DE69728735T2

DE69728735T2 - Vorrichtung zum Messen der Eisdicke

Info

Publication number: DE69728735T2
Application number: DE69728735T
Authority: DE
Inventors: Marc E. Holyfield; Richard L. Rauckhorst Iii; Allen D. Reich; David B. Sweet; Randy W. Wallace
Original assignee: Goodrich Corp
Current assignee: Goodrich Corp
Priority date: 1996-11-18
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2017-11-19
Also published as: DE69728735D1; EP0842848B1; US6384611B1; CA2221372A1; EP0842848A2; EP0842848A3

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Eisdetektoren und insbesondere einen Eisdetektor zum Messen der Eisdicke auf Flugzeugoberflächen.
Hintergrund der Erfindung
Unter bestimmten Betriebsbedingungen sind Flugzeuge für Ansammlungen von Verunreinigungen an äußeren Bauteilflächen oder Hüllen anfällig. Beispiele für derartige Verunreinigungen sind Eis, Wasser und Mischungen derselben. Ungeprüft können Eisansammlungen ein Flugzeug schließlich derart mit zusätzlichem Gewicht belasten und die Tragflächenkonfiguration derart verändern, daß unerwünschte Flugbedingungen auftreten. Die Fähigkeit, das Ansammeln von Eis auf derartigen Flächen zu erkennen und die Fähigkeit, die angesammelte Dicke desselben zu messen, um so gefährlichen Flugbedingungen zu erkennen, ist daher höchst erwünscht.
Eine Anzahl verschiedener Arten von Verunreinigungsdetektoren wurden für derartige Zwecke verwendet. Darunter finden sich kapazitive Eisdetektoren, für welche Beispiele in den US-Patenten 4 766 369 an Weinstein, 5 191 791 an Gerardi et al. und 3 398 547 an Gerardi et al. sowie 5 523 959 an Seegmiller zu finden sind, welche sämtlich durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Offenbarung sind.
Die Patente von Weinstein und Gerardi sind kapazitive Eisdetektoren. Das heißt, sie erkennen das Vorhandensein von Eis und messen die Eisdicke durch Messen der durch das Vorhandensein von Eis auf der Tragfläche zwischen den Elektroden bewirkten Veränderungen der Kapazitanz zwischen zwei beabstandeten Elektroden (die bündig auf der Tragfläche angeordnet sind). Das Seegmiller-Patent erkennt die induktive Kopplung zwischen zwei beabstandeten Elektroden.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Eisdetektors nach dem Stand der Technik, einschließlich der Patente von Weinsteil und Gerardi. Mehrere Kapazitanzmeßshaltungen 12, 12' messen die Kapazitanz zwischen zwei Leitungen 14, 16, 14', 16', die mit einem (nicht dargestellten) Elektrodenpaar verbunden sind. Die Elektroden und das Eis können als RC-Schaltungen 18, 18' angesehen werden. Die Kondensatoren C_E1, C_E2 geben die Polarisationskapazitanz zwischen den Elektroden wieder. Die RC-Schaltungen 20, 20' sind Schaltungsmodelle des Eises zwischen den Elektroden und bestehen aus einem Widerstand R_I1, R_I2, der parallel zum Kondensator C_I1, C_I2 angeordnet ist. Ein Controller 22 ist mit den Leitungen 24 und 26 verbunden und interpretiert die Ausgangssignale der Kapazitanzmeßshaltungen 12, 12'. Der Controller 22 kann Funktionen wie das Messen des von den Schaltungen 12, 12' erkannten Kapazitanzverhältnisses (wie im Weinstein-Patent offenbart) ausführen oder ein Computerprogramm verwenden, um die Eisdicke auf eine andere Weise "aufzulösen" (wie im Gerardi-Patent). Eines der hierfür vorgeschlagenen Verfahren ist die Verwendung von Neuralnetzwerken und das Speichern großer Dateien mit Kapazitanzsignalprofilen der zahlreichen verschiedenen Arten von Verunreinigungen und der zahlreichen verschiedenen Arten von Eis. Die Kapazitanz wird sodann gemessen und die Verunreinigung unter Verwendung der gespeicherten Daten klassifiziert.
Reines Eis ist relativ nichtleitend. R_I ist daher groß und die Kapazitanzmeßshaltungen lesen daher C_I wirksam.
Ein Nachteil der bekannten Detektoren vom kapazitiven Typ ist, daß andere Verunreinigungen als Eis, beispielsweise Wasser, hoch leitfähig sind. R_I wird daher sehr klein und die Kapazitanzmeßshaltungen sind beim Lesen von C_I nicht effektiv. Ferner verursacht Wasser Veränderungen in der Gesamtkapazitanz zwischen den Elektroden, die von Eis verursachten Veränderungen ähnlich sind. Da Wasser und Glykol allein keine gefährlichen Flugbedingungen verursachen, ist es wichtig, zwischen Eis und anderen Verunreinigungen unterscheiden zu können. Zu diesem Zweck ist es ebenfalls erforderlich, das Vorhandensein von Eis auf einer Wasserschicht erkennen zu können. Aufgrund der genannten Kapazitanzmessprobleme unterscheiden Weinstein und Gerardi zwischen Wasser und Eis, indem sie entweder eine Temperatursonde in Verbindung mit ihren kapazitiven Eisdetektoren verwenden oder die Stimulationsfrequenz der Kapazitanzmeßshaltung verändern.
Bemühungen, Eiserkennungssysteme zu verbessern, haben zu fortschreitenden Entwicklungen zur Verbesserung der Kosten, der Herstellbarkeit, der Zuverlässigkeit, des Nutzens und der Effizienz geführt.
US-Patent 4 897 597 und WO 94/08233 offenbaren jeweils eine Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlungen auf einer Fläche, wobei diese mindestens drei voneinander beabstandete Elektroden und einen mit den Elektroden verbundenen Signalprozessor aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Nach einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche vorgesehen, mit: wenigstens drei voneinander beabstandeten Elektroden und einem mit den Elektroden verbundenen Signalprozessor, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor betreibbar ist, um (I) ein erstes und ein zweites Admittanzsignal über jeweilige Elektrodenpaare zu bestimmen und (II) die Dicke des Eises auf der Oberfläche unter Verwendung der dem ersten und dem zweiten Admittanzsignal inhärenten zeitlichen Trends zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung schafft einen hochempfindlichen Eisdetektor, der leicht herstellbar, hoch zuverlässig, kostengünstig und in bestehende Flugzeuge nachrüstbar ist.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der detaillierten Beschreibung von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen derselben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm eines bekannten Eisdetektors.
2 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines Eisdetektors und einer nicht erfindungsgemäßen Modell-Eis-Schaltung.
3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Eisdetektors und von Eisdetektorelektroden gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Eisdetektors in einem Eiserkennungsfeld.
5 zeigt drei in ein Enteisersystem eingebettete Eisdetektorelemente.
6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Tragfläche mit erfindungsgemäßen Eisdetektoren.
7 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Eisdetektorschaltung.
8a ist eine Kurve zur Darstellung der Reaktion des Eisdetektors von 2 für variierende Eisdicke.
8b ist eine zweite Kurve zur Darstellung der Reaktion des Eisdetektors von 2 für variierende Eisdicke.
9 ist eine Kurve zur Darstellung der Reaktion eines erfindungsgemäßen Eisdetektors für variierende Eisdicke.
10 ist ein vereinfachtes erfindungsgemäßes logisches Flußdiagramm einer Routine zum Bestimmen der Eisdickenprojektionspunkte zum Betreiben des Enteisers.
11 ist ein vereinfachtes erfindungsgemäßes logisches Flußdiagramm einer Routine zum Bestimmen von Resteis.
12 ist ein vereinfachtes erfindungsgemäßes logisches Flußdiagramm einer zweiten Routine zum Bestimmen von Resteis.
13 ist eine Kurve zur Darstellung der Kapazitanzreaktion des Eisdetektors von 2 für variierende Eisdicke.
14 zeigt eine vereinfache Seitenansicht einer Tragfläche mit Eisdetektoren gemäß der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt eine vereinfache Seitenansicht einer Tragfläche mit Eisdetektoren gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine Kurve zur Darstellung der Admittanzreaktion eines erfindungsgemäßen Eisdetektors für variierende Eisdicke.
17 ist eine Kurve zur Darstellung der Differenz der Admittanzreaktionskurve zwischen zwei unterschiedlich beabstandeten Elektrodenpaaren und die Steigung der Differenz der Admittanzreaktionskurve zwischen zwei unterschiedlich beabstandeten Elektrodenpaaren.
18 ist eine Vorderansicht einer Cockpitanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung.
19 ist ein vereinfachtes logisches Flußdiagramm einer Routine für ein Eiserkennungssystem nach einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
20 ist ein vereinfachtes logisches Flußdiagramm einer Routine für das Abtasten von Prioritätspunkten eines Eiserkennungssystems gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
2 der Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Darstellungen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen, zeigt ein schematisches Diagramm, das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Eine Impedanzmeßshaltung 40 ist über Leitungen 42, 42 mit zwei (nicht dargestellten) Elektroden verbunden, um Eis (oder andere Substanzen oder Verunreinigungen) zu messen, welches durch die Modell-RC-Schaltung 46 wiedergegeben ist. Bei den Elektroden handelt es sich um zwei voneinander beabstandete leitfähige Streifen, die auf der Oberfläche der Tragfläche angeordnet sind. Die Schaltung 40 misst die Gesamtimpedanz über die Elektroden. In dem Beispiel nach 2 liefert ein Signalgenerator 48 Strom durch die Elektroden und das Eis. Die Impedanz über die Leitungen 42, 44 wird berechnet, indem entweder der Strom direkt mit einer Strommeßschaltung oder durch Messen der Spannung über einen Stromsensorwiderstand mit einer Strommeßschaltung 54 gemessen wird. Die durch die Leitungen 42 und 44 fließende Strommenge ist eine Funktion der dazwischen bestehenden Impedanz. Die Spannungsmeßschaltung 54 ist mit einer Steuerschaltung 56 über die Leitung 58 verbunden.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Eisdetektor 100 mit einer Schutzschicht 111 und einer Elektrodengruppe 110 aus fünf Elektroden (oder Elementen) 112–116), die durch Leitungen 116–120 mit einer Steuereinrichtung oder Steuereinheit 121 verbunden sind. Die Steuereinheit 121 weist einen Signalquellentreiber 122 für die Elektrode 112 auf, der zwischen Masse 123 und der Elektrode 112 (E4) verbunden ist. Das vom Treiber 122 gelieferte Signal wird von einer oder mehreren Elektroden 113–116 (E1–E5) zurück geliefert. Ein Schalter 124 steuert, welche Elektrode mit einem Widerstand 126 (R) verbunden wird. Ein anderer Schalter 125 steuert, ob die Treiberelektrode 112 oder die Schutzschicht 111 mit dem Signaltreiber 122 verbunden wird. Die Spannung am Widerstand 126 wird durch einen Signalprozessor 130 über eine Leitung 32 und Masse 123 gemessen. Der Signalprozessor 130 verarbeitet ferner das Signal, wie im folgenden näher beschrieben. Weitere Schaltungen zum Verarbeiten des Spannungssignals am Widerstand 126 sind in der mitanhängigen US-Patentanmeldung 60/009 159 mit dem Titel "Impedance Ice Detector" offenbart, deren Offenbarung durch Bezugnahme Teil des Gegenstands der vorliegenden Anmeldung ist.
