DE2713081A1

DE2713081A1 - Mit mikrowellen arbeitender eis-detektor

Info

Publication number: DE2713081A1
Application number: DE19772713081
Authority: DE
Inventors: Bertram Magenheim
Original assignee: System Development Corp
Current assignee: System Development Corp
Priority date: 1976-04-01
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1977-10-13
Also published as: FI771007A; FI59062C; DD130015A5; GB1531674A; NO143267C; SE7703664L; NO771146L; DK147277A; JPS52131749A; NO143267B; US4054255A; NL7703555A; CA1095607A; FI59062B; FR2346218A1; FR2346218B1

Description

D-. - ι— . - ■-

::;;t 27:13091

-ν

fifXif ■ M,■,!( tu η HQ

SYSTEM DEVELOPMENT CORPORATION 25ΟΟ Colorado Avenue Santa Monica, Kalifornien

Vereinigte Staaten von Amerika

"Mit Mikrowellen arbeitender Eis-Detektor"

Die'vorliegende Erfindung bezieht sich auf Nachweissystemc von oberflächlichem Eis und insbesondere auf Eis-Detektoren zur Verwendung in Flugzeugen.

Die Ausbildung von Eis an Plugzeugen ist seit den ersten Tagen der Luftfahrt bekannt. Unter bestimmten klimatischen Bedingungen bildet sich Eis besonders an der Vorderkante von Tragflächen in Schichten beachtlicher Dicke. Dieses Eis erhöht nicht nur das Gewicht des Flugzeugs sondern kann auch den Luftwiderstand erhöhen und damit die von Tragflächen erzeugte Auftriebskraft verkleinern.

In der Vergangenheit sind verschiedene Verfahren zum Kachweis von Eis verwendet worden, doch erwiesen sie sich alle aus dem einen oder anderen Grund als unzuverlässig. Ein bekanntes Verfahren zum Eisnachweis ist das Druckconden-Verfahren mit nach vorne weisenden Öffnungen, an

- 1 709841/0726

-*- 2713Ü81

denen die Ausbildung von Eis als Druckabfall nachgewiesen wird. Andere Verfahren zum Nachweis von Eis beruhen auf dem Nachweis von Veränderungen einer bestimmten mechanischen oder elektrischen Größe, beispielsweise der elektrischen Leitfähigkeit oder der Wärmeleitung, oder auf dem Nachweis der Intensitätsverringerung von durch das Eis gestrahltem Licht. Zwar sind einige dieser Verfahren verhältnismäßig zufriedenstellend, wenn sie an Plugseugen mit festen Tragflächen verwendet werden, doch treten zusätzliche Schwierigkeiten beim Nachweis von Eis an Hubschraubern auf. Hubschrauber v/erden normalerweise in geringeren Höhen verwendet und finden dort mit größerer Wahrscheinlichkeit zur Vereisung führende Bedingungen vor als moderne Plugzeuge mit unbeweglichen Tragflächen. Außerdem können viele bekannte Verfahren nicht zur Verwendung an rotierenden Oberflächen abgeändert werden. Bisher ist deshalb kein ganz zufriedenstellendes Verfahren bekannt, mit dem Eis an den Rotorblättern von Hubschraubern nachgewiesen werden kann.

Es besteht damit Bedarf an einem Nachweissystem von Eis, mit dem das Vorhandensein von Eis an Plugzeugen und insbesondere an den Rotorblättern von Hubschraubern klar nachgewiesen werden kann. Die vorliegende Erfindung schließt diese Lücke.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Eis-Detektor für Plugzeuge und ein Verfahren zu seiner Verwendung, wobei elektromagnetische Mikrowellenenergie in eine Oberflächen-

