DE4023982A1

DE4023982A1 - System und verfahren zum melden der vereisung, insbesondere eines propellerblattes

Info

Publication number: DE4023982A1
Application number: DE4023982A
Authority: DE
Inventors: Rudolph Albert Dehn; Andrew John Macdonald
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-08-07
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 1991-02-14
Also published as: JPH03118297A; FR2650667A1; AU5889690A; SE9002521L; AU622089B2; IT9021235A0; IT9021235A1; US5005015A; IL95150A0; IT1246432B; GB9017188D0; SE9002521D0; GB2235778A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vereisungsmelder und be trifft insbesondere einen Vereisungsmelder zum Bestimmen der Lage und der Dicke von Eisansatz auf einem Flugzeugpro peller.

Verschiedene Formen von Vereisungsmeldern für Flugzeuge sind bereits entwickelt worden. Solche Melder umfassen ra diometrische Vorrichtungen, die im Frequenzbereich von 35- 95 GHz senden und mit Frequenzverschiebungen von reflek tierten Wellen arbeiten, vgl. z.B. NASA Contract Report NAS8-33800, "Ice/Frost Detection System Using Millimeter Wave Radiometry". Eine weitere Ausführungform der Millime terwellenerfassung ist beschrieben in NASA Contract Report 3598, "Development and Test of a Microwave Ice Accretion Measurement Instrument (MIAMI)". Bei dieser letztgenannten Vorrichtung wird ein in Resonanz schwingender, an der Ober fläche befestigter Signalgeber benutzt, dessen Resonanzfre quenz sich im Verhältnis zur Dicke einer über ihm liegenden Eisschicht verändert. Ein Mikrocomputer überwacht die Reso nanzfrequenz des Signalgebers und liefert eine ständige An zeige der Eisdicke. Der Signalgeber ist als Resonanzwellen leiter beschrieben. Bei noch einem weiteren Vereisungsmel der, der in der NASA-Veröffentlichung 86346479 beschrieben ist und auch als NASA-CASE-LAR-13403-1, "Ice Detector" be zeichnet wird, werden zwei Kapazitätsmesser in Kombination mit einem Temperaturmesser benutzt, die in einem Hohlraum in einem Flugzeugbauteil befestigt sind. Der Temperaturmes ser liefert eine Anzeige des Zustands von über ihm liegen dem Wasser, d.h. fest oder flüssig, wogegen die Kapazitäts messer eine Anzeige der Dicke liefern.

Die oben erwähnten Vereisungsmelder arbeiten nicht vollkom men zufriedenstellend, was die auf alternative Vorrichtun gen gerichteten Forschungsanstrengungen erkennen lassen. Zum Beispiel erfordert die Radiometrie eine im wesentlichen stationäre Oberfläche und eine große Stromquelle sowie eine Antenne zum Beleuchten der zu betrachtenden Oberfläche. Der Resonanzwellenleiter ist eine intrusive Vorrichtung und er fordert eine direkt angeschlossene Stromquelle, was bei Oberflächen zulässig sein kann, bei denen es auf die bauli che Unversehrtheit nicht ankommt, aber die bauliche Unver sehrtheit in Fällen beeinträchtigen kann, wo die bauliche Unversehrtheit von solchen Oberflächen wesentlich ist. Ebenso erfordert die Verwendung von Kapazitäts- und Tempe raturmessern deren Intrusion in eine Oberfläche und ir gendeine Form von direktem Anschluß zum Auslesen. Die Ver wendung jedes dieser Systeme bei mit hoher Geschwindigkeit drehenden Flugzeugpropellern könnte deshalb unlösbare Pro bleme mit sich bringen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vereisungsmeldesystem zu schaffen, welches die obigen und weitere Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Weiter soll durch die Erfindung ein nichtintrusives System zum Bestimmen der Dicke von Wasser in flüssigem oder festem Zustand an vorbestimmten Stellen auf einer Oberfläche ge schaffen werden.

Ferner soll durch die Erfindung ein Vereisungsmeldesystem geschaffen werden, das einen nichtintrusiven Signalgeber hat, der zum Bestimmen von Vereisungszuständen fernabge fragt werden kann.

