JPH0363512A - 氷の検出装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は氷の存在及び／又は厚さを検出するための装置
及び方法に関する。本発明に基づき、以下の文中で説明
される装置及び方法は、航空機等の翼や空気力学的動作
表面を含む表面で、反射された超音波パルスの振幅を検
出する。

〔従来の技術〕

Ｗｈ　ｉ　ｔｅｎｅｒは米国特許第４６７９１６０号に
おいて、超音波厚み測定装置及び方法を開示しており、
それによれば氷の厚さは、検出器の表面での反射パルス
と空気と氷の境界での反射パルスの戻り時間の差によっ
て検出される。

Ｂｉｒｃｈａｋらは米国特許第４５７１６９３号におい
て、流体特性を測定する音響装置を開示している。流体
の特性は反射表面間の間隙内で決定される。

〔発明が解決しようとする課題〕

Ｗｈ　ｉ　ｔｅｎｅｒの装置及び方法は水、スラッシュ
（水と氷の混合物）及び氷を区別できない。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明によれば
、検出表面と、検出表面に超音波パルスを送信する装置
と、検出表面からの反射された超音波パルスを検出する
装置とを備えた氷検出装置において、検出表面上又はそ
れに直接隣接した氷の検出を、反射パルスの振幅に基づ
いて行なう、氷の存在検出装置により特徴付けられる氷
検出装置が提供される。

更に本発明によれば、その表面又はその表面に隣接した
氷が形成されている検出表面へ連続した超音波パルスを
送信する工程、及び検出表面からの反射された超音波パ
ルスを検出する工程を有する氷検出方法で、検出表面上
又はそれに直接隣接した表面上の氷の存在を測定するた
め、反射パルスの振幅を検出する工程により特徴付けら
れる氷検出方法が提供される。

〔実施例〕 本発明に基づく氷の存在を示す装置及び方法は、付属の
図を参照して説明されるが、これらはあくまで例である
。

より明確には、以下に説明することは航空機の表面上の
氷の存在を検出する方法である。航空機は音響エネルギ
源及び音響エネルギ検出器を備えている。音響エネルギ
源は、翼のような航空機の構成要素の内側の表面へ音響
エネルギを発信するためのものである。検出器は表面か
らの反射された音響エネルギを検出するために使われる
。航空機の構成要素の外側表面上の氷の存在は、表面で
反射される音響エネルギを監視することにより検出され
る。

好ましくは、外側の翼表面上の氷の存在及び厚さが、そ
の表面に隣接した内側表面で反射された音響エネルギの
反射係数を決定することにより検出される。そして翼の
外側表面が加熱により氷の融解がされることが好ましい
。

他の方法では、氷の厚さを測定する。超音波パルス源は
、検出器表面へ少なくとも１個の超音波パルスを発信す
る。検出器表面で反射されたパルスの振幅が検出され、
検出器表面上の氷の厚さが、反射パルスの振幅から決定
される。この方法は航空機で使用される。検出器表面は
、翼のような航空機の機体構成要素の外側表面上の氷の
厚さを検出する位置にある。替りに、航空機翼表面上の
氷の存在及び厚さは、氷の存在を検出しようとする位置
に隣接した翼の内側表面で反射された音響エネルギを検
出することにより検出することができる。

外側表面上の氷がしきい値であることを検出すると、機
体構成要素の氷を融解させるために使用される融解装置
が備えられていることが好ましい。

しきい値の厚さは容易に調整できる。第１のあらかじめ
定められたパルス振幅値が、検出器表面で反射されたパ
ルスとの比較に使用される。第２のあらかじめ定められ
た値は、検出器表面で反射されたパルスのパルス振幅に
対応した値との比較に使用される。第１と第２のあらか
じめ定められた値の間の時間は氷の厚さの累積率を求め
るため監視される。検出器表面は、少なくとも１つの容
易に取りばずしできるコネクタで外側表面に取り付けら
れるようになっている板に取り付けられていることが好
ましい。参照表面は、参照表面で超音波パルスを反射す
るようになっていることが好ましい。参照表面で反射さ
れたパルスの振幅は、検出され、検出器表面で反射され
たパルスの振幅と比較される。

より一般的に、氷の存在を検出する方法を説明する。超
音波パルス源は検出器表面に対して少なくとも１つの超
音波パルスを発信する。検出器表面上の氷の存在は検出
器表面で反射されたパルスの振幅から判定される。検出
器表面で反射されたパルスの振幅は、容易に調整可能な
しきい値振幅と比較される。検出器表面は、翼、又は機
体又はエンジン入口表面のような他の機体構成要素のよ
うな航空機の外側表面上の氷の厚さを検出するように設
置される。航空機の外側表面上の氷がしきい値の厚さで
あることを検出すると、航空機の機体構成要素上の氷を
融解させる融解装置が備わっている。検出表面は同一平
面であることが適当である。

検出器は、厳しい航空機環境で高い度合の信頼性を達成
できる固体素子である。それはセラミックの遅延線、ピ
エゾ電気セラミック結晶、一体の非磁性容器、氷融解加
熱器、及びコネクタ又は巻線を有する。

検出器は、検出器表面が外表面と同一平面になるように
機体又はエンジンの入口に取り付けできる。これにより
対象となる表面上の氷を直接検出できる。小型の検出器
なら氷検出のため近づけない部分にあらかじめ設置する
ことができる。

装置では厳しい環境での使用を目的として設計され、外
界環境に対してシールされた電子回路の形をした信号調
整器が使われる。信号調整器に組み込まれた試験は、内
部回路の動作を監視し、検出器又は接続ケーブル中の破
損を検出できる。信号調整器では比較測定技術が使用さ
れており、これにより熱効果、製造許容差、及びプロセ
ス変動に起因する小さな検出器の変化に対して無反応に
なる。システムには複数の検出器の調和のための余分な
回路があることが適当である。

