DE19757079A1 - Eissensorsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Eissensorsystem mit einer Sensoreinheit und einer Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinheit.

Das zuverlässige und effektive Funktionieren vieler Geräte und Vorrichtungen für unterschiedlichste Zwecke unter freiem Himmel hängt im Winter stark davon ab, ob und in welchem Umfang eine Vereisung eintritt. Dies betrifft vor allem Geräte und Vorrichtungen, die im Zusammenhang mit Luft-, Schienen-, Auto- und Schifftransport sowie mit Rohrleitungen, Überlandleitungen und vielem anderen mehr verwendet werden. Eine Vereisung der Geräte und Vorrichtungen kann oft zu Unfällen und Betriebsstörungen mit schwerwiegenden Folgen führen. Zu diesem Zweck sind die Vorrichtungen mit Eissensoren ausgerüstet. Gattungsgemäße Eissensoren werden von vielen Firmen hergestellt z. B. Lucas Industries LTD, England; Sybson Corporation, USA; Jules Richard, Frankreich; Mowker Siddeley Dynamics LTD, Deutschland; Starrußpribor, Rußland. Die gattungsgemäßen Eissensoren sind ausnahmslos Geräte mit sogenannter indirekter Wirkung. Das bedeutet, daß von der Sensoreinheit Umweltparameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Salzgehalt und andere mehr registriert werden oder daß die Charakteristika von mit der Sensoreinheit verbundenen Bauelementen sich ändern, wenn diese Bauelemente oder die Sensoreinheit mit einer Eis- oder Rauhreifschicht überzogen sind. Dabei kann das Funktionsprinzip der Sensoreinheit vielfältig sein und auf thermischen, mechanischen, oder anderen Effekten beruhen. Derartige Geräte können bspw. mittels Druckluft oder Strahlung emittierende Isotopen funktionieren. Ein Beispiel derartiger Eissensorsysteme ist das Lufterwärmungssystem am Eingang des Achsenkompressors der Gasumpumpstationen der italienischen Firma "Nuovo Pinjone".

Derartige indirekte Systeme haben den Nachteil, daß ihrer Empfindlichkeit Grenzen gesetzt sind. Für besonders sensible Anwendungen sind sie nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Eissensorsystem der oben genannten Art bereitzustellen, das mit hoher Empfindlichkeit auf Vereisung reagiert.

Die Lösung besteht darin, daß die Sensoreinheit einen elektromagnetischen Wellen emittierenden und detektierenden optischen Sensor aufweist, der die Anwesenheit von Eis aufgrund dessen optischer Eigenschaften und der damit verbundenen Reflexion und Detektion der reflektierten elektromagnetischen Wellen feststellt.

Das erfindungsgemäße Eissensorsystem ist somit im Gegensatz zu den dem Stand der Technik bekannten Geräten in der Lage, die Bildung von Eis direkt zu messen. Das erfindungsgemäße Eissensorsystem detektiert die Ablagerung des atmosphärischen Eises direkt. Dazu werden die natürlichen optischen Eigenschaften von flachschichtigem atmosphärischem Eis genutzt. Dementsprechend liegt dem erfindungsgemäßen Eissensorsystem eine Sensoreinheit mit einem Sensor oder Vereisungsgeber als zentralem Element des Systems zugrunde, der in der Lage ist, die Vereisung aufgrund der natürlichen optischen Eigenschaften von flachschichtigem atmosphärischem Eis zu detektieren.

Das erfindungsgemäße Eissensorsystem ist hochempfindlich, da der Sensor sowohl auf die Eisablagerung als auch auf die Aerosole des eisträgigen Stromes reagiert, welche das atmosphärische Eis bilden. Das erfindungsgemäße Eissensorsystem zeichnet sich ferner durch eine große Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer aus. Das erfindungsgemäße System ist ferner sowohl für die Detektion von Eisablagerungen als auch für die Steuerung von Enteisungsmitteln geeignet. Es ist ferner klein und kompakt gebaut und einfach im Betrieb, so daß es leicht eingesetzt werden kann.

