DE102008044738A1

DE102008044738A1 - Sensoranordnung und Detektionsverfahren zur Messung einer Eisschicht

Info

Publication number: DE102008044738A1
Application number: DE102008044738A
Authority: DE
Inventors: Florian Dipl.-Ing. Klettner; Alois Dr. rer. nat. Friedberger; Gerhard Dr. Müller; Christian Dipl.-Phys. Ing. Gradolph
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: DE102008044738B4

Abstract

Eine Sensoranordnung (10) zur Erfassung einer Eisschicht (22) auf einer zweiten Oberfläche (20b) einer Materiallage (20), die insbesondere aus Metall gebildet ist, weist eine Sensoreinheit (12) mit einer Ultraschallgebereinrichtung (14) und einer Ultraschallempfängereinrichtung (16) auf, die in der Nähe einer ersten Oberfläche (20a) der Materiallage (20) angeordnet ist. Eine Kopplungsschicht (18) koppelt die erste Oberfläche (20a) der Materiallage (20) und die Sensoreinheit (12) miteinander. Weiter werden ein mit einer solchen Sensoranordnung (10) durchführbares Detektionsverfahren sowie ein mit einer solchen Sensoranordnung (10) versehenes Luftfahrzeug beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung einer Eisschicht auf einer zweiten Oberfläche einer Materiallage, die insbesondere aus Metall gebildet ist, mit einer Sensoreinheit, die eine Ultraschallgebereinrichtung und eine Ultraschallempfängereinrichtung aufweist und in der Nähe einer ersten Oberfläche der Materiallage angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einer solchen Sensoranordnung und ein Verfahren zur Erfassung einer solchen Eisschicht.
Sensoranordnungen zur Erfassung einer Eisschicht auf einer Oberfläche einer Materiallage sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die DE 10 2006 009 480 A1 ein aerodynamisches Profil für Luftfahrzeuge und Windkraftanlagen. In einem aerodynamischen Profil sind dazu Ultraschallgeber an verschiedenen Positionen angeordnet, die Ultraschallwellen in verschiedene Richtungen aussenden. Durch Messung einer Laufzeit der Signale wird ermittelt, an welchen Stellen des Profils Eis angelagert ist.
Die US 4,461,178 zeigt ein Verfahren zur Detektion von Eis auf einer Tragfläche. Ein Impulsgeber und ein Empfänger sind an unterschiedlichen Stellen der Tragfläche angeordnet. Der Sender sendet Oberflächenwellen aus, die von dem Empfänger erfasst werden. Wenn sich auf der Oberfläche Eis bildet, werden die Wellen auf dem Weg zum Empfänger gedämpft. Eine Anzeige warnt dann vor Eisbildung. Eine Messung der Dicke des Eises ist nicht vorgesehen.
Die US 4,628,736 , die US 4,833,660 und die US 5,507,183 zeigen jeweils Eisdickensensoren, die in Öffnungen der zu überwachenden Materiallage angeordnet sind. Eine solche Anbringung schwächt die Materiallage und ist daher nicht immer wünschenswert.
Aus der US 5,095,754 geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke einer Eisschicht auf einer Oberfläche hervor. Eine reflektierende Schicht ist zur Kalibrierung in die Materiallage eingelassen. Die Messung der Schichtdicken findet durch eine Laufzeitmessung statt.
In der US 6,731,225 B2 wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Impedanz der Kombination aus Eis und der Materiallage gemessen wird und daraus die Dicke der Eisschicht ermittelt wird.
Die US 5,038,615 zeigt eine tragbare Vorrichtung, die mittels Laufzeitmessung die Dicke von Farbschichten auf eine Oberfläche ermitteln kann. Ähnliche Verfahren und Vorrichtungen sind in der US 5,866,819 und der US 5,974,886 beschrieben. Aufgrund des großen Impedanzunterschiedes zwischen Eis und den meisten anderen Materialien sind diese Vorrichtungen und Verfahren nicht zur Detektion einer Eisschicht auf einem Material verwendbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die einfach zu integrieren ist. Des Weiteren sollen ein entsprechendes Verfahren und ein Luftfahrzeug mit einer solchen Sensoranordnung zur Verfügung gestellt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, bei einer Sensoranordnung der eingangs genannten Art eine Kopplungsschicht vorzusehen, welche die erste Oberfläche der Materiallage und die Sensoreinheit miteinander koppelt. Des Weiteren werden erfindungsgemäß ein Luftfahrzeug nach Anspruch 6 und ein Detektionsverfahren nach Anspruch 7 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Sensoranordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Sensoranordung kann an der Innenseite eines Objekts angeordnet werden. Durchbrüche durch die häufig eine Außenwand darstellende Materiallage sind nicht notwendig. Somit wird die Stabilität der Materiallage nicht beeinträchtigt. Zusätzlich ist die Sensoreinheit vor äußeren Einwirkungen, beispielsweise Korrosion, geschützt.