好適な実施例では、ピエゾ電気セラミック結晶（ＦＣＣ
）は、監視する表面へ遅延線を通して超音波パルスを発
する送信器として動作する。最初の励起後、ＦＣＣは受
信器として動作し、表面から戻る反響を検出する。遅延
線は、戻ってくる反響を受ける前にＦＣＣが最初の励起
から回復していることを保証している。測定しようとす
る表面が空気と接している時（氷はない）、最大のエネ
ルギ量が反射される。氷がある時は、送信された超音波
エネルギの約３０％が氷の中へ伝達され、ＦＣＣが受け
る反射信号のレベルを低下させる。このレベル低下は薄
い氷の層の存在を正確に示す。−炭水がしきい値の厚さ
を越えると検出器はさらなる氷の付着にかかわらず、氷
の存在を検出し続ける。

氷の存在を確実に検出することで、信号調整器は氷結状
態を表示する及び／又は監視を行ない、及び関係する氷
結対策及び氷融解装置の機能を制御する。検出器システ
ムは氷の存在を検出し、そして溶解又は脱落が起った後
の消滅を検出する。更に検出器は水、清浄液、及び液体
の融解化学薬品に対して耐性もある。

好適な実施例では、氷検出システムの精度は、０．２５
４±０．１２７　ａｍ（０，０１０インチ±０．００５
　インチ）で、これは−２０°ＣからＯ″Ｃの温度で０
．２から２ｇｍ／　Ｍ　３の間の液体の水の量のレベル
で検出できる最小の氷の厚さ（しきい値）である。

説明する装置は、自動基準調整という特色があり、これ
により氷検出機能を、検出表面上での氷の存在以外のシ
ステムのすべての変化に対して独立にする。

このように説明する装置には、氷の存在を検出する表面
として機能する表面を有する音響送信媒体に探査パルス
を出す超音波変換器を有する超音波水存在検出器が備わ
っている。探査パルスは、検出表面と空気の境界での音
響インピーダンスを関数とし、検出表面で反射され、そ
の音響インピーダンスを反射エネルギが表わす。検出表
面上の氷の存在により起こる音響インピーダンスにおけ
る特徴的な変化は、ある特定の厚さを示す「水存在」の
信号を出すことで検出される。

説明する装置においては、送受信ピエゾ電気変換器は、
棒状の音響遅延線の一方の端に継ながれ、棒（ロンド）
のもう一方の端は空気質の表面に一緒に配列されている
。変換器は電気パルスにより励起され、ロンドに沿って
超音波パルスを検出表面に送信する。送信されたパルス
の一部は、検出表面と空気の境界での音響インピーダン
スを関数として検出表面で反射される。氷が検出表面に
累積した時、境界における音響インピーダンスは、反射
エネルギの変化を生じるように変化する。既知の音響の
不連続がロンドにより表わされる音響遅延線中に生じる
ため、既知の特性の第１の反射パルスの大きさが変換器
により検出され、検出表面で氷の厚さを表わす第２の続
いて来るパルスの大きさと比較される。既知の音響不連
続の存在は、システムが各サイクル中に自己参照及び自
己基準調整することを可能にし、変換器を駆動する電子
部分に存在する尺度要因及び種々の要素の応答特性にお
ける長時間での変化に検出が影響されなくなる。

複数の変換器が異なる検出位置に設置され、氷の有無状
態を表わす循環する一連の情報信号を生じるようにマル
チプルフサを通して連続的に続けて動作される。いずれ
にしろ各変換器に付随した音響遅延線は、個々のセンサ
に特有の時間遅れを生じるように異なる長さであって良
い。変換器は、励起の瞬間から各変換器固有の時間遅れ
で、情報信号の戻りと同時に励起される。

より詳細には図面を参照して説明する。氷検出センサシ
ステムは第１図に示され、図示の通り、支持ブロック１
２に取り付けられた検出器１０を備える。支持ブロック
１２は、翼表面又はエンジン室の空気入口表面のような
、航空機環境では露出した翼表面１日である壁部分１６
の内側表面工４に付くように配置されている。支持ブロ
ック１２は、型成形プラスチックで作ることができ、た
とえば補強用糸（図示せず）を使い、検出器１０と検出
器を収容する穴を備えるように作る。第２図の断面図に
示すように、検出器１０は、縦軸２２を有する筺体部材
２０として表わされ、金属、セラミックス、プラスチッ
ク、及び金属板プラスチックを含む種々の材料から作る
ことができる。一般に材料は、良い耐熱性、耐腐食性、
耐久性を有する必要があり、氷の付着に対しての信号変
化が大きく、封じ込めに対しての変化は小さい音響イン
ピーダンスも有する必要がある。検出器１０の一つの形
では、筺体部材２０が機械加工できるＭＭＣＯＲ（コー
ニング社の商標名）セラくツタから作られる。筺体部材
２０は、段階状の円柱部分で作られ、この部分は以下に
説明するように既知の伝搬特性で音響伝搬線として機能
し、更に一番端に検出表面２６として機能する端面を有
する末端部分２４、参照表面３０として機能する環状の
肩部で末端部分２４と継ながる中間部分２８、及び環状
の肩部３４で中間部分２８に継ながる後側部分３２があ
る。後側部分３２には端ぐり３６が作られており、平円
板状のピエゾ電気変換器３８が端ぐり３６の底の壁に適
当な接着材で固定されている。第１図に示すように、検
出表面２６は、壁部分１６の露出面１８に実質的に同一
平面となるように設置されている。

