SE436449B - Isbildningsmetare av mikrovagstyp - Google Patents

Description

szønvss-2 10 15 20 25 3od 35 40 1 Därefter har jag funnit att en anordning kan konstrueras för att detektera isbildning¿ mäta istjocklek och detektera is- I tillväxthastigheten, vilken anordning är skild från de som beskrivs i antingen det förstnämnda patentet eller den nämnda rapporten.

I all synnerhet är i en första utföringsform av uppfinningen det område, som skall övervakas beträffande isbildninq för- sett med en ytvåqledarresonator (eller ledningsstump '(trough line). Vågledaren är mODterad på jämn- höjd under den yta, som skall övervakas. Eftersom den är mon- terad så att den icke inkräktar.på luftflödet stör den icke heller detta och kan sålunda placeras nära vilken bäryta på ett flygfordon som helst. Mikrovågsenergi kopplas till våg- ledaren. Mikrovågsenergin kopplas via en matningspunkt.

.En reglerad oscillator ger mikrovågsenergi med en styrbar frekvens. En detekter är kopplad till ytvâglederen vid en punkt,S@Här förskjuten i förhållande till matningspunkten och detektorn är känslig för mot detektorn infallande elektrisk energi. En mätanordning är kopplad till den reglerade_oscilla- torn för att indikera den reglerade oscillatorns frekvens- avvikelse från en vilofrekvens, och slutligen finns styr- anordningar för att styra svägningsfrekvensen hos den reglera- de oscillatorn. Hos en första utföringsform av uppfinningen med öppen slinga kan en operatör manövrera en styranordning för att variera frekvensen hos reglerade svängningar och övervaka utsignalen från detektorn, vilken exempelvis inne- fattar ett mätinstrument. Som vilofrekvens väljs vågledarens resonansfrekvens vid frånvaro av is. När is ackumulerar ändras vågledarens resonansfrekvens. Den aktuella resonansfrekvensen hos kombinationen av vågledare och is bestäms genom justering av den reglerbara oscillatorns frekvens till dess att mät- instrumentet ger fullt utslag. Avvikelser hos den reglerade oscillatorns frekvens från vilofrekvensen indikerar förekomst av is, och storleken på denna avvikelse indikerar isens tjock- lek. Genom kalibrering av mätanordningen kan istjocklek bestäm- mas direkt av mätanordningen.

Om så önskas kan mätanordningen utökas genom tillägg av en hastighetsbestämmande anordning för att indikera ändrings- 10 15 20 25 30 .n 35 40 8130-4766 -2 r 3 g hastigheten hos den frekvens, vid vilken detekteringsanordning- en indikerar en topp. Utsignalen från den hastighetsindikerande kretsen kommer därför att indikera istillväxthastigheten.

Följaktligen ger en utföringsform av uppfinningen med öppen slinga: ett isdetekterings- och istjockleksmätsystem innefattande: en reglerad oscillator, som svänger med en reglerbar mikro- vågsfrekvens, en ytvågledarresonator kopplad till den reglerade oscillatorn vid en matningspunkt, en anordning för att montera vågledaren i ett läge utsatt för isbildninq, en detektoranordning kopplad till ytvågledaren vid en punkt, som är förskjuten från matningspunkten, vilken detektor är käns- li9 för mot detektorn infallande elektrisk mikrovàgsenergi, och vilken detektor ger en utsignal, som ger en indikering av den mot detektorn infallande elektriska mikrovågsenergin, en mätanordning kopplad till den reglerade oscillatorn för I att indikera frekvensavvikelser från en i förväg bestämd frekvens hos den reglerade oscillatorn, och _ en styranordning för att styra svängningsfrekvensen hos den reglerade oscillatorn, _ varigenom istjockleken är bestämd genom observation av den av mätanordningen indíkerade frekvensavvikelsen, när styr- anordningen styr svängningsfrekvensen att alstra en maximal detekterad energi vid detektoranordninqen.

I en andra utföringsform av uppfinningen med sluten slinga är en återkopplingsanordning anordnad att koppla detektor- anordningen till styranordningen. Återkopplingsanordningen är anordnad att exempelvis observera ett fall i av detektor- anordningen detekterad energi orsakad som resultat av is- tillväxt. Denna ändring i detektoranordningens utsignal alst- rar en signal från återkopplingsanordningen för att driva styranordningen på sådant sätt, att den reglerade oscillatorns svängningsfrekvens ändras i en sökmod för att flytta den frekvens, som ger maximalt utslag från detektorn. När den reglerade oscillatorn har fått sin svängningsfrekvens ändrad till att ånyo alstra en topputsignal från detektoranordningen, slutar återkopplingsanordningen att driva den reglerade oscil- latorn. Den frekvensavvikelse, med vilken den reglerade oscil- latorn har förskjutits från en vilofrekvens, är indikativ för -10 15 20 25 30 '35 40 esouvèe-z e e - kretsen), så att den utökade mätanordningen icke enbart indike- N istjockleken. I likhet med den första utföringsform av upp-" finningen med öppen slinga kan mätanordningen utökas med en hastighetsbestämmande krets (och innefatta ett mätinstrument för att indikera utsignalen från den hastighetsbestämmande rar istjocklek utan också istillväxthastigheten.

Följaktligen innefattar den ovan.nämnda andra utföringsformen av uppfinningen med sluten slinga en styranordning,som inne- fattar: En återkopplingsanordning, som arbetar i beroende av detektor- anordningen för att variera svängningsfrekvensen i syfte att j automatiskt bestämma en svängningsfrekvens, som ger en maximal utsignal från detektoranordningen.

Till-skillnad mot det ovan nämnda tidigare kända användes i enlighet med uppfinningen ytvågledaren i en transmissions- mod, i vilken energi kopplas från en matningspunkt till en detektor, som är placerad på avstånd från denna, istället för i en reflektionsmod, såsonn anges i de ovan nämnda redan kända skrifterna.Nfina aqerhmmt gærför handen att signallbrusför- hållandet i reflektionsmoden är så svagt, att det gör varje mätning nära på obrukbar, under det att signal/brusförhållandet i transmissionsmoden är god till utmärkt.

