DE3740189A1 - Vereisungsfuehler - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf atmosphärische Meßfühler
oder -sonden und insbesondere auf Meßfühler zur Ermittlung
des Auftretens und des Aufbaus von Eis, um Personenschäden,
Todesfälle sowie den Verlust oder die Beschädigung von
Gütern zu vermeiden.
Derartige Meßfühler sind nützlich, um das Auftreten und die
Bildung von Eis an Flugzeugen, Überwasserfahrzeugen, Strom
bzw. Energieversorgungsleitungen und Antennenaufbauten im
allgemeinen zu überwachen.
Typische Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zur An
zeige einer Eisbildung sind in den US-Patentschriften
39 96 787, 40 53 127 und 40 95 456 offenbart. Diese Pa
tentschriften befassen sich mit einem Gassystem, wobei
eine Eisbildung 1. eine Verengung oder Drosselung einer
kleinen Bohrung bzw. Meßblende, 2. eine Membranverformung
oder 3. einen Druckunterschied in dem System hervorruft.
Des weiteren offenbart die US-PS 45 53 131 eine Vorrichtung,
bei der eine Änderung in der Frequenz eines vibrierenden
Elements auf die Bildung einer Eisschicht bezogen wird.
Diese bekannten Vorrichtungen sind offensichtlich auf die
Anwendung bei Flugzeugen beschränkt und schließen vibrieren
de oder drehende Elemente oder andere bewegbare Teile, die
unmittelbar der Atmosphäre ausgesetzt sind, ein. Wegen des
Freiliegens dieser beweglichen Teile sind die bekannten Vor
richtungen anfällig für eine Erzeugung von irreführenden
oder verwirrenden Signalen bei Schnee, Schneematsch, Grau
pelschauern, Schneeregen und Regen.
Im Gegensatz hierzu bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf einen Vereisungsfühler, der in einer weitreichenden
Vielzahl von atmosphärischen Bedingungen und Örtlichkeiten
verwendbar und nützlich ist.
Ein primäres Merkmal der Erfindung besteht darin, eine ab
gedichtete Meßsonde oder ein abgedichtetes Teil, die an
einem Träger befestigt sind und keinerlei äußere sich bewe
gende Einzelteile aufweisen, vorzusehen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, eine at
mosphärische Meßsonde zu schaffen, deren Druckfestigkeit mit
der Ansammlung von Eis auf dem Äußeren der Sonde sich ver
ändert. Änderungen in der Druckfestigkeit rufen Formänderun
gen hervor, die maßlich erfaßt und durch Dehnungsmeßstreifen,
die innen an der Meßsonde angebracht sind, wiedergegeben wer
den. Die Arbeits- oder Energieeinrichtungen, die die Bela
stung oder Beanspruchung hervorrufen, sind ebenfalls im
Inneren der Meßsonde oder des Meßfühlers untergebracht.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, eine inne
re elektromagnetische Vorrichtung für eine periodische Bean
spruchung des Meßfühlers vorzusehen, wobei die Formänderun
gen durch den oben erwähnten Dehnungsmeßstreifen überwacht
werden.
Die Arbeitsweise und der Aufbau des Vereisungsfühlers umfas
sen insofern ein Verfahren und eine Vorrichtung.
Ein Verfahren zur Ermittlung des ersten Auftretens und der
anschließenden Bildung von Eis auf einem der Atmosphäre aus
gesetzten Meßfühler, wobei eine aus einer Druckbelastung des
Meßfühlers resultierende Formänderung der Eisbildung auf dem
Meßfühler proportional ist, und das bestimmte Prinzipien der vor
liegenden Erfindung einschließt, umfaßt das Vorsehen eines
vorstehenden Teils mit einer der Witterung ausgesetzten Ober
fläche, das Beanspruchen der Fläche mit einer vorbestimmten
Druckbelastung im eisfreien Zustand zur Erzeugung einer Form
änderung, das Messen der Formänderung, das Beanspruchen der
Fläche mit der gleichen Druckbelastung in einem vereisten
Zustand, das Messen der Formänderung im vereisten Zustand,
das Vergleichen der im eisfreien Zustand gemessenen Formände
rung mit der im vereisten Zustand gemessenen Formänderung
und das Verwenden der Vergleichsergebnisse als eine Anzeige
für das Auftreten von Eisbildung sowie als eine Anzeige für
das Ausmaß der Eisbildung.
