DE10236268A1

DE10236268A1 - Wiege- und Verkehrssensor sowie Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren

Info

Publication number: DE10236268A1
Application number: DE2002136268
Authority: DE
Inventors: Rigobert Opitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wiegesensor und ein Wiegeverfahren, zur statischen und dynamischen Wägung von Fahrzeugen bzw. deren Rad- und Achslasten mit einem Sensorgehäuse, umfassend eine Bodenplatte und eine Abdeckung, die unter Zwischenlage eine Messanordnung feuchtigkeitsdicht einschließenl. DOLLAR A Der neuartige Wiegesensor (1) und das neuartige Wiegeverfahren betreffen eine Messanordnung (6), die ein modulweise zusammengefasstes Messfeld umfasst, das mit Dehnungsmessstreifen (13) oder Kraftmessdosen bestückt ist, die einzeln oder feldweise gezielt abgefragt werden können. Dabei ist das Sensorfeld elektronisch und mechanisch modulweise aufgebaut.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wiege-und Verkehrssensor, insbesondere zur statischen und dynamischen Wägung von Fahrzeugen bzw. deren Rad- und Achslasten, mit einem Sensorgehäuse, das eine Bodenplatte und eine Abdeckung, die unter Zwischenlage einer Meßanordnung feuchtigkeitsdicht miteinander verbunden sind, umfaßt, wobei die Meßanordnung wenigstens einen Modulträger mit Meßauslegern zur Aufnahme von Scherkräften umfaßt und die Meßausleger jeweils derart mit Dehnungsmeßstreifen bestückt sind, daß die über die Meßausleger eingeleiteten Horizontalkräfte erfaßt werden, sowie ein Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren.
Ein derartige Wägevorrichtung, insbesondere für Fahrzeuge ist aus der Patentschrift AT 301201 vorbekannt. Dadurch daß eine Wägeplattform auf einem Träger ausschließlich über waagrechte und steife Verbindungselemente auf Material mit verhältnismäßig großem Elastizitätsmodul abgestützt ist, soll eine genaue und zuverlässige Angabe des Ladungsgewichtes von Fahrzeugen ermöglicht werden. Hierzu ist u.a. erforderlich, daß die vorbekannte Wägeplattform so konstruiert ist, daß sie unter der zu erwartenden Höchstbelastung möglichst steif bleibt. Dies wiederum bewirkt aber, eine mechanische Kopplung der Meßausleger über die Wägeplattform. Im Ergebnis ist dies für die Bestimmung eines Ladegewichtes irrelevant. Allerdings können mit dieser Wägeplattform keine individuellen Achslasten oder ein Reifenlatsch aufgenommen werden kann.
Aus der WO 97/17597 ist eine weiterer Wiegeensor bekannt. Es handelt sich dabei um eine Wiegeplatte, die in einen Rahmen eingespannt ist, wobei die eingespannte Wiegeplatte auf einen Piezosensor wirkt, der unterhalb der Wiegeplatte in dem an einem Rahmen, der Wiegeplatte und einer Bodenplatte umschlossenen Gehäuse innerhalb einem Druck übertragenden Medium eingebettet ist.
Derartige Wiegeanordnungen werden beispielsweise zur statischen und dynamischen Erfassung der Straßenbelastung durch Fahrzeuge eingesetzt. Dabei geht es insbesondere darum, die kostenintensive Verkehrsinfrastruktur der Straßen vor Oberflächenbeschädigungen, wie sie insbesondere durch überladene Achsen von Schwerlastfahrzeugen verursacht werden, zu bewahren. Die Entwicklung einer genauen und gleichzeitig den aggressiven Belastungen des Straßenverkehrs gegenüber weitestgehend unempfindlichen Wiegetechnik steht im Zusammenhang mit dem Bemühen, eine gerechtere Zuordnung der ur Aufrechterhaltung der Verkehrsinfrastruktur erforderlichen Kosten und Aufwendungen in Abhängigkeit von der Inanspruchnahme des Straßenbelags zu erreichen.
Grundsätzlich ist dabei zwischen statischen, eichfähigen und dynamischen, allenfalls beschränkt eichfähigen Wiegeanlagen zu unterscheiden. Statische Wiegeanlagen können insbesondere zu Kontrollzwecken eingesetzt werden, um ganze Streckenabschnitte vor der Benutzung von überladenen Fahrzeugen zu schützen. Darüber hinaus sind dynamische Wiegeanlagen bekannt, die entweder unmittelbar in den Fahrbahnbelag eingearbeitet oder mobil auf die Fahrbahn aufgebracht werden. So sind in den letzten Jahren folgende Wiegetechniken bekannt geworden:

– Wiegeplatten
– Piezosensoren oder kapazitive Streifensensoren
– Achsplattformwagen

Die Wiegeplatten messen die Durchbiegung eines Wiegeplattensensors durch die Radstandsaufkraft mit einem der Wiegeplatte zugeordneten Sensornetzwerk, entweder aus Piezomeßelementen oder Dehnungsmeßstreifen. Die Abstützung der Wiegeplatten erfolgt vorzugsweise an 2 Kanten oder 4 Auflagerpunkten.
Piezosensoren oder kapazitive Streifensensoren arbeiten entweder mit dem Piezoeffekt oder mit der Erfassung von Kapazitätsänderungen die durch die Krafteinwirkung die während der Überfahrt von einem Fahrzeug entstehen.
Die Eichplattformwaagen arbeiten mit sogenannten Kraftmeßdosen oder Scherkraftaufnehmern, die innerhalb einer Brückenwaage integriert sind.
