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Diese Erfindung bezieht sich auf Eisdetektoren zur Erfassung
von Vereisung als einer Funktion des Schmelzens von Eis auf
einer Detektoroberfläche.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Es sind Eisdetektoren für Luftfahrzeuge bekannt, die eine
Erfassungsoberfläche erwärmen und die thermische Schmelzwärme
entweder während des Schmelzens oder des erneuten Gefrierens
des abgelagerten Eises messen. Bei derartigen Eisdetektoren
ist es schwierig, den Wärmeverlust aufgrund der thermischen
Schmelzwärme genau zu messen, da verschiedene Verluste aus
anderen Quellen vorhanden sind, die zur Schmelzwärme hinzukommen
oder von dieser abgezogen werden und Meßfehler verursachen. Zu
diesen anderen Verlusten gehören Übertragungswärmeverlust
aufgrund unterschiedlicher Luftgeschwindigkeit, Lufttemperatur
und Luftdichte sowie Wärmeverlust an Anordnungen, die den
Eisdetektor abstützen. Es besteht somit ein Bedarf, zur Anzeige
von Vereisung eine genauere Messung der Schmelzwärme zu
liefern.
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Die WO-A-88-09980 offenbart eine Eisdetektorschaltung zur
Erfassung einer Eisablagerung auf einer Erfassungsoberfläche
eines Eisdetektorfühlers und weist zur Erwärmung der
Erfassungsoberfläche eine Heizvorrichtung sowie zur Erfassung der
Temperatur der Erfassungsoberfläche während der Erwärmung einen
Temperatursensor auf. Es ist eine Steuervorrichtung
vorgesehen, die wahlweise die Heizvorrichtung mit Energie versorgt.
Ein Zeitgeber erzeugt ein Zeit-Ausgangssignal, das einen
zwischen ausgewählten Temperatursensor-Ausgangsniveaus
verstrichenen Zeitabschnitt wiedergibt. Es ist eine
Berechnungsvorrichtung
zur Berechnung eines Ausgangssignal vorgesehen, das
die Eisablagerung als eine Funktion eines vorher festgelegten
Verhältnisses zwischen Eisablagerung und Zeit-Ausgangssignal
wiedergibt. Das vorher festgelegte Verhältnis kann in einer
Verweistabelle im Computer gespeichert oder durch einen
Algorithmus geliefert werden, der ein zwischen dem
Zeit-Ausgangssignal und der Ablagerung von Luftfeuchtigkeit auf dem Fühler
der Erfassungsoberfläche festgelegtes Verhältnis wiedergibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1
festgelegt ist, paßt eine Eisdetektorschaltung den Betrieb eines
Eisdetektorfühlers oder -sensors an, um unterschiedliche
Wärmeverluste in Zusammenhang mit Wärmeverlust bei erzwungener
Konvektion an die Luftströmung über dem Sensor und
Wärmeleitungsverlust an Anordnungen, die den Sensor umgeben, zu
berichtigen.
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Die Eisdetektorschaltung steuert die Erwärmung eines Fühlers
oder Detektors zur Erfassung von Eis, das eine
Schmelztemperatur aufweist. Die Eisdetektorschaltung erzeugt ein
Vereisungs-Ausgangssignal, das eine Vereisung als eine Funktion
eines durch den Fühler erzeugten Temperatur-Ausgangssignals
anzeigt. Eine Steuervorrichtung in der Eisdetektorschaltung
leitet zum Detektor, um eine Startzeit der Erwärmung zyklisch zu
steuern. Die Eisdetektorschaltung weist weiterhin eine
Meßvorrichtung auf, die mit dem Temperatur-Ausgangssignal gekoppelt
ist, um eine Aufwärmzeit auf eine erste Temperaturschwelle
unterhalb der Schmelztemperatur zu messen und um eine Schmelz
zeit auf eine zweite Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
zu messen. Eine Vergleichsvorrichtung in der
Eisdetektorschaltung vergleicht die Schmelzzeit mit einem gespeicherten
Vergleichsparameter und erzeugt das Vereisungs-Ausgangssignal.