検出表面２６は平面として示されているが、以下で説明
するように、検出表面２６は直接隣接する表面の形状に
一致するように、平面でなくとも良い。

ピエゾ電気変換器３８は従来からの設計のものであり、
電気的駆動信号に応答して音響出力パルスを生じ、逆に
音響的に刺激されると電気出力信号を生じる。ピエゾ電
気変換器３８は反対側の面に形成された電極（図示せず
）を有し、この電極は、開口４０を通してコネクタ４２
及びケーブル４４（第１図）に連なる適当な導体（図示
せず）に継なかっている。ピエゾ電気変換器３８は、制
御回路に継ながれており、これにより制御される。これ
については第５図及び第６図と関連づけて後で詳しく説
明する。ピエゾ電気変換器３８の後側の端ぐり３６は、
種々の型のエポキシ樹脂及びシリコン樹脂のような適当
な充填材（ｐｏｔｔｉｎｇ　ｎ＋ａｔｅｒｉａｌ）が後
から詰められるのが適当である。

ピエゾ電気変換器３８は、より詳しくは後述されるが、
駆動信号により、選択された周波数（例えば１５ＭＩ（
ｚ）で音響パルスを生じるように動作され、パルスは一
緒になって端の検出表面２６に向い、筺体部材２０に沿
って送信される。音響インピーダンスの存在により、検
出表面２６とそれを接する媒体、たとえば空気との境界
で、送信パルスの一部分は検出表面２６でピエゾ電気変
換器に向かって後側に反射され、逆にピエゾ電気変換器
は反射エネルギを表わす電気出力を生じる。氷が累積す
るに従がって、反射された反響の振幅は、正規化された
基準の値から、氷の特定の音響インピーダンスと遅延線
材料の特定の音響インピーダンスにより決まる値まで減
少する。これらの値の中間は遷移範囲で、そこでは振幅
は、氷の層自身のインピーダンス同様技術上の経験によ
って知ることができるような、遅延線、氷、及び空気に
基づく一般的な非線型関係に従かう。遷移範囲の上限は
、氷が近似的に音響波長の厚さになった後は、安定した
状態の氷の存在を示す振幅が届くかぎり、動作周波数に
依存することが経験的な研究により示されている。所定
の材料中の波長は、周波数に逆比例するため、所望のし
きい値の厚さに近似して動作周波数を選択できる。対象
のしきい値の微同調が、遷移範囲における正確な点を、
指示が出るところで選択することで行なえる。このよう
に氷の検出は、安定状態の反射振幅の間は、遷移範囲に
おける反射パルス振幅の動的特性に基づいていることが
容易にわかる。第３図に概略の形が示されるように、ア
ルミニウム製音響伝搬線は、末端部分２４で表わされて
おり、音響インピーダンスＺ１を有してい九番； このｚｌは材料中の音の速度と材料の密度で決まる。検
出表面２６と周囲の環境の間の境界での材料の音響イン
ピーダンスが、たとえばアルくニウムと空気などのよう
に既知である場合、反射係数Ｒは、反射信号の変換器の
送信信号に対する比率で、次のように表わされる。

Ｒ＝　（Ｌｔｒ−Ｌｔ）／　（Ｚ、ｉｒ＋Ｚａｔ　）　
・”　　　（１）但し、Ｚ、ｔ＝１７．ｌＸ１０’ｇｍ
／ｃ＋１ｌ−ｓｅｃ　、　Ｚａｔｒ＝４１．６ｇｍ／　
ｃ＋ｉ　ｓ　ｅ（である。ＺａＬはＺ、！、よりはるか
に大きイカら、Ｒ”１Ｚ−ｔ／Ｚ−ｔ　＝　　１である
。

検出表面２６における空気に対しては、反射係数Ｒは大
きさが１であると考えられる。検出表面２６上に一音響
波長を越える氷がある場合、約０．７の安定状態の反射
係数が観測される。波長程度の薄い氷の厚さに対しては
、反射係数Ｒも氷の厚さの波長に対する比率で決まる。

氷が１７４波長近辺の厚さの場合、典型的には反射係数
Ｒは厚い氷の安定状態の値よ′り本質的に小さい最小値
を示す。氷が半波長を越えて厚みを増すと、Ｒは安定状
態の値より少し大きな最大値にまでなる。更に氷が厚く
なると、反射係数は厚さが音響波長付近で、安定状態の
値へ単調に減少する。更に厚さが厚くなると、反射振幅
にさらに目立った変化は見られない。単純なレベルに感
応する検出しきい値を使うことで、１／４波長までの値
に対して任意のしきい値の厚さを選択できる。縁に感応
するしきい値を使うなら、レンジは１７２波長まで延び
る。どちらの場合にしろ、氷を検出した後は、検出器は
氷がひき続いて存在することを示す正の指示を生じる。

一実施例においては１５ＭＨｚの探査周波数（水中では
０．２５４ｔｍ　（０，０１０インチ）の波長を有する
。）は、０、１２７＋＋＋ｍ　（０，００５インチ）ま
での厚さに対して良好な感度を示す。

