DE2928208A1

DE2928208A1 - Verfahren zur erkennung einer vereisungsgefahr sowie eiswarnsensor zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2928208A1
Application number: DE19792928208
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Thoma
Original assignee: Apparatebau Gauting GmbH
Current assignee: Apparatebau Gauting GmbH
Priority date: 1979-07-12
Filing date: 1979-07-12
Publication date: 1981-01-22
Also published as: US4327286A; DE2928208C2; FR2460842A1; GB2056057A

Description

Verfahren zur Erkennung einer Vereisungsgefahr sowie Eiswarnsensor zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Vereisungsgefahr, insbesondere an Flugzeug-Oberflächen, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist, ferner einen Eiswamsensor zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, daß insbesondere bei Flugzeugen die Vereisung der Flugzeughaut und der Tragflächen zu erheblichen Gefährdungen führen kann. Aus diesem Grunde sind Eisdetektoren entwickelt worden, mit denen das Auftreten einer Vereisung auf der Flugzeughaut festgestellt werden kann.

Beispielsweise ist aus der US-Patentschrift 23 59 787 ein Eisdetektor bekannt, der eine Detektionsflache aus Glas besitzt, auf die Licht aufgestrahlt wird. Dieser Detektor arbeitet nach dem Prinzip des Snelliusschen-Brechungsgesetzes. Setzt sich auf der Detektionsflache Eis ab, so ändert sich die optische Gesamtdichte der Detektionsfläche (Glas und Eis), so daß der Brechungswinkel des aufgestrahlten Lichtes geändert wird. In der Nähe der

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Detektionsflache ist ein Lichtdetektor angeordnet, der somit beim Auftreten einer Vereisung weniger Licht empfängt und damit eine Vereisung anzeigen kann.

Dieser Eisdetektor hat den Nachteil, daß er erst anspricht, wenn auf der Flugzeug-Oberfläche eine Vereisung tatsächlich eingetreten ist. Wünschenswert ist dagegen insbesondere für Luftfahrzeuge ein Eisdetektor, der schon vor einer tatsächlich eintretenden Vereisung anzeigt, daß eine solche Vereisung bevorsteht und eine entsprechende Warnung abgibt.

Aus der DE-OS 27 07 009 und der DE-OS 27 32 066 ist nun ein Eiswarnsensor bekannt, mit dem eine Vorhersage einer Vereisungsgefahr möglich ist. Dieser Eiswarnsensor beruht auf der Überlegung, daß die Vereisung nicht allein von der Temperatur abhängt, sondern auch wesentlich von dem Gehalt der Luft an Wasser. Das Wasser kann in der Luft, in der sich ein Flugzeug bewegt, in Form von Nebel, Wolken oder Regen auftreten. Je geringer die Temperatur der Luft ist, desto geringer ist die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasser. Je weniger Wasser wiederum die Luft enthält, desto geringer ist die Möglichkeit der Eisbildung. Somit wird durch fallende Temperaturen eine Eisbildung einerseits begünstigt, andererseits sinkt bei niedrigeren Temperaturen der Luft deren Wassergehalt, so daß wiederum die Wahrscheinlichkeit für eine Eisbildung verringert wird. Dies führt zu einem Maximum der Vereisungswahrscheinlichkeit bei einer Temperatur von etwa minus 5 Grad bis minus 8 Grad Celsius. Die genaue Lage des Maximums hängt von dem Wassergehalt der Luft ab. Bei dem aus der DE-OS 27 07 und der DE-OS 27 32 066 bekannten Eiswarnsensör- wird an nebeneinanderliegenden Stellen eine Detektionsflache künstlich auf verschiedene Temperaturen gekühlt. Je nach der Temperatur dieser Detektionsflachen dauert es unterschiedlich lang, bis sich auf ihnen eine Eisschicht ausbildet. Je schneller diese Ausbildung der Eisschicht er-

