CH647331A5

CH647331A5 - Vorrichtung zum anzeigen einer vereisung einer verkehrsflaeche.

Info

Publication number: CH647331A5
Application number: CH7446/80A
Authority: CH
Inventors: Mauri Luukkala
Original assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1979-10-10
Filing date: 1980-10-06
Publication date: 1985-01-15
Also published as: GB2060883B; FI61249B; AT381179B; ATA483980A; GB2060883A; FI61249C; CA1154141A; FR2473721B1; FR2473721A1; FI793148A; US4335613A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen einer Vereisung einer Verkehrsfläche, z.B. der Oberfläche einer Asphaltstrasse oder eines Rollfeldes, mit einem an der zu überwachenden Verkehrsfläche anzuordnenden Geberelement.

Ein im Herbst oder Frühjahr auf einer Asphaltstrasse oder z.B. auf dem Rollfeld eines Flughafens befindlicher dünner Wasserfilm macht bei plötzlicher Vereisung Strassen und Rollfelder glatt und für den Verkehr lebensgefährlich. Diese Glatteis-Erscheinung wird als «Problem des schwarzen Eises» bezeichnet, weil es oft sehr schwierig ist zu erkennen, ob die schwarze Oberfläche des Asphaltes vereist ist oder ob sich darauf ein dünner Wasserfilm befindet. Es wurde versucht, die Entstehung des «schwarzen Eises» z.B. durch unter der Asphaltoberfläche angeordnete Temperaturgeber und Leitfähigkeitsmesser zu überwachen, aber diese Messver-fahren sind mit Mängeln behaftet. Zum Beispiel macht ein eventueller Salzgehalt der Strassenoberfläche Temperatur-und Leitfähigkeitsmessungen unzuverlässig.

Die vorliegende Erfindung soll eine Vorrichtung schaffen, die mit grosser Sicherheit angeben kann, ob sich auf einer Verkehrsfläche eine Eisschicht befindet. Ausserdem soll die Vorrichtung in der Konstruktion einfach, stabil und betriebssicher sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemässe Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement aus einem draht- oder bandförmigen Ultraschall-Wellenleiter besteht, dass die Vorrichtung elektronische Geräte zum Erzeugen und zum Empfangen von sich im Wellenleiter fortpflanzenden Ultraschallwellen enthält und dass das Geberelement und die elektronischen Geräte dazu eingerichtet sind, einen Vereisungsvorgang der zu überwachenden Verkehrsfläche aufgrund der Dämpfungsänderung der im Wellenleiter sich fortpflanzenden Ultraschallwellen zu erkennen, welche Dämpfungsänderung durch Unterschiede der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Viskosität, von Wasser und Eis bewirkt wird.

In dieser Vorrichtung kann Ultraschall beispielsweise in der Form verwendet werden, dass in einen dünnen Draht oder ein Metallband ein geeigneter Impuls gesendet wird, der sich im Draht oder Band fortpflanzt und in ihm hin und her reflektiert wird. Ein Draht oder Band dieser Art wird üblicherweise Ultraschall-Wellenleiter genannt. Wenn dieser Wellenleiter quer über eine Asphaltstrasse oder dgl. verlegt wird, kann aus den Wellenfortpflanzungseigenschaften geschlossen werden, ob die Strassenoberfläche vereist ist, was darauf beruht, dass die im Wellenleiter fortschreitende Welle die mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung in der Art wahrnimmt, dass sich bei Änderung der Viskosität in der Umgebung des Wellenleiters auch die Fortpflanzungsdämpfung der Welle ändert. Der Unterschied zwischen den Viskositäten von Wasser und Eis ist sehr gross, und gerade die Wahrnehmung dieses grossen Viskositätsunterschiedes kann in der Vorrichtung ausgenutzt werden.

Der Wellenleiter kann beispielsweise ein magnetostriktiver Draht sein, z.B. ein Ni-Draht, in welchem ein Ultraschallimpuls durch Anbringung einer geeigneten Wicklung um den Draht herum und durch Eingebung eines Impulses in diese Wicklung erzeugt werden kann. Der Ultraschall kann dann mit Hilfe der sog. umgekehrten Magnetostriktion so wahrgenommen werden, dass der im genannten Draht fortschreitende Impuls in der Wicklung eine Spannung erzeugt. In einem bandförmigen Wellenleiter kann ein Ultraschallimpuls am leichtesten dadurch erzeugt werden, dass der bandförmige Wellenleiter an einem Drahtende angelötet wird, wodurch ein Ultraschall-Impuls, durch den die Vereisung der mit dem Band in Berührung stehenden Flüssigkeit erkennbar ist, mit Hilfe der sog. Modikonversion im Band fortzuschreiten beginnt.

Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Anzeigen einer Vereisung als Blockschema.

Fig. 2 zeigt einen magnetostriktiven Wandler, mit dem eine Ultraschallwelle in einem Band oder Draht erzeugt und die gedämpfte Welle entsprechend empfangen wird.

