DE2511538A1 - Nebelwarnanlage - Google Patents

Description

• N e b e l w a r n a n l a g e Gegenstand dor Erfindung ist eine Nebelwarnanlage für Sichtweiten bis etwa 400 Meter zur Verwendung an Verkehrswegen. Insbesondere ist hierbei gedacht an dio Verwendung bei Autobahnen und in der Schiffahrt.
• Dio Unfallhäufung auf Autobahnen bei plötzlicher Nebelbildung ist darauf zurückzuführen, daß die Sichtweite für den Autofahrer bei Eintritt in eine Nebelwand schlagartig von vorher violeicht 800 bis 1000 Metern auf 300 Meter oder gar auf weniger als 100 Meter herabgesetzt wird, und daß er ohne vorherige Warnung mit vollor Geschwindigkeit in diese Nebelwand einfährt. Es ist davor für den Autofahrer von entscheidender Bedeutung zu wissen, ob in einer bestimmten Entfornung mit einer Nebelwand von z. B. 300 Meter Sichtweite odor weniger gerechnet werden muß. Bei Dunst wird die Sichtwoito nicht so stark herabgesetzt, außerdem besteht hior nicht wie beim Nebel das gefährliche Uberraschungsmoment. . Starke und plötzliche Nebelbildung tritt zellenartig an bestimmten gefährdeten Orten auf. Diese Stellen sind bekannt, es existieren für das gesamte Bundesgebiet Karten mit den entsprechenden Markierungen.
• Bs gibt bereits bei Verfahren zur Sichtweitenbestimmung die auch praktisch ausgeführt wurden: 1. Die Extinktions-Messung mittels Transmissometern; 2. Streulicht-Meßgerätte a) sogenannte Backscatter-Geräte b) zur Bestimmung des Streukoeffizienten mit Hilfe der relativen Streufunktion.
• Sämliche Verfahren gehen davon aus, daß in der Meteorologie der Begriff "Sichtweite" als sogenannte "Normsichtweite" definiert ist mit Z = Extinktions-Koeffizient Transmissometer arbeiten nach den Formeln (1) und (2), in denen direkt der Schwächungskoeffizient gemessen wird Q,zw.
• die Transmission) während Streulicht-Meßgeräte den Streukoeffizienten aus den Beziehungen VN - 3.91 = Streu-Koeffizient und (3) ß#= relative Streufunktion bestimmen müssen. Streulicht-Meßgeräte erfassen immer nue eiz. B.
• nen Winkelbereich/von 20 bis 120°, sodaß ein Teil der Streufunktion unberücksichtigt bleibt. Diese Verfahren erfassen den mittleren und unteren Sichtweitebereich mit genügender Genauigkeit, wenn man die Konstanz über lange Zeit von Lichtquelle, Detektor usw. voraussetzt. Diese Voraussetzung trifft jedoch nicht su, wenn es sich um ein Warngerät handeln soll, das weitgehend wartungsfrei sein muß.
• Bei der Transmissometer-Messung, wo die oben angegebenen Fehlerquellen durch mehrere Vergleichsverfahren und selbsttätigen Nullabgleich kompensiert werden können, ist - nach van de Hulst bei Berechnung der Sichtweite die Zweifach-Streuung zu berücksichtigen, wenn die optische Dlchte in der Formel wird Mehrfachstreuung tritt für # = 0,3 oder größer auf. Dies bedeutet z.B. für einen Lichtweg von # = 300 Meter, daß bei VN A 11 km die Zweifachstreuung,bei VN # 4 km die Mehrfachstreuung zu berücksichtigen wäre. Bei einem Lichtweg g a 30 Meter gilt entsprechend # 400 Meter und # 1,1 km.
• Hierbei ist noch nicht die besondere Problematik der Mehrfach-Streuung berücksictigt, wenn zur Bestimmung der Sichtweite der Lichtstrahl reflektiert und innerhalb des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls zum Empfänger zurückläuft.
• Auch darf die Verschmutzung der äußeren optischen Flachen derartiger Geräte nicht unberücksichtigt bleiben, deren Einfluß auf das Meßergebnis je nach Einsatzort und -Dauer bis 10% betragen kann, Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und ein Gerbt zu entwickeln, welche es ermöglichen, den Autofahrer so rechtzeitig zu warnen, daß er bis zum Erreichen der Nebelwand seine Geschwindigkeit entsprechend herabsetzen kann, und ihm gleichzeitig die im Nebel zu erwartende Sichtweite anzuzeigen.