709841/0726

schicht aus Eis übertragen wird und die Reflexion oder Impedanz der Eisschicht gemessen v/ird, um daraus das Vorhandensein und die Menge von Eis zu bestimmen. Prinzipiell besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Einrichtungen zur Erzeugung von elektromagnetischer Mikrowellenenergie, Kopplungseinrichtungen zum Ankoppeln der Mikrowellenenorgie und zu ihrer Übertragung in die Eisschicht, sodaß die Wellen durch die als Oberflächen-Wellenleiter wirkende Eisschicht sich fortpflanzen, und Einrichtungen zur Signalüberwachung, beispielsweise ein Reflektometer, mit dem die an die Eisschicht übertragene und von ihr reflektierte Mikrov/ellenenorgie nachgewiesen wird, um damit das Vorhandensein und die relative Menge des Eises in der Schicht zu bestimmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ferner einen ständig wirksamen Oberflächen-Wellenleiter, dessen Dicke so bemessen ist, daß eine Fortpflanzung von Mikrowellenenergie stattfinden kann, selbst wenn die Eisschicht äußerst dünn ist. Das Material des permanenten Oberflächen-Wellenleiters wird so gewählt, daß seine Dielektrizitätskonstante etwa gleich der des Eises ist und daß die Verluste bei der Übertragung von Mikrov/ellenenergie verhältnismäßig klein bleiben.

Gemäß einem weiteren Kennzeichen der vorliegenden Erfindung wird ein Fehlanpassungselement, beispielsweise ein Kurzschlußelement, an dem Ende des Oberflächen-Wellenleiters

7098A1/0726

verwendet, das dem zur Zuführung dar Mikrowellenenergie benutzten Ende abgelegen ist. Das FehlanpassungseleiaGnt ergibt eine teilweise oder totale Reflexion der Energie längs des Oberflächen-Wellenleiters, und die reflektierte Energie wird dabei durch das Reflektometer nachgewiesen. Da das Eis normalerweise zahlreiche Verunreinigungen und eine beträchtliche Menge von nicht gefrorenem Wasser enthält, stellt es ein mit Verlusten behaftetes Dielektrikum für die Übertragung der Mikrowellenenergie dar. Es wird damit weniger Energie aus dem zusammengesetzten Wellenleiter, der aus dem Eis und dem permanenten Oberflächen-Wellenleiter besteht, reflektiert, wenn eine Eisschicht vorhanden ist.

Der Eisschicht wird jedoch nicht genügend Energie zugeführt, um sie in merklicher Weise aufzuheizen oder zu schmelzen. Der erfindungsgemäße Eis-Detektor läßt sich zusammen mit einer stärkeren Mikrowellenquelle verwenden, die beim Nachweis einer bestimmten, größeren Eismenge in Betrieb genommen wird und dann das Eis aufheizt und zu seiner Entfernung führt. Die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch auch als Eis-Detektor für sich und unabhängig von der jeweils verwendeten Enteisungsvorrichtung einsetzen.

Beim erfindungsgemäßen Vorfahren wird ein Mikrowellensignal von verhältnismäßig geringer Leistung erzeugt und zur Übertragung durch eine als Oberflächen-Wellenleiter wirkende Eisschicht angeschlossen und die an die Eisschicht übertragene und von ihr reflektierte Energie nachgewiesen, um das

709841/0726

Vorhandensein und die relative Menge des Eises festzustellen.

Die vorliegende Erfindung schafft eine bedeutende Verbesserung auf dom Gebiet der Nachweissysteme von Eis. Insbesondere ermöglichen die durch das als Oberflächen-Wellenleiter wirkende Eis geschickte Mikrowellenonergie und der Nachweis der Reflexionscharakteristik der Eisschicht eine zuverlässige und genaue Bestimmung des Vorhandenseins und der Menge des Eises. Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Figur 1 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Systems zum Nachweis von Eis.

Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild des zusammengesetzten Oberflächen-Wellenleiters, der von der Eisschicht und einem permanenten Oberflächen-Wellenleiter gebildet wird.

Figur '5 ist eine schematische Darstellung der Übertragung der Mikrowellenenergie durch den permanenten Oberflächen-Wellenleiter und eine Eisschicht auf der Oberfläche eines Flugzeugs.

