DE3205129C2

DE3205129C2 - Vorrichtung zum Erkennen von Eis- und/oder Reifbildung

Info

Publication number: DE3205129C2
Application number: DE19823205129
Authority: DE
Inventors: Hanns-Peter Prof. Dr. 7500 Karlsruhe Popp; Gero Dipl.-Ing. 3405 Rosdorf Sagasser
Original assignee: Happel & Co 4690 Herne De GmbH
Current assignee: Happel & Co 4690 Herne De GmbH
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1984-10-04
Also published as: DE3205129A1

Abstract

Da die bisher verwendeten, mit Temperaturfühlern arbeitenden Vorrichtungen zum Erkennen von Eis- und/oder Reifbildung bei Minustemperaturen manchmal eine Eis- bzw. Reifbildung signalisieren, wenngleich diese tatsächlich noch nicht vorhanden ist bzw. keine Vereisung signalisieren, wenngleich ein solche bereits bei positiven Temperaturen eingetreten ist, schafft die Erfindung eine Vorrichtung, die trotz relativ einfachen Aufbaus eine Eis- bzw. Reifbildung stets zuverlässig erkennt und quantitativ mißt. Die Vorrichtung besteht aus einer Lichtquelle (3), die einen Strahl polarisierten Lichts auf die mit einer Eis- bzw. Reifschicht (S) überzogene Oberfläche (1) eines Körpers (2) lenkt. Das reflektierte Licht gelangt zu einer Lichtempfangseinrichtung (13), und wenn das polarisierte Licht durch die Eis- bzw. Reifschicht (S) depolarisiert ist, gelangt es durch ein Polfilter (23) auf eine Fotodiode (24), so daß zum Beispiel ein Schwellenwertdetektor (26) ein für die Eis- bzw. Reifbildung kennzeichnendes Signal abgibt.

Description

Glatteis auf Fahrbahnen zu erkennen, nutzen die bekannten Vorrichtungen dieser Art die Tatsache aus, daß das von der Lichtquelle abgegebene Licht an einer raunen Beobachtungsstelle diffus gestreut wird, während bei glatter Beobachtungsstelle, z. B. bei Glatteis auf einer Straße, das von der Lichtquelle abgegebene Licht kaum gestreut sondern derart reflektiert wird, daß es zum größten Teil zur Lichtempfangseinrichtung gelangt Diese z. B. bei Glatteis stark erhöhte Menge empfangenen Lients wird von einem Detektor erfaßt, um ein Warn- oder Alarmsignal zu erzeugen. Das der Lichtempfangseinrichtung vorgeschaltete Polarisationsfilter dient bei der bekannten Vorrichtung dazu, unter Ausnutzung der Tatsache, daß die glatte Beobachtungsstelle Licht polarisiert, einfallendes störendes Tageslicht zu kompensieren. Hierzu weist die Lichtempfangseinrichtung zwei Fotozellen mit jeweils einem vorgeschalteten Polarisationsfilter auf, wobei das reflektierte und polarisierte Meßlicht das eine Polarisationsfilter durchläuft, das Tageslicht jedoch von dem anderen Polarisationsfilter gesperrt wird.

Diese bekannte Vorrichtung geht lediglich vor. dem Grundgedanken aus, adb mattglänzende Flächen gewisse Reflexionseigenschaften haben und eine Polarisation des Lichts bewirken. Allerdings ist es mit dieser bekannten Vorrichtung schwierig, Glatteis auf einer Fahrbahn von einer regennassen Fahrbahn zu unterscheiden, denn in beiden Fällen wird das Licht zur Lichtempfangseinrichtung reflektiert Daher sind bei der bekannten Vorrichtung außerdem Bodenelektroden vorgesehen, über die die Leitfähigkeit eines Wasserfilms auf der Straße erfaßt und bei der Erzeugung eines Alarmsignals berücksichtigt wird. Diese Maßnahme ist jedoch aufwendig; denn es müssen also grundsätzlich zwei verschiedene physikalische Größen mit zwei verschiedenen Meßanordnungen erfaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine Eis- und/oder Reifbildung an der Beobachtungss'slle mit einfachen Mitteln erkannt werden kann, wobei eine Fehlanzeige durch Wasser an der Beobachtungsstelle vermieden werden kann, ohne daß es erforderlich ist, andere physikalische Größen zu messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, unterschiedliche physikalische Eigenschaften von Wasser einerseits und Reif bzw. Eis andererseits für die Erkennung einer Reif- bzw. Fisbildung auszunutzen. Es wird Gebrauch gemacht von der Erkenntnis, daß gefrorenes Wasser im Gegensatz zu flüssigem Wasser auf polarisiertes Licht eine depolarisierende Wirkung hat. Diese depolarisierende Wirkung von Eis wird erfindungsgemäß zum Erkennen von Eis- und/oder Reifbildung ausgenutzt. Das erste Polarisationsfilter bei der Lichtquelle bewiikt, daß das Licht linear polarisiert auf die Beobachtungsstelle fällt, um dort in trockenem oder nassem Zustand der Beobachtungsstelle polarisiert reflektiert zu werden, so daß bei entsprechend eingestelltem zweiten Polarisationsfilter (»gekreuzte Stellung«) praktisch kein Licht auf die Lichtempfangseinrichtung trifft. Bildet sich dann beispielsweise Wassereis, so wird das Licht an der Beobachtungsstelle depolarisiert, so daß das zweite Polarisationsfilter das Restlicht nicht vollständig sperrt, sondern einen Teil des Restlichts durchläßt, so daß dieses Licht auf die Licn'xmpfangseinrichtung fällt. Diese Änderung der empfangenen Lichtmenge kann durch den Detektor ausgewertet werden.

