DE202022102645U1

DE202022102645U1 - Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Vereisung

Info

Publication number: DE202022102645U1
Application number: DE202022102645.9U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2032-05-14

Abstract

Detektionsvorrichtung (10) zum Detektieren einer Vereisung (100) an einer vereisungsgefährdeten Außenfläche (2) einer Struktur (1), die einem die Vereisung (100) begünstigenden Medium ausgesetzt ist oder wird, wobei die Vorrichtung aufweist:
- mindestens einen piezoelektrischen Sensor (11), der an einer der Außenfläche (2) gegenüberliegenden, nicht-vereisungsgefährdeten Innenfläche (3) der Struktur (1) angeordnet ist,
- eine mit dem mindestens einen piezoelektrischen Sensor (11) verbundene Steuereinheit (13), die eingerichtet ist, den piezoelektrischen Sensor (11) mit einer elektrischen Anregungsspannung zu speisen und die elektrische Impedanz des piezoelektrischen Sensors (11) über einen gewissen Frequenzbereich zu messen, und
- eine Auswerteeinheit (14), die eingerichtet ist, eine Impedanzkurve aus der Impedanzmessung über den Frequenzbereich zu ermitteln und einen Impedanzkennwert in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanzkurve zu bestimmen, wobei der Impedanzkennwert mit einem Referenzkennwert verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich eine Vereisung (100) detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Vereisung an einer vereisungsgefährdeten Außenfläche einer Struktur, die einem die Vereisung begünstigenden Medium ausgesetzt ist oder wird. Die Erfindung betrifft ebenso einen Aerodynamischer Flügelkörper sowie Flugobjekt hierzu.
Flugobjekte, wie Flugzeuge oder Hubschrauber, weisen aerodynamische Flächen auf, die von der umströmenden Luft mit einer Geschwindigkeit angeströmt werden und hierbei eine Auftriebskraft erzeugen, die es dem Flugobjekte erlauben, innerhalb der atmosphärischen Luftmassen zu fliegen. Solche aerodynamischen Flächen können jedoch je nach Flugsituation anfällig für Vereisung sein, wodurch sich an der äußeren, von den umgebenden Luftmassen umströmte Strömungsoberfläche (Außenfläche) eine Eisschicht (partiell oder vollständig) bilden kann, welche die aerodynamischen Eigenschaften der aerodynamischen Fläche verändern und sich somit negativ auf den Gesamtflugzustand auswirken können. Aber auch Vereisungen am Rumpf oder anderen Flächen, die nicht hauptsächlich zum Erzeugen einer Auftriebskraft notwendig sind, können sich negativ auf die Flugeigenschaften eines Flugobjektes auswirken, was gerade in der Start- und Landephase schnell zu kritischen Situationen führen kann.
Änderungen der Flugleistung durch Vereisung während des Fluges zu detektieren, ist dabei nicht ohne weiteres trivial. Eine manuelle Überprüfung der aerodynamischen Flächen z.B. auf Vereisung ist dabei im Flug schon deshalb nicht ohne weiteres möglich, da ein Zugang zu den aerodynamischen Flächen des Fluges durch das Bordpersonal ausgeschlossen ist. Anderweitige Systeme, die auf einer sensorischen Detektion einer Vereisung beruhen, weisen bisweilen einen hohen Grad an Komplexität und technische Anfälligkeit auf, was nicht zuletzt zu einer hohen Fehlalarmquote und somit geringe Akzeptanz durch die Piloten führt.
Aus der US 6,253,126 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flugüberwachung bekannt, wobei an dem Flugzeug, insbesondere an den Flügeln des Flugzeugs, eine Reihe von zusätzlichen Luftdrucksonden angeordnet werden, um aus einer möglichst lückenlosen Überwachung des Flügelprofildruckverlaufes auf wichtige Flugparameter zu schließen. Mit Hilfe dieser Sensoren soll es darüber hinaus auch möglich sein, einen Vereisungszustand detektieren zu können.
Nachteilig hierbei ist jedoch, dass kein ganzheitliches Konzept vorgesehen ist, sodass eine z.B. Vereisungsdetektion zwischen den Sensoren nicht erkannt oder nur eine partielle Vereisung an einem der Sensoren als eine Vereisung detektiert wird. Im ersteren Fall wird eine Vereisung nicht erkannt, was sich insgesamt negativ auf die Flugeigenschaften auswirken kann und dadurch das potenzielle Unfallrisiko erhöht. Im zweiten Fall wird zwar eine Vereisung detektiert, woraufhin unter Umständen Gegenmaßnahmen durch den Piloten ergriffen werden, obwohl die Vereisung keine sicherheitsrelevante Beeinträchtigung der Flugeigenschaften darstellt. In einem solchen Fall würden dann die ergriffenen Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Änderung des Flugweges, zu höheren Kosten und längeren Flugzeiten führen, obwohl hierfür keine Notwendigkeit bestand. Darüber hinaus ist das in der US 6,253,126 B1 vorgeschlagene Verfahren sehr aufwändig zu entwickeln, zu installieren und zu warten. Außerdem wäre eine solche Vorrichtung sehr schwer (Geräte, Stromversorgung, Datenkommunikation zur Recheneinheit, die die nicht triviale Auswertung durchführen sollen), welche mit sehr großer Wahrscheinlichkeit zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen würden.
Aus der US 8,692,361 B2 ist ein Verfahren zum Überwachen der Strömungsqualität bei aerodynamischen Flächen von Flugzeugen bekannt, wobei die Haupteigenschaft der überwachten Strömung die Laminarität ist. Hierzu wird die die aerodynamische Fläche beheizt, sodass eine frühe Transition von der laminaren Umströmung in eine turbulente Umströmung erzwungen wird. Anhand von Widerstandsdaten, die bei der laminaren und bei der turbulenten Umströmung aufgezeichnet wurden, lässt sich nun eine Verschmutzung der aerodynamischen Oberfläche feststellen.
Nachteil hierbei ist, dass sowohl ein aufwändiges Heizsystem als auch ein komplexes Sensorsystem notwendig ist, um die entsprechend negativen Beeinflussungen auf die aerodynamische Fläche feststellen zu können.
Aus der EP 1 336 564 A2 ist ein Verfahren zum Messen der Dicke von Eis an einem Flugobjekt bekannt, bei dem mithilfe eines Ultraschalltransmitters Schallwellen in die Eisoberfläche ausgestrahlt werden. Anschließend wird die Impedanz an einem Transmitter ermittelt, wobei die Dicke des Eises anhand eines Impedanzpeaks ermittelt wird.
