DE3740189C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vereisungsfühler sowie ein Verfahren zur Ermittlung und Messung von Vereisung auf einer einer Atmosphäre ausgesetzten Fläche nach dem Gat­ tungsbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentan­ spruchs 12.

Derartige Vereisungsfühler und Ermittlungsverfahren für eine Vereisung sind von Nutzen, um das Auftreten und die Bildung von Eis an Flugzeugen, Überwasserfahrzeugen, Strom- bzw. Energieversorgungsleitungen und Antennenaufbauten im all­ gemeinen zu überwachen.

Typische Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Anzei­ ge einer Eisbildung sind in den US-Patentschriften 39 96 787, 40 53 127 und 40 95 456 offenbart. Diese Patentschriften be­ fassen sich mit einem Gassystem, wobei eine Eisbildung erstens eine Verengung oder Drosselung einer kleinen Bohrung bzw. Meßblende, zweitens eine Membranverformung oder drittens einen Druckunterschied in dem System hervorruft. Des weite­ ren 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 vibrie­ rende oder drehende Elemente oder andere bewegbare Teile, die unmittelbar der Atmosphäre ausgesetzt sind, ein. Wegen des Freiliegens dieser beweglichen Teile sind die bekannten Vorrichtungen anfällig für eine Erzeugung von irreführenden oder verwirrenden Signalen bei Schnee, Schneematsch, Graupel­ schauern, Schneeregen und Regen.

Aus der US-PS 32 40 054 ist ein Vereisungsfühler nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem Vereisungsfühler kommt als Meßwandler eine biegefähige Mem­ bran zusammen mit elektromagnetischen Einrichtungen zur Anwen­ dung, wobei bei Anlegen eines Wechselstroms an die Magnet­ spule ein Wechselfluß zwischen dem inneren Kern sowie dem Außenpol fließt, der auch in hohem Maß durch den angrenzen­ den Bereich der Membran fließt, so daß diese zum Schwingen kommt. Die Membran hat eine eigene Biegeresonanzfrequenz, die primär durch ihre Biegesteifigkeit und Masse bestimmt ist. Der Meßwandler bzw. die Membran wird einer Eisansamm­ lung ausgesetzt, so daß sich die Resonanzfrequenz der Mem­ bran durch die vergrößerte, vom Eis erzeugte Steifigkeit er­ höht. Der Wandler wird mit einer Wechselstromfrequenz, die im Bereich seiner Resonanzfrequenz liegt und davon unabhän­ gig ist, erregt. Durch die Eisansammlung am Wandler wird des­ sen Resonanzcharakteristik mit Bezug zur Resonanzfrequenz der erregenden Wechselstromquelle verschoben, wobei ein Pha­ sendetektor, der gegenüber Amplitudenänderungen des an ihn gelegten Signals unempfindlich ist, auf das Ausgangssignal des Wandlers anspricht und eine Anzeige liefert, die sich mit dessen Phasenänderungen ebenfalls ändert.

Der bekannte Enteisungsfühler erfordert eine genau abge­ stimmte Wechselstromquelle, um den Wandler durch diese im Bereich seiner elastischen Schwingungsresonanzfrequenz zu erregen. Darüber hinaus ist die Membran, deren Biegesteifig­ keit und Masse die primären Faktoren zur Bestimmung ihrer Resonanzfrequenz sind, starken äußeren Belastungen ausgesetzt, so daß die von der Membran abgegebenen Anzeigen unsicher sein können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vereisungs­ fühler zu schaffen, der einen einfachen, robusten Aufbau insbesondere für die Meßwertgeber, die die Formänderungen des Meßfühlers überwachen, aufweist, und ein Verfahren zur Ermittlung und Messung von Vereisung auf einer einer Atmospä­ re ausgesetzten Fläche anzugeben, das sich gegenüber bekann­ ten, gattungsgemäßen Verfahren einfacher und mit genaueren Meßergebnissen durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Vereisungsfüh­ ler sowie Ermittlungs- und Meßverfahren einer Vereisung da­ durch gelöst, daß als die die Verformung des Meßfühlers er­ fassende Einrichtung wenigstens ein Dehnungsmeßstreifen ver­ wendet wird bzw. die Formänderung der der Vereisung ausge­ setzten Fläche mittels eines Dehnungsmeßstreifens gemessen wird.

