DE2713081A1 - Mit mikrowellen arbeitender eis-detektor - Google Patents
Mit mikrowellen arbeitender eis-detektorInfo
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Description
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SYSTEM DEVELOPMENT CORPORATION 25ΟΟ Colorado Avenue
Santa Monica, Kalifornien
Vereinigte Staaten von Amerika
"Mit Mikrowellen arbeitender Eis-Detektor"
Die'vorliegende Erfindung bezieht sich auf Nachweissystemc
von oberflächlichem Eis und insbesondere auf Eis-Detektoren zur Verwendung in Flugzeugen.
Die Ausbildung von Eis an Plugzeugen ist seit den ersten Tagen der Luftfahrt bekannt. Unter bestimmten klimatischen
Bedingungen bildet sich Eis besonders an der Vorderkante von Tragflächen in Schichten beachtlicher Dicke.
Dieses Eis erhöht nicht nur das Gewicht des Flugzeugs sondern kann auch den Luftwiderstand erhöhen und damit
die von Tragflächen erzeugte Auftriebskraft verkleinern.
In der Vergangenheit sind verschiedene Verfahren zum Kachweis von Eis verwendet worden, doch erwiesen sie sich
alle aus dem einen oder anderen Grund als unzuverlässig. Ein bekanntes Verfahren zum Eisnachweis ist das Druckconden-Verfahren
mit nach vorne weisenden Öffnungen, an
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denen die Ausbildung von Eis als Druckabfall nachgewiesen
wird. Andere Verfahren zum Nachweis von Eis beruhen auf dem
Nachweis von Veränderungen einer bestimmten mechanischen oder elektrischen Größe, beispielsweise der elektrischen
Leitfähigkeit oder der Wärmeleitung, oder auf dem Nachweis der Intensitätsverringerung von durch das Eis gestrahltem
Licht. Zwar sind einige dieser Verfahren verhältnismäßig zufriedenstellend, wenn sie an Plugseugen mit festen Tragflächen
verwendet werden, doch treten zusätzliche Schwierigkeiten beim Nachweis von Eis an Hubschraubern auf. Hubschrauber
v/erden normalerweise in geringeren Höhen verwendet und finden dort mit größerer Wahrscheinlichkeit zur Vereisung
führende Bedingungen vor als moderne Plugzeuge mit unbeweglichen Tragflächen. Außerdem können viele bekannte Verfahren
nicht zur Verwendung an rotierenden Oberflächen abgeändert werden. Bisher ist deshalb kein ganz zufriedenstellendes
Verfahren bekannt, mit dem Eis an den Rotorblättern von Hubschraubern nachgewiesen werden kann.
Es besteht damit Bedarf an einem Nachweissystem von Eis,
mit dem das Vorhandensein von Eis an Plugzeugen und insbesondere an den Rotorblättern von Hubschraubern klar nachgewiesen
werden kann. Die vorliegende Erfindung schließt diese Lücke.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Eis-Detektor für Plugzeuge und ein Verfahren zu seiner Verwendung, wobei
elektromagnetische Mikrowellenenergie in eine Oberflächen-
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schicht aus Eis übertragen wird und die Reflexion oder Impedanz der Eisschicht gemessen v/ird, um daraus das
Vorhandensein und die Menge von Eis zu bestimmen. Prinzipiell besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Einrichtungen
zur Erzeugung von elektromagnetischer Mikrowellenenergie, Kopplungseinrichtungen zum Ankoppeln der Mikrowellenenorgie
und zu ihrer Übertragung in die Eisschicht, sodaß die Wellen durch die als Oberflächen-Wellenleiter
wirkende Eisschicht sich fortpflanzen, und Einrichtungen
zur Signalüberwachung, beispielsweise ein Reflektometer,
mit dem die an die Eisschicht übertragene und von ihr reflektierte Mikrov/ellenenorgie nachgewiesen wird, um damit
das Vorhandensein und die relative Menge des Eises in der Schicht zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ferner einen
ständig wirksamen Oberflächen-Wellenleiter, dessen Dicke so bemessen ist, daß eine Fortpflanzung von Mikrowellenenergie
stattfinden kann, selbst wenn die Eisschicht äußerst dünn ist. Das Material des permanenten Oberflächen-Wellenleiters
wird so gewählt, daß seine Dielektrizitätskonstante etwa gleich der des Eises ist und daß die Verluste bei der
Übertragung von Mikrov/ellenenergie verhältnismäßig klein bleiben.
