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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Überwachen zumindest einer Verteilungseigenschaft von in einem Windkanal erzeugtem und von dessen Luftstrom transportiertem Niederschlag.
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Bei der Auslegung von Kraftwagen ist es unter anderem notwendig, die Leistungsfähigkeit des Ansaugtrakts unter Winterbedingungen zu testen. Insbesondere bei starkem Schneefall kann es vorkommen, dass ein Luftfilter des Kraftwagens durch eingetragenen Schnee zusetzt, so dass die Bereitstellung von Luft für die Verbrennung in der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird.
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Üblicherweise wird das Zusetzen des Luftfilters durch Versuche auf Teststrecken in nordischen Klimazonen überprüft. Solche Tests sind jedoch nur saisonal möglich und erlauben es nicht, kontrollierte und reproduzierbare Bedingungen zu schaffen.
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Alternativ ist es bekannt, mittels Schneelanzen oder dgl. in einem Windkanal künstlich Schnee zu erzeugen und dessen Einfluss auf das Fahrzeug zu überprüfen. Während solche Versuche nicht von der Jahreszeit und der momentanen Wetterlage abhängig sind, existieren auch hier Probleme bezüglich der Reproduzierbarkeit. Insbesondere ist es kaum möglich, eine kontrollierte und steuerbare Schneeflockendichte und -größe zu erzeugen, so dass auch solche Versuche allenfalls semiquantitative Ergebnisse liefern können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine genaue Überwachung der Eigenschaften von in einem Windkanal erzeugtem Schnee ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen zumindest einer Verteilungseigenschaft von in einem Windkanal erzeugten und von dessen Luftstrom transportierten Niederschlag, insbesondere von Schnee, wird eine Schnittfläche durch den Luftstrom mittels zumindest eines Lasers beleuchtet und mittels einer auf die Schnittfläche gerichteten Kamera beobachtet.
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Durch die selektive Beleuchtung einer Schnittfläche werden von der Kamera im Wesentlichen lediglich diejenigen Niederschlagspartikel erfasst, welche sich im Moment der Aufnahme in der Schnittfläche befinden. Hierdurch wird eine optisch erfassbare, repräsentative Probe des Niederschlags geschaffen, die anschließend im Kamerabild auf ihre Verteilungseigenschaften, beispielsweise Partikelgröße, Partikeldichte und dergleichen analysiert werden kann. Dies ermöglicht es wiederum, die Einstellungen eines den Niederschlag erzeugenden Systems dahingehend zu optimieren, dass gewünschte Eigenschaften des Niederschlags erreicht werden, so dass zuverlässige Lind reproduzierbare Tests möglich werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Schnittfläche durch zwei einander gegenüberliegende Laser beleuchtet. Hierdurch wird eine im Wesentlichen gleichmäßige Lichtintensität über die gesamte Schnittfläche ermöglicht, was die Analyse der Kameraaufnahmen erleichtert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Bestimmung einer räumlichen Verteilung einzelner Niederschlagspartikel die Schnittfläche über den im Wesentlichen gesamten Strömungsquerschnitt des Windkanals mit der Kamera beobachtet. Bei einer solchen Aufnahme bewegen sich sehr viele Niederschlagspartikel durch die Schnittfläche und streuen dort das eingestrahlte Laserlicht. Aus Inhomogenitäten in der Helligkeitsverteilung der Kameraaufnahme kann daher unmittelbar auf eine inhomogene räumliche Verteilung der Partikel über den Strömungsquerschnitt geschlossen werden.
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Hierbei ist es zweckmäßig, zur Beobachtung eine Belichtungszeit der Kamera von wenigstens einer Sekunde zu wählen, so dass während der Belichtung hinreichend viele Streuzentren die Schnittfläche passieren.
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Zur Auswertung kann dann als Maß für die räumliche Verteilung der Niederschlagspartikel eine Graustufenverteilung des Kamerabildes ermittelt werden. Dies ermöglicht eine schnelle, rechnerunterstützte und gut quantifizierbare Auswertung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Bestimmung einer Größenverteilung der Niederschlagspartikel die Schnittfläche lediglich in einem Teilbereich des Strömungsquerschnitts beobachtet. Hierdurch kann eine hinreichende Auflösung erzielt werden, um im Kamerabild einzelne Partikel zu identifizieren, die dann vermessen werden können.