Die Wiegeplatten sind sowohl zur Durchführung von dynamischen als auch von statischen Messungen geeignet und bieten den Vorteil, daß die gesamte Reifenaufstandsfläche erfaßt werden kann. Es handelt sich dabei um robuste Meßwertaufnehmer, die in den Straßenbelag unter Verwendung eines entsprechenden Einbaurahmens eingebaut werden können. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Langzeitstabilität derartiger Wiegeplatten nicht befriedigend ist. Zum einen ist die Qualität des Meßergebnisses wesentlich von der Qualität des Einbaus des genannten Einbaurahmens in der Straße sowie der hiervon abhängigen Einspannung der Wiegeplatte in der Straße abhängig. Es muß dabei beachtet werden, daß die Wiegeplatte im wesentlichen wie eine Feder in den Straßenbelag eingebaut ist und dementsprechend den Straßenbelag als solchen belastet und überdies die Einspannung der Wiegeplatte temperaturabhängig ist. Der Sensor reagiert empfindlich auf Verschleiß sowohl des Sensors als auch des umgebenden Straßenbelags Sogenannte Piezosensoren bestehen zumeist aus einem Piezokabel, das in eine Metallschiene eingefügt wird und in dieser vergossen wird. Mit einem derartigen in den Straßenbelag integrierten Sensor ist es nicht möglich, die komplette Reifenaufstandsfläche zu erfassen. Das Signal muß hierzu beim Überrollen des Reifens integriert werden. Der Sensor ist ebenfalls stark abhängig von der Qualität der Straßenoberfläche und zeigt eine erhebliche Diskontinuität entlang des Sensors. Die Vorteile des Piezosensors liegen in seiner einfachen Herstellung.
Sie haben daher einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber den anderen erwähnten Meßsystemen. Die Meßgenauigkeit der Achslastmessung ist allerdings recht ungenau. Darüber hinaus ist die Lebensdauer derartiger Sensoren beschränkt. Schließlich beeinflussen Straßenunebenheiten, wie etwa Spurrillen die Messung.
Kapazitive Streifensensoren sind ihrer Größe und ihrer Art des Einbaus nach im wesentlichen mit einem Piezosensor vergleichbar, wobei das Meßprinzip auf der Erfassung von Ladungsverschiebungen bei der Überfahrt von Fahrzeugen beruht. Allerdings hängt auch hier die Qualität der Messung erheblich vom Einbau in der Straße sowie den Umständen der Fahrzeugüberfahrt ab.
Die darüber hinaus erwähnten Konstruktionen mit Metallplatten auf Kraftmeßdosen oder Scherkraftmessern, auch kapazitive Matten und Sensoren mit Glasfasern spielen in der Wiegetechnik eine nur untergeordnete Rolle.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wiege- und Verkehrserfassungssensor sowie ein Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren zu schaffen, der bzw. das bei vertretbaren Herstellungskosten sowohl eine dynamische als auch eine statische Messung ermöglicht und überdies Eichfähigkeit besitzt und mit einer Genauigkeit versehen ist, die den Ansprüchen an eine Überwachung des Straßenverkehrs sowohl im dynamischen als auch im statischen Betrieb genügt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird von einem Wiege- und Verkehrserfassungssensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie des nebengeordneten Verfahrenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß bei einem gattungsgemäßen Wiege- und Verkehrserfassungssensor eine Meßanordnung vorgesehen ist, die wenigstens einen Modulträger mit Meßauslegern zur Aufnahme von Scherkräften umfaßt, wobei die Meßausleger derart mit Sensoren bestückt sind, daß die über die Meßausleger einge leiteten Horizontal- oder Vertikalkräfte erfaßt werden, wird ein robustes Meßsystem eingesetzt, das gleichzeitig höchste Genauigkeit bietet.
Die Auswertung der bei der Überfahrt eingeleiteten Scherkräfte also von Horizontal oder Vertikalkräften bildet deutliche Vorteile gegenüber der reinen Gewichtsmessung, die erheblichen Fehlereinflüssen bei der dynamischen Messung infolge von Bremsen oder Beschleunigen ausgesetzt ist. Darüber hinaus erlaubt der modulweise Aufbau die Anpassung der Meßanordnung an den jeweiligen Anwendungsfall in optimaler Weise. So kann durch einfache Erhöhung der Anzahl der Modulträger der Wiege- und Verkehrserfassungssensor in seiner Wiegefläche vergrößert werden.
Außerdem besitzt die erfindungsgemäße Meßanordnung einen ausgesprochen flachen Aufbau, der in einfacher Weise in den Straßenbelag integriert werden kann, ohne daß der Straßenbelag hierdurch erheblichen Beeinträchtigungen ausgesetzt ist. Überdies sind die Modulträger im Wiege- und Verkehrserfassungssensor selbst aufgelagert, so daß die Verankerung des Wiege- und Verkehrserfassungssensors im Straßenbelag ohne Einfluß auf das Meßergebnis ist. Der flache Aufbau trägt wesentlich zur Reduktion der Einbaukosten bei.
Die Verwendung von Kraftmessdosen, insbesondere von Dünnfilm-Dehnungsmesszellen bietet erhebliche Vorteile.. Zunächst gelten die Herstellungskosten als vergleichsweise gering gegenüber vergleichbaren Sensoren. Schließlich ist die Messgenauigkeit kaum mit andere Messverfahren in dieser Qualität erreichbar.
Ferner können die Kraftmessdosen als solche feuchtigkeitsdicht gekapselt sein, so das nicht der ganze Wiege- und Verkehrssensor feuchtigkeitsdicht ausgebildet sein muß.