In 4 sind Elektroden 322, 324, wie die zuvor beschriebenen, in einem elastisches (oder elastomeres) Eiserkennungsfeld 334 integriert, das im folgenden näher beschrieben wird, welches in einem elastischen Enteiser 325 integriert ist. Der Enteiser 325 kann an einer Tragfläche 370 oder einem anderen Substrat angebracht oder damit verbondet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß andere Elektrodenkonfigurationen, die hier nicht explizit dargestellt sind, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Der Eisdetektor 310 weist ein nicht leitfähiges Feld 334 in einem Enteiser 325 auf. Der Enteiser 325 ist über einer Schutzschicht 340 angeordnet. Die Schutzschicht 340 dient dem Minimieren von Streukapazitanz durch Eliminieren elektrischer Feldlinien zwischen den Elektroden und der Tragflächenoberfläche 370. Die Schutzschicht 340 ist über einer nicht leitfähigen elastischen Schicht 345 angeordnet. Die Linien 341 zwischen den Elektroden 322 und 324 zeigen entweder Feldlinien, wie im Fall eines nichtleitenden Pfads (wie bei der Kapazitanzmessung) oder einen Strompfad, wie im Fall eines rein resistiven Pfads. Die Linien werden durch das Anwachsen von Eis oder anderen Verunreinigungen 338 in der Nähe der Elektroden beeinflußt. Die Elektroden 322, 324 sind in dem Feld 334 integriert und bestehen aus einer oberen Schicht 342 aus leitfähigem Harz und einer unteren Schicht 344 aus leitfähigem Material. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die hier beschriebenen Schichten zwar zu Illustrationszwecken verwendet werden, daß jedoch das Härten der Materialien üblicherweise zu einer Mischung der Materialien führt, wodurch Strukturen ohne klar definierte Schichten erzeugt werden. Die Elektronen 322, 324 dienen dem Messen von Eis 338 oder anderen Verunreinigungen auf der freiliegenden Seite 339 des Detektors 310. das Feld 334 ist vorzugsweise ein ungefähr 0,51 mm (0,02 Inch) dicker nicht leitfähiger Urethanfllm, wie beispielsweise unter der Katalognummer 121JC202 von B. F. Goodrich Company erhältlich. Die Schutzschicht 340 ist vorzugsweise ein ungefähr 0,076 mm (0,003 Inch) dickes Kupfergitter. Die obere Elektrodenschicht ist vorzugsweise eine 0,2 mm (0,010 Inch) dicke Schicht aus leitfähigem Urethanharz, wie beispielsweise unter der Katalognummer 121JC205 von B. F. Goodrich Company erhältlich. Die untere Elektrodenschicht 344 besteht vorzugsweise aus einem nickel-beschichteten Graphitfaserbündel (wie von Inco erhältlich), das mit einer leitfähigen Urethanharzmatrix, wie beispielsweise unter der Katalognummer 121JC205 von B. F. Goodrich Company erhältlich, imprägniert. Das bevorzugte Graphitfaserbündel besteht aus einem 3 K Mantel und einer 50%-igen Nickelbeschichtung auf jeder Faser. Die Elektrodenschicht 344 kann ferner aus anderen Geweben oder Materialien bestehen, beispielsweise mit einem leitfähigen Material behandelten Aramidfasern.
Der Eisdetektor 310 wird wie folgt hergestellt.
Eine Lage von rohem nicht-leitfähigen Urethan wird auf ein rostfreies Baumetall gerollt. Dies wird in eine Vakuumtasche verbracht und bei 138°C (280°F), 172 kPa (25 psig) für 40 Minuten gehärtet.
Ein leitfähiges Urethan wird gemischt, indem ein Ruß, beispielsweise EC-600, mit einem Urethankleber, beispielsweise CP-9, gemischt wird, und die Lösung wird auf eine Walzentrommel in einer kleinen Kugelmühle für mindestens 18 Stunden platziert.
Das Material wird auf eine Aluminiumform gebürstet (Schwamm-Bürsten). Schichten werden im 15 Minuten-Takt erstellt, bis das Material mit der Oberfläche des Werkzeugs bündig ist.
Das getrocknete Material wird abgeglichen, aus dem Werkzeug genommen und auf ein rostfreies Baumetall gelegt. Dies wird in eine Vakuumtasche verbracht und bei 138°C (280°F), 172 kPa (25 psig) für 40 Minuten gehärtet.
Das nickelbeschichtete Graphitgewebe wird auf die spezifische Länge geschnitten. Flußmittel wird auf ungefähr 19 mm (0,75 Inch) jedes Endes eines Graphitbands aufgebracht und die Enden der Elektroden mit Lötzinn verkapselt. Das verzinnte Graphitband wird auf eine Butylmatte durch Verwenden von doppelseitigem Klebeband an jedem verzinnten Ende aufgebracht. Das Graphitband wird einer 30-sekündigen Phase einer Corona-Behandlung ausgesetzt. Eine Mikromolekularschicht von EC3901 Primer wird auf das frisch corona-behandelte Graphit aufgebracht. Das behandelte Graphit wird auf die unbehandelte Seite gedreht und die beiden letzten Vorgänge werden wiederholt. Es erfolgt ein Verbringen in einen Warmluftofen und ein Backen für 30 Minuten bei 121°C (250°F). Danach erfolgt das Entnehmen aus dem Ofen und das vollständige Abkühlen auf Raumtemperatur vor dem nächsten Vorgang. Die Elektroden werden in einen Behälter mit leitfähiger Urethanharzmatrix getaucht. Die Elektrode muß vollständig mit Kleber bedeckt sein, ausgenommen ein verzinntes Ende. Der Tauchvorgang wird insgesamt drei Mal wiederholt. Zwischen jedem Beschichten erfolgt ein 15-minütiges Trocknen.
Die Sensorstruktur wird mittels 3M77 Sprühkleber auf MYLAR haftend angebracht. MYLAR wird leicht mit 3M77 Spray eingesprüht und auf einem gehärteten nicht-leitfähigen Urethanfilm positioniert. Mit einem Rasiermesser und gerader Kante werden Elektrodenstreifen durch die Struktur, das MYLAR und den Urethanfilm hindurch geschnitten. Die geschnittenen Streifen der gehärteten leitfä higen Urethanharzmatrix werden gedreht, so daß sie in Ausschnitte des nicht leitfähigen Urethanfilms passen. Auf das Außenende des Sensors wird ein 1,91 cm (0,75 Inch) × 4,12 cm (1,625 Inch) großes Stück nicht leitfähigen gummibeschichteten Gewebes aufgebracht, wie beispielsweise unter der Katalognummer NS1001 von B. F. Goodrich Company erhältlich. Dies verhindert, daß die verzinnten Elektroden durch die Oberfläche des leitfähigen Urethanfilms ragen. Die behandelten Graphitelektroden werden in der Mitte des leitfähigen Urethanstreifens angeordnet. Das Innenende der Elektrode wird auf Länge geschnitten. Eine Schicht aus 204/3 TEFLON Band wird über das verzinnte Ende der Elektrode mit ungefähr der gleichen Größe wie das NS1001 platziert, welches sich unter dem verzinnten Ende der Elektroden befindet. Eine zusätzliche Schicht aus nicht leitfähigem Urethanfilm wird mit der Gesamtgröße des Sensorpakets geschnitten. Die Schicht wird über das Paket gelegt und zum Härten vorbereitet. Das Paket wird bei 138°C (280°F) für 40 Minuten bei 275 kPa (40 psig) Autoklavdruck gehärtet.
Ein alternatives Herstellungsverfahren findet sich in der US-Patentanmeldung 08/437 004, eingereicht am 5. August 1995, mit dem Titel "Ice Detector", deren Offenbarung durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung wird.
Der Eisdetektor 310 kann sodann weiter zu einer Enteiseranordnung kombiniert werden oder als Eiserkennungs-"Patch-Kit" verwendet werden, das beinahe überall auf einem Flugzeug angebracht werden kann. Wenn der Eisdetektor 310 als Patch-Kit verwendet wird, ist die bevorzugte Dicke des nicht leitfähigen Patchs 1,27 mm (0,05 Inch). Ein geeigneter Verbondungskleber ist zum Verbonden des Patch-Kits mit dem Flugzeug erforderlich.
Wie 5 zeigt, weist ein pneumatisches Enteisersystem 400 eine Enteiseranordnung 410 auf, die im wesentlichen aus einem Verbund aus flexiblen Materialien besteht. Die Enteiseranordnung 410 ist einstückig mit der Tragflächenhaut 470 ausgebildet, wodurch sie die Außenkontur der Tragfläche definiert. Die Enteiseranordnung 410 ist üblicherweise an der Vorderkante der Tragfläche angeordnet und wird deshalb als Vorderkantenenteiser bezeichnet. Das bevorzugte Verfahren des Integrierens der Enteiseranordnung 410 in die Tragfläche 470 ist das Vorsehen einer Tragfläche, das Herstellen der Enteiseranordnung als separa te Einheit und das Verbonden oder Anbringen der Enteiseranordnung an der gewünschten Stelle der Tragfläche. Das bevorzugte Verbondungsmittel zum Anbringen einer Enteiseranordnung 410 an der Tragfläche 470 ist das Aufbringen eines Klebers, wie des unter der Katalognummer 1300L von 3 M hergestellten Klebers, auf beide Kontaktflächen.