Gemäß einem weiteren Kennzeichen der vorliegenden Erfindung wird ein Fehlanpassungselement, beispielsweise ein
Kurzschlußelement, an dem Ende des Oberflächen-Wellenleiters
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verwendet, das dem zur Zuführung dar Mikrowellenenergie
benutzten Ende abgelegen ist. Das FehlanpassungseleiaGnt
ergibt eine teilweise oder totale Reflexion der Energie längs des Oberflächen-Wellenleiters, und die reflektierte
Energie wird dabei durch das Reflektometer nachgewiesen. Da
das Eis normalerweise zahlreiche Verunreinigungen und eine
beträchtliche Menge von nicht gefrorenem Wasser enthält, stellt es ein mit Verlusten behaftetes Dielektrikum für die
Übertragung der Mikrowellenenergie dar. Es wird damit weniger
Energie aus dem zusammengesetzten Wellenleiter, der aus dem
Eis und dem permanenten Oberflächen-Wellenleiter besteht, reflektiert, wenn eine Eisschicht vorhanden ist.
Der Eisschicht wird jedoch nicht genügend Energie zugeführt, um sie in merklicher Weise aufzuheizen oder zu
schmelzen. Der erfindungsgemäße Eis-Detektor läßt sich zusammen
mit einer stärkeren Mikrowellenquelle verwenden, die beim Nachweis einer bestimmten, größeren Eismenge in Betrieb
genommen wird und dann das Eis aufheizt und zu seiner Entfernung führt. Die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch auch
als Eis-Detektor für sich und unabhängig von der jeweils verwendeten Enteisungsvorrichtung einsetzen.
Beim erfindungsgemäßen Vorfahren wird ein Mikrowellensignal
von verhältnismäßig geringer Leistung erzeugt und zur
Übertragung durch eine als Oberflächen-Wellenleiter wirkende Eisschicht angeschlossen und die an die Eisschicht übertragene
und von ihr reflektierte Energie nachgewiesen, um das
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Vorhandensein und die relative Menge des Eises festzustellen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine bedeutende Verbesserung
auf dom Gebiet der Nachweissysteme von Eis. Insbesondere
ermöglichen die durch das als Oberflächen-Wellenleiter wirkende
Eis geschickte Mikrowellenonergie und der Nachweis der Reflexionscharakteristik der Eisschicht eine zuverlässige
und genaue Bestimmung des Vorhandenseins und der Menge des Eises. Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Figur 1 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen
Systems zum Nachweis von Eis.
Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild des zusammengesetzten Oberflächen-Wellenleiters, der von der Eisschicht und einem
permanenten Oberflächen-Wellenleiter gebildet wird.
Figur '5 ist eine schematische Darstellung der Übertragung der Mikrowellenenergie durch den permanenten Oberflächen-Wellenleiter
und eine Eisschicht auf der Oberfläche eines Flugzeugs.
Figur 4 ist ein Aufriß und teilv/eiser Querschnitt eines
Kopplers, mit dem Mikrowellenenergie in den Oberflächen-Wellenleiter übertragen v/ird.
Figur 5 ist schließlich ein Grundriß und teilweiser Querschnitt und bezieht sich auf den in Figur 4 dargestellten
Aufriß.