Die Kraftmessdose kann dabei vollständig in den Messausle- ger eingearbeitet sein. Dies unterstützt den kompakten Aufbau und erleichtert die feuchtigkeitsresistente Ausgestalttung der Gesamtanordnung.
Statt Kraftmessdosen können auch in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung auch herkömmliche DMS-Streifen eingesetzt sein. Dies erleichtert ggf. Die Ankopplung des systems an bestehende Auswerteeinrichtungen.
Insbesondere in diesem Fall empfiehlt es sich jedoch, die gesamte Anordnung feuchtigkeitsdicht auszugestalten Die Modulträger sind stabförmig mit seitlich auskragenden Meßauslegern ausgebildet, so daß sich im Bereich der Meßausleger ein Y-Querschnitt ergibt. Dieses Profil der Modulträger ist in idealer Weise geeignet, die bei der Überfahrt eingeleiteten Scherkräfte aufzunehmen.
Die Modulträger sind innerhalb des Wiege- und Verkehrserfassungssensors zumindest teilweise in Nuten aufgenommen und somit einfach aber wirkungsvoll gegen dynamische Einflüsse infolge der Beanspruchung durch Bremsen oder Beschleunigen gesichert. Der entsprechende Aufbau ist in einfacher Weise herstellbar und darüber hinaus ausgesprochen übersichtlich. Im Unterschied zu den vorerwähnten Wiegeplatten benötigt der erfindungsgemäße Wiege- und Verkehrserfassungssensor also keinen gesonderten Einbaurahmen, da die Meßmodule nicht vor- oder eingespannt werden müssen.
Insoweit ist das Meßergebnis auch nicht in der vorerwähnten Weise von den Einbauumständen des Wiege- und Verkehrserfassungssensors abhängig. Vielmehr unterscheidet sich das Wägeergebnis des eingebauten Wiege- und Verkehrserfassungssensors nicht wesentlich vom nicht eingebauten Wiege- und Verkehrserfassungssensor. Die Vorteile hinsichtlich der Eichung und Kalibrierung eines insoweit unempfindlichen Sensors liegen auf der Hand.
Der aufgrund des veränderten Meßprinzips entbehrliche Einbaurahmen ermöglicht den Einbau des Wiege- und Verkehrserfassungssensors derart in den Straßenbelag, daß die Abdeckung plan mit der Straßenoberfläche abschließt und die Bodenplatte satt im Straßenuntergrund aufgelagert ist. Hierdurch kann vollständig auf etwaige Entwässerungsmaßnahmen, wie beispielsweise oftmals in Verbindung mit Wiegeplatten notwendig, verzichtet werden. Überdies handelt es sich um eine den Straßenbelag schonende Einbauweise.
Der Wiege- und Verkehrserfassungssensor kann entweder als Streifensensor oder als Matrixsensor durch entsprechende Anordnung der Modulträger aufgebaut werden.
Der Matrixsensor wird in idealer Weise so aufgebaut, daß ein vollständiger Reifenlatsch, entweder eines Einfachoder eines Doppelreifens oder gar eine vollständige Achsbreite aufgenommen werden kann.
Die Modulträger sind jeweils mit einer Meßplatine und einem Mikrocontroller versehen. Dadurch, daß die Auswerteelektronik öffentlich mit dem Modulträger als solchen verbunden ist, wird ein unnötiger Verkabelungsaufwand vermieden.
Im Sinne eines möglichst robusten Aufbaus ist der wesentliche Teil der Auswerteelektronik in Form von integrierten Schaltkreisen, sogenannten ASIC's, aufgebaut, die jedem Y-Modul und jedem Dehnungsmeßstreifen zugeordnet sind. Der Aufbau der Auswerteschaltung als integrierter Schaltkreis ist robust gegenüber Umwelteinflüssen, schließt nahezu jede Manipulation des Meßergebnisses aus und erlaubt darüber hinaus einfache Reparatur durch den bloßen Austausch der integrierten Schaltkreise.
Im Sinne einer weiteren Vereinfachung des Schaltungsaufbaus werden die jedem Y-Modul zugeordneten DMS-Beschaltungen zu einem einzigen Y-Modul zusammengefaßt. Dabei ergeben sich erhebliche Ersparnisse hinsichtlich der Verdrahtung sowie den in der Schaltung integrierten Brückenergänzungswiderständen. Das erfindungsgemäße Y-Modul Asic stellt einen Grundbaustein zum Betrieb in Verbindung mit vier Dehnungsmeßstreifen, der auch in anderen Gebieten einsetzbar ist.
Im Sinne einer weiteren Vereinfachung des Aufbaus des Wiege- und Verkehrserfassungssensors werden mehrere DMS-ASICs, vorzugsweise vier davon, auf einer einzigen Platine mit einem gemeinsamen Mikrocontroller zu einer Y-Modul-ASIC zusammengefaßt. Heutige leistungsfähige Mikrocontroller können unproblematisch die gesamte Signalverarbeitung der zusammengefaßten DMS-ASIC"s übernehmen. Durch Verringerung der Mikrocontrollerzahl ist eine weitere Reduzierung des Verdrahtungsaufwands sowie eine Erhöhung der Signalverarbeitungsgeschwindigkeit erreicht. Nachdem insbesondere die Verdrahtung derartiger Meßschaltungen störanfällig ist, wird hierdurch auch eine höhere Robustheit des Wiege- und Verkehrserfassungssensors erreicht.