Außerdem soll durch die Erfindung ein Vereisungsmeldesystem geschaffen werden, das bei einem sich schnell drehenden Flugzeugpropeller benutzt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Vereisungsmeldesystem zum Erfassen (Detektieren des Zustands (d.h. fest oder flüssig) und der Dicke von Wasser, das einer Flä che überlagert ist, kurz gesagt, mehrere an der Oberfläche befestigte Schwingkreise, die mit gegenseitigem Abstand an vorbestimmten Stellen um die Oberfläche angeordnet sind, wobei jeder Schwingkreis eine vorgewählte Resonanzfrequenz hat, die sich aufgrund der Dicke von über ihm liegendem Wasser verändert, ungeachtet dessen, ob es in seinem festen Zustand (d.h. Eis) oder in seinem flüssigen Zustand ist. Eine variable Frequenzerzeugungseinrichtung erzeugt ein Si gnal, das um die Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises ver ändert werden kann. Eine Empfängereinrichtung ist auf die Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises abstimmbar und ent hält eine Einrichtung zum Identifizieren der Resonanzfre quenz jedes Schwingkreises und zum Bestimmen des Gütefak tors Q jedes Schwingkreises. Eine Verarbeitungseinrichtung, die auf die identifizierte Resonanzfrequenz und den ermit telten Gütefaktor anspricht, ermittelt den Dickenzustand von Wasser, das über jedem Schwingkreis liegt.

Jeder Schwingkreis wird vorzugsweise auf eine andere vorge wählte Resonanzfrequenz abgestimmt, um eine Fernidentifi zierung der Lage des Schwingkreises aus der Resonanzfre quenz zu gestatten. Die Schwingkreise umfassen vorzugsweise dünne Folienteile, von denen jedes seine eigene, eindeutige Resonanzöffnung hat, die in ihm gebildet ist und durch emp fangene Hochfrequenz- oder HF-Signale angeregt werden kann. Die Dünnfilmschwingkreise können mit einer Zwischenschicht unter der Oberfläche eines Propellerblattes verklebt und mit einem nichtleitfähigen Oberflächenschutzüberzug, z.B. einem Polyurethanüberzug, überlagert sein.

Die variable Frequenzerzeugungseinrichtung kann einen Hoch frequenzfunksender umfassen, der in einem vorbestimmten Frequenzbereich, welcher die Resonanzfrequenzen von sämtli chen abgestimmten Schwingkreisen umfaßt, variabel gewobbelt werden kann. Die Empfängereinrichtung kann durch den Sender getastet werden, um die empfangenen Signale mit den gesen deten Signalen zu korrelieren und die Lage jedes Schwing kreises zu ermitteln. Die Verarbeitungseinrichtung bestimmt die Dicke von Eis oder Flüssigkeit über jedem Resonanzkreis aus der Resonanzfrequenz des betreffenden Schwingkreises und dem Gütefaktor desselben. Die Verarbeitungseinrichtung enthält vorzugsweise einen Mikrocomputer mit einem Spei cher, in welchem eine Tabelle von vorbestimmten Resonanz frequenzen und Gütefaktoren gespeichert ist, die den ver schiedenen Dicken von Eis und Flüssigkeit über jedem der Schwingkreise entsprechen. Durch Korrelieren der erfaßten Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises und des berechneten Gütefaktors dieser Schwingkreise kann die Verarbeitungsein richtung aus der Suchtabelle die Dicke und den Zustand von Wasser bestimmen, das über jedem der Schwingkreise liegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gastur binentriebwerks mit mantellosem Fan, die ein Paar Propeller zeigt, welche eine Art der Verwendung der Erfindung veranschaulichen,

Fig. 2 eine ebene Darstellung einer Ausführungsform eines Dünnfilmschwingkreises, der bei der Erfindung verwendbar ist,

Fig. 3 ein Propellerblatt, das mehrere gegenseiti gen Abstand aufweisende Schwingkreise mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen zum Melden von Vereisungszuständen an verschie denen Stellen auf dem Blatt hat,

Fig. 4 ein Diagramm der Frequenz und der Amplitude eines Anregungssignals zum Anregen der Schwingkreise nach Fig. 3 im Vergleich mit Signalen, die durch die Schwingkreise er zeugt werden,

Fig. 5 ein alternatives Verfahren zum Anregen der Schwingkreise nach Fig. 3 durch die Verwen dung einer induktiven Kopplung,

Fig. 6 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Aus führungsform eines Hochfrequenzgenerators und -empfängers zur Ausführung der Erfin dung, und

Fig. 7 eine alternative Ausführungsform eines Schwingkreises zum Erzeugen eines Resonanz signals mit dem Zweifachen der Frequenz des Anregungssignals.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinen triebwerks 10 mit mantellosem Fan, die zwei gegenläufige Propeller 12 und 14 zeigt, welche durch das Triebwerk ange trieben werden. Die Propeller 12, 14 haben jeweils mehrere Propellerblätter 16 bzw. 18. An jedem Propellerblatt sind mehrere Dünnfilmschwingkreise 20 befestigt. Die Schwing kreise, die der Einfachheit der Darstellung halber nur an einem der Propellerblätter 16 schematisch dargestellt sind, können durch HF-Energie angeregt werden, welche von einem Sender 22 gesendet wird, oder, in einer alternativen Aus führungsform, durch eine HF-Quelle 24 gespeist werden, die mit ihnen induktiv gekoppelt ist.