説明したシステムの一つの長所は、システム本来の液体
である水に対して感応しないことであり、水と氷の間の
インピーダンスＺの本質的な差のため液体である水と氷
を識別できることである。水は１．４８　Ｘ　１０’ｇ
−ｎ＋／ｃｄ−ｓｅｃのインピーダンスＺｗａ　ｔｅｒ
を有し、これは氷の約半分の値で、アルミニウムと氷の
境界で安定状態の反射係数Ｒが０．７であるのに対して
、アルミニウムと水の境界ではＲは０．８４である。水
に対してのこのような不感応を確実にするため、遅延線
材料の正しい選択が重要である。もし安定状態の反射値
だけを考えるならば、遅延線の最適のインピーダンスは
検出される氷のものと等しければ良い。しかしそのよう
に選択すると遷移範囲の特性が変わることになる。その
ような条件では、氷中ヘパヮーが完全に入ってしまい、
反響が氷の成長につれて移り、測定する反響が失なわれ
る。説明したシステムの遅延線材料は、遅延線端面の反
響（たとえば測定反響）だけを観測するため、氷と充分
にインピーダンスの不一致がある。

後述の第５図及び第６図の電子制御器の入出力特性にお
ける通常の変動、及び温度や経時変化による変換器の効
率変動に起因する反射係数Ｒの測定誤差をなくすため、
システムでは末端部分２４と中間部分２８の間の環状肩
部の形をした参照表面３０が使われる。参照表面３０は
、ピエゾ電気変換器３８により送信された探査エネルギ
の一部分を返す反射器として働く。参照表面３０での境
界は検出表面２６におけるインピーダンスの変化に比べ
て一定であるため、参照表面３０で反射されたエネルギ
は、以下に述べるように、検出表面から戻るエネルギを
正規化し、いくつかの起こりえる誤差を相殺するのに使
える。参照表面３０を備えることは、検出表面２６から
戻るエネルギの量の評価を可能にする。

これは以下に説明する電子制御器の入出力特性の変化、
及び温度や経時変化などでの変換器の効率変動を相殺す
ることを含めて、ピエゾ電気変換器３８によって送信さ
れた探査パルスにおける通常の範囲の変動を相殺するよ
うに行なわれる。一般的に、参照表面３０に起因する音
響的不連続は、検出表面２６から戻る信号と同一レベル
の大きさの戻り信号を生じる必要がある。第１図及び第
２図で示した実施例の関係から、参照表面３０は検出表
面２６に近似した表面積を有することが適当である。参
照表面３０は、図示のような異なる直径の円柱部分の間
の環状表面部分の形にとる必要はなく、たとえば変換器
３８が有効な参照信号を生じるために、充分なエネルギ
を戻す音響的不連続ができるなら、長袖を横切る面に形
成された周辺が溝の形をしていても良い。更に内部の端
ぐり（図示せず）は適当な反射エネルギを生じるのに使
われる。交互に結晶の後側に付けられた分離した遅延線
を使うことも可能である。

動作については、変換器３日はＴ＝０の時点で終了する
駆動パルスで励起され、第４図に理想的な形で表わされ
ているように、参照表面３０からの第１の戻りパルス３
０がＴ＝Ｔｒの時点で検出され、それに続いて第２の検
出器１０の検出表面２６からの戻りパルスがＴ＝↑Ｓの
時点で検出される。このパルス間の時間差は２つの表面
の物理的間隔による。

Ｔ＝Ｔｒの時点の参照パルスの振幅は、部分的な参照表
面３０での音響インピーダンスの関数で、相対的に一定
である。検出表面２６から戻ったＴ＝Ｔｓの時点のパル
スの振幅は、検出表面２６における音響インピーダンス
の関数で、空気と接する場合には第１のより高い振幅（
第４図でＴｓ上の点線で示される。）であり、境界面に
氷が存在する場合には見ての通りの低い第２の振幅であ
る。第４図の実線は比較的厚い氷の存在を表わしている
。検出表面２６上の氷の層が薄いほど、そこから戻るパ
ルスの振幅は、氷が表面に存在しない時に戻ってくるパ
ルスの振幅に近くなる。反射係数Ｒを測定するため、戻
ってきた検出パルスの振幅は、正規化した値を得るため
戻ってきた参照パルスの振幅で除される。この正規化し
た値により検出表面２６での氷の存在と空気の存在を確
実に判別可能になる。

検出器１０に適した制御回路が、第５図に概略の形で示
されており、参照番号５０がこれに当たる。

図示の通り、検出器１０はマルチプレクサ５２に接続さ
れており、マルチプレクサ５２はシーケンサ５４の制御
に基づき、検出器１０を励起源５６又は戻り信号増幅器
５８に接続する機能を行なう。励起源５６もシーケンサ
５４の制御下にあり、上述のように音響信号を生じるよ
うに電気励起パルスを検出器１０に出力する機能を行な
う。戻り信号増幅器５８の出力は、２個のサンブルーホ
ールド回路６０及び６２に接続されるピーク検出器５９
に出力される。２個のサンプル−ホールド回路６０及び
６２もシーケンサ５４の制御下にある。比較器６４はサ
ンプル−ホールド回路６０及び６２の出力、すなわち参
照パルス及び検出表面２６から戻ったパルスの各ピーク
値に対応する値を比較する。そして２個のサンプル−ホ
ールド回路６０と６２の出力の差が、あらかじめ定めら
れた値以上の時は“氷が無い”ことを示し、差があらか
じめ定めた値以下の時は“氷が有る”ことを示す。

