Een betere sensor detecteert ijsvorming, in realtime

Onderzoekers van de University of British Columbia (UBC) in Okanagan hebben de realtime respons van ijssensoren in vliegtuigen verbeterd. Met een ingebouwde antenne kunnen de verbeterde sensoren nu onmiddellijk twee soorten cruciale luchtvaartgegevens identificeren:ijsaccumulatie en smeltsnelheid.

Momenteel wordt ijsdetectie op vliegtuigen op twee manieren uitgevoerd:met een ouderwetse oogcontrole of met impedantiemeting. Impedantiedetectie vereist de opbouw en vervolgens het smelten van het afgezette ijs voordat het kan worden gedetecteerd.

Het UBC-systeem maakt een einde aan de afhankelijkheid van visuele bevestiging en de noodzaak van vloeibaar water om ijsvorming te detecteren, volgens hoofdonderzoeker en UBC-assistent-professor Mohammad Zarifi.

"Dit maakt detectie mogelijk lang voordat de piloot visueel kan bepalen of er ijs aanwezig is", vertelde Zarifi aan Tech Briefs .

(Bekijk in een onderstaande video hoe Glenn Research Center camera's gebruikte om te onderzoeken hoe ijsvorming een vliegtuigmotor beïnvloedt.)

Door een antenne in de sensor op te nemen, kunnen de resultaten van het door UBC ontwikkelde apparaat in realtime worden gedeeld met de operator om eventuele opbouw aan te pakken.

De microgolfsensor is in feite een optische nanostructuur die bekend staat als een split-ringresonator (SRR), die werkt op 5,82 GHz. De sensor, met ingebouwde verwarmingsmogelijkheden, maakt effectief onderscheid tussen water en ijs door veranderingen in de diëlektrische eigenschappen op of rond het oppervlak te detecteren.

Water slaat een grotere hoeveelheid elektrische energie op dan ijs, en een SRR is speciaal uitgerust om de twee specifieke permittiviteitsniveaus te meten.

Onderzoek met betrekking tot de technologie werd gepubliceerd in het tijdschrift Applied Materials and Interfaces . De studie, geleid door prof. Zarifi, toonde de effectiviteit aan van SRR's als ijsdetectiesensoren voor toepassingen waar ijs en vorst van groot belang zijn, zoals op vliegtuigen, wegen of voetpaden.

De gepatenteerde sensor, die voorzien is van een beschermlaag, wordt nu getest voor goedkeuring door de luchtvaartindustrie. Het UBC-team heeft onlangs ook financiering aangekondigd van het Canadese ministerie van Nationale Defensie, waardoor de onderzoekers zich kunnen blijven ontwikkelen

Zarifi werkt ook samen met een aantal windturbinebedrijven om de sensoren aan te passen in windparken.

Omdat de technologie zout ijs kan detecteren, dat bevriest bij koudere temperaturen, kan het apparaat bovendien helpen bij het detecteren van accumulatie op booreilanden en maritieme infrastructuur.

In een kort interview met Tech Briefs hieronder legt prof. Zarifi uit waarom het apparaat de aandacht heeft getrokken van zowel de luchtvaart- als de hernieuwbare-energiesector.

Tech Briefs :Een vroeg persbericht van UBC zei dat u op basis van uw eerste bevindingen veel belangstelling kreeg van de luchtvaart- en hernieuwbare-energiesectoren. Kun je hier meer over zeggen? Wat was van belang voor de luchtvaart- en hernieuwbare energie-industrie? En hoe heeft hun reactie vervolgens geleid tot de volgende stap van uw onderzoek?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :De aanvankelijke belangstelling voor ons ijsdetectieapparaat is afkomstig van toepassingen waarbij de aerodynamische eigenschappen van een constructie van extreem belang zijn. Kleine veranderingen in de vorm van een vliegtuigvleugel of windturbineblad als gevolg van ijsvorming kunnen leiden tot drastische gevolgen voor de lift of het vermogen dat door deze constructies wordt gegenereerd.

Toekomstig werk in de lucht- en ruimtevaartindustrie aan deze ijssensor zal zijn om de gevoeligheid van het apparaat voor ijsvorming in de aanwezigheid van anti-ijsvormingsvloeistoffen te verbeteren die gewoonlijk worden gespoten om de kans op ijsvorming te verkleinen.