I en föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken utförings- form exempelvis kan användas i ett flygfordon, såsom en helikop- ter, för att övervaka istjocklek och istillväxthastighet på helikopterns rotorblad, är återkopplingsanordningen anordnad i form av en digitalt arbetande centralenhet, t.ex. någon av de i handeln allmänt tillgängliga mikroprocessorerna. Den digitalt arbetande centralenheten är försedd med ett program för att göra den i stånd att avkänna detektorns utsignal via en analog/digital-omvandlare vid avkänning av en avvikelse hos detektorns utsignal indikativ på en ändring i istjocklek,och att utmata en signal till en reglerad oscillator för att variera dess svängningsfrekvens. Genom att styra återkopplings- anordningens utsignal som funktion av detektoranordningens « utsignal (under användning av en av flera konventionellt kända sökstrategier), uppnår den digitalt arbetande centralenheten snabbt ett tillstånd, i vilket detektoranordningens utsignal 10 15 20 25 30 35 5 8304766-2 är maximerad (till någon given, önskad noggrannhet). Det ovan nämnda mätinstrumentet kan anta formen av analoga eller digitala indikatorer drivna av den digitalt arbetande centralenheten för att för en observatör indikera både istjocklek och istillväxt- hastighet. På grund av den hastighet, med vilken central- enheten arbetar, ser observatören, väsentligen i realtid, information på indikatorerna.

Följaktligen innefattar den föredragna utföringsformen tvâ huvudkomponenter, dvs. omvandlaren, som innefattar den reglerade ' oscillatorn, ytvågledarresonatorn och detektorn, och det digitala undersystemet, som innefattar centralenheten med indikatorut- gång, en analog/digital-omvandlare, som kopplar detektorn till centralenheten och en digital/analog-omvandlare, som kopplar centralenheten till den reglerade oscillatorn. Omvandlaren kan miniatyriseras under användning av integrerade kretsar så att icke massan behöver bli onödigt stor. Detta och det faktum att vågledaren icke inkräktar på luftflödet tillåter omvandlaren att vara placerad nära bärytans yta, även t.ex. nära ett helikopterblad eller ett inlopp till en motor.

Om så önskas kan centralenheten åstadkomma en utskrift av istjockleken och graden av isbildning i förhållande till tiden. Centralenheten kan också lagra istjocklek och isbild- ningshastighet i ett minne för senare statistisk analys för is- eller molnstudier.

I de ovan beskrivna utföringsformerna av uppfinningen anges endast en enda vâgledare eller omvandlare. I en del tillämp- ningar kan det vara nödvändigt och/eller önskvärt att övervaka is vid ett flertal ställen i ett enda flygplan, ett flyg- fordon eller någon annan anordning. Dessa behov bemöts med användning av flera vågledare eller omvandlare, var och en placerad i enlighet med behovet och/eller önskemålet för övervakning av is på ett flertal ställen. Återstoden av apparaturen, dvs. den reglerade oscillatorn, detektoranord- ningen, mätanordningen och styranordningen kan dupliceras för varje vâgledare eller kan tidsdelas av ett flertal våg- ledare. På liknande sätt kan den andra utföringsformen av uppfinningen med sluten slinga modifieras genom anordning av ett flertal vâgledare och med möjlighet till tidsdelning av någon eller alla av följande anordningar: Den reglerade 510 15' ' 20 25 30 35 .Ä 40 83Ûls766-2 L. s oscillatorn, detektoranordningen, mätanordningen, styranord- ningen och âterkopplingsanordningen. I en föredragen ut- föringsform av utföringsformen av uppfinningen med flera vågledare är emellertid var och en av vågledarna en del av en dedicerad omvandlare med en enda centralenhet (en anord- ning som utför styrning och återkoppling) med tidsdelning för alla omvandlarna.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till 'bifogade ritningar, i vilka lika delar har försetts med samma referensbeteckningar, där fig, l visar ett blockschema över en utföringsform av upp- finningen med öppen slinga; _ fig. 2 visar ett blockschema över en utföringsform av upp- finningen med sluten slinga; ' fig. 3_ är en perspektivvy och visar en omvandlare, som inne- fattar en vågledare, placerad nära ytan på en bäryta för ett flygfordon; . fig, 4A och 4B visar ett snitt genom bärytan vid vågledarens förläggning och en vy uppifrån av vågledaren; gfig, 5 visar ett blockschema av en utföringsform av upp- finningen som har tillverkats; å 7 fig, 6A-SC visar flödesdiagram hos ett program för den dator som ænëndes vid uppfinningen; fig, 6D visar förhållandet mellan frekvensindex J och detektorns utsignal; g fig, 7A och 7B visar kurvor över detektorns utsignal i för- hållande till frekvensen och visar ändringar i resonansfrekven- sen pâ grund av isbildning; ^fig. 7C visar en kurva över istjockleken i förhållande till tiden åstadkommen med anordningen enligt uppfinningen; och fig, 8 visar ett diagram över vâqledarlängden i förhållande till frekvensen i en tillverkad utföringsform av uppfinningen.

Fig, l visar ett blockschema över en utföríngsform av upp- finningen med öppen slinga, vilken användes för isdetektering och ismätning i anslutning till en bäryta 10 på ett luftfordon, såsom en flygplansvinge. Såsom visas i fig, l innefattar bär- ytan 10 en ytvågledare 15, som har en strömlinjestruktur när den är insatt i det för den anpassade spåret l6 i bärytan 10.

