Ein besserer Sensor erkennt Eisbildung in Echtzeit

Forscher der University of British Columbia (UBC) in Okanagan haben die Echtzeitreaktion von Flugzeug-Eissensoren verbessert. Mit einer eingebetteten Antenne können die verbesserten Sensoren jetzt sofort zwei Arten entscheidender Luftfahrtdaten identifizieren:Eisansammlung und Schmelzrate.

Derzeit wird die Eiserkennung in Flugzeugen auf zwei Arten durchgeführt:mit einem altmodischen Augencheck oder mit Impedanzmessung. Die Impedanzmessung erfordert den Aufbau und das anschließende Schmelzen des abgelagerten Eises, bevor es erkannt werden kann.

Laut dem leitenden Forscher und UBC-Assistenzprofessor Mohammad Zarifi macht das UBC-System die Abhängigkeit von visueller Bestätigung und die Notwendigkeit von flüssigem Wasser zur Erkennung von Eisbildung überflüssig.

"Dies ermöglicht eine Erkennung, lange bevor der Pilot visuell feststellen kann, ob Eis vorhanden ist", sagte Zarifi gegenüber Tech Briefs .

(Sehen Sie in einem Video unten, wie das Glenn Research Center mit Kameras untersuchte, wie sich Eisbildung auf ein Flugzeugtriebwerk auswirkt.)

Durch den Einbau einer Antenne in den Sensor können die Ergebnisse des von UBC entwickelten Geräts in Echtzeit mit dem Bediener geteilt werden, um etwaige Ablagerungen zu beheben.

Der Mikrowellensensor ist tatsächlich eine optische Nanostruktur, die als Split-Ring-Resonator (SRR) bekannt ist und bei 5,82 GHz arbeitet. Der Sensor mit eingebauter Heizfunktion unterscheidet effektiv zwischen Wasser und Eis, indem er Änderungen der dielektrischen Eigenschaften auf oder um seine Oberfläche erkennt.

Wasser speichert eine größere Menge an elektrischer Energie als Eis, und ein SRR ist speziell ausgestattet, um die beiden spezifischen Dielektrizitätskonstanten zu messen.

Forschungsergebnisse zu dieser Technologie wurden in der Zeitschrift Applied Materials and Interfaces veröffentlicht . Die von Prof. Zarifi geleitete Studie demonstrierte die Wirksamkeit von SRRs als Eiserkennungssensoren für Anwendungen, bei denen Eis und Frost von großem Interesse sind, wie z. B. in Flugzeugen, Straßen oder Gehwegen.

Der patentierte Sensor, der eine Schutzschicht enthält, wird jetzt für die Zulassung durch die Luftfahrtindustrie getestet. Das UBC-Team kündigte außerdem kürzlich eine Finanzierung durch das kanadische Verteidigungsministerium an, die es den Forschern ermöglichen wird, die Entwicklung fortzusetzen

Zarifi arbeitet auch mit einer Reihe von Windturbinenunternehmen zusammen, um die Sensoren in Windparks anzupassen.

Da die Technologie salziges Eis erkennen kann, das bei kälteren Temperaturen gefriert, kann das Gerät zusätzlich dazu beitragen, Ansammlungen auf Bohrinseln und in der Meeresinfrastruktur zu erkennen.

In einem kurzen Interview mit Tech Briefs Im Folgenden erklärt Prof. Zarifi, warum das Gerät die Aufmerksamkeit der Luftfahrt- und der Branche für erneuerbare Energien gleichermaßen auf sich gezogen hat.

Technische Informationen :Eine frühe Pressemitteilung von UBC sagte, dass Sie nach Ihren ersten Erkenntnissen auf großes Interesse aus der Luftfahrt- und Erneuerbare-Energien-Branche gestoßen sind. Können Sie dazu mehr sagen? Was interessierte die Luftfahrt- und Erneuerbare-Energien-Branche? Und wie hat ihre Reaktion dann den nächsten Schritt Ihrer Forschung beeinflusst?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :Das anfängliche Interesse an unserem Eissensor kam von Anwendungen, bei denen die aerodynamischen Eigenschaften einer Struktur von extremer Bedeutung sind. Kleine Änderungen an der Form eines Flugzeugflügels oder einer Windkraftanlage aufgrund von Eisbildung können zu drastischen Auswirkungen auf den Auftrieb oder die von diesen Strukturen erzeugte Leistung führen.