Wie in den Zeichnungen zur Erläuterung dargestellt,
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betrifft die vorliegende Erfindung hauptsächlich ein neuartigen
Verfahren zum Nachweis von Eisschichten, die sieh an
den Außenflächen von Flugzeugen ausbilden. Die Erfindung eignet sich ganz besonders zum Nachweis von Eis an den Tragflächen
von flugzeugen mit unbeweglichen oder rotierenden Tragflügeln.
Erfindungsgemäß wird die Eisschicht 10 dadurch nachgewiesen, daß von einer bekannten Mikrowelleriquelle 12 erzeugte,
elektromagnetische Mikrov/ellenenergie in die Eisschicht eingestrahlt wird über einen Koppler H für Oberflächen-Wellenleiter,
sodaß die Eisschicht als Oberflächen-Wellenleiter wirkt. Die Eissohicht 10 bildet sich auf einer permanenten dielektrischen
Schicht 16 aus, die ebenfalls als Oberflächen-Wellenleiter wirkt und an der typischerweise aus Metall hergestellten
Plugzeugoberfläche 18, an der eine Ansammlung von Eis zu erwarten ist, angebracht ist. Ein Kurzschlußelernent 20 für
Mikrowellen ist am Ende des Wellenleiters 16 gegenüber den Koppler H angeordnet, um eine Reflexion der Mikrowellenencrgie
längs des Wellenleiters zu erzielen. Ein dualer Richtkoppler 22 ist eingesetzt und koppelt die Mikrowellenenergie
der Signalquelle 12 an den Koppler H für den Oberflächen-Wellenleiter
an und liefert ferner ein Signal an das an den dualen Richtkoppler 22 angeschlossene Rei'lektometer 24. Das
Reflektometer mißt den komplexen Wert der Impedanz oder der Reflexion des zusammengesetzten Wellenleiters, der aus der
Eisschicht 10 und dem Oberflächen-Wellenleiter 16 besteht.
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Wellenleiter in der Form geschlossener Rohre mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt Bind an sich
bekannt. Weniger bekannt iüt das Prinzip einer Struktur mit "offener Grenzfläche", um Mikrowellenenergie längs einer
Oberfläche zu übertragen. Die Energie ist hierbei stark an die Oberfläche gebunden, und obwohl elektrische und magnetische
Felder außerhalb dec Wellenleiters existieren, nehmen sie exponentiell senkrecht zur Oberfläche ab. Die Fortpflanzung
von Mikrowellenenergie durch Oberflächen-Wellenleiter findet gewöhnlich in eingefangenen Schwingungstypen statt,
die als Äquivalent zur inneren Totalreflexion an den Grenzflächen eines Wellenleiters angesehen werden können. Wie aus
Figur 3 ersichtlich, kann angenommen werden, daß die Mikrowellenener^ie
in den Oberflächen-Wellenleiter 16 so eingebracht wird, daß der Einfallswinkel zu den oberflächlichen
Grenzflächen, d.h. zur Grenzfläche zwischen Eis und Luft, und der Dielektrikum-Metall-Grenzfläche den kritischen
Winkel überschreitet, oberhalb dessen innere Totalreflexion auftritt.
Die Betriebsfrequenz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist nicht kritisch und kann so gewählt werden, daß bestimmte Anforderungen an den Aufbau und die jeweils gültigen gesetzlichen
Bestimmungen erfüllt werden. Typische Frequenzen fallen in den Bereich von 2000 - 22 000 Megahertz. Die Signalquelle
12 kann kontinuierlich betrieben werden, d.h. im Dauerstrichbetrieb mit ungedämpften Wellen, oder sie kann
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im Impulsbetrieb arbeiten.
Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild und zeigt, daß der
zusammengesetzte Wellenleiter äquivalent ist einer Übertragungsleitung,
die am abgelegenen Ende durch das Element 20 kurzgeschlossen ist. In Figuren 1 und 2 ist das eingangsseitige
Ende des zusammengesetzten Wellenleiters mit A bezeichnet, während B die Stelle, an der die Eisschicht
beginnt, kennzeichnet; die Stelle, an der die Eisschicht endet, ist mit C bezeichnet; das kurzgeschlossene Ende des
Wellenleiters ist mit D bezeichnet.
