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Die Erfindung betrifft eine mobile Messvorrichtung und ein Messverfahren zur Informationsgewinnung und -verarbeitung als Informations- und Warnsystem für den Fahrer bzw. die Fahrerin eines KFZ, um vor möglicher Glättebildung durch Gefrieren auf der aktuell befahrenen Fahrbahn zu warnen.
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Der Stand der Technik ist in der einfachsten Form die Messung der Lufttemperatur außerhalb des Fahrzeugkörpers eines KFZ (KraftFahrZeug) mit akustischer und/oder optischer Meldung bzw. Anzeige bei Unterschreitung der das Fahrzeug umgebenden Lufttemperatur ab z. B. +3°C (37,4°F in USA od. sonstige internationale Maßeinheiten). Mit dieser Lufttemperatur-Warneinrichtung ist heutzutage nahezu jedes moderne Fahrzeug ausgestattet und als der hauptsächliche Stand der Technik allgemein bekannt. In den Betriebsanleitungen zu den damit ausgestatteten Fahrzeugen wird jedoch davor gewarnt, dass je nach Fahrbahn z. B. Brücken oder schattige Fahrbahnen usw. auch bei Lufttemperaturen über dem Anzeigewert, beispielhaft die +3°C, Glatteis vorhanden sein kann.
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Um präzisere Angaben über den Fahrbahnzustand zu erhalten sind an besonders exponierten Stellen stationäre Anlagen zur Erfassung des Straßenzustandes möglich. Als ein Beispiel und zum Stand dieser Technik kann die Patentschrift
DE 696 24 644 dienen und Auskunft geben. Zumeist sind solche Anlagen mit Sensoren in der Fahrbahn ausgestattet und mit entsprechenden Auswertealgorithmen mit zugeordneten Anzeigen für die Benutzer der Fahrbahnen. Mit Hilfe der darin vorgeschlagenen Anordnung soll es möglich sein Schnee, Matsch, Glatteis und Wasser auf der beobachteten Fahrbahn automatisch zu erkennen, um den dortigen Verkehr vor diesen örtlichen Gefahren zu warnen. Diese kostenaufwendigen Anlagen sind wenig verbreitet, vom Fahrbahnverschleiß abhängig, wobei besonders nachteilig ist, dass nur ein begrenzter Aktionsradius überwacht werden kann. Schon wenige Meter weiter kann schon wieder neue Gefahr drohen, die nicht erkannt wird. Auf das Gesamtstraßennetz bezogen, kann der Anteil der mit stationären Eiswarnanlagen ausgestatteten Straßenabschnitte wahrscheinlich nicht mal in Promille angegeben werden.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden mobile Messeinrichtungen am bzw. im Fahrzeug vorgeschlagen. Die einfachste Form ist die Eingangs beschriebene und nicht befriedigende Lufttemperaturmessung. Zur Verbesserung dieser Einfachstlösung wurden Weiterentwicklungen mit unterschiedlichen Lösungsansätzen betrieben. Mit
DE 10 2004 001 146 A1 wird ein auf vielen, darin genannten, Vorgängerversionen – der Spektralauswertung, von der Fahrbahnoberfläche zurückgestrahltem Licht – aufbauendes System vorgeschlagen, um Wasser, Matsch, Schnee, Reif und Eis auf Straßen zu erkennen: Es werden mehrere Halbleiterstrahlungsquellen unterschiedlicher Emissionswellenlängen der Reihe nach ein- und wieder ausgeschaltet, deren Licht auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt wird und das zurückgestreute Licht einsammelt und auf ein Empfangselement geleitet wird, dessen Photostrom verstärkt und von einer Auswerteeinheit mit dem Ein- und Ausschalten der Quellen korreliert registriert und mittels Mikrocontroller analysiert wird, woraus dann die Information gewonnen und gemeldet werden kann.