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folgt, um so größer ist die Vereisungswahrscheinlichkeit. Der dort beschriebene EisdPtektor mißt die Zeit, die zur Erzeugung einer Eisschicht auf den Detektionsflachen notwendig ist und erhält auf diese Weise eine Funktion über die Abhängigkeit der notwendigen Vereisungszeit von der Temperatur der Detektionsflachen. Diese Funktion kann man auf die tatsächlich gegebene Temperatur der Flugzeug-Oberfläche extrapolieren. Sie ist höher als die Temperatur an den künstlich gekühlten Stellen. Aus der Extrapolation er-

lOmittelt man, wie dick die Eisschicht sein würde, wenn sich das Flugzeug eine bestimmte Zeit lang in der augenblicklich vorhandenen Umgebung aufhalten würde. Mit diesem Verfahren ist also eine Aussage für die Zukunft möglich und sie kann für eine Warnung benutzt werden, bevor tatsächlich der gefährliche Vereisungszustand eintritt.

Die in den genannten DE-OS 27 07 009 und 27 32 066 beschriebenen Eiswarnsensoren ermöglichen eine echte Vorauswarnung, ohne daß bereits eine Vereisung der Flugzeug-2Q Oberfläche eingetreten ist. Die dort beschriebene Auswertungsschaltung ist jedoch relativ aufwendig und kompliziert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erkennung einer Vereisungsgefahr anzugeben, das gegenüber den bekannten Verfahren vereinfacht ist und insbesondere einen einfachen Aufbau eines Eswarnsensors erlaubt. Weiterhin soll von der vorliegenden Erfindung ein einfach aufgebauter und zuverlässiger Eiswarnsensor angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch ein im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenes Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.

^Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.

Ein entsprechender Eiswarnsensor ist in den weiteren Un-

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— ΦΙ teransprächen angegeben.

Entsprechend der aus der DE-OS 27 07 009 und der DE-OS 27 32 066 Funktionsweise wird auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einer Detektionsflache eine Temperatur künstlich erzeugt, bei der eine Vereisung auftritt. Die Vereisungsgeschwindigkeit s auf einer Struktur ist gegeben durch a ^

wobei AdE die Zunahme der Eisschichtdicke bedeutet und A t die Zunahme der Zeit.

Um nun zu einer Frühwarnung im Sinne einer Vorhersage zu gelangen, wird diese Vereisungsgeschwindigkeit an einer Fläche ermittelt, die durch eine niedrigere Temperatur besseren Vereisungsbedingungen unterworfen ist als die übrige Flugzeughaut. Durch Extrapolation dieser "künstlichen" Vereisungsgeschwindxgkext kann die Vereisungsgeschwindigkeit der Flugzeughaut mit der tatsächlichen Temperatur T ρ ermittelt werden. Ist beispielsweise die Temperatur einer ersten Detektionsf lache T -j kleiner als die Temperatur T 2 einer zweiten Detektionsflache und diese wiederum kleiner als die Temperatur T ρ diet.

^ZJ Flugzeughaut, so werden die Zeiten, die die jeweiligen Flächen brauchen, um mit der gleichen Schichtdicke AdE zu vereisen, die BeziehungAt 1 kleiner At 2 kleiner /\t ρ sein oder allgemein ausgedrückt: At= dt (T).

Eine Taylor-Reihenentwicklung dieser Funktion liefert für die Vereisungszeit bei der Temperatur T -j unter Vernachlässigung von Thermen höherer als erster Ordnung

^dAt a

At (T₁) =/[t (T_P) + Δ τ,

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-Ιοί so daß man für die zu ermittelnde Zeitspanne At (T _F) erhält:

dAt

At (τ _p) = At (τ ,)A

^dT

In dieser Gleichung sind die auf der rechten Seite vorkommenden Größen sämtlich bekannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zielt nun auf die Ermittlung der Zeiten At (T ^) und At (T ₂) · Sowie die zum Einstellen der Temperatur der Detektionsflachen dienenden Elemente auf Kühlung geschaltet werden, wird der Erfindung entsprechend für jede Detektionsflache eine Zeitmessung begonnen, die dann gestoppt wird, wenn auf ihr sich eine Eisschicht ausbildet. Es werden also die Zeiten At (T -j) undA t (T ₂) ermittelt. Werden ferner die Temperaturen T -j und T ₂ gemessen, so ist der Gradient ?=- (A^fc) ebenso wie die TemperaturdifferenzZ^T = T ₁ - T _F bestimmbar. Die Vereisungsgeschwindigkeit bei der Flugzeug-Oberflächentemperatur T „ ergibt sich dann zu ι ^r

s = P.— , wobei ρ ein Proportionalitätsfaktor ist.