Fig. 2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines der an den Blättern befestigten Schwingkreise 20. Jeder Schwingkreis ist vorzugsweise ein hundeknochen- oder hantelförmiger Schwingkreis aus einer dünnen Folie oder einem dünnen Film aus elektrisch leitfähigem Material. Der Mittelteil 26 des Schwingkreises weist zwei parallele leitfähige Folienele mente auf, die eine Kapazität C haben, wogegen die kreis förmigen Enden 28 des Schwingkreises jeweils eine Indukti vität L haben. Die miteinander verbundenen Enden 28 und der sie verbindende Mittelteil 26 bilden somit einen LC-Kreis, der eine charakteristische Resonanzfrequenz hat. Die räum lichen Abmessungen des Schwingkreises können verändert wer den, um den Schwingkreis abzustimmen, wodurch seine Reso nanzfrequenz verändert wird. In einer bevorzugten Ausfüh rungsform sind die Schwingkreise 20, die in gegenseitigem Abstand an verschiedenen vorbestimmten Stellen auf jedem Propellerblatt 16, 18 gemäß Fig. 1 angeordnet sind, so be messen, daß jeder Schwingkreis eine für ihn eindeutige Re sonanzfrequenz hat. Das erlaubt, die Schwingkreise mit den Propellerblättern in vorgewählten Positionen auf denselben zu verkleben oder auf andere Weise zu verbinden, so daß Si gnale aus jedem besonderen Schwingkreis der vorgewählten Stelle zugeordnet werden können, indem die empfangene Reso nanzfrequenz identifiziert wird.

Tabelle 1

Tabelle 1 veranschaulicht die Veränderung der Resonanzfre quenz und des Gütefaktors Q für einen Typ von abgestimmtem Schwingkreis aufgrund von unterschiedlichen Dicken (oder Tiefen) des über ihm liegenden Eises oder Wassers. Der Schwingkreis war anfänglich auf eine Resonanzfrequenz von 75 MHz bei einem Gütefaktor von 324 abgestimmt. Als der Schwingkreis mit einer 3,18 mm (1/8 Zoll) Schicht flüssigen Wassers bedeckt wurde, änderte sich die Resonanzfrequenz auf 73,9 MHz und der Gütefaktor Q des Schwingkreises sank auf 2,82. Als die Wasserdicke auf 6,35 mm (1/4 Zoll) erhöht wurde, sank die Resonanzfrequenz weiter auf 73,3 MHz, und der Gütefaktor sank sogar auf 255. Als der Schwingkreis mit einer 3,18 mm (1/8 Zoll) Schicht Eis (statt flüssigen Was sers) bedeckt wurde, fiel die Resonanzfrequenz auf 74,9 MHz, und der Gütefaktor stieg auf 340. Bei einer 6,35 mm (1/4 Zoll) Schicht Eis fiel die Resonanzfrequenz auf 74,8 MHz, wogegen der Gütefaktor konstant auf 340 blieb. Somit liefert die Resonanzfrequenz in Kombination mit dem Güte faktor Q für den Schwingkreis bei dieser Frequenz eine An zeige des Zustands des Wassers, das dem abgestimmten Schwingkreis überlagert ist, d.h. eine Anzeige darüber, ob das Wasser Eis oder flüssig ist, und außerdem eine Anzeige über die Dicke der Schicht. Selbst bei einer Differenz von 3,18 mm (1/8 Zoll) in der Dicke ergibt sich eine Frequenz änderung, die erfaßt werden kann.

Fig. 3 zeigt ein einzelnes Propellerblatt 16 mit mehreren Dünnfilmschwingkreisen 20, die in Positionen A-F über die Oberfläche des Propellerblattes verteilt sind. Jeder Schwingkreis 20 hat eine andere Größe, so daß er eine ein deutige Resonanzfrequenz hat, d.h. eine Resonanzfrequenz, die sich von der der anderen Schwingkreise 20 unterschei det. Der in Fig. 1 gezeigte Sender 22 erzeugt ein Signal mit fester Amplitude und variabler Frequenz, mit welchem jeder abgestimmte Schwingkreis 20 auf dem Propellerblatt 16 abgefragt oder angeregt wird.

Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die konstante Amplitude und die linear ansteigende Frequenz des HF-Signals aus dem in Fig. 1 dargestellten Sender 22 zeigt und in welchem eine Linie 27 den Verlauf eines korrelierten Resonanzsignals zeigt, das durch jeden abgestimmten Schwingkreis 20 auf grund der Anregungsfrequenz des von dem in Fig. 1 darge stellten Sender 22 gesendeten HF-Signals erzeugt wird. Die Resonanzsignale, die durch jeden Schwingkreis 20 in den Po sitionen A-F in Fig. 3 erzeugt werden, können aufgrund ihres zeitlichen Auftretens in bezug auf den Beginn eines HF-Impulses aus dem Sender 22 unterschieden werden. Da die Senderfrequenz von ihrem Anfang bis zu ihrem Ende im we sentlichen linear ansteigt, sind die Resonanzfrequenzen zeitlich verteilt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Zeit- und deshalb die Frequenzkorrelation des gesendeten Signals mit den Signalen, die aus den Schwingkreisen zurückkehren, ermöglicht es, die Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises 20 ohne weiteres zu bestimmen. Jedes der korrelierten empfan genen Signale kann auch auf bekannte Weise analysiert wer den, um einen Meßwert des Gütefaktors Q jedes Schwingkrei ses 20 zu ermitteln. Gemäß Tabelle I liefert der Gütefaktor eine genaue Anzeige des Zustands von der Tiefe von jedwedem Wasser, welches jedem Schwingkreis 20 überlagert ist.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 5 dargestellt ist, ist eine HF-Erregerquelle 50 über induktive Kopplungsvorrichtungen, die als Wicklungen eines Transformators 51 dargestellt sind, mit jedem der abge stimmten Schwingkreise 20 induktiv gekoppelt. Diese Anord nung eliminiert zwar die Notwendigkeit des Sendens eines abgestrahlten HF-Signals, erfordert jedoch das Koppeln ei ner sich drehenden Erregerquelle mit dem sich drehenden Teil der Gondel des in Fig. 1 gezeigten Triebwerks 10 neben den Propellerblättern. Das wiederum erfordert das Koppeln von HF-Energie mit dem umlaufenden Propellerblatt. Die HF- Energiequelle kann zweckmäßig innerhalb der Gondel angeord net sein und eine geeignete Sendeleitung zum Leiten von En ergie zu einer induktiven Kopplungsvorrichtung (z.B. einer Transformatorprimärwicklung) an der Nabe des umlaufenden Propellerblattes aufweisen. Eine entsprechende Kopplungs vorrichtung (z.B. eine Transformatorsekundärwicklung), die an der Nabe des Propellerblattes befestigt ist, kann die induktiv gekoppelte Energie empfangen, um sie über einen geeigneten leitfähigen Weg 52 direkt auf die verschiedenen Schwingkreise 20 auf dem Propellerblatt zu verteilen. Sowohl bei der Methode, bei der abgestrahlte Signale gesen det werden, als auch bei der induktiven Kopplungsmethode stimmt die Arbeitsweise der Schwingkreise 20 mit der mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen im wesentlichen überein.

Fig. 6 zeigt einen kombinierten HF-Generator und -Empfänger eines Typs, der bei der Erfindung verwendet werden kann. Der HF-Generator oder -Sender regt die Schwingkreise auf jedem Propellerblatt an. Der Sender 30 enthält einen Pilot signalgenerator 32, der ein Pilotsignal fester Frequenz er zeugt. Dieses Signal wird benutzt, um das Vorhandensein ei nes Propellerblattes in einer Position zu erfassen, in der die an ihm befestigten Schwingkreise durch HF-Energie ange regt werden können, welche von einer Antenne 34 gesendet wird. Alternativ kann die Antenne durch einen Transformator gemäß der Darstellung in Fig. 5 ersetzt werden. Der Empfän ger 36 hat eine Empfangsantenne 38 zum Empfangen entweder von reflektierter Energie von den Propellerblättern oder von rückgesendeter Energie, welche durch die Schwingkreise auf den Propellerblättern erzeugt wird. Das empfangene Si gnal kann ebenso wie das gesendete Signal auch induktiv ge koppelt werden. Wenn der Empfänger 36 ein reflektiertes Si gnal erfaßt, welches der Frequenz des Pilotsignals ent spricht, gibt der Empfänger ein Triggersignal an einen Wob belfrequenz- oder frequenzveränderlichen Signalgenerator 40 in dem Sender 30 ab. Der Wobbelfrequenzgenerator 40 erzeugt dann ein Wobbelfrequenzsignal, das mit dem Pilotsignal in einem Summierer 33 addiert wird. Das Ausgangssignal des Summierers 33 wird durch einen HF-Verstärker 42 verstärkt und über die Antenne 34 gesendet. Das Wobbelfrequenzsignal aus dem Signalgenerator 40 wird außerdem über einen Fre quenzverdoppler 44 an den Empfänger 36 abgegeben.