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Es handelt sich hierbei um hochfrequente Signalabläufe und Auswertungen die einen dem entsprechenden Mikrocontroller mit hoher Taktfrequenz zur Bewältigung des hohen Rechenaufwands für die sich ständig ändernde große Datenmenge erfordern. Außerdem müssen die emittierten Lichtstrahlen über optische Bauteile fokussiert gesendet und empfangen werden, was höchste Genauigkeit in der Zusammenfassung dieser Baugruppen zu einer Einheit erfordert. Sofern dieses System als ein mobiles Messsystem an einem Fahrzeug eingesetzt wird, ist es den äußerst schädlichen Einflüssen, die zwischen einem Fahrzeug und der Fahrbahn bei den unterschiedlichsten Witterungsverhältnissen herrschen, ausgesetzt und erfordert deshalb hohe Aufwendungen, um eine Praxistauglichkeit zu erreichen. Inwiefern das System fehlerfrei bei Schneetreiben und Gischt unter dem Fahrzeug korrekt messen kann ist fraglich. Zur Lösung der dargestellten Probleme ist zudem zu erwarten, dass die Entwicklungs-, Gestehungs- und Wartungskosten hoch sind und einer allgemeinen Verbreitung dieser Technik entgegenstehen.
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Ein weitergehender Vorschlag eines Straßensituation-Erkennungssystems vor dem Fahrzeug ist in der Patentschrift
DE 196 09 488 B4 offenbart. Aus einem Navigationssystem wird ein Straßenbild vor einem zugeordneten Fahrzeug aus der Fahrzeugposition, sowie gleichzeitig aus einem Temperaturprofil-Erfassungsmittel, wie etwa eine Infrarot-Kamera, ein Temperaturprofil für den Straßenbereich vor dem Fahrzeug ermittelt und beide Bilder überlagert und mittels eines Beurteilungssystems als abnorm definierte Temperaturzonen, innerhalb des beobachteten Straßenbereichs, ermittelt woraus dann bei voraussichtlicher Gefahr ein Alarm für den Fahrer des Fahrzeugs ausgelöst wird. Es ist auch vorgesehen das Straßenbild vor dem Fahrzeug mittels Kameramittel zu erzeugen und in vorstehender Weise weiterzuverarbeiten. Als abnorme Temperaturen können tiefere und/oder höhere Werte definiert werden die niedriger oder höher als eine vorbestimmte Vergleichstemperatur sind.
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Dabei sollen die Niedrigtemperaturzonen vor Vereisung und die Hochtemperaturzonen z. B. vor Tieren auf der Fahrbahn warnen. Die aus den sogen. Erfassungsmitteln gewonnen Daten müssen erfasst, zwischengespeichert, aufbereitet und mit den hinterlegten Vergleichsdaten abgeglichen werden und daraus ein Anzeigesystem mit Alarmcharakter gespeist werden – alle diese Datenverarbeitungs- und Berechnungsvorgänge erfordern einen leistungsfähigen Mikroprozessor bzw. Elektronikrechner mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit da auch bei diesem komplexen, hochdynamischem System eine große Anzahl von sich kurzzeitig ändernden Daten verarbeitet werden müssen.
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Auch dieses, technisch sehr umfangreiche, System wird nur mit entsprechend hohen Gesamtkosten realisierbar sein und dementsprechend wenig Verbreitung finden können. Da bei diesem Vorschlag Kameras im Frontbereich in Fahrtrichtung ständig Bild- wie Wärmeinformationen aufnehmen müssen kann deren Funktionssicherheit bei Regen oder Schneefall gestört sein. Es ist auch gefährlich dem Fahrer zu viel Information anzuzeigen, da hierbei die Gefahr einer Ablenkung von seiner eigentlich wichtigsten Aufgabe, der direkten Beobachtung der Fahrbahn und des Verkehrsgeschehens, besteht.
