DE102007013830A1

DE102007013830A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der sich auf einer Fahrbahndecke befindlichen H2O-Menge

Info

Publication number: DE102007013830A1
Application number: DE102007013830A
Authority: DE
Inventors: Werner Kluft; Achim Düssel; Walter Miessen; Tobias Kippenberg; Rolf Isele; Armin Burger
Original assignee: Kuepper Weisser GmbH
Current assignee: Kuepper Weisser GmbH
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: DE102007013830B4

Abstract

Mittels zweier Infrarotsensoren wird die sich auf einer Fahrbahnoberfläche befindliche H<SUB>2</SUB>O-Menge ermittelt. Der erste Infrarotsensor strahlt mit einer Wellenlänge von > 1400 nm. Diese Strahlung wird von Wasser, Eis und Schnee stark absorbiert, und die Intensität der diffus reflektierten Strahlung ist ein Maß für die H<SUB>2</SUB>O-Menge. Der Referenzsensor strahlt vorzugsweise mit einer Wellenlänge < 1100 nm. Diese Strahlung wird von Wasser, Eis und Schnee kaum absorbiert, und die Intensität der diffus reflektierten Strahlung ist ein Maß für die Reflexionseigenschaft der Fahrbahnoberfläche. Die jeweils gemessenen Strahlungsintensitäten werden zueinander ins Verhältnis gesetzt, um ein von Einflüssen wie Fahrbahnoberfläche, Fahrbahnabstand etc. unabhängiges Ergebnissignal zu erhalten. Auf diese Weise lassen sich Wasserschichtdicken mit einer Schichtdickenauflösung von 0,1 mm durch Vergleich mit einer Referenztabelle ermitteln und die notwendige Streumenge anhand des ermittelten Werts einstellen. Dieses System ist sowohl für mobile Einsatzzwecke an Winterdienststreufahrzeugen als auch für stationäre Einsatzzwecke an kritischen Straßenabschnitten geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der sich auf einer Fahrbahndecke befindlichen H₂O-Menge sowohl für stationäre Meßzwecke an kritischen Straßenabschnitten als auch für mobile Meßzwecke an Winterdienststreufahrzeugen.
Statische Straßenzustandserkennungsgeräte sind vielfach bekannt, um automatisch festzustellen, ob die Straße trocken, feucht oder überfroren ist. Dazu werden auf einen Meßfleck des zu überwachenden Straßenabschnitts eine oder mehrere unterschiedliche spektrale Strahlungen im optischen und/oder infraroten und/oder Mikrowellenbereich gerichtet und der spiegelnd und/oder diffus reflektierte Anteil der Strahlungen wird detektiert und ausgewertet. Je nach Auswerteergebnis wird durch Vergleich mit zuvor ermittelten Referenzwerten auf den Straßenzustand geschlossen, zum Beispiel "trocken", "gefroren", "naß", "Schnee". Dabei macht man sich zunutze, daß die jeweiligen Strahlungen abhängig vom Fahrbahnzustand unterschiedlich reflektiert werden (zum Beispiel diffus oder spiegelnd) und unterschiedlich stark absorbiert werden.
Die DE 196 08 535 A1 schlägt vor, ein solches aus der DE 40 40 842 A1 bekanntes statisches Infrarot-Mikrowellen-Sensorsystem zu verbessern und insbesondere auch für mobile Anwendungszwecke zur Anbrin gung an ein Fahrzeug tauglich zu machen, um festzustellen, ob die Straße trocken, naß oder überfroren ist.
Demnach werden zwei Infrarotsensoren für unterschiedliche IR-Wellenlängenbereiche und ein Mikrowellensensor verwendet. Der erste Infrarotsensor sendet IR-Strahlung im mittleren IR-Bereich von 1500 bis 3500 nm aus und mißt die vom Meßfleck diffus reflektierte Strahlung. Ist die Straße trocken, so ist der diffus reflektierte IR-Strahlungsanteil maximal. Ist die Straße naß oder überfroren, so dringt jedenfalls der größte Teil der Strahlung in die Wasser- bzw. Eisschicht ein und wird im übrigen spiegelnd reflektiert. Der in die Wasser- bzw. Eisschicht eingedrungene Strahlungsanteil wird an der Fahrbahndecke diffus reflektiert und tritt dann aufgrund des IR-Absorptionsvermögens von Wasser und Eis mit einer entsprechend geringeren Intensität aus der Wasser- bzw. Eisschicht wieder aus. Das IR-Sensorsignal für die diffus reflektierte IR-Strahlung ist bei nasser und überfrorener Fahrbahn dementsprechend geringer als bei trockener Fahrbahn. Da Wasser und Eis im mittleren IR-Bereich in etwa ein gleiches Absorptionsvermögen besitzen, läßt sich zwar eine trockene Fahrbahn von einer feuchten oder überfrorenen Fahrbahn unterscheiden, eine Unterscheidung zwischen "feucht" und "überfroren" ist allerdings nicht möglich.
Deshalb wird zusätzlich ein Mikrowellensensor eingesetzt, der X-Band-Mikrowellen aussendet und den spiegelreflektierten Anteil der Mikrowellenstrahlung mißt. Mikrowellen haben die Eigenschaft, daß sie von Wasser wesentliche stärker spiegelreflektiert werden als von Eis oder beispielsweise Asphalt. Der Mikrowellensensor eignet sich also zur Feststellung ob die Fahrbahn naß ist. Eine Unterscheidung zwischen vereister und trockener Fahrbahn ist damit aber nicht zuverlässig möglich. Mittels Bool'scher Logik wird sodann durch Vergleich des IR-Meßergebnisses (trocken oder naß/vereist) und des MW-Meßergebnisses (naß oder trocken/vereist) eindeutig zwischen trockener, nasser und vereister Fahrbahn unterschieden.