Figur 4 ist ein Aufriß und teilv/eiser Querschnitt eines Kopplers, mit dem Mikrowellenenergie in den Oberflächen-Wellenleiter übertragen v/ird.

Figur 5 ist schließlich ein Grundriß und teilweiser Querschnitt und bezieht sich auf den in Figur 4 dargestellten Aufriß.

Wie in den Zeichnungen zur Erläuterung dargestellt,

709841/0726

betrifft die vorliegende Erfindung hauptsächlich ein neuartigen Verfahren zum Nachweis von Eisschichten, die sieh an den Außenflächen von Flugzeugen ausbilden. Die Erfindung eignet sich ganz besonders zum Nachweis von Eis an den Tragflächen von flugzeugen mit unbeweglichen oder rotierenden Tragflügeln.

Erfindungsgemäß wird die Eisschicht 10 dadurch nachgewiesen, daß von einer bekannten Mikrowelleriquelle 12 erzeugte, elektromagnetische Mikrov/ellenenergie in die Eisschicht eingestrahlt wird über einen Koppler H für Oberflächen-Wellenleiter, sodaß die Eisschicht als Oberflächen-Wellenleiter wirkt. Die Eissohicht 10 bildet sich auf einer permanenten dielektrischen Schicht 16 aus, die ebenfalls als Oberflächen-Wellenleiter wirkt und an der typischerweise aus Metall hergestellten Plugzeugoberfläche 18, an der eine Ansammlung von Eis zu erwarten ist, angebracht ist. Ein Kurzschlußelernent 20 für Mikrowellen ist am Ende des Wellenleiters 16 gegenüber den Koppler H angeordnet, um eine Reflexion der Mikrowellenencrgie längs des Wellenleiters zu erzielen. Ein dualer Richtkoppler 22 ist eingesetzt und koppelt die Mikrowellenenergie der Signalquelle 12 an den Koppler H für den Oberflächen-Wellenleiter an und liefert ferner ein Signal an das an den dualen Richtkoppler 22 angeschlossene Rei'lektometer 24. Das Reflektometer mißt den komplexen Wert der Impedanz oder der Reflexion des zusammengesetzten Wellenleiters, der aus der Eisschicht 10 und dem Oberflächen-Wellenleiter 16 besteht.

709841/0726

Wellenleiter in der Form geschlossener Rohre mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt Bind an sich bekannt. Weniger bekannt iüt das Prinzip einer Struktur mit "offener Grenzfläche", um Mikrowellenenergie längs einer Oberfläche zu übertragen. Die Energie ist hierbei stark an die Oberfläche gebunden, und obwohl elektrische und magnetische Felder außerhalb dec Wellenleiters existieren, nehmen sie exponentiell senkrecht zur Oberfläche ab. Die Fortpflanzung von Mikrowellenenergie durch Oberflächen-Wellenleiter findet gewöhnlich in eingefangenen Schwingungstypen statt, die als Äquivalent zur inneren Totalreflexion an den Grenzflächen eines Wellenleiters angesehen werden können. Wie aus Figur 3 ersichtlich, kann angenommen werden, daß die Mikrowellenener^ie in den Oberflächen-Wellenleiter 16 so eingebracht wird, daß der Einfallswinkel zu den oberflächlichen Grenzflächen, d.h. zur Grenzfläche zwischen Eis und Luft, und der Dielektrikum-Metall-Grenzfläche den kritischen Winkel überschreitet, oberhalb dessen innere Totalreflexion auftritt.

Die Betriebsfrequenz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht kritisch und kann so gewählt werden, daß bestimmte Anforderungen an den Aufbau und die jeweils gültigen gesetzlichen Bestimmungen erfüllt werden. Typische Frequenzen fallen in den Bereich von 2000 - 22 000 Megahertz. Die Signalquelle 12 kann kontinuierlich betrieben werden, d.h. im Dauerstrichbetrieb mit ungedämpften Wellen, oder sie kann

709841/0726

-ήη.

im Impulsbetrieb arbeiten.

Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild und zeigt, daß der

zusammengesetzte Wellenleiter äquivalent ist einer Übertragungsleitung, die am abgelegenen Ende durch das Element 20 kurzgeschlossen ist. In Figuren 1 und 2 ist das eingangsseitige Ende des zusammengesetzten Wellenleiters mit A bezeichnet, während B die Stelle, an der die Eisschicht beginnt, kennzeichnet; die Stelle, an der die Eisschicht endet, ist mit C bezeichnet; das kurzgeschlossene Ende des Wellenleiters ist mit D bezeichnet.

Das Material des Oberflächen-Wellenleiters 16 wird so gewählt, daß seine Dielektrizitätskonstante etwa gleich ist der von Eis, sodaß nur eine geringe Brechung an der Eis-Dielektrikum-Grenzfläche auftritt; ferner muß das Material ein verhältnismäßig verlustfreies Dielektrikum sein.

Ferner muß ein Material gewählt werden, das starken liegen und Erosion durch Sand und Staub widersteht. Von besonderer Bedeutung ist dies, falls der Eis-Detektor an den Rotor blättern von Hubschraubern verwendet v/erden soll. Geeignete Materialien sind Aluminiumoxyd, ein Polyäthylen mit extrem hohem Molekulargewicht, wie beispielsweise das unter dem Handelsnamen LENNlTE vertriebene Polyäthylen, Silikonharz-Laminate mit hohem Quarzfasergehalt, gesinterter Quarz oder Laminate aus Epoxy-Glas und Silikon-Glas. Außerdem kann eine etwa 0,31 mm dicke Polyurethan-Schicht als Erosionsschutzschicht über einigen der Materialien angebracht

709841/0726

werden. Die dielektrischen Eigenschaften von Polyurethan erlauben es nicht, Polyurethan allein als Material für einen Wellenleiter zu verwenden.

Die relativen Impedanzkennlinien einer Übertragungsleitung lassen sich durch einen dimensionslosen Reflexionskoeffizienten ausdrücken, der eine komplexe Größe mit reellen und imaginären Komponenten ist. Da der Oberflächen-Wellenleiter 16 aus einem Material mit verhältnismäßig geringen Verlusten besteht und da das reflektierende Element 20 so ausgebildet sein kann, daß es fast Totalreflexion ergibt, hat der mit Hilfe des dualen Richtkopplers 22 und dem Reflektometer "bestimmte Reflexionskoeffizient praktisch den Wert eins, wenn keine Eisschicht 10 vorliegt. Jedoch besteht eine beträchtliche Phasendifferenz zwischen den ausgesandten und reflektierten Signalen.

Die Ausbildung der Eisschicht 10 auf der dielektrischen Schicht 16 ergibt eine Verlustkomponente im dielektrischen Wellenleiter, was durch die Impedanz Z .. zwischen den Punkten B und C in Figur 2 angedeutet ist. Die durch den zusammengesetzten Wellenleiter sich fortpflanzende Schwingungsenergie erfährt damit einerseits einen beträchtlichen Amplitudenverlust und andrerseits eine bedeutende Phasenverschiebung, sodaß sich ein Reflexionskoeffizient ergibt, der wesentlich kleiner als eins ist; der entsprechende Phasenwinkel v/eicht von dem beim Fehlen einer Eisschicht beobachteten ab. Wenn die Ansammlung von Eis weitergeht, ändert der von Reflekto-

709841/0726

meter 24 gemessene Reflexionskoeffizient sowohl reine Größe als auch seine Phase, bin schließlich ein verhältnismäßig kleiner Reflexionskoeffizient auftritt. Natürlich hängen die jeweiligen vom Richtkoppler 22 und dem Reflektomoter nachgewiesenen Koeffizienten von den speziellen Kenngrößen des Eis-Detektors ab.