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Die zu erwartenden hohen Kosten der vorgeschlagenen mobilen wie stationären Systeme, nach dem Stand der Technik, stehen einer allgemeinen, breiten Anwendbarkeit entgegen, andererseits ist das kostengünstige und deshalb verbreitete System, lediglich der Lufttemperaturmessung, sehr ungenau.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung ein einfaches, mobiles Informationssystem zur Warnung vor plötzlichen Glättegefahren durch Gefrieren auf Fahrbahnen zu schaffen, dessen Aufwand in einem realen Verhältnis zu einem sinnvollen Nutzen für den Fahrzeugführer ist und somit für eine allgemeine und seriengeeignete Ausrüstung für die Mehrzahl der Fahrzeuge anwendbar und bezahlbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Fahrbahn-Oberflächentemperatur unter dem Fahrzeug im Fahrbetrieb berührungslos ständig gemessen wird.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass gleichzeitig die Luftfeuchtigkeit im Bereich des Fahrzeugs parallel zur Luft-Temperatur gemessen wird.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Luftmesswerte, Temperatur und Feuchtigkeit, einer Rechnereinheit zugeführt werden und daraus der Frostpunkt der Luft ermittelt wird.
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Vorteilhafterweise sind die Messmittel durch Strömungsformelemente so gegen Umwelteinflüsse geschützt, dass Schneetreiben, Regen od. Gischt keine Fehlmessungen verursachen.
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In Weiterbildung der Erfindung werden aus der aktuell gemessenen Fahrbahnoberflächentemperatur und der Frostpunktermittlung die Wahrscheinlichkeit einer Glättebildung in einfache Symboldarstellung für den Fahrer umgewandelt und optisch und/oder akustisch angezeigt.
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Der Grundgedanke für die Erfindung ist, dass Eisbildung, oder dem ähnliche Glättebildung, auf Fahrbahnen in erster Linie von der Oberflächentemperatur der Fahrbahn abhängig ist und bekanntermaßen erst bei Temperaturen ≤ 0°C möglich wird bzw. vorhandenes Eis oder Schneeglätte Oberflächentemperaturen < 0°C haben. In zweiter Linie in Abhängigkeit vom Frostpunkt der im Bereich über der Fahrbahn befindlichen Luft. Das sind die zwei wesentlichsten Informationen damit der Führer eines Fahrzeugs die Haftungssituation zwischen Reifen und der Straßenoberfläche selber besser beurteilen kann und vor allem auf plötzliche Zustandsänderungen aufmerksam gemacht wird, um dann selber über sein Fahrverhalten entscheiden zu können.
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Sobald die Außentemperaturen in den Bereich winterlicher Verhältnisse absinken, ist jedem verantwortungsvollen Autofahrer bewusst, dass er sein Fahrverhalten auf diese ungünstigeren Verhältnisse abstimmen muss. Sind die Fahrbahnen bereits schneebedeckt bzw. vereist benötigt er keine weiteren, von einem aufwendigen System aufbereitete, Informationen, dass Eis o. ä. auf der Fahrbahn ist. Bei einem Temperaturabfall ohne gleichzeitigen Niederschlag sind dennoch von der Luftfeuchtigkeit abhängige Glättebildungen, z. B. in Nebelgebieten oder bei Nieselregen, möglich. Besonders kritisch sind wechselnde Fahrbahnzustände, wie sie in der Übergangszeit, vor allem bei schnell abfallenden Temperaturen vor einer Frostperiode bzw. wiederansteigenden Temperaturen nach einer Frostperiode, vorliegen. Es ist bekannt, dass Brückenabschnitte oder im Schatten liegende Fahrbahnabschnitte schon bzw. noch Oberflächentemperaturen unter dem Gefrierpunkt aufweisen können gegenüber den überwiegend bereits noch bzw. wieder auf Oberflächentemperaturen über dem Gefrierpunkt erwärmten sonstigen Fahrbahnen bzw. Straßen. Befindet sich dann noch gefrorenes Wasser auf den kritischen Fahrbahnabschnitten und ist auch die Oberflächentemperatur der Fahrbahn unter 0°C, sowie bei einem Luftzustand im Frostpunkt, kann aus der Kombination – Tieftemperatur + Luftfeuchte – gefrierende Glätte bzw. Kondensationsglätte auf dem Fahrbahnabschnitt vorhanden sein. Beim sogen. Glatteisregen ist die Information, dass die Temperatur der Fahrbahn unter dem Gefrierpunkt liegt besonders wichtig und ein eindeutiger Warnhinweis, allein die Lufttemperatur ist keine zuverlässige Information da sie in einer solchen Situation höher sein kann als 0°C. Befinden sich den Gefrierpunkt absenkende Streumittel auf der Fahrbahn, so wirkt dies sicherheitserhöhend für die betroffenen Stellen. Da eine gleichmäßige Verteilung des noch vorhandenen Streumittels nicht sicher anzunehmen ist fordert die Meldung einer wahrscheinlichen Glättegefahr den Fahrer unabhängig davon zu einer vorsichtigen Fahrweise auf, was grundsätzlich das Sicherheitsniveau gegen eine drohende Schleudergefahr erhöht.