Der zweite IR-Sensor ist vorgesehen, um die Zuverlässigkeit des Systems weiter zu erhöhen, denn aufgrund unterschiedlicher Reflexions-Eigenschaften verschiedener Fahrbahnoberflächen kann es vorkommen, daß das IR-Meßsignal keine eindeutige Unterscheidung zwischen trockener und nasser/vereister Fahrbahn zuläßt. Zu diesem Zweck strahlt der Sender des zweiten IR-Sensors im nahen IR-Wellenlängenbereich (NIR) von 900 bis 1400 nm. Dieser Wellenlängenbereich liegt außerhalb der Wasser- und Eisabsorptionsbande, so daß NIR-Strahlung nur sehr schwach von Wasser oder Eis absorbiert wird und sich die gemessenen NIR-Reflexionssignale für trockene und nasse/vereiste Fahrbahn nicht wesentlich voneinander unterscheiden. Durch Vergleich des IR-Meßsignals mit dem NIR-Meßsignal läßt sich nun eine zuverlässige Aussage darüber machen, ob die Fahrbahn trocken oder naß/vereist ist. Denn, wenn die Fahrbahn trocken ist, sind beide Meßsignale in etwa gleich, da die Reflexion an der Fahrbahnoberfläche unabhängig von der Art der Fahrbahndecke für beide IR-Strahlungen in etwa konstant ist. Ergibt der Vergleich der Meßsignale aber, daß das IR-Meßsignal für Wellenlängen im mittleren IR-Bereich aufgrund von Absorptionserscheinungen in Wasser oder Eis um einen bestimmten Faktor kleiner ist als das NIR-Meßsignal, welches von Absorptionserscheinungen nur wenig beeinflußt ist, so wird die eindeutige Aussage getroffen, daß die Fahrbahn nicht trocken ist, also naß oder vereist ist.
Der im NIR-Bereich arbeitende IR-Sensor, mit dem im wesentlichen die Reflexionseigenschaften der Fahrbahnoberfläche ermittelt werden, wird nachfolgend als "Referenzsensor" bezeichnet, und der im mittleren IR-Bereich arbeitende IR-Sensor, dessen IR-Strahlung von Wasser und Eis wesentlich stärker absorbiert wird, wird nachfolgend als "Absorptionssensor" bezeichnet. Die Sensorstrahlungen und -signale werden dementsprechend mitunter als Absorptions- und Referenzstrahlung bzw. Absorptions- und Referenzsignal bezeichnet.
Die bekannten Straßenzustandserkennungsgeräte beschränken sich darauf, den Aggregatzustand von H₂O festzustellen. Es wird insbesondere keine Aussage über die Menge des auf der Fahrbahn befindlichen H₂O gemacht. Eine solche Aussage wird aber benötigt, um die auf die Fahrbahn auszustreuende Salzmenge bedarfsgerecht einzustellen. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich um ein stationäres oder ein mobiles Salzstreugerät handelt.
Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der sich auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen H₂O-Menge zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mittels einem Absorptionssensor und einem Referenzsensor, wie sie beispielsweise in der vorgenannten DE 196 08 535 A1 beschrieben werden, durch Quotienten bildung der Meßwerte nicht nur eine Aussage über "trocken" oder "naß" sondern auch eine Aussage über den Grad der Nässe erhältlich ist. Und dies nicht nur in groben Stufen wie "trocken", "feucht", "Aquaplaning", sondern relativ exakt in kleinen Schritten von beispielsweise 0,1 mm Wasserschichtdicke zwischen 0 mm und 1 mm Wasserschichtdicke oder je nach Wahl des Wellenlängenbereichs der beiden Sensoren auch für größere Schichtdicken.
Vorzugsweise wird dazu ein Absorptionssensor verwendet, dessen Sender eine Strahlung in einem Wellenlängenbereich abstrahlt, der von Wasser, Eis und Schnee in etwa gleichermaßen absorbiert wird. Dafür eignet sich IR-Strahlung im mittleren IR-Bereich von 1400 bis 3500 nm. Um eine hohe Signalausbeute bei möglichst geringer Strahlungsintensität zu erhalten, kann eine Wellenlänge gewählt werden, bei der das Absorptionsvermögen maximal ist, beispielsweise eine Wellenlänge von 1400 nm (siehe 10). Da jedoch mit steigendem Absorptionsvermögen die gerade noch eindeutig bestimmbare maximale Wasserschichtdicke entsprechend sinkt, kann es sinnvoll sein, einen Wellenlängenbereich zu wählen, in dem das Absorptionsvermögen geringer ist (zum Beispiel vorzugsweise 1460 nm oder auch 1700 nm). Beispielsweise wird IR-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1460 nm von einer 1 mm dicken Wassersäule (entspricht wegen der Reflexion an der Fahrbahnoberfläche einer 0,5 mm dicken Wasserschicht) zu etwa 84% und bei 1700 nm lediglich zu etwa 46% absorbiert (siehe 10). Bei 2 mm Wassersäule, das entspricht wegen der Reflexion an der Fahrbahnoberfläche einer Wasserchichtdicke von 1 mm, beträgt die Absorption der IR-Strahlung mit 1460 nm Wellenlänge bereits etwa 95%.
Die Wasserschichtdicke ist aber allein anhand des Absorptionssensors nicht zuverlässig zu bestimmen. Einflußgrößen wie unterschiedliches Reflexionsvermögen verschiedener Fahrbahndecken (zum Beispiel wegen unterschiedlicher Fahrbahnrauhigkeit und/oder -helligkeit) oder variierender Sensorabstand zur Fahrbahndecke (zum Beispiel aufgrund von durch Schwingungen oder unterschiedliche Fahrzeugbeladung hervorgerufene Fahrzeugneigung) müssen ausgefiltert werden. Dazu wird der Referenzsensor benötigt, der eine Strahlung mit einer Wellenlänge aussendet, die von Wasser, Eis und Schnee wesentlich weniger (vorzugsweise überhaupt nicht) absorbiert wird als dies für die Wellenlänge des Absorptionssensors der Fall ist. Wellenlängenbereiche, für die Wasser, Eis und Schnee ein geringes Absorptionsvermögen besitzen, liegen beispielsweise im nahen IR-Bereich kleiner 1100 nm. Eine bevorzugte Wellenlänge für den Referenzsensor liegt bei 1060 nun. In diesem Bereich liegt das Absorptionsvermögen einer 1 mm dicken Wassersäule bei nur etwa 4% (siehe 10). Indem die Meßwerte des Absorptionssensors und des Reflexionssensors, vorzugsweise bezogen auf denselben Meßfleck, zueinander ins Verhältnis gesetzt werden ("Quotientenbildung"), "kürzen" sich die vorgenannten Einflußgrößen raus und man erhält ein von diesen Einflußgrößen freies Ergebnissignal.
Eine bevorzugte Möglichkeit, Fremdlichteinflüsse auszuschließen, besteht darin, die beiden Sender zu pulsen, beispielsweise mit einer Frequenz von 10 kHz und 20 kHz, vorzugsweise gleichphasig und im ganzzahligen Vielfachen zueinander. In den Pulspausen empfangen die Sensoren lediglich Fremdstrahlung und während des Pulses Meßwertstrahlung und Fremdstrahlung. Der Synchrongleichrichter erzeugt aus den signalen in den Pulspausen negative Werte, die ausschließlich aus Fremdlichteinflüssen bestehen. Während des Pulses liegen positive Signale vor, die aus der Meßwertstrahlung und der Fremdstrahlung bestehen. Ein nachfolgender Tiefpaßfilter glättet beide Signalwerte während der Pulspausen und während der Pulse zu einem reinen Meßwertstrahlungssignal, bei dem das Signal der Fremdlichtstrahlung weitestgehend eliminiert ist.