Im Gegensatz zu der oben beschriebenen bekannten Anordnung sind also hier z. B. keine Elektroden zum Messen der Leitfähigkeit eines eventuell an der Beobachtungsstelle vorhandenen Wasserfilms notwendig. Im Vergleich zu der bekannten Vorrichtung benötigt die Erfindung praktisch keine zusätzlichen Mittel, um siehe; zwischen Wasser und Reif bzw. Eis an der Beobachtungsstelle unterscheiden zu können.

ίο Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Speziell für die Erkennung von Reifbildung sieht die Erfindung vor, daß die Lichtempfangseinrichtung bezüglich Lichtquelle und Beobachtungsstelle an einem Ort angeordnet ist, der nicht dem Reflexionswinkel entspricht, und daß der Detektor bei Eis- bzw. Reifbildung auf die durch Streuung bewirkte Erhöhung der Menge des von der Lichtempfangseinrichtung empfangenen Lichts anspricht.

Als Beispiel soll nochmals die oben erwähnte Wärmetauscheranordnung herangezogen -«erden. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Lichtquelle direkt auf die Lichtempfangseinrichtung zu lenken, und zwar derart, daß der Lichtstrahl beispielsweise zwischen zwei Lamellen hindurch verläuft, so daß bei einer Eisbildung auf di.ii Lamellenoberflächen der Lichtstrahl verkleinert bzw. schließlich ganz unterbrochen wird. Vorzugsweise wird jedoch die Lichtquelle so eingestellt, daß der Lichtstrahl auf einen Oberflächenbereich des Wärmetauschers fällt, um von der Oberfläche entsprechend dem Reflexionswinkel abgelenkt zu werden.

Nach der oben angegebenen Weiterbildung der Erfindung jedoch ist die Lichtempfangseinrichtung nicht auf der durch den Reflexionswinkel vorgegebenen Linie angeordnet, sondern außerhalb dieser Linie. Solange keine Eis- bzw. Reifbildung auf der angestrahlten Oberfläche vorliegt, wird der zweckmäßigerweise möglichst scharf gebündelte Lichtstrahl also entsprechend dem Reflexionswinkel an der Lichtempfangseinrichtung vorbeigelenkt. Sobald eine Vereisung, insbesondere eine R.-ifbildung erfolgt, wird das Licht an der Beobachtungsstelle gestreut, so daß nunmehr auch Lichtstrahlen auf die Lichtempfangseinrichtung fallen. Eine derartige Änderung der empfangenen Lichtmenge kann durch den Detektor ausgewertet werden, so daß nian eine zuverlässige Anzeige darüber behält, daii eine Reifbildung eingesetzt hat.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Lichtempfangseinrichtung im Reflexionswinkel bezüglich Lichtquelle und Beobachtungsstelle angeordnet ist Das erste Polarisationsfilter bewirkt, daß das Licht linear polarisiert auf die Beobachtungsstelle fällt, um dort in trockenem oder nassem Zustand der Beobachtungsstelle polarisiert reflektiert zu werden, so daß bei entsprechend eingestelltem zweiten Polarisationsfilter (»gekreuzte Stellung«) praktisch kein Licht auf die Lichtempfangseinrichtung trifft. Bildet sich dann beispielsweise Wassereis, so wird das Licht aü der Beobachtungsstelle depolarisiert, so daß das zweite Polarisationsfilter das Restlicht nicht vollständig sperrt, sondern einen Teil des Restlichts durchläßt, se daß dieses Licht auf die Lichtcmpfangseinrichtung fällt. Dies«; Änderung der empfangenen Lichtmenge kann durch den Detektor ausgewertet werden.

Andererseits ist d.e Anordnung der beiden Polarisationsfilter aber auch dann sinnvoll, wenn die Lichtempfangseinrichtung gemäß der oben angegebenen Weiterbildung der Erfindung nicht in der dem Reflexionswin-

kel entsprechenden Linie liegt, sondern außerhalb dieser Linie. Durch Hinzufügen der Polarisationsfilter bleibt die durch Kondenswasser erfolgende Streuung des Lichts unberücksichtigt.

