DE19547968C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Tausalzen auf Fahrbahnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Konzentration von im Wasser gelösten Tausalzen auf den Fahrbahnen von Straßen, Autobah­ nen oder dergleichen von einem fahrenden Fahrzeug aus.

Zur Verhinderung von Glätte auf den Fahrbahnen von Straßen, Autobahnen und anderen Verkehrsflächen werden zur Winterzeit Tausalze eingesetzt. Die Wirkung dieser Tausalze hält nur eine bestimmte Zeit an, da sie in Abhängigkeit von den kli­ matischen Bedingungen, der Verkehrslage und der Fahrbahn selbst verschieden stark abgetragen werden, so daß erneutes Aufbringen erforderlich wird. Um zu vermeiden, daß dabei zu­ viel Tausalz eingesetzt wird, ist es zweckmäßig, den Tau­ salzgehalt auf der Fahrbahn zu messen. Dadurch können sowohl die Kosten für das verbrauchte Tausalz gesenkt als auch die Belastung der Umwelt verringert werden.

Aus der DE 42 05 629 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Licht des sichtbaren oder infraroten Spektralbereichs auf die mit Wasser bedeckte Fahrbahn gerichtet und aus den ge­ messenen Intensitäten mindestens zweier, von der Wasserflä­ che reflektierter, linear polarisierter Lichtanteil der Tausalzgehalt der Wasserschicht ermittelt wird. Die Unter­ schiede in den Intensitäten der senkrecht zueinander, polari­ sierten Lichtanteile werden durch den optischen Brechungsin­ dex des auf der Fahrbahn befindlichen, Tausalz enthaltenden Wassers verursacht, dieser ist wiederum von der Konzentra­ tion des Tausalzes abhängig. Derartige Anordnungen erfordern jedoch eine sehr genaue Justierung der Winkel zwischen der Sende- und der Empfangsvorrichtung und der Fahrbahn und ergeben schon bei kleinsten Winkeländerungen stark veränderte Meßergebnisse. So müssen beispielsweise die Winkel zur Fahr­ bahn auf 0,1° genau eingehalten werden, wenn die Konzentra­ tion des Tausalzes auf 0,4 Mol/l genau bestimmt werden soll. Derartige Vorrichtungen können daher nur als stationäre Anlagen eingesetzt werden. Bei der Montage der Vorrichtung an einem Fahrzeug können die Winkel zur Fahrbahn während des Fahrens nicht mit der geforderten hohen Genauigkeit eingehal­ ten werden.

Weiterhin ist aus der DE 38 24 840 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem das Tausalz enthaltende Wasser durch ein Rad von der Fahrbahn aufgenommen und von diesem weiter auf ein Meßrad übertragen wird. An diesem Meßrad wird die Leitfähigkeit der Flüssigkeit gemessen und daraus deren Tausalzkonzentration ermittelt. Dieses Verfahren liefert nur dann zuverlässige Ergebnisse, wenn die Dicke der Flüssigkeitsschicht auf dem Meßrad sehr konstant gehalten wird, was sich in der Praxis als äußerst schwierig erwiesen hat. Außerdem folgt bei diesem Verfahren der am Meßrad ermittelte Wert nicht ausreichend schnell der Veränderung der Konzentration des Tausalzes auf der Straße, weil die Laufflächen des Lauf- und Meßrades eine Speicherwirkung ausüben.