Die Strahlungssender der Sensoren sind vorzugsweise als Laserdioden ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß die volle Sendeleistung für Strahlung im schmalbandigen Wellenlängenbereich von etwa Δλ = 2 nm zur Verfügung steht. Eine Filterung der Sende- oder Empfangsstrahlung und die damit verbundenen Leistungsverluste kann entfallen, so daß mittels der Laserdioden die Signalausbeute vergleichsweise hoch und das Meßergebnis entsprechend genau ist. Geeignet zur Verwendung sind aber auch LEDs als Sender in Verbindung mit entsprechenden Filtern.
Für den Fall, daß die Sensorstrahlungen mit unterschiedlichen Frequenzen gepulst sind, kann vorteilhafterweise ein gemeinsamer Strahlungsempfänger für den Empfang der diffus reflektierten Absorptions- und Referenzstrahlungen vorgesehen sein, wodurch sich die Baugröße der Gesamtvorrichtung vermindern und die Kosten verringern lassen. Aufgrund der unterschiedlichen Pulsfrequenzen lassen sich die Einzelsignale aus dem Empfangssignal herausfiltern. Besonders geeignet ist in diesem Zusammenhang die Verwendung der bereits zuvor erwähnten Synchrongleichrichter, da damit selbst bei nahe beieinanderliegenden Frequenzen von 10 kHz und 20 kHz sehr gute Ergebnisse erzielbar sind. Weiter auseinanderliegende Frequenzen von z. B. 10 kHz und 100 kHz lassen sich auch mittels Bandpaßfilterung differenzieren, aber eine Pulsation mit 100 kHz kann zu dynamischen Systemproblemen führen. Als gemeinsamer Empfänger wird vorzugsweise eine InGaAs-Photodiode eingesetzt, da sie im Bereich von 1060 nm bis 1650 nm eine hohe Empfindlichkeit besitzt und daher für die vorgenannten bevorzugten IR-Wellenlängen besonders geeignet ist.
Vorzugsweise sind die Strahlungssender und -empfänger parallel ausgerichtet, so daß die Senderflecken unabhängig von der Entfernung des Senders zur Fahrbahnoberfläche und somit unabhängig von etwaigen Fahrzeugneigungen immer in den entsprechend größeren, vom Empfänger erfaßten Meßfleck fallen. Durch die parallele Ausrichtung ergibt sich allerdings der Nachteil, daß der Empfängerfleck vergleichsweise groß sein muß, um beide Senderflecken zu erfassen, so daß zur Erzielung einer hohen Signalausbeute eine entsprechend leistungsstarke Empfangsdiode erforderlich ist.
Alternativ kann mittels Lichtleiterbündeln erreicht werden, daß sich Senderflecken und Meßfleck kongruent überlagern. Dies bietet insbesondere bei mobilen Systemen den Vorteil, daß die Senderflecken einander nicht nachlaufen, sondern beide Senderflecken immer gleichzeitig auf denselben Fahrbahnbereich strahlen. Eine zeitversetzte Auswertung und Korrelation der Empfangssignale ist dann nicht erforderlich.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Absorptionssignal und das Referenzsignal zusätzlich zur Quotientenbildung auch separat ausgewertet werden, um aufgrund der Absolutwerte eine zusätzliche Aussage zu erhalten, die Rückschlüsse auf den Aggregatzustand des gemessenen H₂O zulassen. So wurde bei den vorgenannten, bevorzugten IR-Wellenlängen von 1060 nm und 1460 nm festgestellt, daß die Signalstärken sowohl des Referenzsignals als auch des Absorptionssignals drastisch zunehmen, wenn statt Wasser beispielsweise Schnee gemessen wird. Dieses Phänomen, das auf die verstärkte diffuse Refle xion der Strahlung an der Schneedeckenoberfläche zurückgeführt wird, wirkt sich jedoch auf die H₂O-Mengenmessung durch Quotientenbildung aus Referenz- und Absorptionssignal nur geringfügig aus. Dadurch wird es möglich, anhand der absoluten Signalstärke des Referenzsignals als auch des Absorptionssignals zusätzlich auf den Aggregatzustand von H₂O zu schließen.
Soweit eine Unterscheidung zwischen Wasser, Eis und Schnee allein aufgrund der Signalstärke nicht möglich ist, beispielsweise weil die verwendeten Strahlungswellenlängen dafür ungeeignet sind, ist die Verwendung eines zusätzlichen Mikrowellensensors vorteilhaft. Der Aggregatzustand Wasser kann dann vom Aggregatzustand Eis beispielsweise gemäß der in der DE 196 08 535 A1 vorgeschlagenen Bool'schen Logik ermittelt werden, wobei der Mikrowellensensor eindeutig "Wasser" identifiziert und das IR-Sensorsystem eindeutig "trockene Fahrbahn" durch Quotientenauswertung einerseits und "Schnee" durch Absolutwertauswertung andererseits identifiziert.
Da mit dem Mikrowellensensor spiegelreflektierte Mikrowellenstrahlung und mit dem IR-Sensorsystem diffus reflektierte IR-Strahlung detektiert wird, werden die optischen Hauptachsen der Sensoren zueinander geneigt ausgerichtet, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 20°, so daß die optische Achse des Mikrowellensensors senkrecht und die der IR-Strahlung schräg auf die Fahrbahn gerichtet sind, wobei vorzugsweise beide Achsen auf derselben Fahrbahnlinie liegen.
Um das Meßsystem vor Verschmutzung, insbesondere gegen Spritzwasser, zu schützen, ist es vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht, welches seinerseits in einem größeren Gehäuse montiert ist. Das größere Gehäuse besitzt mindestens eine kleine Öffnung, durch die die IR-Strahlung aus- und eintreten kann. Die Wandung des Gehäuses ist aus Kunststoff, so daß Mikrowellenstrahlung ohnehin ungehindert hindurchtreten kann. Zusätzlich kann die kleine Öffnung mit einer für die Sensorstrahlung durchlässigen rotierenden Scheibe gegen eindringendes Spritzwasser geschützt sein. Ein preiswerterer und sehr effektiver Schutz ist auch möglich mittels einem längeren Rohr, das in die Öffnung integriert ist und durch das hindurch die Sende- und Empfangsdioden des IR-Sensorsystems ausgerichtet sind.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht auf spezielle Strahlungen beschränkt ist, insbesondere nicht auf die Verwendung vorgenannter IR-Strahlungen. Diese Strahlungen haben sich lediglich als besonders geeignet erwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der anhängenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
