DE2244166A1

DE2244166A1 - Verfahren und vorrichtung zur feststellung verschiedener zustaende

Info

Publication number: DE2244166A1
Application number: DE2244166A
Authority: DE
Inventors: Joseph Gerardus De Koning; Wilson Wescoat Overall
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1971-09-09
Filing date: 1972-09-08
Publication date: 1973-03-15
Also published as: NL7212122A; JPS4837180A; US3836846A; GB1364139A

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAF¹F

PATENTANWÄLTE
β MÜNCHEN SO, MAUERK1RCHERSTR. 45

, Dr. Berg Dipl.-Ing. Stopf, 8 München 80, Mauerkircherstraße 45

Ihr Zeichen Ihr Schreiben Unser Zeichen 22 [Oj Datum ö SeOt 197

Anwaltsakte Nr.22 763

Monsanto Company
St, Louis, Missouri / USA

Verfahren und Vorrichtung zur Peststellung verschiedener Zustände

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um festzustellen, ob Eis, Wasser oder Matsch auf einer Oberfläche, insbesondere auf dem Boden vorhanden ist, wobei Signale mit Wellenlängen im Mikrowellenbereich verwendet werden.

Die Sicherheit der Beförderung auf"der Erde und in der Luft hängt in hohem Maß von dem Zustand der Straßen- sowie der

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Π (M 12 W) 4> /0 43 (M 70 43) 48 3310 (98 3310) Telegramm·) lERGSTAPFPATENT MBndnn TELEX OS 24 540 BEXG d lenkt laytmch· Vtrtintbank MOnchtn 453100 Poiricfctck. MOndim «53 43

Qftl&NAt, INSPECTED

Land- und Startbahnoberflächen sowie davon ab, daß den Kraftfahrern oder Piloten dieser Zustand bekannt ist. Dünne Eisschichten stellen eine beoondere Gefahr dar, da sie nicht ohne weiteres mittels optischer Einrichtungen feststellbar sind.und sich schnell bei Temperaturschwankungen bilden und schnell wieder verschwinden können. Straßenbrücken bringen weitere, örtlich begrenzte Schwierigkeiten dadurch mit sich, daß sie früher und öfter als die Fahrbahnen der Zufahrtsstraßen mit Reif oder Eis bedeckt sein können.

Äußerst wichtig ist auch, daß die Lande- und Startbahnen in den Flughäfen während' des Flugbetriebs ständig frei von Eis sind. Auf den Flughäfen müssen" daher WartungsIngenieure bei kaltem unfreundlichem und unbeständigem Wetter die Lande- und Startbahnen häufig überprüfe^, damit eisschmelzende Chemikalien angewendet werden können, wenn Eis festgestellt wird öder die Gefahr einer Eisbildung besteht. Bei sehr kaltem Wetter kann das mittels Chemikalien geschmolzene Eis wieder gefrieren, wenn die Temperatur abnimmt wodurch dann wieder die ursprüngliche, durch die Eisbildung hervorgerufene Gefahr besteht, und eine zusätzliche Überwachung sowie ein Eingreifen des Wartungspersonals erforderlich ist.

Auch der für Straßen zuständige Ingenieur ist aus Mangel an Information ständig über den Straßenzustand im Ungewissen, da eine Überwachung eines ausgedehnten Straßennetzes unmöglich

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INSPECTED

ist; er muß sich daher auf allgemeine warnende Anzeichen -verlassen, ohne die Kraftfahrer bezüglich möglicherweise glatter.Fahrbahnoberflächen auf Brücken und Straßenüberführungen hinzuweisen, und zu alarmieren. Untersuchungen haben aber gezeigt, daß derartige allgemeine Warnungen von einem Großteil der Kraftfahrer nicht beachtet werden, daß aber einer genau lokalisierten, bestimmten Warnung ein großes Vertrauen entgegengebracht wird und die Kraftfahrer an solchen Stellen tatsächlich mit erhöhter Aufmerksamkeit vorbeifahren.

Auch viird allgemein anerkannt, daß Geräte und Instrumente erforderlich sind, um das Vorhandensein von Eis auf einer Straßenoberfläche bestimmt und zuverlässig festzustellen, um entweder ein Warnsignal auszulösen oder um den Wartungsmanschaften ein Zeichen zu geben, damit _eir- schmelzende Chemikalien eingesetzt werden; es sind auch bereits mehrere Lösungen zur Schaffung eines solchen Geräts vorgeschlagen worden, Der übliche Lösungsweg besteht darin, unmittelbar Messungen der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Fahrbahntemperatur, der Nässe der Fahrbahnoberfläche, der Lufttemperatur und der Luftfeuchtigkeit durchzuführen und daraus dann vorherzusagen, ob Eis auf der Fahrbahn vorhanden sein kann oder nicht. Gründlichere Verfahren, die zur· Feststellung und Bestimmung der Zustände der Fahrbahnoberflächen vorgeschlagen worden sind, schließen die unmittelbare Messung des Reibungskoeffizienten an der Fahrbahnoberfläche,eine Änderung