In der DE 32 41 285 C1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Flüssigkeit von der Fahrbahn abgesaugt, aus dem Luftstrom abgeschieden und einer Meßkammer zugeführt wird, in der mittels Elektroden deren Leitfähigkeit gemessen wird. Dieses Verfahren liefert zwar zuverlässige Meßergebnisse der Leitfähigkeit und damit der Konzentration der Flüssigkeit, jedoch nur über größere Straßenabschnitte gemittelt und mit so hohen Verzögerungszeiten, daß eine Steuerung der Steuer­ vorrichtung mit den Ergebnissen der Messungen nicht oder nur bei äußerst niedrigen Geschwindigkeiten möglich ist. Auch bedarf es einer ausreichenden Flüssigkeitsmenge auf der Straße, um die Meßkammer in ausreichend kurzer Zeit zu füllen beziehungsweise ihren Inhalt auszutauschen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von im Wasser gelösten Tausal­ zen auf Fahrbahnen zu entwickeln. Der Betrieb soll von einem fahrenden Fahrzeug aus möglich sein und auch bei kleinen Flüssigkeitsmengen auf der Fahrbahn zuverlässige und sich in kurzen Zeitabständen erneuernde Meßergebnisse liefern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 4 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 3 geben besonders vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Prinzip, im Saug­ kanal einer Ansaugvorrichtung die Stirmseite eines Lichtwel­ lenleiters so anzuordnen, daß sie ständig von Tropfen der von der Fahrbahn abgesaugten, Tausalz enthaltenden Flüssig­ keit getroffen wird. Die dabei entstehenden Rückreflexionen in den Lichtwellenleiter hängen vom Brechungsindex der Flüs­ sigkeit, in bestimmten Fällen auch von Form und Lage der Tropfen ab. Der zeitliche Verlauf der Reflexionen wird mit elektronischen Mitteln gemessen und daraus auf den Bre­ chungsindex der Füssigkeit und deren Tausalzkonzentration geschlossen. Da die Flüssigkeitstropfen auf der Stirnseite 9 des Lichtwellenleiters durch den Luftstrom im Saugkanal ständig bewegt und in unregelmäßiger, statistisch bestimmter Folge durch neue ersetzt werden, liefern sie ständig neue Meßwerte, die dem aktuellen Zustand auf der Fahrbahn entsprechen. Die Häufigkeit, mit der neue Tropfen auf die Strinseite des Lichtwellenleiters treffen, wird ebenfalls gemessen und als Maß für die Menge der auf der Fahrbahn befindlichen Flüssigkeit genommen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens,

Fig. 2 einen Wassertropfen auf der Stirnseite des Sensors mit dem Lichtwellenleiter,

Fig. 3 die Abhängigkeit der Intensität des an der Stirnseite eines Lichtwellenleiters reflektierten Lichts von der Konzentration des Tausalzes im Flüssigkeitstropfen,

Fig. 4 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Intensität des reflektierten Lichts.

In der in Fig. 1 dargestellten Ansaugvorrichtung 2, die von einem nicht dargestellten Fahrzeug in an sich bekannter Wei­ se über die Fahrbahn 1 geführt wird, befindet sich der Sen­ sor 3 schräg zum Luftstrom angeordnet. In die Stirnfläche 3' des Sensors ist der Lichtwellenleiter 4 so eingearbeitet, daß die Stirnfläche eben ist. Der Lichtwellenleiter 4 ist über eine optische Steckverbindung 9 mit einem Y-Abzweig 7 verbunden. An den beiden anderen Enden des Y-Abzweigs befinden sich der Lichtsender 5 und der Lichtempfänger 6. Im gemeinsamen Zweig 7' des Y-Abzweigs ist ein Mantel modenabstreifer 8 angebracht. Der elektrische Ausgang des Lichtempfängers 6 ist an den Eingang der Auswerteelek­ tronik 10 angeschlossen, deren Ausgang zur Anzeige 11 führt. Eine optische oder elektrische Verbindung 12 zwischen Licht­ sender 5 und der Auswerteelektronik 10 kann für die Gewin­ nung eines Referenzsignals vorgesehen sein, und der Ausgang der Anzeige 11 kann mit einer Steuerleitung 13 zur Steuerung der Streueinrichtung des Fahrzeugs versehen sein.