1 ein Winterdienststreufahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der sich auf einer Fahrbahnoberfläche befindlichen H₂O-Menge;
2 die an der Fahrzeugfront montierte Vorrichtung aus 1 vergrößert;
3 die Vorrichtung aus 2 schematisch;
4 einen Querschnitt des IR-Sensors aus 3;
5 einen Längsschnitt schematisch durch die Vorrichtung nach 3 mit Strahlungsaustrittsrohr als Spritzschutz;
6 einen Schnitt entsprechend 5 mit rotierender Scheibe als Spritzschutz;
7 ein IR-Sensorsystem mit Lichtleitfasern zur Bündelung der Strahlung;
8 ein anderes IR-Sensorsystem mit Lichtleitfasern zur Bündelung der Strahlung;
9 die Signalaufbereitung anhand eines Blockschaltbildes;
10 das Absorptionsvermögen einer 1 mm dicken Wassersäule abhängig von der Wellenlänge;
11 Meßergebnisse zu Testfahrten über sich abwechselnden Schneematsch und Wasser; und
12 Meßergebnisse zu Testfahrten über eine Schneedecke inklusive Bremsmanöver.
1 zeigt ein Winterdienststreufahrzeug mit einer Vorrichtung zum Erkennen der sich auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen H₂O-Menge. Die Vorrichtung ist an der Fahrbahnrandseite in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug montiert, um Spritzwassereinflüsse von überholenden Fahrzeugen von vornherein möglichst gering zu halten. Es ist darauf zu achten, daß der detektierte Fahrbahnbereich typischerweise keine Fahr bahnmarkierungen besitzt, da das Sensorsystem samt elektronischer Auswertevorrichtung eine gewisse, wenn auch kurze Ansprechzeit besitzt, so daß sich ständig wechselnde Fahrbahnmarkierungen auf das Ergebnissignal negativ auswirken können.
In 2 ist die am Fahrzeug montierte Meßvorrichtung vergrößert dargestellt. Ein Infrarot-Sensorsystem IR und ein Mikrowellensensor MW sind in einem Spritzwasserschutzgehäuse untergebracht und vorne am Fahrzeug montiert. Dieselbe Vorrichtung kann auch als stationäres System zur Überwachung bestimmter Straßenabschnitte eingesetzt werden. Das IR-Sensorsystem besitzt zwei IR-Sender und zwei IR-Empfänger, die im Ausführungsbeispiel jedoch zu einem IR-Empfänger zusammengefaßt sind. Entsprechend besitzt auch der Mikrowellensensor MW einen Sender und einen Empfänger. Auf den Mikrowellensensor MW kann auch verzichtet werden, da er lediglich dazu dient, durch Vergleich mit dem Meßergebnis des IR-Sensorsystems festzustellen, ob die ermittelte Feuchtigkeitsmenge überfroren ist. Der Aggregatzustand der ermittelten H₂O-Menge ist für die auszutragende Salzmenge jedoch unerheblich. Kann die H₂O-Menge mit dem IR-Sensorsystem jedoch systembedingt nicht eindeutig ermittelt werden, beispielsweise weil aufgrund der vom IR-Sensorsystem verwendeten IR-Strahlungen zwar reproduzierbare, aber unterschiedliche Ergebnissignale für nasse und überfrorene Fahrbahnen ermittelt werden, so kann der Mikrowellen-Sensor geeignet sein, um die nicht eindeutigen Signale eindeutig zu interpretieren.
Gemäß 2 ist die optische Achse des IR-Sensorsystems zur Fahrbahnnormalen geneigt, da mit dem IR-Sensorsystem die von der Fahrbahnoberfläche nur diffus reflektierte IR-Strahlung gemessen wird. Et waige spiegelreflektierte IR-Strahlungsanteile werden so ausgeblendet. Demgegenüber ist die optische Hauptachse des Mikrowellen-Sensors senkrecht zur Fahrbahnoberfläche orientiert, um spiegelreflektierte Mikrowellenstrahlung zu messen.
Die Anordnung des IR-Sensorsystems und des Mikrowellen-Sensors ist in 3 schematisch dargestellt. Das IR-Sensorsystem umfaßt einen "Absorptionssensor" und einen "Referenzsensor", die jeweils einen Strahlungssender IR_a, IR_r, und einen Strahlungsempfänger IR_E besitzen. Die Strahlungsempfänger sind hier als gemeinsamer Strahlungsempfänger IR_E ausgebildet. Die optische Achse des Strahlungsempfängers IR_E und die optischen Achsen der als IR-Laserdioden ausgebildeten Strahlungssender IR_a (Absorptionsstrahlungssender) und IR_r (Referenzsstrahlungssender) sind parallel zueinander und in einem Winkel β zur Normalen der Fahrbahnoberfläche F ausgerichtet. Aufgrund des Neigungswinkels β, der vorzugsweise bei etwa 20° liegt, wird erreicht, daß der Strahlungsempfänger IR_E lediglich die diffus reflektierte IR-Strahlung von den Strahlungssendern IR_a und IR_r empfangt. Der Meßfleck A_E des Strahlungsempfängers IR_E ist dementsprechend so groß, daß die Senderflecken A_a und A_r davon umfaßt werden. Aufgrund der parallelen Ausrichtung der Strahlungssender IR_a und IR_r zum Strahlungsempfänger IR_E ist sichergestellt, daß die Senderflecken A_a und A_r auch bei variierendem Abstand h des IR-Sensorsystems zur Fahrbahnoberfläche F immer innerhalb des Meßflecks A_E liegen. Bei der späteren Auswertung der Meßergebnisse kürzen sich etwaige Einflüsse durch einen sich verändernden Abstand h wegen der später noch näher erläuterten Quotientenbildung der Sensorsignale heraus. Der Fahrbahnabstand h hat bei mobilen Systemen vorzugsweise einen vorgegebenen Wert zwischen 0,5 und 2 m. Bei diesem vorgegebenen Abstand sollten die Senderflecken einen mittleren Durchmesser von etwa 50 mm haben, um einen repräsentativen Mittelwert über die Fahrbahnoberfläche zu erfassen. Der vom Empfänger erfaßte Meßfleck A_E sollte dementsprechend zwischen 150 und 50 mm liegen und so klein wie möglich eingestellt sein, um eine maximale Leistungsausbeute und somit ein bestmögliches Meßergebnis zu erzielen.