At (T F)

Zur Bestimmung der Vereisungstendenz sind grundsätzlich zwei Betriebsarten, nämlich eine intermittierende und eine kontinuierliche Betriebsart denkbar.

Bei der intermittierenden Betriebsart werden zwei oder mehrere Detektionsflächen mit einer Strahlungsquelle auf eine Eisansammlung hin abgetatstet. Befindet sich die Detektionsflache in Vereisung, so ist die durch die Eisschicht rückgestreute Intensität des auf sie gerichteten Lichtes größer als ohne Eisbildung, so daß an dem Lichtdetektor die erzeugte Spannung größer als ein bestimmter Schwellwert ist. Dies wird zu der Zeitmessung ausgenutzt, indem >bei Einschalten der zur Kühlung der Detektionsflächen dienenden Elemente die Zeitmessung anläuft und

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dann, wenn der Detektor einen bestimmten Schwellwert überschreitet, gestoppt wird. Der Zählerinhalt wird in einen Speicher übermittelt. Am Ausgang einer jeden, einer einzelnen Detektionsfläche zugeordneten Einheit steht damit nach Einsetzen einer Vereisung eine Zeitigt zur Verfügung, die abhängig ist von einem momentanen Gleichgewicht in der Wärmebilanz zwischen der durch die Atmosphäre zugeführten und der durch das Kühlelement abgeführten Wärmemenge. Da die Eisschichtdicke bei jeder Detektionsfläche beim Ansprechen der Schwellwertschaltung gleich stark ist, läßt sich damit die Vereisungsgeschwindigkeit bzw. die Vereisungsgefahr bestimmen. Im Anschluß daran werden die Detektionsflachen erwärmt, so daß die Eisschicht wieder verschwindet und der Eiswarnsensor somit erneut betriebsbereit ist.

Ein weiteres von der Erfindung vorgesehenes Verfahren ermöglicht eine kontinuierliche Betriebsweise. Bei ihr wird die Detektionsfläche von zwei Seiten gekühlt bzw. erwärmt.

Bei konstanter Wärme bzw. Kühlleistung der entsprechenden Elemente ist die Grenzschicht zwischen Wasser und Eis auf der Detektionsfläche abhängig von der durch die Atmosphäre zu- bzw. abgeführten Wärmemenge und der von dem Kühlelement aufgebrachten Kälteleistung. Erfindungsgemaß wird nun diese Kälteleistung geregelt, so daß die Grenzschicht sich stets am gleichen Ort befindet. Das Auftreten von Eis an diesem Ort wird ebenfalls mit einer optischen Eiserkennungs-Schwellwertschaltung festgestellt. Es zeigt sich, daß die geregelte, vom KühleiLement abgegebene Kälteleistung bzw. seine dazu aufgenommene elektrische Leistung proportional den herrschenden Vereisungsbedingungen ist. Ändert sich nun die zur Aufrechterhaltung der Wasser- Eisgrenzschicht notwendige Kälteleistung bzw. die entsprechende Leistungsaufnahme des Kälteelementes, so läßt sich daraus die Vereisungsgeschwindigkeit bestimmen.

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Aus dieser Größe läßt sich wiederum eine Voraussage über die Vereisungsgefahr der Flugzeughaut in der jeweiligen Umgebung machen.