Die Kopplungsschicht kann aus einem Ultraschallwellen dämpfenden Material gebildet sein. Dadurch werden insbesondere parasitäre Reflexionen aus der Materiallage gedämpft, so dass die erwünschten Reflexionen aus der Eisschicht deutlicher erkennbar werden.
Zur Ermittlung der Dicke der Eisschicht ist vorteilhaft eine Signalprozessoreinrichtung vorgesehen, welche die Signale der Ultraschallempfängereinrichtung verarbeitet. Signalprozessoren können Laufzeitmessungen mit hoher Genauigkeit durchführen und durch Softwarefilter die Erkennung der einzelnen Reflexionen verbessern.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung sowie das erfindungsgemäße Detektionsverfahren sind in bevorzugter Ausgestaltung zur Eisdickenmessung durch eine Metallschicht ausgebildet.
Die Materiallage ist vorteilhaft aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, gebildet. Derartige Metalle finden insbesondere im Flugzeugbau Verwendung.
Eine Mehrzahl von Sensoreinheiten ist vorteilhaft vorgesehen, die an unterschiedlichen Stellen in der Nähe der ersten Oberfläche angeordnet sind. Wenn sich an der Materiallage Eis bildet, dann werden oftmals Luftblasen in das Eis eingeschlossen. Verdecken diese Luftblasen eine einzelne Sensoreinheit, so ist aufgrund der Verfügbarkeit mehrerer Sensoreinheiten an verschiedenen Messpunkten trotzdem eine korrekte Messung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Sensoranordnung vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß ist ein Detektionsverfahren zur Erfassung einer Eisschicht auf einer zweiten Oberfläche einer Materiallage vorgesehen, die insbesondere aus Metall gebildet ist. Eine Sensoreinheit, die eine Ultraschallgebereinrichtung und eine Ultraschallempfängereinrichtung aufweist und in der Nähe einer ersten Oberfläche der Materiallage angeordnet ist, sendet Messimpulse aus und empfängt die Messimpulse und/oder deren Reflexionen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Messimpulse mittels einer Kopplungsschicht, die bevorzugt dämpfungsoptimiert ausgebildet ist, in die Materiallage eingekoppelt werden. Dadurch ist es möglich, parasitäre Reflexionen in dem Messergebnis zu dämpfen.
Vorteilhafterweise werden die Messimpulse mittels einer bewusst dämpfenden Kopplungsschicht in die Materiallage eingekoppelt.
Vorteilhaft wird der zeitliche Abstand zwischen der Aussendung der Messimpulse und Empfang der Messimpulse und/oder deren Reflexionen von einer Signalprozessoreinrichtung zur Ermittlung der Dicke der Eisschicht herangezogen. Dies erlaubt eine zuverlässige und präzise Bestimmung der Schichtdicke.
Weiter ist vorteilhaft vorgesehen, dass mehrere Sensoreinheiten nacheinander eine Detektion durchführen. Dadurch wird vermieden, dass sich die Sensoreinheiten durch die Aussendung von Ultraschallimpulsen gegenseitig stören. Des Weiteren ist es möglich, durch einen Vergleich der unterschiedlichen Ergebnisse der Sensoreinheiten eine Verdeckung des Sensors, beispielsweise durch Lufteinschlüsse in der Eisschicht, zu erkennen. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung wird dadurch erhöht.
Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In den die Ausführungsbeispiele lediglich schematisch darstellenden Zeichnungen veranschaulichen im Einzelnen:
1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Eisdickenmessung, die an einer Materiallage befestigt ist;
2 ein Diagramm zur Erläuterung der Reflexionswege bei der Laufzeitmessung;
3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung der Kopplungsschicht;
