zu- und abgeschaltet werden oder gesteuert von einem Temperatursensor bei Unterschreiten einer bestimmten Lufttemperatur automatisch zugeschaltet werden. Nach teilig hierbei ist, daß derartige Enteisungsheizungen einen hohen Strombedarf haben, da sie für die ungünstigsten Vereisungsbedingungen ausgelegt sein müssen um mit Sicherheit bei hoher Feuchtigkeit und niedriger Temperatur eine Eisbildung zu vermeiden. Nachteilig bei den manuell geschalteten Heizungen ist die erforderliche Aufmerksamkeit um die Heizung recht zeitig einzustellen. Von Temperatursensoren gesteuerte Enteisungsheizungen erfordern einen erhöhten Bauaufwand für den zusätzlichen Temperaturfühler, wobei die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems aufgrund des zusätzlichen Bauelements fehlt. Die in der DE 27 46 342 C3 offenbarte Enteisungsheizung mit PTC-Heizelementen vermeidet derartige Probleme, da die erforderliche Heizleistung in Abhängigkeit der Temperatur am Heizelement selbsttätig gere gelt wird. Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) sinkt bei abfallender Tem peratur der elektrische Widerstand des Heizelements, so daß mit zunehmender Stromstärke eine erhöhte Heizleistung erbracht wird. Das PCT-Heizelement - auch Kaltleiter genannt - besteht aus einem halbleitenden und ferroelektrischen Werkstoff. Oberhalb einer von der Stoffzusammensetzung abhängigen Temperatur wird der Effekt der Ferroelektrizität wirksam.

Dabei löst sich die Ausrichtung der einzelnen Kristallite des Werkstoffes auf, was wiederum in einem schmalen Temperaturbereich zu einem exponentiellen Anstieg des Widerstandes führt, was durch den positiven Temperaturkoeffizienten zum Ausdruck gebracht wird. Durch eine entsprechende Wahl der Parameter wie Temperaturkoeffizient und Nenntemperatur kann die Enteisungsheizung entsprechend den Einsatzbedingungen des Luftdruck-Meßfühlers ausgelegt werden, so daß das Heizelement die Temperatur des Meßfühlers selbsttätig regelt und auf einem vorbestimmten Pegel hält, so daß eine Vereisung des Meßfühlers ausge schlossen werden kann.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung einen gattungsgemäßen Luftdruck-Meßfühler anzugeben, der auch unter Einsatz in Vereisungsbedingungen einen die Meßwerte verfäl schenden Eisansatz mit Hilfe einer Enteisungsheizung unterbindet. Die Beheizung des Meß fühlers soll selbsttätig mit minimalem Stromverbrauch erfolgen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Enteisungsheizung einen Hei zungsträger aufweist, innerhalb dessen ein Abschnitt der Druckleitung verläuft, der konzen trisch von zumindest einem ringförmigen PTC-Heizelement umgeben wird, wobei der Hei zungsträger einen koaxial zwischen dem Heizelement und der Mündung der Druckleitung aus gebildeten Flansch aufweist, an dessen ringförmigen Stirnfläche das Heizelement in Wärme leitverbindung flächig anliegt.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die großflächige Anlage des Heizelements an der ringförmigen Stirnfläche des Heizungsträgers ein ungestörter Wärmeübergang in die Druck leitung gewährleistet wird. Durch die konzentrische Ausbildung des wärmeübertragenden Flansches ist zudem eine gleichmäßige Wärmeverteilung insbesondere im Mündungsbereich der Druckleitung sichergestellt, in welchem die Gefahr der Eisbildung am ehesten besteht. Durch die Verwendung von Heizelementen mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) er folgt eine selbsttätige Regelung der Temperatur des Meßfühlers, so daß zusätzlicher apparati ver Aufwand für eine Temperaturregelung entfällt und ein Meßfühler mit kompakten Abmes sungen bereit gestellt werden kann. Je nach Anzahl und Leistungsfähigkeit der Heizelemente ist eine sehr schnelle Wärmezufuhr in die innerhalb des Heizungsträgers ausgeführte Druck leitung möglich, so daß bei plötzlich auftretenden Vereisungsbedingungen auch ein kurzzeiti ger Eisansatz verhindert wird. Aufgrund der vom Mündungsbereich etwas beabstandeten Lage des Flansches ist auch die rückwärtig gelegene Druckleitung vor innerer Eisbildung gesichert.