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ORIGINAL INSPECTED

des Wärmeübertragunswerts, der Phasenänderungen des Wassers zugeordnet ist, eine Änderung der Resonanzfrequenz eines in Schwingung versetzten Elemente, wenn dessen Masse durch Eisbildung größer wird, eine* Änderung der Kapazität und des Verlustfaktors der Kondensator, wenn dessen Luftdielektrikum durch die Luft, die Schnee oder llassertröpfcheri enthält, geändert wird, sowie die Licht- oder Gammastrahlungsstreuung von einer Straßendecke ein,wenn auf der "Straßenoberflache V/asser, Eis oder Schnee vorhanden ist.

Die meisten der bisher vorgeschlagenen Einrichtungen sind aber für einen allgemeinen Einsatz auf Straßen und Start- und Landebahnen wegen ihrer geringen Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit, wegen des Mangels an Robusuieit und Widerstandsfähigkeit bei eine Anbringung oder Aufstellung im Freien oder wegen verhältnismäßig hoher Kosten überhaupt nicht geeignet. Damit eine solche Einrichtung in großem Umfang auf Straßen und auf Flughäfen eingesetzt werden kann, muß die Einrichtung in getrennten, abgesonderten Dereichen oder Zonen eingebaut oder aufgestellt werden könnenJ weiterhin muß sie verhältnismäßig wartungsfrei sein und darf nicht durch wildri ge Umgebungsbedingungen und Verhältnisse beeinflußt v/erden, wobei hiermit die verschiedensten V/itterungsverhältnisse, durch vorbeifahrende Fahrzeuge verursachte Schwingungen, Belastungen und Beanspruchungen sowie Beeinflussungen durch eine direkte Berührung mit Sand, Staub, Schmutz, Salz und insbesondere ! ^e^^Rschmelzende Chemikalien eingeschlossen sind, die

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BAD ORIGINAL

im allgemeinen zur Preihaltung der Straßen sowie ^der L Startbahnoberflächen verwendet werden.

Die Erfindung schafft daho¹ eine Vorrichtung, die für einen allgemeinen Einsatz auf Straßen sowie Lande- und Startbahnen geeignet, ist, um das Vorhandensein von Eis, Matsch oder Nässe festzustellen und eine Eisbildung vorherzusagen. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden^um das Vorhandensein von Eis und Nässe auf einer Fahrbahndecke oder auf einer anderen Oberfläche festzustellen, wobei Signale mit Wellenlängen im Mikrowellenbereich verwendet werden.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung v/erden Mikrovrellen über einen Hohlleiter auf die Unterseite, eines Fenster gerichtet, das im wesentlichen für Mikrowellen durchlässig und genau bündig mit der Straßenoberfläche oder einer anderen zu überwachenden Oberfläche eingebaut ist. Innerhalb bestimmter, angemessener Grenzen wird das Vorhandensein und die Dicke einer Eis- oder Wasserschicht auf der Oberfläche des Fensters durch Messen der von dem Fenster reflektierten Mikrowellenenergie festgestellt und bestimmt. Die reflektierte Energie kann zum Auslösen einer Signaleinrichtung, beispielsweise eines Warnzeichens, oder zum Eiri³*¹^² von ^eis schmelzenden Mitteln verwendet werden.

Die gemäß der Erfindung verwendete Detektoreinrichtung weist einen Sensor, der mit herkömmlichen Mikrowellenbauelementen

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einschließlich eines Mikrowellengenerators sowie einer Richtungsleitung, eines Hohlleiterkoppler3, eines Detektors für reflektierte Energie und eines Fensters aus einem für Mikrowellcnenergie im wesentlichen durchlässigen Materials aufgebaut ist, und eine Signaleinrichtung zur Umwandlung des reflektierten, mittels des Sensors erzeugten Energiesignals in ein den Oberflächenzustand wiedergebendes Signal auf.