Durch den Lichtsender 5, der zweckmäßig eine Halbleiter- Laserdiode enthält, wird Licht in den Y-Abzweig 7 einge­ strahlt, von dem ein Teil, im günstigsten Fall die halbe Leistung in dessen gemeinsamen Zweig 7' gelangt. Nur ein geringer Lichtanteil, bei guter technischer Ausführung des Y-Abzweigs der Anteil 10 ^-5, gelangt in den Lichtempfänger 6. Das Nutzlicht wird über die Lichtwellenleiter-Steckverbin­ dung 9 in den Lichtwellenleiter 4 geleitet, der in den Sen­ sor 3 eingelassen ist und dessen Stirnseite mit der Stirn­ fläche 3' des Sensors eine völlig ebene Fläche bildet. Durch den Luftstrom in der Ansaugvorrichtung 2 wird Flüssigkeit, die sich auf der Fahrbahn 1 befindet, nahezu restlos anqe­ saugt und in feinen Tröpfchen auf die Stirnfläche 3' des Sensors geschleudert. Diese Tröpfchen haben verschiedene Größe und Lage und werden unter der Wirkung des Luftstroms auf der Stirnfläche 3' entlangbewegt und ständig durch neue ersetzt, sofern noch Flüssigkeit auf der Fahrbahn vorhanden ist. Um dieses Verhalten zu verstärken, können in der Ansaugvorrichtung zusätzlich Luftleitbleche angeordnet sein. Auch kann eine Sprühvorrichtung vorhanden sein, mittels der durch Einsprühen von sauberem Wasser in den Ansaugkanal Ver­ schmutzungen auf der Sensorfläche 3' wirkungsvoll abgewa­ schen werden können und erforderlichenfalls eine Eichung ermöglicht wird.

In Fig. 2 ist schematisch die Lage eines Flüssigkeitstrop­ fens 14 auf der Stirnseite 3' des Sensors dargestellt. Das Licht gelangt im Kern 4' des Lichtwellenleiters 4 an dessen Stirnfläche. Da das Glas des Kerns 4' und die Flüssigkeit andere optische Brechungsindizes n besitzen, entsteht an dieser Stelle eine Reflexion von Licht in den Lichtswellen­ leiter zurück um den Faktor R. Für senkrecht zu Grenzflächen auftreffende Lichtstrahlen gilt nach den Fresnelschen For­ meln für den Reflexionsfaktor R:

R = Φ_r/Φ_o [(n₁ - n₂)/(n₁ + n₂)]².

In diesem Fall ist für n₁ der Brechungsindex des Glases, beispielsweise n = 1,45 und für n₂ der des Flüssigkeitstrop­ fens einzusetzen. Letzterer ändert sich mit der Konzentra­ tion von Tausalz in der Flüssigkeit im Bereich von 1,33 (Wasser) bis 1,37 (4 Mol Natriumchlorid in 1 Liter Wasser). In Kurve 15 von Fig. 3 ist der Verlauf des Reflexionsfak­ tors R in Abhängigkeit von der Konzentration c von Natrium­ chlorid dargestellt. Das reflektierte Licht Φ_r, dessen Intensität demzufolge ein Maß für die Konzentration von Tau­ salz ist, gelangt über den Lichtwellenleiter 4 und die Steckverbindung 9 in den gemeinsamen Zweig 7' des Y-Abzweigs. Dort werden Anteile, im günstigsten Fall je die Hälfte in beide Zweige des Abzweigs gestrahlt, aber nur das in den Lichtempfänger 6 gelangende Licht wird in ein elek­ trisches Siganl umgewandelt und dieses in die Auswertelek­ tronik 10 weitergeleitet.

Das restliche Licht, das aus dem Lichtwellenleiter 4 aus­ tritt, gelangt an die Grenze des Flüssigkeitstropfens 14, wo wiederum ein Anteil Φ_s reflektiert wird und der Rest Φ₁ in die Umgebung austritt. Der Anteil Φ_s kann für nahezu senk­ rechtes Auftreffen ebenfalls nach der Fresnelschen Formel bestimmt werden, wobei aber als n₁ der Brechungsindex der Flüssigkeit und als n₂ der der umgebenden Luft, also n₂ = 1, zu setzen ist. Die Größe dieses Reflexionsfaktors ist als Kurve 16 in Fig. 3 eingetragen und liegt nahezu um den Faktor 10 über dem für Φ_r maßgeblichen Reflexionsfaktor in Kurve 15.

