-
Verfahren zum Erkennen einer Vereisungsgefahr
-
auf Verkehrswegen und Eiswarnsensor zur Ausführung dieses Verfahrens
dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Vereisungsgefahr
auf Verkehrswegen, insbesondere auf Straßen und Brücken, wie es im Oberbegriff des
Patentanspruches 1 näher angegeben ist, sowie einen Eiswarnsensor zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
-
Im Winter tritt aufgrund der Bildung von Glatteis und Schneeglätte
auf den Straßen eine große Zahl von Unfällen ein, die erhebliche Sach- und Personenschäden
zur Folne haben. Zur Verhinderung solcher Glatteis- und Schneeqlättebildung werden
Taumittel eingesetzt, auf Straßen meist Salz, auf Flugplätzen auch alkoholische
Lösungen. Auf den Hauptverkehrsstraßen wird eine beachtliche Menne an Streusalz
aufgewendet, die zu einer erheblichen Belastung der in der Nähe dieser Straßen wachsenden
Pflanzen sowie des Grundwassers führt. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, Taumittel,
insbesondere Streusalz in möglichst oeringem Maße zum richtigen Zeitpunkt und in
der optimalen Dosierung einzusetzen. Befriedigende Verfahren, mit denen
sich
eine Vereisungsgefahr voraussagen läßt und anhand derer ermittelt werden kann, an
welchen Orten zu welchem Zeitpunkt und in welchem Umfang Taumittel einaesetzt werden
soll, sind bislang nicht entwickelt worden.
-
Aus den deutschen Offenlegungsschriften DE-OS 27 32 066 und DE-OS
29 28 208.4 sind zwar Eiswarnsensoren bekannt, mit denen eine Voraussage über eine
mögliche Eisbildung gemacht werden kann. Diese Eiswarnsensoren sind fUr Flugzeuge
entwickelt worden und sollen die Gefahr einer Eisbildung an der Fl ugzeugaußenhaut
erkennen. Diese Sensoren weisen eine Detektionsfläche auf, die künstlich unter die
Außenhauttemperatur des Flugzeugs gekühlt wird und die auf eine Eisbildung an ihrer
Oberfläche untersucht wird. Die Bildung von Eis wird dadurch festgestellt, daß beim
Auftreten einer Eisschicht an der Detektionsfläche ein Lichtstrahl anderen Brechungs-
oder Streuunqsbedingungen unterliegt.
-
Dieser bekannte Eiswarnsensor läßt sich für die Zwecke des Straßenverkehrs
nicht anwenden, weil der dort vorherrschende Staub und Schmutz keine optische Erkennung
einer Eisbildung einer Detektionsfläche, die in der Straßendecke eingelassen ist,
erlaubt.
-
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Erkennen einer
Vereisungsgefahr auf Verkehrswegen sowie einen entsprechenden Eiswarnsensor anzugeben
mit denen auch bei Vorliegen von Schmutz die Ausbildung einer Eisschicht auf einer
Detektionsfläche ermittelt werden kann und das die Feststellung der Taumittelkonzentration
in der Fahrbahnnässe erlaubt.
-
Diese Aufgabe wird mit einem im Oberbegriff des Patentanspruches 1
angegebenen Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens sowie
ein seiner Ausführung geeigneter Eiswarnsensor sind in den IJnterAnsorUchen angegeben.
-
Das erfindungsgemHsse Verfahren beruht auf der Überlegung ,daß der
Phasenbergang flUssig-fest in einem Diagramm, in dem die Temperatur der Flüssigkeit
gegen die Zeit aufgetragen wird, zu einem Plateau führt, bei dem die Temperatur
über eine gewisse Zeit konstant ist. Dieses Plateau rührt daher, daß bei der Eisbildung
die Kristallisationsw<9rme frei wird und eine weitere Absenkung der Umgebungstemperatur
damit nicht eine Absenkung der Temperatur der Mischphase aus Wasser und Eis zur
Folge hat.
-
Aufbauend auf diese Erkenntnis wird bei dem erfindungsgemessen Verfahren
eine Detektionsfläche unter die Umgehungstemneratur abgekühlt und es wird festgestellt,
ob sich auf der Detektionsfläche eine solche Mischphase aus Wasser und Eis ausbildet.
Das Auftreten dieser Mischphase wird daran erkannt, daß trotz konstanter Khlleistung
der Khlelemente die Temperatur an einem Meßpunkt der DetektionsflXche über eine
gewisse Zeit konstant verlauft bzw. ansteigt (und dann konstant bleibt) bei unterkühltem
Wasser und erst, nachdem sich sämtliches auf der Detektionsflache befindliches Wasser
in Eis umgewandelt hat, weiter absinkt. Dieses Verfahren ist unabhangig davon, ob
das Wasser oder das sich ausbildende Eis verunreinigt ist.
-
Die Temperatur, bei der dieses Plateau in dem Temperatur-Zeit-Diagramm
auftritt, wird gemessen und mit der Umgebungstemperatur verglichen. Aus der Differenz
dieser beiden Temperaturen kann die Gefahr einer Eisbildung abgelesen werden. Je
näher die Temperatur der Eisbildung in der Nähe der Umgebungstemperatur liegt,
desto
größer ist die Vereisunosgefahr. Aus der Vereisungstemperatur kann nach dem Raoultschen
Gesetz die Salzkonzentration des Wassers, das sich auf der Fahrbahn befindet, berechnet
werden, Darüberhinaus kann ermittelt werden, ob und wieviel Salz nachgestreut werden
muß, um die Vereisungs temperatur unter einen vorgegebenen Wert abzusenken.