Der ^Sensor kann in Form einer kleinen Baugruppe aufgebaut sein, die unmittelbar in die Straßenoberfläche eingebaut werden kann und durch die Umgebung oder durch vorbei·-oder darüberfahrende Fahrzeuge nicht beeinflußt wird. Die Energieversorgungs- und Signaleinrichtung kann fern von dem Sensoreinbau untergebracht sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wozu auf die beigefügten Zeichnungen_vbezug genommen wird. Es zeigen:

Fig.l eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausfüh-

/der

rungsform der Erfindung zugrundeliegenden Detektoreinrichtung, in der die wesentlichen Elemente dargestellt sind;

Fig.2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der in Fig.l wiedergegebenen Einrichtung, in der verschiedene Einrichtungen zur Messung der Energie des reflektierten Signals dargestellt sind;

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Fig.3 eine schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung der in der Fig.l dargestellten Einrichtung, bei ■ der das Verhältnis von reflektierter Energie zu ein-, fallender Energie zur Anzeige des Zustandes der jewei- ' liegen Oberfläche verwundet ist;

Fig.k eine schaubildliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform der in Fig.3 dargestellten Einrichtung mit verschiedenen Einrichtungen zur Messung der Energie des erzeugten Signals;

Fig.5 eine schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung der der Erfindung zugrundeliegenden Einrichtung, mit der die Temperatur der Oberfläche gemessen wird, und in der Einrichtungen zur Erwärmung des Fenster über den Gefrierpunkt des Wassers vorgesehen sind; -

Fig.6 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der in Fig.5 wiedergegebenen Einrichtung, in der zwei Fenster, und zwar ein erwärmtes und ein nicht erwärmtes, sowie ein magisches T bzw. eine angepaßte Differntialverzweigung verwendet ist, um den Unterschied zwischen den von jedem Fenster reflektierten Signalen und die Summe dieser Signale zu bestimmten;

Fig.7 eine schematische Darstellung des zusammengebauten Sensors, der in eine Straße eingebaut und mittels elektrischer. Leitungen mit einer Energiequelle und mit Ausgangssignale* liefernden, fern von dem Sensor untergebrachten Einrichtungen angeschlossen ist; und

Fig.8 eine Darstellung einer charakteristischen Eichkurve, in der die Beziehung zwischen der Art und Dicke der

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Schicht auf dem Fenster und dem Wert der reflektierten Mikrowellenenergie dargestellt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Mikrowellen über einen Richtungskoppler auf ein durchlässiges Fenster gerichtet, das bündig mit der zu überwachenden Oberfläche eingebaut ist. Die Mikrowellen werden teals von dem Fenster durchgelassen und gehen in'der Atmosphäre verloren, und v/erden teilweise reflektiert. Der Umfang, in dem Mikrowellenenergie reflektiert wird, Wngt von-rdera Zustand der Oberfläche des Fensters ab. Wenn das Fenster klar ist, wird im wesentlichen alle Energie durchgelassen, während wenn das Fenster mit einer Eisschicht oder mit Wasser bedeckt ist, ein beträchtlicher Teil der einfallenden Energie reflektiert wird; der Anteil an reflektierter Energie hängt hierbei von der Dicke und der Art der Schicht ab.

In Fig.l ist eine schematische Darstellung der hauptsächT liehen Element« der Vorrichtung wiedergegeben,anhand denen die grundsätzliche Arbeitsweise der Vorrichtung erläutert wird. In einem Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowellen sind an eine Ferrit-Richtungsleitung 12 angekoppelt, die vorgesehen ist, um den Generator vor reflektierten Wellen zu schützen und um trotz Veränderungen in dem reflektierten Signal sowie anderer starker Belastungsschwankungen den Energiepegel und die Frequanz des erzeugten Signals konstant zu halten. Mittels eines Hohlleiters 13 ist Ferrit-Richtungs·

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leitung an ein Fenster lh angekoppelt, das aus dielektrischem Material hergestellt sein kann, das für Mikrowellen-' energie im wesentlichen durchlässig ist, wie beispielsweise Polymere von Tetrafluoräthylen, Copolymere von Hexafluorpropylen und von Tetrafluoräthylen, Polyäthylen und Rexolit; das zuletzt erwähnte Material Rexolit ist ein vernetztes Styrol .Copolymer mit .-einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 2,5 bei einer Frequenz von 10,000 GHz; Rexolit wird von der American Enka Corporation, Brand-Rex Divixion, in Williamattic, Connecticut hergestellt und für eine Verwendung im Mikrowellensystemen angeboten. Der Hohleiter ist in der Figur als gerades Teil dargestellt, er ist aber nicht notwendigerweise auf diese Form beschränkt, sondern es können auch, wenn es auf Grund des Aufbaus notwendig oder vorteilhaft ist, Kniestücke oder andere gebogene Teile verwendet werden.

Die an dem Fenster reflektierte Mikrowellenenergie wird durc'h den Hohlleiter JL 3 zurückgeleitet? und trifft auf den Richtungskoppler 15 auf, der aus dem Haupthohlleiter einen kleinen Teil der reflektierten Energie abzweigt. Ein an dem Richtungskoppler 15 angebrachter Kristallverstärker wird durch die reflektierte Energie erregt; der Ausgang der Kristallgleichrichters wird mittels eines Verstärkers 17 verstärkt und betätigt eine Signaleinrichtung 18₃ die ein Amperemeter, dass rößenmäß^g den Wert der reflektierten Energie wiedergibt, ader eine Warneinrichtung, ein Zeichen oder eine andere Signaleinrichtung sein kann_s die nur betätigt

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wenn die reflektierte Energie einen vorbestimmten Pegel überschreitet, wodurch ein gefährlicher Oberflächenzustand angezeigt wird.