Eine Anpaßvorrichtung paßt die Startzeit als eine Funktion der
Aufwärmzeit an, so daß die Start zeit für Wärmeverlust vom
Detektor aufgrund von Nicht-Vereisung angepaßt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform paßt die
Anpaßvorrichtung weiterhin die Zyklusdauer als eine Funktion der Schmelz
zeit an und paßt den gespeicherten Vergleichsparameter als
eine Funktion der Aufwärmzeit an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Fig. 1 zeigt teils ein Block-, teils ein schematisches
Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer
Eisdetektorschaltung 60, die mit dem Eisdetektorfühler 62 verbunden ist,
der einen sich selbst erwärmenden Widerstands-Temperatursensor
Rv aufweist, der dazu angeordnet ist, eine der Vereisung
unterliegende Luftströmung, Pfeil F, aufzunehmen. Der
Temperatursensor Rv kann ein sich selbst erwärmendes
Dünnfilm-Widerstandsthermometer aus Platin aufweisen. Der Eisdetektor 62 ist
an einer Strebe 64 auf einem Luftfahrzeug gelagert, und
zwischen dem Fühler 62 und der Strebe besteht ein unerwünschter
Wärmeverlust L.
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Die Eisdetektorschaltung 60 weist Widerstände R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4;,
R&sub5;, und R&sub6; auf, die zur Bildung einer
Widerstands-Brückenschaltung 66 mit dem Widerstand Rv verbunden sind, wie es in
Fig. 1 gezeigt ist. Eine Erregungsquelle 68 ist über einen
Festkörperschalter 70 mit den Erregungsanschlüssen 72, 74 der
Brücke 66 gekoppelt. Wenn der Schalter 70 durch Anlegen eines
Steuerungs-Ausgangssignals an Leitung 76 geschlossen wird,
versorgt die Erregungsquelle 68 die Brücke 66 mit Energie.
Wenn die Brücke 66 mit Energie versorgt wird, erwärmt der
Widerstand Rv den Fühler 62 zur Erfassung von Vereisung. Der
Widerstand Rv im Fühler 62, der Teil der Brücke 66 ist,
erzeugt auf Leitung 78 ein Temperatur-Ausgangssignal, das die
Temperatur T des Fühlers 62 wiedergibt. Die Widerstände R&sub1;,
R&sub2;, R&sub3;, R&sub4;, R&sub5; sind zur Bildung eines ohmschen
Potentialteilers zwischen den Erregungsanschlüssen 72, 74 in Reihe
geschaltet.
Der ohmsche Potentialteiler weist mehrere
Abgreifpunkte 80, 82, 84, 86 auf, die Potentiale erzeugen, die im
Vergleich zum Temperatur-Ausgangssignal auf Leitung 78
sukzessive höhere Temperaturschwellen wiedergeben.
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Eine Vergleichsvorrichtung 90 vergleicht das
Temperatur-Ausgangssignal auf Leitung 78 mit dem Potential am Abgreifpunkt
80 und erzeugt auf Leitung 92 ein Ausgangssignal, das anzeigt,
daß die Temperatur T eine erste Schwellentemperatur unterhalb
des Schmelzpunktes von Eis erreicht hat. Eine
Vergleichsvorrichtung 94 vergleicht das Temperatur-Ausgangssignal auf
Leitung 78 mit dem Potential am Abgreifpunkt 82 und erzeugt auf
Leitung 96 ein Ausgangssignal, das anzeigt, daß die Temperatur
T eine zweite Schwelle erreicht hat, die oberhalb des
Schmelzpunktes von Eis liegt. Eine Vergleichsvorrichtung 98
vergleicht das Temperatur-Ausgangssignal auf Leitung 78 mit dem
Potential am Abgreifpunkt 84 und erzeugt auf Leitung 100 ein
Ausgangssignal, das anzeigt, daß die Temperatur T einen Punkt
erreicht hat, bei dem im wesentlichen das gesamte Eis vom
Fühler 62 entfernt ist. Eine Vergleichsvorrichtung 102 vergleicht
das Temperatur-Ausgangssignal auf Leitung 78 mit dem Potential
am Abgreifpunkt 86 und erzeugt auf Leitung 104 ein
Ausgangssignal, das anzeigt, daß sich die Temperatur T außerhalb eines
normalen Temperaturbereichs befindet und daß deshalb eine
Funktionsstörung vorliegt.