Das erfindungsgemäße Eissensorsystem ist auf vielen Anwendungsgebieten einsetzbar, sowohl an beweglichen als auch an stationären Objekten, an Wetterstationen, an Hochspannungsleitungen und vieles mehr. Es ist ferner an Flugzeugen und Hubschraubern einsetzbar und detektiert da sowohl die beginnenden Eisbildung am Boden und in der Luft, zum Beispiel auf der Schraube des Propellers oder am Luftansaugstutzen des Triebwerks. Es kann ferner direkt am Flugzeug oder Hubschrauber Antivereisungssysteme steuern. Das erfindungsgemäße Eissensorsystem kann ferner beispielsweise an Gasleitungsrohren eingesetzt werden. Es gewährleistet den Schutz vor Vereisung der Luftfilter und weiterer Bauteile, insbesondere von Luftansaugstutzen an den Gasturbinensätzen. In Wetterstationen und an Bord von Schiffen kann das erfindungsgemäße Eissensorsystem bereits die Entstehung von Aerosolen detektieren und so möglichst früh den Beginn der Eisbildung anzeigen. An Autobahnen und auf Start- und Landebahnen von Flughäfen ist das erfindungsgemäße Eissensorsystem geeignet zur Detektion von Glatteis und zur Steuerung von Sprühanlagen. Das erfindungsgemäße Eissensorsystem kann ferner an Hochspannungsleitungen und an Fahrleitungen von Eisenbahnen eingesetzt werden. Ferner ist ein Einsatz in der Landwirtschaft denkbar, um eine drohende Vereisung zu detektieren und gegebenenfalls Winterkulturen zu schützen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Folgenden wird im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer ersten Sensoreinheit für ein erfindungsgemäßes Eissensorsystem;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Sensoreinheit für ein erfindungsgemäßes Einssensorsystem;

Fig. 3 die schematische Darstellung des Funktionsschemas einer Signalverarbeitungs- und Ausgabeeinheit für ein erfindungsgemäßes Eissensorsystem.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Eissensorsystems weist eine Sensoreinheit mit einem faseroptischen Sensor oder Vereisungsgeber auf, welche die Eisbildung detektiert und ein entsprechendes Signal bildet und abgibt. Die Ausführungsform weist ferner eine Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinheit in Form einer elektronischen Steuerung auf, an die die Sensoreinheit angeschlossen ist und die das von der Sensoreinheit ausgesandte optische Signal in ein elektrisches Signal transformiert, dieses verstärkt und weitergibt. Das elektrische Signal kann wahlweise an eine Ausgabeeinheit für eine optische oder akustische Anzeige gehen, oder an ein Steuerelement zur Steuerung eines Enteisungssystems, z. B. eines Sprühsystems, das Enteiserlösung versprüht oder an ein Steuerelement für ein Heizelement, mittels dessen die Sensoreinheit aufgeheizt werden kann, bis die auf ihr gebildete Eisschicht abfällt.

Die Konstruktion der Sensoreinheit und des faseroptischen Sensors wird grundsätzlich durch das Anwendungsgebiet bestimmt und kann von Fall zu Fall verschieden sein.

Grundsätzlich unterscheidet man Sensoren, die die Eisbildung nur in einer Vorzugsrichtung detektieren und Sensoren, die die Eisbildung in zwei oder mehreren Richtungen detektieren.

Eine Sensoreinheit 10, 20 mit einem faseroptischen Sensor der in einer Vorzugsrichtung (Sensoreinheit 10 in Fig. 1) bzw. in mehreren Richtungen (Sensoreinheit 20 in Fig. 2) wirksam ist, ist jeweils in den Fig. 1 und 2 dargestellt, wobei gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Sensoreinheit 10, 20 weist eine vorderen etwa scheibenförmigen Träger 11 und einen hinteren etwa scheibenförmigen Träger 12 auf. Der vordere Träger 11 und der hintere Träger 12 sind über die hintere Grundfläche 11'' des vorderen Trägers 11 und die vordere Grundfläche 12' des hinteren Trägers 12 mittels eines rohrförmigen Zwischenstücks 13 miteinander gekoppelt. An der hinteren Grundfläche 12'' des hinteren Trägers 12 ist ein Heizelement 14 mit elektrischen Anschlüssen 14' vorgesehen. An der vorderen Grundfläche 11' des vorderen Trägers 11 ist der eigentliche faseroptische Sensor 15 (Fig. 1) bzw. 19 (Fig. 2) angeordnet. Der faseroptische Sensor 15, 19 weist empfindliche Elemente auf, die elektromagnetische Wellen, vorzugsweise Lichtwellen im sichtbaren Spektralbereich, emittieren und detektieren. Dabei kann es sich z. Bsp. eine Lichtquelle und einen Detektor für reflektierte Lichtwellen handeln. Die elektromagnetischen Wellen treten durch den Sensor 15 bzw. 19 der Sensoreinheit 10 bzw. 20 aus.

Der Sensor 15 der in Fig. 1 dargestellten Sensoreinheit 10 weist einen Rumpf 16 und einen Deckel 17 auf, die beide die Form eines Rotationshyperboloids haben. Zwischen dem Rumpf 16 und dem Deckel 17 sind die empfindlichen Elemente angeordnet. Die Anordnung der empfindlichen Elemente wird durch die Konstruktion der Sensoreinheit 10 bestimmt. Auf diese Weise detektiert der Sensor 15 die Vereisung in einer Vorzugsrichtung, die durch den Pfeil A in Fig. 1 angedeutet ist.