Bei,dem Verfahren gemäß der Erfindung sowie an der in Fig.l dargestellten Vorrichtung können zahlreiche Veränderungen, Abwandlungen ja sogar Verbesserungen vorgenommen werden. Beispiele für mehrere mechanische und elektrische , im Rahmen der Erfindung liegende Ausführungen sind in den Piß.2 bis 6 dargestellt. Die Ausfilhrungsbeispiele sowie die folgende Beschreibung der Fig.2 bis 6 dient nur dam besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Betriebsweise sowie der Erläuterung der mit ihr erzielbaren Vorteile. Die Erfindung ist daher durch die in der Beschrßibung angegebenen Einzelheiten in keiner Weise beschränkt, es können vielmehr ohne weiteres weitere Abwandlungen vorgenommen werden.

Die in Fig.2 wiedergegebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig.l wiedergegebenen Ausführungsform grundsätzlich dadurch, daß eine Sonde und ein Detektor 19 verwendet sind, um Änderungen in stehenden Wellen als eine Anzeige von Veränderungen in der reflektierten Energie zu messen .Bei dieser Ausführungsform erzeugt das reflektierte Signal stehende Wellen in dem Hohlleiter, und die Phase und die Amplitude dieser Wellen hängt von der Größe der reflektierten Signalenergie ab. Ein Mikrowellendetektor, wie eine Sonde und ein Kristall·* gleichrichter, können in dem Hohlleiter eingebaut oder an

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$, irgendeinem Punkt angekoppelt sein, wo stehende Wellen vor- ^■handen sind. Der Ausgang des Detektors wird, wie in Fig.l, . einem Verstärker und einer Signaleinrichtung zugeführt. Die Sonde und der Gleichrichter 19.können irgendeine unter den zahlreichen bekannten Einrichtungen sein, um Mikrowellen in einem Hohlleiter festzustellen, beispielsweise eine Schleife oder ein Loch, an die eine entsprechende Art von Gleichrichtern angekoppelt ist. ■ , ·

In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, mit der der Oberflächenzustand als Funktion des Verhältnisses der reflektierten zu der auffallenden Energie bestimmt wird. Der Vorteil dieser Einrichtung gegenüber den 5η den Fig.l und 2 dargestellten Einrichtungen besteht darin, daß eine Änderung im Ausgang des Mikrowellengenerators automatisch ausgeglichen wird. Durch die Vorrichtung ist damit auch ein bisher fehlendes sicheres VJarnsystern auch für die Fälle geschaffen, in denen der Generator ausfällt oder die Stromversorgung unterbrochen wird. In Fig.3 sind die von einem Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowellen an eine Ferrit-. Richtungsleitung 12 angekoppelt, die ihrerseits mittels eines Hohlleiters 13 an das Fenster 1Ί angekoppelt ist. Die einfallendne Mikrowellen, die von der Ferrit-Richtungsleitung zu dem Fenster laufen, gelangen zu einem Richtungskoppler 20, wo ein,kleiner Anteil der Energie ausgeblended wird und einen Kristallgleichrichter 21 betätigt. Die reflektierte Mikrowellensignalenergie," die der Hohlleiter 13 zurückleitet, gelangt zu einen Richtungskoppler 15. wo ein kleiner Anteil

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IMSPECTEO

der Energie ausgeblended und mit ihr ein Kristallgleichrichter 16 betätigt wird. Die Ausgänge der Kristallgleichrichter 16 und 17 werden einem \^erstärker-Integrator 22 zugeführt, wo die entsprechenden Ausgangspegel verglichen werden; das sich ergebende Verhältnis wird dann mittels einer Signaleinrichtung 18 angezeigt.

Eine weitere, abgewandelte, in Fig.*) dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich hauptsächlich von der der Fig.3 durch Errichtungen, um die Pegel der einfallenden und reflektierten Energie zu bestimmen. In Fig.^ ist die Richtungeieitunß 12 der Fig.3 durch einen Zirkulator ?J\ mit drei öffnungen ersetzt; ein .Kristalldetektor 23 ißt an dem Hohlleiter an einer zwischen dem Mikrowellengenrator 11 und dem Zirkulator liegenden Stelle angebracht. Der Kristalldetektor 23 schafftϊ>eine direkte Messung des Mikrowellengeneratorausgangs. Der Zirkulator wirkt als Isolator, um den Kristalldetektor 23 und den Mikrowellengenerator 11 vor der reflektierten Signalenergie zu schützen, indem die gesamte reflektierte Energie durch die Seitenöffnugn, wo ihre Intensität mittels des Kristalldetektors 25 gemessen wird, vjirksam geleitet ist. Der Ausgang der Kristalldetektoren 23 und 25 wird einem'Verstärker-Integrator zugeführt, der eine Signaleinrichtung 18 betätigt, wie in Fig.3 beschrieben worden ist.