Wie sowohl 2 als auch 3 zu entnehmen ist, fallen die Senderflecken A_a, A_r nicht aufeinander. Dies hat zur Folge, daß unterschiedliche Fahrbahnbereiche erfaßt werden, wenn die Strahlungssender IR_a und IR_r in Fahrtrichtung nebeneinander angeordnet sind. Eine bevorzugte Anordnung sieht daher vor, daß die beiden Strahlungssender in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sind, so daß, wenn auch zeitlich versetzt, derselbe Fahrbahnbereich von beiden Strahlungssendern IR_a, IR_r erfaßt wird. Die bevorzugte Anordnung ist in 3 dargestellt, in der die Fahrtrichtung durch Doppelpfeil angegeben ist. Der Zeitversatz wirkt sich bei den typischen Fahrzeuggeschwindigkeiten von 40 bis 60 km/h nicht aus und kann durch Korrelation mit der Fahrzeuggeschwindigkeit, insbesondere bei niedrigeren Geschwindigkeiten, berücksichtigt werden.
3 ist desweiteren zu entnehmen, daß der Sender MW_S und der Empfänger MW_E des Mikrowellensensors so zur Fahrbahnoberfläche F ausgerichtet sind, daß die von der Fahrbahnoberfläche F spiegelreflektierte Mikrowellenstrahlung detektiert wird. Auch in diesem Falle wäre eine parallele Anordnung von Sender und Empfänger aus denselben vorgenannten Gründen vorteilhaft, wie im Falle des IR-Sensorsystems (in 3 nicht dargestellt).
4 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse 10, in dem das IR-Sensorsystem aufgenommen und mit dem das System in dem äußeren Gehäuse 1 (3) der Gesamtvorrichtung montiert wird. Dementsprechend sind die IR-Sender IR_a und IR_r und der IR-Empfänger IR_E in dem Gehäuse 10 nebeneinander in paralleler Ausrichtung montiert. Benachbart zu der IR-Empfängerdiode IR_E ist ein Temperatursensor 19 angeordnet und in entsprechender Weise sind Temperatursensoren 17, 18 benachbart zu den IR-Sendern IR_a, IR_r vorgesehen. Eine Temperaturregulierung ist wichtig, da insbesondere IR-Laserdioden sehr temperaturempfindlich sind und bereits geringe Temperaturabweichungen zu starken Schwankungen der Sendeleistung führen. Je höher die Temperatur ist, desto geringer ist die Sendeleistung der Laserdiode. Die Temperatur wird daher vorzugsweise auf weniger als 8°C gehalten. Sie sollte aber über 5°C liegen, um ein Vereisen des Systems zuverlässig auszuschließen. Zu diesem Zweck sind je zwei Heizelemente 11 bis 18 zur Temperierung einer jeden Diode benachbart zu denselben montiert.
Problematisch ist der Schutz der Vorrichtung vor Spritzwasser, welches die Meßergebnisse beeinflussen kann. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung in einem größeren Gehäuse 1 montiert. Dieses Gehäuse besitzt mindestens eine Öffnung 2, durch welche hindurch die IR-Strahlung gerichtet ist. Um nun den Durchtritt von Spritzwasser durch diese Öffnung 2 zu verhindern, ist in der Öffnung 2 ein längliches Strahlungsaustrittsrohr 3 integriert, welches koaxial zur IR-Strahlung ausgerichtet ist (5). Eine alternative Ausführungsform ist in 6 dargestellt, bei der die Öffnung 2 durch eine rotierende Scheibe 4 abgedeckt ist, mittels welcher Spritzwasser aufgefangen und zentrifugal abgeschleudert wird. Das Gehäuse 1 ist aus mikrowellendurchlässigem Kunststoff gefertigt, so daß sich eine Öffnung und dementsprechend auch eine Spritzschutzeinrichtung für den Mikrowellensensor MW erübrigt.
In den 7 und 8 sind alternative Ausführungsformen dargestellt, die gewährleisten, daß die Senderflecken A_a, A_r und der Meßfleck A_E grundsätzlich zusammenfallen, das heißt einander nicht nachlaufen, wie zuvor im Zusammenhang mit 3 beschrieben. Zu diesem Zweck wird die Strahlung durch ein Lichtleiterbündel 5 geleitet. Dem Lichtleiter 5 ist entweder ein Empfangskegel 6 vorgeschaltet, auf den die Strahlungskegel der Strahlungssender IR_a, IR_r und des Strahlungsempfängers IR_E gerichtet sind (7), oder aber der Lichtleiter 5 ist aufgespleißt in Einzelfasern 7, die direkt zu den entsprechenden Sendern IR_a und IR_r und zum Empfänger IR_E führen (8).
Anhand 3 in Verbindung mit dem Blockschaltbild nach 9 wird nachfolgend beschrieben, wie die auf der Fahrbahnoberfläche befindliche H₂O-Menge ermittelt wird. Dazu genügt im Grunde das IR-Sensorsystem und die Auswertung der IR-Ergebnissignale. Wesentlich ist die Verwendung eines Absorptionssensors, der Strahlung in einem Wellenlängenbereich abstrahlt, für den Wasser, Eis und Schnee ein großes Absorptionsvermögen besitzen, und eines Referenzsensors, der Strahlung in einem Wellenlängebereich ausstrahlt, für den Wasser, Eis und Schnee kein oder zumindest ein möglichst geringes Absorptionsvermögen besitzen. Der Absorptionssender IR_a strahlt daher vorzugsweise mit einer Wellenlänge größer 1400 nm, wobei ein besonders bevorzugter Wert bei etwa 1460 nm liegt. Wie 10 zu entnehmen ist, besitzt Wasser in diesem Bereich ein besonders starkes Absorptionsvermögen und etwa 95% der Strahlung werden von einer 1 mm dicken Wasserschicht (das entspricht wegen der Reflexion an der Fahrbahnoberfläche einer effektiven Wassersäule von 2 mm) absorbiert. Der vom Empfänger IR_E erfaßte, diffus reflektierte Anteil der Strahlung ist somit ein Maß für die Wasserschichtdicke und damit für die Menge des auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen H₂O. Als geeigneter IR-Strahlungssender hat sich eine Infrarot-Laserdiode mit der Bezeichnung RLT 1460-5G der Roithner Lasertechnik, Wien, mit einer Schwankungsbreite von Δλ = 2 nm erwiesen. Der Referenzsender sollte in einem Wellenlängenbereich von weniger als 1100 nm strahlen, wobei sich eine IR-Strahlung von 1060 nm als geeignet erwiesen hat. Strahlung dieser Wellenlänge wird von einer 1 mm dicken Wasserschicht nur zu circa 5% absorbiert. Als Strahlungssender für den Referenzsensor hat sich eine Infrarotlaserdiode mit der Bezeichnung RLT 1060-10G der Roithner Lasertechnik, Wien, als besonders geeignet erwiesen.