• Bei dem efindungsgemäßen Verfahren wird die bei der Bildung der Nebeltröpfchen auftretende Änderung der Polarisationsfunktion zur Ermittlung der Sichtweite genutzt.
• Die erwähnte Änderung der Polarisationsfunktion beruht auf einem physikalischent spontanen Effekt im Mechanismus der atmosphärischen Streuung bei einer Sichtweite von 350 bis 400 Meter und bleibt bis zur Sichtweite O Meter erhalten, Dies ist genau der Bereich, in dem die Unfallhäufigkeit auf den Fernstraßen steil ansteigt. Bei Anwendung dieses Effekts der Riickstreuung werden die aus der normalen relativen Streufunktion sich ergebenden Fehlerquellen und Unsicherheitsbereiche eliminiert, Die plötzliche Änderung der Polarisationsfunktion beruht auf folgenden Vorgängen.
• In einem gegebenen Aerosol ändert sich die Sichtweite mit der relativen Feuchte und zwar infolge des Wachstums der Aerosol-Partikel durch Wasseraufnahme (Quellung). Zwischen einem Feuchtigkeitsgehalt von 80% und von 95% vergrößern sich die Teilchen etwa um 30%. Sobald jedoch reale Nebeltröpfchen vorhanden sind (Kondensation) bei relativen Feuchten über 93%, wachsen die großen teilchen schneller als die kleinen und bewirken ein starkes Ansteigen der Polarisationsfunktion das etwa bei 1300 beginnt und bis etwa 1500 anhält, Der Höchstwert liegt hierbei bei einem Streuwinkel von etwa 1450 Die Streuzone wird daher zweckmäßigerweise unter einem Winkel von 1450 angestrahlt. Die Polarisation wird dabei in zwei Richtungen gemessen und hieraus der Polarisationsgrad errechnet Die besten Ergebnisse erhält man, wenn mal folgendermaßen vefährt: Zunächst wird das Polarisationsfilter in eine Position gebracht, in der das vom Streuvolumen rückgestraute Licht senkrecht zur Visionsebene polarisiert wird. Dabei wird das detektierte Signal (Meßwert) elektronisch gespeichert (Speicher T). Anschließend wird das Polarisationsfilter um 90° gedreht, sodaß das vom Streuvolumen rückgestreute Licht parallel zur Visionsebene polarisiert wird. Der hierbei erhaltene Meßwert wird in einem anderen Speicher (Speicher II) gespeichert. Anschließend wird aus diesen beiden Meßwerten der Polarisationsgrad in % ermittelt nach der Formel i1 und i2 sins dabei Komponenten der senkrecht zueinanderstehenden Polarisationsanteile.
• Der so gewonnene Polarisationsgrad ist ein sehr enipfindliches Kriterium für die Nebelbildung und erweist sich als eine wesentlich sensiblere Größe als die Extinktion und die Streufunktion über einen größeren Winkelbereich. Da das Verfahren mit Quontientbildung arbeitet, ist es von Fluktuationen des Senders und des Empfängers sowie der Verstärker unabhängig, da Konstanz nur während der Dauer zur Erfassung dor beiden Komponenten i1 und i2 verlangt wird.
• Darüberhinaus beeinflußt eine Verschmutzung der Optik nicht den zu ermittelnden Meßwert, da beide Meßgröße (i1 und i2) außerhalb des Geräts (imStreuvolumen) gebildet werden und dieselben optischen Wege passieren.
• AX8 Lichtquelle kann man sowohl eine Lichtquelle mit gleichbleibendem Licht als auch ein Blitzlicht verwenden.
• Wird gleichbleibendes Licht benutzt, so muß hinter die Lichtquelle eine mechanische oder opto-elektronische Modulationseinrichtung eingeschaltet werden. Um Gleichlichteinflüsse z.B* durch die Sonne oder durch Scheinwerfer auszuschalten, wird nach einem weiteren Gedanken der Erfindung der ausgehende Lichtstrahl so moduliert, daß der Gleichlichteinfluß ausgeschaltet wird.