Aus der US 7 439 877 B1 ist ein Eisdetektionssystem für Flugobjekte bekannt, um die Vereisung und die Dicke des Eises sowie einen Typ des Eises zu ermitteln. Dabei werden unter anderem Impedanzdaten, die thermale Leitfähigkeit sowie komplexe dielektrische Eigenschaften zwischen Eis, Wasser, Enteisungsflüssigkeit und Schnee berücksichtigt, um mithilfe von Sensoren entsprechenden Messungen am Flugzeug durchzuführen und auf eine Vereisungseigenschaft zu schließen.
Aus der CN 10 9211980 A ist des Weiteren eine Vorrichtung bekannt, bei der mithilfe eines piezoelektrischen Elementes eine Impedanzkurve ermittelt wird, aus der sich dann Eigenschaften einer Vereisung ergeben sollen. Nachteilig dabei ist, dass der Sensor an der äußeren Strömungsoberfläche angeordnet werden muss.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Vereisung anzugeben, insbesondere eine Vereisung an Strömungsoberfläche eines Flugobjektes.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird einer Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Vereisung an einer vereisungsgefährdeten Außenfläche einer Struktur vorgeschlagen, wobei die vereisungsgefährdete Außenfläche einem die Vereisung dieser Außenfläche begünstigenden Medium ausgesetzt ist. Eine solche Außenfläche kann beispielsweise die Außenhaut eines Flügels oder Rotors eines Flugobjektes oder die Außenhaut eines Rotors einer Windkraftanlage sein.
Die Vorrichtung weist mindestens einen piezoelektrischen Sensor auf, der an einer der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Struktur angeordnet ist, die in der Regel nicht unmittelbar dem die Vereisung begünstigenden Medium ausgesetzt ist und somit in der Regel auch nicht vereisungsgefährdet ist. Die Struktur ist dabei so beschaffen, dass sie einen Innenraum bildet, zudem die Innenfläche zugewandt ist, während die Außenfläche diesen Innenraum zu dem äußeren Medium abschirmt. Der piezoelektrische Sensor ist somit nicht an der äußeren Außenfläche der Struktur angeordnet und steht somit nicht unmittelbar mit dem die Vereisung begünstigenden Medium in Kontakt.
Die Detektionsvorrichtung weist des Weiteren eine Steuereinheit auf, die mit dem piezoelektrischen Sensor verbunden ist. Die Steuereinheit ist dabei so ausgebildet, dass sie den piezoelektrischen Sensor mit einer elektrischen Anregungsspannung speist und die elektrische Impedanz des piezoelektrischen Sensors über einen gewissen Frequenzbereich misst. Die Steuereinheit weist hierfür insbesondere einen Wechselstromgenerator auf, um als Anregungsspannung eine Wechselspannung an den piezoelektrischen Sensor anzulegen. Dieser wird in Schwingung versetzt und verhält sich dabei in Art eines Schwingkreises, wobei über einen gewissen Frequenzbereich dann die elektrische Impedanz des piezoelektrischen Sensors basierend auf der Anregung mit der Anregungsspannung gemessen werden kann.
Schließlich weist die Detektionsvorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die eingerichtet ist, eine Impedanzkurve aus der Impedanzmessung über den Frequenzbereich zu ermitteln und einen Impedanzkennwert in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanzkurve zu bestimmen, wobei der Impedanzkennwert mit einem Referenzkennwert verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich eine Vereisung detektiert wird. Aus der Impedanzmessung über den Frequenzbereich wird somit eine Impedanzkurve ermittelt, aus der sich eine Impedanzkennwert berechnen lässt, der dann auf eine Eigenschaft der Vereisung schließen lässt.
Mithilfe der vorliegenden Erfindung betrifft somit möglich, mittels eines einfachen piezoelektrischen Sensors eine Vereisung und gegebenenfalls die Dicke des Eises zu detektieren. Durch das Anbringen des Sensors eine der Innenfläche ist der Sensor darüber hinaus geschützt und wartungsarm. Außerdem lässt sich der Sensor problemlos in bestehende Systeme integrieren, ohne die internen Struktur zu beschädigen. Außerdem ist die Vorrichtung wenig störanfällig, da über einen breiten Frequenzbereich gemessen wird und nicht nur ein einzelner Wert. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine präzise Bestimmung der Eisdicke zwischen -5 °C bis -30 °C problemlos möglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteinheit eingerichtet ist, eine Fläche unterhalb der ermittelten Impedanzkurve innerhalb des Frequenzbereiches als Impedanzkennwert zu bestimmen.
Es hat sich gezeigt, dass durch bilden des Integrals unter der Impedanzkurve zwischen der Minimalfrequenz und der Maximalfrequenz des Frequenzbereiches eine Impedanzkennwert bestimmt werden kann, der prozesssicher eine Aussagekraft beinhaltet, ob eine Vereisung vorliegt oder nicht und wie stark die Dicke der Vereisung ist. Durch Vergleich des Flächeninhaltes unter der Impedanzkurve mit einem Referenzwert ohne Vereisung lässt sich somit eindeutig und unmissverständlich das Vorliegen einer Vereisung bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Frequenzbereich für die Impedanzkurve zwischen 5 kHz und 30 kHz, vorzugsweise zwischen 10 kHz und 20 kHz, liegt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Impedanzkennwert festzustellen, ob eine Vereisung vorliegt oder ob die Außenfläche der Struktur unvereist ist.
Entspricht der Impedanzkennwert dem Referenzkennwert (innerhalb von gewissen Toleranzen), so kann auf eine unvereiste Struktur geschlossen werden. Weicht der Impedanzkennwert von dem Referenzkennwert jedoch um ein gewisses Maß ab, so kann von einer vereisten Struktur ausgegangen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, eine Differenz zwischen dem ermittelten Impedanzkennwert und dem Referenzkennwert zu bestimmen und in Abhängigkeit von der Differenz eine Dicke der Vereisung zu ermitteln.
So kann eine prozentuale Abweichung des Impedanzkennwertes von dem Referenzkennwert als Differenz bestimmt werden, wobei jeder prozentualen Abweichung eine gewisse Dicke der Eisschicht auf der Außenfläche zugeordnet ist. Es lässt sich so auf die Dicke der Eisschicht schließen, was insbesondere dann sehr gut funktioniert, wenn der Impedanzkennwert die Fläche unter der Impedanzkurve im betrachteten Frequenzbereich ist.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung,
2 Darstellung verschiedener Impedanzkurve.