動作において、シーケンサ５４は、励起源５６を検出器
１０に接続するようにマルチプレクサ５２を制御し、検
出器１０を駆動して、検出表面２６に向って送信される
音響エネルギを生じるように励起源５６を制御する。そ
の後シーケンサ５４は、マルチプレクサ５２を励起源５
６から分離し、検出器１ｏを戻り信号増幅器５８に接続
するように制御する。戻り信号増幅器５８はサンブルー
ホールド回路６０及び６２ニ継ながり、サンプル−ホー
ルド回路６０及び６２の一方は参照表面３０で反射され
た第１のパルスの大きさを標本化するように動作し、サ
ンブルーホールド回路６０及び６２のもう一方は、検出
表面２６から戻る続けく来る反射パルスの大きさを標本
化するように動作する。シーケンサ５４はあらかじめ定
めた時間関係でサンブルーホールド回路６０及び６２を
ゲートするようにプログラムできるが、戻り信号増幅器
５８の出力をシーケンサ５４へ接続する検出経路（第５
図では点線で示される）を備えることで、第１の反射パ
ルスの受信によりゲートの制御を行なうことが可能にな
る。サンプル−ホールド回路６ｏ及び６２の出力は、し
きい値比較器６４に送られ、そこで２個のサンプル−ホ
ールド回路６０及び６２の出力差があらかじめ定めた値
以上の時は１氷は無い”という指示を出し、差があらか
じめ定めた値以下の時は“氷有り”の指示を出す。

たとえばＮ個という複数の変換器１０が、航空機の翼表
面上の種々の位置に配置されているという複数の変換器
１０を動作させる他の制御システムが、第６図に示され
ており、参照番号１００で示されている。図示の通り、
Ｎ個の変換器１０・・・１０ｎは１対Ｎのマルチプレク
サ１０２に接続されている。以下に説明するように、マ
ルチプレクサ１０２は種々の変換器１０・・・１０ｎを
もう一つのマルチプレクサ１０４に接続するように制御
される。マルチプレクサ１０４は、励起源１０６を選定
された検出器１０に接続するか又は選定された検出器ｌ
Ｏを戻り信号増幅器１０８に接続するように制御される
。“ピーク”値検出器１０９は、戻り信号増幅器１０８
の出力に接続され、戻り信号増幅器１０８の出力のピー
ク値の指示をアナログ−デジタル変換器１１０に送るよ
うに機能する。アナログ−デジタル変換器１１０は、連
続した信号処理で選定された検出器１０の出力をデジタ
ル表現して出力する。マイクロプロセッサ１１２はマル
チプレクサ１０２及び１０４に適切な選択信号を出力し
、励起源１０６にコマンド信号を出力し、そしてバス１
１４をｉｌ！！してアナログ−デジタル変換器１１０の
デジタル出力を受けるように動作する。メモリ１１６は
バス１１８を通してマイクロプロセッサ１１２に接続さ
れており、各検出器１ｏ・・・Ｉｏｎがらの種々の参照
及び検出表面信号を表わす値を記憶するのに使われる。

マイクロプロセッサ１１２は通常の構成で、Ｉｌｏ及び
データ用ボート、以下で説明されるシーケンスが入れら
れている記憶された制御プログラムを有する読み出し専
用メモリ（ＲＯＭ）、及び変数に相当する値を記憶する
ためのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有しており
、論理演算ユニット（ＡＬＵ）、データを取り扱ううた
めの一個以上の記憶レジスタＲｅｇ、Ａ、Ｒｅｇ、Ｂ、
Ｒｅｇ、Ｃ−１及びクロックＣＬＫも有している。

制御システム１００は記憶された制御プログラムに応じ
て動作し、そのプログラムによれば、連続的に検出器１
０を選択するようにマルチプレクサ１０２に選択信号が
出力され、マルチプレクサ１０４へは、励起源１０６を
選定された検出器１ｏに継げる選択信号が出力され、そ
して検出表面２６へ送信する音響パルスを発生するため
励起源１０６にコマンド信号が出力される。その後、マ
イクロプロセッサ１１２はマルチプレクサ１０４を励起
１ｔｏ６から分離するように制御し、検出器１０の出力
を戻り信号増幅器１０８へ接続するように制御する。ア
ナログ−デジタル変換器１１０は参照表面３０（第２図
）からの戻り信号のピーク値を適切なビット長（たとえ
ば１６ビツト）のデジタル値に変換し、メモリ１１６に
記憶するためバス１１４を経由してマイクロプロセッサ
１１２に値を出力する。その後、選定された検出器１０
の検出表面２６から戻ったエネルギを表わす、続いて来
るパルスのピーク値をデジタル化し、適当な位置に記憶
する。そしてマイクロプロセッサ１１２は、検出表面２
６での反射係数Ｒを表わす比率値を測定するため、一方
のパルスのピーク値をもう一方のパルスのピーク値で除
する。更にマイクロプロセッサ１１２は続けて残りの検
出器１０を探査し、それぞれが各反射係数Ｒを出力する
まで続ける。氷の有無を示す出力は、たとえば過半数と
いったあらかじめ定められた数の検出器１０が、しきい
値より小さい反射係数Ｒを出力したことで氷の存在を示
す。マルチプレクサ１０２及び１０４を経由して変換器
励起信号を出力するのに加えて、マルチプレクサ１０２
を経由してトリガを加えられるか又は他の方法で制御さ
れることが可能な容量又は誘導の放電回路の形で、各検
出器１０に独自の励起源（図示せず）を備えることも可
能である。

複数の検出器ＩＯを励起し、情報を得るために多重又は
スイッチ動作の方法が用いられるのに加えて、時間多重
配置が使用できる。たとえば第７図に示すように、３個
の検出器が示されているが、中間部分２日はそれぞれ異
なる長さで作られており、部分２８　、２８’　、　２
８”で表わされ、異なる音響遅延を生じる検出器である
。各検出器は参照表面３０からの戻りで同時に励起され
、そして種々の音響遅延の関数として他の検出器とは異
なる時間関係で、検出器２６からの信号により各検出器
が励起する。

第５図及び第６図の情報処理システムにおいては、参照
及び検出表面のピーク値が、反射係数Ｒの測定を行なう
ために使用される。選定された振幅しきい値以上の戻り
パルス全体を表わす積分値、又はピーク値の発生を−ま
とめにする開始及び停止の間の戻りパルスを表わす時間
枠値を含めて他の値でも良いことがわかる。