Ytvågledaren 15 visas mer detaljerat i fig. 3, varvid det 10 15 20 -25 30 35 40 8304766-2 7 här räcker med att ange att vâgledaren 15 innefattar en mat- ningspunkt (FP), som matas med mikrovâgsenerqi medelst en reglerad oscillator 17. Den reglerade oscillatorn 17 är förbunden med en regleranordning 18 för att variera dess svängningsfrekvens. Den reglerade oscillatorn 17 är anordnad att svänga med en i förväg bestämd, fast frekvens eller vilo- frekvens Fo och att vid andra tidpunkter svänga med en sväng- ningsfrekvens, som är skild från FO reglerad med manöverspaken 18. Densïyrda oscillatorns 17 svängningsfrekvens detekteras av en frekvensdetektor 19, som har en ingång kopplad till den reglerade oscillatorns 17 utgång och en utgång kopplad till en konventionell frekvensmätare eller annan frekvens- indikeringsanordning 20. I en föxmragen utföringsform är frekvensmätaren 20 anordnad att indikera avvikelser från frekvensen FO för den reglerade oscillatorns 17 frekvens.

Såsom kommer att förklaras närmare nedan kan mätaren 20 kalibreras med avseende på istjocklek.

Till vågledaren 15 är också en detektor 21 förbunden. Såsom visas i fig, 1 är detektorn 21 kopplad till vågledaren 15 vid en punkt skild från matningspunkten FP, och sålunda arbetar vågledaren 15 i en_överföringsmod, i vilken av de- tektorn 21 detekterad energi är den energi, som transmitteras genom vågledaren 15. Vâgledaren 15 är kortsluten, såsom medelst den likaså i fig, 1 visade kortslutningen S. Vägledaren 15 är anordnad att komma i resonans vid frekvensen FO, när den är insatt i och anpassad till bärytan 10. För att ge en strömlinjeform innefattar vågledaren 15 en yta som är anpassad till bärytans 10 yta. Detektorn 21 är kopplad till en annan konventionell indikator, såsom mätaren 22. Mätaren 22 ger utslag i relation till den av detektorn 21 detekterade energin.

I normal drift, med vågledaren 15 insatt i bärytan 10, alstrar den reglerade oscillatorn en utsignal med vilosvängningsfrek- vensen FO, som kopplas till vågledaren 15. Energin detekteras av detektorn 21 och indikeras av mätaren 22. Om is bildas på ytvâgledarens 15 yta, ändras vâgledarens elektriska egenskaper, och i all synnerhet ändras dess resonansfrekvens. Som resultat av detta mottar vâgledaren 15 vid frånvaro av ändring hos den reglerade oscillatorns 17 svängningsfrekvens icke längre energi vid sin resonansfrekvens. vid detta tillstånd med för- 10' 15 20' 25 30 35 40 830fl6^6 - 2 Û O skjuten resonansfrekvens, minskar den av detektorn 21 upp- fångade energin.

En observatör, som observerar fallet i nätææms 22 utslag kan manövrera manöverspaken 18 för att sänka den reglerade oscillatorns 17 frekvens. Sänkning av den styrda oscillatorns frekvens ökar våglängden hos vågledarens 15 energi för att kompensera den av den isbildning på vågledarens 15 yta or- sakade ändringen hos elektriska karakteristika. När den -styrda oscillatorn 17 frekvens närmar sig den nya resonans- frekvensen hos vågledaren 15, ökar den energi, som infaller mot detektorn 21, och metern 22 avspeglar detta faktum, När svängningsfrekvensen passerar förbi vågledarens 15 resonans- _frekvens faller ånyo den av detektorn 21 uppfångade energin, vilket.återspeglas genom rörelse hos mätarens 22 nål. Observa- tören kan då genom att vända på vridningen av-manöverspaken 18, bringa mätaren 22 till maximalt utslag. Under denna manövrering av spaken 18 detekterar frekvensdetektorn 19 kontinuerligt frekvensavvikelser från frekvensen Fb. När mätaren 22 väl en gång ånyo har sats i ett tillstånd med maximalt utslag, kan observatören notera tillståndet hos mätaren 22, vilken indikerar frekvensavvikelsen (FO-F), där mätaren 20 företrädesvis är kalibrerad med avseende på dimensioner hos vågledaren 15 och frekvensen Fo, varvid istjockleken kan avläsas direkt från mätaren 20.

Fig, 2 visar ett blockschema över en utföringsform av upp- finningen med sluten slingaf i fig, 2 visas icke bärytan 10. Såsom visas i fig, 2 drivs vågledaren 15 från en med spänning avstämd oscillator 29, i fortsättningen benämnd VTO 29, (som ersätter den reglerade oscillatorn 17) och är kopplad till en detektor 21 vid en punkt på avstånd från matningspunkten FP. Detektorns 21 utsignal, som förstärks av förstärkaren 2la, är kopplad till en analog/digital- omvandlare 23, i fortsättningen kallad ADC. Utsignalen från ADC 23 ges såsom en insignal till en centralenhet eller processor 24, som också är kopplad till ett tillhörande minne 25 och in/utenheter 26. Centralenheten 24 ger en -utsignal till en digital/analog-omvandlare 27, i fortsätt- ningen kallad DAC 27, som i sin tur ger en spänning till en drivenhet 28 för den med spänning avstämda oscillatorn 10 15 20 25 30 35 h_ 40 q 8304766-2 i fortsättningen kallad VTO-drivenheten 28. VTO-drivenheten 28 (eller förstärkaren) ger en inspänning till VTO 29, som sålunda alstrar en utfrekvens, som står i relation till denna inspänning.

En jämförelse mellan fig, l och 2 ger för handen att en åter- kopplingsanordning (centralenheten 24 och dess kringutrustning) har kopplats mellan detektorn 21 och den reglerade oscillatorn (i form av VTO 29). Dessutom har metern 20 nu ersatts av in/ut- enheten 26, som exempelvis kan innefatta konventionella, digitala panelinstrument eller liknande. Eftersom àterkopplingen åstad- kommes av centralenheten 24 har man kommit ifrån behovet av Hëbæïm 22, fastän det är önskvärt att in/utenheten 26 kan inne- fatta en utläsningsanordning motsvarande näbæïm 22.