Die in Fig.5 wiedergegebene Ausführungsform weist eine weitere Veränderung und Verbesserung gegenüber der Fig.3

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BAD ORiGlNAL

auf; sie weist eine Einrichtung zur Messung der Temperatur des Fensters sowie eine weitere Einrichtung zur Erwärmung des Fensters auf eine Temperatur auf, die über dem normalen Gefrierpunkt von-Wasser liegt. Mit dieser Vorrichtung ist eine Möglichkeit geschaffen, festzustellen, ob das Signal infolge des Vorhandenseins von Eis oder Wasser auf der Oberfläche des Fenstern reflektiert wird. In Fig.5 wird die Temperatur des Fensters 1'4 oder einer Halterung mitdem Fenster mittels eines Temperaturdetektors 26 gemessen, der beispielsweise ein Thermistor oder ein Thermoelement sein kann. Das Signal des Detektors 26 wird mittels einer Verstärkers 29 verstärkt und einer Signaleinrichtung 30 zugeführt, die &rößenmäMg den Pegel der reflektierten Energie anzeigt und eine zusätzliche Möglichkeit bietet, die Fenstertemperatur anzuzeigen. Wenn die Fenstertemperatur so ist, daß entweder Eis oder V/asser vorhanden sein könnte, wird das Fenster auf eine Temperatur von etwa von 1,1°C (34°F7 durch ein Heizelement 27 erwärmt, das neben oder in dem Fenster Ik angeordnet sein kann und das durch eine von Hand geregelte Stromversorgung 28 betätigt wird. Eine einfache Beobachtung der Größe der reflektierten Energie während des Heizvorgangs reicht aus, um zu bestimmöa, ob anfänglich Energie reflektiert wurde, weil Eis oder Wasser auf dem Fenster lag, da^wenn anfangsEis vorhanden war, die Erwärmung zu einer merklichen Erhöhung der reflektierten Energie führt, da das Eis geschmolzen ist, während»wenn anfangs Wasser vorhanden war, die Erwärmung au keiner merklir-

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chen Änderung in der reflektierten Energie führt.

Mittels der Erwärmung und deren Wirkung auf die Signalenergie kann durch Handbetrieb oder durch automatische Regelung ein bestimmtes Signal für Eis, Wasser oder Matsch, wie es verlangt wirdj erhalten und abgegeben werden. Zwefckmftßigerweise kann eine automatische Heizung vorgesehen sein, wenn sieh die Temperatur in einem kritischen Bereich befindet und der Pegel der reflektierten Energie über einem Minimalwert liegt, der anzeigt, daß entweder Eis oder V/asser vorhanden ist. Der kritische Temperaturbereich, wo entweder Eis oder Wasser vorhanden sein kann j liegt etwa zwischen -6,7°C und O⁰C (2O⁰P bis 32°F); hierbei ist allerdings dieWirkung von Eis schmelzenden Chemikalien zu beachten, durch die der Gefrierpunkt von Wasser gesenkt wird. Am wenigsten Energie wird erfahrungsgemäß von einem trocknen eisfreien Fenster reflektiert

Eine Erwärmung des Fensters wird vorzugsweise mittels feiner in dem Fenster selbst eingelagerter Heizdrähte erreicht. Die Drähte sollten parallel zueinander liegen und zu dem elektrischen Feld der Mikrowellen kreuzpolarirsiert sein, so daß sich keine nennenswerten Störungen mit dem Mikrowellensignal ergeben. Andererseits können die Drähte aber auch außen an dem Fe nster angebracht^sein. Vorzugsweise wird das Fenster aber unmittelbar erwärmt, um die erforderliche Heizleistung und die Ansprechzeit auf ein Minimum herabzusetzen; es ist aber natürlich auch möglich, das Fenster indirekt, beispiels-

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weise durch Erwärmen der Halterung zu heizen.In einem solchen Fall ergeben sich aber ungünstige Verhältnisse bezüglich des Wärmeverlustes und der erforderlichen HeizMstung.