前述の第１図から第３図の検出表面２６で表わされる検
出器１０の好適な実施例において、検出表面は円柱の端
の平面とされてきた。検出表面は円形でなくても良く、
更にたとえば第７図の検出表面２６′で表わされる凹面
、又は検出表面２６″で表わされる凸面のように平面で
あることは必要なく、これにより空気力学的な翼の表面
形状に一致させることができる。説明したシステムは航
空機の翼表面上の氷の存在を検出することを目的とした
ものであるが、氷の検出が要求される他の応用でも使用
できる。

氷検出器システムの他の例が、第８図に示す典型的な例
であり、図示の通り、支持ブロック２１２に取り付けら
れた検出器２１０を備えており、支持ブロック２１２は
、航空機においては回転ブレードの表面又はエンジン室
の空気入口表面のような露出した翼表面である壁部分２
１６の内側表面２１４に接っして配置されている。支持
ブロック２１２は第１図の支持ブロック１２と同様の一
般的方法で作ることができる。それには縦軸２２２があ
る。検出器筺体の末端部分には検出表面として機能する
端面が一方の端にあり、中間部分は、参照表面として機
能する環状の肩部で末端部分と継がっており、後側部分
２３２は環状の肩部で中間部分に継なかっている。後側
部分２３２には端ぐり部が形成されており、平円板状の
ピエゾ電気変換器が端ぐり部の底の壁に適切な接着剤で
固定されている。第８図に示すように、検出表面２２６
は、壁部分２１６の露出面２１８に基本的に同一平面で
あるように設置されている。検出表面２２６は平面であ
るとして示されているが、以下に説明するように、検出
表面２２６は直接隣接する表面の形状に一致する限り、
平面でなくとも良い。

ピエゾ電気変換器２３８は従来からの設計のもので、電
気駆動信号に応答して音響出力パルスを生じ、逆に音響
的に刺激されると電気出力信号を生じる。ピエゾ電気変
換器２３８には、反対側の面に形成された電極があり、
開口を通してコネクタ２４２とケーブル２４４に接続さ
れている。ピエゾ電気変換器２３８は、第５図及び第６
図と関連して説明された型式の制御回路に接続され、制
御される。ピエゾ電気変換器２３８の後方の端ぐりは、
種々のタイプのエポキシ樹脂及びシリコン樹脂のような
適切な充填材で後がふさがれていることが適当である。

耐摩耗性帯２５０は、表面２１４に付けられている。

’ｌｆｆ２５０はチタニウム合金でできていることが適
当である。検出表面２２６は、表面２１８及び帯２５０
に作られた穴を通して延びている。

抵抗加熱器２７０は、線２７２、スイッチ２７４、及び
導電線２７６を通して、電源２７８に接続されている。

導電ｋｆＡ２８０は電源２７８を加熱器２７０に接続す
る。

氷が表面２１８上に形成された時、検出器２１０により
検出される。するとスイッチ２７４は閉じ、電源２７８
から電流を加熱器２７０に流し、表面２１８上の氷を融
解させる。

氷を検知する検出器システムの他の例が、第９図に示さ
れており、図示の通り、壁部分３１６（アルくニウムで
作られるのが適当である。）の内側の表面３１４に接っ
して設置された支持ブロック３１２に取り付けられた検
出器３１０が備わっている。航空機においては、壁部分
３１６は、翼又はエンジン室の空気入口の表面のような
露出した翼表面３１８である。支持ブロック３ｆ２は、
第１図の支持ブロック１２と同様の一般の方法で作るこ
とができる。

それには縦軸３２２がある。検出器の筺体の末端部分に
は、検出表面３２６として機能する端面が端にあり、中
間部分は参照表面として機能する環状の肩部で末端部分
と継ながり、後方部分３３２は環状の肩部で中間部分と
継なかっている。後方部分３３２には、端ぐり部があり
、端ぐりの底の壁に円板状のピエゾ電気変換器が適切な
接着剤で固定されている。第９図に示すように、検出表
面３２６は、壁部分３１６の露出面３１８と本質的に同
一平面となるように設置される。検出表面３２６は平面
として示されているが、以下に説明するように、検出表
面は、直接隣接する表面の形状に一致するかぎり平面で
なくても良い。

ピエゾ電気変換器３３８は従来通りの設計のものであり
、電気駆動信号に応じて音響出力パルスを生じ、逆に音
響的に刺激されると電気出力信号を生じる。ピエゾ電気
変換器３３８は反対側の面に形式された電極を有し、開
口を通してコネクタ３４２及びケーブル３４４に継なが
る適当な導体に接続されている。ピエゾ電気変換器３３
８は、第５図及び第６図と関連して説明した形式の制御
回路に接続され、制御される。ピエゾ電気変換器３３８
の後側の端ぐりは、種々の型のエポキシ樹脂及びシリコ
ン樹脂のような適切な充填材が後に詰められていのるが
適当である。

遮蔽板３５０はフランジ３５２及び３５４に取り付けら
れており、ボルト３５６及び３５８で壁部分３１６にボ
ルト締めされている。検出器３１０はボルト３５６及び
３５８を締めたり、はずしたりすることで壁部分３１６
に容易に設置及び置き換え可能である。

氷が表面３１８上に形式されると、検出器３１０により
検出される。すると暖い空気がダクト３６０を通って表
面３１８上の氷を融解するように送られる。

更に氷を検知する検出システムの一例が第１０図に示さ
れており、図示の通り、支持ブロック４１２に取り付け
られた検出器４１０が備わっており、支持ブロック４１
２は、航空機では回転ブレード、翼、又はエンジン室の
空気人口の表面のような露出した翼表面４１８である壁
部分４１６の内側表面４１４に接っして設置されている
。再び支持ブロック４１２は、第１図の支持ブロック１
２と同様の一般的な方法で作ることができる。それには
縦軸４２２がある。