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Dabei ist es zweckmäßig, zur Beobachtung eine Belichtungszeit der Kamera so zu wählen, dass während der Belichtungszeit höchstens ein Niederschlagspartikel pro vorgegebenem Flächenelement die Schnittfläche passiert. Damit werden Überlagerungen von Partikeln im Kamerabild weitestgehend vermieden, so dass die Partikelgrößen besonders zuverlässig vermessen werden können.
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Zur Auswertung eines solchen Kamerabildes ist es vorteilhaft, für jedes Pixel in einem während der Beobachtung erfassten Kamerabild bei Überschreiten eines vorgegebenen Grauwertes das Pixel auf weiß und bei Unterschreiten des vorgegebenen Grauwertes das Pixel auf schwarz zu setzen. Dies vereinfacht eine anschließende automatisierte Auswertung des Kamerabildes.
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Als Maß für die Größenverteilung der Niederschlagspartikel wird dann zweckmäßigerweise die Größenverteilung zusammenhängender Bereiche weißer Pixel im Kamerabild bestimmt. Dies ermöglicht eine schnelle und zuverlässige automatisierte Auswertung des Kamerabilds.
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Bei allen geschilderten Ausführungsformen des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn das in die Kamera eintretende Licht mittels eines monochromatischen Filters gefiltert wird, dessen Durchlasswellenlänge der Emissionswellenlänge des wenigstens einen Lasers entspricht. Hierdurch wird der Einfluss von Streulicht aus nicht in der Schnittfläche liegenden Teilen des Windkanals auf das Kamerabild und damit die Messergebnisse reduziert, so dass besonders genaue Messungen möglich werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Überwachen zumindest einer Verteilungseigenschaft von einem in einem Windkanal erzeugbaren und von dessen Luftstrom transportierbaren Niederschlag, insbesondere von Schnee, mit zumindest einem in einer Raumrichtung ablenkbaren Laser zum Beleuchten einer Schnittfläche durch den Luftstrom und einer zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Schnittfläche gerichteten Kamera.
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Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, kann so eine Schnittfläche durch den Luftstrom selektiv beleuchtet werden, wodurch eine gegebene Untermenge der Partikel im Luftstrom selektiv detektierbar wird. Aus Kamerabildern der beleuchteten Partikel können dann Eigenschaften der Partikel, wie beispielsweise räumliche Verteilung, Größenverteilung und dergleichen, zuverlässig und präzise bestimmt werden.
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Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn zwei Laser vorgesehen sind, die einander entgegengerichtet sind und die in der gleichen Raumrichtung ablenkbar sind. Damit kann über die gesamte Schnittfläche durch den Luftstrom eine im Wesentlichen konstante Beleuchtungsintensität erzielt werden, was besonders genaue und einfach auszuwertende Messungen ermöglicht.
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Zweckmäßigerweise weist die Kamera einen monochromatischen Filter auf, dessen Durchlasswellenlänge der Emissionswellenlänge des wenigstens einen Lasers entspricht. Hierdurch wird der Einfluss von Streulicht aus außerhalb der Schnittfläche gelegenen Gebieten auf das Kamerabild reduziert, was die Aufnahmequalität verbessert und ebenfalls die Auswertung erleichtert.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Windkanal mit einer Vorrichtung der beschriebenen Art. Ein solcher Windkanal ermöglicht es, mittels eines genau überwachbaren und einstellbaren Partikelstroms den Einfluss von Niederschlag auf die Funktionsfähigkeit von Kraftwagen, beispielsweise den Einfluss von Schneefall auf die Luftförderleistung eines Luftfilters, präzise und reproduzierbar zu messen.