Durch die rotationssymmetrische Ausbildung des Heizungsträgers samt Flansch wird nicht nur eine gleichmäßige Temperaturverteilung ermöglicht sondern auch eine rationelle Fertigungs weise ermöglicht. Zur Sicherstellung eines schnellen Wärmetransports in den mündungsseiti gen Leitungsbereich ist der Heizungsträger aus einem wärmeleitenden Werkstoff wie bei spielsweise Kupfer ausgeführt. Um eine Oxidation innerhalb der Druckleitung beispielsweise bei Einsatz auf Übersee zu vermeiden, ist die Innenwandung der Druckleitung vorzugsweise mit einer seewasserbeständigen Beschichtung, beispielsweise einer Nickelschicht versehen. Die Ausführung von Flansch und Heizelement mit im wesentlichen gleichen Außendurch messer führt zu einer kompakten Bauweise.

Durch die Ausbildung des Heizungsträgers gemäß den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7 ergibt sich eine spindelartige Gestalt des Heizungsträgers, wobei die Lage des Flansches be züglich der Mündung der Druckleitung im ersten oder mittleren Drittel für eine optimale Wär meverteilung zu wählen ist. Durch die Ausbildung der Druckleitung als Durchgangsbohrung innerhalb des Heizungsträgers bildet das eine Ende die Mündung der Druckleitung, während das andere Ende mit einem Anschluß für den zur Drucksonde führenden Abschnitt der Druck leitung versehen werden kann.

Wesentlich für die problemlose Funktion des Meßfühlers ist der Stromanschluß der Entei sungsheizung, welcher auch unter extremen mechanischen Bedingungen wie Vibration, Be schleunigungen und Stöße stets eine sichere und störungsfreie Stromversorgung der Entei sungsheizung gewährleistet. Gemäß den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10 ist Heizungs träger mit einem Stromanschluß beispielsweise dem Masseanschluß versehen, wobei die der Mündung abgewandte Ringfläche des Heizelements mit dem gegenpoligen Stromanschluß versehen ist. Die Kontaktfläche zwischen Flansch und der mündungsseitigen Stirnfläche des Heizelements dient somit nicht nur als Wärmeübergangsfläche sondern auch als elektrische Kontaktfläche. Hierdurch ergibt sich eine weitere Vereinfachung im Aufbau des Meßfühlers.

Um die zu installierende Heizleistung bei der geforderten Enteisungsleistung möglichst gering halten zu können, ist die Enteisungsheizung von einer Wärmeisolierung umgeben, wobei hier ein Eingießen in Kunstoff, beispielsweise Polyimid, zum einen unnötiger Wärmeverlust ver mieden wird und zum anderen das Innere des Meßfühlers und hierbei insbesondere die Strom anschlüsse vor mechanischer Beschädigung und Korrosion geschützt sind. In weiterer Ausbil dung des Meßfühlers ist dieser zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen in ein Gehäuse, beispielsweise aus Aluminium eingesetzt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a einen Längsschnitt durch einen Luftdruck-Meßfühler mit Leitungsanschluß,

Fig. 1b einen Längsschnitt des Meßfehlers nach Fig. 1a mit Darstellung des Stroman schlusses und

Fig. 2 die Kennlinie eines Heizelements der Enteisungsheizung.

Der in Fig. 1a dargestellte Luftdruck-Meßfühler 1 ist Bestandteil einer nicht weiter dargestell ten Luftdruck-Meßeinrichtung eines Strahltriebwerkes für Flugzeuge. Zur Bestimmung des statischen Luftdruckes der Luftströmung im Lufteinlauf dient der Meßfühler 1, wobei dieser über eine Druckleitung mit einer Druckmeßdose in Verbindung steht. Bei der Ausführung nach Fig. 1a sitzt der in einem zylindrischen Gehäuse 2 untergebrachte Meßfühler 1 in der Wandung 3 eines Lufteinlaufkanals, wobei die Mündung 4 einer Druckleitung 5 bündig mit der Ober fläche der Innenwand 3 abschließt, so daß der statische Druck innerhalb des Lufteintrittskanals exakt gemessen werden kann. Der sich innerhalb der Druckleitung 5 einstellende Luftdruck, welcher dem statischen Luftdruck der zu messenden Luftströmung S entspricht, wird über einen meßfühlerseitigen Druckanschluß 6 und einer weiteren Druckleitung einer nicht weiter dargestellten Druckmeßdose zur Auswertung weitergeführt.