Das Material des Oberflächen-Wellenleiters 16 wird so gewählt, daß seine Dielektrizitätskonstante etwa gleich ist
der von Eis, sodaß nur eine geringe Brechung an der Eis-Dielektrikum-Grenzfläche
auftritt; ferner muß das Material ein verhältnismäßig verlustfreies Dielektrikum sein.
Ferner muß ein Material gewählt werden, das starken liegen und Erosion durch Sand und Staub widersteht. Von
besonderer Bedeutung ist dies, falls der Eis-Detektor an den Rotor blättern von Hubschraubern verwendet v/erden soll.
Geeignete Materialien sind Aluminiumoxyd, ein Polyäthylen mit extrem hohem Molekulargewicht, wie beispielsweise das
unter dem Handelsnamen LENNlTE vertriebene Polyäthylen, Silikonharz-Laminate mit hohem Quarzfasergehalt, gesinterter
Quarz oder Laminate aus Epoxy-Glas und Silikon-Glas. Außerdem kann eine etwa 0,31 mm dicke Polyurethan-Schicht als
Erosionsschutzschicht über einigen der Materialien angebracht
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werden. Die dielektrischen Eigenschaften von Polyurethan
erlauben es nicht, Polyurethan allein als Material für
einen Wellenleiter zu verwenden.
Die relativen Impedanzkennlinien einer Übertragungsleitung
lassen sich durch einen dimensionslosen Reflexionskoeffizienten
ausdrücken, der eine komplexe Größe mit reellen und imaginären Komponenten ist. Da der Oberflächen-Wellenleiter
16 aus einem Material mit verhältnismäßig geringen Verlusten besteht und da das reflektierende Element 20 so
ausgebildet sein kann, daß es fast Totalreflexion ergibt, hat der mit Hilfe des dualen Richtkopplers 22 und dem Reflektometer
"bestimmte Reflexionskoeffizient praktisch den Wert eins, wenn keine Eisschicht 10 vorliegt. Jedoch besteht eine
beträchtliche Phasendifferenz zwischen den ausgesandten und reflektierten Signalen.
Die Ausbildung der Eisschicht 10 auf der dielektrischen Schicht 16 ergibt eine Verlustkomponente im dielektrischen
Wellenleiter, was durch die Impedanz Z .. zwischen den Punkten B und C in Figur 2 angedeutet ist. Die durch den zusammengesetzten
Wellenleiter sich fortpflanzende Schwingungsenergie erfährt damit einerseits einen beträchtlichen Amplitudenverlust
und andrerseits eine bedeutende Phasenverschiebung, sodaß sich ein Reflexionskoeffizient ergibt, der wesentlich
kleiner als eins ist; der entsprechende Phasenwinkel v/eicht von dem beim Fehlen einer Eisschicht beobachteten ab. Wenn
die Ansammlung von Eis weitergeht, ändert der von Reflekto-
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meter 24 gemessene Reflexionskoeffizient sowohl reine Größe
als auch seine Phase, bin schließlich ein verhältnismäßig kleiner Reflexionskoeffizient auftritt. Natürlich hängen
die jeweiligen vom Richtkoppler 22 und dem Reflektomoter nachgewiesenen Koeffizienten von den speziellen Kenngrößen
des Eis-Detektors ab.
Das Reflektometer 24 kann am Punkt 26 weiter angeschlossen
werden, um ein Ausgangssteuersignal zu erzeugen, das dem vom Reflektometer gemessenen Reflexionakoeffizienten entspricht.