Im folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren sowie der zu seiner Ausführung dienende Eiswarnsensor anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und der Figuren beschrieben und näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die Detektionsflächen eines erfindungsgemäßen Eiswarnsensors und der zugehörigen Heiz- Kühlelemente,

die Fig. 2 zeigt einen Eiswarnsensor mit zugehöriger Auswertungsschaltung,

die Fig. 3 zeigt einen weiteren Eiswarnsensor mit seiner Auswertungsschaltung,

die Fig. 4 verdeutlicht das Auswertungsverfahren des Eiswarnsensors nach Fig. 3,

die Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Eiswarnsensors,

die Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des Brechungsindexes bzw. das Absorptionskoeffizienten von Eis und Wasser in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Flugzeughaut 1, in der ein Eiswarnsensor eingelassen ist. Er besteht aus zwei Detektionsflachen 21, 22, die jeweils von einem ringförmigen Peltier-Element 5 bzw. 4 umgeben sind. Diese Peltier-Elemente können sowohl zur Kühlung wie zur Heizung der von ihnen umgebenen Detektionsflachen ^O<J eingesetzt werden, indem einfach die Stromquellen, von denen sie betrieben werden, umgepolt werden. Die Peltier-Elemente werden derart betrieben, daß mit dem Peltier-Element 5 eine tiefere Temperatur erzeugt wird als mit

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-ι dem Hußeren Peltier-Element 4.

nie Fia. 2 zeAat. einen Eiswarnsensor, mit dem eine intermittierende Betriebsweise durchgeführt wird. Die Detektionsflache 2 ist in die Flugzeuahaut 1 eingelassen. Entsprechend der Fia. 1 sind die Peltier-Elemente 4 und 5 ringförmig ausgebildet, so daß sie eine ringförmige Detektionsf lache 22 und eine Vreisförmiae Detektionsflache 21 umschließen. Von einer Lichtquelle 6 ge^t Licht aus, das -"her eine Linse 7 auf dieDetektionsflachen 21, 22 fällt. Zu Beginn des ^A*eßzyklus x-rerden die Stromquellen 28, 2°i so gepolt und an die Peltier-Elemente 4 bzw. 5 belegt, daß diese die Detektionsflachen kühlen. Dabei wird die netektionsfl'-iche 21 stärker gekühlt, als die Detektionsf lache 22. Vor den Detektions^l'ichen befinden sich Lirhtsensoren 11, die über einen Verstärker 12 an einen Diskriminator 13 angelegt sind. Dieser Diskriminator 13 ist ein Fensterdiskriminator. Da das Reflexionsvermögen von Uasser in einem gewissen optischen Bereich kleiner ist als das Re^lexionsvermöaen von Eis, zeigt der Fen-

ste^diskriminator 13 an seinem Ausgana das Signal H, solanae noch keine Vereisung aufgetreten ist. Der Ausgang des Fensterdisk->-iminators 13 liegt an dem einen Einn-arn eines UND-Hatters 15. Άη dem anderen Eingang

dieses UND-Gatters liegt ein TaktimOulsgenerator 14 25

mit seinem Ausgana. Befindet sich also auf der Detektionsf lache kein Eis, so «relangen die Taktimnulse an den Ausgang des UND-Gatters 15 und werden dem ZMhler 16 zugeführt. Tritt nun aufgrund der Kühlung an der Detektionsflache 21 eine Eisschicht 10 auf, so ändert sich entsprechend der Fig. 6 der Brechungsindex, so daß nun der Lichtsensor 11 mehr Licht emnfängt. Dies führt dazu, daß der Fensterdiskriminator an seinem Ausgang auf das Signal L umschaltet. Damit wird das UND.-Gatter 15 gesnerrt, so daß der Zähler 16 keine weiteren Zeitimpulse mehr erhält. Der Stand des Zählers 16 wird in einen Speicher 17 überführt, so daß er dort

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abgelesen bzw. weiter verarbeitet werden kann. Das L-Signal des Fensterdiskriminators schaltet ferner ein Flip-Flop 18 um, das wiederum einen Wechselschalter 19 betreibt. Mit diesem Wechselschalter 19 wird das Peltier-Element 5 von Kühlbetrieb auf Heizbetrieb umgeschaltet. Zwischen diesen beiden Schaltzuständen durchläuft jedoch das Peltier-Element einen Leerlauf, in dem es als Thermo-Element benutzt werden kann, so daß mit ihm die Temperatur der Detektionsflache 21 ermittelt werden kann.