Um mit großer Sicherheit sowohl Wasscrcis ais auch Reif erkennen zu könen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Lichtempfangseinrichtung mit dem zweiten Polarisationsfilter als zusätzliche Lichtempfangseinrichtung zu derjenigen außerhalb des Reflexionswinkels angeordnet ist.

Man erhält also eine Anordnung mit einer Lichtquelle und zwei Lichtempfangseinrichtungen, wobei die Lichtquelle mit dem ersten Polarisationsfilter ausgestattet ist, und mindestens die im Reflexionswinkel liegende Lichtempfangseinrichtung mit dem zweiten Polarisationsfilter ausgestattet ist. Letztgenannte Lichtempfangseinrichtung spricht dann auf die Bildung von Wasscrcis an. Die außerhalb des Reflexionswinkels liegende Licht-

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Die Lichtquelle beziehungsweise die Lichtempfangseinrichtung befindet sich dann zweckmäßig am Ende des luftdicht abgeschlossenen Endes des Schutzrohres, so daß das Eindringen von Staub aufgrund des Luftstaus in dem Schutzrohr unmöglich ist.

Um ein möglichst kompaktes und einfach zu handhabendes Gerät zu erhalten, ist vorgesehen, daß Lichtquelle und Lichtempfangseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, zum Beispiel eingegossen sind.

Eine solche Anordnung läßt sich mühelos und rasch montieren, und gleichzeitig sind die Einzelheiten der Anordnung vor Beschädigungen weitestgehend geschützt. Die Schulzrohre, die ein Verstauben beziehungsweise Verschmutzen der Lichtquelle beziehungsweise Lichtempfangseinrichtung verhindern sollen, sind bei einem solchen gegossenen Gehäuse beispielsweise

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dann erfolgende Lichtstreuung an. Diese außerhalb des Reflexionswinkels liegende Lichtempfangscinrichtung kann, muß jedoch nicht unbedingt mit einem Polarisationsfilter ausgestattet sein.

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, als Lichtquelle eine Glühlampe vorzusehen. In einem solchen Fall ist es 2!> zweckmäßig, beispielsweise mittels einer Linsenanordnung einen relativ scharf gebündelten Lichtstrahl zu erzeugen, der eine sichere Erkennung der Eis- beziehungsweise Reifbildung gestattet. Vorteilhafter ist es jedoch, daß die Lichtquelle eine — insbesondere im sichtbaren Spektrum arbeitende — Leucht- oder Laserdiode ist, daß die Lichtempfangseinrichtung ein Fotoelement, zum Beispiel eine Fotodiode oder einen Fototransistor aufweist, und daß der Detektor als Schwellenwertdetektor ausgebildet ist. der auf eine signifikante J5 Änderung der empfangenen Lichtmenge anspricht und (»in für Hli* FicKlMlincr Kp7iphiinucu;p!cp A^c Fnilp <vinnc _c ... _c „.„„ __., _u.._vv „...„..

Abtauvorgangs kennzeichnendes Signal liefert.

Wenn man im sxhtbaren Spektrum arbeitet, bietet sich der Vorteil, dab die für diesen Wellcnlängenbereich 4i) verfügbaren Polarisationsfilter relativ billig sind. Ein besonderer Vorteil von Leucht- und Laserdioden (letztere dürften in absehbarer Zeit im Preis so stark sinken, daß ihr Einsatz wirtschaftlich zu vertreten ist) besteht darin, daß die Lichtabgabe aufgrund der geringen Trägheit im Gegensatz beispielsweise zu Glühbirnen mit relativ hoher Frequenz gepulst werden kann.

Speziell für die Eliminierung von Frcmdlichtstörungen ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Lichtquelle für Pulsbetrieb ausgelegt ist, und daß die Lichtempfangseinrichtung auf die Pulsfrequenz der Lichtquelle abgestimmt ist.

Um Störungen durch die übliche Netzfrequenz auszuschalten, liegt die gewählte Pulsfrequenz bei einem nicht ganzzahligen Vielfachen von 50. beispielsweise bei 220 Heriz. Durch ein kleines Tastverhältnis (Impulsdauer: Impulsperiode) kommt man mit einer geringen »Sender«-Leistung aus. Durch Abstimmen der Lichtempfangseinrichtung auf die Pulsfrequenz wird erreicht, daß die Lichtempfangseinrichtung nur auf den »Wechsel- w Stromanteil« anspricht, eine mehr oder weniger gleichmäßige Fremdlichtcinstrahlung bleibt durch Ausfiltern unberücksichtigt.