検出器の筺体の末端部分には、検出表面４２６として機
能する端面が端にあり、中間部分は参照表面として機能
する環状の肩部で末端部分に継なかっており、後側部分
４３２は環状の肩部で中間部分に継なかっている。後側
部分４３２には端ぐりが形式されており、端ぐりの底の
壁に円柱状のピエゾ電気変換器が適切な接着剤で固定さ
れている。第１０図に示すように、表面４２６は耐摩耗
板４５０の下に設置されている。

ピエゾ電気変換器４３８は従来からの設計のもので、電
気駆動信号に応じて音響出力パルスを生じ、逆に音響的
に刺激されると電気出力信号を生じる。

ピエゾ電気変換器４３８は反対側の面に形式された電極
を有し、開口を通してコネクタ４４２及びケーブル４４
４に継ながる適当な導体に接続されている。

ピエゾ電気変換器４３８は第５図及び第６図と関連して
説明された型の制御回路に接続され制御されている。ピ
エゾ電気変換器４３８の後側の端ぐりは、種々の型のエ
ポキシ樹脂及びシリコン樹脂のような適切な充填材で後
が詰められているのが適当である。

抵抗加熱器４７０は、電導線４７２、スイッチ４７４、
及び電導線４７６を経由して電源４７８に接続されてい
る。電導線４８０は電源４７８を加熱器４７０に接続す
る。氷が耐摩耗性板４５０上に形式されると、検出器４
１０に検出される。するとスイッチ４７４は閉じ、電源
４７８から加熱器４７０へ電流を流して表面４１８上の
氷をとかす。

第１１図は、氷検出及び氷融解システムの一例を示し、
数字５１０で表わす。検出器囲い５１２は、線５１８を
通して、信号調整器５１６により励起されるピエゾ電気
セラミック結晶５１４を支持している。

信号調整器５１６は電源５２０から線５２２を経由して
電気を受ける。信号調整器５１６はスイッチ５２４を線
５２６を通して制御する。氷融解システム５２８は線５
３０及び線５３２を通してエネルギを受ける。氷融解シ
ステム５２８は、航空機表面５３４に隣接して設置され
る。

結晶５１４は検出表面５３８で部分的に反射される超音
波パルス５３６を生じる０反射されたパルス５４０は結
晶５１４で検出される。反射パルスの振幅を表わす信号
は、線５１８を通して信号調整器５１６に継ながれる。

信号調整器５１６に受けられた信号が、氷の存在を検出
するあらかじめ定めたしきい値に対応する時、氷の存在
及び／又は存在する氷に対応した厚さが表示装置５４２
に表示される。表示装置５４２は、線５４４を通して信
号調整器５１６に接続される。

パルス５３６の一部分は肩部５４８で反射され、結晶５
１４に戻る参照反射パルス５４６である。この信号は、
参照反射パルスに対応し、検出反射パルス５４０の信号
を正規化するのに使用される。

第１２図及び第１３図は、検出器の一つを納め、取り付
けるのに好適な収容筺体６１０の側面図と側面図である
。収容筺体を航空機の機体部材に取り付ける際、ボルト
で取り付は穴６１２及び６１４を通して取り付けられる
。