Je größer der Unterschied zwischen dem Absorptionsvermögen bezüglich der Absorptionsstrahlung einerseits und der Referenzstrahlung andererseits ist, desto exakter läßt sich die Schichtdicke ermitteln. Schichtdicken von über 1 mm lassen sich mit der 1460 nm-Absorptionsstrahlung nicht mehr differenzieren und es kann sinnvoll sein, für den Absorptionssensor eine IR-Strahlung von 1700 nm Wellenlänge zu wählen. Bei dieser Wellenlänge beträgt das Absorptionsvermögen einer 1 mm dicken Wasserschicht lediglich noch ca. 50%. Das Auflösungsvermögen der Vorrichtung wird dadurch aber entsprechend schlechter.
Als Empfänger-Photodiode, die sowohl Wellenlängen von 1060 nm als auch 1460 nm erfaßt, sind solche der Serie C 30... von EG&G Optoelectronics/Kanada, geeignet, erhältlich über Lasercomponents GmbH/-Olching/Deutschland. Es handelt sich dabei um eine InGaAs-Photodiode. Solche Empfängerdioden sind an den Randbereichen ihres Empfangsbereiches stark temperaturempfindlich, so daß die Wahl der Wellenlänge der Sendedioden bei dieser Photodiode zwischen 1060 nm und 1650 nm liegen sollte.
Die Laserdioden der IR-Strahlungssender IR_a, IR_r werden mit Frequenzen F₄ bzw. F₅ gepulst betrieben. In den dazwischenliegenden Zeiträumen empfangt der IR-Strahlungsempfänger IR_E ausschließlich Fremdstrahlung, die bei der nachfolgenden Signalauswertung entsprechend berücksichtigt wird. Durch die Pulsation der IR-Strahlungssender wird somit eine Ausfilterung der Fremdlichtstrahlung möglich. Aufgrund der systemimmanenten Signalverarbeitungsdauer ist jedoch eine Einregelung des Systems auf sich plötzlich verändernde Umgebungslichtverhältnisse mit einem gewissen Zeitverzug verbunden.
Wie dem Blockschaltbild in 9 zu entnehmen ist, wird das von der temperaturgeregelten Empfängerdiode IR_E gelieferte Empfangssignal in eine impulsförmige Spannung umgewandelt. Anschließend wird das Signal ("O Signal") von zwei Synchrongleichrichtern in eine Gleichspannung umgewandelt. Indem ein Synchrongleichrichter mit der Frequenz F₄, das ist die Frequenz, mit der der Absorptionssender IR_a gepulst ist, arbeitet und der andere Synchrongleichrichter mit der Frequenz F₅, das ist die Frequenz, mit der der Referenzsender IR_r gepulst ist, arbeitet, werden die Absorptionssignale und Referenzsignale aus dem Empfangssignal herausgefiltert. Optimale Ergebnisse stellen sich ein, wenn die IR-Strahlungssender mit Frequenzen gepulst werden, die ganze Vielfache voneinander sind (10 kHz und 20 kHz) und ohne Phasenverschiebung getaktet sind. Grundsätzlich ist auch eine Bandpaßfilterung möglich. Die Filterung mittels Synchrongleichrichter zeigt aber ein besseres dynamisches Verhalten. Eine Glättung der Meßsignale auf eine Meßfrequenz von unter 100 kHz, vorzugsweise 10 Hz, erfolgt dann jeweils in einem nachgeschalteten Tiefpaß. Dadurch werden Fremdlichtstrahlungen weitestgehend eliminiert. Die so aufbereiteten Absorptions- und Referenzsignale werden schließlich noch in einem programmierbaren Verstärker verstärkt, bevor sie als Gleichspannungssignale einer nachfolgenden Auswertelogik zugeleitet werden.
Die nachfolgend näher beschriebene Auswertelogik ist vorzugsweise als festverdrahtete Logik ausgeführt, um die Gesamtsignalverarbeitungsdauer möglichst gering zu halten. Eine Auswertung kann aber in entsprechender Weise auch mittels entsprechender Software auf einem Computer erfolgen. Die Signalauswertung erfolgt nach folgender Formel: E = 10 V – 10 V × Ua/Ur,wobei die physikalische Einheit des Ergebnissignals E eine Spannung [V] ist. Wie eingangs erwähnt, wird das Referenzsignal in Form der Referenzspannung U_r benötigt, um durch Quotientenbildung mit dem Absorptionssignal bzw. der Absorptionsspannung U_a optische Effekte wie Straßenbelag, Fremdlicht, Abstandsänderungen zur Fahrbahnoberfläche etc. herauszufiltern, denn das Referenzsignal wird von der Wasserschichtdicke nur wenig bis gar nicht beeinflußt. Das Absorptionssignal und das Referenzsignal werden auf einem trocknen Straßenabschnitt auf gleiche Werte kalibriert, so daß sich als Ergebnissignal gemäß der oben angegebenen Formel E = 10 V – 10 V × 1 = 0für den trockenen Straßenzustand ergibt. Dieses Ergebnissignal ergibt sich unabhängig von dem Fahrbahnmaterial, da IR-Strahlung im gesamten IR-Bereich von Asphalt, Beton etc. in etwa gleichmäßig reflektiert wird. Mit zunehmender Wassermenge steigt das Ergebnissignal E monoton an, wobei die Signalauswertung bei einer Absorptionsstrahlungswel lenlänge von 1460 nm in den Übersteuerungsbereich eintritt, wenn die Wasserschichtdicke 1 mm bzw. die effektive Wassersäule 2 mm überschreitet, da bei darüberliegenden Wasserschichtdicken die IR-Absorptionsstrahlung zu nahezu 100% absorbiert wird.
Für eine Wasserschicht von z. B. 0,5 mm Dicke (effektive Wassersäule 1 mm) ergibt sich bei idealen Meßbedingungen ein Ergebnissignal von circa 8 V.
Das Verhältnis von Absorptionsspannung U_a und Referenzspannung U_r gehorcht näherungsweise folgender Vorschrift: Ua/Ur = e–k(αa-αr)d wobei d die Schichtdicke des Wassers in Millimeter und α der jeweilige Absorptionskoeffizient abhängig von der jeweiligen Wellenlänge ist. Die Konstante k beträgt etwa 4 [1/m].
Für idealisierte Bedingungen ergibt sich dann folgende Referenztabelle, in welcher unterschiedlichen Wasserschichtdicken ein zugehöriges Ergebnissignal zugeordnet ist:

Schichtdicke [mm] Ergebnissignal [V]

0,05 1,4

0,1 2,6

0,2 4,5

0,3 5,9

0,4 7,0

0,5 7,8

0,6 8,3

0,7 8,8

0,8 9,1

0,9 9,3

1 9,5
Bei der Signalauswertung kann ein Zeitverzögerungsglied vorgesehen sein, um bei getrennten Senderflecken A_a, A_r den Zeitverzug zu berücksichtigen, mit der der eine Senderfleck dem anderen Senderfleck nachfolgt.
3 zeigt desweiteren noch den Aufbau des Mikrowellensensors, umfassend den Mikrowellen-Sensor MW_S und den Mikrowellenempfänger MW_E, und ein Signalverarbeitungsblockdiagramm für das Mikrowellensignal. Als geeigneter Mikrowellensensor hat sich der K-Band Mikrowellensensor MA86999-M01 der Firma MACOM, ein Unternehmen der AMP-Gruppe erwiesen. Der Mikrowellensensor besteht aus zwei Transceivern mit je einem 6×6 Patch Array und arbeitet mit einer Frequenz von 24,3 GHz. Ein Transceiver ist als spannungsgepulster Sender, der andere als Empfänger geschaltet. Beide sind in einem Winkel zum Empfang spiegelreflektierter Strahlung montiert und mit Plexiglas vor grober Verschmutzung geschützt. Plexiglas ist für Mikrowellenstrahlung durchlässig. Da der Mikrowellensensor bei Anwesenheit von Wasser mit einer Erhöhung des MW-Signals reagiert, nicht jedoch bei Anwesenheit von Eis, läßt sich mit dem Mikrowellensensor ermitteln, ob das vom IR-Sensorsystem gemessene H₂O als Wasser vorliegt. Für die auszutragende Streumenge ist diese Information unwesentlich. Sie kann aber bei kleinen Wassermengen im Taubereich wesentlich sein, da das IR-Sensorsystem für kleinste Wassermengen nicht ausreichend sensibel ist, wohingegen der Mikrowellen-Sensor auch in diesem Bereich empfindlich ist. Das Mikrowellen-Signal wird ähnlich wie das Infrarot-Signal in einem programmierten Verstärker verstärkt und anschließend mittels einem Tiefpaß geglättet.
Nachfolgend wird anhand von zwei Beispielsmeßreihen gemäß 11 und 12 gezeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur geeignet ist, H₂O-Mengen in Form von Wasser und Eis sondern auch im Aggregatzustand "Schnee" zu messen, wobei anhand der absoluten Differenz zwischen dem Absorptionssignal einerseits und dem Referenzsignal andererseits zusätzlich der Aggregatzustand "Schnee" eindeutig vom Aggregatzustand "Wasser" unterscheidbar ist.
11 zeigt ein Meßdiagramm, welches sich beim abwechselnden Überfahren von Schneematsch und Wasser ergab. Die unterste der drei Kurven zeigt das Absorptionssignal für eine IR-Absorptionsstrahlung von 1460 nm und die knapp darüberliegende Meßkurve zeigt das Referenzsignal für eine IR-Referenzstrahlung von 1060 nm. Die oberste der drei Kurven zeigt das Ergebnissignal, welches etwa zwischen 6 und 8 V liegt. Beim Überfahren von Schneematsch ergeben sich in den Einzelsignalverläufen markante Peaks, die auf eine starke, diffuse Reflexion der Schneeoberfläche zurückzuführen sind. Besonders starke Einzelsignale lassen daher auf den Aggregatzustand "Schnee" schließen. Interessanterweise wirken sich die hohen Einzelsignale auf das Ergebnissignal (obere Kurve) nicht wesentlich aus. Vielmehr kürzen sich auch die durch den Schnee hervorgerufenen Extremwerte bei der Quotientenbildung U_a/U_r gemäß der oben angegebenen Formel heraus.
12 zeigt ein Meßdiagramm als Ergebnis einer Fahrt über Schnee gefolgt von einer Fahrt über nassen Asphalt. Die Schneedecke ist mit 20 mm vergleichsweise dick, so daß die Differenz zwischen dem Referenzsignal (oberste Kurve) und dem Absorptionssignal (unterste Kurve) sehr groß ist. Das Ergebnissignal liegt mit etwa 8,5 V auf einem entsprechend hohen Niveau. Interessant ist, daß sich das Ergebnissignal beim Über gang von Schnee zu nassem Asphalt vom Niveau her nicht ändert, denn die H₂O-Menge ist in etwa dieselbe. Die Amplitude des Referenzsignals sinkt aber beim Übergang von Schnee zu nassem Asphalt signifikant ab, so daß der Aggregatzustand auch hier wieder unmittelbar anhand der Auswertung der Einzelsignale erkennbar wird. 12 ist desweiteren zu entnehmen, daß sich Schwingungen des Fahrzeugs aufgrund von Bremsmanövern zwar auf die Amplituden der Einzelsignale auswirken, sich im Ergebnissignal aber nicht wesentlich niederschlagen und auch hier in etwa bei 8,5 V liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19608535 A1 [0003, 0011, 0020]
- DE 4040842 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung der sich auf einer Fahrbahnoberfläche (F) befindlichen H₂O-Menge mittels einem Absorptionssensor und einem Referenzsensor, die jeweils einen spektralen Strahlungssender (IR_a, IR_r) und einen, gegebenenfalls auch gemeinsamen, spektralen Strahlungsempfänger (IR_E) umfassen, – wobei die vom Absorptionsstrahlungssender (IR_a) ausgehende Absorptionssensorstrahlung von H₂O unabhängig von dessen Aggregatzustand signifikant stärker absorbiert wird als die vom Referenzstrahlungssender (IR_r) ausgehende Referenzsensorstrahlung, und – wobei der bzw. die Strahlungsempfänger (IR_E) sensitiv ist/sind für die von den Strahlungssendern (IR_a, IR_r) ausgesendeten unterschiedlichen Sensorstrahlungen, und – wobei eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, mit der die von dem/den Strahlungsempfänger/n (IR_E) empfangenen Anteile der Absorptionssensorstrahlung und der Referenzsensorstrahlung zueinander ins Verhältnis gesetzt werden und daraus ein Ergebnissignal (E) abgeleitet wird, welches für eine gemessene H₂O-Menge teht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wellenlänge der Absorptionssensorstrahlung über 1400 nm liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Wellenlänge der Absorptionssensorstrahlung etwa 1460 nm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wellenlänge der Referenzsensorstrahlung unter 1100 nm liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Referenzsensorstrahlung etwa 1060 nm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strahlungssender (IR_a, IR_r) als Laserdioden ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strahlungssender (IR_a, IR_r) als LEDs mit für die jeweilige Sensorstrahlung durchlässigen Filtern ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als gemeinsamer Strahlungsempfänger (IR_E) eine InGaAs-Photodiode vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die gemessenen Absorptionsstrahlungsanteile und Referenzstrahlungsanteile zusätzlich zur Auswertung durch Verhältnisbildung auch separat ausgewertet werden, indem anhand der jeweils gemessenen Strahlungsintensität auf den Aggregatzustand der gemessenen H₂O-Menge geschlossen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Strahlungssender (IR_a, IR_r) pulsiert betrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die beiden Strahlungssender (IR_a, IR_r) mit unterschiedlichen Frequenzen pulsiert betrieben werden, wobei eine Frequenz vorzugsweise das ganzzahlige Vielfache der anderen Frequenz ist und beide Frequenzen vorzugsweise gleichphasig getaktet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Strahlungssender mit 10 kHz und der andere Strahlungssender mit 20 kHz getaktet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein gemeinsamer Strahlungsempfänger (IR_E) zum Empfangen sowohl der Absorptionssensorstrahlung als auch der Referenzsensorstrahlung vorgesehen ist, und die Absorptionsstrahlungsanteile und Referenzstrahlungsanteile aus dem Empfangssignal anhand der Frequenzunterschiede herausgefiltert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei zum Herausfiltern der Absorptions- und Referenzstrahlungsanteile aus dem Empfangssignal des gemeinsamen Strahlungsempfängers Synchrongleichrichter vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei zum Herausfiltern von Fremdlichteinflüssen aus den empfangenen Referenz- und Absorptionsstrahlungen jeweils ein Synchrongleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Tiefpaßfilter mit einer einheitlichen Grenzfrequenz von vorzugsweise unter 100 Hz, insbesondere 10 Hz, eingestellt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Strahlungssender (IR_a, IR_r) parallel ausgerichtet sind zu dem/den Strahlungsempfänger/n (IR_E), so daß in einem vorbestimmten Abstand die Senderflecken (A_a, A_r) der Strahlungssender innerhalb des Meßflecks (A_E) des zugehörigen Strahlungsempfängers liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei ein gemeinsamer Strahlungsempfänger vorgesehen ist, innerhalb dessen Meßfleck (A_E) beide Senderflecken (A_a, A_r) der Strahlungssender (IR_a, IR_r) fallen.