Je nach Einsätzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es zweckmäßig sein, daß die Lichtquelle und/ oder Lichtempfangseinrichtung gegen Staub- und Schmutzeinwirkung durch ein Schutzrohr geschützt sind, welches den Strahlengang des Lichts teilweise um-Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine schematische Skizze einer Vorrichtung zum Erkennen von Eis- beziehungsweise Reifbildung,

F i g. 2 die Vorrichtung gemäß F i g. 1, wobei sich an der Beobachtungsstelle Eis beziehungsweise Reif gebildet hat,

F i g. 3 eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zuTl.- Erkennen von Eis- beziehungsweise Reifbildung, und

F i g. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erkennen von Eis- beziehungsweise Reifbildung.

Fig. I zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Erkennen von Eis- und/oder Reifbildung an einer Beobachtungsstelle B. Die Beobachtungssteile B ist beispielsweise Teil einer Oberfläche 1 einer Aluminiumlamelle 2 eines Wärmeaustauschers einer Wärmepumpe. Selbstverständlich kann sich di? Beobechtungssteüe an irgendeinem anderen Ort befinden, wo die Bildung von Eis beziehungsweise Reif festgestellt werden soll.

Die Beobachtungsstelle B wird mittels einer Lichtquelle 3 durch einen »einfallenden« Lichtstrahl E bestrahlt. Der einfallende Lichtstrahl £ wird von der Oberfläche 1 an der Beobachtungsstelle B, die gemäß der Darstellung in Fig. 1 als glatte, trockene Oberfläche vorliegt, im Reflexionswinkel als »reflektierter« Lichtstrahl R reflektiert.

Die Lichtquelle 3 weist eine Treiberschaltung 4 zum Betreiben einer in einem Schutzrohr 5 angeordneten Leuchtdiode 6 auf. Im Strahlengang des »einfallenden« Lichtstrahls £ befindet sich ein erstes Polarisationsfilter 7, so daß die Wellenebenen der im Lichtstrahl £ enthaltenen Einzellichtstrahlen linear polarisiert sind. Dies ist in der Zeichnung durch das SymboHBmarkiert.

Wie in F i g. 1 angedeutet, ist das an der glatten Aluminiumoberfläche 1 reflektierte Licht des Lichtstrahls R immer noch polarisiert. Das von der glatten Oberfläche reflektierte Licht ist noch relativ stark gebündelt, so daß praktisch kein Licht auf die Lichtempfangseinrichtung 8 fällt.

Die Lichtempfangseinrichtung 8 besteht aus einem in einem Schutzrohr 9 an dessen Ende angeordneten Lichtcmpfangselemcnl 10, das hier als Fotodiode ausgebildet ist, einem Detektor 11. sowie einem dem Lichtcmpfangselemeni 10 vorgeschalteten zweiten Polarisationsfilter 12.

F i g. 2 zeigt die F i g. 1 entsprechende Anordnung, nur daß nunmehr an der Oberfläche 1 der Aluminiumlamelle 2 eine Eis- beziehungsweise Reifschicht S vorhan-

den ist.die bewirkt, daß an der Beobachtungsstelle Bdas polarisierte Licht des Lichtstrahls E gestreut und depolarisierl wird. Die Tatsache, daß das Licht nach der Reflexion an der Beobachtungsstelle ß depolarisiert ist, ist in F i g. 2 durch die Doppclpfeile Pangedcutct.

Aufgrund der Streuung, hervorgerufen durch die Reifbildung, gelangt nunmehr auch Licht zur Liehtcmpfarjseinrichtung 8. Bei Reif- beziehungsweise Eisbildung an der Oberfläche 1 wird also pro Zeiteinheit in der Lichtempfangseinrichtung 8 eine andere Lichtmenge empfangen, als wenn die Oberfläche 1 trocken ist. Diese Änderung der empfangenen Lichtmenge wird durch den Detektor 11 erfaßt und in ein entsprechendes Signal umgewandelt, welches beispielsweise ein Anzeigelämpchen ansteuert, das dann bei Aufleuchten die Vereisung beziehungsweise Reifbildung an der Beobachtungsstelle danzeigt. Das Signal kann außerdem dazu herangezogen werden, einen Abtauvorgang einzuleiten. Hijrrh den die Vereisung beziehungsweise Rcifbi! dung an der Oberfläche 1 beseitigt wird. Dieses Abtauen kann je nach Anwendungsfall durch eine Heizeinrichtung erfolgen, oder durch Abschalten des Kühlmittelkreislaufs. Ist die gesamte Eis- beziehungsweise Reifschicht abgetaut, so sinkt die Lichtintensität bei der Lichtempfangseinrichtung 8 entsprechend. Das entsprechende Signal wird dazu herangezogen, den Abtauvorgang zu beenden, das heißt, durch das Signal wird die Heizeinrichtung ausgeschaltet.