Wenn der Flüssigkeitstropfen 14 zentrisch über dem Kern 4' des Lichtwellenleiters steht, so wird der gesamte Anteil Φ_s in diesen zurückreflektiert, dabei jedoch in der Flüssigkeit selbst und durch die Fresnelsche Reflexion beim Wiederein­ tritt in den Lichtwellenleiter etwas gedämpft. Das dann im Lichtempfänger 6 durch Φ_s entstehende Störsignal würde das von Φ_r herrührende Nutzsignal völlig überdecken und eine Auswertung bezüglich der Konzentration des Tausalzes unmög­ lich machen. Wenn jedoch, wie in Fig. 2 dargestellt, der Flüssigkeitstropfen 14 nicht zentrisch über dem Lichtwellen­ leiter-Kern 4' steht, wird das Licht Φ_s an der Tropenober­ fläche schräg reflektiert und gelangt nicht oder nicht voll­ ständig in den Kern. In Abhängigkeit vom Durchmesser d des Kerns, dessen numerischer Apertur A_N und der Höhe h des Tropfens existiert ein Grenzwinkel α, bei dem kein Anteil des Störlichts Φ_s in den Kern gelangt. Dieser Winkel erhält beispielsweise für d = 50 µm, h = 0,3 mm und A_N = 0,2 den Wert α = 16°, wird also schon bei leichtem Versatz der Trop­ fenmitte gegenüber der Mitte des Lichtwellenleiter-Kern 4' erreicht. Dabei kann aber das Störlicht noch in dem Mantel des Lichtwellenleiters 4 gelangen, was einen Mantelmodenab­ streifer 8, zweckmäßig im gemeinsamen Zweig 7' des Y- Abzweigs, erforderlich macht. Wenn die Stirnseite des Licht­ wellenleiters nicht von Flüssigkeit benetzt ist, so entsteht eine gleichmäßige Reflexion um den Faktor R = 0,034, der als Gerade 17 in Fig. 3 eingetragen ist.

In Fig. 4 sind schematisch einige Fälle für den zeitlichen Verlauf der Lichtintensität Φ am Lichtempfänger 6 und damit des äquivalenten elektrischen Signals an dessen Aus­ gang, dargestellt. Im Beispiel werden die Signale durch fol­ gene Zustände am Sensor 3 bewirkt:

• 1. A - keine Flüssigkeit, höchster Reflexionsfaktor;
• 2. B - Tropfen 14 wandert außermittig über den LWL-Kern 4', Φ_s gelangt nicht in den Kern, aber dieser wird auch nicht vollständig abgedeckt;
• 3. C - Tropfen 14 wandert mittig über den Kern 4', am vorderen und hinteren Rand gelangt nur Φ_r in den Kern, in der Mit­ telage auch Φ_s. Das erreichte Minimum Min₁ entspricht der Konzentration c₁;
• 4. D - Tropen 14 wandert außermittig über den Kern 4' und bedeckt ihn zeitweise vollständig, der Grenzwinkel α wird ständig überschritten, der reflektierte Anteil Φ_r bestimmt das Minimum Min₂. Dieses liegt tiefer als Min₁, da die Flüssigkeit eine höhere Konzentration c₂ hat.

Ein absolutes Minimum entsteht nur, wenn ausschließlich der Lichtanteil Φ_r in den Lichtwellenleiter-Kern 4' reflektiert wird und muß im Bereich für R = 0,003 bis 0,0035 liegen. Werden Monomode-Lichtwellenleiter eingesetzt, so spielen Form und Lage des Tropfens praktisch keine Rolle mehr. Beim Eintritt des Lichts in den Tropfen und bei dessen Reflexion an der Außenhülle des Tropfens vollziehen sich offenbar Modenwandlungen, so daß auch bei zentrischer Lage des Trop­ fens kein Licht in den Kern 4' des Lichtwellenleiters ein­ strahlen kann. Das Licht Φ in Fig. 4 schwankt dann nur zwi­ schen dem Maximalwert A und dem für die jeweilige Konzentra­ tion von Tausalz im Flüssigkeitstropfen charkteristischen Minimum.