In idealer Ausgestaltung werden die Y-Modul-ASIC's-Einheiten die einem Y-Modulträger zugeordnet sind, mit diesem zu einer Funktionseinheit zusammengefaßt und mit einem gemeinsamen Y-Modulprozessor verbunden. Diese Y-Modu1-prozessoren werden dann mit einem Hauptprozessor, der für den gesamten Wiege- und Verkehrserfassungssensor verantwortlich ist, über ein entsprechendes BUS-System verbunden. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist somit jeder Y-Modulträger als selbständige Funktionseinheit ausgebildet. Hierdurch kann ein Wiege- und Verkehrserfassungssensor in einfacher Weise dadurch aufgebaut werden, daß die benötigte Anzahl von Y-Modulträgerfunktionseinheiten in den Wiegeund Verkehrserfassungssensor eingesetzt, über einen BUS zusammengeschaltet und mit einer entsprechenden gemeinsamen Signalverarbeitung versehen wird. Diese Modulbauweise entspricht dem modernen Fertigungsideal eines Baukastenprinzips, das aus immer gleichen Elementen letztlich für den gewünschten Anwendungsfall zusammensetzbar ist.
Der Wiege- und Verkehrserfassungssensor steht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit einem Temperatursensor und/oder wenigstens einer Induktionsschleife zur Erfassung der Fahrtrichtung oder Fahrzeugpräsenz und/oder der Umgebungstemperatur in Datenverbindung. Die Berücksichtigung von Temperatureinflüssen erhöht die Genauigkeit der Wägung. Die Erkennung einer Fahrzeugpräsenz erlaubt es, den Wiegeund Verkehrserfassungssensor bedarfsweise zu- und abzuschalten bzw. in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen verschiedenen Betriebsarten, also beispielsweise einer statischen oder dynamischen Messung mit unterschiedlichen Genauigkeitsanforderungen zu unterscheiden. Hierdurch kann der Signalverarbeitungsaufwand und somit der Energiebedarf des Wiege- und Verkehrserfassungssensors dem jeweiligen Bedarf in optimaler Weise angepaßt werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird überdies durch ein Verfahren gelöst, bei dem die von der beschriebenen Meßanordnung gelieferten Daten ausgelesen, abgespeichert, bearbeitet und weitergegeben werden, wobei das Auslesen, Abspeichern und Verarbeiten der Daten zumindest im wesentlichen mittels einer Sensoreinheit erfolgt, die jeweils gemeinsam mit Modulträgern, die mit Dehnungsmeßstreifen bestückt sind, eine Funktionseinheit des Wiege- und Verkehrserfassungssensors bilden und dann die digitalisierten Daten über einen BUS an einen Hauptsensor weitergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit eine modul- oder arrayweise Verarbeitung der anfallenden Meßdaten vor, die dann entsprechend vorbearbeitet an den Hauptprozessor zur Weiterbearbeitung weitergeleitet werden.
Dabei ist dieses Verfahren besonders geeignet in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Wiege- und Verkehrserfassungssensor eingesetzt zu werden, da die Krafteinleitung in einen jeden Sensor über der Zeit in Verbindung mit der Lage des jeweiligen Sensors erfaßt wird. Hierdurch entsteht bei einer Fahrzeugüberfahrt ein Druckverteilungs- und/oder Überrollprofil, wie es bei der bisher integralen Erfassung derartiger Meßgrößen bisher nicht erzeugt werden konnte.
Das Ergebnis ist also ein Druckverlauf der Überfahrt erfaßt nach Raum und Zeit. Dabei handelt es sich jeweils um gemessene und nicht etwa durch Interpolation oder Integration gewonnene Verläufe.
Bei statischen Messungen kann ein Druckverteilungsprofil ermittelt werden. Dies Information ist insbesondere für Reifenhersteller wertvoll. Das neuartige Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren führt daher in Verbindung mit dem neuartigen Wäge und Verkehrserfassungssensoren zu Meßergebnissen bisher nicht bekannten Qualität und Aussagekraft.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Vorteil zwischen drei Betriebsarten:

– statisch
– statisch-dynamisch
– dynamisch

Der statisch-dynamische Wiegebetrieb betrifft eine langsame Fahrzeugüberfahrt im Bereich von 0 bis 20 Stundenkilometern.
Der dynamische Wiegevorgang findet bei Sensoren statt, die im Straßenbereich integriert werden und erfaßt einen Geschwindigkeitsbereich von 0 bis 160 Stundenkilometern. Für alle drei Betriebsarten genügt eine in Verbindung mit dem vorerwähnten Wiege- und Verkehrserfassungssensor eine statische Kalibrierung, da der im Straßenbelag eingebaute Sensor keine signifikanten Abweichungen gegenüber dem werkseitig gelieferten Sensor zeigt.
Die Unterscheidung zwischen den unterschiedlichen Betriebsarten ermöglicht es, den Signalverarbeitungsaufwand an die jeweilige Aufgabe optimal anzupassen.
Die Meßdaten etwaig nicht belasteter Sensoren werden erfaßt, können aber zur Reduktion des Signalverarbeitungsaufwands mit Vorteil vor der weiteren Bearbeitung selektiert werden. Hierdurch wird prozessor- und speicheroptimiert gearbeitet.
Die nicht belasteten Sensoren werden jedoch zumindest ihrer Lage nach erfaßt, um somit eine Meßgröße zu gewinnen, die der Reifenkontur entspricht und/oder um besondere Umstände der Überfahrt oder des Aufstandes zu ermitteln. So kann beispielsweise erkannt werden, ob ein Fahrzeugreifen nur teilweise auf dem Wiege- und Verkehrserfassungssensor aufsteht.