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Die Ausgangssignale der Vergleichsvorrichtungen auf den
Leitungen 92, 96, 100, 104, die anzeigen, daß die Temperatur T
sukzessive höhere Temperaturschwellen erreicht hat, werden zu
einer Meßschaltung 106 geleitet. Das Steuerungs-Ausgangssignal
auf Leitung 76 wird ebenfalls zur Meßschaltung 106 geleitet,
wodurch der Beginn der Erwärmung angezeigt wird. Die
Meßschaltung 106 mißt die Aufwärmzeit zwischen dem Beginn der
Erwärmung und der Zeit, bei der die Temperatur die erste Schwelle
erreicht, und erzeugt auf Leitung 108 ein Ausgangssignal
T1ZEIT, das die Aufwärmzeit anzeigt. Die Meßschaltung mißt
weiterhin die Schmelzzeit zwischen der ersten und der zweiten
Schwelle und erzeugt auf Leitung 110 ein Ausgangssignal MZEIT,
das die Schmelzzeit anzeigt.
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Die Meßschaltung 106 mißt ebenfalls die Zeit, bei der die
Temperatur T die dritte Schwelle erreicht und erzeugt auf Leitung
112 ein Ende-der-Erwärmung-Ausgangssignal, das anzeigt, wann
die dritte Schwelle erreicht worden ist. Eine Steuereinheit
114 steuert das Steuerungs-Ausgangssignal auf Leitung 76 als
eine Funktion des Ende-der-Erwärmung-Ausgangssignals auf
Leitung 112 und eines gespeicherten anpaßbaren Parameters
ZYKLUSDAUER, der in einem Speicherelement oder Speicher bei
116 gezeigt ist. Während des Betriebs startet die
Steuereinheit 114 einen Erwärmungs-Zeitabschnitt, indem sie das
Steuerungs-Ausgangssignals auf Leitung 76 erzeugt, damit der
Schalter 70 die Erregungsquelle 68 mit der Brücke 66 verbinden
kann. Die Verbindung der Brückenschaltung mit der
Erregungsquelle 68 bewirkt, daß der Widerstand Rv die Erwärmung des
Fühlers 62 beginnt. Wenn das Temperatur-Ausgangssignal T die
durch den Spannungsteiler gesetzten Schwellen übersteigt,
verändern die Ausgangssignale 92, 96, 100 der
Vergleichsvorrichtungen sukzessive ihren Zustand, wodurch angezeigt wird, daß
die Temperatur T sukzessive höhere Schwellentemperaturen
erreicht hat. Wenn die Temperatur T die dritte Schwelle
erreicht, öffnet die Steuereinheit 114 den Schalter 70 und der
Sensor kann bis zum Ende des Zyklus' abkühlen. Die Länge des
Zyklus' wird durch die ZYKLUSDAUER gesteuert.
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Die Parameter-Anpassungsschaltung 118 empfängt die
Ausgangssignale T1ZEIT und MZEIT auf den Leitungen 108 und 110 und
paßt die Parameter ZYKLUSDAUER, STREBEN-HEIZVORRICHTUNG, die
bei 120 gespeichert gezeigt ist, und VEREISUNGSZEIT, die bei
122 gespeichert gezeigt ist, an, wie es unten in Zusammenhang
mit Fig. 2 detailliert beschrieben ist.
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Die Vergleichsschaltung 124 vergleicht die gespeicherten
Vergleichsparameter
VEREISUNGSZEIT mit der erfaßten
Schmelzzeitvariablen MZEIT und erzeugt auf Leitung 126 ein die Vereisung
anzeigendes Vereisungs-Ausgangssignal. Das
Vereisungs-Ausgangssignal auf Leitung 126 kann zu einer Ablesevorrichtung
128 oder einer Steuerungsvorrichtung 130 geleitet werden, die
die Enteisung von Luftfahrzeugoberflächen steuert.