Der grundlegende aufblasbare Teil der Enteiseranordnung 410 besteht aus einer Vielzahl darin ausgebildeter schlauchartiger Durchlässe 472, die im wesentlichen parallel zueinander in Längsrichtung der Tragfläche angeordnet sind. Die schlauchartigen Durchlässe dehnen sich oder werden aufgeblasen, wenn ein Druckfluid wie Luft eingeleitet wird. Sämtliche aufblasbaren schlauchartigen Durchlässe 472 stehen an einem Ende der Enteiseranordnung 410 in Fluidverbindung. Der bevorzugte Aufbau der Enteiseranordnung 410 ist ein Verbund, der von unten (der mit der Tragfläche verbondeten Seite des Materials) nach oben besteht aus: a) einer Schutzschicht 440, wie die zuvor beschriebene Schutzschicht 140; b) einer unteren Schicht oder Lage 476 aus flexiblem Material wie Neopren; c) einer ersten nicht streckbaren Zwischenschicht oder -lage 478 aus nicht streckbarem Gewebe, wie nicht streckbarem Nylon, das auf einer Seite gummibeschichtet ist; c) einer zweiten Zwischenschicht oder -lage 480 aus streckbarem Gewebe, beispielsweise streckbarem Nylon, das auf einer Seite gummibeschichtet ist; und e) einer oberen Schicht oder Lage 434 aus einem festen, jedoch biegsamen wetterundurchlässigen Material wie einem nicht leitfähigen Urethan oder Neopren. Ein Aufblasmuster wird erzeugt, indem die Nylonschichten 478, 480 in einem vorbestimmten Muster unter Verwendung eines Fadens 482 vernäht werden. Das bevorzugte Material für den Faden 482 ist Nylon oder KEVLAR. KEVLAR ist eine eingetragene Marke der E. I. DuPont de Nemours Corporation. Die Schichten 434–480 und 476–478 können miteinander verbondet werden, indem ein geeigneter Kleber verwendet wird, beispielsweise der unter der Katalognummer CHEMLOC 420 von Lord Corporation hergestellte Kleber. CHEMLOC ist eine eingetragen Marke der Lord Corporation. Das Aufblasmuster besteht aus einer Reihe von stark aufgeblasenen Bereichen oder Durchlässen 472, die durch Nähte 482 gebildet werden. Eisdetektoren 490, die den zuvor beschriebenen Eisdetektoren 110 ähnlich sind, sind in die obere Schicht 434 integriert. Die Detektoren sind als im wesentlichen in Längsrichtung verlaufend dargestellt. Ein Eisdetektor 492 ist ebenfalls in den Enteiser 410 integriert, läuft je doch im wesentlichen in Querrichtung, wie durch den Pfeil 494 dargestellt. Der Pfeil 494 zeigt ferner die Richtung der Luftströmung über den Enteiser 410. Unter bestimmten Bedingungen sammelt sich Eis 496 in Querrichtung hinter der Enteiseranordnung 410. diese Art der Ansammlung ist auf diesem Gebiet als Rücklaufeis bekannt. Es ist daher ersichtlich, daß die Eisdetektoren 492 zum Erkennen von Rücklaufeis geeignet sind. Es können selbstverständlich Enteiserfelder mit und in andere Arten von Enteisersystemen oder anderen Systemen verwendet und integriert sein.
Ein Beschleunigungsmesser, ein Bewegungssensor oder Drucksensor 460 kann ebenfalls in der Schicht 434 angeordnet sein. Diese Sensoren dienen der Erkennung der Bewegung der Schicht 434 oder des auf die Schicht 434 aufgebrachten Drucks.
Eine Enteisersteuerung 462 liefert druckbeaufschlagtes Fluid durch eine Leitung 464 an die aufblasbaren Schläuche in einer vorbestimmten Aufblasfolge.
6 zeigt eine Tragfläche 500 mit einem Enteiser 510. Mehrere Elektrodenpaare 512, 514 (die entweder im Enteiser 510 oder als Feld auf diesem angeordnet sind) sind im wesentlichen parallel zueinander in Längsrichtung angeordnet. Mehrere Elektrodenpaare 516, 518, 520 und 522 sind im wesentlichen in Querrichtung hinter dem Enteiser 510 angeordnet. Mehrere Elektrodengruppen 524, 526 sind ebenfalls im wesentlichen in Längsrichtung hinter dem Enteiser 510 angeordnet. Die Detektoren können auf eine beliebige von zahlreichen verschiedenen Arten angeordnet sein. Beispielsweise können ein oder beide Elektrodenpaare 512, 514 hinter dem Enteiser 510 angeordnet sein und ein oder mehrere Elektrodenpaare 516–522 können eher in Querrichtung weiter nach vorn angeordnet sein als hier dargestellt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner die Verwendung von Elektroden, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Tragfläche erstrecken können, wodurch es möglich ist, große Flächen mit einer einzelnen Erkennungsschaltung "abzudecken". Es sei darauf hingewiesen, daß der bevorzugte erfindungsgemäße Elektrodenaufbau Elektroden schafft, die eine Länge, Breite und Dicke haben, und bei denen die Länge der Elektroden wesentlich größer als die Breite und die Dicke ist. Die Elektroden sind an der Oberfläche der Tragfläche angeordnet, wobei die Länge der Elektroden im wesentlichen par allel zur Ebene der Tragflächenoberfläche verläuft. Zu diesem Zweck wird bevorzugt, die Elektroden in parallelen Paaren anzuordnen, wobei die Elektroden im wesentlichen rechteckigen Querschnitt (in Längen- und Breitenrichtung) und eine Länge in der Größenordnung von 12,5 cm (5 Inch), eine Breite in der Größenordnung von 2,5 mm (0,10 Inch), eine Dicke in der Größenordnung von 2,5 mm (0,10 Inch) und einen Abstand zwischen den Elektroden in einer Größenordnung von 2,5 mm (0,10 Inch) aufweisen.
7 zeigt ein Eiserkennungssystem 600 gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Treiberelektrode 602 (E4) und vier Rückkopplungselektroden 603–606 (E1, E2, E3, E5) sowie eine Schutzschicht 607 (G) aufweist, wobei die Elektroden in verschiedenen Abständen zur Treiberelektrode angeordnet sind. Ein analoger Schalter oder Multiplexer 608, der von der Steuerung 610 gesteuert ist, steuert, welche Elektroden mit einem Signalprozessor 612 verbunden werden. Eine Signalquelle/-steuerung 614 liefert ein Wechselstrom-Treibersignal an entweder die Treiberelektrode oder die Schutzschicht (die ebenfalls durch den Schalter 608 gesteuert ist). Das analoge Rückkopplungssignal der Steuerung 614 wird durch den Multiplexer 608 an eine Verstärkerschaltung 616 geliefert, welche die Amplitude des Signals einstellt. Das Analogsignal kann als Spannung oder Strom geliefert werden. Das verstärkte Signal wird einem Signalfilter 618 (vorzugsweise ein Tiefpaßfilter) zugeführt. Das gefilterte Signal wird einem Analog/Digital-Wandler 620 (A/D) zugeführt, der das Signal digitalisiert. Das digitalisierte Signal wird einer Digitaldatenspeicher- und Steuerschaltung 622 zugeführt, welche die digitalisierten Rückkopplungssignaldaten speichert. Die digitalisierten Rückkopplungssignaldaten werden sodann von einer Dateninterpretierschaltung 624 verwendet, um die gespeicherten Daten zu kompilieren, manipulieren, analysieren und zu interpretieren. Die Dateninterpretierschaltung 624 liefert Informationen an einen Piloten über ein Pilotenanzeigesystem 626. die Digitaldatenspeicher- und Steuerschaltung 622 liefert ferner Daten an eine Bereichssteuerschaltung 630, welche die Verstärkung der Verstärkerschaltung 616 wählt und steuert.
Die Dateninterpretierschaltung 624 kann als Vielzahl von Schaltungen oder Modulen beschrieben werden. Eine erste Schaltung 632 ist eine Fehlerüberwachungsschaltung, welche dem Piloten Informationen bezüglich des Eisdetektors 600 und des (in 7 nicht dargestellten) Flugzeugenteisers liefert. Eine zweite Schaltung 634 erkennt das Vorhandensein einer vorbestimmten Menge von Eis, die über den Elektroden 602 und 604 oder 606 abgelagert ist. Eine dritte Schaltung 636 erkennt das Vorhandensein von Eis über den Elektroden nachdem der Enteiser das Enteisen der Tragfläche versucht hat. Eis, das nach einem Enteisungszyklus nicht gelöst wurde, ist als Resteis bekannt. Eine vierte Schaltung 638 misst die Dicke des Eises über den Elektroden und liefert Informationen über die Dicke des Eises an den Piloten und liefert ferner Befehle an eine Enteisersteuerschaltung 640. Einer Wandlerschaltung 639 werden von der Schaltung 622 Impedanzdaten zugeführt, und die Schaltung berechnet Admittanzen aus den Impedanzdaten und liefert die Admittanzdaten an die Eisdickenschaltung 638. der Wandler 639 und die Schaltung 638 können zu einer einzelnen Schaltung kombiniert werden.
Die Fehlerüberwachungsschaltung 632 überwacht eine Anzahl von Bedingungen, beispielsweise ob die Enteisereinrichtung aufgeblasen wurde. Dies erfolgt durch Verbinden des Treibersignals mit der Schutzschicht und durch das Messen der Impedanz zwischen der Schutzschicht und den Elektroden. Wenn sich die Impedanz während eines Aufblaszyklus nicht wesentlich ändert, kann davon ausgegangen werden, daß die Enteiser nicht aufgeblasen wurden. Die Schaltung 632 prüft ferner die Integrität der Schaltungsverbindungen, der Analogschaltungen und der Digitalschaltungen.
8a zeigt eine Kurve des Stromflusses I (durch die in 2 dargestellte Schaltung und gemessen durch den erfindungsgemäßen Impedanzmessungseisdetektor) gegenüber der Eisdicke. Eine Gruppe von Kurven 60, 62, 64 gibt typische Reaktionen für drei Eisdetektoren wieder, wobei jeder Detektor zwei Elektroden aufweist, die durch einen bestimmten Abstand S₁, S₂, S₃ voneinander beabstandet sind, wobei S₃ > S₂ > S₁. Es ist ersichtlich, daß der Strom der Kurven 60, 62 und 64 bei den Werten I₁, I₂ und I₃ gesättigt sind. Die Flanken der Stromkurven sind vor dem Sättigungspegel ungefähr linear. Die Kurven 60 und 62 schneiden sich an einem Punkt 66, der mit einer spezifischen Eisdicke d₁ korreliert. Gleichermaßen korrelieren die Schnittpunkte mit spezifischen Eisdicken d₂ und d₃.
Der Deltastrom (ΔI) zwischen den Kurven 62 und 64 wird durch die Linie 72 wiedergegeben. ΔI zwischen den Kurven variiert mit der Eisdicke. Bei der Kurve 60 ergibt eine Eisdicke von d₀ einen Strompegel von I₀. Bei den Kurven 62 und 64 ergeben Eisdicken unter d₃ stets einen Stromwert für die Kurve 64 unter dem Stromwert der Kurve 62. Das Gegenteil trifft für Eisdicken über d₃ zu. Es kann eine einfache Bestimmung dahingehend erfolgen, ob die Eisdicke unter, gleich oder über d₃ liegt, indem der in der S₃ Detektorschaltung fließende Strom mit dem in der S₂ Detektorschaltung fließenden Strom verglichen wird. Bei Eisdicken über d₂ liegt der Strom in der S₁ Schaltung unterhalb des Stroms in der S₂ Schaltung.