Der Reflexionskoeffizient oder eine seiner Komponenten kann
direkt an nicht dargestellten Anzeigeeinrichtungen dargestellt werden, die sich direkt in der Menge des Eises oder
seiner relativen Lage eichen lassen, da die relative Phasenverschiebung des Reflexionskoeffizienten mit der Lage des
Eioes in Bezug auf den gesamten Wellenleiter 16 in Beziehung steht. Eine andere bzw. zusätzliche Möglichkeit ist es, den
erhaltenen Viert des Reflexionskoeffizienten mit einem Schwellwert,
der bei der Eichung des Instruments vorgegeben wurde, zu vergleichen, und dann ein Steuersignal zu erzeugen, mit
dem Enteisungsvorrichtungen in Betrieb genommen werden, sobald der Reflexionskoeffizient den üchwellwert erreicht hat.
Figuren 4 und 5 zeigen einen Koppler für den Oberflächen-Wellenleiter,
der dem unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Koppler 14 entspricht. Koppler 14 umfaßt einen bekannten
rechteckigen V/ellenleiter 30 mit einem Ende 32 mit einem
Plansch zur Ankopplung an den dualen Richtkoppler 22 oder
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andere, nicht dargestellte, an sich bekannte Verteiler für
Mikrowellen. An dom Plansch 32 gegenüberliegenden Ende ist Wellenleiter 30 geschlossen; jedoch ist eine kreisrunde
Öffnung 34 in einer Seitenwand angebracht, durch die ein Ankopplungsstift 36 ragt; der Stift ist an der der Öffnung
gegenüberliegenden Seitenwand befestigt und ragt, wie in Figur 5 dargestellt, über den Oberflächen-Wellenleiter 16
auf, in dem der teilweise eingebettet ist. Die metallische Oberfläche 10 hat einen Abschnitt, der das Ende 38 des
Oberflächen-Wellenleiters 16 umschließt und als Reflektor wirkt; dadurch wird erreicht, daß die Mikrowellenenergie in
der gewünschten Richtung längs Wellenleiter 16 abgestrahlt wird. Ein Teil der vom reflektierenden Element 20 reflektierten
Mikrov/ellenenergie, die längs Wellenleiter 16 zurückgestrahlt wird, wird nochmals am endseitigen Abschnitt 38
der Metallfläche 18 reflektiert, sodaß eine Reihe komplizierter Mehrfach-Reflexionen am Wellenleiter stattfindet.
Jedoch wird eine resultierende Komponente der ursprünglich in Wellenleiter 16 über Koppler 14 eingestrahlten Energie
zurück und aus Koppler 14 herausgestrahlt, und kann dann über den dualen Richtkoppler 22 und das Reflektometer 24
nachgewiesen werden.
Wegen ihres geringen Leistungsbedarfs kann bei Verwendung
zum Nachweis von Eis auf den Rotorblättern eines Hubschraubers die Mikrowellen-Signalquelle 12 mit den Rotorblättern
rotierend angebracht werden; mit ihr werden dann außerdem
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der Richtkop'pler 22, das Reflektorneter .24 und der Koppler
14 für den Oberflächen-Wellenleiter mit den Rotorblättern rotierend montiert. Auch ist es möglich, die Mikrowellenquelle
12 im Rumpf des Hubschraubers anzubringen und zugleich bei der Abgabe größerer Leistungen zur Enteisung der Rotorblätter
heranzuziehen. Bei dieser Anordnung müssen eine drehbare Verbindung und mehrere an sich bekannte Verteilerteile
für Mikrowellen verwendet werden; keines dieser Teile, mit denen Mikrowellenenergie an die Überflächen der Rotorblätter
übertragen wird, ist dargestellt.
Aus den obigen Ausführungen folgt, daß die vorliegende
Erfindung einen bedeutenden Portschritt auf dem Gebiet der Eis-Nachv/eissysierae schafft. Die Verwendung von Mikrowellen
mit verhältnismäßig geringer Leistung zum Nachweis der Reflexions- oder Impedanzeigenschaften eines zusammengesetzten
Wellenleiters aus einem verlustfreien Wellenleiterteil und einer Oberflächen-Eisschicht ermöglicht den zuverlässigen
Kachweis eventuell vorhandenen Eises, der Eismenge und der Lage der Eisschicht am Wellenleiter; außerdem kann
die Geschwindigkeit der Eisansammlung festgestellt v/erden. Zur Erläuterung wurde ein bestimmtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung im einzelnen .beschrieben, doch sind Abänderungen im Rahmen der Erfindung möglich, deren
Umfang ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert ist.