Die,Vorrichtung in Fig.6 weist ,eine weitere Verbesserung gegenüber der Vorrichtung in Fig.5 auf; bei dieder Vorrichtung sind zvrei Fenster verwendet und zwar ein nicht beheiztes Fenster 14a und ein Fenster IiIb, das mittels eines an eine Stromquelle 2.8 angeschalteten Elements 27 beheizbar ist, um die Temperatur des Fensters an oder über etwa 1,1°C (3**°F) zu halten und um dadurch die Eildung von Eis auf dem Fenster zu verhindern, Das Signal von einem Mikrowellengenrator 11 gelangt durcheinen Zirkulator 2*1 in einen Hohlleiter 13. Das Signal wird mittels einer angepaßten Verzweigung bzw. eines magischen T 31 in zwei gleiche Teile aufgeteilt, wobei jein Teil zu dem Fenster 1^a und der andere zu.dem Fenster 1^b geleitet ist. Die von jedem Fenster reflektierten Signale kehren über die entsprechenden Wellenleiter zu der Verzweigungsleit.ung zurückvAufgrund der Eigenschaften dieser angepaßten Verzweigung bzw. des magischen T wird die Summe der reflektierten Signale in den Hohlleiter geführt und zu dem Zirkulator 2^l\ mit drei öffnungen weitergeleitet und schließlich auf eisen Kristalldetektpr25 gerichtet. Die Differenz zwischen den reflektierten Signalen von den Fenstern 14a und 1^b wird in dem dritten Arm des magischen T bzw. der Verzweigung gebildet, die an dem Kristalldetektor 32 endet. Die Signale von den Detektoren 25

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und 32 werden einem Verstärker-Integrator 22 zugeführt, wo sie die Signaleinrichtung betätigen, um anzuzeigen job auf der zu überwachenden Oberfläche Eis, Matsch oder Wasser vorhanden ist.

Der Vorteil der abgeänderten Vorrichtung der Fig.6 besteht darin, daß infolge der Differenzen in den von den Fenstern reflektiertenSignalen nunmehr unterschieden werden kann, ob Eis oder Wasser auf der zu fiberwachenden Oberflächeliegt. Wenn die zu überwachende Fläche entweder kff.ar'oder feucht ist, ist die Reflexion an jedem der Fenster dieselbe, und ein Kristalldetektor 32 registriert einen Eingriag !IuI] . Wenn die Fläche mit Eis bedeckt ist, ist. das Fenster I¹Ia ebenfalls mit Eis bedeckt, während das erwärmte Fenster l*4b naß ist, aber eisfrei bleibt. Unter diesen Umständen ist dann die von dem Fenster I¹Ib reflektierte Energie wesentlich größer als die von dem Fenster I¹Ia reflektierte Energie; die mitteln des Detektors 32 registrierte Differenz in der Signalenergie zeigt den unterschiedlichen Zustand der Oberflächen der beiden Fenster an. Eine Unterscheidung zwischen klaren und nas=: sen Fenstern kann ,.mittels des Detektors 25 erreicht werden, der das gesamte reflektierte Signal registriert. Wenn beide Fenster klar sind, registriert der Detektor 32 keinen Untprschied und der Detektor 25 registriert ein insgesamt geringes Reflexionsvermögen. Wenn beide Fenster naß sirid, registriert der Detektor 32 nach keinen Unterschied, aber nunmehr registriert der Detektor 25 einen hohen Wert der gesamten reflek-^

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BAD ORIGINAL

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tierten Energie. Wenn Eis vorhanden ist, registriert der De? tektor 32 einen hohen Wert differentiell reflektierter Energie, während der Detektor 25 einen mittleren Wert der gesamten reflek.tier.ten Energie registriert. Wenn Matsch und nicht Eis auf der Oberfläche vorhanden ist, ergeben sich Werte an den beiden Detektoren, die zwischen denen für Eis und Wasser liegen. Durch Vergleichen der absoluten und relativen Werte der zwei Kristalldetektoren ist es möglich, eine eindeutige Anzeige zu erhalten, daß die Fläche klar, naß oder mit Eis oder Matsch bedeckt ist. . <

In Fig.7 ist der Einbau der kompakt aufgebauten Sensoreinrichtung in einem Straßenbett dargestellt, In der Figur ist der Sensor in einem zylindrischen Gehäuse 33 mit einesi Fenster l'l untergebracht, das vorsteht und mit der Fläche-des oberen Flansches 3'' bündig ist. Das zylindrische Gehäuse ist durch einen unteren Flansch 35 abgeschlossen. Sowohl der obere als auch der untere Flansch sind mit Dichtungsringen oder O-Ringen versehen, um eine luf^fcdichte Abdichtung zu schaffen. Der Stromeingang für die Einheit zum Betreiben des Mikrowellengenerators und des Fensterheizelements, wenn ein solches verwendet ist, sowie der Energieausgang von den Kristalldetektoren und dem Fenstertemperaturdetektor, wenn einer verwendet? wird, ist mittels elektrischer Kabel bzw„ Leitungen 37 erreicht, die über einen luftdicht abgeschlossenen Anschluß 36 in das zylindrische Gehäuse geführt sind.