Die von dem Peltier-Element in diesem Zustand abgegebene Thermospannung wird mit Hilfe eines Analog-Digitalwandlers 2o in einen digitalen Wert umgesetzt. Nachdem dann der Schalter 19 das Peltier-Element auf Heizung umgeschaltet hat, wird die Detektionsflache 21 geheizt, bis die Eisschicht 1o verschwunden ist. Damit ist die Detektionsf lache 21 für einen neuen Zyklus vorbereitet. Bei Auftreten von Wasser auf der Detektionsflache schaltet der Fensterdiskriminator 13 wiederum auf das Ausgangssignal H, so daß die Zeitimpulse des Taktimpulsgenerators 14 über das UND-Gatter 15 wieder an den Eingang des Zählers 16 gelangen.

Die Betriebsart der Detektionsflache 22 und des zugehörigen Peltier-Elementes 4 ist völlig identisch mit der eben beschriebenen Betriebsweise des Peltier-Elementes 5 und der zugehörigen Detektionsflache 21. Der einzige Unterschied ist der, daß das Peltier-Element 4 und damit die Detektionsflache 22 weniger stark gekühlt werden als die Detektionsflache 21. Ferner wird bei dem Eiswarnsensor nach der Eig. 2 mit einem Thermoelement 3 die Temperatur der Flugzeug-Oberfläche 1 gemessen. Die von diesem Thermoelement 3 abgegebene Spannung wird ebenfalls von einem Analog-Digitalwandler 24 in einen Digitalwert umgesetzt. Um die Auswertung zu erleichtern, wird eine Rechen

° einheit 26 eingesetzt. Auf die zugehörige Datenleitung werden insbesondere die Ausgangsdaten der Analog-Digitalwandler 2o bzw. 24, sowie die in den Speichern 17 festgehaltenen Zählerstände der Zähler 16 sowie die Leistungs

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aufnahme der Peltier-Elemente 4 bzw. 5 angegeben. Mit Hilfe des Rechners 26 wird dann die Vereisungswahrscheinlichkeit berechnet und angezeigt.

Es soll noch erwähnt werden, daß die Temperaturen der Detektionsflächen so gewählt werden, daß für sie die Vereisungswahrscheinlichkeit relativ hoch ist. So wird beispielsweise die Temperatur T ι der Detektionsflache 21 zu minus 4 Grad Celsius, die der Dektionsfläche 22 1-0 τ 2 gleich minus 2 Grad Celsius gewählt.

Die Fig. 3 zeigt einen weiteren Eiswarnsensor, der in einem kontinuierlichen Betrieb arbeitet. Auf der Detektionsf lache 2 sind zwei Peltier-Elemente 4 bzw. 5 angeordnet. Das Peltier-Element 4 wird von einer Stromquelle 4o betrieben und auf eine Temperatur von beispielsweise plus 30 Grad Celsius erwärmt. Das Peltier-Element 5 dient zur Kühlung und wird von einer regelbaren Stromquelle 41 auf eine Temperatur unterhalb von Null Grad Celsius abgekühlt. Von einer Lichtquelle 6 wird über eine Linse 7 Licht 8 auf die Detektionsflache 2 geworfen. Solange sich im Zentrum Z der Detektionsflache 2 kein Eis ausgebildet hat, empfängt der Lichtsensor 11 weniger rückgestreutes Licht 9, so daß der Fensterdis-

*-° kriminator 13 an seinem Ausgang das Signal H zeigt. Dieser Ausgang des Fensterdiskriminators steuert die Stromquelle 41 und veranlaßt sie, das Peltier-Element 5 weiter zu kühlen. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Fensterdiskriminators an ein UND-Gatter 31 und

^ou ein ODER-Gatter 32 angelegt. Zeigt der Fensterdiskriminator an seinem Ausgang das Signal H, so werden Zeitimpulse eines Taktimpulsgenerators 14 über das UND-Gatter 31 aneinen Zähler 33 weitergegeben und dort gezählt.