• Die aus dem ermittelten Polarisationsgrad errechneto Sichtweite kann in verschiedener weise ausgewertet werden. Sie kann sowohl analog aufgezeichnet als auch digital au3gedruckt werden, Man kann sie auch in der Form auswerten, daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes ein optisches oder ein akustisches Warnsystem ausgelöst wird.
• Zum leichteren Verständnis der Erfindung sollen die beigefügten Abbildungen dienen. Es zeigen: Fig. 1 ein Diagramm der Nebel-Polarisations-Funktion, aufgetragen über über dem Streuwinkel; Fig. 2 ein Blockschaltbild eines nach dem erfidnungsgemäßen Verfahren arbeitenden Geräts.
• Fig. 3 eine Ansicht des Geräts.
• us dem Diagram ist zu ersehen, daß die Polarisation-Funktion von einem Streuwinkel von etwa 1300 an steil ansteigt und von etwa 1300 an wieder steil abfällt. Ihr Maximum erreicht sie bei etwa 1430.
• Die Bestimmung des Polarisationsgrades erfolgt mit einem optischen Sender, der natürliches Licht ausstrahlt, dessen Bündel parallel gehalten wird0 Von einem unter 1430 angeordneten Empfänger mit vorgeschaltetem Polarisations-Filter wird der rückgesstreute Anteil detektiert.
• Der Sender besteht im wesentlichen aus einer Gleichlichtquelle 1, einer Sammellinse 2 einem dahinter geschalteten Modulator 3 und einem Objektiv 4 welches das divergente Strahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel 3 umformt. In der Streuzone 25 wird das Strahlenbündel 5 reflektiert und gelangt als ebenfalls paralleles Strahlenbdndel 15 zum Empfangsgerät. Das Empfangsgerät enthält ein Objektiv 14 zum Umformen des ankommenden parallelen Strahlenbündels (Streustrahlen) in ein konvergentes Strahlenbündel, eine daran anschließende Gleichricht-Linse 13 zur Bildung eines parallelen Strahlenbündels von wesentlich kleinerem Durchmesser als der Durchmesser des Streustrahlenbündels, ein Polarisations-Filter 17 mit einem Antrieb 7 zum Schwenken um 900, eine Sammellinse 12 und einen Detektor 11.
• Der Detektor ist in an sich bekannter Weise mit einer Auswerte-Elektronik verbunden. In die Auswert-Elektronik sind zwei Speicher 8, 18 eingebaut, welche abwechselnd die vom Detektor kommenden Signale aufnehmen. Vor die Speicher ist eine Steuerelektronik 6 geschaltet, die einerseits die Schwenkbewegungen des Polarisations-Filters 17, andererseits einen Umschalter 16 steuert, der die vom Verstärker 9 kommende Leitung abwechselnd mit dem einen oder dem anderen der Speicher 8, 18 verbindet An die Speicher schließt sich ein Rechner 10 an, in dem der Wert gebildet wird. Der so ermittelte Polarisationsgrad wird als elektrisches Signal an einen zweiten Rechner 20 weitergegeben, welcher aus dem Polarisationsgrad die Sichtweite errechnet.
• Hieran kann sich in an sich bekannter Weise entweder ein analoger Anzeiger 21 oder ein Grenzwert-Melder 22 mit Warngerät 32 anschließen. Zweckmäßigerweise wird darüber hinaus ein Drucker 23 an den Rechner 22 angeschlossen, damit die Wirkungsweise des Geräts von Zeit zu Zeit überprüft werden ksan.
• Wird mit Blitzlicht gearbeitet, so entfällt die Modulations-Einrichtung).Dafur wird ein sogen. "Vergleichs-Detektor" 19 eingebaut, der mit der Lichtquelle 1 durch ein Lichtleitung 19 vom verbunden ist, Die Vergleichs-Detektor erzeugten Signale werden einem dritten Speicher 28 zugeleitet und gelangen von dort in einen Komparator 30. In dem Komparator werden Je zwei aufeinander folgende Signale mit einander vergleichen. Bleibt die Abweichung der beiden Signale unter einem vorgegebenen Wert .13.
• unter 5 %, so werden die Signale an die Speicher 8, 18 weitergeeben und in der oben angegebenen Weise ausgewertet.
• Übersteigt die Abweichung den vorgegebenen Wert, so werden die Speicher 8, 18 abgeschaltet, und die Messung wird wiederholt.