In weiterer Ausgestaltung wird mittels vor- und/oder nachgeschalteter Induktionsschleifen eine etwaige Fahrzeugpräsenz erkannt und hierdurch der Datenverarbeitungsprozeß aus- und/oder eingeschaltet. Hierdurch wird vermieden, daß unsinnige Daten, also beispielsweise Nulldaten speicherund energieaufwendig bearbeitet werden.
In alternativer Ausgestaltung kann eine Fahrzeugpräsenz auch mit den in Fahrtrichtung vorderen und/oder hinteren Sensoren des Wiege- und Verkehrserfassungssensors erkannt werden und infolge dieser Erkennung der Datenverarbeitungsprozeß aus- und/oder eingeschaltet werden. Das Verfahren ist im übrigen analog dem Betrieb in Verbindung mit vor- und/oder nachgeschalteten Induktionsmeßschleifen.
In abermals vorteilhafter Ausgestaltung wird zwischen Meßmodi einer Normalmessung und eine Detailmessung unterschieden. Dabei werden im Normalbetrieb die einem Reifen zugeordneten Meßwerte integral komprimiert und derart zusammen gefaßt abgespeichert. Nur bei einer Detailmessung die aufgrund vorgegebener oder einstellbarer Bedingungen vorgenommen wird, werden die Daten der Einzelsensoren gespeichert und zur Weiterverarbeitung übermittelt.
Auch bei der statischen oder statisch-dynamischen Wägung werden die Meßwerte der Einzelsensoren zu Mittelwerten integriert und derart abgespeichert und weiterverarbeitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in seiner Genauigkeit dadurch verbessert werden, daß Temperaturdaten, Kalibriertabellen oder aktive Kalibriervorgänge sowie eine Korrektur einer etwaigen Nullpunktdrift in das Verfahren eingearbeitet werden.
Zu Kontroll- und Prüfzwecken werden die Meßwerte in nicht manipulierbarer Weise mit einem Zeit- und/oder Ortsstempel versehen und abgespeichert.
Diese Zeitstempel können bei Anordnung nebeneinander liegender Wiege- und Verkehrserfassungssensoren benutzt werden um deren Meßergebnisse ggf. zu synchronisieren. Solcherart können Achsbreiten und/oder Achslasten korrekt ermittelt werden Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Wiege- und Verkehrserfassungssensor in perspektivischer Darstellung,
2 ein Detail des Wiege- und Verkehrserfassungssensors in perspektivischer Explosionsdarstellung,
3 eine Beschaltung einer Dehnungsmeßstreifen-Meßstelle,
4 die Beschaltung eines Y-Moduls mit vier Dehnungsmeßstreifen in einem Blockschaltbild und
5 einen Schaltungsaufbau eines Wiege- und Verkehrserfassungssensors insgesamt in schematischer Blockbilddarstellung.
Der in 1 gezeigte Wiege- und Verkehrserfassungssensor 1 besteht im wesentlichen aus einer Bodenplatte 2, die über Halteleisten 3 mit einer Abdeckung 4 verbunden ist. Bei der Abdeckung 4 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine Edelstahlplatte, die für seitliche Befestigungsflansche 5 mit der Bodenplatte 2 verschraubt ist. Anstelle einer Verschraubung könnte die Bodenplatte auch mit der Abdeckung 4 feuchtigkeitsdicht verschweißt sein. Die Ausbildung der Abdeckung 4 als Edelstahlplatte stellt einen wirksamen Korrosionsschutz dar.
Die als Abdeckung 4 dienende Edelstahlplatte weist ein Uförmiges Profil auf, so daß gemäß der Explosionsdarstellung in 2 zwischen der Bodenplatte 2 und der Abdeckung 4 einen Zwischenraum zur Aufnahme einer Meßanordnung 6 gebildet ist. Die Meßanordnung 6 umfaßt im wesentlichen sogenannte Y-Modulträger 7, die teilweise in Verankerungsnuten 10 der Bodenplatte 2 eingelassen sind. Der Y-Modulträger 7 weist ein stabförmiges Grundprofil mit seitlich auskragenden Meßauslegern 11 auf. Die Bezeichnung des Y-Modulträgers 7 rührt im wesentlichen von einem Y-förmigen Querschnitt im Bereich der Meßausleger 11 her. Die Meßausleger 11 sind in an sich bekannter Weise beidseits mit Dehnungsmeßstreifen bestückt, die in 2 nicht weiter dargestellt sind. Anstelle der Dehnungsmesstreifen können die Messauslegern auch mit Kraftmessdosen versehen, von denen zumindest ein Teil auch in den Messausleger feuchtigkeitsdicht integriert sein kann. Alternativ können auch die Kraftmessdosen als solche feuchtigkeitsdicht sein.
Zwei am selben Grundprofil einander gegenüberliegend angeordnete seitliche Meßausleger 11 werden im weiteren als Y-Modul 12 bezeichnet, das im wesentlichen aus zwei seitlichen Meßauslegern besteht, die jeweils mit zwei Dehnungsmeßstreifen bestückt sind.
Der in 1 und 2 dargestellte Wiege- und Verkehrserfassungssensor 1 stellt einen Matrixsensor im Sinne der Erfindung dar. Es sind allerdings auch Meßanordnungen vorstellbar, die lediglich aus einem einzigen Y-Modulträger 7 bzw. aus in Reihe angeordneten Y-Modulträgern 7 bestehen. Hierdurch kann im Rahmen der Erfindung auch ein Streifensensor gebildet sein.