Insofern ist für den Vereisungsfühler lediglich eine Strom­ quelle erforderlich, die den Meßfühler einer Druckbelastung unterwirft, so daß dessen der Atmosphäre ausgesetzte Fläche eine Verformung erfährt. Es ist keinerlei Abstimmung der Stromquelle in bezug auf den Meßfühler selbst wie bei dem gattungsbildenden Stand der Technik, wobei die Membran selbst der Atmosphäre ausgesetzt ist und sein muß, notwendig. Viel­ mehr kann der Dehnungsmeßstreifen bei dem Erfindungsgegen­ stand der Atmosphäre, d.h. der Eisbildung, entzogen werden, so daß dieser keinerlei Beeinflussung unterliegt, da er le­ diglich die Aufgabe hat, die Größe der Verformung des Meß­ fühlers zu messen.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen Vereisungsfühlers bzw. Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 11 bzw. 13.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Ver­ eisungsfühlers 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 Ver­ eisungsfühlers in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4 ein Blockbild der dem Vereisungsfühler zugeordneten elektrischen Schaltung.

Der Vereisungsfühler 11 weist eine rohrförmige Meßsonde 12 auf, die mit Hilfe von Maschinenschrauben 14 und 16 auf der einen Seite eines Trägers 13 befestigt ist und von diesem vorsteht.

Durch geeignete (nicht gezeigte) Einrichtungen ist ein Schal­ tungsgehäuse 17 an der anderen Seite des Trägers 13 fest an­ gebracht.

Bei der Ausführungsform von Fig. 1 umfaßt der Meßfühler 12 ein rohrförmiges Gehäuse, das aus Metall oder einem ge­ eigneten Kunstharz besteht sowie ein Hauptteil 18 und ein diesem gegenüber sich verjüngendes Teil mit einer Seitenwand 19 umfaßt, das einen Magnetkern 21, der am Träger 13 durch eine Maschinenschraube 29 gehalten ist, mit Abstand umgibt. Das untere Ende des Magnetkerns 21 wird von einer elektri­ schen 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, daß der Witte­ rung ausgesetzte Oberflächen des vom Träger 13, 130 vorstehen­ den Meßfühlers 12, 120 mit einer korrosions- oder abriebbe­ ständigen Haut, Beschichtung oder Plattierung zu versehen. Beispiele für solche Beschichtungen sind Kunstharze oder me­ tallische 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 "Ausfall- oder Fehlerlampe" 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 Druckbeanspruchung vermittelt wird. Jeder Dehnungsmeßstreifen 27 (270) und 28 (280) ermittelt die Verformung an seinem Ort und überführt das ermittelte Ergebnis zu seinem zugeordneten Signalverar­ beitungsgerät.

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 erheblichen 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 digi­ talisiert 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 schal­ tet die Heizeinrichtung 29 ein, um den Meßfühler von Eis zu befreien, worauf nach einer geeigneten Zeitspanne der eis­ freie Zustand erreicht wird und der normale Ermittlungsvor­ gang erneut beginnt.

Claims (13)

1. Vereisungsfühler mit einem von einem Träger (13, 130) vor­ stehenden Meßfühler (12, 120), der eine der Atmosphäre ausgesetzte, für die Bildung von Eis an dieser bestimmte Fläche (19, 190) hat, mit einer Arbeitseinrichtung (21, 22, 24, 210, 220, 240), die den vorstehenden Meß­ fühler einer zu dessen Verformung ausreichenden Druckbe­ lastung in einem eisfreien sowie einem vereisten Zustand unterwirft, und mit einer Meßeinrichtung, die die Größe einer Verformung im eisfreien sowie vereisten Zustand mißt und einen Vergleich der Verformungsmessungen als ein Maß für das Auftreten sowie das Ausmaß einer Verei­ sung verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ver­ formung messende Einrichtung ein Dehnungsmeßstreifen (27, 28, 270, 280) ist.