Tech Briefs : Hoe zit het met windturbines?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :IJsdetectie op windturbines wordt anders uitgevoerd. De ingenieur die de turbine bewaakt, kan ijsvorming voorspellen als gevolg van een afname van de stroomproductie in vergelijking met de verwachte productie bij dezelfde windsnelheden. Deze sensoren zouden het vermogen hebben om ijs te detecteren ver voordat de stroomopwekking wordt beïnvloed en de ingenieur voldoende tijd geven om de ontdooisystemen in te schakelen. Op basis van informatie die we hebben ontvangen van ingenieurs in de windindustrie, denken we dat de volgende stap is om het apparaat te verpakken en in het veld te implementeren om verdere karakterisering uit te voeren en het voor te bereiden voor industriële toepassing.

Tech Briefs :Wat kan uw sensor detecteren en hoe is de informatie van de sensor waardevoller dan de huidige detectie-opties die beschikbaar zijn in het vliegtuig van vandaag?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :Onze sensor kan ijsvorming detecteren ver voordat je het op een oppervlak kunt zien. We zijn ook in staat om informatie te extraheren zoals ijsdikte en depositiesnelheid. Dit is waardevol omdat het piloten die tijdens de vlucht ijsvorming ervaren vroegtijdig waarschuwt, waardoor ze anti-ijsvormingssystemen kunnen activeren of eenvoudig van hoogte kunnen veranderen om de omstandigheden te vermijden.

Het aangeven van de ijsdikte is om meerdere redenen belangrijk voor mensen die aan windturbines werken. Allereerst dat als je onder de turbine werkt, je er zeker van wilt zijn dat er geen dikke ijslaag valt en mogelijk iemand verwondt. Een andere reden voor nauwkeurige detectie van ijsdikte is omdat het de ingenieur kan informeren hoe de turbinebladen moeten worden ingesteld om het vermogen tijdens een ijsvorming te maximaliseren.

Tech Briefs :Welke toepassingen zijn mogelijk als je eenmaal een antenne in de sensor kunt inbouwen?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :Onlangs hebben we het gebruik van antennes als sensor onderzocht. We zijn geïnteresseerd in het gebruik van antennes voor ijsdetectie omdat ze de complexiteit van het rangschikken van de sensoren aanzienlijk kunnen verminderen. Als we een reeks zendantennes kunnen implementeren, die op verschillende frequenties werken, en de gegevens naar één enkele ontvangstantenne kunnen laten verzenden, wordt de centralisatie en verwerking van de gegevens aanzienlijk vereenvoudigd. Dit heeft toepassingen in het geval dat ijswaarneming over een groot oppervlak moet worden uitgevoerd.

Meer sensorinnovaties op Tech Briefs

Lees meer over NASA's op wielen gebaseerde ijssensoren voor voertuigen.

Transducers van het Lewis Research Center kunnen de aanwezigheid van ijs detecteren.

Ga naar onze Sensors &Test Knowledge Hub.

Tech Briefs :Wat is het volgende? Waar werk je nu aan?

Prof. Mohammad Hossein Zarifi :De volgende stap in dit project is het verpakken van de sensor en implementeren in het veld. We moeten ook methoden verder onderzoeken die ons in staat zullen stellen detectie uit te voeren in de aanwezigheid van anti-icing materialen voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen.

Het is allemaal heel spannend omdat we zo'n grote toestroom van interesse hebben gekregen van verschillende industrieën en daarom kijken we ernaar uit om de unieke uitdagingen aan te gaan die door elke toepassing worden opgelegd. Wat de uitdagingen ook zijn, extreme omgevingsomstandigheden, opspattend zeewater, anti-ijsvormingsmaterialen of gewoon complexe aerodynamische constructies, wij geloven dat we in staat zijn om succesvolle ijssensoren te implementeren.

Het onderzoek werd gefinancierd door een National Sciences and Engineering Research Council of Canada Discovery Grant, Mitacs Accelerate Grant en subsidies van de Canada Foundation for Innovation en het Canadian Department of National Defense.

Wat denk je? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.