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Leerseite
Claims (5)
1. Verfahren zum Nachweis von Eis an den Auf3enf lachen
von Flugzeugen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahi*ensr.chritte:
Erzeugung eines elektromagnetischen Mikrowellensignals; Ankopplung des Mikrowellennignals an einen
permanenten Oberflächen-Wellenleiter aus einem dielektrischen Material, dessen Dielektrizitätskonstante etv/a der
von Eis gleicht; Übertragung des Mikrowellensignals längs des Oberflächen-Wellenleiters im wesentlichen parallel zur
Oberfläche, auf der Eis nachgewiesen werden soll; Reflexion ir.indest.ens eines Teils der Mikrowellenenergie längs dos
Wellenleiters von dessen abgelegenem Ende zurück; und Nachweis des Verhältnisses der ausgesandten und reflektierten
Energie im Wellenleiter mit Hilfe eines Reflektometers,
wobei die Ansammlung von Eis auf dem Oberflächen-Wellenleiter eine veränderte Reflexionscharakteristik des zusammengesetzten,
aus der Eisschicht und dem permanenten Oberflächen-Wellenleiter bestehenden Wellenleiter ergibt und
das Vorhandensein und die Lage des Eises mit dem Reflektometer
nachgewiesen werden kann.
2. Eis-Nachweisvorrichtung für Flugzeuge, gekennzeichnet durch eine Mikrowellenquelle (12), einen Koppler (H)
für den Oberflächen-Wellenleiter, mit dem Mikrowellenenorgie
an eine oberflächliche Eisschicht so angekoppelt wird, daß das Eis als Oberflächen-Wellenleiter wirkt, und Signalüber-
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ORIGINAL INSPECTED
-H-
wachungseinrichtungen, mit denen die in. die Eisschicht
übertragenen und von ihr reflektierten Mikrowellensignale verglichen v/erden, v/odurch Veränderungen in der Eismenge
entsprechende Änderungen in der reflektierten Energie
ergeben.
übertragenen und von ihr reflektierten Mikrowellensignale verglichen v/erden, v/odurch Veränderungen in der Eismenge
entsprechende Änderungen in der reflektierten Energie
ergeben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Koppler (14) für Oberflächen-Wellenleiter umfaßt: einen permanenten Oberflächen-Y/ellenleiter aus einem dielektrischen
Material, das über der Oberfläche angebracht ist, auf der Eis nachgewiesen werden soll; und Einrichtungen zur
Ankopplung der Mikrowellenenergie an den permanenten Oberflächon-'V/ellenleiter,
sodaß die Energie längs den permanenten Oberflächen-Wellenleiter und der darauf befindlichen, als
zusammengesetzter Oberflächen-Wellenleiter wirkenden Eisschicht übertragen wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch einen dualen Richtkoppler (22), der zwischen, die Mikrowellenquelle
(12) und den Koppler (14) für den Oberflächen-Wellenleiter eingesetzt ist, um die Übertragung von Energie
in beiden Richtungen zu überwachen, und ein an den dualen Richtkoppler (22) angeschlossenes Reflektometer (24), mit
dem das Verhältnis der in den Wellenleiter eingestrahlten Mikrowellenenergie zu der von ihm reflektierten Mikrowellenenergie
überwacht wird, wobei die Reflexionseigenschaften des Oberflächen-Wellenleiters durch die Gegenwart von Eis
auf ihm modifiziert werden und das Reflektometer das Vorhan-
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densein von Eis anzeigt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Wellenleiterabsohluß, der mindestens teilweise die
längs des Oberflächen-V/ellenleiters übertragene Energie
reflektiert.
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