Fastän centralenheten 24 kan vara försedd med en mängd funk- tioner i form av mjukvara eller hårdvara via minnet 25, som kan innefatta ett fast minne, ROM,är grundfunktionen för centralenheten 24 att tolka variationer i utsignalen från ADC 23 (vilka står i relation till ändringar i detektorns 2l utsignal) och driva digital/analogomvandlaren 27 på sådant sätt att detektorn 21 får en maximal eller nära maximal ut- signal. Den frekvensavvikelse hos VTO 29, som krävs för att bringa detektorn 21 till ett tillstånd med maximal eller nära maximal utsignal,Stå? i relation till isbildningen. När detta tillstånd har uppnåtts kan centralenheten 24 tolka den digitala utsignal, som ger detta tillstånd, såsom indikativ för is- bildningen eller istillväxten. Likaså kan centralenheten 24 beräkna en tidsåtgång för istjockleksändring och mata ut denna information (genom en.annan av in/utenheterna 26).

Minnet 25 kan förutom att ge mjukvaran eller hårdvaran för att manövrera centralenheten 24 också ge temporär lagring av mellanresultat i direktminnen. Fastän användning av digitala panelindikatorer eller liknande har angivits kan in/utenheterna 26 också innefatta andra konventionella utenheter, såsom skrivare bildskärmar och liknande.

Eftersom ingen av de i fig, l eller 2 visade anordningarna verkligen mäter istjockleken i och för sig beror naturligtvis anordningens noggrannhet på möjligheten att förutsäga relatio- id 15 20 25 30 35 40 8-30lf766-2 EB nen mellan frekvensavvikelsen hos den reglerade oscillatorn 17 eller VTO 29 och verklig istjocklek. Denna är i sin tur bestämd av dimensionerna hos vågledaren 15, det material i _ vilket den är tillverkad, de relativa lägena mellan mat- ningspunkten och detektorkopplingen och vilofrekvensen FO hos den reglerade oscillatorn. Dessutom är den hastighet med vilken utföringsformen enligt fig, 2 exakt kan hitta enf ny resonansfrekvens delvis bestämd av den mjukvara eller hårdvara, som styr centralenhetens sökning efter denna resonansfrekvens. Föredragna utföringsformer,_som belyser de faktorer, vilka påverkar de ovan nämnda parametrarna, kommer att beskrivas nedan.

Fig, 3 visar en perspektivvy av en sektion av en typisk bär- yta 10 för ett flygfordon, inom vilken en omvandlare är monterad. Såsom visas i fig, 3 har vågledaren 15 en yta, som i stort sett har samma form som bärytans 10 konturer och ärii verkligheten monterad under bärytans 10 yta. Våg- ledaren 10 arbetar i beroende av ackumulerad is inom det område, som definieras av den översta ytan 32 på vågledaren 15. Ytan kan skyddas av en erosionssköld av polyuretan eller polyeten, vilken har en dielektricitetskonstant. som är lika stor som dielektricitetskonstanten hos själva ytvâg- ledaren. Likaså visas i fig, 3 höljet 30 för återstoden av omvandlarens komponenter, dvs. för oscillatorn 29, detektorn 21 och de tillhörande förstärkarna 28 och 21a. Utrustningen i höljet 30 är ansluten till centralenheten via en flerledar- kabel 31. Fig. 3 visar också att vågledaren 15 är kopplad till höljet 30 medelst ett par koaxialledare, dvs. koaxial- ledarna 37 och 38. En av dessa koaxialledare kopplar VTO 29 till vågledaren 15, och den andra kopplar vågledaren 15 till detektorn 21. Höljet 30 och de komponenter den innehåller kan miniatyriseras avsevärt genom användning av integrerade kretsar för mikrovåg (MIC).

Fig, 4A visar ett tvärsnitt genom vågledaren 15 och fig, 4B visar en vy uppifrån. Såsom visas i fig. 4A representerar 35 ytan på en bäryta 10 och 33 indikerar isbildningen ovanpå bärytans 10 yta. Själva vågledaren är bildad av ett stabilt, dielektriskt material, såsom polyeten, som har approximativt l0 15 20 25 30 35 40 H aso47ss-2 samma dielektricitetskonstant som is. I det isfria tillståndet görs ytvågledaren 15 till en resonanskropp genom att säkerställa att dess längd är lika med en multipel halvvåglängder hos vilofrekvensen hos den med spänning avstämda oscillatorn 29.

Såsom visas i fig, 4A är sålunda vågledarens längd ett helt antal halvvåglängder. Fig, 4A indikerar också läget för kopp- lingen 34, vilket är kopplingen av VTO 29 till vågledaren 15; I all synnerhet ligger den kvarts våglängd från ändväggen.

Fig, 4A visar också den detektorsond 34a, som är kopplad till vågledaren en kvarts våglängd från den motsatta ändväggen.

Eftersom dess dimension är oberoende av istjocklek och frekvens (ledningsvåglängden i en ytvågledarresonator är konstant) finns det ingen variation i koppling på grund av detta läge. Jag har funnit att mycket lätt koppling är önskvärd så att ett högt Q-värde med mycket liten stålning kan erhållas.

Sonden är kopplad till det elektriska fältet i ytvågledaren och därför är kopplingseffektiviteten beroende av den relativa styrkan hos det elektriska fältet vid läget för sonden. Kopp- lingen är uppenbarligen noll vid frekvenser under ytvågledarens gränsfrekvens och börjar öka när arbetsfrekvensen ökar ovanför gränsfrekvensen. Försök att driva omvandlaren vid frekvenser endast något över gränsfrekvensen kommer att vara mycket oprak- tiskt fastän det i teorin kommer att ha en mycket hög känslig- het på grund av att kopplingen kommer att vara för låg. Arbets- frekvensen måste ligga tillräckligt över gränsfrekvensen för att ge tillräcklig men dock lätt koppling. Kopplingen är också en funktion av höjden hos sonden i förhållande till dielektrikats tjocklek; dvs. h/d, i fig, 4A. Vid frånvaro av de är b = doo.

På grund av relationen mellan koppling och kvoten h/d, minskar kopplingen när istjockleken ökar.

I en utföringsform, som har tillverkats, avstämdes den med spänning avstämda oscillatorn 29 i området 5,9-6,57 GHz; clängden L var 1,393 inches (=35,4 mm), djupet (doo) var 0,787 inches (=20 mm) och bredden W var 0,25 inches (= 6,4 mm).