Tritt jetzt aufgrund der von der Stromquelle 41 verur-

sachten weiteren Kühlung des Peltier-Elementes 5 im Zentrum Z der Detektionsflache 2 eine Eisschicht 1o auf,

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mehr

so wird Licht 9 in den Lichtsensor 11 rückgestreut. Das vom Verstärker 13 verstärkte Signal des Lichtsensorss 11 ist an den Eingang des Fensterdiskriminators 13 gelegt und führt dazu, daß dieser an seinem Ausgang auf das Signal L umschaltet. Dieses Ausgangssignal L bewirkt, daß die Zeitimpulse des Taktgebers 14 nicht mehr von dem UND-Gatter 31 an den Zähler 33 weitergegeben werden, führt aber andererseits dazu, daß nun die Zeitimpulse des Taktgebers 14 von dem ODER-Gatter 32 an den Zähler 34 weitergegeben werden. Der Zähler 33 mißt also die Zeit, in der die Stromquelle 41 zur Kühlung des Peltier-Elementes 5 eingeschaltet ist, während der Zähler 34 die Zeit mißt, während der die Stromquelle 4"\ abgeschaltet ist. Da bei Anliegen des Signals L am Ausgang des Fensterdiskriminators 13 das Peltier-Element5 nicht mehr gekühlt wird, verschiebt sich die Eis- Wasser- Grenzschicht in der Fig. nach oben, so daß nun kein Rückstreulicht 9 in den Lichtsensor 11 fällt. Dadurch schaltet der Fensterdiskriminator 13 an seinem Ausgang wieder auf den Wert H, so daß die Stromquelle 41 erneut eingeschaltet wird. Somit wird also durch taktweises Ein- und Ausschalten des Peltier-Elementes 5 die Grenzschicht Eis- Wasser im Zentrum Z der Detektionsflache 2 gehalten.

Die Fig. 4 verdeutlicht die Betriebsweise des Peltier-Elementes 5. Das Verhältnis der Einschaltzeit t -j zu der Zeit t 2■zu der das Peltier-Element nicht betrieben und die Stromquelle 41 somit abgeschaltet ist, gibt ein Maß für die dem Peltier-Element 5 zugeführte Kühl-

^ου leistung und somit indirekt ein Maß für die Vereisungswahrscheinlichkeit.

An der Flugzeughaut 1 ist ferner ein Thermoelement 3 angebracht, dessen Thermospannung beispielsweise von ^OJ einem Analog-Digitalwandler 38 in einen digitalen Wert umgewandelt und angezeigt wird. In entsprechender Weise wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel

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können die von den Zählern 33 und 34 sowie von dem Analog-Digitalwandler 38 abgegebenen digitalen Werte einem Rechner eingegeben werden, so daß dieser die VereisungsWahrscheinlichkeit ermittelt und anzeigt.

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Um Einflüße von Streulicht zu vermeiden, kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Lichtquelle 6 mit einer Wechselfrequenz 39 betrieben wird, so daß das rückgestreute Licht 9 ebenfalls mit dieser Frequenz pulsiert.

Diese Wechselfrequenz wird ebenfalls einem Steuereingang des Verstärkers 3o zugeführt, so daß nur phasenrichtig liegende Signale des Lichtsensors 11 erfaßt und an den Eingang des Fensterdiskriminators 13 weitergegeben werden. Statt die Lichtquelle mit Wechselfrequenz zu betreiben, kann auch vorgesehen sein, mit Hilfe eines Synchronmotors 35 und einer Lochscheibe 36 das von der Lichtquelle 6 abgegebene Licht periodisch zu verändern. Auch in diesem Falle kann der Verstärker 3o beispielsweise von dem Synchronmotor 35 oder von einem Referenzstrahl gesteuert werden, so daß Streulicht-Effekte ausgeschieden werden.