Zukünftige Arbeiten in der Luft- und Raumfahrtindustrie an diesem Eissensor werden darin bestehen, die Empfindlichkeit des Geräts gegenüber Eisbildung in Gegenwart von Vereisungsschutzflüssigkeiten zu verbessern, die üblicherweise gesprüht werden, um die Wahrscheinlichkeit eines Vereisungsereignisses zu verringern.

Technische Informationen : Was ist mit Windkraftanlagen?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :Die Eiserkennung an Windkraftanlagen wird anders durchgeführt. Der Ingenieur, der die Turbine überwacht, kann die Eisbildung aufgrund eines Abfalls der Stromerzeugung im Vergleich zur erwarteten Produktion bei denselben Windgeschwindigkeiten vorhersagen. Diese Sensoren hätten die Fähigkeit, Eis zu erkennen, lange bevor die Stromerzeugung beeinträchtigt wird, und ließen dem Ingenieur ausreichend Zeit, um Enteisungssysteme einzuschalten. Basierend auf Informationen, die wir von Ingenieuren in der Windindustrie erhalten haben, glauben wir, dass der nächste Schritt darin besteht, das Gerät zu verpacken und im Feld zu implementieren, um weitere Charakterisierungen durchzuführen und es für die industrielle Anwendung vorzubereiten.

Technische Informationen :Was kann Ihr Sensor erkennen, und inwiefern sind die Informationen des Sensors wertvoller als die aktuellen Erkennungsoptionen, die in heutigen Flugzeugen verfügbar sind?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :Unser Sensor ist in der Lage, Eisbildung zu erkennen, lange bevor Sie sie auf einer Oberfläche sehen können. Wir sind auch in der Lage, Informationen wie Eisdicke und Ablagerungsrate zu extrahieren. Dies ist wertvoll, da es Piloten, die während des Fluges ein Vereisungsereignis erleben, frühzeitig warnt und es ihnen ermöglicht, Anti-Vereisungssysteme zu aktivieren oder einfach die Höhe zu ändern, um die Bedingungen zu vermeiden.

Die Angabe der Eisdicke ist für Menschen, die an Windkraftanlagen arbeiten, aus mehreren Gründen wichtig. Erstens, wenn Sie unter der Turbine arbeiten, möchten Sie sicher sein, dass keine dicke Eisschicht herunterfällt und möglicherweise jemanden verletzt. Ein weiterer Grund für die genaue Erkennung der Eisdicke ist, dass der Techniker darüber informiert werden kann, wie die Turbinenblätter geneigt werden müssen, um die Leistungsabgabe während eines Vereisungsereignisses zu maximieren.

Technische Informationen :Welche Anwendungen sind möglich, wenn man eine Antenne in den Sensor einbauen kann?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :Vor kurzem haben wir die Verwendung von Antennen als Sensor untersucht. Wir interessieren uns für die Verwendung von Antennen zur Eisdetektion, da sie die Komplexität der Anordnung der Sensoren erheblich verringern könnten. Wenn wir eine Anordnung von Sendeantennen implementieren können, die auf unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, und die Daten an eine einzige Empfangsantenne übertragen lassen, wird die Zentralisierung und Verarbeitung der Daten erheblich vereinfacht. Dies hat Anwendungen, wenn eine Eiserkennung auf einer großen Oberfläche durchgeführt werden muss.

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Technische Informationen :Was kommt als nächstes? Woran arbeitest du gerade?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :Der nächste Schritt in diesem Projekt besteht darin, den Sensor zu verpacken und im Feld zu implementieren. Wir müssen auch weiter Methoden untersuchen, die es uns ermöglichen, die Detektion in Gegenwart von Anti-Icing-Materialien für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt durchzuführen.

Es ist alles sehr spannend, weil wir so viele Interessenten aus einer Vielzahl von Branchen hatten, und wir freuen uns darauf, die einzigartigen Herausforderungen zu meistern, die jede Anwendung mit sich bringt. Was auch immer die Herausforderungen sind, extreme Umgebungsbedingungen, Gischt, Vereisungsschutzmaterialien oder einfach komplexe aerodynamische Strukturen, wir glauben, dass wir in der Lage sind, erfolgreiche Eissensoren zu implementieren.

Die Forschung wurde durch einen Entdeckungszuschuss des National Sciences and Engineering Research Council of Canada, einen Mitacs Accelerate Grant und Zuschüsse der Canada Foundation for Innovation und des Canadian Department of National Defense finanziert.

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