Der Sensor 19 der in Fig. 2 dargestellten Sensoreinheit 20 auf der vorderen Grundfläche 11' des vorderen Trägers 11 ist dagegen flach. Daher detektiert der Sensor 19 die Vereisung in mehreren, durch die Pfeile B in Fig. 2 angedeuteten Richtungen.

Die Konstruktion der Sensoreinheit 10, 20 des erfindungsgemäßen Eissensorsystems, d. h. die apparativen Charakteristika und die Anordnung der einzelnen Bauteile zueinander, kann vom Fachmann je nach Anwendungsbereich variiert werden.

Der faseroptische Sensor 15, 19 kann die elektromagnetischen Wellen kontinuierlich oder in Form von Sondierungsimpulsen emittieren, letzteres bspw. in einem Bereich von etwa einem Impuls pro 0,1 sec. bis etwa einem Impuls alle 10 Minuten.

Wenn der faseroptische Sensor 15, 19 von einer dünnen, flachen Eisschicht bedeckt ist, werden die von den empfindlichen Elementen emittierten elektromagnetischen Wellen an bzw. in der Eisschicht verändert und zumindest teilweise reflektiert. Die ankommenden reflektierten Wellen werden von empfindlichen Elementen detektiert und zu einem optischen Informationssignal verarbeitet. Dieses Signal wird an eine Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinheit 30 weitergegeben.

Im Ausführungsbeispiel ist die Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinheit eine elektronische Steuerung 30. Die Funktionsweise dieser elektronischen Steuerung 30 ist in Fig. 3 schematisch angedeutet. Die elektronische Steuerung 30 weist verschiedene miteinander verbundene Module 31 bis 39 auf. Die von der Sensoreinheit 10, 20 ausgesandten optischen Signale werden in 31 in elektrische Signale umgewandelt, die in 32 verstärkt und in 33 und 34 ausgewertet werden. Die Auswertung erfolgt bspw. dahingehend, daß eine Intensitätsschwelle für die Signale voreingestellt ist. Signale, die die Intensitätsschwelle unterschreiten, werden ignoriert. Schwache Signale bedeuten im allgemeinen, daß entweder die Eisschicht zu dünn ist oder daß sich auf dem Sensor 15, 19 Wasser niedergeschlagen hat, aber kein Eis. Auf diese Weise können Fehlalarme vermieden werden. Die Intensitätskontrolle kann aber auch schon im faseroptischen Sensor 15, 19 selbst erfolgen, dergestalt, daß die empfindlichen Elemente selbst nur solche Signale weiterverarbeiten, die eine voreingestellte Intensitätsschwelle überschreiten.

Das Ergebnis der Auswertung wird also ggf. in Form eines elektrischen Signals an das Modul 36 gesandt, welches (nach einer Verstärkung in 35) die Heizvorrichtung 40 der Sensoreinheit 10, 20 sowie die Steuerung 37 einer Enteisungsvorrichtung steuert. Die Heizvorrichtung 40 ist vorgesehen, um die Vereisung der Sensoreinheit 10, 20 bzw. des faseroptischen Sensors 15, 19 zu vermeiden und das periodische Abwerfen des auf der Sensoreinheit 10, 20 bzw. dem faseroptischen Sensor 15,19 gebildeten Eises von der Oberfläche der empfindlichen Elemente zu gewährleisten.

Während die Sensoreinheit 10, 20 in den Bereichen, deren Vereisung kontrolliert werden soll, vorgesehen ist, z. B. in Luftansaugstutzen von Gasturbinenanlagen, an Tragwerksflügeln von Flugzeugen, an Wetterstationen, wird die elektronische Steuerung 30 an solchen Stellen angeordnet, die gegen Witterungseinflüsse geschützt sind. Die Verbindung zwischen der Sensoreinheit 10, 20 und der elektronischen Steuerung 30 wird durch elektrische oder faseroptische Kabel 14' gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Eissensorsystem arbeitet folgendermaßen. Auf dem faseroptischen Sensor 15, 19 frieren unterkühlte aerosolische Tropfen an. Dies wird von den empfindlichen Elementen durch die Detektion der von der gebildeten Eisschicht reflektierten elektromagnetischen Wellen aufgrund der natürlichen optischen Eigenschaften von flachschichtigem Eis registriert. Falls das detektierte Signal die eingestellte Intensität aufweist oder überschreitet, formen die empfindlichen Elemente bzw. die elektronische Steuerung 30 ein Informationssignal, welches durch einen photoelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal transformiert wird. Dieses elektrische Signal steuert die optische und akustische Anzeige, so daß ein Warnlicht aufleuchtet oder ein Warnton ertönt. Wenn der faseroptische Sensor 10, 20 anspricht und die entsprechenden Signale aussendet, wird gleichzeitig das Heizelement 14 eingeschaltet, um das Eis auf den empfindlichen Elementen abzuwerfen. Anschließend ist der faseroptische Sensor wieder empfindlich und spricht wieder auf Vereisungssituationen an. Durch diese automatische Enteisung ist das erfindungsgemäße Eissensorsystem über einen langen Zeitraum funktionsbereit.