Ein erwünschtes Merkmal des Vereisungsmeldesystems ist, daß es möglich ist, zwischen Signalen zu unterscheiden, die von einem Propellerblatt reflektiert werden, und Signalen, die durch die verschiedenen Schwingkreise erzeugt werden. Ein Verfahren zum Realisieren dieses Merkmals besteht darin, die Schwingkreise so aufzubauen, daß sie bei einem Vielfa chen der Erregerfrequenz aus dem Wobbelfrequenzgenerator 40 in Resonanz schwingen. Das Zweifache kann erzielt werden, indem die Schwingkreise so modifiziert werden, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Die grundlegende Forderung ist, daß eine Spannung mit der Grundfrequenz einem nichtlinearen Schaltungselement wie einer Halbleiterdiode aufgeprägt wird. Der sich ergebende Strom, der dann jedem Schwingkreis zugeführt wird, hat die Form einer stark verzerrten Sinus schwingung, die in eine Reihe von Strömen mit Harmonischen der Grundfrequenz aufgelöst werden kann. Wenn die Schal tungsanordnung so ist, daß sie für eine gewählte Harmoni sche des Stroms eine beträchtliche Impedanz hat, wird eine Spannung bei dieser Harmonischen mit ausreichender Ampli tude erzeugt, um das Entnehmen von Energie bei dieser Har monischen durch Strahlung oder Übertragungsleitungskopplung zu gestatten. Eine Schaltung 70 zum Erzeugen der vorgenann ten harmonischen Spannung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, ist vorzugsweise der hantel- oder hundeknochenförmige Schwingkreis 20, der in Fig. 2 gezeigt ist. Die Schaltung 70 wird vorzugsweise als ein Ausschnitt in einem leitfähi gen Blech hergestellt, z.B. in die Folie einer Leiterplatte geätzt oder in die metallische Oberfläche eines Propeller blattes eingeprägt. Ein verlängerter Schlitz 72 wird so eingeprägt oder geätzt, daß der gesamte Ausschnitt sowohl bei der Grundfrequenz als auch bei der zweiten Harmonischen des Treibersignals, das an die Schaltung angelegt wird, in Resonanz schwingt. Derartige Doppelresonatoren sind be kannt. Zum Erzeugen der Energie der zweiten Harmonischen ist eine Halbleiterdiode 74, vorzugsweise in Form eines Balkenleiterchips, über dem Schlitz 22 an einer Stelle an geschlossen, an der sich eine optimale Energieumwandlung ergibt.

Somit beinhaltet die Realisierung des Systems zur Erfassung der zweiten Harmonischen eine Matrix von Doppelschwingkrei sen, die über die Oberfläche des Propellerblattes verteilt sind, und zwar mit einer Verteilung der Resonanzfrequenzen, um die räumliche Lage von Eisbildung zu identifizieren, und mit zusätzlicher Unterscheidungsmöglichkeit von unerwünsch ten Reflexionen der Grundfrequenzsignale.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 gibt der Sender 30 HF-Energie an Schwingkreise der in Fig. 7 gezeigten Art auf den Propellerblättern ab, während gleichzeitig ein Signal mit dem Zweifachen der Wobbelfrequenz von dem Frequenzver doppler 44 an den Empfänger 36 abgegeben wird. Das von dem Sender gelieferte Signal ist die Summe des Pilotsignals aus dem Signalgenerator 32 und dem Wobbelfrequenzsignal aus dem Signalgenerator 40. Das Pilotsignal wird an den Empfänger 36 abgegeben, um das Erfassen des Signals zu ermöglichen, das an den Propellerblättern reflektiert wird, wenn diese mit der Sendeantenne 34 ausgerichtet sind. Das in der Fre quenz verdoppelte Wobbelfrequenzsignal wird an den Empfän ger 36 angelegt, um das Erfassen der in der Frequenz ver doppelten Signale zu ermöglichen, die durch die Schwing kreise an den Propellerblättern erzeugt werden.