Um auch unter Vereisungsbedingungen also bei hoher Luftfeuchtigkeit und bei Temperaturen unterhalb 10°C exakte Druckwerte messen zu können, ist einer Vereisung der Mündung 4 und der innerhalb des Meßfühlers 1 verlaufenden Druckleitung 5 vorzubeugen. Hierzu ist der Meßfühler 1 mit einer Enteisungsheizung 7 versehen. Die Enteisungsheizung 7 setzt sich aus einem zapfenförmigen, rotationssymmetrischen Heizungsträger 8 sowie aus acht ringscheiben förmigen PTC-Heizelementen 9 zusammen. Die Druckleitung 5 ist innerhalb des Heizungs trägers 8 als koaxiale Durchgangsbohrung ausgeführt, die mündungsseitig in einem zapfen artig ausgebildeten Ende 10a des Heizungsträgers 8 austritt. In einem vorderen Drittel des Heizungsträgers 8, jedoch mit axialer Beabstandung zur Mündung 4, weist der Heizungsträger 8 einen Flansch radialer und axialer Ausdehnung auf, an dessen jenseits der Mündung 4 gele genen ringförmigen Stirnfläche 12 koaxial zueinander angeordnet sind. An dem zweiten, eben falls zapfenförmig ausgebildeten Ende 10b des Heizungsträgers 8 umgeben die Heizelemente 9 die Druckleitung 5 konzentrisch, wobei das mündungsseitige Heizelement 9′ in Wärmeleit verbindung flächig an der Stirnfläche 12 anliegt. Das zweite Ende 10b weist ein Außengewin de 13 auf, so daß mittels einer Mutter 14 die Heizelemente 9 in axialer Richtung gegen den Flansch 11 angedrückt und festgelegt werden, womit ein optimaler, spaltloser Wärmeübergang zwischen den Heizelementen 9 einerseits und dem Flansch 11 andererseits stattfindet.

Wie weiter in Fig. 1b dargestellt, weist die Enteisungsheizung 7 zur dessen Stromversorgung zwei Stromanschlüsse 15a und 15b auf, die jeweils als Ringscheibe mit Anlötfahne ausgeführt sind. Ein erster der beiden koaxial zwischen Mutter 14 und Heizelemente 9 angeordneten Stro manschlüsse 15a und b kontaktiert das letzte, mutterseitige Heizelement 9′′, während der zwei te Stromanschluß 15b durch eine Isolierscheibe 16 vom ersten Stromanschluß 15a getrennt ist und das zweite Ende 10b radial innen kontaktiert. Über den als Masse geschalteten Heizungs träger 8 ergibt sich somit ein Stromfluß über das flanschseitige Heizelement 9′ bis zum mutter seitigen Heizelement 9′′ zum ersten Stromanschluß 15a, wobei radial zwischen den Heizele menten 9 und dem Heizungsträger 8 eine elektrisch isolierende Hülse 18 angeordnet ist.

Im Bereich des Flansches 11 und des vorderen Endes 10a des Heizungsträgers 8 ist dieser unter Aussparung der Mündung 4 von einer aus Polyimid bestehenden Wärmeisolierung 18 um schlossen, so daß ein Wärmeverlust über die angrenzende Wandung 3 unterbunden wird. Der vordere, entsprechend der Ausbildung des Heizungsträgers 8 stufenförmig ausgebildete Be reich des Gehäuses 2 sitzt mit dem vorderen Bereich der Enteisungsheizung 7 in einer zylin drischen Aussparung der Wandung 3. Für einen sicheren Halt des Meßfühlers 1 ist dieser mit der Wandung 3 verschraubt. Im rückwärtigen, jenseits der Mündung 4 gelegenen Bereich des Meßfühlers 1 ist dieser innerhalb des Gehäuses 2 mittels einer Vergußmasse aufgefüllt, wobei diese zur Verbindung der Druckleitung 5 mit dem Druckanschluß 6 einen Kanal 20 aufweist. Schließlich weist das Gehäuse 2 einen Deckel 21 auf, mit dem über die Vergußmasse 19 die Enteisungsheizung 7 im Gehäuse 2 festgelegt wird.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Kennlinie der auch Kaltleiter genannten PTC-Heizelemente 9. Hierbei ist der Kaltleiterwiderstand R in Abhängigkeit von der Kaltleitertemperatur T darge stellt. Im Gebiet des steilen Widerstandsanstieges hängt der ohm′sche Widerstand von der Temperatur T gemäß der folgenden Beziehung ab:

R =R₀e^α ^(T-T0)

In dieser Gleichung bedeutet α ein Temperaturkoeffizient und R₀ ist der Widerstand in Ohm bei der Temperatur T0. Der Temperaturkoeffizient α ist unabhängig von der Temperatur und gleicht einer Materialkonstanten. Bei den gewählten Heizelementen mit einer maximalen Ein schaltleitung von etwa 35 W beträgt die Bezugstemperatur T_A, bei der der Temperaturkoef fizient positiv wird, etwa 120°C. Aufgrund des dann rapide steigenden Widerstandes ist dies die etwa maximal auftretende Temperatur der Enteisungsheizung.