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Es ist dabei insbesondere vorteilhaft, wenn die Kamera in Strömungsrichtung des Windkanals vor der Schnittfläche angeordnet ist. Hierdurch wird eine auf die Schnittfläche gerichtete Kameralinse durch einen Körper der Kamera vom einfallenden Niederschlag abgeschattet, so dass keine Niederschlagspartikel auf der Linse haften bleiben und die Bildqualität beeinträchtigen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen zumindest einer Verteilungseigenschaft von einem in einem Windkanal erzeugbaren und von dessen Luftstrom transportierbaren Niederschlag in schematischer Darstellung;
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Windkanals mit einer Vorrichtung gemäß 1;
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3 die Vorrichtung gemäß 1 in einer Konfiguration zum Bestimmen einer räumlichen Verteilung von Schneeflocken über einen Gesamtquerschnitt eines Windkanals;
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4 ein mittels einer Vorrichtung in der Konfiguration gemäß 3 aufgenommenes Kamerabild;
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5 die Vorrichtung gemäß 1 in einer Konfiguration zum Bestimmen einer Größenverteilung von Schneeflocken über einen Gesamtquerschnitt eines Windkanals;
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6 eine schematische Veranschaulichung der Auswertung eines mittels einer Vorrichtung in der Konfiguration gemäß 5 aufgenommenen Kamerabildes, und
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7 ein mittels einer Vorrichtung in der Konfiguration gemäß 5 aufgenommenes Kamerabild.
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Um die räumliche Verteilung und Größenverteilung von Niederschlagspartikeln zu erfassen, wird eine im Ganzen mit 10 bezeichnete, in 1 gezeigte Vorrichtung eingesetzt. Die Vorrichtung 10 umfasst zwei Laser 12, 14, deren Strahlen innerhalb einer gemeinsamen Ebene 16 ablenkbar sind, sowie eine Kamera 18, die im Wesentlichen senkrecht auf die Ebene 16 gerichtet ist. Die Ebene 16 steht dabei im Wesentlichen senkrecht zu einem in Richtung der Pfeile 20 verlaufenden Luftstrom, der die Niederschlagspartikel durch die Ebene 16 trägt.
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Je nach Brennweiteneinstellung der Kamera 18 können unterschiedliche Bereiche 22, 24 der Ebene 16 mit der Kamera 18 erfasst werden. Niederschlagspartikel, die die Ebene 16 während der Belichtungszeit der Kamera 18 durchqueren, streuen das einfallende Laserlicht zurück auf die Kamera, so dass im Kamerabild je nach gewähltem Bereich 22, 24 die örtliche Verteilung der Niederschlagspartikel oder auch die Größenverteilung der Partikel analysiert werden können.
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Die Vorrichtung 10 kann, wie in 2 gezeigt, in einen Windkanal 26 integriert werden. Im Windkanal 26 wird mittels einer Turbine 28 ein Luftstrom in Richtung der Pfeile 30 erzeugt, der durch einen Kanal 32 auf einen zu testenden Kraftwagen 34 gelenkt wird. In Strömungsrichtung vor dem Kraftwagen befindet sich eine Schneelanze 36, die künstliche Schneeflocken in den Luftstrom abgibt, so dass getestet werden kann, ab welcher Schneelast ein Luftfilter des Kraftwagens 34 zusetzt.
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Um eine reproduzierbare Messung zu ermöglichen, werden die Eigenschaften des mittels der Schneelanze 36 erzeugten Kunstschnees mit der Vorrichtung 10 erfasst, die zwischen der Schneelanze 36 und dem Kraftwagen 34 angeordnet ist. Die Kamera 18 ist dabei zwischen der Schneelanze 36 und der von den in der Schnittdarstellung in 2 nicht gezeigten Lasern 12 aufgespannten Ebene 16 angeordnet, so dass eine Linse der Kamera 18 von der Schneelanze abgewandt und damit vom einfallenden Kunstschnee abgeschattet ist.
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Für Tests der beschriebenen Art ist es zunächst wichtig, dass die erzeugten Schneeflocken im Wesentlichen homogen über den Querschnitt des Kanals 32 verteilt sind. Um dies zu überprüfen, wird die Vorrichtung 10 in einer Konfiguration gem. 3 betrieben. Die Brennweite der Kamera 18 ist dabei so eingestellt, dass der von der Kamera 18 beobachtete Bereich 22 im Wesentlichen der Querschnittsfläche des Kanals 32 entspricht.