Der Matrixsensor ist seinen Abmessungen nach so ausgelegt, daß ein vollständiger Reifenlatsch, also die Aufstandsfläche eines Einfach- oder Mehrfachreifens vollständig auf dem Matrixsensor aufgenommen sein kann. Dabei werden beim Aufstand oder bei der Überfahrt durch die dünne Edelstahlabdeckung 4 hindurch Gewichtskräfte übertragen, die zu einer Verwindung der seitlichen Meßausleger 11 und somit zur Aus bildung von Horizontalkräfte führen, die ein elektrisches Signal der an den Meßauslegern 11 befestigten Dehnungsmeßstreifen, das proportional der Auslenkung der Meßausleger 11 ist, erzeugt.
Die Beschaltung des Dehnungsmeßstreifen 13 ist in 3 dargestellt. Jedem Dehnungsmeßstreifen 13 ist gemäß 3 ein ASIC (anwendungsspezifisch integrierter Schaltkreis) zugeordnet. Dabei wird jeder Dehnungsmeßstreifen 13 in Verbindung mit einem Brückenwiderstand 14, einem Ohmschen Spannungsteiler 15 sowie einer getakteten Versorgungsspannung 16, die über den Spannungsteiler 15 betrieben wird, geschaltet. Dabei sind der Brückenwiderstand 14, der Spannungsteiler 15 und die Spannungsversorgung 16 auf Meßplatine angeordnet, die jedem Y-Modulträger 7 zugeordnet ist. Die Meßplatine ist jeweils mit einer der Anzahl der Dehnungsmeßstreifen 13 entsprechenden Anzahl von Dehnungsmeßstreifen Asics 17 bestückt. Der Dehnungsmeßstreifen 13 ist unmittelbar im Bereich der Meßplatine der zugehörigen ASICs 17 angeordnet sein, so daß der Verdrahtungsaufwand minimiert ist. Der einem jeden Dehnungsmeßstreifen 13 zugeordnete Dehnungsmeßstreifen ASIC umfaßt einen Verstärker 20, einen Analog/Digitalwandler 21, eine elektronischen Filter 22, ein Speicherelement 23, einen Prozessor 24, der die Analogditalwandlung, das elektronische Filterelement und das Speicherelement 23 ansteuert sowie eine BUS-Schnittstelle 25 zur Weitergabe der digitalisierten vorverarbeiteten Meßwerte ansteuert.
Eine verbesserte Ausführung der Meßelektronik des Wiegeund Verkehrserfassungssensors 1 ist in 4 dargestellt. Dabei werden die einem Y-Modul 12 zugehörigen Dehnungsmeßstreifen 13 mit einem einzigen gemeinsamen Dehnungs meßstreifen Asic 17' beschaltet. Der Vorteil dieser gemeinsamen Beschaltung liegt insbesondere in der Ersparnis von einigen ansonsten mehrfach zu realisierenden elektronischen Bauteilen oder Softwaremodulen.
Gemäß der Darstellung in 4 können die Dehnungsmeßstreifen 13 eines Y-Moduls 12 mit einem gemeinsamen Prozessor 24', einem einzigen elektronischen Filterelement 22', einem einzigen Speicher 23' sowie mit einer gemeinsamen BUS-Stelle 25' versorgt werden. Lediglich die Verstärker 20' sowie die Analog/Digitalwandler 21 müssen für jeden Dehnungsmeßstreifen 13 separat vorgesehen werden. Die BUS-Schnittstelle 24' sollte allerdings in einem Mehrkanalbetrieb betreibbar sein, so daß die Ergebnisse eines einzigen Dehnungsmeßstreifens 13 gezielt abgefragt werden können. Die einem Y-Modul 12 zugeordnete Sensoreinheit wird im weiteren als Y-Modulsensoreinheit 26 bezeichnet.
Sämtliche, einem Y-Modulträger 7 zugeordnete Y-Sensoreinheiten 26 können auf einer einzigen Meßplatine 27 angeordnet sein und somit mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung 16' und einem gemeinsamen Spannungsteiler 15` betrieben werden. Die Messplatine 27 ist dabei derart langgestreckt auf dem Y-Modulträger angeordnet, daß die Dehnungsmeßstreifen 13 jeweils in unmittelbarer Nähe ihres entsprechenden Dehnungsmeßstreifen Asic's angeordnet sind. Hierdurch ist der Verkabelungsaufwand zum Anschluß der Dehnungsmeßstreifen 13 minimiert. Die Y-Sensoreinheiten 26 stehen über einem Datenbus mit einem Y-Modul-Prozessor 28 in Datenverbindung. Die Y-Modulträger 7 bilden in Verbindung mit der Meßplatine 27 eine abgeschlossene Funktionseinheit, die über eine geeignete BUS-Schnittstelle, vorzugsweise eine RS 485 parallele Schnittstelle 30 mit einem Hauptprozessor 31 des Wiege- und Verkehrserfassungssensors 1 verbunden sind. Zusätzlich ist in einer vergrößerten Darstellung gezeigt, wie die BUS-Schnittstellen 25 der Y-Modulsensoreinheiten 26 mit dem jeweiligen Y-Modulprozessor 28 in Datenverbindung stehen.
Der Hauptprozessor 31 kann mit weiteren Sensoreinheiten, wie Induktionsschleifen oder Temperatursensoren in nicht dargestellter Weise in Datenverbindung stehen.
Somit ist vorstehend der modulweise Aufbau eines Matrixsensors in mechanischer und elektronischer Hinsicht beschrieben.