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Der bei 120 gespeicherte Parameter STREBEN-HEIZVORRICHTUNG
steuert die Betätigung eines Festkörperschalters 132, der die
Energieversorgung einer Heizvorrichtung 134 in der Strebe oder
Lagerungsanordnung 64 für den Fühler 62 steuert.
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Fig. 2 zeigt ein durch die Parameter-Anpassungsschaltung 118
ausgeführtes Flußdiagramm oder einen Algorithmus. Die
Parameter-Anpassungsschaltung 118 kann eine digitale Logik oder ein
Microprozessorsystem aufweisen, und das Microprozessorsystem
kann auch für andere in der Eisdetektorschaltung 60
ausgeführte Funktionen verwendet werden. Der in Fig. 2 gezeigte
Algorithmus ist ein adaptiver Steuerungsalgorithmus, der bei der
Steuerung des Eisdetektors und des Vereisungs-Ausgangssignals
verwendete Parameter an Umgebungsbedingungen des Wärmeverlusts
und der Vereisung anpaßt. Der Algorithmus wird für jeden
Erwärmungszyklus des Fühlers 62 einmal ausgeführt. Die
Parameter-Anpassungsschaltung 118 beginnt die Ausführung des
Algorithmus' bei Leitung 12 in Fig. 2, und schreibt gemessene
Zeiten A und B mit gegenwärtigen Werten von T1ZEIT bzw. MZEIT
fort, wie es in Block 14 gezeigt ist. T1ZEIT ist der
Zeitabschnitt zwischen dem Starten der Energieversorgung der Heiz-
Vorrichtung und der Erfassung der ersten Temperaturschwelle.
MZEIT ist der Zeitabschnitt der Eisschmelze zwischen der
Erfassung der ersten und der zweiten Erfassungsschwelle.
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Die Zeit A, die Zeit zur Erwärmung des Sensors auf die erste
Temperaturschwelle, steht in Wechselbeziehung mit dem
zwingenden Übertragunswärmeverlust an die Luftströmung F und dem
Wärmeleitungsverlust L an die Anordnungen (Wärmesenken) 64, die
den Sensor umgeben. Wenn die Umgebungstemperatur niedriger
ist, dauert es länger, den Sensor 62 auf die erste
Temperaturschwelle zu erwärmen, da sich die umgebenden Wärmesenken auf
einer niedrigeren Temperatur befinden. Deshalb ist die Zeit A
ist größer, wenn die Umgebungstemperaturen niedrig sind. Wenn
über den Sensor 62 eine größere Massenströmung F stattfindet,
ist der Wärmeverlust bei erzwungener Konvektion größer und die
Zeit A nimmt daher zu.
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Die Leitungswärmeverluste und die Wärmeverluste aufgrund er-
V zwungener Konvektion sind während des Zeitabschnitts des
Schmelzens vorhanden und bewirken einen Fehler in der Messung
von Schmelzwärme von Eis auf dem Fühler. Die Zeit A gibt
diesen Hintergrund-Wärmeverlust wieder, der unabhängig von
Wärmeverlust aufgrund von schmelzendem Eis ist.
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In den Entscheidungsblöcken 16, 18, 20 vergleicht die
Parameter-Anpassungsschaltung die Zeit A mit gespeicherten
Zeitkonstanten A1, A2, A3, um verschiedene Betriebsmodi M1, M2, M3
und M4 basierend af der Geschwindigkeit des
Hintergrund-Wärmeverlusts auszuwählen. Der Betrieb des Eisdetektors wird somit
hinsichtlich des Hintergrund-Wärmeverlusts berichtigt.
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Im Entscheidungsblock 16 vergleicht die
Parameter-Anpassungsschaltung die Zeit A mit der Zeitkonstante A1, die bei einer
bevorzugten Ausführungsform A1 = 200 Mikrosekunden beträgt.