4 ein Diagramm mit einem Messergebnis der Ultraschallempfängereinrichtung, wenn keine Kopplungsschicht eingesetzt wird;
5 ein Diagramm des Messergebnisses der Ultraschallempfängereinrichtung, wenn eine Kopplungsschicht verwendet wird;
6 eine perspektivische Ansicht einer möglichen Anordnung mehrerer Sensoreinheiten und
7 eine beispielhafte Anordnung von Sensoreinheiten in einer Tragfläche eines Luftfahrzeugs.
1 zeigt eine Sensoranordnung 10, die eine Sensoreinheit 12 aufweist. Eine Ultraschallgebereinrichtung 14 und eine Ultraschallempfängereinrichtung 16 sind in die Sensoreinheit 12 integriert. Die Sensoreinheit 12 ist mittels einer Kopplungsschicht 18 mit einer ersten Oberfläche 20a einer Materiallage 20 gekoppelt. Die Kopplungsschicht 18 ist derart ausgebildet, dass an den Übergängen zwischen Sensoreinheit 12 und der Kopplungsschicht 18 sowie zwischen der Kopplungsschicht 18 und der Materiallage 20 nur vernachlässigbare Verluste entstehen.
Die Materiallage 20 ist aus einer Aluminiumlegierung gebildet.
Die Sensoreinheit 12 ist mit einer Signalprozessoreinrichtung 24 verbunden, welche die Ultraschallgebereinrichtung 14 steuert und die Messungen der Ultraschallempfängereinrichtung 16 auswertet.
Auf einer zweiten Oberfläche 20b der Materiallage 20 befindet sich in dem in 1 gezeigten Fall eine Eisschicht 22. Zur Messung der Dicke dieser Eisschicht 22 wird von der Ultraschallgebereinrichtung 14 ein Ultraschallsignal erzeugt und über die Kopplungsschicht 18 in die Materiallage 20 eingebracht.
Die Sensoreinheit 12 bildet somit einen Ultraschallprüfkopf mit Sender und Empfänger, der hinter einer Metallschicht angebracht wird, um durch diese Eis auf der zweiten Oberfläche 20b zu detektieren. Zwischen der Materiallage 20 und der Sensoreinheit 12 befindet sich eine dämpfende Kopplungsschicht 18.
In 2 sind die Laufwege des Ultraschallsignals über die Zeit t in den verschiedenen Schichten 18, 20, 22 gezeigt. Das Ultraschallsignal wird zum Startzeitpunkt 26 ausgesendet und breitet sich zunächst durch die Kopplungsschicht 18 und die Materialschicht 20 aus. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen der Reflexion an einem Übergang A zwischen Materiallage 20 und Eisschicht 22 und der Reflexion an der Außenseite der Eisschicht 22 wird über die Schallgeschwindigkeit in Eis die Eisdicke berechnet.
Ein Grund für Schwierigkeiten bei der Eisdickenmessung durch Metall sind parasitäre Reflektionen in der Materialschicht 20, welche die Auswertung erschweren. Diese können mit der dämpfenden Kopplungsschicht 18 weitgehend eliminiert werden.
Dies ergibt sich daraus, dass die Kopplungsschicht 18 einen Dämpfungsfaktor α besitzt. Wenn das Ultraschallsignal mit der Intensität I_in abgestrahlt wird, dann nimmt eine Intensität I_out des empfangenen Ultraschallsignals mit I_out(s) = I_in·e^(–αs) über eine in der Kopplungsschicht 18 durchlaufene Strecke s ab.
Ein akustischer Impuls, nämlich der Ultraschallimpuls, bewegt sich durch die Kopplungsschicht 18, wird zum einen an der Trennschicht A reflektiert und dringt zum anderen Teil in die Eisschicht 22 ein, wo er wieder reflektiert wird.
Wichtig dabei ist, welche Distanz der Schall in der Kopplungsschicht 18 durchläuft. Das erste Echo, das an der Aluminiumschicht reflektiert wird, durchläuft in der Kopplungsschicht 18 der Dicke d die Strecke s = 2d. Das zweite Echo der Trennschicht A durchläuft die Kopplungsschicht 18 zweimal, was eine kumulierte Strecke von s = 4d bedeutet. Daraus ergeben sich die Intensitäten auf die Schicht K bezogen von I₁ = I_in·e^(–α2d) und I₂ = I_in·e^(–α4d)
3 zeigt diese Intensitäten relativ zueinander als zwei Kurven unterschiedlicher Dämpfungskoeffizienten α. Eine Kurve 32 zeigt den Intensitätsverlauf in Abhängigkeit der Strecke s unter Verwendung einer schwach dämpfenden Kopplungsschicht 18, während eine Kurve 34 den Intensitätsverlauf bei Verwendung einer stärker dämpfenden Kopplungsschicht 18 zeigt. Ein Niveau einer exemplarischen Detektionsschwelle 35 ist ebenfalls eingezeichnet.