Eine Vorrichtung oder ein Fühler, der andere Prinzipien gemäß
der Erfindung einschließt, umfaßt einen rohrförmigen Meßfüh
ler oder ein rohrförmiges vorstehendes Teil mit einer der
Atmosphäre ausgesetzten Oberfläche, eine Arbeitseinrichtung,
die das vorstehende Teil einer zu dessen Verformung ausrei
chenden Druckbelastung in einem eisfreien sowie einem verei
sten Zustand unterwirft, und eine Meßeinrichtung, die die
Größe einer Verformung im eisfreien sowie vereisten Zustand
mißt, wobei ein Vergleich der Verformungsmessungen als ein
Maß für das Auftreten und das Ausmaß einer Vereisung verwen
det wird.
Weitere Merkmale wie auch die Vorteile des Erfindungsgegen
standes werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug
nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
deutlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines
Vereisungsfühlers in einer ersten Ausführungsform,
der auf einem Träger montiert ist;
Fig. 2 den Schnitt nach der Linie 2-2 in der Fig. 1;
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Verei
sungsfühlers in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 ein Blockbild der dem Vereisungsfühler zugeordneten
elektrischen Schaltung.
Ein erfindungsgemäßer Vereisungsfühler 11 weist eine rohr
förmige Meßsonde oder ein vorspringendes Teil 12 auf, die
bzw. das mit Hilfe von Maschinenschrauben 14 und 16 auf der
einen Seite eines Trägers 13 befestigt ist.
Durch geeignete (nicht gezeigte) Einrichtungen ist ein
Schaltungsgehäuse 17 an der anderen Seite des Trägers 13
fest angebracht.
Bei der Ausführungsform von Fig. 1 umfaßt der Meßfühler 12
ein rohrförmiges Hauptteil 18, das aus Metall oder einem ge
eigneten Kunstharz besteht und sich zu einem kleineren, rohr
förmigen Teil mit einer Seitenwand 19 verjüngt, welche einen
Magnetkern 21, der am Träger 13 durch eine Maschinenschraube
20 gehalten ist, mit Abstand umgibt. Das untere Ende des Ma
gnetkerns 21 wird von einer elektrischen Erregerwicklung 22
umschlossen.
Das gesamte Äußere des Meßfühlers 12 - insbesondere die
Außenoberfläche der Seitenwand 19 - ist im normalen Betrieb
der Atmosphäre ausgesetzt, während der Meßfühler an seinem
Äußeren abgedichtet und wettergeschützt ist.
Ein ringförmiger Luftraum trennt den Magnetkern 21 von der
Innenoberfläche der Seitenwand 19. In einer Vertiefung am
oberen Ende 26 des Meßfühlers ist ein Anker 24 fest aufge
nommen, der einen Abstand zum oberen Ende des Magnetkerns
21 hat.
An der Innenoberfläche der relativ dünnen Seitenwand 19 sind
mehrere Dehnungsmeßstreifen 27 und 28 angebracht.
Wie der Fig. 2 am besten zu entnehmen ist, ist im Ringraum
23 eine Heizeinrichtung in Form eines elektrischen Heizkis
sens 29 angeordnet, um nach Wunsch den Meßfühler abzutauen
und gebildetes Eis zu entfernen.
Bei der abgewandelten Ausführungsform von Fig. 3 ist der Ma
gnetkern 210 in umgekehrter Weise befestigt, d.h., der Ma
gnetkern 210 ist in das obere Ende 31 des rohrförmigen Meß
fühlers 120 eingeschraubt.
Das entgegengesetzte, untere Ende 32 des Magnetkerns 210,
das mit einer Bohrung 33 versehen ist, hat einen Abstand zu
einem Anker 240, der mittels Maschinenschrauben 34 und 36
an einem Träger 130 befestigt ist.
Ein am Träger 130 durch eine Maschinenschraube 38 gehalte
ner Führungsstift 37 ist in der Bohrung 33 aufgenommen und
bildet mit dem Magnetkern 210 einen Gleitsitz. Der Magnet
kern 210 wird von einer Erregerspule 220 umschlossen.
Wie im Fall der Ausführungsform von Fig. 1 ist das Hauptteil
180 des Vereisungsfühlers 110 durch Maschinenschrauben 39
und 41 am Träger 130 befestigt, wobei an der gegenüberlie
genden Seite des Trägers 130 durch geeignete (nicht gezeig
te) Einrichtungen ein Schaltungsgehäuse 170 fest angebracht
ist.
Für manche Anwendungsfälle ist es erwünscht, die der Witte
rung ausgesetzte Oberfläche des vorstehenden Teils des Meß
fühlers 12, 120 mit einer korrosions- oder abriebbeständi
gen Haut, Beschichtung oder Plattierung zu versehen. Beispie
le für solche Beschichtungen sind Kunstharze oder metalli
sche Plattierungen aus Nickel od. dgl.