Ytvågledaren med dessa dimensioner har en resonansfrekvens pâ 6,28 GHz.

Fig, 7A visar ändringen i resonansfrekvens hos vâgledaren på grund av ökande lager av is. T.ex. indikerar kurvan 1 en resonansfrekvens (foo Vid ett frGkV@flSihå8X ioo) i frånvaro s3ou766-2 12 av is. När is bildats, ändras resonansfrekvensen till de till- stånd, som visas i kurvan 2 (den nyare resonansfrekvensen fo vid ett frekvensindex io). Ändringen i frekvens eller frekvens- index df eller di är ett mått på isbildningen. Kurvan 3 indike- ¿ 5 rar ytterligare ändring i resonansfrekvens på grund av ytter- I V _ ligare isbildning. ' I _ -' i Teoretiskt skulle vi kunna skriva I = l/k (l - df/dfa) där: di e förskjutning i resonansfrekvens med isbildningen; dfa = 10 asymptot hos förskjutning i resonansfrekvensen med isbildningen; k = konstant och I = istjocklek; Emellertid har jag funnit det mera praktiskt att använda rela- tionen I = l/kf ln(l - di/dia), däri I A 15 di = förskjutning hos frekvensindexet med isbildningen; dia = asymptot hos förskjutning i resonansfrekvens med isbildningen och k' e konstant.

I den andra ekvationen ersätter frekvensindex (i) frekvensen 20 (f), där frekvensindex är en digital beräkning, varvid olika digitala beräkningar svarar mot varje skild frekvens, så att ett mätt på ändringen i frekvensindex (di) är ekvivalent med en mätning av ändring i frekvens (df). I en utföringsform, som har konstruerats, alstrade centralenheten beräkningar i ett område i 25k (1 - 2047) svarande mot det intressanta frekvensområdet. Varje beräkning var representativ för en skild frekvens som skulle kunna genereras av den med spänning avstämda oscillatorn 29.

När ett maximalt svar från vågledaren var bestämd, skulle så- lunda beräkningen (eller frekvensindex) kunna ha direkt rela- 30 tion till istjockleken. Det torde vara uppenbart att detta eli- minerar nödvändigheten att verkligen mäta oscillatorns 29 frek- vens. Det bör emellertid observeras att det ligger inom uppfin- ningsidên att först variera oscillatorns 29 frekvens för att bestämma det maximala svaret hos vågledaren (resonansfrekvensen) 35 och att därefter mäta frekvensen för att bestämma ïstjockleken.

Kalibreringsproceduren är en där man bestämmer värdena på k' och dia.

Egenskaperna hos en vågledare med polyetenyta kan erhållas ur ; 40 en kurvskala på ledningsvåglängden i förhållande till frekven- 10 15 20 25 30 35 40 ~sen för olika tjocklek hos ytvâgledaren, såsom visas i fig. 8 830lø766 -2 13 Fig. 8 visar denna relation mellan 1 och 2 GHz för TE1-moden.

Denna erhölls med konventionella metoder på en ledningsstump, vars dimensioner har givits ovan.

Liknande kurvor gjorda över andra oktavband, såsom 2-4 och 4-8 GHz etc. ger för handen att alla kurvorna är identiska, om ska- lorna sätts i relation till varandra med en normaliseringsfak- tor p, så att fig. 8 kan användas för att representera varje ok- tavband med tillämpning av normaliseringsfaktorn p.

Såsom framgår av fig. 8 bringas ytvågledaren med tjockleken d i resonans genom att dess längd görs lika med ett helt antal halva våglängder. Från fig. 8 framgår att när dP = 8 och f/p = 1,66GHz (punkten la" i fig. 8), kommer sålunda ytvågledaren i resonans, när dess längd pàg = 14,2 cm. Detta definieras här så- som viloresonansfrekvensen foo. Naturligtvis skulle ledare med olika tjocklekar kunna använda olika foo och fastän polyeten är ett föredraget ledarmaterial, skulle andra material kunna an- vändas med motsvarande ändringar i foo.

Tillväxten av islager har under antagande av att isen har app- roximativt samma dielektricitetsko/nstant som det grundläggan- de dielektriska materialet effekten att öka tjockleken d hos ytvågledaren. Såsom framgår av fig. 8 har detta effekten att minska våglängden för en given frekvens och att förstöra reso- nansen. Tillståndet med resonans återställs genom ökning av våg- längden genom minskning av frekvensen till dess att våglängden än en gång är lika med den ledningsvåglängd, som fanns vid isfritt tillstånd. Avstämningsproceduren visas i fig. 8 som den geo- metriska orten för punkten längs den horisontella linjen medi konstant A go .

Fastän en vågledare av polyeten har använts, tillåter denna me- tod också att vågledare av andra material används. Företrädes- vis skulle vilken annan vågledare som helst med dielektricitets- konstanter nära isens kunna användas.

Vid testning av omvandlare, vilkas dimensioner är givna ovan simulerades ändringar i istjocklek genom tillägg av skikt av polyetenband (eftersom dielektricitetskonstanten hos is och polyeten ligger nära varandra). En skrivaruppteck- sznuvesëz W 10 15 20 25 30 35 40 ning,_fig. 7B, alstrades för att visa förskjutningen i resonans- frekvens för banatjocklek på resp. 0, 12, 24, 36, 48, 72, 84, 96 och 108 mil (där l mil = 0,0254 mm). Vid bandtjockleken noll var resonansfrekvensen 6,29 GHz, och varje motsvarande ändring i frekvens var 0,05; 0,95; 0,120; 0.142; 0,185; 0,205; 0,227 och 0,253 GHz.

Kurvan i fig. 7C visar en skrivaruppteckning i realtid av utsignalsindikeringarna på istjocklek som funktion av tiden alstrad i enlighet med uppfinningen.