Wenn die Zeit A weniger als Al beträgt, zeigt dies an, daß die
Umgebungstemperatur so warm ist, daß die Vereisung nur sehr
langsam, wenn überhaupt, auftritt, und die
Parameter-Anpassungsschaltung wählt den Modus Ml im Block 22 aus. Beim Modus
M1 stellt die Parameter-Anpassungsschaltung die ZYKLUSZEIT
lang ein, damit das Eis lange Zeit auf dem Sensor anwachsen
kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt die
Parameter-Anpassungsschaltung 118 die ZYKLUS ZEIT beim Modus M1 auf 8
Sekunden ein. Beim Modus M1 paßt die
Parameter-Anpassungsschaltung 118 den gespeicherten Vergleichsparameter
VEREISUNGSZEIT
so an, daß er lang ist, um die Wahrscheinlichkeit
einer falschen Anzeige von Vereisung aufgrund von Rauschen zu
verringern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist beim
Modus M1 VEREISUNGSZEIT = 4 Sekunden. Beim Modus M1 stellt die
Parameter-Anpassungsschaltung den Parameter STREBEN-HEIZVOR-
RICHTUNG auf ein niedriges Niveau ein, das die
Streben-Heizvorrichtung abschaltet. Nachdem die
Parameter-Anpassungsschaltung die Parameter ZYKLUSZEIT, VEREISUNGSZEIT und STREBEN-
HEIZVORRICHTUNG im Block 22 angepaßt hat, verläßt die
Parameter-Anpassungsschaltung den Algorithmus über die Linien 24,
26.
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Nach Vervollständigung des Algorithmus' stehen die durch die
Parameter-Anpassungsschaltung ausgewählten Worte ZYKLUSZEIT,
VEREISUNGSZEIT und STREBEN-HEIZVORRICHTUNG zur Verwendung
während des nächsten Erwärmungszyklus' des Fühlers zur
Verfügung.
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Wenn die Zeit A größer als die Konstante A1 ist, vergleicht
die Parameter-Anpassungsschaltung 118 als nächstes im
Entscheidungsblock 18 die Zeit A mit einer zweiten Konstante A2
(größer als Konstante A1). Bei einer bevorzugten
Ausführungsa form ist A2 = 5 Millisekunden. Wenn die Zeit A weniger als die
Konstante A2 beträgt, zeigt dies an, daß sich die
Umgebungstemperatur und die Luftströmung in einem Bereich befinden, in
dem eine Vereisung möglich ist, und die
Parameter-Anpassungsschaltung wählt im Block 28 den Modus M2 aus. Beim Modus M2
wird die Konstante VEREISUNGSZEIT auf einen kürzen
Zeitabschnitt eingestellt als beim Modus M1, und bei einer
bevorzugten Ausführungsform beträgt beim Modus M2 die VEREISUNGSZEIT =
42 Millisekunden.
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Nach der Auswahl des Modus M2 führt die
Parameter-Anpassungsschaltung den Entscheidungsblock 30 aus, der die gegenwärtige
Eisschmelzzeit B mit einer Konstante B1 vergleicht, die bei
einer bevorzugten Ausführungsform B1 = 42 Millisekunden
beträgt.
Wenn die Zeit B weniger als die Konstante B1 beträgt,
dann tritt keine besondere Vereisung auf, und am Block 32 wird
der Modus M2A ausgewählt. Beim Modus M2A wird die ZYKLUSZEIT
auf 8 Sekunden eingestellt und die STREBEN-HEIZVORRICHTUNG
wird niedrig eingestellt und die Streben-Heizvorrichtung wird
nicht mit Energie versorgt. Nach Vervollständigung des Blocks
32 verläßt die Parameter-Anpassungsschaltung den Algorithmus
über die Linien 34, 36, 26.
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Wenn die Vereisungszeit B nicht weniger als die Schwelle B1
beträgt, fährt die Parameter-Anpassungsschaltung fort, den
Entscheidungsblock 38 auszuführen. Beim Entscheidungsblock 38
wird die Vereisungszeit B mit einer Konstante B2 verglichen,
und bei einer bevorzugten Ausführungsform ist B2 = 220
Millisekunden. Wenn die Vereisungszeit B geringer als die Konstante
B2 ist, dann tritt mäßige Vereisung auf, und der Modus M2B
wird ausgewählt. Beim Modus M2B wird im Block 40 die STREBEN-
HEIZVORRICHTUNG niedrig eingestellt, und die ZYKLUSZEIT wird
auf einen kürzeren Zeitabschnitt eingestellt als beim Modus
M2A. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die ZYKLUSZEIT
beim Modus M2B auf 4 Sekunden eingestellt. Nach Ausführung der
Befehle in Block 40 verläßt die Parameter-Anpassungsschaltung
den Algorithmus über die Wege 42, 36 und 26.