Die Fig. 5 zeigt die Anordnung eines Eiswarnsensors. In der Flugzeughaut 1 ist die Detektionsfläche 2 eingelassen. Auf ihr befinden sich die ringförmigen Peltier-Elemente 4 bzw. 5. Von der Lichtquelle 6 geht Licht aus, das über eine Linse 7 auf die Detektionsfläche geworfen wird. Die Lichtsensoren 11 nehmen das von den Eisschichten 1o rückgestreute Licht 9 auf. Ferner kann eine

«jO Fotodiode 45 vorhanden sein, die als Referenzelement die Kenstanz der Lichtintensität überwacht. Mit Hilfe von optischen Filtern 44, die vor den Lichtsensoren 11 angeordnet sind, kann das rückgestreute Licht 9 gefiltert werden und somit die Anzeige der Lichtsensoren 11 verbessert werden. Ferner kann zwischen den Lichtsensoren 11 und der Detektionsfläche ein Flüßigkristall 43 angeordnet werden, der bei entsprechender Betriebsweise eben-

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1 falls Licht in die Sensoren 11 zurückstreut und somit das Vorliegen von Eis auf der Detektionsfläche 2 simulieren kann. Der gesamte Eiswarnsensor ist von einem Gehäuse 46 umgeben. In dessen unteren Teil befindet

5sich die Elektronikeinheit 48. Diese Elektronikeinheit 48 ist über einen Anschluß 47 mit einem entsprechenden Fernanzeigegerät verbindbar.

Für die in den Fig. 2 und 3 dargestellten AusführungslObeispiele können insbesondere folgende Bauelemente Verwendung finden:

Bauelement:

Peltierelement Lichtsensor mit Verstärker Fensterdiskriminator Taktimpulsgeber UND-Gatter Zähler Speicher

Flip-Flop Analog-Digital-Wandler Stromquelle Rechner

Hersteller und Typ:

NSI 5 AD
ELTEC 4o4
Siemens TCA 965 Fairchild uA 555 Motorola MC 14081 Motorola MC 14520 B Motorola MCM 14505 14503 MC 14529

Motorola MC 14013 B Ferranti ZN 427 Silicon General SG RCA Cosmac CDP 1802

Patentanwalt

■λ J

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Leerseite

Claims

ANSPRÜCHE

Verfahren zum Erkennen einer Vereisungsgefahr, insbesondere bei Flugzeugen, bei dem über eine Detektionsf lache (2) ein kontinuierlicher oder abgestufter Temperaturverlauf erzeugt wird, bei dem die Vereisung der Detektionsflache (2) mittels einer Lichtquelle und Messung des von Eis rückgestreuten Lichtes (9) erfolgt, und bei dem aus der zeitlichen Abhängigkeit der Vereisung an Stellen unterschiedlicher Temperatur die Vereisungsgefahr ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Detektionsflächen (21 ,22) auf unterschiedliche Temperaturen gekühlt werden, daß die Zeiten gemessen werden, innerhalb derer die Detektionsflächen (21,22) nach Beginn der Kühlung vereisen, und daß die Temperatur der Detektionsflächen (21,22) im Zustand der Vereisung und die Temperatur der Flugzeugoberfläche (1) bestimmt wird.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Eintritt der Vereisung der Detektionsflächen (21,22) und der Messung von Vereisungszeit und der Tem-

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-2-

peratur der Detektionsflächen (21,22) die Detektionsflachen zum Absprengen des Eises geheizt werden.
3.) Verfahren zum Erkennen einer Vereisungsgefahr, insbesondere bei Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Über eine Detektionsflache (2) ein Temperaturgradient mittels zweier im Abstand angeordneter Heiz- Kühlelemente (4,5) erzeugt wird, so daß die Detektionsflache (2) einen eisfreien Bereich und einen mit eisbedeckten Bereich aufweist, daß die Heiz- oder Kühlleistung eines der Elemente (4, 5)derart geregelt wird, daß die Grenzschicht (Z ) zwischen dem eisfreien und dem vereisten Bereich der Detektionsflache (2) ortsfest bleibt, und daß die Leistungsaufnahme dieses Elementes (4,5) bestimmt

wird.
4.) Eiswarnsensor zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer oder mehreren Detektionsflächen (2, 21, 22), mit von Stromquellen (28, 29) be-

aufschlagbaren Heiz- Kühlelementen (4, 5) zur Erzeugung vorgegebener Temperaturen im Gebiet der Detektionsflächen (2,21,22), mit einer oder mehreren Lichtquellen (6) zur Beleuchtung der Detektionsflachen (2, 21,22), mit einer oder mehreren Lichtmeßeinrichtungen (11) zur