Das verstärkt elektrische Signal wird ferner zu einem Steuersystem geleitet, welches ein Enteisungssystem steuert, damit können die überwachten Objekte gleichzeitig enteist werden. Dieser Mechanismus funktioniert automatisch, bis die Temperaturen soweit angestiegen sind, daß keine Vereisungssituation mehr auftritt.

Das erfindungsgemäße Eissensorsystem wurde mehrere Monate im Temperaturbereich von -18°C bis +21°C bei einer Luftfeuchtigkeit von 50%-100% an einem Luftansaugstutzen einer Turbine getestet. Zur Erprobung wurde ein Eissensorsystem mit folgenden Charakteristika verwendet:

Signalperiode der sondierenden Impulse der elektromagnetischen Strahlung: ca. 1/0,1 sec. bis ca. 1/10 min.
bspw. 1/sec.
Beheizungskapazität des empfindlichen Elements: bis 10 V
Betriebsspannung: 12 bis 220 V
Arbeitstemperaturdesempfindlichen Elements: -20°C bis +5°C
Arbeitstemperatur des Systems: -50°C bis +50°C
Durchmesser des Sensors: 50 mm
Höhe des Sensors: 86 mm
Gewicht des Sensors: 150 g
Gewicht der Sensoreinheit: 5 g
Maße der Steuerungseinheit: 150/100/70 mm
Gewicht der Steuerungseinheit: 0,5 g.

Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Eissensorsystem unter allen äußeren Bedingungen über einen langen Zeitraum betriebsbereit war. Es sprach ab einer Schichtdicke des auf ihm abgelagerten Eises von etwa 0,1 mm an. Bspw. sprach das System bei einer Außentemperatur von -11°C und einer Temperatur von -2°C am Lufteinsaugstutzen bei einer Luftfeuchtigkeit von 100% an. Ein anderes Mal sprach es bei einer Außentemperatur von -9°C und einer Temperatur von -1,5°C am Lufteinsaugstutzen bei einer Luftfeuchtigkeit von 98% an. Beide Male wurde die Bildung einer Eisschicht an der Sensoreinheit visuell bestätigt. Im gleichen Zeitraum gab ein konventionelles Eissensorsystem über 40 Fehlalarme ab. Während des Prüfungszeitraums konnte kein Abrasionsverschleiß durch Staub oder Niederschlagsteilchen an der Sensoreinheit festgestellt werden.

Claims (9)

1. Eissensorsystem mit einer Sensoreinheit (10, 20) und einer Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinheit (30), dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (10, 20) einen elektromagnetische Wellen emittierenden und detektierenden optischen Sensor (15, 19) aufweist, der die Anwesenheit von Eis aufgrund dessen optischer Eigenschaften und der damit verbundenen Reflexion und Detektion der reflektierten elektromagnetischen Wellen feststellt.

2. Eissensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (15) die Bildung von Eis in einer Vorzugsrichtung (A) detektiert.

3. Eissensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (19) die Bildung von Eis in zwei oder mehr Richtungen (B) detektiert.

4. Eissensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (15, 19) ein faseroptischer Sensor ist.

5. Eissensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (15, 19) Wellen im sichtbaren Spektralbereich und/oder im ultravioletten Spektralbereich emittiert.

6. Eissensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen in Form von Sondierungsimpulsen emittiert werden.

7. Eissensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Emission und Detektion der elektromagnetischen Wellen empfindliche Elemente vorgesehen sind.

8. Eissensorsystem nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (10, 20) eine Heizeinrichtung (14) aufweist

9. Eissensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinheit (30) Einrichtungen zur Generierung der elektromagnetischen Wellen, zur Generierung der Sondierungsimpulse, für die Transformation der optischen Signale in elektrische Signale, für die Verstärkung der elektrischen Signale, für die Ansteuerung einer optischen und/oder akustischen Anzeigeeinrichtung, für die Steuerung einer Heizeinrichtung und/oder für die Steuerung einer Enteisungsvorrichtung aufweist.