〔発明の効果〕

本発明により、露出した外側表面の氷の付着を小型の装
置で安定して測定できる。しかも検出面は外側表面と同
一平面で良く、突起することがないので、測定を正しく
行なえ、耐久性も良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、装置の一つの形式の断面図、第２図は、第１
図の装置における検出器の断面図、 第３図は、第２図の検出器の音響伝搬線部分の概略を表
わす図、 第４図は、第１図の装置における参照反射表面及び検出
表面から戻るエネルギを表わす戻り信号パルスの理想的
な図の表現であり、 第５図は、第１図の装置を動作させるための制御回路の
機能ブロック図、 第６図は、第１図に示した検出器を複数個有する形の装
置を動作させるための他の制御回路の機能ブロック図、 第７図は、第２図に示した形式で、異なる長さで異なる
形の検出表面の三種の検出器の音響伝搬線部分を模式的
に表現した図、 第８図は、第１図に対応したもので、抵抗融解装置も一
緒に示した断面図、 第９図は、第１図に対応したもので、熱風融解ダクトに
隣接して設置された氷検出器を示した断面図、 第１０図は、第１図に対応したもので、耐摩耗性帯の下
に設置した検出器を示した断面図、第１１図は、装置の
一つの形の概略回路図、第１２図は、第２図に示した形
の検出器の収容筺体の底面図、 第１３図は、第１２図の収容筺体の側面図である。 図において、 １０・・・検出器、　　　　１２・・・支持ブロック、
１４・・・壁の内側面、　　１６・・・壁部分、１８・
・・翼表面、　　　　２６・・・検出表面、３０・・・
参照表面、　　　３８・・・ピエゾ電気変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）、該検
   出表面（２６；２２６；４２６；５３８）へ超音波パル
   スを発信する装置（３８；２３８；３３８；４３８；５
   １４）、及び該検出表面（２６；２２６；４２６；５３
   ８）で反射された超音波パルスを検出する装置（３８；
   ２３８；３３８；４３８；５１４）を備えた氷検出装置
   であって、 反射されたパルスの振幅に応じて、該検出表面（２６；
   ２２６；４２６；５３８）上又は該表面に直接隣接した
   面上の氷の存在を検出する氷存在検出装置（５０；１０
   ０；５１６）を備えることを特徴とする氷検出装置。 ２、該氷存在検出装置（５０；１００；５１６）は、該
   検出表面で反射される音響エネルギの反射係数を決定す
   るための反射パルスの振幅に応答する装置を備えること
   を特徴とする請求項の１に記載の装置。 ３、氷の厚さに応じた出力を生じさせるための反射パル
   スの振幅に応答する氷の厚さ指示装置（５０；１００；
   ５１６）により特徴付けられる請求項の１又は２のいず
   れかに記載の装置。 ４、参照表面（３０；５４８）、 該参照表面（３０；５４８）に超音波パルスを発信する
   装置（３８；２３８；３３８；４３８；５１４）、及び
   該参照表面（３０；５４８）で反射された超音波パルス
   を検出する装置（３８；２３８；３３８；４３８；５１
   ４）で特徴付けられ、且つ 該氷の厚さ指示装置は、該検出表面（２６；２２６；４
   ２６；５３８）で反射されたパルスの振幅と該参照表面
   （３０；５４８）で反射されたパルスの振幅を比較する
   装置（６４；１１２；５１６）を備えていることにより
   特徴付けられる請求項の３に記載の装置。 ５、該検出表面で反射された連続パルスの振幅を検出す
   るように動作する装置、及び氷付着の累積率を表わす信
   号を生じるための振幅の変化率に応答する装置により特
   徴付けられる請求項の１から４のいずれかに記載の装置
   。 ６、連続した反射パルスの各振幅を第１及び第２のあら
   かじめ定めた振幅値と比較するための装置、及び振幅の
   一つが第１のあらかじめ定めた値を越えた時と他の振幅
   が第２のあらかじめ定めた値を越えた時の間の経過時間
   を測定するように動作する装置により特徴付けられ、該
   経過時間は氷付着の累積率の測定値に当たる請求項の５
   に記載の装置。 ７、該検出装置（２６；２２６；４２６；５３８）又は
   該表面に隣接する表面の氷を融解させるための氷融解装
   置（２７０；３６０；４７０；５２８）により特徴付け
   られる請求項の１から６のいずれかに記載の装置。 ８、氷の厚さがあらかじめ定めた値を越えたことが検出
   された時に、自動的に氷融解装置（たとえば５２８）を
   動作させる装置（たとえば５２４）により特徴付けられ
   る請求項の３及び７に記載の装置、又は請求項の４及び
   ７に記載の装置。 ９、該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）は氷
   結にさらされる機体構成要素（１８；２１８；３１８；
   ４１８；５３４）の表面と本質的に同一平面であること
   を特徴とする請求項の１から８のいずれかに記載の装置
   。 １０、該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）は
   、外側表面が氷結にさらされる機体構成要素（１８；２
   １８；３１８；４１８；５３４）の内側表面に隣接して
   いることを特徴とする請求項の１から８のいずれかに記
   載の装置。 １１、該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）は
   、氷結にさらされ、更に機体構成要素（３１８）に着脱
   可能に取り付けられている板（３５０）に取り付けられ
   ていることを特徴とする請求項の１から８のいずれかに
   記載の装置。 １２、該機体構成要素（１８；２１８；３１８；４１８
   ；５３４）が航空機の翼又は他の表面であることを特徴
   とする請求項の９から１１のいずれかに記載の装置。 １３、該検出表面は、筺体（１０）の端面（２６）であ
   り、該筺体（１０）のもう一方の端（３６）は、パルス
   を発生すると共に、反射パルスを受けて検出を行なうた
   めの電気音響変換器（３８）を収容できるように中空で
   あることを特徴とする請求項の１から１２に記載の装置
   。 １４、該変換器が、ピエゾ電気変換器（３８）であるこ
   とを特徴とする請求項の１３に記載の装置。 １５、氷が表面又は表面に直接隣接した表面に形成され
   る検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）に連続し
   た超音波パルスを送信する工程、及び 該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）で反射さ
   れた超音波パルスを検出する工程を有する氷検出方法で
   あって、 該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）上又は検
   出表面に直接隣接した表面上の氷の存在を測定するため
   の反射パルスの振幅を検出する工程により特徴付けられ
   る氷検出方法。 １６、該反射パルスの振幅を検出する工程は、該氷の存
   在を示す反射パルスの振幅のあらかじめ定められた減少
   を検出する工程を有することを特徴とする請求項の１５
   に記載の方法。 １７、反射パルスにおける音響エネルギの反射係数を測
   定する工程により特徴付けられる請求項の１５又は１６
   のいずれかに記載の方法。 １８、該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）に
   対してと同様に参照表面（３０；５４８）に対して超音
   波パルスを発信する工程、 該参照表面（３０；５４８）で反射されたパルスを検出
   する工程、及び 該参照表面（３０；５４８）で反射されたパルスの振幅
   を、該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）で反
   射されたパルスの振幅と比較する工程を有することによ
   り特徴付けられ、氷の存在を示す出力を生じる請求項の
   １５から１７のいずれかに記載の方法。 １９、該出力は、氷の厚さに対応することを特徴とする
   請求項の１８に記載の方法。 ２０、該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）を
   氷結にさらされる機体構成要素（１８；２１８；３１８
   ；４１８；５３４）の表面又は直接隣接した表面と同一
   平面上になるように設置させる工程により特徴付けられ
   る請求項の１５から１７のいずれかに記載の方法。 ２１、該検出表面（２６；２２６；４２６；５３８）上
   又は隣接した表面上の氷の検出に対して、氷融解を行な
   うことで応答する工程により特徴付けられる請求項の２
   ０に記載の方法。