Das Reflektometer 24 kann am Punkt 26 weiter angeschlossen werden, um ein Ausgangssteuersignal zu erzeugen, das dem vom Reflektometer gemessenen Reflexionakoeffizienten entspricht. Der Reflexionskoeffizient oder eine seiner Komponenten kann direkt an nicht dargestellten Anzeigeeinrichtungen dargestellt werden, die sich direkt in der Menge des Eises oder seiner relativen Lage eichen lassen, da die relative Phasenverschiebung des Reflexionskoeffizienten mit der Lage des Eioes in Bezug auf den gesamten Wellenleiter 16 in Beziehung steht. Eine andere bzw. zusätzliche Möglichkeit ist es, den erhaltenen Viert des Reflexionskoeffizienten mit einem Schwellwert, der bei der Eichung des Instruments vorgegeben wurde, zu vergleichen, und dann ein Steuersignal zu erzeugen, mit dem Enteisungsvorrichtungen in Betrieb genommen werden, sobald der Reflexionskoeffizient den üchwellwert erreicht hat.

Figuren 4 und 5 zeigen einen Koppler für den Oberflächen-Wellenleiter, der dem unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Koppler 14 entspricht. Koppler 14 umfaßt einen bekannten rechteckigen V/ellenleiter 30 mit einem Ende 32 mit einem Plansch zur Ankopplung an den dualen Richtkoppler 22 oder

709841/0726

andere, nicht dargestellte, an sich bekannte Verteiler für Mikrowellen. An dom Plansch 32 gegenüberliegenden Ende ist Wellenleiter 30 geschlossen; jedoch ist eine kreisrunde Öffnung 34 in einer Seitenwand angebracht, durch die ein Ankopplungsstift 36 ragt; der Stift ist an der der Öffnung gegenüberliegenden Seitenwand befestigt und ragt, wie in Figur 5 dargestellt, über den Oberflächen-Wellenleiter 16 auf, in dem der teilweise eingebettet ist. Die metallische Oberfläche 10 hat einen Abschnitt, der das Ende 38 des Oberflächen-Wellenleiters 16 umschließt und als Reflektor wirkt; dadurch wird erreicht, daß die Mikrowellenenergie in der gewünschten Richtung längs Wellenleiter 16 abgestrahlt wird. Ein Teil der vom reflektierenden Element 20 reflektierten Mikrov/ellenenergie, die längs Wellenleiter 16 zurückgestrahlt wird, wird nochmals am endseitigen Abschnitt 38 der Metallfläche 18 reflektiert, sodaß eine Reihe komplizierter Mehrfach-Reflexionen am Wellenleiter stattfindet. Jedoch wird eine resultierende Komponente der ursprünglich in Wellenleiter 16 über Koppler 14 eingestrahlten Energie zurück und aus Koppler 14 herausgestrahlt, und kann dann über den dualen Richtkoppler 22 und das Reflektometer 24 nachgewiesen werden.

Wegen ihres geringen Leistungsbedarfs kann bei Verwendung zum Nachweis von Eis auf den Rotorblättern eines Hubschraubers die Mikrowellen-Signalquelle 12 mit den Rotorblättern rotierend angebracht werden; mit ihr werden dann außerdem

709841/0726

der Richtkop'pler 22, das Reflektorneter .24 und der Koppler 14 für den Oberflächen-Wellenleiter mit den Rotorblättern rotierend montiert. Auch ist es möglich, die Mikrowellenquelle 12 im Rumpf des Hubschraubers anzubringen und zugleich bei der Abgabe größerer Leistungen zur Enteisung der Rotorblätter heranzuziehen. Bei dieser Anordnung müssen eine drehbare Verbindung und mehrere an sich bekannte Verteilerteile für Mikrowellen verwendet werden; keines dieser Teile, mit denen Mikrowellenenergie an die Überflächen der Rotorblätter übertragen wird, ist dargestellt.