Die Fig. 4 zeigt schematisch verschiedene Betriebselemente
des Fühlers, Datenflußwege und Signalschaltkreise.
Der Block P umfaßt eine Schaltung für die Heizeinrichtung
29, die Erregerwicklung 22 (220) des Magnetkerns, einen obe
ren sowie einen unteren Dehnungsmeßstreifen 27 (270) bzw.
28 (280), wobei alle diese Teile im rohrförmigen Meßfühler
12 (120) untergebracht sind.
Der Block H ist im Schaltungsgehäuse 17 (170) aufgenommen,
wobei die Ausgangsschaltungen "Eislampe" und "Ausfallampe"
zu einer (nicht gezeigten) Instrumententafel führen.
Ein Stromimpulsregler 42 erregt die Wicklung 22 (220) perio
disch, so daß der Magnetkern 21 (210) seinen Anker 24 (240)
anzieht. Dadurch wird eine gleichförmige Belastung auf die
Seitenwand 19 (190) des Meßfühlers 12 (120) aufgebracht,
wodurch der Seitenwand eine gleichförmige Druckbeanspru
chung vermittelt wird. Jeder Dehnungsmeßstreifen 27 (270)
und 28 (280) ermittelt die Verformung an seinem Ort und über
führt das ermittelte Ergebnis zu seinem zugeordneten Signal
verarbeitungsgerät.
Wenn sich Eis gebildet oder angesammelt hat, dann ist die
Verformung geringer, d.h., die Seitenwand 19 (190) wird
steifer.
Eine Verformung tritt in sehr kleinen Zuwächsen oder Inkre
menten auf; beispielsweise liegt die Verformung der Seiten
wand 19 (190) im eisfreien Zustand in der Größenordnung von
10-100 µm, während die Verformung der Seitenwand bei er
heblichen Eisansammlungen in der Größenordnung von
2-20 µm liegt.
Unterschiedliche oder differentielle Ermittlungen der Deh
nungsmeßstreifen (kein Eis - Eis) bilden die Basis für die
Berechnungen der Eisdicke.
Die Verformungsimpulse haben im allgemeinen eine Dauer von
50 ms und treten mit Intervallen von annähernd 2 s auf.
Die Analogsignale von den Dehnungsmeßstreifen werden digita
lisiert und anschließend am Instrumentenbrett als entweder
"kein Eis" und/oder "kein Fehler" abgelesen.
Wenn eine Berechnung anzeigt, daß sich Eis in einer vorbe
stimmten Menge angesammelt hat oder daß das Ansammeln von
Eis für eine vorbestimmte Periode geendet hat, dann schaltet
die Heizeinrichtung 29 ein, um den Meßfühler von Eis zu be
freien, worauf nach einer geeigneten Zeitspanne der eisfreie
Zustand erreicht wird und der normale Ermittlungsvorgang erneut beginnt.
Obwohl die Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungs
formen wörtlich und bildlich erläutert wurde, so ist sie auf
die dargelegten Einzelheiten keineswegs beschränkt, da dem
Fachmann bei Kenntnis der vermittelten Lehre Abwandlungen
und Abänderungen der verschiedensten Art an die Hand gege
ben worden sind, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung
fallend anzusehen sind.
Claims (31)
1. Fühler zur Ermittlung der Vereisung an einer der Atmo
sphäre ausgesetzten Oberfläche, die für die Bildung
von Eis bestimmt ist, gekennzeichnet
- - durch ein vorstehendes Teil (12, 120) mit einer der At mosphäre ausgesetzten Fläche (19, 190),
- - durch eine Arbeitseinrichtung (21, 22, 24, 210, 220, 240), die das vorstehende Teil einer zu dessen Verfor mung ausreichenden Druckbelastung in einem eisfreien sowie einem vereisten Zustand unterwirft, und
- - durch eine Meßeinrichtung (27, 28, 270, 280, H), die die Größe einer Verformung im eisfreien sowie vereisten Zustand mißt und einen Vergleich der Verformungsmessun gen als ein Maß für das Auftreten und das Ausmaß einer Vereisung verwendet.
2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das vorstehende Teil (12, 120) aus Metall besteht.
3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das vorstehende Teil (12, 120) eine der Witterung
ausgesetzte und eine innere Fläche hat.
4. Fühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
der Witterung ausgesetzte Fläche unbeweglich und wetter
geschützt abgeschlossen ist.
5. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Arbeitseinrichtung (21, 22, 24,
210, 220, 240) benachbart zur inneren Fläche des vorste
henden Teils (12, 120) angeordnet ist.
6. Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Arbeitseinrichtung elektromagnetisch betätigt ist.
7. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das vorstehende Teil (12, 120) mit
einem Träger (13, 130) verbunden ist, der zusammen mit
dem vorspringenden Teil eine Umhüllung bildet.
8. Fühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein
magnetischer Kern (21, 210) mit einer Erregerwicklung
(22, 220) am Träger (13) oder am vorstehenden Teil (120)
und ein Anker (240, 24) am Träger (130) oder am vorste
henden Teil (12) befestigt sind.
9. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet daß die die Verformung messende Einrich
tung ein Dehnungsmeßstreifen (27, 28, 270, 280) ist.
10. Fühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Dehnungsmeßstreifen an der inneren Fläche des vorstehen
den Teils (12, 120) befestigt ist.
11. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das vorstehende Teil (12, 120) in sei
nem Inneren mit Heizeinrichtungen (29) versehen ist.
12. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen (29) benachbart
zur inneren Fläche des vorstehenden Teils (12, 120) ange
ordnet sind und sich im allgemeinen gleichlaufend mit
dieser Fläche erstrecken.
13. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die die Verformung messende Einrich
tung eine Mehrzahl von jeweils in Ringform angeordneten
Dehnungsmeßstreifen (27, 28, 270, 280) umfaßt.
14. Fühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dehnungsmeßstreifen in einer ersten sowie einer zweiten
Reihe angeordnet sind.
15. Fühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
metallische vorstehende Teil (12, 120) eine gehärtete
Aluminiumfläche aufweist, die die Witterungsfläche ist.
16. Fühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anker (24) in einer Vertiefung des vorstehenden Teils
(12) an dessen oberem Ende (26) angeordnet und der magne
tische Kern (21) einen Abstand zum Anker hat sowie am
Träger (13) befestigt ist.
17. Fühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
eine Ende des magnetischen Kerns (210) in das eine Ende
des vorstehenden Teils (120) eingeschraubt und das entge
gengesetzte Ende des Kerns in Gleitanlage mit einem am
Träger (130) befestigten Führungsstift (37) ist.
18. Fühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
der Anker (240) nahe dem entgegengesetzten Ende des
magnetischen Kerns (210) am Träger (130) befestigt ist.
19. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (13, 130) zwischen das vor
stehende Teil (12, 120) auf der einen und ein Schaltungs
gehäuse (17, 170) auf der anderen Seite eingefügt ist.
20. Fühler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
das vorstehende Teil und das Schaltungsgehäuse gegen die
Atmosphäre dicht abgeschlossen sind.
21. Verfahren zur Ermittlung und Messung von Vereisung auf
einer einerAtmosphäre ausgesetzten Fläche, die für die
Bildung von Eis bestimmt ist, gekennzeichnet
- - durch Beanspruchen der Fläche mit einer vorbestimmten Druckbelastung in eisfreiem Zustand zur Erzeugung einer Formänderung,
- - durch Messen der Formänderung,
- - durch Beanspruchen der Fläche mit der gleichen Druck belastung in einem vereisten Zustand,
- - durch Messen der Formänderung im vereisten Zustand,
- - durch Vergleichen der im eisfreien sowie im vereisten Zustand gemessenen Formänderungen und
- - durch Verwenden der Vergleichsergebnisse als eine An zeige für das Auftreten von Eisbildung sowie als eine Anzeige für das Ausmaß der Eisbildung.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die Formänderung mittels eines Dehnungsmeßstreifens
gemessen wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beanspruchung elektromagnetisch erzeugt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des Messens mit einer periodischen Beanspru
chung synchronisiert wird.
25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Auftreten einer Eisbildung in einem vorbestimmten
Ausmaß das Eis von der Fläche entfernt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß
das gebildete Eis durch Beheizen eines die Fläche bil
denden vorstehenden Teils entfernt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fläche als ein hohles vorspringendes Meßsondenteil
ausgebildet wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fläche vom Inneren des vorspringenden, hohlen Meß
sondenteils aus beansprucht wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß
die Formänderung durch im Inneren des hohlen, vorstehenden
Meßsondenteils angeordnete Einrichtungen gemessen wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Drehnungsmeßstreifen zur Messung der Formänderung
vewendet wird.
31. Fühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
der Witterung ausgesetzte Oberfläche des vorstehenden
Teils mit einer korrosions- sowie verschleißbeständigen
Schutzhaut oder -plattierung beschichtet ist.
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