CH710455A2

CH710455A2 - Device for measuring the water layer under the tires of a moving vehicle and the road with the aid of an alternating electric field.

Info

Publication number: CH710455A2
Application number: CH01901/14A
Authority: CH
Inventors: Liener Rolf; Godler Franc
Original assignee: Liener Rolf; Godler Franc
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Aquaplaning, d.h. einer Wasserkeil-Bildung unter einem oder mehr Reifen eines fahrenden Fahrzeugs, wodurch die Haftreibung des Fahrzeugs zwischen Reifen und Strasse aufgehoben wird. Die Vorrichtung arbeitet nach dem Verfahren der Dielektrikumsänderung durch Wasser in einem im äusseren Mantel (2b) eines Reifens eingebauten, aufgeklappten Messkondensator (2f, 2h). Aus der gemessenen Wasserhöhe können Erkenntnisse über die zulässige Höchst-Geschwindigkeit abgeleitet werden, mit der das Fahrzeug sich noch bewegen darf.The invention relates to a device for detecting aquaplaning, i. a wedge formation under one or more tires of a moving vehicle, whereby the static friction of the vehicle between the tire and the road is canceled. The device operates according to the method of dielectric change by water in a built-up in the outer jacket (2b) of a tire, unfolded measuring capacitor (2f, 2h). Based on the measured water level, insights into the permissible maximum speed with which the vehicle is still allowed to move may be derived.

Description

Technisches GebietTechnical area

[0001] Eine gute Haftung eines Fahrzeugs auf der Strasse ist einer der wichtigsten Faktoren für sicheres Fahren. Physikalisch betrachtet ist ein hoher Wert der Haftreibung während des Fahrens ein Mass dafür. Wird die Strasse nass, verringert sich der Wert der Haftreibung. Wird der Wasserbelag auf der Strasse so hoch, dass er vom Reifen nicht mehr verdrängt werden kann, so entsteht ein Wasserkeil unter dem Reifen. Diesen Effekt bezeichnet man als Aquaplaning und die Haftreibung geht gegen null. Good adhesion of a vehicle on the road is one of the most important factors for safe driving. From a physical point of view, a high value of static friction while driving is a measure of this. If the road gets wet, the value of the static friction decreases. If the water layer on the road becomes so high that it can no longer be displaced by the tire, a water wedge is created under the tire. This effect is known as aquaplaning and the static friction is almost zero.

[0002] Damit Aquaplaning entstehen kann, bedarf es mehrerer Faktoren die zusammen wirken müssen. Diese Faktoren sind die Höhe des Wasserfilms auf der Strasse, die Geschwindigkeit und das Gewicht des Fahrzeugs und der Reifenzustand (Profiltiefe, Reifenbreite, Gasdruck im Reifeninnern). In order for aquaplaning to occur, several factors are required that must work together. These factors are the height of the water film on the road, the speed and weight of the vehicle and the condition of the tires (tread depth, tire width, gas pressure inside the tire).

[0003] In der folgenden Offenbarung der Erfindung wird eine neue Vorrichtung beschrieben, die in die Reifen des Fahrzeugs eingebaut wird. Sie ist in der Lage die Wasserhöhe zwischen Reifen und Strasse zu messen. Die Datenausgabe erfolgt mit Hilfe der bekannten Transponder-Technologie. Aus den Messdaten können Warnungen und Prognosen für den Fahrer abgeleitet werden. Die Ergebnisse können über ein Display mitgeteilt werden, und sie stehen allen Assistenzsystemen zur Verfügung. In the following disclosure of the invention, a new device is described which is built into the tires of the vehicle. It is able to measure the water height between the tires and the road. The data is output with the help of the known transponder technology. Warnings and forecasts for the driver can be derived from the measurement data. The results can be communicated via a display and they are available to all assistance systems.

Stand der TechnikState of the art

[0004] Bekannt sind Plattenkondensatoren, die aus zwei Metallplatten mit dazwischen liegendem Isolator, dem Dielektrikum, bestehen. Sie haben die Fähigkeit elektrische Ladungen zu speichern. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung fliesst kurzzeitig ein elektrischer Strom, der eine Platte mit Elektronen anreichert und der anderen Platte Elektronen entzieht. Zwischen den Platten entsteht ein Potentialunterschied und damit ein elektrisches Feld. Die Ladungen bleiben auf den Metallplatten gespeichert, wenn der Stromkreis unterbrochen wird. Plate capacitors are known, which consist of two metal plates with an insulator in between, the dielectric. They have the ability to store electrical charges. When an electrical voltage is applied, an electrical current flows briefly, which enriches one plate with electrons and removes electrons from the other plate. There is a potential difference between the plates and thus an electric field. The charges remain stored on the metal plates when the circuit is broken.