Bezugszeichenliste

1 Luftdruck-Meßfühler
2 Gehäuse
3 Wandung
4 Mündung
5 Druckleitung
6 Druckanschluß
7 Enteisungsheizung
8 Heizungsträger
9 PTC-Heizelement
10a, b erstes, zweites Ende
11 Flansch
12 Stirnfläche
13 Außengewinde
14 Mutter
15a, b Stromanschluß
16 Isolierscheibe
17 Hülse
18 Wärmeisolierung
19 Vergußmasse
20 Kanal
21 Deckel

Claims

1. Luftdruck-Meßfühler (1) für Luftfahrzeuge und luftatmende Flugantriebe, mit einer elektrischen Enteisungsheizung (7) und einer, gegenüber einer zu messenden Luftströ mung oder -masse mündenden Druckleitung (5), dadurch gekennzeichnet, daß die Ent eisungsheizung (7) einen Heizungsträger (8) aufweist, innerhalb dessen ein Abschnitt der Druckleitung (5) verläuft, der konzentrisch von zumindest einem ringförmigen PTC-Heizelement (9) umgeben wird, wobei der Heizungsträger (8) einen koaxial zwi schen dem Heizelement (9) und der Mündung (4) der Druckleitung (5) ausgebildeten Flansch (11) aufweist, an dessen ringförmigen Stirnfläche (12) das Heizelement (9) in Wärmeleitverbindung flächig anliegt.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungsträger (8) mit Flansch (11) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungsträger (8) aus einem wärmeleitenden Werkstoff ausgeführt ist.

4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungsträger (8) einstückig ausgeführt ist.

5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (11) und das Heizelement (8) im wesentlichen den gleichen Außendurch messer aufweisen.

6. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungsträger (8) im Anschluß an den Flansch (11) und seitens des Heizele ments (9) ein zapfenartig ausgebildetes Ende (10a) aufweist, welches zumindest auf ei nem axialen Teilbereich von dem Heizelement (9) umgeben wird.

7. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungsträger (8) im Anschluß an den Flansch (11) und jenseits des Heizelements (9) ein zapfenartig ausgebildetes Ende (10b) mit der Mündung (4) der Druckleitung (5) aufweist.

8. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung (5) koaxial innerhalb des Heizungsträgers (8) als Durchgangsbohrung ausgeführt ist.

9. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enteisungsheizung (7) mit einer Stromversorgung versehen ist, wobei der Hei zungsträger (8) mit einem Stromanschluß (15b) verbunden ist und die vom Flansch (11) abgewandte Ringfläche des Heizelements (9′′) mit dem gegenpoligen Stroman schluß (15a) verbunden ist.

10. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Heizelement (9) und dem Heizungsträger (8) eine elektrisch isolierende Hülse (17) angeordnet ist.

11. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enteisungsheizung (7) mehrere ringscheibenförmige PTC-Heizelemente (9) auf weist, die koaxial aneinander liegend sich flächig kontaktieren.

12. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enteisungsheizung (7) von einer Wärmeisolierung (18) umgeben ist.

13. Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Wärmei solierung (18) ein gießfähiger Kunststoff, insbesondere ein Polyimid ist.

14. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung (5) eine korrosionsbeständige, insbesondere seewasserbeständige In nenbeschichtung aufweist.

15. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (1) unter Aussparung der Mündung (4) der Druckleitung (5) ein Gehäuse (2) mit Anschlüssen (15a, b, bzw. 6) für die Stromzuführung und Druckleitung auf weist.

16. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung der Enteisungsheizung (7) im Gehäuse (2) des Meßfühlers (1) dieser mit einer Vergußmasse (19) aufgefüllt ist.

17. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mündungsseitige Bereich des Meßfühlers (1) zumindest in seiner Außenkontur zylindrisch oder rotationssymmetrisch ausgebildet ist.