Fig. 5 visar ett blockschema på den anordning, som kopplades upp för att ge deyi fig. 7C visade kurvorna. I fig. 5 visas VTO~drivenheten 28, som driver den med spänning avstämda oscillatorn 29. I den i verkligheten uppkopplade utförings- formen var VTO 29 en Avantek Model 8580, som kunde avstämmas från 5,8 till 6,6 GHz. Detektorn Zl är en kristalldetektor, vars utsignal efter förstärkning vid Zla är insignal till gen analog/digital-omvandlare 23 med två kanaler; den ena kanalen har en förstärkning en gång och den andra har en förstärkning tre gånger._Den omvandlade-utsignalen i om- vandlaren i bäda kanalerna görs tillgänglig för mikro- processorn 24; i den uppkopplade utföringsformen var denna en Texas Instrument TM990-l0lM med användning av en 16-bits mikroprocessor TMS9900 och 16 Kbyte RAM. Av den i fig. 5 visade apparaten var skrivaren 26a, tangentbordet 26b och digital/analog-omvandlaren, oscilloskåp och skrivare 26d icke nödvändiga för systemfunktionen även om de var användbara för utvecklingen. Å andra sidan ger.in/ut-anord- ningen 26c, som representerar ett in/ut-ekpansionskort av typ TM990/2l0,en drivenhet för två utportar, som driver en g första panelindikatoranordning (PDD), som visar istjocklek, och en andra panelindikatoranordning (PDD), som visar is- tillväxthastigheten.

För att få anordningen att arbeta automatiskt när den väl en gång är kalibrerad driver mikroprocessorn D/A utgången med ett speciellt tal, som representerar ett frekvensindex.

Detta omvandlas först till analog form_(med digitallanalog- omvandlaren 27 och förstärkaren 28) och därefter omvandlas 10 15 20 25 30 35 40 830ls766'2 IS spänningen till en frekvens av den med spänning avstämda oscillatorn 29. Som resultat av denna speciella frekvens detekterar detektorn 21 en speciell spänning, som förstärks (av förstärkaren 2la) och därefter omvandlas till digital form av analog/digital-omvandlaren 23 med två kanaler.

Beroende på amplitud väljs en av de båda digitala signalerna av mikroprocessorn. Mikroprocessorn läser denna storhet som omvandlarens svar på denna speciella frekvens.

Datorn utsänder då ett annat frekvensindextal och behandlar den återvändande signalen under det att den söker efter en maximal återgângssignal. När ett maximum har påträffats, är det index, som alstrade det, resonansfrekvensindexet.

Det program, som beskrivs nedan, använder ML för resonans- frekvensindex (io). Vilofrekvensindexet (ioc) kallas CA. Sålunda är skillnaden CA - ML = DX den av isbildning orsakade ändringen i frekvensindex (di). En funktion av denna skillnad DX står i då i relation till istjcckleken.

I varje speciellt svep, när ML har påträffats, används den av datorn för att bestämma det indexområde J som står närmast i tur att presenteras, Jl - J2, och proceduren för att söka efter toppen mellan Jl och J2 upprepas. I den verkligen upp- kopplade utföringsformen är samplingshastigheten sex tusen frekvenser per sekund. Varje halvsekund under de första trettio sekunderna och varje sekund därefter vid fullbordandet av ett svep lagras de senaste värdena DX, tiden, istjockleks- data och amplituden på toppen MX i ett fält i datorns minne.

Samtidigt omvandlas istjockleksdata och tillväxthastighet till decimala värden och presenteras på de båda digitala panelindikatorerna.

Fig. 6D är en förenklad kurva av uppritning av ett enda svep Aj (den âtergivna spänningen från detektorn 21) och frekvensindexet J. I denna behandling minskar J från J1 till J2. Mx är det' högsta pàrräffade väraet på Aj. MJ är aer värde på J, vid vilket Mx först inberäknas. MK är det värde_på J, vid vilket MX sist påträffas (vilket kan vara 8304766-2 10 15 20 25 30 35 40.

Eb lika med MJ). ML är medelvärdet (MJ + MK)/2. Efter ett svep blir Jl = ML + 48 och J2 = ML - 48 em icke; MK - Jz < 3, då Jl = J2 + le; J2 Jl - 96, eller Jl - ML < 3, då J2_= al - 16; Jl = J2 + 96, eller- ML > CA, då Jl = CA + 8; J2 = CA - 88, eller Mx < soo eller os > s, då al = ce; Jz =fl.

Om MX < 500 och OS < 8, då ökas OS med 8.

Om MX > 2000 och OS > 7, då minskas OS med 8.

OS är förstärkningsflaggan, och den icke är mindre än 8 an- vänds högförstärkningskanalen, Aj förstärks med 3, annars används kanalen med förstärkningen 1.

Ett flödesdiagram för det program, som användes vid den ut- föringsform, som vid i verkligheten kopplade upp, visas i figurerna 6A-6C.

I fig, 6A startar funktionerna F2 och F4 processorn inkl. laddning av programmet, start av register, lagring av assemblera- ren och tömning av fälten. Funktionen 5 kör ett testsvep genom hela området (i vår utföringsform frekvensindices l till 2047 svarande mot hela frekvensområdet hos den med spänning av- stämda oscillatorn). De visade parametrarna är den högsta återgångsamplituden från detektorn 21 (MX) och medelvärdet på de indices, över vilka denna amplitud matades tillbaka (MLY. Funktionen F6 tillåter en operatöringâng att initiera kalibrering. Under förutsättning att kalibrering önskas ut- förs funktionen F7, som sveper genom ett mindre frekvensom- råde (i vår utföringsform 64 indices centrerade omkring ML).

Svepet utfördes trettio gånger, och en parameter ML är det frekvensindex, vid vilket den högsta återförda amplituden påträffadesl En parameter SM är summan av parametern ML över alla trettio svepen.