[0005] Ist zwischen den Platten nicht leitende Materie (Dielektrikum) vorhanden, kann diese in Abhängigkeit ihrer Eigenschaften, durch das elektrische Feld polarisiert werden und damit mehr Energie aufnehmen als eine Metallplattenanordnung gleicher Grösse aber ohne Materie. Allgemein gilt für die in einem Kondensator gespeicherte Ladungsmenge Q: If non-conductive material (dielectric) is present between the plates, it can be polarized by the electric field, depending on its properties, and thus absorb more energy than a metal plate arrangement of the same size but without matter. In general, the following applies to the amount of charge Q stored in a capacitor:

C = Kapazität = Funktion von Plattengrösse, Plattenabstand und Dielektrikum U = Ladespannung des Kondensators C = capacity = function of plate size, plate spacing and dielectric U = charging voltage of the capacitor

[0006] Die elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums werden durch die elektrische Feldkonstante [0006] The electrical properties of the dielectric are determined by the electrical field constant

und der relativen Permittivität εrbeschrieben. εrist vom Material des Dielektrikums vorgegeben. Damit erhält man die Kapazität eines Plattenkondensators zu: and the relative permittivity εr. εrist is given by the material of the dielectric. This gives the capacity of a plate capacitor as:

A = Fläche einer Kondensatorplatte d = Plattenabstand A = area of a capacitor plate d = plate spacing

[0007] Wird an einem Kondensator eine Wechselspannung angelegt, dann fliesst ein kontinuierlicher Wechselstrom, der die Platten des Kondensators mit der Frequenz der Wechselspannung umlädt. Es tritt eine periodische Ladungsänderung ein: If an alternating voltage is applied to a capacitor, then a continuous alternating current flows, which recharges the plates of the capacitor at the frequency of the alternating voltage. A periodic change in charge occurs:

[0008] Werden die Differentiale mit Are the differentials with

ausdifferenziert, so erhält man einmal die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom von π/2 und den Blindwiderstand zu: differentiated, one obtains the phase shift between voltage and current of π / 2 and the reactance as:

[0009] Bekannt ist auch, dass Wasser eine frequenzabhängige und komplexe Permittivität hat. Der Realteil von unbehandeltem Wasser ist in Fig. 1 [1] gezeigt. Bei niedrigen Frequenzen hat er den Wert von ca. 80 und fällt kontinuierlich auf den Wert ca. 60 bei 15 GHz. Der Imaginärteil hat bei ca. 20 GHz sein Maximum von > 30 und steht für die Energieverluste am Kondensator. [0009] It is also known that water has a frequency-dependent and complex permittivity. The real part of untreated water is shown in Fig. 1 [1]. At low frequencies it has a value of approx. 80 and continuously falls to a value of approx. 60 at 15 GHz. The imaginary part has its maximum of> 30 at approx. 20 GHz and represents the energy losses on the capacitor.

[0010] Weiterhin ist bekannt, dass sich die Kehrwerte der einzelnen Kapazitäten addieren, wenn sie in Reihe geschaltet werden und dadurch den Kehrwert der Gesamtkapazität bilden: It is also known that the reciprocal values of the individual capacities add up when they are connected in series and thus form the reciprocal of the total capacitance:

Offenbarung der Erfindung: Disclosure of the invention:

[0011] Die in dieser Offenbarung beschriebene Vorrichtung nutzt die oben im Stand der Technik beschriebenen physikalischen Zusammenhänge. Fig. 2 zeigt die im Reifen eingebaute Vorrichtung als Schnittzeichnung und Ausführungsbeispiel im Detail, parallel zur Laufrichtung des Reifens. Die Vorrichtung ist über einer Profilaussparung wie in Fig. 3 (Fig. 2 ; 2c) gezeigt quer zur Laufrichtung des Reifens angebracht. In Fig. 3 sind 3a der äussere Reifenmaterial, 3b das im Reifenmaterial untergebrachte Stahldrahtgeflecht und 3c die Vorrichtung als Sensor für die Wassermessung. The device described in this disclosure uses the physical relationships described above in the prior art. Fig. 2 shows the device installed in the tire as a sectional drawing and an exemplary embodiment in detail, parallel to the running direction of the tire. The device is attached across a tread recess as shown in Fig. 3 (Fig. 2; 2c) transversely to the direction of travel of the tire. In FIG. 3, 3a is the outer tire material, 3b is the steel wire mesh accommodated in the tire material and 3c is the device as a sensor for the water measurement.