8b zeigt eine Kurve des Stromflusses I (durch die in 2 dargestellte Schaltung und gemessen durch den erfindungsgemäßen Impedanzmessungseisdetektor) gegenüber der Eisdicke. Eine Gruppe von Kurven 80, 82 gibt typische Reaktionen für zwei Eisdetektoren wieder, wobei jeder Detektor zwei Elektroden aufweist, die durch einen bestimmten Abstand S₁, S₂ voneinander beabstandet sind, wobei S₂ > S₁. Es ist ersichtlich, daß der Strom der Kurven 80, 82 bei den Werten I₁, I₂ gesättigt sind. Die Flanken der Stromkurven sind vor dem Sättigungspegel ungefähr linear. Die Kurven 80 und 82 schneiden sich an einem Punkt 84, der mit einer spezifischen Eisdicke d₁ korreliert. Eine Gruppe von Kurven 80' und 82' zeigt eine typische Reaktion der selben Eisdetektoren S₁ und S₂, wobei die Leitfähigkeit des Eises jedoch größer als diejenige bei den Kurven 80 und 92 ist. Die Leitfähigkeit des Eises ist von den Gehalt an flüssigem Wasser im Eis abhängig. Eis mit einem höheren Gehalt an flüssigem Wasser als bei den Kurven 80, 82 (und das leitfähiger ist), ist durch die Kurven 80' und 82' wiedergegeben. Die Schnittpunkte 84 und 84' treten im allgemeinen bei der selben Eisdicke d₁ auf. Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Verbesserung gegenüber bekannten kapazitiven Eisdetektoren dahingehend dar, daß das erfindungsgemäße Dickenmeßverfahren für den Gehalt des Eises an flüssigem Wasser unempfindlich ist. Bekannte kapazitive Eisdetektoren können nasses Eis nicht messen, da die Kapazitanz zwischen den Elektroden aufgrund des geringen Widerstands zwischen den Elektroden schwer oder gar unmöglich zu messen ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Leitfähigkeit von Eis auch eine Funktion der Art der Dispersion des Wassers im Eis ist. Der zur Beschreibung der Dispersion von Wasser im Eis im folgenden verwendete Ausdruck ist Gleichmäßigkeit. Die in den 8a und 8b dargestellten Kurven variieren daher entsprechend der Gleichmäßigkeit des Eises. Die Schnittpunkte 66, 68, 70, 84 und 84' können verschoben sein, wenn das Eis nicht gleichmäßig oder nicht heterogen ist. Die erfindungsgemäßen Elektroden müssen daher für optimale Messergebnisse konfiguriert und angeordnet sein.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Schnittpunkt der Kurven S2 und S2' mit einem spezifischen Strompegel oder Schwellenwert I₅ an verschiedenen Dickenpunkten auftritt. Das geringer leitfähige Eis S2 erzeugt einen höheren Dickenwert von d₂ und das stärker leitfähige Eis S2' erzeugt einen kleineren Dickenwert d2'.
Eis kann effektiver erkannt und seine Dicke kann effektiver bestimmt werden, indem die Menge des in einer Eiserkennungsschaltung von Elektrodentyp fließenden Stroms gemessen wird. Da der Stromfluß von der Impedanz abhängig ist, betrifft die vorliegende Erfindung eine Impedanz-Eiserkennungsvorrichtung. Dieses Impedanzmeßverfahren schafft ein Eiserkennungssystem, das gegenüber bekannten Systemen erheblich vereinfacht ist, wie im folgenden näher beschrieben.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Schnittpunkt 70 auftritt, bevor beide Kurven 62 und 64 die Sättigung erreicht haben. Die Eiserkennung und -messung kann effektiv ausgeführt werden, ohne die Elektroden zu sättigen, wodurch die vorliegende Erfindung eine größere Meßflexibilität als bekannte Systeme aufweist. Bekannte kapazitive Eisdetektoren erforderten die Sättigung der Schaltung für ihre Meßverfahren, was bedeutet, daß nur eine begrenzte Zahl von Datenpunkten während eines Erkennungsabfragezyklus gesammelt werden können.
Wie in dien 7 und 8a dargestellt erkennt die Eiserkennungsschaltung 634 eine vorbestimmte Dicke d₀ von Eis über den Elektroden durch Überwachen der Amplitude des Rückkopplungsstroms I von der Signalquelle 614 und durch Bestimmen des Erreichens eines vorbestimmten Strompegels I₀.
Das Rückkopplungsstromsignal von den Elektroden liefert Daten über die Impedanz des Eises über den Elektroden. Dieses gemessene Impedanzsignal ist durch die Elektrodengeometrie, die Dicke des Eises sowie die Eigenschaften (Leitfähig keit und Struktur) des Eises und den Gehalt an Wasser im Eis beeinflußt. Ein Verfahren eine Kompensation der Leitfähigkeitsveränderungen zu erreichen, ist das Vergleichen der Signalpegel zwischen Elektroden mit unterschiedlichen Abständen. Dies kann durch Verwenden verschiedener Elektrodengeometrien und mehreren Elektroden erfolgen, die multiplexiert sind, um eine besser verständliche Beschreibung der Eisbildungen zu erreichen. Die 8a und 8b zeigen und beschreiben dieses Verfahren zum Messen der Eisdicke. Eisdickenmessungen sind durch dieses Verfahren leicht zu erhalten, wenn die Referenzfläche sauber und das Eis gut mit der Tragflächenoberfläche verbondet ist. Die Erkennung wird jedoch schwieriger, wenn das Eis nicht gleichmäßig oder von der Oberfläche gelöst oder gebrochen oder die Oberfläche nicht sauber ist. Insbesondere liefert die Verwendung des einfachen Elektrodenreaktionsvergleichs zwischen nah und weit beabstandeten Elektroden wie in Zusammenhang mit den 8a und 8b dargestellt und beschrieben schlechte Eisdickendaten während wiederholten Eisentfernungsvorgängen von einem mit Instrumenten versehenen Enteiser. Dies ist der Fall, da selbst geringe Mengen von Resteis die Anfangs- oder Referenzeinstellungen ausreichend verschieben, um die Kompensation des einfachen Verhältniskompensationsalgorithmus unwirksam zu machen.
9 zeigt eine Kurve von Admittanzdaten der Elektroden gegenüber der Zeit. Die Signalquelle 614 liefert eine Wechselspannung, vorzugsweise mit Audiofrequenz. Die durch die Rückkopplungselektroden gelieferte Reaktion wird als komplexe Impedanz gemessen, die im allgemeinsten Fall induktiv, kapazitiv oder rein resistiv sein kann, je nach der im Ausgangswiderstand R (s. 3) erfaßten Phase der Spannung und des Stroms. Die Schaltung 639 berechnet die Admittanz Y, die hier als 1/Z definiert ist, wobei Z die Gesamtimpedanz zwischen der Quelle und Rückkopplungselektroden angibt. Y1 ist der Admittanzwert von einer nah beabstandeten Elektrode und Y3 gibt den Admittanzwert von einer weit beabstandeten Elektrode wieder.
9 zeigt eine typische Admittanzreaktionskurve in bezug auf die Zeit während des Ansammelns von Eis über den Elektroden und des Anwachsens der Eisdicke. Die horizontale Skala zeigt Ansammeldauer bis 1120 Sekunden. Die Admittanzverhältnisse zur Eisdicke ist für alle Bedingungen gleich. Eine Kurve Y1 90 zeigt einen rapiden Anstieg gefolgt von Sättigung nach ungefähr 400 Sekunden. Eine Y3 Kurve 92 steigt langsamer an und kreuzt Y1 bei ungefähr 900 Sekunden. Die Differenzkurve 94 zeigt die Differenz zwischen Y1 und Y3 Signalen (Y1 – Y3 = Y13). Eine Kurve 96 zeigt die Flanke oder die Ableitung der Y13 Kurve. Die Steigungskurve 96 stellt die
dar.
Wie in den 7 und 9 dargestellt bestimmt die Eisdickenschaltung 638 die Eisdicke durch Schätzen von geeigneten Eisdickenausgängen selbst bei sich verändernden Bedingungen zwischen Eisentfernungsvorgängen, die oft verzerrte Reaktionen seitens der Elektroden umfassen. Das Arbeitsprinzip der Schaltung 638 umfaßt die Verwendung der Zeittrends, die in der Elektrodenreaktion inhärent sind, während sich das Eis unter Eisentstehungsbedingungen bildet. Die Trends werden durch Berechnen der Zeitableitung der Differenz zwischen den weit beabstandeten und den nah beabstandeten Elektroden bestimmt. Die durch die Rückkopplungselektroden gelieferte Reaktion wird als eine komplexe Impedanz gemessen, die im allgemeinsten Fall induktiv, kapazitiv oder rein resistiv sein kann, je nach der im Ausgangswiderstand R (siehe 3) erfaßten Phase der Spannung und des Stroms.
9 zeigt, daß das Maximum P0 der Kurve 96 bei einem geringen Zeitwert (ungefähr 120 Sekunden) sowie ein Nulldurchgang P2 (ungefähr 400 Sekunden) und ein Minimum P3 (ungefähr 700 Sekunden) auftritt. Diese Extreme definieren die Zeitpunkte für die maximalen Veränderungsraten, die sich bei der Kombination von Y1 und Y2 ergeben. Die Anmelderin hat herausgefunden, daß drei Extreme vorliegen, ungeachtet der Pegelveränderungen in den Y1 und Y3 Kurven. Die in Zusammenhang mit den 8a und 8b dargestellten und beschriebenen Eismeßverfahren können durch Pegeländerungen vereitelt werden. Beispielsweise zeigen die gestrichelten Linien 92' und 94' der 9, daß die Kurven Y1 und Y3 sich möglicherweise nicht schneiden. Die in Zusammenhang mit den 8a und 8b dargestellten und beschriebenen Eismeßverfahren hängen jedoch bei der Eisdickenmessung von diesen Schnittpunkten ab. Die Verwendung spezifischer Punkte (beispielsweise P0, P1, P2, P3, P4 etc.) auf der Steigungskurve 96 bietet einen Grad an Immunität gegen eine Verzerrung der Formen und Trends von Y3 und Y1, die sich aus chaotischer Eisbildung ergeben können.