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Die berührungslose Messung der Temperatur der Fahrbahnoberfläche ist z. B. mit Infrarotthermometer auch bei hoher Geschwindigkeit zuverlässig möglich und die Technologie der Infrarotmessung ist ausgereift, sehr verbreitet und seit vielen Jahren erprobt. Es stehen unzählige Ausführungen kostengünstig zur Verfügung, so dass hierfür kein großer Entwicklungsbedarf besteht. Dasselbe betrifft auch die Messung der Luftfeuchte, die Lufttemperaturmessung kann in einem Messmittel damit kombiniert sein, so dass diese Kosten ebenfalls gering sind. Es ist bei den zu erwartenden großen Stückzahlen sinnvoll alle drei Messwertaufnehmer – Oberflächentemperatur, Luftfeuchte, Lufttemperatur – in einer Messeinheit zu vereinen, wodurch sich die Einbaukosten in einem Fahrzeug gegenüber der heutigen Lufttemperaturmessung kaum erhöhen. Der Rechenaufwand zur Ermittlung des kritischen Wertes einer möglichen Glättebildung auf der Fahrbahn ist sehr gering und erfordert keine extrem schnelle und hohe Rechenleistung da der einzige sich schneller ändernde Messwert die, von der Fahrgeschwindigkeit abhängige, Änderungsgeschwindigkeit der Oberflächentemperatur der Fahrbahn ist. Luftfeuchtigkeit und Lufttemperatur sind für das Rechensystem, bezogen auf die dynamische Oberflächenmessung, eher als statisch oder sehr langsam sich ändernde, also bereits vorhandene Messwerte im Zeitpunkt des Auftretens der dazu kritischen Oberflächentemperatur, woraus ein verhältnismäßig geringer Rechenaufwand resultiert.
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Das Rechenergebnis wird sinnvollerweise in der Form einer Prognose oder Wahrscheinlichkeit einer möglichen Glättebildung auf der aktuell befahrenen Fahrbahn, symbolhaft in wenigen Stufen oder in einer Trendanzeige, an den Fahrzeugführer ausgegeben, wobei die aktuelle Fahrbahntemperatur als wichtigster Wert ohne Berechnung unmittelbar zur Verfügung steht. Beispielhafte Trendanzeige: Anzahl von Eiskristallen, farblich gelb bis rot, blinkend oder Balkendarstellungen mit besonderer Meldung bei plötzlichem Temperaturabfall der Fahrbahnoberfläche von positivem in einen negativen Messwert, wahlweise unterstützt durch akustische Signale – abgestimmt auf das jeweilige Info-Design des KFZ-Herstellers. Je einfacher desto besser, um den Fahrer nicht unnötigerweise von der Beobachtung des Verkehrsgeschehens abzulenken.
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Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1...2, in der Form schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele, näher erläutert, es zeigt:
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1 Mögliche Positionierung einer Messeinheit unter einem Fahrzeug.
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2 Strukturplan und Ablaufdiagramm.