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Bei Belichtungszeiten von etwa einer Sekunde ergeben sich dabei Kamerabilder wie exemplarisch in 4 gezeigt. Je dichter der Schnee in einer Region des Kanals 32, desto mehr Streuzentren passieren dort während der Belichtung die Ebene 16, so dass diese Region heller erscheint. Wie 4 zu entnehmen, können bereits visuell hellere Regionen 38 und dunklere Regionen 40 im Kamerabild unterschieden werden, so dass auf einfachste Weise eine inhomogene räumliche Verteilung der Schneeflocken über den Querschnitt des Kanals 32 detektiert werden kann. Durch Wandlung des Kamerabilds in Graustufen wird eine automatisierte Auswertung ermöglicht. Die örtliche Verteilung der Graustufen ermöglicht eine Quantifizierung der Verteilungshomogenität, während der gemittelte Grauwert des Kamerabilds ein Maß für die gesamte Schneeflockendichte angibt.
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Um die Größenverteilung der mittels der Schneelanze 36 erzeugten Schneeflocken zu bestimmen, kann die Vorrichtung 10 in der Konfiguration gemäß 5 verwendet werden. Hierbei wird durch entsprechende Einstellung der Brennweite der Kamera 18 bzw. des Abstandes zwischen der Ebene 16 und der Kamera 18 lediglich der Teilbereich 24 des Querschnitts des Kanals 32 beobachtet. Wird die Größe des Teilbereichs 24 auf ca. 15 × 20 cm eingestellt, so kann bereits mit einer kostengünstigen Kamera 18 mit einem 1,5-Megapixelsensor eine Größenbestimmung mit einer Auflösung von ca. 0,2 mm erzielt werden.
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Bei der Aufnahme eines exemplarisch in 7 gezeigten Kamerabildes wird dabei die Belichtungszeit der Kamera 18 so eingestellt, dass jedes Flächenelement des Teilbereichs 24 während der Belichtungszeit höchstens von einer Schneeflocke passiert wird. Einzelne Schneeflocken können dann im Kamerabild als zusammenhängende helle Bereiche 42 erkannt werden.
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Zur automatischen Bestimmung der Größe und Größenverteilung der Schneeflocken kann das Kamerabild zunächst in Schwarz-Weiß-Darstellung konvertiert werden, indem alle Pixel 44, deren Grauwert unterhalb eines Schwellenwertes liegt, als schwarz definiert werden und alle Pixel 44, deren Grauwert oberhalb des Schwellenwertes liegt, als weiß definiert werden. Wie in 6 veranschaulicht, entsprechen dann alle Bereiche zusammenhängender weißer Pixel 44 einer individuellen Schneeflocke, wobei die jeweilige Zahl der weißen Pixel deren Größe angibt.
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Insgesamt wird so eine genaue Quantifizierung der Eigenschaften des mittels der Schneelanze 36 erzeugten Schnees ermöglicht, so dass die Einstellungen der Schneelanze 36 dahingehend optimiert werden können, dass eine gewünschte Schneequalität erreicht wird. Hierzu können beispielsweise Wassertemperatur und Wasserdruck der Schneelanze 36 variiert werden.
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Im Kamerabild sind zudem Rotationsbewegungen und Verwirbelungen der von der Strömung transportierten Schneeflocken zu erkennen, so dass auch die Schneelanzenposition so optimiert werden kann, dass der Kanal 32 um den Kraftwagen 34 herum eine möglichst optimale aerodynamische Güte hat.
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Durch solche Optimierungen können reproduzierbare und hochqualitative Tests des Kraftwagens 34 unter Schneebelastung durchgeführt werden, so dass auf schwer zu reproduzierende und wetterabhängige Außentests größtenteils verzichtet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Laser
- 14
- Laser
- 16
- Schnittfläche
- 18
- Kamera
- 20
- Pfeil
- 22
- Teilbereich
- 24
- Teilbereich
- 26
- Windkanal
- 28
- Turbine
- 30
- Pfeil
- 32
- Kanal
- 34
- Kraftwagen
- 36
- Schneelanze
- 38
- heller Bereich
- 40
- dunkler Bereich
- 42
- heller Bereich
- 44
- Pixel