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung eines Geberdrahtes an der Asphaltoberfläche einer Strasse.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines bandförmigen Wellenleiters.

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Nach Fig. 1 werden mit einem Impulsgenerator 10 in einer Ultraschall-Frequenz f Impulse erzeugt, die in einen Impulsverstärker 11 und weiter in einen an sich bekannten Transmit/Receive-Schalter 12 geleitet werden. Zur Vorrichtunggehören ausserdem ein Impulsempfänger 13, ein Indikator 14 sowie eine Anzeige- und Alarmvorrichtung 15. Der Transmit/Receive-Schalter 12 ist durch ein Koaxialkabel 16 mit einer Wandlereinrichtung 17 verbunden. Die Wandlereinrichtung 17 besteht aus einem Stab 19 aus magnetostrik-tivem Stoff, z.B. Nickel oder einer geeigneten Legierung, um den herum ein Spulenträger 21 aus Isolierstoff angebracht ist, auf den eine Spule 18 gewickelt ist. An den Anschlüssen 23 der Spule 18 werden die Ultraschall-Spannungsimpulse über das Koaxialkabel 16 eingespeist. Der aus magnetostriktivem Material bestehende Stab 19 ist durch eine geeignete Verbindung 24 mit einem band- oder drahtförmigen Ultraschall-Wellenleiter 20 verbunden.

Wie aus Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, ist der Wellenleiter 20 in einer Asphaltstrasse T, einem Rollfeld oder einer ähnlichen der Vereisung ausgesetzten Verkehrsfläche in einer Nut 25 angeordnet, in der der Wellenleiter 20 z.B. mit Klammern 26 befestigt ist. Diese Befestigung ist nicht unbedingt erforderlich, und das Band oder der Draht, aus dem der Wellenleiter 20 gebildet wird, darf auf keinen Fall im Asphalt so isoliert angebracht werden, dass sich zwischen ihm und der Oberfläche seiner Umgebung keine Wasser-/Eisschicht bilden kann.

Der Wellenleiter 20 erstreckt sich über die ganze Breite der Oberfläche der Strasse T, so dass sich sein eines Ende 20" an dem einen Strassenrand und sein anderes Ende 20' an der Stirnseite der Spule 18 befindet. Der Draht oder das Band, aus dem der Wellenleiter 20 besteht, ist aus Nickel, aus einer Titan-Legierung, aus säurebeständigem Stahl oder einem entsprechenden Material hergestellt, das seinerseits gegen mechanischen Verschleiss ausreichend beständig ist, damit der Wellenleiter 20 nicht unnötig oft erneuert zu werden braucht.

Die im vorstehenden beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermassen: Mit dem Impulsgenerator 10 werden Spannungsimpulse mit Ultraschall-Frequenz erzeugt, die bei Transmit-Stellung des Schalters 12 über das Koaxialkabel 16 in die Spule 18 geleitet werden, wo das entstehende Magnetfeld aufgrund von Magnetostriktion im Stab 19 entsprechende Schwingungen verursacht, die im Wellenleiter 20 fortschreiten und reflektiert werden. Die Impulsdämpfung im Wellenleiter 20 wird festgestellt, indem auf der umgekehrten Magnetostriktion beruhend in der Spule 18 ein Spannungsimpuls entsteht, der über das Koaxialkabel 16, jetzt bei Receive-Stellung des Schalters 12, zum Impuls-Empfänger 13 übertragen wird, der über den Indikator 14 mit den Anzeige-und Alarmvorrichtungen 15 verbunden ist. Das an der Oberfläche einer Asphaltstrasse oder dergleichen befindliche Wasser kommt mit dem Band oder Draht, aus dem der Wellenleiter 20 besteht, in Berührung. Somit ändert sich die

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Dämpfung des fortschreitenden Impulses oder einer stehenden Welle im Wellenleiter 20 bei Viskositätsänderung in der Umgebung der Wellenröhre je nachdem, ob das Wasser auf der Strasse T vereist (I) oder flüssig (W) ist. Dies beruht darauf, dass zwischen flüssigem Wasser und Eis ein beträchtlicher Viskositätsunterschied besteht.

Der vom Ultraschall wahrgenommene Vereisungsvorgang kann somit durch die Ultraschall-Sender-/Empfänger-Vor-richtung beispielsweise digital so festgestellt werden, dass z.B. die volle digitale Spannung bedeutet, dass der Asphalt trocken oder nass ist, wogegen das digitale Null-Signal bedeutet, dass der Asphalt vereist ist. Dieses digitale Signal kann dann in verschiedenen Alarmsystemen, in Messstationen, Flughäfen o. dgl. verwendet werden.