Die hohe Genauigkeit der Meßanordnung ergibt sich aus der elektronischen und mechanischen Unabhängigkeit der einzelnen Meßstellen von Umgebungseinflüssen sowie aus deren dem jeweiligen Bedarfsfall genau anpaßbaren Anzahl und Abmessung. Dabei kann die anfallende Datenmenge durch Zu- und Abschalten jeweils benötigter oder nicht benötigter Sensoren dem Einzelfall bedarfsweise angepaßt werden. Schließlich können auch durch unterschiedliche Taktungen und Auswerteverfahren die Genauigkeiten dem gewünschten Bedarfsfall angepaßt werden. Hierdurch kann der Speicher- und Energiebedarf des Wiege- und Verkehrserfassungssensors 1 jeweils präzise abgestimmt werden.
Finite Elemente Berechnungsverfahren haben bewiesen, daß die Genauigkeit der vorstehend beschriebenen Meßanordnung deutlich über die bisher bekannten Standards hinausgeht und überdies die Eichfähigkeit des Wiege- und Verkehrserfassungssensors 1 gegeben ist.

1: Wiegesensor
2: Bodenplatte
3: Halteleisten
4: Abdeckung
5: Befestigungsflansch
6: Meßanordnung
7: Y-Modulträger
10: Verankerungsnuten
11: Meßausleger
12: Y-Modul
13: Dehnungsmeßstreifen
14: Brückenwiderstand
15: Spannungsteiler
16: Spannungsversorgung
17: Dehnungsmeßstreifen-ASIC
18: Y-Modul-ASIC
20: Verstärker
21: AD-Wandler
22: Elektronisches Filterelement
23: Speicher
24: Prozessor
25: BUS-Schnittstelle
26: Y-Modul-Sensoreinheit
27: Meßplatine
28: Y-Modul-Prozessor
30: RS-485-BUS-Schnittstelle
31: Hauptprozessor

Claims

Wiege- und Verkehrssensor nach der DE 101 05 832 , insbesondere zur statischen und dynamischen Wägung von Fahrzeugen bzw. deren Rad- und Achslasten, mit einem Sensorgehäuse, umfassend eine Bodenplatte (2) und eine Abdeckung (4), die unter Zwischenlage einer Meßanordnung (6) miteinander verbunden sind, wobei die Meßanordnung (6) wenigstens einen Modulträger (7) mit Meßauslegern (11) zur Aufnahme von Scherkräften umfaßt und die Meßausleger (11) jeweils derart mit Sensoren (13,) bestückt sind, daß die über die Meßausleger (11) eingeleiteten Horizontalkräfte und/oder Vertikalkräfte erfaßt werden dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (4) in Material, Stärke, Geometrie und/oder Homogenität derart dimensioniert ist, daß die Meßausleger (11) zumindest weitgehend mechanisch voneinander entkoppelt sind und jeder Meßausleger (11) unter Last eine individuelle Auslenkung erfährt und ein der individuellen Auslenkung jeweils proportionales elektrisches Signal erzeugt.
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messausleger jeweils mit Kraftmessdosen, vorzugsweise mit Dünnfilm-Dehungsmeßzellen bestückt sind, wobei vorzugsweise der Messausleger der der Kraftmessdose zugeordneten Verformungskörper ist.
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessdose feuchtigkeitsdicht gekapselt ist.
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet das die Kraftmessdose jeweils in den Messauleger, vorzugsweise mit einer Einschweißtiefe von kleiner gleich 35 mm, vorzugsweise mittels einem Laserschweißverfahren, eingeschweißt ist
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messausleger jeweils mit Dehungsmessstreifen (13) bestückt sind.
Wiege- und Verkehrssensor nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (2) und die Abdeckung (4) feuchtigkeitsdicht miteinander verbunden sind.
Wiege- und Verkehrssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulträger (7) jeweils stabförmig mit seitlich auskragenden Meßauslegern (11) derart ausgebildet sind, daß der Querschnitt der Modulträger (7) im Bereich der Meßausleger (11) im wesentlichen eine Y-Form aufweist und dieser Bereich jeweils ein Y-Modul (12) darstellt.
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) des Wiege- und Verkehrssensors (1) mit einer oder mehrerer Verankerungsnuten (10) zur Aufnahme des bei bestimmungsgemäßen Einbaus der Modulträger (7) stabförmigen unteren Teils des Modulträgerprofils aufweist.
Wiege- und Verkehrssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiege- und Verkehrssensor derart in den Straßenbelag integrierbar ist, daß bei bestimmungsgemäßen Einbau die Abdeckung (4) p1an mit dem Straßenbelag abschließt und die Bodenplatte satt auf einem Straßenunterbau aufliegt.
wiege- und Verkehrssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (6) zur Ausbildung eines Streifensensors einen oder mehrere in Reihe angeordnete Modulträger (7) oder die Meßanordnung zur Ausbildung eines Matrixsensors mehrere parallel angeordnete Modulträger (7) aufweist.
Wiege- und Verkehrssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wiege- und Verkehrssensor als Flächensensor derart ausgestaltet ist, daß die Abmessungen des Wiege- und Verkehrssensors wenigstens zur Aufnahme eines vollständigen Reifenoder Mehrfachreifenlatsches oder einer gesamten Achsbreite ausreichen.
Wiege- und Verkehrssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modulträger mit einer Meßplatine (27) und einem Modulprozessor (28) verbunden ist.