Aus den obigen Ausführungen folgt, daß die vorliegende Erfindung einen bedeutenden Portschritt auf dem Gebiet der Eis-Nachv/eissysierae schafft. Die Verwendung von Mikrowellen mit verhältnismäßig geringer Leistung zum Nachweis der Reflexions- oder Impedanzeigenschaften eines zusammengesetzten Wellenleiters aus einem verlustfreien Wellenleiterteil und einer Oberflächen-Eisschicht ermöglicht den zuverlässigen Kachweis eventuell vorhandenen Eises, der Eismenge und der Lage der Eisschicht am Wellenleiter; außerdem kann die Geschwindigkeit der Eisansammlung festgestellt v/erden. Zur Erläuterung wurde ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im einzelnen .beschrieben, doch sind Abänderungen im Rahmen der Erfindung möglich, deren Umfang ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert ist.

709841/0726

Leerseite

Claims

2713031 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Nachweis von Eis an den Auf3enf lachen von Flugzeugen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahi*ensr.chritte: Erzeugung eines elektromagnetischen Mikrowellensignals; Ankopplung des Mikrowellennignals an einen permanenten Oberflächen-Wellenleiter aus einem dielektrischen Material, dessen Dielektrizitätskonstante etv/a der von Eis gleicht; Übertragung des Mikrowellensignals längs des Oberflächen-Wellenleiters im wesentlichen parallel zur Oberfläche, auf der Eis nachgewiesen werden soll; Reflexion ir.indest.ens eines Teils der Mikrowellenenergie längs dos Wellenleiters von dessen abgelegenem Ende zurück; und Nachweis des Verhältnisses der ausgesandten und reflektierten Energie im Wellenleiter mit Hilfe eines Reflektometers, wobei die Ansammlung von Eis auf dem Oberflächen-Wellenleiter eine veränderte Reflexionscharakteristik des zusammengesetzten, aus der Eisschicht und dem permanenten Oberflächen-Wellenleiter bestehenden Wellenleiter ergibt und das Vorhandensein und die Lage des Eises mit dem Reflektometer nachgewiesen werden kann.

2. Eis-Nachweisvorrichtung für Flugzeuge, gekennzeichnet durch eine Mikrowellenquelle (12), einen Koppler (H) für den Oberflächen-Wellenleiter, mit dem Mikrowellenenorgie an eine oberflächliche Eisschicht so angekoppelt wird, daß das Eis als Oberflächen-Wellenleiter wirkt, und Signalüber-

709841/0726 ORIGINAL INSPECTED

-H-

wachungseinrichtungen, mit denen die in. die Eisschicht
übertragenen und von ihr reflektierten Mikrowellensignale verglichen v/erden, v/odurch Veränderungen in der Eismenge
entsprechende Änderungen in der reflektierten Energie
ergeben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (14) für Oberflächen-Wellenleiter umfaßt: einen permanenten Oberflächen-Y/ellenleiter aus einem dielektrischen Material, das über der Oberfläche angebracht ist, auf der Eis nachgewiesen werden soll; und Einrichtungen zur Ankopplung der Mikrowellenenergie an den permanenten Oberflächon-'V/ellenleiter, sodaß die Energie längs den permanenten Oberflächen-Wellenleiter und der darauf befindlichen, als zusammengesetzter Oberflächen-Wellenleiter wirkenden Eisschicht übertragen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch einen dualen Richtkoppler (22), der zwischen, die Mikrowellenquelle (12) und den Koppler (14) für den Oberflächen-Wellenleiter eingesetzt ist, um die Übertragung von Energie in beiden Richtungen zu überwachen, und ein an den dualen Richtkoppler (22) angeschlossenes Reflektometer (24), mit dem das Verhältnis der in den Wellenleiter eingestrahlten Mikrowellenenergie zu der von ihm reflektierten Mikrowellenenergie überwacht wird, wobei die Reflexionseigenschaften des Oberflächen-Wellenleiters durch die Gegenwart von Eis auf ihm modifiziert werden und das Reflektometer das Vorhan-

7098A1 /0726

densein von Eis anzeigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Wellenleiterabsohluß, der mindestens teilweise die längs des Oberflächen-V/ellenleiters übertragene Energie reflektiert.

709841/0726