Messung von rückgestreutem Licht (9), das von auf den Detektionsflächen (2,21,22) befindlichen Eisschichten (1o) rückgestreut wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtmeßeinrichtung (11) mit ihrem Ausgang an den Eingang eines Dlskriminators (13) angeschlossen ist, daß der Ausgang des Diskriminators (13) an den Steuerteil (15) eines Zählers (16) angeschlossen ist, wobei der Zähler (16) rücksetzbar ist, und daß ein Taktimpulsgenerator (14) vorhanden ist, dessen Ausgang an den Zähleingang des Zählers (16) gelegt ist.
5.) Eiswarnsensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Temperaturmeßeinrichtung (3) zur Bestimmung der Tem-

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<_ 3—

peratur der Flugzeug-Oberfläche und durch weitere Temper aturmeßeinrichtungen zur Bestimmung der Temperatur der Detektionsflächen.
6.) Eiswarnsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- und Heizelemente(4, S)PeI-tierelemente sind.
7.) Eswarnsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung (3) ein Thermoelement ist.
8.) Eiswarnsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Diskriminators (13) an den Eingang eines Schalters (19) zum Umschalten der Betriebsweise der Kühl- Heizelemente (4, 5) angelegt ist
9.) Eiswarnsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (17) zum Speichern des Zählerstandes des Zählers (16) vorhanden ist.
10.) Eiswarnsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Analog-Digitalwandler (20,24) an die Peltierelemente (4, 5) angelegt sind.
11.) Eiswarnsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinheit (26) vorhanden ist, welche den Zählerstand des Zählers (16) und

^ου den Ausgang der Analog-Digitalwandler (20, 24) als Eingangsdaten erhält.
12.) Eiswarnsensor nach Anspruch 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ringähnlich geschlossene Peltierelemente (4, 5) vorhanden sind, die die Detektionsflachen (21, 22) umgeben.

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13.) Eiswarnsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmige, ineinanderliegende Peltierelemente vorhanden sind.
14.) Eiswarnsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stromquellen (28,29) und den Peltierelementen (4, 5) ein Wechselschalter (19) vorhanden ist.
15.) Anordnung zur Früherkennung einer Vereisungsgefahr, gekennzeichnet durch zwei im Wechselbetrieb arbeitende Eiswarnsensoren gemäß der Ansprüche 1 bis 14.
16.) Eiswarnsensor zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 3 mit einer Detektionsflache (2), mit von Stromquellen (40, 41) beaufschlagbaren Heiz- Kühlelementen (4,5) , mit einer Lichtquelle (6) zur Beleuchtung der Detektionsflache (2), mit einer Lichtmeßeinrichtung

(11) zur Messung des von der Detektionsflache (2) rückgestreuten Lichtes (9), dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Heiz- Kühlelement (5) an eine steuerbare Stromquelle (41) angeschlossen ist, daß der Ausgang der Lichtmeßeinrichtung (11) an den Eingang eines Diskriminators

(13) gelegt ist, daß der Ausgang des Diskriminators (13) an den Steuereingang der zweiten Stromquelle (41), an den Eingang eines UND-Gatters (31) und an den Eingang eines ODER-Gatters (32) gelegt ist, daß ein Taktimpulsgenerator (14) mit seinem Ausgang jeweils an den ande-

^ou ren Eingang des UND-Gatters (31) und des ODER-Gatters (32) angelegt ist, und daß an den Ausgang des UND-Gatters (31) und des ODER-Gatters (32) jeweils ein Zähler (33, 34) angeschlossen ist.
17.) Eiswar-nsensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Zähler (33, 34) an einen Dividierer gelegt sind.

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18.) Eiswarnsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatoren (13) Fensterdiskriminatoren sind.

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