[0012] Der Plattenkondensator ist bei dieser Anordnung relativ klein, und hat zudem noch einen grossen Plattenabstand, da die Platten parallel zur Profilaussparung 2c liegen und sich dadurch nicht direkt gegenüber stehen. Die Platten werden in Fig. 2 mit 2f und 2h dargestellt. The plate capacitor is relatively small in this arrangement, and also has a large plate spacing, since the plates are parallel to the profile recess 2c and are therefore not directly opposite. The plates are shown in Figure 2 as 2f and 2h.

[0013] Elektronisch gesehen besteht dieser Kondensator aus einem geschichteten Dielektrikum wie in Fig. 4 dargestellt. Die Kondensatorplatten sind 4a, das Dielektrikum bestehend aus dem Reifenmaterial und ist als 4b gekennzeichnet. Das Volumen 4c kann Luft, Wasser oder ein beliebiges Verhältnis von beiden sein, das sich bei Aquaplaning durch den Wasserkeil vergrössert. Physikalisch lässt sich ein geschichtetes Dielektrikum auch als Reihenschaltung von Kondensatoren darstellen und berechnen. Hier wären es drei in Reihe geschaltete Kondensatoren, wobei die äusseren beiden gleich sind und das Reifenmaterial als Dielektrikum haben. Bei Verwendung von Gummi als Reifenmaterial ergibt sich ein εrvon ca. 2,5 bis 3, Luft hat ein εrvon ca. 1 und Wasser je nach Betriebsfrequenz des Sensors ein εrvon < 80 (Fig. 1 ). Damit wird die Kapazität dieses Kondensators mit steigendem Anteil des Wassers im Volumen 4c grösser und mit steigendem Anteil von Luft kleiner. From an electronic point of view, this capacitor consists of a layered dielectric as shown in FIG. The capacitor plates are 4a, the dielectric consists of the tire material and is identified as 4b. The volume 4c can be air, water or any desired ratio of the two, which increases in the case of aquaplaning due to the water wedge. Physically, a layered dielectric can also be represented and calculated as a series connection of capacitors. Here it would be three capacitors connected in series, the two outer ones being the same and having the tire material as a dielectric. When using rubber as tire material, the result is an εr of approx. 2.5 to 3, air has an εr of approx. 1 and water, depending on the operating frequency of the sensor, has an εr of <80 (FIG. 1). Thus, the capacity of this condenser becomes larger with increasing proportion of water in volume 4c and smaller with increasing proportion of air.

[0014] Die gesamte Anordnung (Fig. 2 ) befindet sich in der Reifenmaterialschicht 2b, die auf das Stahldrahtgeflecht 2a aufgebracht ist. Als Träger des Sensors wird ein flexibler, beidseitig metallbeschichteter Film 2g verwendet. Die zum Stahldrahtgeflecht 2a liegende Seite hat eine durchgängige Metallisierung 2e, die als Masse dient. Auf der Seite der Kondensatorplatten befinden sich das Layout der Schaltung die Messelektronik und der Transponder 2j. Die von den Kondensatorplatten ausgehenden Feldlinien des elektrischen Wechselfeldes sind durch 2k symbolisiert. Der Strassenbelag ist durch 2d gekennzeichnet. The entire arrangement (Fig. 2) is located in the tire material layer 2b, which is applied to the steel wire mesh 2a. A flexible film 2g coated with metal on both sides is used as the carrier for the sensor. The side facing the steel wire mesh 2a has a continuous metallization 2e, which serves as ground. The layout of the circuit, the measuring electronics and the transponder 2j are located on the side of the capacitor plates. The field lines of the alternating electric field emanating from the capacitor plates are symbolized by 2k. The road surface is marked by 2d.

[0015] Messtechnisch kann die Kapazitätsänderung durch die Änderung der Spannung an der Kapazität erfasst werden. Dazu gibt es in der Elektronik verschiedene Möglichkeiten, wie z.B. die Verwendung von Messbrücken, Spannungsteilern oder die Verwendung von Konstantwechselstromquellen. In terms of measurement technology, the change in capacitance can be recorded by changing the voltage across the capacitance. There are various ways of doing this in electronics, such as the use of measuring bridges, voltage dividers or the use of constant alternating current sources.