Die Schaltung 638 berechnet eine Progression der Bedingungen unter Bezugnahme auf die Steigungskurve 96, um einen Zeitpunkt vorherzusagen oder zu projektieren, zu dem das angesammelte Eis eine Zieldicke erreicht. Diese projektierte Zeit kann sodann zum Auslösen des Enteiserzyklus und zum Entfernen des Eises verwendet werden. Beispielsweise kann eine Abfolge von Enteisungsprojektionen erstellt werden, wobei vorbestimmte Punkte der Steigungskurve 96 verwendet werden, die als eine Reihe von "Sicherheitsnetzen" dienen. Die bevorzugten vorbestimmten Punkte sind diejenigen, die gegen Rauschen und Verzerrungen relativ immun sind. Diese Punkte sind auf der Steigungskurve 96 als P0, P1, P2, P3 und P4 dargestellt. Jedes der aufeinanderfolgenden Sicherheitsnetze arbeitet mit einer verringerten Rate potentieller Fehler, ist jedoch nur aktiv, nachdem die genaueren (kürzeren) Zeitprojektierungen versagt haben. Eine Tabelle von mit Prioritäten versehenen projektierten Zeiten unter Verwendung vorbestimmter Schwellenpunkte ist im folgenden in der Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Eine bevorzugte Verwendung der Projektierungspunkte ist in der Tabelle 1 und der 9 dargestellt. Die erste bevorzugte Projektierung ist P0, die sich am Scheitel der Steigungsdifferenzkurve befindet. Die Tabelle 1 zeigt einen Multiplikations- oder Kalibrierungsfaktor C1 für P0. Die Zeitprojektion wird durch Multiplizieren der Zeit der Erkennung dieses Scheitelpunkts mit C1 berechnet. Wenn andere Bedingungen erkannt werden, wird diese Projektion deaktiviert. Wenn dies die einzige erkannte Bedingung ist, wird die projektierte Zeit zum Auslösen des Enteisers verwendet. In den meisten Fällen erzeugt die Ansammlung weiter die Kurven und der nächste Vorgang ist das Erkennen von P2, welches der Null durchgang der Steigungsdifferenzkurve ist. Die Tabelle 1 zeigt, daß diese einen Faktor C2 hat, der mit dem Zeitpunkt des Durchgangs multipliziert wird. P0 wird nun deaktiviert und eine kürzere Projektion ist wirksam. Der potentielle Projektionsfehler ist um 50% verringert, da die Projektionszeit um diesen Faktor verringert ist. Mit weiter fortschreitender Ansammlung durchläuft die Steigungsdifferenzkurve ein Minimum P3. Wird dieses erkannt, wird P2 deaktiviert und eine Projektionskonstante C3 wird zum Definieren einer kürzeren Projektion verwendet. Der Fehler wird weiter verringert. Schließlich wird P4 erreicht. Dieser ist als der Zeitpunkt bestimmt, zu dem die Amplitude der Steigungsdifferenzkurve um einen Prozentsatz gegenüber der bei P3 erreichten maximalen Größe geringer ist. Wird diese Bedingung festgestellt, wird der Enteiser unmittelbar ohne eine Zeitprojektion ausgelöst. Es ist ersichtlich, daß P3 eng dem Kreuzen der Signale Y1 und Y3 entspricht.
Die 10, 7 und 9 sowie die Tabelle 1 beziehen sich auf ein Flußdiagramm, das die Funktionsweise der Eisdickenschaltung 638 unter Verwendung der Schwellenwerte P0–P4 beschreibt und einen ersten Schritt 650 umfaßt, in dem ein Treibersignal an die Treiberelektrode geliefert wird und das Rückkopplungssignal durch Rückkopplungselektroden durch Schalten zwischen diesen mittels eines Multiplexers 608 überwacht. In einem nächsten Schritt 652 wird die Admittanz Y der Elektrodenschaltungen berechnet. Ferner werden Y1–Y3 und die Ableitung von Y1–Y3 berechnet, wiedergegeben durch d/dt (Y1–Y3). Die Zeit vom Start des Zyklus an wird konstant überwacht.
In einem nächsten Schritt 654 wird bestimmt, ob die Ableitung des Y1–Y3 Signals ein Maximum erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, wird die Admittanz Y1 im Schritt 652 weiter überwacht. Wenn sie ein Maximum erreicht hat, wird im Schritt 656 festgestellt, ob die gegenwärtige Zeit T gleich C1-mal der Zeit ist, die Y1 zum Erreichen von X1 benötigte. Ist T gleich C1-mal der Zeit, die Y1 zum Erreichen von X1 benötigte, wird der Enteiser ausgelöst oder betrieben, um im Schritt 658 Eis abzulösen.
Wenn die Bedingung im Schritt 656 nicht erfüllt wird, wird im Schritt 660 festgestellt, ob die Ableitung des Y1–Y3 Signals gleich null ist. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, wird der Schritt 656 erneut ausgeführt. Wenn die Ableitung des Y1– Y3 Signals einen Nulldurchgang durchgeführt hat, wird in einem nächsten Schritt 662 festgestellt, ob die gegenwärtige Zeit T gleich C2-mal der Zeit ist, welche die Ableitung des Y1–Y3 Signals benötigte, um gleich null zu sein. Wenn T gleich C2-mal der Zeit ist, welche die Ableitung des Y1–Y3 Signals benötigte, um gleich null zu sein, wird der Enteiser im Schritt 658 ausgelöst.
Wenn die Bedingung in Schritt 662 nicht erfüllt wird, wird im nächsten Schritt 664 festgestellt, ob die Ableitung des Y1–Y3 Signals ein Minimum erreicht hat. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird, wird die Abfrage von Schritt 662 erneut ausgeführt. Wenn die Bedingung erfüllt wird, wird in einem nächsten Schritt 666 festgestellt, ob die gegenwärtige Zeit T gleich C3-mal der Zeit ist, die die Ableitung des Y1–Y3 Signals zum Erreichen des Minimums benötigte.
Wenn die Bedingung des Schritts 666 erfüllt ist, wird der Enteiser ausgelöst. Wenn die Bedingung des Schritts 666 nicht erfüllt ist, wird im nächsten Schritt 668 festgestellt, ob die Ableitung des Y1–Y3 Signals einen vorbestimmten Pegel X4 erreicht hat. Wird diese Bedingung erfüllt, wird der Enteiser im Schritt 658 ausgelöst. Wenn nicht, wird die Abfrage des Schritts 666 erneut ausgeführt.
Es ist ersichtlich, daß das vorhergehende Prioritäts-/Projektiersystem, das primär aus der Ableitungskurve abgeleitet ist, die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens eines Schwellensignals zum Aktivieren des Enteisers bei einer vorbestimmten Eisdicke erhöht. Wenn durch Verzerrungen ein Teil der Struktur und einige der Spitzen zunichte gemacht werden, werden weiterhin Nulldurchgänge oder Minimumschwellenbedingungen erzeugt.
Die Kurven 92' und 94' können erzeugt werden, indem ein geringer Abweichungsbetrag zu Y3 addiert wird. Es ist ersichtlich, daß Y3 möglicherweise Y1 niemals schneidet (was R₀ = 1 ergibt) und ein einfacher Verhältnisalgorithmus bei keiner Dicke einen Schwellenwert erzeugt. Dieses Beispiel ist nicht willkürlich oder unrealistisch. Es wird in der Tat eine sehr geringe Verzerrung durch eine geringe Abweichungsänderung von Resten erzeugt, die nach einem Eisentfernungszyklus verbleiben. Oft erzeugt die Abweichung dramatische Auswirkungen auf Y3. sie steigt selbst zu Beginn der nächsten Ansammlung höher als Y3. Obwohl Y1 nie Y3 schneidet, ergibt die Differenzberechnung der Kurve 96 ein Schneiden ohne Projektionsfehler bei einer Dicke, die in einem normalen Dickenbereich zwischen 0,25 und 0,5 Inch liegt. Selbst in diesem extremeren Fall liefert das Differenzverfahren einen Schwellenwert im nutzbaren Bereich ohne einen Projektionsfehler, vorausgesetzt, es liegt keine zusätzliche Verzerrung vor. Wenn eine Verzerrung eine oder mehrere der Bedingungen zunichte machen, bewegt sich der Algorithmus durch die Sicherheitsnetze. Die vorliegende Erfindung nimmt daher die beste Schätzung der Eisdicke vor, selbst wenn die Signalqualität durch das zunehmende Chaos der Eisbildung fortschreitend verloren geht.
Die Eisdickenschaltung 638 ist daher eine Vorhersage-/Projektionsschaltung, die basierend auf dem Signal der Rückkopplungselektroden vorhersagt, wann die Enteiser betätigt werden sollen.
Nach 7 kann die Resteisschaltung 636 die Menge von Resteis auf dem Enteiser nach einer Lösesequenz auf mehrere Weisen bestimmen.
Ein verfahren zum Erkennen von Resteis ist das Überwachen der Veränderung der Impedanz zwischen den Elektroden nach aufeinanderfolgenden Enteisungssequenzen, wie für die Eiserkennungsschaltung 634 beschrieben. Wenn die Impedanz zwischen den Elektroden nach einer bestimmten Enteisungssequenz größer als ein vorbestimmter Wert ist, wird dem Piloten das Resteisproblem mitgeteilt.
11 zeigt ein Flußdiagramm einer Resteiserkennungssequenz, die mit dem Schritt 710 beginnt, in dem eine Messung der Ausgangsimpedanz Z₀ über die Elektroden erfolgt. Der Enteiser wird sodann im Schritt 712 aktiviert, um Eis abzulösen. Nach der Enteiseraktivierung mißt der Schritt 714 erneut die Impedanz Z_N über die Elektroden. Im Schritt 716 wird sodann festgestellt, ob Z_N größer ist als der vorbestimmte Wert X. Wenn ja, wird der Pilot im Schritt 718 benachrichtigt und der Enteiser wird sodann im Schritt 712 erneut aktiviert.
12 zeigt ein Flußdiagramm einer Resteiserkennungssequenz, die mit dem Schritt 720 beginnt, in dem eine Messung der Ausgangsimpedanz Z₀ über die Elektroden erfolgt. Der Enteiser wird sodann im Schritt 722 aktiviert, um Eis abzulösen. Nach der Enteiseraktivierung mißt der Schritt 724 erneut die Impedanz Z_N über die Elektroden. Im Schritt 726 wird sodann festgestellt, ob Z_N–Z₀ größer ist als der vorbestimmte Wert X. Wenn ja, wird der Pilot im Schritt 728 benachrichtigt und der Enteiser wird sodann im Schritt 722 erneut aktiviert. Wenn nicht, wird der Enteiser im Schritt 730 aktiviert. Nach dem Aktivieren wird im Schritt 732 erneut die Impedanz Z_N–1 über die Elektroden. Im Schritt 736 wird sodann festgestellt, ob Z_N–1–Z_N größer ist als der vorbestimmte Wert Q. Wenn ja, wird der Pilot im Schritt 728 benachrichtigt und der Enteiser wird sodann im Schritt 722 erneut aktiviert. Wenn nicht, wird Z im Schritt 736 auf Z_N zurückgesetzt. Z wird im Schritt 732 erneut gemessen.