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In 1 ist an einem Fahrzeug 100, beispielhaft ein PKW, auf einer Fahrbahn 101 gezeigt, wie die Anordnung der Hardwareteile zur Messdatenerfassung sein kann.
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In die Fahrzeugunterseite 102 ist eine Messeinheit 103 integriert. Die Messeinheit kann sinnvollerweise alle Messelemente enthalten. Ein Wärmestrahlungs-Empfänger 104 für die berührungslose Messung der Temperaturen der Fahrbahnoberfläche 101 mit dem 'Messstrahl' 105 – wobei dieser Messwert mit ϑO bezeichnet wird, dem Fühler 106 für die Temperatur der Umgebungsluft – wobei dieser Messwert mit ϑL bezeichnet wird, sowie dem Fühler 107 zur Messung der Luftfeuchtigkeit – deren Messwert mit rF bezeichnet wird. Ein aerodynamisch gestaltetes Luftführungsteil 108 schützt die Messeinheit 103, bzw. deren Messelemente vor Störungseinflüssen. Es ist aber auch möglich die Fahrzeugunterseite 102 im Bereich der Messeinheit 103 entsprechend strömungsgünstig zu gestalten, um fahrbedingte Störungen zu minimieren oder ganz zu vermeiden.
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Die 2 zeigt ein Beispiel einer möglichen Signalerfassung und -aufbereitung und gliedert sich in die drei wesentlichen Baugruppen: Signalerfassung 200 innerhalb der Messeinheit 103 angeordnet, Signalauswertung 220 und Anzeige 240. Von der Fahrbahn 101 gelangt die Wärmestrahlung 105 auf den Empfänger 104 und wird in der Temperaturmesseinheit 201 in ein Temperatursignal als Wert für die Fahrbahnoberflächentemperatur ϑO gewandelt. Der Messwert des Fühlers 106 wird in der Messeinheit 202 in ein Temperatursignal als Wert für die Lufttemperatur ϑL gewandelt. Der Fühler 107 gibt sein Signal an die Messeinheit 203 weiter, woraus dann das weiter verarbeitbare Signal der Luftfeuchte rF zur Verfügung steht. Innerhalb der einfachen Recheneinheit 221 der Signalauswertung 220 kann zuerst aus den Werten der Luftfeuchtigkeit rF und der Lufttemperatur ϑL, z. B. nach der allgemein bekannten Beziehung von Heinrich Gustav Magnus (Magnus-Formel) der aktuelle Frostpunkt als Temperaturwert ϑf berechnet werden. Der Frostpunkt kann gleichwertig auch mit dem Taupunkt der Luft bezeichnet werden, ein Zustand der Luft bei dem die relative Luftfeuchtigkeit 100% beträgt und beim Auftreffen der wärmeren, feuchten Luft auf eine Oberfläche mit Temperaturen unter 0°C aus dem Kondensat unmittelbar Reif oder Eis gebildet wird, deshalb ist in dem Fall der möglichen Glättebildung der Begriff Frostpunkt zutreffender. Die Lufttemperatur ϑL wird parallel zur rechnerischen Verarbeitung als gemessener Zahlenwert 241 direkt in der Anzeigeeinheit 240 als Information für den Fahrer angezeigt, diese Information ist eher als untergeordnet anzusehen da dieser Aussagewert für eine Glättegefahr auf der Fahrbahn weniger zutreffend ist, wie bereits zum Stand der Technik ausgeführt.