Grundsätzlich ist es also möglich, durch die Lichtquelle 3 und die Lichtempfangseinrichtung 8 gemäß der Anoi fnung, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, eine Eisbildung beziehungsweise Reifbildung an der Beobachtungsstelle B zu erkennen, und zwar auch ohne die Polarisationsfilter 7 beziehungsweise 12. Nun kommt es aber häufig vor, daß an der Beobachtungsstelle vor einer Eis- oder Reifbildung eine Kondensierung von Wasser erfolgt, die bewirkt, daß der »einfallende« Lichtstrahl E gestreut wird, so daß etwas Streulicht in die Lichtempfangseinrichtung 8 gelangt Dies könnte insbesondere bei unzulänglicher Justierung der Lichtempfangseinrichtung dazu führen, daß irrtümlich eine Eisoder Reifbildung an der Beobachtungsstelle B signalisiert wird. Das in einem solchen Fall auf die Lichtempfangseinrichtung 8 treffende Licht ist dann jedoch polarisiert.

Um dieser fälschlichen Anzeige einer Eis- oder Reifbildung vorzubeugen, werden die Polarisationsfilter 7 und 12 vorgesehen. Wenn das zweite Polarisationsfilter 12 so in seinem Winkel eingestellt ist, daß bei Einfall polarisierten Lichts entsprechend dem trockenen Zustand der Oberfläche 1 an der Beobachtungsstelle B kein Licht auf die Lichtempfangseinrichtung 8 fällt, so wird auch bei der Bildung von Kondenswasser praktisch kein Licht auf die Lichtempfangseinrichtung 8 fallen. Nur im Fall der Reifbildung, also bei gleichzeitiger Streuung und Depolarisation an der Beobachtungsstelle B stellt sich eine Erhöhung der einfallenden Lichtmenge an der Lichtempfangseinrichtung 8 ein. Auf diese Weise kann zuverlässig die Reifbildung an der Beobachtungsstelle B erkannt werden.

Um eine optimale Erkennung sowohl von Eiswasser als auch von Reifbildung an der Beobachtungsstelle B der Oberfläche 1 zu erkennen, kann zusätzlich zu der Lichtempfangseinrichtung eine zusätzliche Lichtempfangseinrichtung vorgesehen werden, die sich auf der dem Reflexionswinkel des »einfallenden« Lichtstrahls E entsprechenden Linie, also im »reflektierten« Lichtstrahl R befindet Je nach Anwendungsfall braucht auch nur eine einzige solche L.ichiempfangseinrichtung vorgesehen zu sein, wobei auf die außerhalb des Reflexionswinkels angeordnete Lichtempfangseinrichtung verzichtet wird. Eine solche Anordnung ist vorzugswci-ί se dann /u wählen, wenn in erster Linie die Bildung von Wassercis erkannt werden soll.

Fig. J zeigt eine solche Anordnung mit zwei Lichtempfangseinriehtungcn 8' und 13. Die Lichtempfangseinrichtung 8' entspricht in etwa der Lichtempfangseinrichtung 8 gemäß den Fi g. I und 2, jedoch ist bei der Lichtcnipfangseinrichtung 8' kein Polarisationsfilter vorgesehen. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, wird der Strahl E polarisierten Lichts an der Eis- beziehungsweise Reifschicht 5 gestreut und reflektiert. Hierbei erfolgt eine Depolarisation. was in F i g. 3 durch die beiden Doppelpfeile Pangedeutet ist. Bei Reifbildung erfolgt eine entsprechende Anzeige durch die Lichtempfangseinrichtung 8' in der bereits erläuterten Weise. Bei der Bildung von Wassercis wird der »einfallende« polarisierte Lichtstrahl fan der Beobachtungsstelle B reflektiert, und der depolarisierte »reflektierte« Lichtstrahl R trifft auf die Lichtempfangseinrichtung 13, die ähnlich wie die anderen Lichtempfangseinrichtungen ein Schutzrohr 14, einen Detektor 15, ein beispielsweise als Fotodiode ausgebildetes Lichtempfangselcmcnt 16 und ein Polarisationsfilter 17 aufweist.

Die Winkelstellung des Polarisationsfilters (Analysators) 17 ist so gewählt, daß bei trockener Oberfläche 1. das heißt ohne Eis- beziehungsweise Reifbildung kein jo Licht auf das Lichtempfangselement 16 fällt. Bei Bildung von Wassereis jedoch wird das Licht depolarisiert und gelangt teilweise durch den Polarisationsfilter 17 auf das Lichtempfangselement 16.