In der elektronischen Auswerteschaltung 10 wird dieser Wer­ tebereich herausgefiltert und die absolute Höhe der gemes­ senen Minima ausgewertet, die dann ein Maß für die Tausalz­ konzentration in der Flüssigkeit darstellt. Weiterhin wird in der Auswerteschaltung 10 die Anzahl der auftretenden Minima, unabhängig von ihrer Größe, pro Zeiteinheit ermit­ telt. Diese ist ein Maß für die Anzahl der auftreffenden Tropfen und wird durch eine im praktischen Betrieb ermit­ telte und in der Auswerteschaltung gespeicherte Eichkurve in einen elektrischen Wert für die Flüssigkeitsmenge auf der Fahrbahn umgewandelt. Dieser kann noch in einer entspre­ chenden Schaltung mit dem Wert für die Tausalzkonzentration multipliziert werden und ergibt einen Wert für die Salzmenge pro Fläche. Die Werte werden in der Anzeige 11 für den Bediener dargestellt, außerdem kann eine Steuerleitung zum Steuergerät für die Streueinrichtung des Fahrzeugs vor­ gesehen sein, die vorzugsweise den Wert für die Salzmenge pro Fläche weitergibt.

Das Verfahren funktioniert sowohl, wenn der Lichtsender 6 kurze Lichtimpulse abgibt als auch mit Dauerlicht. Der klei­ ne Wert des reflektierten Lichtsignals Φ_r erfordert, daß die Übersprechdämpfung des Y-Abzweigs 7 und die Reflexionen des optischen Steckverbinders 9, der ein Auswechseln des Sensors ermöglicht, deutlich kleiner als der der minimale, für die Tausalzkonzentration charakteristische Reflexions­ faktor bleiben müssen. Beide sollten jeweils unter dem Fak­ tor 10^-4 liegen. Außerdem ist es zweckmäßig, der Auswerte­ schaltung 10 über die Verbingung 12 ein Referenzsignal zur absoluten Höhe des in den Y-Abzweig eingestrahlten Lichts zu übermitteln, um Meßfehler durch Lichtschwankungen zu ver­ meiden. Zweckmäßig kann dieses gleich aus der in vielen Laserdioden eingebauten Feedback-Diode entnommen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Konzentration von im Wasser gelösten Tausalzen auf den Fahrbahnen von Straßen, Autobahnen oder dergleichen von einem fahrenden Fahrzeug aus, dadurch gekennzeichnet, daß (2) die Stirnseite eines Licht führenden Lichtwellenleiters (4) derart angeordnet ist, daß sie ständig von Tropfen des Tausalz enthaltenden Wassers beaufschlagt wird und daß der dabei in den Lichtwellenleiter zurückreflektierte Lichtanteil in seinem zeitlichen Verlauf gemessen und elektrisch ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zeitlichen Verlauf der Lichtreflexionen der für die Reflexion an einem Flüssigkeitstropfen zutreffende Amplitudenbereich herausgefiltert und aus den auftretenden kleinsten Werten die Tausalzkonzentration ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zeitlichen Verlauf der Lichtreflexionen die Anzahl der Minima, die wesentlich unter den Werten für die Reflexion an Luft liegen, in bestimmten Zeitabschnitten gezählt und als Maß für die Flüssigkeitsmenge auf der Fahrbahn genommen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit folgenden Merkmalen:

• 1. ein Lichtsender (5) und ein Lichtempfänger (6) sind an die beiden Zweige eines Y-Abzweigs (7) angeschlossen,
• 2. der gemeinsame Zweig (7') des Y-Abzweigs ist mit einem Mantelmodenabstreifer (8) versehen und über eine optische Steckverbindung (9) mit einem Ende eines Lichtwellenleiters (4) verbunden,
• 3. das andere Ende des Lichtwellenleiters (4) ist in einen Sensor eingesetzt, dessen eine Stirnfläche (3') mit dem Ende des Lichtwellenleiters (4) eine ebene Fläche bildet,
• 4. der Sensor (3) ist im Saugkanal einer Ansaugvorrichtung (2) angeordnet, so daß seine Stirnfläche (3') und das Ende des Lichtwellenleiters (4) ständig von Tropfen des von der Fahrbahn (1) abgesaugten, Tausalz enthaltenden Wassers getroffen wird,
• 5. eine Auswerteschaltung (10), die an den Ausgang des Lichtempfängers (6) angeschlossen ist, enthält elektrische Mittel zur Auswahl eines vorgebenen Amplitudenbereichs und zur Messung des kleinsten Wertes in diesem Amplitudenbereich,
• 6. die Auswerteschaltung (10) enthält weiterhin Mittel zum Auszählen aller in einem bestimmten Zeitabschnitt auftretenden Minima.