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Der Messwert der Fahrbahnoberflächentemperatur ϑO wird einerseits ebenfalls direkt als aktueller Zahlenwert 242 in der Anzeigeeinheit 240 für den Fahrer angezeigt was einen wesentlich höheren Informationswert darstellt da jedem Fahrer bewusst ist, dass bei Temperaturen auf der Fahrbahn unter 0°C die Gefahr des Gefrierens von Wasser und Kondensat aus der Luftfeuchtigkeit auf der Fahrbahnoberfläche besteht oder es befindet sich noch Eis od. Glätte auf der Fahrbahn. Der Messwert der Fahrbahnoberflächentemperatur ϑO wird andererseits ebenfalls dem Rechner-Logikbaustein 222 zugeführt und mit dem, gleichzeitig im Logik-Baustein 222 vorhandenen, berechneten Wert des Frostpunkts ϑf verglichen. Liegt die Fahrbahnoberflächentemperatur unter dem Frostpunkt der Luft löst das Signal JA in der Anzeigeeinheit 240 ein besonderes Aufmerksamkeitssignal aus, z. B. ein blinkender Eiskristall 243, wahlweise akustisch unterstützt. Es ist auch sinnvoll diese Meldung in der Form einer Trendanzeige auszugestalten, etwa farblich oder Anzahl der Eiskristalle. Genauso können individuell einstellbare Schwellwerte die Sensibilität erhöhen oder mindern. Weiter ist alternativ möglich den Ausgabemodus daraufhin auszurichten, dass die Außentemperatur-Anzeige 242 erst ab der bisher üblichen Meldung aus der Lufttemperatur aktiviert wird.
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Ergänzend muss noch darauf hingewiesen werden, dass auch der Luftdruck einen Einfluss auf den Rechenwert des Frostpunktes ϑf hat und mit einem vorgegebenen Mittelwert berücksichtigt ist. Luftdruckschwankungen sind aber in der Auswirkung auf das Ergebnis in dem normalen Nutzungsbereich von Fahrzeugen sehr gering, so dass im überwiegenden Fall darauf verzichtet werden kann – es ist aber möglich eine zusätzliche Luftdruckmessung, auch in der Baugruppe der Signalerfassung 200 oder an anderer Stelle, vorzusehen und mit den anderen Messwerten in der Auswerteeinheit 220 mit zu verarbeiten. Das in 1 gezeigte Luftführungsteil, oder eine dementsprechende Gestaltung der Fahrzeugunterseite, dient hauptsächlich dem Schutz der Messelemente vor Verschmutzung. Regen oder Schneeflocken wirken beim heutigen Stand der Infrarotmessung nicht verfälschend auf die Messwerte, so dass auch der Temperaturmesswert der Fahrbahnoberfläche zuverlässig und mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden kann.
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Ein KFZ-Temperatur-Informationssystem gemäß der Erfindung stellt ein wesentlich einfacheres und damit kostengünstigeres Warnmittel vor Glättegefahren auf Fahrbahnen dar als die im Stand der Technik beschriebenen, sehr aufwendigen Systeme. Wobei erfindungsgemäß als einfachstes Mittel bereits die angezeigte Minustemperatur der Fahrbahnoberfläche einen hohen Informationsgehalt über mögliche Glättegefahren darstellt. Mit einem geringen Mehraufwand können damit aber auch weitere Einflüsse auf die Glättebildung berücksichtigt und angezeigt werden, ohne der Erfordernis einen Hochleistungsrechner einsetzen zu müssen. Die notwendigen Algorithmen zur rechnerischen Verarbeitung sind seit Generationen bekannt und nicht sehr aufwendig. Das vorgeschlagene System ist unabhängig von der Bauart und Klasse des Kraftfahrzeuges, als Massenprodukt einfach und kostengünstig herstellbar und ist dadurch für eine breite Anwendung in Fahrzeugen aller Art geeignet. Das Informationssystem gemäß der Erfindung enthebt den Fahrer bzw. die Fahrerin nicht von der notwendigen, gesetzlich geforderten Sorgfaltspflicht hat aber eine wichtige, unterstützende Funktion zur Beurteilung von kritischen, winterlichen Straßenverhältnissen.
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Durch den geringen Mehraufwand hat das KFZ-Temperatur-Informationssystem nicht den Charakter eines Luxusproduktes sondern kann einen wichtigen und notwendigen Sicherheitsgewinn für alle Verkehrsteilnehmer darstellen und der Aufwand dafür steht in einem realen Verhältnis zum Nutzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69624644 [0003]
- DE 102004001146 A1 [0004]
- DE 19609488 B4 [0006]