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Strahlungssender (IR_a, IR_r) mittels Lichtwellenleitern auf einen gemeinsamen Senderfleck gerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Senderflecken (A_a, A_r) der Strahlungssender (IR_a, IR_r) im Bereich des Meßflecks (A_E) des Strahlungsempfängers (IR_E) einen Durchmesser von etwa 50 mm besitzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, umfassend mindestens eine Temperaturregeleinrichtung zum Temperieren des Absorptionsstrahlungssenders (IR_a) und des Referenzstrahlungssenders (IR_r) auf einen Wert von vorzugsweise über 5° und vorzugsweise unter 8°C.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, umfassend einen Mikrowellensensor (MW) mit Mikrowellensender (MW_S) und Mikrowellenempfänger (MW_E) zur Detektierung von H₂O im flüssigen Aggregatzustand.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Hauptachse des Mikrowellensensors (MW) in einem Winkel von etwa 20° zur Strahlungsrichtung der Absorptions- und Referenzstrahlungssender angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, wobei der Mikrowellensensor (MW) mit einer Frequenz von 24,3 GHz arbeitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Absorptionssensor und der Referenzsensor in einem Gehäuse (10) untergebracht sind, welches seinerseits in einem größeren Gehäuse (1) mit mindestens einer kleinen Öffnung (2) entfernt von dieser Öffnung so montiert ist, daß die Sensorstrahlungen durch diese mindestens eine Öffnung (2) hindurch aus dem größeren Gehäuse (1) austreten können.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die mindestens eine Öffnung (2) mittels einer für die Absorption- und Referenzsensorstrahlungen durchlässigen, rotierenden Scheibe (4) gegen Spritzwasser geschützt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei ein längliches Rohr (3) in die mindestens eine Öffnung (2) eingesetzt ist, durch welches hindurch die optischen Achsen der Absorption- und Referenzstrahlungssender (IR_a, IR_r) und des/der zugehörigen Strahlungsempfänger (IR_E) gerichtet sind.
Meßsystem umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die Vorrichtung in einem Abstand zu einer Fahrbahnoberfläche (F) so montiert ist, daß die optischen Achsen des Absorptionsund Referenzsensors und/oder des Strahlungsempfängers (IR_E) in einem vorbestimmten Winkel (β) zur Fahrbahnoberflächennormalen so angeordnet sind, daß der Strahlungsempfänger (IR_E) nur diffus reflektierte Sensorstrahlung empfängt.
Meßsystem nach Anspruch 28, wobei der vorbestimmte Winkel etwa 20° beträgt.
Meßsystem nach Anspruch 28 oder 29, wobei der Abstand des Absorptionssensors und Referenzsensors zur Fahrbahnoberfläche (F) bei einem Wert zwischen 0,5 und 2 m liegt.
Meßsystem nach einem der Ansprüche 28 bis 30 umfassend ein Fahrzeug, an dem die Vorrichtung mit parallel ausgerichteten Absorptionsstrahlungs- und Referenzstrahlungssendern (IR_a, IR_r) derart angeordnet ist, daß deren Senderflecken (A_a, A_r) in Fahrtrichtung des Fahrzeugs betrachtet hintereinander liegen.
Meßsystem nach Anspruch 31, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung die Fahrzeuggeschwindigkeit in der Weise berücksichtigt, daß der zeitliche Versatz, mit dem die Senderflecken (A_a, A_r) denselben Bereich der Fahrbahnoberfläche (F) überstreichen, kompensiert wird.
Verfahren zur Ermittlung der sich auf einer Fahrbahnoberfläche befindlichen H₂O-Menge, umfassend die Schritte: – Bestrahlen eines ersten Meßflecks (A_E) der Fahrbahnoberfläche (F) mit einer ersten spektralen Strahlung ("Absorptionssensorstrahlung") – Bestrahlung eines zweiten Meßflecks der Fahrbahnoberfläche (F), der gegebenenfalls mit dem ersten Meßfleck (A_E) zusammenfällt, mit einer zweiten spektralen Strahlung ("Referenzsensorstrahlung"), deren Wellenlänge von der Wellenlänge der Absorptionssensorstrahlung verschieden ist und die unabhängig vom Aggregatzustand des H₂O signifikant schwächer absorbiert wird als die Absorptionssensorstrahlung, – Erfassen der von dem ersten und dem zweiten Meßfleck (A_E) diffus reflektierten Absorptionssensor- und Referenzsensorstrahlungsanteile, – Umwandeln der erfaßten Strahlungsanteile in ein entsprechendes Absorptionssensorsignal und ein Referenzsensorsignal, – Bilden eines Quotienten aus Absorptionssensor- und Referenzsensorsignal, und – Ableiten eines H₂O-Mengenwerts mittels dem gebildeten Quotienten.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Schritt des Ableitens durch Zuordnen des gebildeten Quotienten zu einem H₂O-Mengenwert anhand einer Referenzwerttabelle erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, wobei die Wellenlänge der Absorptionssensorstrahlung über 1400 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Wellenlänge der Absorptionssensorstrahlung etwa 1460 nm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, wobei die Wellenlänge der Referenzsensorstrahlung unter 1100 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die Referenzsensorstrahlung etwa 1060 nm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 38, wobei die Sensorstrahlungen mittels Laserdioden erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 39, wobei die gemessenen Absorptionssensorstrahlungsanteile und Referenzsensorstrahlungsanteile zusätzlich zur Auswertung durch Quotientenbildung auch separat ausgewertet werden, indem anhand der erfaßten Strahlungsintensität auf den Aggregatzustand der abgeleiteten H₂O-Menge geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 40, wobei die Sensorstrahlungen gepulst werden.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Sensorstrahlungen mit unterschiedlichen Frequenzen gepulst werden, wobei eine Frequenz vorzugsweise das ganzzahlige Vielfache der anderen Frequenz ist und beide Frequenzen vorzugsweise gleichphasig getaktet sind.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei eine Sensorstrahlung mit 10 kHz und die andere Sensorstrahlung mit 20 kHz gepulst werden.
Vorrichtung nach Anspruch 42 oder 43, wobei ein gemeinsamer Strahlungsempfänger (IR_E) zum Empfangen sowohl der Absorptionssensorstrahlung als auch der Referenzsensorstrahlung verwendet wird, und die Absorptionsstrahlungsanteile und Referenzstrahlungsanteile aus dem Empfangssignal anhand der Frequenzunterschiede herausgefiltert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 44, wobei zum Herausfiltern der Absorptions- und Referenzstrahlungsanteile aus dem Empfangssignal des gemeinsamen Strahlungsempfängers Synchrongleichrichter vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 43 bis 45, wobei zum Herausfiltern von Fremdlichteinflüssen aus den empfangenen Referenz- und Absorptionsstrahlungen jeweils ein Synchrongleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 46, wobei desweiteren mittels einem Mikrowellensensor (MW) H₂O im flüssigen Aggregatzustand detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 47, wobei durch Tiefpaßfilterung der Sensorsignale eine Meßfrequenz von etwa 10 Hz eingestellt wird.