Hieran ist zu sehen, dass die Echos, die eine Schicht hoher Dämpfung mehrfach durchlaufen, in der Folge immer stärker abklingen. Abhängig von der Dicke d der Kopplungsschicht 18 und des Dämpfungskoeffizienten α kann man die Kopplungsschicht 18 so optimieren, dass eine starke Dämpfung der n + 1 ten Echos erfolgt und nur das erste Echo die Kopplungsschicht 18 mit möglichst hoher Intensität passiert. Dadurch wird die digitale Signalanalyse deutlich vereinfacht.
Neben der Verwendung der Kopplungsschicht 18 als Mittler von einem Medium in ein anderes mit möglichst hoher Leistung ergibt sich somit eine zweite vorteilhafte Anwendung der Kopplungsschicht 18.
Im Idealfall ist die Kopplungsschicht 18 so ausgelegt, dass, fehlerfreies klares Eis vorausgesetzt, nur noch zwei Echos detektiert werden: Das erste Echo der Trennschicht A (Metall-Eis-Übergang) und das zweite Echo des Eis-Luftübergangs, also die beiden relevanten Echos, aus welchen sich die Dicke der Eisschicht 22 berechnen lässt.
Zur Veranschaulichung des Einflusses einer dämpfenden Kopplungsschicht 18 sind in den 4 und 5 zwei vergleichbare Graphen 36, 38 aufgeführt. In den beiden Diagrammen ist jeweils nach rechts eine Zeit t und nach oben ein Schalldruck p aufgetragen.
Aus diesen beiden Graphen 36, 38 ist deutlich der Einfluss einer stärkeren Dämpfung zu erkennen. Ein Zeitpunkt t₁, zu dem das erste Echo der Trennschicht A zwischen Materialschicht 20 und Eisschicht 22 gemessen wird, und ein Zeitpunkt t₂, zu dem das Echo des Übergangs Eis-Luft gemessen wird, sind in beiden Figuren markiert. Geht bei dem Graph 36, der die Variante mit schwach dämpfender Kopplungsschicht 18 zeigt, das eigentliche Eis-Echo in der Überlagerung mit den Metall-Echos beinahe unter, so sieht man in dem Graph 38 das Ergebnis mit gedämpften multiplen Reflexionen.
In dieser Anwendung liegt insbesondere der Vorteil, dass sie für den Einsatz in aerodynamisch geformten und der Erosion ausgesetzten Bauteilen, z. B. in Rotorblättern, Flügeln etc. geeignet ist, da alle anderen Ansätze entweder der Aerodynamik oder der Erosionsbeständigkeit abträglich sind, oder nicht geeignet sind, die Eisdicke zu bestimmen.
Störend bei der Messung der Eisdicke sind Lufteinschlüsse bzw. Luftschichten. Überdeckt ein solcher Lufteinschluss mehr als 50% der Sensorfläche, so kann kein aussagekräftiges Ergebnis mehr erzielt werden. Das Ergebnis wird umso schlechter, je mehr Luft im Eis gebunden ist, da dies zu zusätzlicher Streuung des Schalls führt.
Solche Stör- oder Fehlstellen können durch Verwendung einer Mehrzahl von Sensoren ausgeglichen werden. Eine Ausführungsform für eine Sensoranordnung 10 mit mehreren Sensoreinheiten 12 ist in 6 gezeigt.
Die Ansteuerung der einzelnen Sensoreinheiten 12 erfolgt dabei nicht parallel, sondern seriell. Dadurch wird vermieden, dass sich die Ultraschallsignale gegenseitig beeinflussen. Anhand von Abweichungen der Messwerte der einzelnen Sensoreinheiten 12 kann die Signalprozessoreinrichtung 24 entscheiden, ob einzelne Sensoreinheiten 12 durch Lufteinschlüsse fehlerhafte Eisdicken messen.
Die Sensoranordnung 10 wird so ausgelegt, dass sie vor allem Orte abdeckt, an denen eine Eisbildung erwartet wird. Sie kann in seiner Form und Ausdehnung den Gegebenheiten angepasst werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung können grundsätzlich auch mit anderen Materiallagen 20, beispielsweise aus GFK, CFK oder Kunststoff, verwendet werden.
Eine Ausführungsform der Sensoranordnung 10, die die Verwendung in einer Tragfläche 40 eines Luftfahrzeugs zeigt, ist in 7 dargestellt. Mehrere Sensoreinheiten 12 sind an einer ersten Oberfläche 20a, die die Innenseite der Tragfläche 40 bildet, angeordnet und messen die Dicke der Eisschicht 22.
Die Sensoranordnung 10 ist ebenfalls in Rotorblättern von Hubschraubern und Windkraftanlagen einsetzbar.
Die Ultraschallgebereinrichtung 14 und die Ultraschallempfängereinrichtung 16 können als ein Bauelement ausgeführt sein. Beispielsweise ist ein Piezokristall sowohl als Ultraschallgeber als auch als Ultraschallempfänger verwendbar.
Die hier beschriebene Vorrichtung und das hier beschriebene Verfahren erlauben bei geschützter Anbringung der Sensoreinheiten 12 eine zuverlässige und präzise Messung der Dicke der Eisschicht 22.