Von den verschiedenen Arten von Empfängern, die zum Erfas sen und Identifizieren von Signalen bekannter Frequenz (innerhalb eines vorbestimmten Bereiches) und unbekannter Phase benutzt werden können, zeigt Fig. 6 eine Ausführungs form. Sowohl der Pilotsignalteil 36A des Empfängers 36 als auch der Wobbelfrequenzteil 36B desselben sind im wesentli chen identisch. Zu Erläuterungszwecken kann angenommen wer den, daß das grundlegende Referenzsignal, das an jeden Schwingkreis angelegt wird, durch den Ausdruck cos(ω_ct) de finiert ist, wobei ω_c die Signalfrequenz und t die Zeit re präsentiert. Das empfangene Signal (an einem Propellerblatt reflektiert oder durch einen Schwingkreis erzeugt) kann durch den Ausdruck Acos(ω_ct+R) definiert werden, wobei R eine unbekannte Phasenverschiebung ist. Ein weiteres Refe renzsignal, sin(ω_ct), wird durch Phasenverschiebung des grundlegenden Referenzsignals um -90° in einem Phasenschie ber 46 erzeugt.

Das empfangene Signal Acos(ω_ct+R) wird mit cos(ω_ct) in einem Multiplizierer 48 und mit sin(ω_ct) in einem Multipli zierer 50 multipliziert, um Signale mit Frequenzsummen- bzw. Frequenzdifferenzkomponenten zu erzeugen. Die resul tierenden Signale werden dann jeweils an entsprechende Tiefpaßfilter 52, 54 angelegt, welche dazu dienen, die Fre quenzsummenkomponenten abzustreifen, so daß nur 1/2(AcosR) und 1/2(AsinR) zurückbleiben. Jedes dieser Signale wird dann in Multiplizierern 56 bzw. 58 quadriert, um die Si gnale (1/2A)²cos²R und (1/2A)²sin²R zu erzeugen. Die Addi tion dieser letztgenannten Signale in einem Summierer 60 ergibt das Signal (1/2A)², das eine skalierte Version eines Signals ist, welches die Energie in dem empfangenen Signal repräsentiert.

Ein Prozessor 62 empfängt das Ausgangssignal des Summierers 60. Der Prozessor 62 kann ein Mikrocomputer sein, der Soft ware enthält, die das Vergleichen und Erkennen von vorge wählten Signalkennzeichen zum Freigeben des Wobbelfrequenz signalgenerators 40 oder zum Liefern von Ausgangssignalen, welche der Resonanzfrequenz und dem Gütefaktor Q eines emp fangenen Signals entsprechen, ermöglicht. Im ersten Fall kann der Prozessor 62 das empfangene Signal mit einer Refe renzamplitude vergleichen, um den Generator 40 freizugeben, wenn die Amplitude des empfangenen Signals bei der Refe renzfrequenz die Referenzamplitude erreicht. Im zweiten Fall kann der Prozessor 62′ auf das Signal (1/2A)² unter Verwendung von bekannten Beziehungen einwirken, um daraus den Gütefaktor zu ermitteln und eine Anzeige der Resonanz frequenz durch Korrelieren der Empfangszeit des Signals mit der bekannten Wobbelfrequenzrate und der Wobbelstartzeit zu liefern. Diese Information kann dem Prozessor 62′ durch den Prozessor 62 geliefert werden, was durch die gestrichelte Verbindung angegeben ist, oder, was praktischer ist, durch Realisierung der Prozessoren 62, 62′ in einem einzelnen Mi krocomputer.

Bei der Erfindung wird eine als ein Dünnfilmresonator aus gebildete Resonanzvorrichtung benützt, die in einen Polyur ethanüberzug auf der Oberfläche eines Propellerblattes ein gebettet ist. Der Polyurethanüberzug bildet zusammen mit dem Dielektrikum an der Oberfläche, zum Beispiel Luft, Was ser oder Eis, das Dielektrikum der verteilten Kapazität des abgestimmten Schwingkreises 20 nach Fig. 2 oder 70 nach Fig. 7. Das Vorhandensein von Wasser, und in geringerem Ausmaß von Eis, an der Resonanzvorrichtungsoberfläche ver größert die Kapazität und verändert den Gütefaktor. Jeder abgestimmte Schwingkreis 20 oder 70 ist so bemessen, daß der Bereich der Resonanzfrequenz, die aus erwarteten Eis- und Wasserschichten resultiert, die Bereiche von anderen abgestimmten Schwingkreisen 20 oder 70 nicht überlappen wird. Durch diese Auslegung wird jede Zweideutigkeit bei dem Lokalisieren eines bestimmten Vereisungsgebietes ver mieden.