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (12, 120) rohrförmig ausgebildet ist und eine der Witterung ausgesetzte sowie eine innere, wetterge­ schützte Fläche hat, an welcher der Dehnungsmeßstreifen (27, 28, 270, 280) befestigt ist.

3. Fühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verformung messende Einrich­ tung eine Mehrzahl von jeweils in Ringform angeord­ neten Dehnungsmeßstreifen (27, 28, 270, 280) umfaßt.

4. Fühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (270, 280) als ein oberer sowie ein unterer Ring ausgebildet sind.

5. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitseinrichtung einen am Träger (13) befestigten, in das Gehäuse (18, 19) des vom Träger vorstehenden Meßfühlers (12) hineinragenden Magnetkern (21), der von einer Erregerspule (22) umgeben ist, und einen am zum Träger entgegengesetzten Ende (26) des Meß­ fühlers fest angebrachten Anker (24), der einen Abstand zum Magnetkern (21) hat, umfaßt, wobei bei Erregung der Erregerspule (22) der Magnetkern den Anker anzieht und damit die Seitenwand (19) des rohrförmigen Meßfühlers einer Druckbelastung aussetzt.

6. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitseinrichtung einen am Träger (13) befestigten Anker (240) sowie einen am zum Träger entgegengesetzten Ende (31) des vom Träger vorstehenden Gehäuses (180, 190) fest angebrachten, in das Gehäuse ragenden Magnetkern (210), der von einer Erregerspule (220) umgeben ist und einen Abstand zum Anker (240) hat, umfaßt, wobei bei Erregung der Erregerspule (220) der Ma­ gnetkern den Anker anzieht und damit die Seitenwand (190) des rohrförmigen Meßfühlers einer Druckbelastung aussetzt.

7. Fühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Magnetkerns (210) in das zum Träger (130) entgegengesetzte Ende (31) des vorstehenden Meßfühlers (120) eingeschraubt und das dem Träger zugewandte Ende (32) des Kerns in Gleitanlage mit einem am Träger (130) befestigten Führungsstift (37) ist.

8. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorstehende Meßfühler (12, 120) in seinem Inneren mit Heizeinrichtungen (29) versehen ist.

9. Fühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen (29) benachbart zur inneren Fläche des Meßfühlers (12, 120) angeordnet sind und sich im allge­ meinen gleichlaufend mit dieser Fläche erstrecken.

10. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vorstehende Meßfühler (12, 120) auf der einen und ein Schaltungsgehäuse (17, 170) auf der anderen Seite des Trägers (13, 130) angeordnet sind.

11. Fühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorstehende Meßfühler (12, 120) und das Schaltungsgehäuse (17, 170) gegen die Atmosphäre dicht abgeschlossen sind.

12. Verfahren zur Ermittlung und Messung von Vereisung auf einer einer Atmosphäre ausgesetzten Fläche, die für die Bildung von Eis bestimmt ist, wobei die Fläche mit einer vorbestimmten Druckbelastung in eisfreiem Zustand zur Erzeugung einer Formänderung beansprucht wird, die Form­ änderung gemessen wird, die Fläche mit der gleichen Druckbelastung in einem vereisten Zustand beansprucht wird, die Formänderung im vereisten Zustand gemessen wird, im eisfreien sowie im vereisten Zustand gemessene Formänderungen verglichen werden und die Vergleichser­ gebnisse als eine Anzeige für das Auftreten von Eisbil­ dung sowie als eine Anzeige für das Ausmaß der Eisbil­ dung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung mittels eines Dehnungsmeßstreifens gemessen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen mit einer periodischen Beanspruchung synchro­ nisiert wird.