Wenn bei einer solchen Anordnung eine Lichtstreuung an der Beobachtungsstelle B beispielsweise durch Kondenswasser erfolgt, so würde — wie oben erwähnt — möglicherweise die Lichtempfangseinrichtung 8' fälschlicherweise eine Eis- oder Reifbildung anzeigen. Da in diesem Fall jedoch kein Licht auf das Lichtempfangselement 16 der Lichtempfangseinrichtung 13 fäl¹:, kann die Zustandskombination »Licht bei 8' und kein Licht bei 13« dahingehend ausgewertet werden, daß keine Reif- beziehungsweise Eisbildung an der Oberfläche 1 vorliegt.

Als Lichtquelle wird beispielsweise eine Leuchtdiode verwendet, die im sichtbaren Spektrum arbeitet. Dies bietet die Möglichkeit, relativ billige Polarisationsfilter zu verwenden. Eine besonders gute Bündelung des Lichts wird bei Verwendung von Laserdioden als Lichtquellen erzielt. Als Lichtempfangselemente kommen beispielsweise Fotodioden und Fototransistoren in Betracht. Grundsätzlich besteht zwar die Möglichkeit, als Lichtquelle eine Glühlampe zu verwenden, jedoch sind derartige Lichtquellen für Pulsbetrieb zu träge, so daß Leuchtdioden und Laserdioden vorzuziehen sind. Der Vorteil der Verwendung von Leuchtdioden beziehungsweise Laserdioden soll im folgenden anhand von F i g. 4, die ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Erkennen einer Vereisung beziehungsweise Reifbildung an einer Beobachtungsstelle darstellt, erläutert werden.

Gemäß F i g. 4 liefert eine Treiberschaltung 20 an eine Leuchtdiode 21 entweder ein Gleichsignal oder ein RechtecksignaL so daß die Leuchtdiode 21 im Dauerstrichbetrieb oder gepulst arbeitet. Der von der Leuchtdiode 21 abgegebene Lichtstrahl wird durch ein Poifiiter 22 linear polarisiert, so daß von der Oberfläche 1 der Aluminiumlamelle 2, die mit einer Eis- beziehungsweise Reifschicht S bedeckt sein kann, das linear polarisierte

Licht polarisiert beziehungsweise depolarisiert reflektiert (und möglicherweise gestreut) wird. Das reflektierte Licht gelangt durch einen weiteren Polfilter 23 zu einer Fotodiode 24, die, falls das reflektierte Licht depolarisiert ist. auf das empfangene Licht anspricht und ein Signal an einen Vorverstärker 25 gibt, dessen Ausgangssignal im Fall von Pulsbetrieb von einem Bandpaßfilter 25 gefiltert, geglättet und von einem hysteresebehafteten Schweller.-Aertschalter 26 weiterverarbeitet wird. Die Ansprechschwelle des Schwellenwertschalters oder -detektors 26 läßt sich mittels eines veränderlichen Widerstands 27 justieren.

Wenn die Treiberschaltung 20 die Leuchtdiode 21 mit Gleichstrom beireibt, gelangt bei eis- und reiffreier Oberfläche 1 praktisch kein Licht zur Fotodiode 24, so daß das Ausgangssignal des Schwellenwertschalters 26 beispielsweise niedrigen Pegel aufweist. Bei Eis- und/ oder Reifbildung an der Oberfläche 1 erfolgt eine Depolarisierung des Lichts, so daß die Leuchtdiode 24 Licht empfängt. Folglich liefert die Fotodiode 24 ein Ausgangssignal, das von dem Vorverstärker 25 verstärkt und unter Umgehung des Bandpaßfilters 25 an den Schwellenwertschalter 26 weitergegeben wird. Der Schwellenwertschalter spricht auf dieses Signal an und liefert an seinem Ausgang dann ein Signal hohen Pegels, welches für eine Anzeige oder zum Einleiten eines Abtauvorgangs verwertet werden kann.

Der Schwellenwertschalter kann derart eingestellt sein, daß der Abtauvorgang bereits bei Einsetzen der Vereisung eingeleitet wird, das heißt, der Schwellenwertschalter 26 liefert ein Signal hohen Pegels, sobald eine Reif- beziehungsweise Eisbildung einsetzt. Nach Abfallen des Signals auf niedrigen Pegel wird der Abtauvorgang beendet. Der Schwellenwertschalter 26 kann aber für zwei verschiedene Schwellenwerte ausgebildet sein. Ein erster, hoher Schwellenwert entspricht einer bereits bis zu einem gewissen Stadium fortgeschrittenen Vereisung, so daß der Abtauvorgang erst dann eingeleitet wird, wenn die Vereisung eine gewisse Stärke erreicht hat. Der Abtauvorgang wird jedoch nicht bei Unterschreiten dieses hohen Schwellenwertes beendet, sondern erst b*i Unterschreitung eines zweiten, relativ niedrigen Schwellenwertes, wobei dieser niedrige Schwellenwert dann so eingestellt ist, daß er einer eis- und reiffreien Beobachtungssstelle entspricht.