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Wenn die Vereisungszeit B nicht weniger als die Schwelle B2
beträgt, dann besteht starke Vereisung, und die Parameter-
Anpassungsschaltung bewegt sich vom Entscheidungsblock 38 zum
Block 44. Beim Block 44 stellt die
Parameter-Anpassungsschaltung die STREBEN-HEIZVORRICHTUNG auf ein hohes Niveau ein und
die Streben-Heizvorrichtung wird eingeschaltet. Beim Modus M2C
stellt die Parameter-Anpassungsschaltung ebenfalls die ZYKLUS-
ZEIT auf einen kurzen Zeitabschnitt ein, bei einer bevorzugten
Ausführungsform ist die ZYKLUSZEIT = 2 bis 3 Sekunden, um zu
verhindern, daß auf dem Sensor Eis zu dick anwächst. Nach
Beendigung des Blocks 44 verläßt die
Parameter-Anpassungschaltung den Algorithmus über die Wege 46, 36, 26.
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Blickt man nun zurück auf den oben diskutierten
Entscheidungsblock 18, so bewegt sich die Parameter-Anpassungschaltung zum
Entscheidungsblock 20, wenn die Zeit A nicht weniger als die
Konstante A2 beträgt. Beim Entscheidungsblock 20 vergleicht
die Parameter-Anpassungschaltung die Zeit A mit einer
Konstante A3. Die Konstante A3 beträgt vorzugsweise 50 Millisekunden.
Wenn die Zeit A weniger als 50 Millisekunden beträgt, dann
besteht mäßiger Wärmeverlust vom Sensor und die
Parameter-Anpassungschaltung wählt den Modus M3 bei 50 aus. Beim Modus M3
wird die VEREISUNGSZEIT auf eine längere Zeit als beim Modus
M2 eingestellt und der Parameter STREBEN-HEIZVORRICHTUNG wird
hoch eingestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt beim Modus M3 die VEREISUNGSZEIT = 45 Millisekunden.
Wenn die Zeit A länger als 50 Millisekunden ist, dann wählt
die Parameter-Anpassungsschaltung den Modus M4 bei 48 aus,
wodurch ein schneller Hintergrund-Wärmeverlust vom Sensor
angezeigt wird, wie man ihn bei niedrigen Umgebungstemperaturen
antrifft. Beim Modus M4 wird die VEREISUNGSZEIT höher als beim
Modus M3 eingestellt, und bei einer bevorzugten
Ausführungsform beträgt die VEREISUNGSZEIT = 55 Millisekunden beim Modus
M4 und die STREBEN-HEIZVORRICHTUNG wird hoch eingestellt. Nach
Beendigung des Blocks 48 oder 50 verläßt die
Parameter-Anpassungsschaltung 118 den Algorithmus über die Wege 36, 26.
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Die Streben-Heizvorrichtung wird mit Energie versorgt, wenn
Eis erfaßt wird und sich die Umgebungstemperatur unterhalb des
Sollwerts befindet. Dies verringert den Stromverbrauch durch
die Streben-Heizvorrichtung, verlängert die Lebensdauer der
Heizvorrichtung und der elektrischen Teile in der Strebe und
erhöht die Empfindlichkeit des Sensors für Vereisung bei
nahezu Gefriertemperaturen durch Verringerung der Wärmeleitung von
der Strebe zur Sensoroberfläche. Das schnelle Ansprechen der
Streben-Heizvorrichtung auf Vereisungsvorgänge verhindert, daß
Eis auf der Strebe anwächst.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsformen
beschrieben wurde, erkennen Fachleute, daß Form
und Details verändert werden können, ohne vom Umfang der
Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist,
abzuweichen.