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Die Einzelheiten der elektrischen Schaltungen einschließlich der übertragung der Ausgangsenergie an die Signaleinrichtung sind in der folgenden Beschreibung nicht angegeben. Ähnliche Ausgangseinrichtungen werden in Verbindung mit Mikrov/ellengeräten verwendet, die beispielsweise zur Messung der Dicke oder der Jieloktrizita'tskonstanfce eines gegebenen Materials entwickelt sind; diese Einzelheiten sind daher auch nicht Gegenstand der Erfindung;.

Mit der Erfindung wird eine Beziehung zvrischen der reflektierten Mikrowellerienergie und dem Zustand der Fensteroberfläche hergestellt. Eine Eichung der Detektoreinrichtung kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß

/Ei si

dar, Fenster mit einer oder '/fässerschicht bekannter Dir·lie bedeckt wird und die Größe bzw. der Pegel, der Mifcrowellenrcflexion gemessen wird. Eine derartige Eichungskurve ist in Fig.8 dargestellt. Der Ausgang des Kristalldetektors der durch das reflektierte Mikrowellensignal betätigt ist, nahm von 0 bis ungefähr l60 mV zu, wobei die Dicke der Eisschicht 0 bis ungefähr 0,30 cm (0,1 Pinch) und mehr betrug. Entsprechend niriunfo der reflektierte Spannungspegel von 0 bis et v/a 230-250 mV zu, wenndie Wasserhöhe von ungefähr 0 bis 0,07 cm (0,03 inch) und mehr zunimmt. Die tatsächlichen Ausgangswerte hängen von der Art der Einrichtung und der Kristalldetektoren ab, die in dem Sensor verwendet sind; die in Fig.8 wiedergegebenen Vierte haben keine besondere Bedeutung, sondern sind nur angegeben, um die

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relativen Unterschiede in den Signalen aufzuzeigen, die bei Eis und Wasser erhalten werden. Aus den in Fig.8 wiedergegebenen Daten ist zu ersehen, daß die Erfinung selbst bei sehr dünnen Eis-oder Viasserschichten empfindlich" ist, und daß Eis erheblich weniger Energie reflektiert als Wasser. Aufgrund dieses Unterschieds in der Reflexion kann mit großer Zuverlässigkeit zwischen Eis und Wasser unterschieden werden, wie bereits in Verbindung mitiden Fig.5 bis 7 ausgeführt ist. In den meisten Fällen, in denen zu bestimmen ist, ob Eis oder Wasser vorhanden ist, sind die Umgebunp;sbedingungen so, daß entweder Wasser oder Eis vorhanden sein kann; hier wird dann der Unterschied in der reflektierten Flikrowellenenergie dazu verwandet, um zxiischen Eis und Wasser zu unterscheiden. In einigen Fällen ist bereits durch die Umgebungsbedingungen festgelegt, daß nur Eis oder Wasser^aber nicht beides vorhanden sein kann. Wenn beispielsweise der Oberflächenzustand eines in großer Höhe fliegenden Flugzeugs gemessen wird, dann wird zwangsläufig durch eine reflektierte Energie angezeigt, daß Eis vorhanden ist und demgemäß etwas dagegen zu unternehmen ist.Aufgrund der Umgebungsbedingungen scheidet V/asser aus. In ähnlicher Weise würde ein Wert reflektierte)' Energie, wenn die Umgebungstemperatur über dem Gefrierpunkt liegt, eine eindeutige Anzeige darüber ergeben, daß Feuchtigkeit vorhanden ist. Unter diesen^r'Umständen kann die in Fig.l wiedergegebene Ausführungsform mit großem Erfolg verwendet werden.

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Vorzugsweise v/iEd als Mikrowel lengenerator bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung ein mit dem Gunn-Effekt arbeitender Oszillator verwendet, der bei einer Frequenz von etwa 10 GlIz arbeitet und eine Ausgangsleistung von etwa 25 roV/ hat. Die benötigte Energie ist verhh'ltnismSP.ig niedrig und liegt bei Ί50 ιτιΛ bei 10V. Es kann aber auch irgendeine andere Mikrowel- ' lenquolle verwendet werden, mit der ein Signal konstanter" Frequenz und Leistung über längere Zeit erzeugt v/erden kann, beispielsweise eine mit geringer Leistung arbeitende Reflox-K.v3stron-Röhre.

Die oben als Kristallgleichrichter oder Detektoren bezeichneten Elemente können auch ein .auf den Hohlleiter abgestimmter Detektor sein, wobei Kristalle verwendet werden können oder nicht, die allerdings besonders geeignet sind, um grötfenrn'ißig die Mikrowellen zu erfassen und glcichzurichten-

Obv;ohl Hohl loiter zur Übertragung der Signal energie, dargestellt und in der Reschrcibunp angeführt, sind, ist die Erfindung nicht auf Hohlleiter dieser Forn beschränkt, sonder;·, er, können auch bcispielsv/eisc in Forn von Koaxialkabeln hergestellte Hohlleiter verwendet worden.'