Für eine zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine Detektionsvorrichtung 10, um die Vereisung 100 einer Außenfläche 2 einer Struktur 1 zu bestimmen. An der Innenfläche 3 der Struktur 1, die in einen Innenraum der Struktur 1 gerichtet ist, ist ein piezoelektrischer Sensor 11 befestigt, der mit einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage 12 in Verbindung steht. Die elektronischen Datenverarbeitungsanlage 12 umfasst dabei eine Steuereinheit 13 sowie eine Auswerteeinheit 14.
Mithilfe der Steuereinheit 13 wird nun eine Wechselspannung auf den piezoelektrischen Sensor 11 aufgebracht, um den piezoelektrischen Sensor 11 zum Schwingen anzuregen. Anschließend werden Impedanzmessungen durchgeführt, durch die jeweils Impedanzwerte innerhalb eines betrachteten Frequenzbereiches von 10 kHz bis 20 kHz ermittelt werden.
Aus diesen Impedanzwerten lässt sich dann eine Impedanzkurve mittels der Auswerteeinheit 14 ableiten, die den Verlauf der Impedanzwerte innerhalb des betrachteten Frequenzbereiches darstellen.
2 zeigt dabei mehrere solcher Impedanzkurven für verschiedene Eisdicken. Je dicker die Eisschicht dabei ist, desto größer wird die in Ohm angegebene Impedanz für die jeweilige Frequenz, mit zunehmender Eisdecke die Impedanzkurve in dem dargestellten Diagramm immer weiter nach oben wandert.
Wurde eine solche Impedanzkurve durch die Auswerteeinheit 14 erstellt, so lässt sich daraus der Impedanzkennwert ableiten. Hierfür wird die Fläche unter der Impedanzkurve mithilfe des Integrals innerhalb des betrachteten Frequenzbereiches berechnet, sodass ein quantitativer Wert als Impedanzkennwert für die Detektion der Vereisung bereitgestellt werden kann. Je größer die Dicke der Eisschicht dabei ist, desto größer ist auch dieser quantitative Impedanzkennwert.
Die Auswerteeinheit 14 vergleicht diesen so ermittelten quantitativen Impedanzkennwert mit einem Referenzkennwert, der den unvereisten Zustand der Außenfläche darstellt. Die größer die Abweichung dabei ist, desto größer ist schließlich auch die bestehende Dicke der Eisschicht.
Nachdem die Auswerteeinheit 14 nunmehr festgestellt hat, ob eine Vereisung vorliegt oder nicht und wenn ja, wie dick die Eisschicht ist, wird diese Information an eine Ausgabeeinheit 15 weitergegeben, um diese Information beispielsweise einem Piloten darzustellen. Die Ausgabeeinheit 15 kann dabei im Ausführungsbeispiel der 1 ein Display sein.
Bezugszeichenliste