Da die dielektrischen Eigenschaften von Eis und Wasser sich stark unterscheiden, zum Beispiel hat Eis eine Dielektrizi tätskonstante von 3,2 und einen Verlustfaktor von 0,003, wogegen Wasser eine Dielektrizitätskonstante von 81 und einen Verlustfaktor von 25,0 hat, ist es möglich, zwischen Eis und Wasser an einer bestimmten Stelle durch die Reso nanzverschiebung gekoppelt mit einem Q-Wert, der durch Si gnalreflexion gemessen wird, zu unterscheiden. Selbst wenn eine dünne Schicht flüssigen Wassers vorhanden wäre, die dieselbe Resonanzverschiebung wie eine dickere Eisschicht erzeugt, würde somit der viel niedrigere Gütefaktor Q auf grund des höheren Verlustes von flüssigem Wasser somit er möglichen festzustellen, welcher Zustand existiert.

Claims

1. Vereisungsmeldesystem zum Detektieren des Zustands und der Dicke von Wasser, das einer Oberfläche überlagert ist, ge kennzeichnet durch:
mehrere Schwingkreise (20), die an vorbestimmten Stellen in gegenseitigem Abstand über eine elektrisch leitfähige Ober fläche verteilt sind und jeweils aus einem Ausschnitt in der Oberfläche bestehen und eine vorgewählte Resonanzfre quenz haben, die sich aufgrund der Dicke von über ihnen liegendem Eis oder flüssigen Wasser verändert;
eine in der Frequenz veränderliche Einrichtung (40) zum Er zeugen eines Sendesignals, das um die Resonanzfrequenz je des Schwingkreises (20) verändert werden kann, um jeden Schwingkreis zu veranlassen, aufgrund des Sendesignals ein Resonanzfrequenzsignal zu erzeugen;
eine Empfängereinrichtung (36), die auf die Resonanzfre quenz jedes Schwingkreises (20) abstimmbar ist und eine Einrichtung aufweist zum Identifizieren der Resonanzfre quenz jedes Schwingkreises (20) und zum Bestimmen des Güte faktors jedes Schwingkreises (20) aus den Resonanzfrequenz signalen, die durch die Schwingkreise erzeugt werden; und
eine Verarbeitungseinrichtung (62, 62′), die aufgrund der identifizierten Resonanzfrequenz und des ermittelten Güte faktors für jeden Schwingkreis den Zustand und die Dicke des über jedem Schwingkreis liegenden Wassers bestimmt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß je der Schwingkreis (20) auf eine andere vorgewählte Resonanz frequenz abgestimmt ist, wobei jede Resonanzfrequenz so ge wählt ist, daß sie eine Fernidentifizierung der Lage jedes Schwingkreises (20) aus der durch diesen erzeugten Reso nanzfrequenz gestattet.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonanzkreis (20) mit der frequenzveränderlichen Sendesignalerzeugungseinrichtung (50) induktiv gekoppelt ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Oberfläche ein elektrisch leitfähiges Material aufweist und daß jeder Schwingkreis (20) aus einem Ausschnitt in dem elektrisch leitfähigen Material besteht.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je der Schwingkreis (20) eine hantelförmige Konfiguration auf weist, die zwei Abstand voneinander aufweisende kreisför mige Enden (28) hat, welche durch ein Gebiet (26) miteinan der verbunden sind, das insgesamt parallele Begrenzungen hat.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß je der Schwingkreis (70) einen Fortsatz (72) aufweist, der sich rechtwinkelig zu dem Gebiet erstreckt, welches insge samt parallele Begrenzungen hat, und eine Halbleiterdiode (74), die parallel an den Fortsatz angeschlossen ist.

