DE3740189A1

DE3740189A1 - Vereisungsfuehler

Info

Publication number: DE3740189A1
Application number: DE19873740189
Authority: DE
Inventors: Joshua I Goldberg; Kenneth M Harley
Original assignee: Dataproducts New England Inc
Current assignee: Dataproducts New England Inc
Priority date: 1986-12-08
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1988-06-09
Also published as: GB2198538A; DE3740189C2; GB2198538B; GB8727702D0; IL84592A0; US4745804A

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

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.