Die 5, 7 und 13 zeigt ein anderes Verfahren für die Schaltung 636 zum Bestimmen des Vorhandenseins von Resteis über den Elektroden, bei dem die Kapazitanz zwischen den Elektroden 490 und der Schutzschicht 440 (5) durch Verbinden des Treibersignals mit der Schutzschicht überwacht wird. 13 zeigt eine Kurve der Umkehr der Kapazitanz zwischen den Elektroden 490 und der Schutzschicht 440 über die Zeit beim Aufblasen eines pneumatischen Enteiserfelds 410. Die Kurve 740 zeigt einen Enteiser ohne darauf befindlichem Eis oder Resteis. Die Kurve 742 gibt einen Enteiser mit darauf befindlichem Eis wieder, das mit der Enteiserfläche gut verbondet ist. Wie in 13 ersichtlich, hat die Kurve 742 eine Stufenfunktion. Die Schaltung 636 kann daher die Form der inversen Kapazitanzkurve beim Aktivieren des Enteisers überwachen. Die entstehende Kurve bestimmt die Eisbildungsbedingung.
14 zeigt das erfindungsgemäße Eiserkennungssystem, das zwei Elektroden 810 aufweist, die im Längsrichtung angeordnet sind (so daß die wesentliche Länge der Elektroden in der sich in die Figur erstreckenden Ebene befindet) und nahe oder an der Stagnationslinie 812 der Tragfläche 814 vorgesehen sind. Die Elektroden 810 dienen dem Erkennen des Vorhandenseins oder des Ansammelns von trocken wachsendem Eis oder Raueis 830 auf der Tragfläche. Elektrodenpaare 816, 818 sind ähnlich dem Elektrodenpaar 180 angeordnet, befinden sich jedoch in einem vorbestimmten Abstand in Querrichtung von der Stagnationslinie 812, um das Vorhandensein oder das Ansammeln von naß wachsendem, glattem oder Spitzen aufweisendem Eis 832 auf der Tragfläche zu erkennen. Alternativ kann eine Elektrode 840 nahe der Stagnationslinie angeordnet sein, die mit zwei Elektroden 842, 844 verbunden ist, welche von der Stagnationslinie entfernt an geordnet sind, um das Vorhandensein von naß wachsendem Eis 832 zu erkennen. Elektroden 820, 822 sind in Querrichtung angeordnet (so daß die wesentliche Länge der Elektrode in der Ebene der Figur liegt) und sind mit einem vorbestimmten Abstand in Querrichtung von der Stagnationslinie 812 vorgesehen, um das Vorhandensein oder das Ansammeln von rücklaufendem Eis festzustellen. Die Elektroden 820, 822 müßten vermutlich zumindest teilweise hinter einer Enteiservorrichtung auf einer Tragfläche angeordnet sein. Da die Stagnationslinie 812 sich mit der Tragflächenkonfiguration und dem Angriffswinkel verändert, muß die exakte Position der Elektroden für verschiedene Tragflächen und Betriebscharakteristiken optimiert werden.
Die 15 zeigt ein erfindungsgemäßes Eiserkennungssystem, das mehrere Elektroden 850–858 aufweist, die in Längsrichtung angeordnet sind (so daß die wesentliche Länge der Elektrode in der sich in die Figur erstreckenden Ebene liegt) und nahe oder an der Stagnationslinie 812 der Tragfläche 814 vorgesehen sind. Die Elektroden 850–858 dienen dem Erkennen des Vorhandenseins oder des Ansammelns von Eis auf der Tragfläche. Messungen von der Elektrode 854 zu den Elektroden 852 und 856 erkennen das Vorhandensein von Raueis 830. Messungen von der Elektrode 854 zu den Elektroden 850 und 858 erkennen das Vorhandensein von Glatteis 832. Alternativ kann die Messung von der Elektrode 854 zu 850, 852, 856 und 858 gleichzeitig erfolgen.
16 zeigt unter Bezugnahme auf ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung eine andere Kurvendarstellung typischer Admittanzdaten von den Elektroden über die Zeit. Die zum Erhalten von Eis- oder anderen Verunreinigungsdickeninformationen verwendete schematische Schaltung ist in 3 dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß andere Schaltungen verwendet werden können, um Impedanzdaten zwischen einer Treiberelektrode und zwei unterschiedlich beabstandeten Rückkopplungselektroden zu erhalten. Eine Variante besteht darin, daß das Signal der Rückkopplungselektroden unter Verwendung eines dargestellten Schalters gleichzeitig anstatt seriell überwacht wird. Eine andere Variante besteht darin, das Treibersignal auf verschiedene Elektroden zu schalten, anstatt eine einzelne Treiberelektrode zu verwenden, wie dargestellt. In 3 liefert die Signalquelle 122 eine Wechselspannung, vorzugsweise mit einer Audiofrequenz. Eine Signalverarbeitungsschaltung 130 wird zum Kompilieren, Manipulieren, Konditionieren, Analysieren und Interpretieren von Impedanzdaten über die Treiber- und Rückkopplungselektrodenpaare verwendet. Die durch die Rückkopplungselektroden gelieferte Reaktion wird als komplexe Impedanz gemessen, die im allgemeinsten Fall induktiv, kapazitiv oder rein resistiv sein kann, je nach der im Ausgangswiderstand R (s. 3) erfaßten Phase der Spannung und des Stroms. Die Signalverarbeitungsschaltung 130 (3) berechnet die Admittanz Y, die hier als 1/Z definiert ist, wobei Z die Gesamtimpedanz zwischen der Quelle und Rückkopplungselektroden angibt. Y1 ist der Admittanzwert von einer nah beabstandeten Elektrode und Y3 gibt den Admittanzwert von einer weit beabstandeten Elektrode wieder.
16 zeigt eine typische Admittanzreaktionskurve in bezug auf die Zeit während des Ansammelns von Eis über den Elektroden und des Anwachsens der Eisdicke. Die horizontale Skala zeigt die Ansammeldauer. Die vertikale Skala zeigt die Admittanz zwischen den Treiber- und den Rückkopplungselektroden. Die Admittanzverhältnisse zur Eisdicke sind für alle Bedingungen generisch. Eine Kurve Y1 920 zeigt einen rapiden Anstieg gefolgt von Sättigung. Eine Y3 Kurve 922 steigt langsamer an und kreuzt Y1.
17 zeigt eine Differenzkurve 902 (DIFF E1–E3), welche die Differenz zwischen Y1 und Y3 Signalen der 16 darstellt. Eine Kurve 900 zeigt die Flanke oder die Ableitung der DIFF E1–E3 Kurve 902. Die Kurve 96 stellt die R = ΔY13(N) – ΔY13(N–1) Gleichung 2oder eine Flanke von (Y1–Y2) dar.
Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Signalverarbeitungsschaltung 130 (3) die Eisdicke bestimmen, indem sie geeignete Eisdickenausgangssignale selbst bei sich verändernden Bedingungen zwischen Eisentfernungsvorgängen schätzt, die oft verzerrte Reaktionen von den Elektroden enthalten. Diese sich verändernden Bedingungen umfassen den variablen Gehalt des Eises an flüssigem Wasser und vorübergehende Wolken sowie Eisbildungsbedingungen. Der alternative Betrieb der Schaltung 130 sieht ebenfalls die Verwendung von in den Elektrodenreaktionen inhärenten zeitlichen Trends beim Anwachsen der Eisansammlung vor. Zeitlich bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Eisinformationen über einen bestimmten Zeitraum analysiert werden. Die Trends werden bestimmt, indem die zeitliche Ableitung der Differenz zwischen den weit und den eng beabstandeten Elektroden berechnet wird. Die durch die Rückkopplungselektroden gelieferte Reaktion wird als komplexe Impedanz gemessen, die im allgemeinsten Fall induktiv, kapazitiv oder rein resistiv sein kann, je nach der im Ausgangswiderstand R (s. 3) erfaßten Phase der Spannung und des Stroms.
17 zeigt eine Reaktion beim Ansammeln oder Zunehmen von Eis über den Elektroden über die Zeit und fünf abwechselnd erkennbaren Prioritätspunkten auf der Kurve 900. Die vertikale Skala zeigt die über die Elektroden gemessene Admittanz. Die horizontale Skala zeigt die Echtzeit des Ansammelns. Die maximale Sollmenge des Zuwachses vor dem Auslösen des Enteisers ist mit 1,25 cm (0,5 Inch) bestimmt. Die zum Erreichen der Solleisdicke kann je nach den Testbedingungen stark variieren. Dennoch treten die selben Admittanzverhältnisse bei Eisdicken von ungefähr 1,25 cm (0,5 Inch) Dicke auf. Eine einzige Kurve bezogen auf die Eisdicke ist daher für alle Bedingungen generisch. Ein Eisansatzpunkt P0 (904) wird erkannt, wenn die Kurve 900 zuerst über einen vorbestimmten Admittanzwert steigt. Danach folgt ein Maximalpunkt oder eine Spitze P1 (906), ein Plus-Minus-Nulldurchgangspunkt P2 (908), ein Minimalpunkt oder eine Spitze P3 (910), ein Minus-Plus-Nulldurchgangspunkt P4 (912) und ein zweiter Spitzenpunkt P5 (914). Diese Prioritätspunkte dienen dazu, dem Piloten eine Anzeige zum Betätigen der Enteisereinrichtung zu geben. Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle der Admittanz die Impedanz zum Erstellen von Prioritätspunkten verwendet werden kann.
Der Eisansatz ist als die Verringerung der Impedanz an einer bestimmten Elektrode auf einem bestimmten Enteiser definiert. Eine festgelegte Impedanz und ein Außenlufttemperaturwert wurde für den Eisansatz eingestellt (siehe Tabelle 2). Dieser Auslösepegel wird durch "Icing Wing Tunnel"-Tests (IWT) und Flugtests unter natürlichen Eisbildungsbedingungen bestimmt. Eine Eis-Lampe leuchtet auf, um dem Piloten anzuzeigen, daß sich eine geringe Menge Eis auf der Tragfläche angesammelt hat.