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Y-Modul (12) vier Dehnungsmeßstreifen-ASIC's (17) umfaßt, wobei jedem DMS-ASIC (17) ein Dehnungsmeßstreifen (13) zugeordnet ist und jedes DMS-ASIC (17) einen AD-Wandler (21), ein elektronisches Filterelement (22), ein Speicherelement (23), einen Prozessor (24) sowie eine BUS-Schnittstelle (25) aufweist und jeder DMS-ASIC (17) auf der Meßplatine (27) des entsprechenden Y-Moduls (12) angeordnet ist.
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche, vorzugsweise vier, einem Y-Modul (12) zugeordnete DMS-ASIC's (17) zu einem Y-Modul-ASIC (18) zusammengefaßt sind.
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere vorzugsweise vier Y-Module-ASIC's (18) mit einem gemeinsamen Verstärker (20'), einem gemeinsamen Prozessor (24'), einem gemeinsamen Filterelement (22') und einem gemeinsamen Speicherelement (23') und einer einzigen BUS-Schnittstelle (25), die vorzugsweise für einen Mehrkanalbetrieb ausgelegt ist, zu einer Y-Modul-Sensoreinheit (26, 26`) zusammengefaßt sind.
Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche einem Y-Modul-Träger (7) zugeordneten Y-Modul-Sensoreinheiten (26) auf der gemeinsamen Meßplatine (27) mit einem gemeinsamen Y-Modulprozessor (28), einem gemeinsamen Spannungsteiler (15') und einer gemeinsamen Spannungsversorgung (16') zu einer einzigen Funktionseinheit zusammengefaßt sind, die über eine BUS-Schnittstelle (30) mit einem Hauptprozessor (31) verbunden sind, der vorzugsweise mit weiteren Funktionseinheiten in Datenverbindung steht.
Wiege- und Verkehrssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptprozessor (31) zusätzlich mit wenigstens einem Temperatursensor und/oder wenigstens einer Induktionsschleife, die in Fahrtrichtung vor und/oder hinter dem Wiege- und Verkehrssensor (1) angeordnet sind, datenverbunden ist.
Wäge- und Verkehrserfassungverfahren, insbesondere zur statischen und dynamischen Wägung von Fahrzeugen bzw. deren Rad- und Achslasten mit einem Wiege- und Verkehrssensor nach Anspruch 1, bei dem die von den räumlich verteilten Meßauslegern (11) der Meßanordnung (6) individuell und zeitversetzt gelieferten Daten jeweils ausgelesen, abgespeichert, verarbeitet und weitergegeben werden, wobei das Auslesen, Abspeichern und Verarbeiten der Daten zumindest im wesentlichen mittels einer Modul-Sensoreinheit (26) erfolgt, die in Verbindung mit weiteren Sensoreinheiten (26') einem Modulträger (7) zugeordnet ist, der mit Dehnungsmeßstreifen (13) oder Kraftmessdosen zu einer Funktionseinheit zusammengefaßt ist, wobei die innerhalb dieser Funktionseinheit digitalisierten Daten über einen BUS an einen Hauptprozessor (31) zur Weiterverarbeitung weitergegeben werden.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die auf jeden Sensor einwirkende Kraft jeweils über der Zeit in Verbindung mit einer Lageinformation des betreffenden Sensors erfaßt und einer weiteren Signalverarbeitung zuführt wird
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren zwischen drei Betriebsarten – statisch – statisch-dynamisch – dynamisch unterscheidet.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren die nicht belasteteten Sensoren oder Sensoreinheiten bzw. Sensoreinheitenarrays erfaßt und von der Weiterverarbeitung ausgeschlossen werden.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach Anspruch 121, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Auswertung der belasteten Sensoren, eine Erfassung der Reifengröße derart erfolgt, daß die Lage der belasteteten und nicht belasteteten Sensoren erfaßt und einer weiteren Auswertung zugeführt wird.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß mittels vor- und/oder nachgestalteter Induktionsschleifen eine Fahrzeugpräsens erkannt und hierdurch der Datenverarbeitungsprozeß aus und/oder eingeschaltet wird.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der in Fahrtrichtung vorderen und/oder hinteren Sensoren eine Fahrzeugpräsenz erkannt wird und in Abhängigkeit von dieser Erkennung der Datenverarbeitungsprozeß des Wäge- und Verkehrserfassungsverfahrens aus und/oder eingeschaltet.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen wenigstens zwei Meßmodi einer Normalmessung und einer Detailmessung unterschieden wird, wobei bei der Normalmessung die einem Reifen zugeordneten Meßwerte integral zusammengefaßt und gespeichert werden und bei einer Detailmessung die Daten der Einzelsensoren erfaßt, gespeichert und weitergegeben werden.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei der statisch und der statischdynamischen Wägung die Meßwerte zu Mittelwerten integral zusammengefaßt und nur diese Mittelwerte weiter verarbeitet werden.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß mittels gemessener Daten, insbesondere der Temperatur, und/oder gespeicherter Daten, insbesondere Kalibrierungstabellen, und/oder aktiver Kalibrierungsvorgänge, insbesondere der Einstellung einer Nullpunktdrift, eine Korrektur der ermittelten Meßwerte erfolgt.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die gepeicherten Meßwerte jeweils mit einem digitalen Zeit- und/oder Ortsstempel versehen werden, dessen Einstellung jeweils nicht im Zugriff steht.
Wäge- und Verkehrserfassungsverfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte von in Fahrtrichtung nebeneinander angeordneten Wiege- und Verkehrssensoren auf etwaig übereinstimmende Zeitstempel überprüft und Ergebnisse mit gleichem Zeitstempel Zur Bestimmung einer Achsbreite und/oder Achslast zusammengefaßt werden.