Funktionen F8 beräknar därefter ett antal parametrar, där CA är medelvärdet ML över trettio steg och betraktas såsom I viloresonansfrekvensindexet vid isfritt tillstånd. En is- triggparameter IT beräknas också, varvid parametrarna MX, CA lagras i fälten och parametrarna CA och IT visas på panelindikatorerna. Funktionen F9 i vår utföringsform ut- 10 I5 20 25 30 35 40 830476-6-2 I? förs därefter; om man icke har någon oscilloskopskärm behöver funktionen F9 icke utföras. Funktionen F10 tillåter opera- tören att begära omkalibrering. Under förutsättning att omkalibrering icke utförs går programmet i slinga genom funktionerna F9 till Fll så länge som skillnaden mellan CA och ML är mindre än istriggparametern IT. När denna olik- het icke längre uppfylls har isbildning detekterats och programmet hoppar till punkten B (fig, 6B). Funktionen F12 sätter på ett ljudalarm och startar en tidtagningsklocka.

Funktionen F13 sätter upp nya parametrar Jl och J2 (den gräns inom vilken frekvensindexet sveps) som en beräkning av 96 centrerade omkring ML. Funktionen F15 utför ett enda svep och återgår med fyra parametrar, där MX är den högsta ut- signalamplituden hos detektorn 21 i svepet, MK är det index- värde, vid vilket MX senast påträffades, MJ är det index- värde, vid vilket MX först detekterades, och ML är medel- värdet; Detta utfördes med en subrutin TOPP, som visas mer detaljerat i fig. 6C. Därefter utfördes funktionen F16.

Justeringarna på Jl, J2 och OS, baserade på jämförelser mellan JK,J2; Jl, ML; ML, CA; MX, 500; OS, 8; MX, 2000 och OS, 7 har redan beskrivits ovan.

Funktionerna F15, F16 upprepas till dess att klockan, som kontrolleras vid F28, har gått till ända. När klockan har gått till ända, beräknar funktionen F30 skillnaden mellan frekvensindexet (ML) och kalibreringsindexet (CA). Om DX är mindre än noll (Bestämd vid funktionen F31), då ändrar funktionen F32 svepparametrarna. TH (istjockleken) sätts till noll. Om å andra sidan DX är större än noll beräknar funktionen F33 TH från DX. I Istjockleken TH beräknas från DX baserat på femte ordningens polynom 5CiDX1, där koefficienterna är: 0,42698634l -0,00009568097 ~3,5o247s6s X 10" >3,4993sss2 X in" 1,zsso3sa7 X 10" 7 10 13 Därefter bestämmer funktionen F34 den tid, vid vilken mät- ningen utfördes och lagrar parametrarna MX, DX och TH i fältet. azonveeéz lO 15 20 25 30 lß När funktionerna F15-F33 upprepas lagrar det av F34 skapade _ fältet sålunda mer och mer data. Utjämnad istjocklek TT och hastighet TK erhålles från de sex senaste avläsningarna av TH och anpassas till en åtminstone approximativt rak linje.

Sålunda k0HUKfllehmïF39 om sex eller flera insignaler har 'ackumulerats. Om så är fallet kontrollerar F40 om en begynnelse- anpassning har erhållits. Om så icke är fallet utförs F42.

Om å andra sidan kurvanpassning har åstadkommits, uppdaterar F43 blott summor baserade på nya data. I.vardera fallet om- vandlar F46 binärt till decimalt och visar detta. Därefter kon- trollerar F41 ånyo klockan för att undersöka om en reducerad samplingshastighet kan utföras genom att jämföra den tid som har gått med en fast tid (t.ex; 30 sekunder). Beroende på utslaget av denna jämförelse kan F45 utföras. Därefter *kontrollerar F44 om fältet är fullt. Om så ej är fallet tas slingan om igen. Om så är fallet utförs tryckning av data.

I en installation, som icke innefattade en skrivare, utförs, när isbildning väl en gång detekterades, slingan med funktio- nerna F15-F46 kontinuerligt för att uppdatera visningen av istjockleken och istjocklekens tillväxthastighet.

Subrutinen TOPP, som angavs såsom funktionen F15 (fig. 6B) visas mer detaljerat i fig. 6C. Subrutinen införes med parametrarna Jl och J2. Dessa parametrar bestäms i första omgången i funktionen F13 och i efterföljande omgångar i " funktionen F16. I varje fall flyttar Fl5.l parametern Jl till registret J. Funktionen Fl5.3.laddar en lämpligt låg kvantitet i registret MX. Funktionen 15.4 matar ut para- metern J (vid denna punkt lika med Jl) och startar analogt/- digital-omvandlingen. Det resulterande värdet jämförs där- efter med värdet i MX. Först vid funktionen Fl5.5 hoppar programmet, om A är mindre än MX, till funktionen Fl5.10, _där förstärkningsflaggan kontrolleras. Beroende på till- ståndet hos förstärkningsflaggan och på om analog/digital- omvandlingen är klar lagrar antingen funktionen Fl5.2 eller funktionen Fl5.l4 värdet A. Därefter minskar funktionen Fl5.5 J, och funktionen 15.16 bestämmer om J är mindre än J2. Om så är fallet matas subrutinen tillbaka till funktionen FlS.4 och matar ut den nya parametern J och inväntar återgångs- signalen. . ___., f. 10 15 20 25 iso 35 40 8304766-2 __ Å andra sidan torde den återsända amplituden normalt vara större än MX, eftersom begynnelsevärdet är ett lågt värde.

Därefter uppdaterar funktionen Fl5.7 MX, och funktionen Fl5.8 uppdaterar registret MJ med den för handenvarande parametern J. Funktionen FlÉ.9 uppdaterar registret MK med den förhanden- varande parametern J, och OS-flaggan kontrolleras ånyo vid funktionen Fl5.l0.

Denna behandling fortsätts tills dess att en parameter A detekteras, som är lika med MX. Vid denna punkt åstadkommer funktionen Fl5.6 ett hopp i programmet till funktionen Fl5.9. överhoppning av funktionerna Fl5.7 och> Fl5.8 kvarhâller det tidigare värdet Mx den det tidigare värdet MJ. Dette är signifikant, eftersom dessa värden normalt icke kommer att ändras så länge som värdet A antingen hålls på samma nivå eller minskas. På detta sätt identifierade subrutinen MJ såsom den första parametern J vid vilken den största åter- gångsamplituden detekterades, och MX såsom denna amplitud.