Claims (14)

Pat entansprüche

1. Verfahren zum Anzeigen von Nebelbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bildung der Nebeltröpfchen auftretende Änderung der Polarisationsfunktion zur Ermittlunf der Sihcterwese benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuzone unter einem Winkel von 145° angestrahlt, die Polarisation in zwei Richtungen gemessen und hieraus der Polarisationsgrad errechnet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsfilter zunächst in eine Position gebracht wird, in der das vom Streuvolumen rüclcgestreute Licht senkrecht zur Visionsebene polarisiert wird, wobei das detektierte Signal (Meßwert) elektronisch gespeichert wird (Speicher I), daß anschließend das Polarisationsfilter um 900 gedreht wird, so daß das vom Streuvolumen rückgestreute Licht parallel zur Visionsebene polarisiert wird, wobei dieser Meßwert in einem anderen Speicher (Speicher II) gespeichert wird, und daß aus diesen beiden Meßwerten der Polarisationsgrad nach der Formel ermittelt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß der ausgehende Lichtstrahl mechanisch oder opto-elektroniech so moduliert wird, daß der Gleichlichteinfluß (Sonne, Scheinwerfer usw.) ausgeschaltet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, daadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle eine Blitzlampe verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die für einen Meßvorgang erforderlichen zwei Sendeimpulse nacheinander einem zusätzlichen Vergleichsdetektor zugeleitet, durch eine an den Detektor angeschlossene Komparatorschaltung verglichen und das Ergebnis der Auswerteelektronik zugeführt wird, welche je nach der Art der erhaltenen Information die Weiterverarbeitun£' durchf'irt oder nicht.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Nichtverarbeitung der zweite Impuls wiederholt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Nichtverarbeitung ein neuer Meßzyklus begennen wird.

9. Verfahren nach einem oder mehrern der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem ermitteltem Polartisationsgrad entsprechende Sichtweite in ansich bekannter Wcise z.B.

über Schwellwertmelder, analoge Aufzeichnung oder digitales Ausdrucken ausgewertet wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den ermittelten Polarisationsgrad entsprechende Sichtweite zum Auslösen eines optischen oder akustischen Warnsystems benutzt wird.

11. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einer eine Lichtquelle (1) eine Sammellinse (2) eine Modulationseinrichtung (3) und ein Objektiv (4) enthaltenden Sendevorrichtung und einer ein Objektiv (14), eine Sammellinse (13) und einen Detektor (11) enthaltenden Empfangseinrichtung, dadurch gekennzeichnet daß in den an das Objektiv (14) anschließenden, konvergenten Strahlengang eine Gleichichterlinse (13) un hinter die Gleichtichterlinse ein Polarisationsfilter (17) eingeschaltet sind, wobei der Sender und der Empfänger so einstellbar sind, daß sich ihre Strahlen im Streuvolumen unter einem Winkel von 1450 schneiden.

12. Anordnung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsfilter (17) um 900 schwenkbar ist.

13. Anordnung nach den Ansprüchen 11 und 12, mit an den Detektor (11) sich anschließender Aswertellektronik, gekennzeichnet durch ein Steuerglied (6), welches einerseits das Polarisationsfilter (17) jeweils nach einer bestimmten Zahl von Sendoimpulssn umschaltet, andererseits die vom Detektor kommende Empfängerleitung abwechselnd mit zwei getrennten Speichern (8,18) verbindet, sowie ferner gekennzeichnet durch ein Zwischenglied (10), welches aus dem von den Speichern zu ihm gelangenden Impulsen den Wert bildet und durch einen Rechner (20), der aus dem ermittelten p-Wert die Sichtweite errechnet und die erreichnete Sichtweite entweder an eine Anzeigevorrichtung (21) oder an einen Drucker (23) oder an einen Grenzwertmelder (22) weitergibt, der bei überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes eine opto-elektronische oder eine akustische Warnvorrichtung (32) betätigt.

14. Anordnung nach den Ansprüchen 11 bis 13, wobei unter Wegfall der Modulations-Einrichtung die stetige Lichtquelle durch ein Blitzlicht ersetzt ist, gekennzeichnet durch einen Vergleichsdetektor (19), der bei Aufblitzen des Blitzlichtes gleichfalls bestrahlt wird, sowie durch einen weiteren Speicher (28) (Speicher III) der die Signale des Vergleichsdetektors aufnimmt und einem Komparator (30) zuleitet, welcher bei überschreiten einer vorgegebenen Größe des Unterschiedes zweier aufeinander folgender Impulse die Speicher I (8) und II (18) abschaltet.