In bestimmten Anwendungsfällen muß damit gerechnet werden, daß Fremdlicht durch das Polarisationsfilter 23 auf die Leuchtdiode 24 gelangt, was dann möglicherweise zu einem fälschlichen Ausgangssignal am Ausgang des Schwellenwertschalters 26 führt. Um derartige Störeinflüsse auszuschalten, liefert die Treiberschaltung vorzugsweise als Ausgangssignal ein Rechtecksignal an die Leuchtdiode 21. das heißt, die Leuchtdiode 21 arbeitet im Pulsbetrieb. Ein der Pulsfrequenz entsprechendes Signa! wird als Taktsignal von der Treiberschaltung 20 an das Bandpaßfilter 25, welches beispielsweise als sogenannter LOK-IN-Verstärker ausgebildet ist, gegeben. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß praktisch nur der »Wechselanteil« der von der Leuchtdiode 21 abgegebenen Signale in der Empfängerschaltung berück- eo sichtigt wird, von Fremdlicht verursachte Störungen werden durch die Filterschaltung 25 ausgefiltert. Die Filterschaltung 25 liefert nach Integration am Ausgang einen Gleichpegel, und entsprechend diesem Pegel gibt der Schwellenwertschalter 26 an seinem Ausgang ein .-,: Signal niedrigen oder hohen Pegels ab.

Möglicherweise muß mit weiteren Störeinflüssen gerechne' werden, beispielsweise mit Störungen aufgrund von Staub und Schmutz, die den Betrieb sowohl der Lichtquelle als c.uch der Lichtempfangseinrichtung beeinträchtigen können. Werden sowohl Lichtquelle als auch Lichtempfangseinrichtung jeweils am Ende der Schut/.rohre 5 beziehungsweise 9 oder 14 angeordnet, wobei das Rohrende dann jeweils im unteren Bereich, das heißt im Bereich von Lichtquelle beziehungsweise Lichtempfangseinrichtung, luftdicht abgeschlossen ist, so kann praktisch kein Staub oder Schmutz auf die Oberfläche von Polarisationsfilter, Leuchtdiode oder Fotodiode gelangen, weil sich in dem Schutzrohr ein Luftstau bildet.

Durch Anordnen von Lichtquelle und Lichtempfangseinrichtung(en) in ein einziges Gehäuse erhält man eine kompakte Vorrichtung, die sich leicht montieren läßt. Unter Aussparung der Schutzrohre läßt sich die gesamte Anordnung beispielsweise in Epoxyharz eingießen, so daß die Elemente sowie die dazugehörigen Anschlüsse EUt Beschützt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erkennen von Eis- und/oder Reifbildung an einer Beobachtungsstelle, insbesondere auf Wärmetauscherflächen von Kühlvorrichtungen, Wärmepumpenanlagen u.dgl, mit einer Lichtquelle zum Bestrahlen der Beobachtungsstelle, einer Lichtempfangseinrichtung mit einem Detektor, der auf eine signifikante Änderung der pro Zeiteinheit empfangenen Menge des von der Lichtquelle stammenden Lichts anspricht, und einem der Lichlempfangseinrichtung vorgeschalteten Polarisationsfilter, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) ein erstes Polarisationsfilter (7) aufweist, und daß der Lichtempfangseinrichtung (8,13) ein zweites Polarisationsfilter (12,17) vorgeschaltet ist, dessen Winkelstellung bezüglich derjenigen des ersten Polarisationsfilters (7) derart eingestellt ist. daß es im wesentlichen nur bei Eisbildung an der BeobachtuRgistelle (B) aufgrund der dadurch bewii ktcn Depüiarisaiiün Lichi durchläßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangseinrichtung (8, 8') bezüglich Lichtquelle (3) und Beobachtungsstelle (B) an einem Ort angeordnet ist, der nicht dem Reflexionswinkel entspricht, und d?3 der Detektor (U) bei Eis- bzw. Reifbildung auf die durch Streuung bewirkte Erhöhung der Menge des von der Lichtempfangseinrichtung (8, 8') empfangenen Lichtes anspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichfmpfangseinrichtung (13) im Reflexionswinkel bezüglich Lichtquelle (3) und Beobachtungsstelle fB/ange'-rdnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangseinrichtung (13) mit dem zweiten Polarisationsfilter (17) als zusätzliche Lichtempfangseinrichtung zu derjenigen (8') außerhalb des Reflexionswinkels angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) eine