Denna behandling fortsâtts till dess att funktionen Fl5.l5 bestämmer att ett återgångsvärde A är mindre än MX. Som resultat av detta hoppar programmet över Fl5.9 förutom att hoppa över funktionerna Fl5.7 och Fl5.8, varigenom MK kvar- står såsom den senaste parameter J, vid vilken de högsta âtergângsvärdet MX detekterades.

Denna behandling fortsättes därefter till dess att funktionen Fl5.l7 bestämmer att J icke är-mindre än J2. Därefter beräknar funktionen Fl5.l8 medelvärdet ML, och denna behandling av- slutas och återgår till funktionen F16.

I fig, 6D visas den förväntade relationen mellan värdena Jl, J2, MJ, MK och ML.

Av fig. 6B och 6C framgår det att funktionen F15 och specielltg funktionen Fl5.4 utmatar en sekvens av frekvensindices för att svepa VTO29 i frekvens inom ett i förväg bestämt område (Jl~J2). Funktionerna Fl5.5-Fl5.9 hjälper till att lokalisera âtergångstoppen (dvs. MJ och MK) och isolera den digitala toppsignalen MX. Funktionen Fl5.l8 vid bestämningen av ML i samverkan med funktionen F16 vid bestämningen av Jl och J2 bestämmer det i förväg bestämda frekvensområdet, som pazouvae-2 10 15 - 10 kommer att svepas. Slutligen omvandlar F33 frekvensindex~ skillnaden DX till en istjocklekssignal TH. Såsom förklarats ovan utjämnas TH av funktionerna F39-F42 till att utvinna en jämnad istjocklekssignal Tf och isbildningshastighets- signal TK.

Fackmannen inser att uppfinningen kan användas i samband med en konventionell avsmältningsanordning,.som t.ex. kan sättas på eller aktiveras när väl en gång uppfinningen in- dikerar väsentlig isbildning. Efter det att isavsmältaren har arbetat under en period kommer naturligtvis isen att avlägsnas. I detta fall kommer funktionerna F31 att t.ex. indikera att ingen is finns. Vid denna punkt kan programmet I återföras till slingan med funktionerna F10 och Fll och invänta ytterligare isbildning på ett sätt som bör vara uppenbart för fackmannen. -f .aF-*ta

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 83047692 Patentkrav

1. Isdetektor- och istjockleksmätanordning innefattande: en reglerad oscillator. en kortsluten ytvâgledare. som är kopplad till reglerade oscillatorn vid en matningspunkt och har en kortslutning placerad på ett fast avstånd från matningspunkten. en anordning för att montera vågledaren i en placering utsatt för isbildning. ' en detektoranordning kopplad till ytvâgledaren vid en punkt. som är förskjuten från matningspunkten, vilken detektoranord- -ning arbetar i beroende av mot detektoranordningen infallande elektrisk energi för att indikera mot denna infallande elektrisk energi. en mätanordning kopplad till den reglerade oscillatorn för att indikera frekvensavvíkelse från en i förväg bestämd frekvens nos den reglerade oscillatorn. och en styranordning för att styra en svängningsfrekvens hos den reglerade oscíllatorn. varigenom istjocklek är detekterad medelst observation av frekvénsavvikelsen av mätanordningen. när styranordningen är anordnad att styra svängningsfrekvensen till att alstra en maximal detekterad energi vid detektoranordningen.

2. Anordning enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att styranordningen innefattar: en återkopplingsanordning. som arbetar i beroende av detektor- anordningen för att variera svängningsfrekvensen till att automatiskt bestämma en svängningsfrekvens. som ger ett maxi- mum hos den av detektoranordningen detekterade energien,

3. Anordning enligt krav 2. k ä n n e t e c k n a d av att mätanordningen. styranordningen och äterkopplingsanordníngen innefattar en mikroprocessor med en utgângsport och en in- gångsport. en digita1/analog-omvandlare kopplad mellan utgångsporten och den reglerade oscillatorn. 830læ76-6-2 10 15 20 25 30 35 22 en analog/digital-omvandlare kopplad mellan detektoranord- ningen och ingångsporten. och av att mikroprocessorn inne- fattar: en frekvenssvepanordning för att till utgångsporten mata digi- tala signaler för att svepa den reglerade oscillatorn genom ett i förväg bestämt frekvensområde. ' en toppföljaranordning. som arbetar i beroende av signaler vid .ingängsporten för att avskilja en digital toppsignal och för att bestämma det i förväg bestämda frekvensområdet. och en omvandlingsanordning för att alstra en ístjocklekssignal -från den digitala toppsignalen.

4. Anordning enligt krav 1. k ä n nte t e c_k n a d av att den reglerade oscillatorn är en med spänning avstämd oscil- 'lator. och att mätanordningen och styranordníngen innefattar en mikroprocessor med utgångs- och ingångsportar. en analog/digital-omvandlare kopplad mellan detektoranordning- en och ingångsporten. ' _ en digital/analog-omvandlare och en förstärkare seriekopplade mellan utgångsporten och den med spänning avstämda oscil- latorn. och att mikroprocessorn innefattar:_ 7 'en anordning. som arbetar i beroende av signaler vid ingångs- porten för att avskilja en digital toppsignal. och en omvandlingsanordning för att omvandla den digitala topp- signalen till en istjocklekssignal.

5. S. Anordning enligt krav 1. K ä n n e t e c k n a d av att den kortslutna ytvågledaren är en dielektrisk ledningsstnmp med en digitalelektricitetskonstant nära dielektricitets- konstanten hos is.

6. Anordning enligt krav 5. i vilken ledningsstumpen är av polyeten med en längd. som kommer i resonans vid den i.förväg bestämda frekvensen.

7. Anordning enligt krav 6. k ä n n e t e c k n a d av att matningspunkten är placerad en fjärdedels våglängd från en ände på ledningsstumpen. 8304766-2 ß

8. Anordning enligt krav 7. k ä n n e t e c k n a d aü att matningspunkten är belägen på ett avstånd d under vâgledarens yta. vid vilket avstånd ett förhållande d/h. där h represen- terar ledníngsstumpens djup. ger lätt koppling i en TE1-mod.