[0016] Fig. 5 zeigt ein Beispiel die Messung mit Hilfe eines Spannungsteilers vorzunehmen. 5b ist ein ohmscher Widerstand, der in Reihe mit dem kapazitiven Blindwiderstand (= kapazitiver Messwiderstand des Sensors) 5c geschaltet ist. An dieser Anordnung liegt eine z.B. sinusförmige, hochfrequente Wechselspannung 5a mit konstanter Amplitude an. Ändert sich der kapazitive Blindwiderstand 5c, so ändert sich auch das Spannungsteilerverhältnis 5b/5c. In 5d wird eine zur Spannungsquelle 5a synchrone Gleichrichtung vorgenommen um einen hohen Wirkungsgrad und ein geringes Rauschen zu erhalten. Nach der Gleichrichtung wird eine geringe Integration vorgenommen, deren Zeitkonstant eine Funktion der zugelassenen Höchstgeschwindigkeit des Reifens ist. Es können aber auch einfachere Gleichrichterschaltungen verwendet werden, wenn die Wechselspannungsquelle grössere Amplituden leisten kann. 5e beinhaltet einen Anpassverstärker und einen Analog-Digital-Wandler. Die digitalen Daten werden über einen Transponder 5f mit Energieversorgung entweder über eine Nahfeld- oder Fernfeld-Übertragung 5g ausgelesen. Fig. 5 shows an example of making the measurement using a voltage divider. 5b is an ohmic resistor which is connected in series with the capacitive reactance (= capacitive measuring resistor of the sensor) 5c. This arrangement is due to e.g. sinusoidal, high-frequency alternating voltage 5a with constant amplitude. If the capacitive reactance 5c changes, the voltage divider ratio 5b / 5c also changes. In FIG. 5d, a rectification that is synchronous with the voltage source 5a is carried out in order to obtain a high degree of efficiency and low noise. After rectification, a small integration is made, the time constant of which is a function of the maximum permitted speed of the tire. However, simpler rectifier circuits can also be used if the AC voltage source can provide larger amplitudes. 5e contains a matching amplifier and an analog-to-digital converter. The digital data are read out via a transponder 5f with an energy supply either via a near-field or far-field transmission 5g.

[0017] Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 6 die Verwendung einer hochfrequenten Konstantwechselstromquelle 6a. Dabei wird der Wechselstrom durch den Messkondensator 6b konstant gehalten. Das ist nur möglich, wenn sich proportional zur Änderung des kapazitiven Blindwiderstands die den Wechselstrom treibende Wechselspannung ändert. Die am Kondensator 6b anliegende Spannung ist also die direkte Messgrösse. Auch bei dieser elektronischen Variante ist 6c als nachfolgender Gleichrichter mit Integrator eingesetzt, der jedoch einen hochohmigen Eingang besitzt. 6d beinhaltet den Anpassverstärker mit Analog-Digital-Wandler, 6e ist der Transmitter mit Energieversorgung und 6f die Nahfeld- oder Fernfeld-Übertragung. Another possibility in FIG. 6 is the use of a high-frequency constant alternating current source 6a. The alternating current is kept constant by the measuring capacitor 6b. This is only possible if the alternating voltage driving the alternating current changes proportionally to the change in the capacitive reactance. The voltage applied to the capacitor 6b is therefore the direct measured variable. In this electronic variant, too, 6c is used as a downstream rectifier with integrator, which however has a high-resistance input. 6d contains the matching amplifier with analog-to-digital converter, 6e is the transmitter with power supply and 6f is the near-field or far-field transmission.

[0018] Die hier beschriebene Vorrichtung zur Messung der Wasserhöhe ist abhängig von der Profiltiefe des Reifens und nur korrekt in Verbindung mit der Kombination der im Patent [2] beschriebenen Vorrichtung zur Profiltiefenmessung. The device described here for measuring the water level is dependent on the tread depth of the tire and only correctly in connection with the combination of the device for measuring the tread depth described in patent [2].

Claims

1. A device for measuring water between the road and tires in a moving vehicle, characterized in that the water-measuring sensor is a housed in the tire material, unfolded capacitor whose plates are arranged one behind the other or in parallel, approximately in a plane.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the capacitor is traversed by a high-frequency alternating current to detect the changing in existing water dielectric properties between the capacitor plates and thus between tires and the road.

3. A device according to claim 1, characterized in that this device remains completely embedded in the outer material of the tire over the steel mesh even after wear of the profile.

4. Apparatus according to claim 1, characterized in that the capacitor is operated by a constant frequency power source operated at a nominal frequency.

5. The device according to claim 1, characterized in that the capacitor is operated by a constant frequency operated with a constant frequency source with upstream resistor.

6. The device according to claim 1, characterized in that the transponder technology is used for transmitting the measured data.