— insbesondere im sichtbaren Spektrum arbeitende

— Leucht- oder Laserdiode (6) aufweist, daß die Lichtempfangseinrichtung ein Fotoelement, z. B. eine Fotodiode (10,16) oder einen Fototransistor aufweist, und daß der Detektor (11; 15) als Schwellenwertdetektor ausgebildet ist, der auf eine signifikante Änderung der empfangenen Lichtmenge anspricht und ein für die Eisbildung bzw. das Ende eines Abtauvorgangs kennzeichnendes Signal liefert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) für den Pulsbetrieb ausgelegt ist, und daß die Lichtempfangseinrichtung (z. B. 13) auf die Pulsfrequenz der Lichtquelle (3) abgestimmt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtquelle (3) und/ oder Lichtempfangseinrichtung (8; 8', 13) gegen Staub- und Schmutzeinwirkung durch ein Schutzrohr (5, 9, 14) geschützt sind, welches den Strahlengang des Lichts teilweise umgibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß Lichtquelle (3) und Lichtempfangscinriehtung (8; 8', 13) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. /. 15. eingegossen sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erkennen von Eis und/oder Reifbildung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen dieser Art kommen beispielsweise bei Wärmepumpanlagen oder Kühlvorrichtungen zum Einsatz und dienen dem Zweck, eine zu starke Vereisung von beispielsweise luftdurchströmten Wärmeaustauschern weitestgehend zu vermeiden. Nachdem eine bis zu einem gewissen Grad erfolgte Vereisung erfolgt ist,

wird das Eis durch Aufheizen abgetaut. Um hierzu möglichst wenig Energie aufwenden zu müssen, ist es wünschenswert, den Abtauvorgang genau dann zu beenden, wenn das Eis gerade restlos abgetaut ist Bei einem Wärmetauscher beispielsweise, der aus auf Kupferrohren

sitzenden, einen geringen Abstand voneinander aufweisenden Aluminiumlamellen besteht, kondensiert aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen Luft und Oberfläche des Wärmetauschers Wasser, welches unter bestimmten Bedingungen zu Reif und Eis gefriert. Hier-

durch wird die Wärmeleitfähigkeit der Wärmetauscheroberfiäche herabgesetzt, so daß der Wirkungsgrad des Wärmetauschers abnimmt. Die Vereisung kann soweit fortschreiten, daß sich die Lamellenzwischenräume vollständig zusetzen, so daß der Wärmetauscher nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Es ist daher erforderlich, das Eis abzutauen. Dies geschah bisher entweder in bestimmten, vorab festgelegten Zeitabständen oder bei Erkennung einer Eisbildung an der Wärmetauscheroberfläche.

Eine Möglichkeit sum Erkennen von Eis- und Reifbildung und dessen Stärke besteht z. B. darin, die Temperatur an einer interessierenden Stelle (Beobachtungsstelle), bei einem Wärmetauscher der oben erläuterten Art beispielsweise auf der Oberfläche einer Lamelle, zu

beobachten, um einen Abtauvorgang einzuleiten, nachdem das Fis eine Höchststärke erreicht hat. Allerdings ist eine solche Temperaturüberwachung insoweit unvollkommen, als bei Temperaturen der Umgebungsluft unterhalb von 0⁰C aufgrund d«r extrern geringen Luft-

feuchtigkeit keine Vereisung eintritt. Kritisch ist insbesondere der Fall, daß die Außenluft beispielsweise zwischen 0⁰C und +5⁰C liegt, die Oberfläche des Wärmeaustauschers jedoch eine Temperatur unterhalb von 0°C besitzt. In diesem Fall erfolgt eine Vereisung. Man

müßte theoretisch also sowohl die Temperatur direkt an der Oberfläche des Wärmeaustauschers als auch die Temperatur in der Umgebungsluft messen, um durch Auswertung der Me3ergebnisse eine Aussage darüber zu erhalten, ob eine Vereisung vorliegt. Allerdings wäre

eine derartig gewonnene Aussage noch mit einem erheblichen Unsicherheitsfaktor behaftet. Um hier eine weitere Verbesserung zu erzielen, könnte man noch die Luftfeuchtigkeit messen, um diesen Meßwert zur Gewinnung der Aussage »Eisbildung/keine Eisbildung«

Y) heranzuziehen. Eine entsprechende Vorrichtung wäre aber sowohl hinsichtlich der Meßfühler als auch hinsichtlich der Verarbeitung der Meßwerte relativ aufwendig.
Die oben geschilderten für Wärmetauscher spezifi-

bo sehen Probleme treten in gleicher oder ähnlicher Weise auch in anderen Bereichen auf, beispielsweise tritt eine unerwünschte Vereisung auf bei Kühlvorrichtungen allgemein, an Oberflächen von Flugkörpern, an unbemannten Überwachungs- und Meßstationen, auf Ver-

hi kchiswegcn. insbesondere auf Fahrdecken für Kraftfahrzeuge, und dergleichen.

Kinc Vorrichtung der eingangs genannten Art ist z. B. aus der DFi-OS 19 55 273 bekannt Um beisDielsweise