Die Priorität P1 ist als die höchste Spitze oder das größte lokale Maximum der Steigungs-(DIFF)-Kurve 900 definiert, bei dem sich eine definierte tote Zone zeigt. Dieses Maximum muß einen positiven Wert haben und sich von einer zu nehmenden zu einer abnehmenden Funktion verändern. Die tote Zone ist ein vorbestimmter fester Wert (siehe Tabelle 1) aus einer Datenbank. Ein Totzonengrenzwert dient dem Verhindern von vorzeitigen Prioritäten P1, die durch Rauschen aus dem System oder seitens externer Quellen bewirkt werden könnten.
Die Priorität P2 ist als die Steigungs-(DIFF)-Kurve definiert, welche die Nullebene von positiv nach negativ kreuzt.
Die Priorität P3 ist als ein lokales Minimum der Steigungs-(DIFF)-Kurve definiert. Das Minimum muß einen negativen Wert haben und sich von einer abnehmenden Funktion zu einer zunehmenden Funktion verändern.
Die Priorität P4 ist als die Steigungs-(DIFF)-Kurve definiert, welche die Nullebene von negativ nach positiv kreuzt.
Die Priorität P5 ist als lokales Maximum in der Steigungs-(DIFF)-Kurve definiert. Dieses Maximum muß einen positiven Wert haben und sich von einer zunehmenden zu einer abnehmenden Funktion ändern.
Die Anwendung der Prioritätspunkte (P0, P1, P2, P3, P4 und P5) auf die Steigungs-(DIFF)-Kurve 900 schafft einen Grad an Unempfindlichkeit gegen Verzerrungen der Form und der Trends in Y3 und Y1 (in 16 dargestellt), die aus chaotischer Eisbildung folgen können.
Die Schaltung 130 berechnet eine Progression der Bedingungen basierend auf der Steigungskurve 900 und den entsprechenden Prioritätspunkten P1–P5, um einen Zeitpunkt vorherzusagen oder zu projektieren, zu dem das angesammelte Eis eine Solldicke erreicht hat. Diese projektierte Zeit kann dann zum Auslösen des Enteiserzyklus und zum Entfernen des Eises verwendet werden. Beispielsweise kann eine Abfolge von Enteisungsprojektionen unter Verwendung vorbestimmter Punkte auf der Steigungskurve 900 erstellt werden, um als eine Reihe von "Sicherheitsnetzen" zu dienen. Die bevorzugten vorbestimmten Punkte sind diejenigen, die gegenüber Rauschen und Verzerrungen relativ immun sind. Derartige Punkte sind auf der Steigungskurve 900 als P0, P1, P2, P3, P4 und P5 dar gestellt. Eine Tabelle von mit Priorität versehenen projektierten Zeiten unter Verwendung vorbestimmter Schwellenwertpunkte ist in Tabelle 2 dargestellt.
Die Tabelle 2 führt ferner ein prozentuales Zunahmeverhältnis (PAR) für jede Priorität auf. Das PAR ist durch die Menge der Veränderung in Z3 (E3) gegenüber einer festen Variablen in der Datenbank definiert. Der tatsächliche Impedanzwert (E3) wird durch den Datenbank-Impedanzwert (E3 ref) oder (Zunahmesensor/Zunahmereferenz) dividiert. Eine minimale Änderung muß vor oder gleichzeitig mit dem Abschluß einer definierten Prioritätszeitprojektion erreicht werden (siehe Tabelle 1). Dieses Zunahmeverhältnis versieht den Algorithmus nicht nur mit einem auf der Zeit basierenden Signal, sondern mit einem auf einem Ereignis basierenden Signal. Erst wenn die beiden Signale ihre jeweiligen definierten Kriterien erfüllt haben, leuchtet die "Enteisen"-Lampe und gibt dem Piloten die Anweisung, das Flugzeug zu enteisen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Tabelle 2 ungefähre bevorzugte minimale Prioritätsverzögerungswerte (C_N), minimale PAR-Werte (E3/E3 ref), minimale Eisansatzimpedanzwerte (E1), minimale Totzonenadmittanzwerte, minimale Zunahmereferenzimpedanzwerte E3ref und minimale Restimpedanzwerte (E2–E1) für die vorliegende Erfindung anführt. Diese Werte dienen jedoch lediglich Beispielzwecken und sind nicht einschränkend zu verstehen, da jedes System individuelle optimale Parameter haben kann.
Die erste Vorzugsprojektion P0 ist ein minimaler oder Schwellenadmittanzwert gekoppelt mit einer minimalen oder Außenluftschwellentemperatur. Eine Algorithmusuhr zum Liefern der Deltazeiten für die Zeitprojektionen des Algorithmus wird bei P0 gestartet (Eisansatz). Die Tabelle 2 zeigt einen Prioritätsverzögerungsfaktor C0 für den Prioritätspunkt P0. Wenn nur P0 aufgetreten ist, ist die Zeitprojektion C0. diese Zeitprojektion wird zusammen mit einem erforderlichen Zunahmeprozentverhältnis verwendet, um eine "Enteisen"-Lampe im Cockpit aufleuchten zu lassen. Wenn P0 die einzige erkannte Prioritätsbedingung ist, wird die "Enteisen"-Lampe nach Ablauf der C0 Projektionszeit aktiviert.
Wenn sich Eis weiter ansammelt, tritt P1 auf und eine zweite Zeitprojektion für P1 wird durch Multiplizieren des Zeitpunkts des Erkennens von P1 mit einem Prioritätsverzögerungsfaktor C1 (oder Projektionskonstanten) berechnet. P0 wird nun deaktiviert und eine kürzere Projektion ist wirksam. Wenn nach P1 andere Prioritätsbedingungen erkannt werden, wird P1 deaktiviert. Wenn P1 die letzte erkannte Bedingung ist, wird dessen projektierte Zeit zum Betätigen der "Enteisen"-Lampe nach dem Ablauf der projektierten Zeit verwendet und PAR wird aktiviert. In den meisten Fällen erzeugt die Zunahme weiterhin die Kurven und die nächste Aktion ist das Erkennen von P2. die Tabelle 2 zeigt, daß die Zeitprojektion von P2 durch Multiplizieren eines Prioritätsverzögerungsfaktors C2 mit der seit dem Eisansatz bis P2 vergangenen Zeit berechnet wird. Die Zeitprojektion für P1 ist nun deaktiviert und eine kürzere Zeitprojektion ist wirksam. Der potentielle Projektionsfehler ist verringert, da die Projektionszeit um diesen Faktor verringert ist. Mit fortschreitender Zunahme des Eises geht die Kurvendifferenz durch P3. wenn dies erkannt wird, wird die Priorität P2 deaktiviert und eine Projektionskonstante C3 zum Definieren einer noch kürzeren Projektionszeit (C3*Δt₃) verwendet. Der Fehler wird weiter verringert. Mit fortschreitender Eiszunahme geht die Differenzkurve durch P4. wird dies erkannt, wird die Priorität P3 deaktiviert und eine Projektionskonstante C4 wird verwendet, um eine noch kürzere Projektionszeit (C4*Δt₄) zu definieren. Der Fehler wird weiter verringert. Schließlich wird P5 erreicht und die Priorität P4 wird deaktiviert, und es wird eine Projektionskonstante C5 zum Definieren einer noch kürzeren Projektionszeit (C5 *Δt₅) verwendet. Es ist aus der Tabelle 2 ersichtlich, daß, da die bevorzugte C5 gleich eins ist, der Enteiser unmittelbar ohne weiteren Zeitablauf ausgelöst wird.
Es ist ersichtlich, daß das vorstehende Prioritäts-, Zeitprojektions- und erforderliche Zunahme-System, das von der Steigungs-(DIFF)-Kurve abgeleitet ist, die Möglichkeit des Erzeugens eines Schwellensignals zum Aktivieren der "Enteisen"-Lampe bei einer vorbestimmten Eisdicke erhöht. Wenn Verzerrungen einen Teil der Struktur zerstören und einige der Spitzen verloren gehen, werden Nulldurchgänge oder Minimumschwellenbedingungen weiter erzeugt, wenn auch mit Fehlern, die bei einer Verschlechterung der Verzerrung stärker werden.
Ein anderer bei der vorliegenden Erfindung berücksichtigter Faktor ist Resteis. Resteis ist durch eine spezifische Menge an Eis definiert, die nach einem Enteisungszyklus verbleibt. Der Pegel, auf den der Resteislampenpegel eingestellt ist (siehe Tabelle 2) basiert auf "Icing Wind Tunnel" (IWT) Tests und tatsächlichen Eisbildungs-Flugdaten. Wenn der Resteispegel überschritten wird, leuchtet im Cockpit eine "Resteis"-Lampe auf.
Wie in 18 dargestellt, wird das zuvor beschriebene System zum Aktivieren von Lampen für den Piloten (die Crew) eines Flugzeugs verwendet. Eine typische Anzeigetafel 920 ist im Cockpit angeordnet. Die Eisansatzpriorität dient dem Aktivieren der "Eis"-Lampe 922. Dies dient als Warnung an die Crew, daß sich Eis über den Sensoren und der Enteiserfläche zu bilden beginnt. Die Sensoren sind um die Stagnationslinie der Tragfläche angeordnet. Dies ist die Stelle der maximalen Ansammlungseffizienz des Eises auf der Tragfläche und ist damit die erste Stelle, an der sich Eis während des Flugs bildet. Eine andere Lampe 924 ist mit "Enteisen" bezeichnet und leuchtet, wenn eine Zeitprojektion abgeschlossen ist und das jeweilige PAR vorliegt. Mit fortschreitender Bildung (Dickenzunahme) von Eis gibt diese Lampe der Crew zur geeigneten Zeit den Hinweis, die pneumatischen Enteiser zu aktivieren (aufzublasen). Diese Funktion ist wichtig, da eine vorzeitige Aktivierung der pneumatischen Enteiser zu einem schlechten Ablösen führt, und ein zu langes Warten aerodynamische Nachteile, wie übermäßigen Luftwiderstand, bewirken kann, wodurch die Fluggeschwindigkeit abnimmt. Es ist erwünscht, die "Enteisen"-Lampe zu aktivieren, wenn die Eisdicke einen nominellen Wert von 0,5 Inch erreicht. Eine "Resteis"-Lampe 926 warnt den Piloten nach einer Enteiserbetätigung (Aufblasen), wenn nicht ausreichend Eis entfernt wurde. Eine "Enteiser"-Lampe 928 gibt dem Piloten an, daß der Enteiser nicht ordnungsgemäß aufgeblasen wird. Ein Enteiserfehler wird erkannt, indem die Schutzelektrode getrieben und eine Veränderung in der Impedanz der Rückkopplungselektroden während des Aufblasens erkannt wird. Bei jedem Aufblasen sollte ein geeigneter Anstieg der Impedanz über die Elektroden auftreten. Wenn die Mindestveränderung der Impedanz nicht erkannt wird, wird die Enteiser-Lampe 928 aktiviert. Eine "Detektor"-Lampe 930 warnt den Piloten vor Fehlern im Eisdetektor. Ein Fehler wird angenommen, wenn der Detektorsignalprozessor entweder einen Kurzschluß oder einen offenen Kreis in den Elektrodenschaltungen erkennt.