In diesem Zusammenhang ist ausserdem von Bedeutung dass ein Vorteil der beschriebenen Vorrichtung darin besteht, dass sie vom Salzgehalt der Strasse unabhängig ist und dass sie nur den Vereisungsvorgang anzeigt, während z.B. ein Temperatur-Geber beim Anzeigen einer Temperatur von 0°C damit nicht unbedingt angibt, ob die Oberfläche vereist ist oder nicht. Gemäss Definition weist der Vereisungsvorgang immer Erstarrung bzw. plötzliche Viskositätsänderung auf.

Die Frequenz des in der beschriebenen Vorrichtung verwendeten Ultraschalls liegt am zweckmässigsten im Bereich F = 100... 150 kHz. Wenn die Schallgeschwindigkeit in den für den Wellenleiter 20 verwendeten Metallen bei 3000 m/s liegt, entspricht der im vorstehenden genannten Frequenzbereich einem Wellenlängenbereich von X = 2... 3 cm.

Es wurde festgestellt, dass das grösste Querschnittsmass des Drahtes, der den Wellenleiter 20 bildet, am zweckmässigsten kleiner als ca. ^ ist.

Der Durchmesser D eines Wellenleiterdrahtes 20 mit rundem Querschnitt nach Fig. 3 beträgt z.B. ca. 2 mm, und gemäss Fig. 4 beträgt die kleinere Querschnittsabmessung eines bandförmigen Wellenleiters 20 A = ca. 2 mm und die grössere Querschnittsabmessung B = ca. 6 mm. Wie gesagt, können die Querschnittmasse eines Wellenleiters 20 je nach Wellenlänge z.B. innerhalb der im vorstehenden dargestellten Grenzen variieren, jedoch vorzugsweise so, dass der Drahtdurchmesser D <jö und das grösste Mass eines Bandes B ist, um Dispersion auszuschliessen. Je nach Bedarf können auch höhere oder tiefere als innerhalb des im vorstehenden genannten Frequenzbereiches f = 100... 150 kHz liegende Ultraschall-Frequenzen verwendet werden.

Weiterhin ist hervorzuheben, dass die Wirkung der beschriebenen Vorrichtung entweder auf der Messung der Dämpfung eines fortschreitenden Impulses oder einer stehenden Welle beruht.

Da die Wirkungsweise mit der Echolotung zu vergleichen ist, kann vereinfachend festgestellt werden, dass der Wellenleiter 20 ein «Echo» liefert, wenn die Umgebung des Wellenleiters trocken oder von Wasser umgeben ist, und andererseits kein «Echo» liefert, wenn die Umgebung des Wellenleiters vereist ist.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vorrichtung zum Anzeigen einer Vereisung einer Verkehrsfläche, mit einem an der zu überwachenden Verkehrsfläche anzuordnenden Geberelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement aus einem draht- oder bandförmigen Ultraschall-Wellenleiter (20) besteht, dass die Vorrichtung elektronische Geräte (10, 11, 12,13, 14, 15, 16,17, 18,19) zum Erzeugen und zum Empfangen von sich im Wellenleiterfortpflanzenden Ultraschallwellen enthält und dass das Geberelement und die elektronischen Geräte dazu eingerichtet sind, einen Vereisungsvorgang der zu überwachenden Verkehrsfläche aufgrund der Dämpfungsänderung der im Wellenleiter (20) sich fortpflanzenden Ultraschallwellen zu erkennen, welche Dämpfungsänderung durch Unterschiede der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Viskosität, von Wasser und Eis bewirkt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Wellenleiter (20) ganz oder teilweise (19) aus einem Stab (19) aus magnetostriktivem Material besteht und dass um den Stab herum eine elektromagnetische Spule (18) angeordnet ist, um sowohl Ultraschallwellen im Wellenleiter (20) zu erzeugen als auch die gedämpften Ultraschallwellen im Wellenleiter (20) zu empfangen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der in der Vorrichtung verwendeten Ultraschall-Schwingungen im Bereich F =

100... 150 kHz liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die grösste Dimension des Querschnittes des draht- oder bandförmigen, aus einem Metall bestehenden Wellenleiters (20) kleiner ist als ein Zehntel der Wellenlänge (X) der verwendeten Ultraschallwellen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (20) aus einem Draht mit im wesentlichen rundem Querschnitt besteht, dessen Durchmesser (D) etwa 2 mm beträgt (Fig. 3).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (20) aus einem Metallband mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt besteht, dessen grösseres Mass etwa 6 mm und dessen kleineres Mass etwa 2 mm betragen (Fig. 4).

7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Anzeigen einer Vereisung einer Asphaltstrasse, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter in einer in der Oberfläche der Asphaltstrasse befindlichen Nut (25) angeordnet ist, deren Tiefe im wesentlichen ebenso gross wie die senkrechte Abmessung des Wellenleiters (20) ist, welche Nut (25) in der Art offen ist, dass Wasser und/ oder Eis zwischen die Wände der Nut (25) und die Oberfläche des Wellenleiters (20) gelangen.