1: Struktur
2: Außenfläche
3: Innenfläche
10: Detektionsvorrichtung
11: Sensor
12: Datenverarbeitungsanlage
13: Steuereinheit
14: Auswerteeinheit
15: Ausgabeeinheit
100: Vereisung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6253126 B1 [0004, 0005]
US 8692361 B2 [0006]
EP 1336564 A2 [0008]
US 7439877 B1 [0009]
CN 109211980 A [0010]

Claims

Detektionsvorrichtung (10) zum Detektieren einer Vereisung (100) an einer vereisungsgefährdeten Außenfläche (2) einer Struktur (1), die einem die Vereisung (100) begünstigenden Medium ausgesetzt ist oder wird, wobei die Vorrichtung aufweist: - mindestens einen piezoelektrischen Sensor (11), der an einer der Außenfläche (2) gegenüberliegenden, nicht-vereisungsgefährdeten Innenfläche (3) der Struktur (1) angeordnet ist, - eine mit dem mindestens einen piezoelektrischen Sensor (11) verbundene Steuereinheit (13), die eingerichtet ist, den piezoelektrischen Sensor (11) mit einer elektrischen Anregungsspannung zu speisen und die elektrische Impedanz des piezoelektrischen Sensors (11) über einen gewissen Frequenzbereich zu messen, und - eine Auswerteeinheit (14), die eingerichtet ist, eine Impedanzkurve aus der Impedanzmessung über den Frequenzbereich zu ermitteln und einen Impedanzkennwert in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanzkurve zu bestimmen, wobei der Impedanzkennwert mit einem Referenzkennwert verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich eine Vereisung (100) detektiert wird.
Detektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinheit eingerichtet ist, eine Fläche unterhalb der ermittelten Impedanzkurve innerhalb des Frequenzbereiches als Impedanzkennwert zu bestimmen.
Detektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzbereich für die Impedanzkurve zwischen 5 kHz und 30 kHz, vorzugsweise zwischen 10 kHz und 20 kHz, liegt.
Detektionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (14) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Impedanzkennwert festzustellen, ob eine Vereisung (100) vorliegt oder ob die Außenfläche (2) der Struktur (1) unvereist ist.
Detektionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (14) eingerichtet ist, eine Differenz zwischen dem ermittelten Impedanzkennwert und dem Referenzkennwert zu bestimmen und in Abhängigkeit von der Differenz eine Dicke der Vereisung (100) zu ermitteln.
Aerodynamischer Flügelkörper mit einer von einem Fluid umströmbaren Außenfläche (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Flügelkörper eine Detektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
Flugobjekt mit einer Detektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.