Unter Bezugnahme auf 19, 17 und die Tabelle 2 wird ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Eiserkennungssystems beschrieben, bei dem der Signalprozessor 120 von 3 von den Elektroden gelieferte Daten verarbeitet. Das Flußdiagramm der 19 faßt den allgemeinen Betrieb des Si gnalprozessors 130 zusammen. In einem ersten Schritt 860 wird die Anwendung gestartet. Im Schritt 862 erfaßt der Prozessor 130 Impedanzdaten von den Elektroden und Außenlufttemperaturmessungen von einer (nicht dargestellten) Temperatursonde. Im Schritt 863 wird festgestellt, ob die Eisbildung einsetzt. Die Eisansatzbedingung wird durch einen vorbestimmten Impedanzpegel über die Elektroden und einen vorbestimmten Außenlufttemperaturmeßwert ausgelöst. Wenn entweder die Impedanz oder die Temperatur über ihren spezifizierten Werten liegt, ist die Eisansatzbedingung nicht erfüllt. Im Schritt 864 wird festgestellt, ob die Enteiser aktiviert wurden. Wenn die Enteiser eingeschaltet wurden, wird im Schritt 866 festgestellt, ob die Enteiser korrekt aufgeblasen wurden. Im nächsten Schritt 868 wird festgestellt, ob Resteis auf dem Enteiser vorhanden ist. Das Resteis wird durch Messen der Impedanz über die Elektroden auf einen Mindestwert hin festgestellt. Liegt die Impedanz unter einem vorbestimmten Wert, wird Resteis angenommen. Im Schritt 870 wird die Cockpitanzeige aktualisiert, um die zuvor festgestellten Bedingungen anzuzeigen.
Wenn im Schritt 864 festgestellt wurde, daß die Enteiser nicht aktiviert wurden, wird im Schritt 865 festgestellt, ob die Eisansatzbedingung erfüllt ist. Wenn ein Eisansatz nicht zutrifft, wird das Aufblasen der Enteiser im Schritt 866 geprüft. Wenn die Eisansatzbedingung oder -Priorität gegeben ist, wird im Schritt 872 abgefragt, ob dies ein neuer Eiserkennungszyklus ist. Wenn ein neuer Zyklus vorliegt, wird der Zyklusinitialisierungsschritt 874 abgeschlossen. Der Initialisierungsschritt setzt das System für einen neuen Zyklus zurück. Rücksetzen bedeutet in diesem Fall, daß der Zykluszeitzähler rückgesetzt wird, Filter gelöscht werden, die Priorität auf Eisansatz rückgesetzt wird, PAR rückgesetzt wird und die Zeitprojektionsberechnung rückgesetzt wird.
Im nächsten Schritt 876 werden die im Schritt 862 erfaßten Datensignale konditioniert und beim Berechnen der Steigungsdifferenzkurve 900 von 17 verwendet. Das Konditionieren des Datensignals schließt Verfahren ein, die dem Fachmann bekannt sind, beispielsweise das Umwandeln des Impedanzsignals in ein Admittanzsignal, das Normalisieren der Werte durch Entfernen von Offsets, das Filtern des Signals durch ein Bandpaßfilter, das Anwenden einer Verstärkung auf das normalisierte gefilterte Signal und das Aktualisieren der Zustandstabellen mit dem konditionierten Signal.
Sobald das Datensignal konditioniert wurde, werden im Schritt 878 das Y1–Y3 Differenzsignal oder die Differenzkurve 902 und die Steigungsdifferenzkurve 900 berechnet.
Nachdem die Differenzkurve und die Steigungsdifferenzkurve erstellt wurden, wird im Schritt 880 festgestellt, ob eine Mindestmenge von Datenabtastungen im Schritt 862 erfaßt wurde. Wenn die Mindestzahl von Abtastungen nicht gesammelt wurde, wird der Datenerfassungschritt 862 erneut begonnen. Wenn ausreichend Abtastungen im Schritt 880 gesammelt wurden, tastet im Schritt 882 die Steigungsdifferenzkurve ab, um zu sehen, ob und welche der Prioritäten P1–P5 eingetreten ist.
Sobald die höchste erreichte Priorität festgestellt wurde, wird im Schritt 884 festgestellt, ob die Zeitprojektion für die höchste erreichte Priorität abgelaufen ist und ob das erforderliche Mindest-PAR erreicht wurde.
Im Schritt 870 wird sodann die Anzeige aktualisiert, um den Zustand der Eisansammlung dem Piloten anzuzeigen. Wenn sowohl die Zeitprojektion, als auch das Mindest-PAR überschritten wurden, wird im Schritt 870 die Enteisen-Lampe in der Anzeige aktiviert. Die Enteisen-Lampe zeigt dem Piloten an, daß er die Enteiser zum Lösen von Eis aktivieren sollte. Wenn die Bedingungen der Zeitprojektion oder des Mindest-PAR nicht erfüllt wurden, wird die Enteisen-Lampe nicht aktiviert.
20 ist eine weiterführende Darstellung des Abtastprioritätsschritts 882. Im Schritt 882a erfolgt der Eintritt in den Schritt 882 und wenn im Schritt 866 der Eisansatz eingetreten ist, wird der Schritt 882b ausgeführt, um festzustellen, ob eine Spitze P1 im Steigungsdifferenzsignal 900 aufgetreten ist und ob die Spitze P1 größer als ein vorbestimmter Totbandwert ist. Wenn die Spitze größer als der Totbandwert ist, wird die Priorität auf diese Spitze P1 im Schritt 882c eingestellt. Wenn die Spitze nicht größer als der vorbestimmte Totbandwert ist, wird die Routine 882 verlassen und es erfolgt die Rückkehr zu Schritt 884 in 19. wenn im Schritt 882a festgestellt wird, daß die Priorität auf P1 eingestellt wurde, wird im Schritt 882d festgestellt, ob eine höhere Spitze als die Spitze P1 erkannt wurde. Wenn ja, wird im Schritt 882e die Δt1 Zeit der Tabelle 2 auf die neue Zeit der neuen Spitze P1 zurückgesetzt.
Im Schritt 882f wird festgestellt, ob das Steigungsdifferenzsignal 900 einen Plus-Minus-Nulldurchgang P2 durchgeführt hat. Wenn nicht, kehrt die Prioritäteneinstellroutine 992 ohne das Einstellen der Priorität auf P2 zurück. Wenn im Schritt 882f erfolgte, wird die Priorität im Schritt 882g auf P2 eingestellt.
Wenn im Schritt 882a eine Spitze P5 zuvor erkannt wurde, wird die Priorotätseinstellroutine verlassen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung unter Verwendung analoger Schaltungen, gewidmeter digitaler Schaltungen, eines Softwareprogramms oder einer Kombination derselben unter Verwendung bekannter Schaltungsdesigns ausgeführt werden kann. Die Äquivalenz zwischen analog, gewidmet digital und Software ist (in einem anderen Zusammenhang) im US-Patent 4 294 162 (Fowler et al.) dargestellt.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung in Verbindung mit zahlreichen Arten von Flächen und zahlreichen Arten von Enteisern verwendet werden kann. Zu diesem Zweck kann die vorliegende Erfindung entweder als integraler Teil eines Enteisers oder als selbständiges System verwendet werden.
Die Erfindung wurde zwar anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben, jedoch sei der Fachmann darauf hingewiesen, daß das Vorangehende und verschiedene andere Veränderungen, Weglassungen und Hinzufügungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Tabelle 2

Claims

Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche, mit: wenigstens drei voneinander beabstandeten Elektroden (112–116, 490, 512–526, 602–606); und einem mit den Elektroden verbundenen Signalprozessor (130, 612), dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor betreibbar ist, um (I) ein erstes und ein zweites Admittanzsignal (90, 92) über jeweilige Elektrodenpaare zu bestimmen und (II) die Dicke des Eises auf der Oberfläche unter Verwendung der dem ersten und dem zweiten Admittanzsignal inhärenten zeitlichen Trends zu bestimmen.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, bei der der Signalprozessor (130, 612) verwendet wird, um: a) die Differenz (94) zwischen dem ersten und dem zweiten Admittanzsignal (90, 92) zu berechnen; b) die Steigung (96) der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Admittanzsignal in bezug auf die Zeit zu berechnen; und c) die Dicke von Eis auf der Oberfläche unter Verwendung der Steigung (96) der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Admittanzsignal in bezug auf die Zeit zu bestimmen.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, bei der der Signalprozessor (130, 612) die Steigung (96) der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Admittanzsignal in bezug auf die Zeit verwendet, um mindestens einen Prioritätspunkt (P0, P2, P3, P4) zum Vorhersagen des Zeitpunkts festzulegen, zu dem das Eis eine Solldicke erreicht.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, bei der der Signalprozessor (130, 612) wenigstens ein Admittanzsignal mit einer Referenzadmittanz vergleicht, um den Zeitpunkt vorherzusagen, zu dem das Eis eine Solldicke erreicht.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, bei der der Abstand zwischen den Elektrodenpaaren unterschiedlich ist.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, bei der der Signalprozessor (130, 612) ein Hinweissignal liefert, wenn er feststellt, dass das Eis eine Solldicke erreicht hat.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 4, bei der der Signalprozessor (130, 612) ein Hinweissignal liefert, wenn der vorhergesagte Zeitpunkt verstrichen ist.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, bei der der Signalprozessor (130, 612) die Admittanzsignale (90, 92) durch Messen der komplexen Impedanz über die Elektrodenpaare bestimmt.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, bei der der Abstand zwischen den Elektroden des Elektrodenpaars, über welches das erste Admittanzsignal bestimmt wird, von dem Abstand zwischen den Elektroden des Elektrodenpaars, über welches das zweite Admittanzsignal bestimmt wird, verschieden ist, und bei dem der Signalprozessor (130, 612) die Dicke des Eises auf der Oberfläche als Funktion der Zeitableitung (96) der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Admittanzsignal bestimmt.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, bei der die Elektroden in einen nicht leitfähigen Eiserkennungsbereich (334) integriert sind.
Vorrichtung zum Erkennen von Eisansammlung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1 oder 9, bei der der Signalprozessor (130, 612) Analogsignale der Elektroden in digitale Daten umwandelt, die zum Bestimmen der Eisdicke auf der Oberfläche verwendet werden.