10: Sensoranordnung
12: Sensoreinheit
14: Ultraschallgebereinrichtung
16: Ultraschallempfängereinrichtung
18: Kopplungsschicht
20: Materiallage
20a: erste Oberfläche
20b: zweite Oberfläche
22: Eisschicht
24: Signalprozessoreinrichtung
26: Startzeitpunkt
28: Erstes Echo
30: Zweites Echo
32: Kurve (ungedämpft)
34: Kurve (gedämpft)
35: Detektionsschwelle
36: Graph (ungedämpft)
38: Graph (gedämpft)
40: Tragfläche
A: Übergang
I, I_in, I_out, I₁, I₂: Intensität
p: Schalldruck
t: Zeit
t₁: Zeitpunkt der ersten Echos
t₂: Zeitpunkt des zweiten Echos
α: Dämpfungskoeffizient

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006009480 A1 [0002]
- US 4461178 [0003]
- US 4628736 [0004]
- US 4833660 [0004]
- US 5507183 [0004]
- US 5095754 [0005]
- US 6731225 B2 [0006]
- US 5038615 [0007]
- US 5866819 [0007]
- US 5974886 [0007]

Claims

Sensoranordnung (10) zur Erfassung einer Eisschicht (22) auf einer zweiten Oberfläche (20b) einer Materiallage (20), die insbesondere aus Metall gebildet ist, mit einer Sensoreinheit (12), die eine Ultraschallgebereinrichtung (14) und eine Ultraschallempfängereinrichtung (16) aufweist und in der Nähe einer ersten Oberfläche (20a) der Materiallage (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kopplungsschicht (18) vorgesehen ist, welche die erste Oberfläche (20a) der Materiallage (20) und die Sensoreinheit (12) miteinander koppelt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsschicht (18) aus einem Ultraschallwellen dämpfenden Material gebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Dicke der Eisschicht (22) eine Signalprozessoreinrichtung (24) vorgesehen ist, welche die Signale der Ultraschallempfängereinrichtung (16) verarbeitet.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiallage (20) aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, gebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoreinheiten (12) vorgesehen ist, die an unterschiedlichen Stellen in der Nähe der ersten Oberfläche (20a) angeordnet sind.
Luftfahrzeug mit einer Sensoranordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Detektionsverfahren zur Erfassung einer Eisschicht (22) auf einer zweiten Oberfläche (20b) einer Materiallage (22), die insbesondere aus Metall gebildet ist, wobei eine Sensoreinheit (12), die eine Ultraschallgebereinrichtung (14) und eine Ultraschallempfängereinrichtung (16) aufweist und in der Nähe einer ersten Oberfläche (20a) der Materiallage (22) angeordnet ist, Messimpulse aussendet und die Messimpulse und/oder deren Reflexionen empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messimpulse mittels einer Kopplungsschicht (18) in die Materiallage (20) eingekoppelt werden.
Detektionsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsschicht (18) dämpfungsoptimiert ist.
Detektionsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen Aussendung der Messimpulse und Empfang der Messimpulse und/oder deren Reflexionen von einer Signalprozessoreinrichtung (24) zur Ermittlung der Dicke der Eisschicht (22) herangezogen wird.
Detektionsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoreinheiten (12) nacheinander eine Detektion durchführen.