7. Verfahren zum Melden von Vereisung auf einer Oberfläche von elektrisch leitfähigem Material, in die Schwingkreise durch Entfernen von Teilen des Materials eingebettet sind, wobei jeder dieser Teile ein vorbestimmtes Profil hat und jeder Schwingkreis auf eine separate vorgewählte Resonanz frequenz abgestimmt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Senden eines HF-Signals, das sich über einem vorbestimmten Bereich, welcher die Resonanzfrequenz jedes Schwingkreises enthält, verändert, so daß jeder Schwingkreis mit seiner eigenen Resonanzfrequenz angeregt wird;
Erfassen von Signalen, die durch wenigstens einige der Schwingkreise erzeugt werden, welche durch das gesendete HF-Signal angeregt werden;
Bestimmen jeder Abweichung der Frequenz jedes erfaßten Si gnals von der vorgewählten Resonanzfrequenz für den Schwingkreis, der das erfaßte Signal erzeugt;
Berechnen des Gütefaktors jedes Schwingkreises aus den er faßten Signalen, die durch die Schwingkreise erzeugt wer den; und
Bestimmen des Zustands und der Dicke einer Schicht Wasser, die den Schwingkreisen überlagert ist, aus der Frequenz der erfaßten Signale und den Gütefaktoren derselben.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Schritt Erzeugen einer Tabelle von Werten der Frequenz und des Gütefaktors für den flüssigen und den festen Zustand von Wasser als Funktion der Dicke der Wasserschicht, wobei der Schritt des Bestimmens des Zustands und der Dicke der Wasserschicht den Schritt beinhaltet, die Frequenz der er faßten Signale und den berechneten Gütefaktor mit der Wer tetabelle zu vergleichen.

9. Vereisungsmeldesystem für ein Flugzeugpropellerblatt, gekennzeichnet durch:
mehrere Dünnfilmschwingkreise (20, 70), die mit einer unter der Oberfläche eines Propellerblattes (16) gelegenen Zwi schenschicht verbunden und von einem nichtleitfähigen Ober flächenschutzüberzug überlagert und jeweils auf eine vorge wählte Frequenz abgestimmt sind;
eine HF-Erzeugungseinrichtung (30) zum Erzeugen eines Pi lotsignals (32) fester Frequenz und eines gewobbelten Fre quenzsignals, wobei das gewobbelte Frequenzsignal einen Be reich durchläuft, der die vorgewählte Frequenz enthält;
eine Empfängereinrichtung (36) zum Erfassen von HF-Signalen in einem Bereich, der die vorgewählte Frequenz enthält, wobei die Empfängereinrichtung auf den Empfang des Pilotsi gnals anspricht, das an dem Propellerblatt (16) reflektiert wird, und der HF-Erzeugungseinrichtung (30) signalisiert, das gewobbelte Frequenzsignal einzuleiten, und wobei die Empfängereinrichtung (36) weiter auf den Empfang von Reso nanzfrequenzsignalen anspricht, die durch die Schwingkreise (20, 70) aufgrund des gewobbelten Frequenzsignals erzeugt werden, um die Resonanzfrequenz und den Gütefaktor der Schwingkreise (20) zu bestimmen; und
eine Verarbeitungseinrichtung (62, 62′) zum Bestimmen der Dicke von Eis auf dem Propellerblatt (16) aus der ermittel ten Resonanzfrequenz und dem ermittelten Gütefaktor.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß je der Schwingkreis (20, 70) auf eine vorgewählte Frequenz ab gestimmt ist, die von der vorgewählten Frequenz verschieden ist, auf die jeder andere Schwingkreis (20, 70) abgestimmt ist, und daß die Verarbeitungseinrichtung (62, 62′) eine Einrichtung aufweist zum Korrelieren jedes aus den Schwing kreisen empfangenen Resonanzfrequenzsignals mit einem vor bestimmten Schwingkreis (20, 70), um die Eisdicke auf dem Propellerblatt (16) mit der Lage jedes Schwingkreises (20, 70) zu korrelieren.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schwingkreis (20, 70) ein mit ihm elektrisch ver bundenes nichtlineares Element aufweist, welches bewirkt, daß die Schwingkreise Energie mit einer Harmonischen der Grundresonanzfrequenzen aussenden.

12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Schwingkreis (20, 70) einen hantel förmigen leitfähigen Weg umfaßt, der aus einem elektrisch leitfähigen Folienmaterial so gebildet ist, daß er zwei ge genseitigen Abstand aufweisende kreisförmige Enden (28) hat, die durch zwei insgesamt parallele Leiter (26) mitein ander verbunden sind.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Leiter (26) in den Schwingkreisen (70) ein Paar insgesamt rechtwinkeliger Fortsätze (72) und eine zwischen diese geschaltete Halbleiterdiode (74) aufweist.