Es können auch noch weitere Abwandlungen an der Anordnung und Arbeitsweise dor Einrichtung gem'iß der Erfindung ins Auge ge-

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faßt werden^bei der das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung angewendet ist, nämlich mittels reflektierter Mikrowellen festzustellen, ob Eis oder Feuchtigkeit auf einer Oberfläche vorhanden ist. Beispielsweise können auch zwei oder mehr Sensoren an mehreren Punkten verwendet werden, wodurch dann Ergebnisse an einer oder mehreren.auseinanderliegenden Signaleinrichtungen angezeigt werden. Bei Verwendung einer Anzahl von Sensoren kann ein oder mehrere Fenster erwärmt werden, um die Bildung von Eis auf ihm zu verhindern; durch Vergleich der erhaltenen Werte kann entsprechend dem anhand von Fig.6 beschriebenen allgemeinen Verfahren bestimmt werden, ob bei nicht beheizten'Fenstern die Energie von Eis oder Wasser reflektiert viird.

Das hierbeschriebene Verfahren kann auch in Verbindung mit anderen Instrumenten und Detektoren verwendet werden, beispielsweise um die Lufttemperatur und die relative Feuchtigkeit oder auch um die Oberflächentemperatur zu bestimmen, um eine beginnende Feuchtigkeits-,Reif- oder Eisbildung auf der Oberfläche vorherzusagen. Auch das Vorhandensein und die Konzentration von Eis und anderen Eisschmelzenden Chemikalien auf der zu überwachenden Oberfläche kann durch Messen beispielsweise der Leitfähigkeit oder der Dielektrizitätskonstante der Feuchtigkeit auf der Oberfläche bestimmt werden, was eine Hilfe bei der Vorhersage des Gefrierpunktes der Feuchtigkeit auf der Oberfläe he sein kann.

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SAD

Claims

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Patentanaprüche

/ 1J Vorrichtung zur Bestimmung, ob Eis oder Feuchtigkeit auf einer Fläche vorhanden ist, gekennzeichnet durch

(A) einen Mikrowellengenrator (11) zur Erzeugung der Signalenergie,

(B) ein Fenster (1'I)in der Fläche, da» für die Mikrowellensignalenergie im wesentlichen durchlässig ist;

(C) eine Leitereinrichtung (13),iim die Signalenergie von dem Generator (13) zum Fenster (1'4) zu leiten

(D) eine Isoliereinrichtung (12) in der Leitereinrichtung (13), lie zwischen dem Fenster (I¹O und dem Mikrowellengenrator (11) angeordnet ist,

(E) eine Detektoreinrichtung (16) zur Bestimmung der von dein Fenster reflektierten Signalenergie, und

(F) Signaleinrichtungen (18, 30^ die von der Detektoreinrichtung betätigt werden, um den Zustand der Oberfläche als Funktion der Größe der reflektierten Signalenerrrie anzuzeigen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzei c'-.h net durch eine Detektoreinrictitung zur Bestimmung der Größe der auf das Fenster auffallenden Signalenergie.
3. Vorrrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung des Verhältnisses zwischen der reflektierten und der einfallenden Ener-

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gie mittels entsprechender Energiedetektoren, und durch
Einrichtungen zur Erzeugung eines Signals, um den Zustand der Oberfläche als Funktion dieses Verhältnisses anzuzeigen. . ·

H. Vorrichtung nach Anspruch 1, g e k e η η ζ e i c h η et durch eineHeizeinrichtung (27) für ein Fenster und · durch eine die Fenstertemperatur bestimmende Einrichtung.

5. Vorrichtung nach Anspruch ^,gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Bestimmung der Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit.

6. Verfahren zur Bestimmung, ob Eis oder V/asser auf einer Oberfläche vorhanden ist, dadurch g e k e η η ζ ei c h ti e t, daß Mikrowellenenergie über mindestens ein Fenster auf die Fläche gerichtet wird,- daß die von den Fenster reflektierte Signalenergie erfaßt wird, und daß ein elektrischer Ausgang geschaffen wird, mit dem der Zustand der
Oberfläche als Funktion der Größe der reflektiertem Signalenergie angezeigt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e π η -

ζ e i ch η e t, daß das Vorhandensein vonEis durch Bestimmen der Temperatur der Oberfläche festgestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

309811/0872

BAD QRi

zeichnet, daß das Vorhandensein von Eis aue der Differenz in der Signalenerßie, die von einem auf Umgebungstemperatur liegenden Fenster reflektiert ist, und der Energie, die von einem auf etwa 1,1 C erwärmten Fenster reflektiert wird, bestimmt wird.

3 0 9 8 1 1-/087?

/Γ

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