-
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird auch die zeitliche Verädderung der Umgebungstemperatur bestimmt. Der Quotient
aus der Differenz der beiden Temperaturen und dem Gradienten der Umqebungstemperatur
gibt an, nach welcher Zeit die Umaebungstemperatur soweit abgesunken sein wird,
daß auf der Strasse eine Eisbildung auftritt.
-
Nachdem die Detektionsfläche in einem ersten Arbeitszyklus gekühlt
worden ist und die Vereisungstemperatur festgestellt wurde, wird in einem zweiten
Arbeitszyklus die Detektionsfläche erwärmt und das auf ihr befindliche Eis abgetaut.
-
Mit einem solchen Erwärmungsprozeß kann auch festgestellt werden,
ob beim Einschalten des Eiswarnsensors bereits Eis auf der Detektionsfläche vorhanden
ist. Beim Erwärmen des Eises tritt an dem Punkt des Phasenüberganges an der Detektionsfläche
wiederum eine Mischphase aus Eis und Wasser auf, die sich durch ein Plateau im Temperatur-Zeit-Diaoramm
bemerkbar macht. Wird also beim Erwärmen der Detektionsfläche ein solches Plateau
festgestellt, so bedeutet das, daß zuvor auf ihr eine Eisschicht vorhanden war.
-
ei einem Eiswarnsensor, der zur Duchführung des oben beschriebenen
Verfahrens eingesetzt wird, ist eine Detektionsfläche in die Straßendecke eingelassen.
Die Detekti onsfl äche kann in einer kleinen Mulde der Straßendecke angeordnet sein
um zu gewährleisten, daß bei nur teilweise nasser Straßendecke auf der Detektionsfläche
eine Wasserschicht vorhanden ist.
-
Die Kühlung bzw. Heizung der Detektionsfläche, die beispielsweise
eine dünne Metallplatte ist, geschieht vorzugsweise mit Peltier-Elementen.
-
Zur Ermittlung der Temperatur, bei der an der Detektionsfläche eine
Mischphase aus Wasser und Eis vorliegt, wird die Detektionsfläche mit den Peltier-Elementen
gekühlt. Zur Feststellung des Plateaus in dem Temperatur-Zeit-Diagramm wird in festen
Zeitabständen mit einem Meßfühler an einem bestimmten Punkt der Detektionsfläche
die Temperatur gemessen und es werden Differenzen dieser Meßwerte in einem Subtrahierer
gebildet.
-
Am Ausgang dieses Subtrahierers liegt ein Nulldetektor, der feststellt,
ob die gebildeten Differenzen den Wert Null annehmen, die Temperatur auf der Detektionsfläche
über eine gewisse Zeitspanne also konstant ist.
-
Stellt der Nulldetektor fest, daß die gebildeten Temperaturdifferenzen
den Wert. Null angenommen haben, so setzt er einen Zähler in Betrieb, der Taktimpulse
eines Taktimpulsgenerators zählt. Ist für eine am Zähler vorgegebene Zeitspanne
der Wert der gebildeten Temperaturdifferenz Null geblieben, so gibt der Zähler ein
entsprechendes Signal an einen weiteren Subtrahierer, der die Differenz aus der
Umgebungstemperatur und der Temperatur der Detektionsfläche bildet. Der Zähler steuert
mit seinem Ausgangssignal weiter einen Speicher an, der die so festgestellte Vereisungstemperatur
speichert und an ein Auswertungsgerät bzw. zu einer Anzeige weiterleitet.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein weiterer Subtrahierer
vorgesehen, der Differenzwerte aus den in vorgegebenen Zeitabständen anfallenden
Meßsignalen für die Umgebungstemperatur bildet. Da diese
Differenzwerte
in vorgegebenen Zeitabständen gebildet werden, ist ihre Größe direkt proportional
zu dem zeitlichen Gradienten der Umgebungstemperatur. In einem Dividierer wird die
aus der Umgebungstemperatur und der Vereisungstemperatur gebildetete Differenz durch
den Gradienten der Umgebungstemperatur dividiert.
-
Dieser Quotient ist ein Maß dafür, wann die Umgebungstemperatur die
Vereisungstemperatur erreicht haben wird.
-
Im folgenden wird nun die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.
-
Es zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Eiswarnsensors
Figur 2 eine Draufsicht auf die Detektionsfläche eines Eiswarnsensors Figur 3 ein
Temperatur-Zeit-Diagramm für die Anderung des Aggregatzustandes von Wasser bzw.
Eis.
-
Die Figur 1 zeigt schematisch einen Eiswarnsensor, mit dem das erfindungsgemäße
Verfahren durchgeführt werden kann.
-
In der Straßendecke (4) befindet sich in einer kleinen Mulde die Detektionsfläche
(1). Diese Detektionsfläche ist eine Platte, beispielsweise aus Metall, an deren
Unterseite zwei Peltier-Elemente (2) angesetzt sind.
-
Diese Peltier-Elemente sind mit Stromquellen (16) ver-
bunden.
Je nach Polung dieser Stromquellen (16) wird die Detektionsfläche (1) geheizt oder
gekühlt. In der Mitte der Detektionsfläche befindet sich ein Temperaturmeßfühler
(5). Ein weiterer Temperaturmeßfühler (3) befindet sich außerhalb der Detektionsfläche
ebenfalls in der Straßendecke. Er kann in eine kleine Metallplatte (17) eingebettet
sein, um für einen guten Wärmeübergang zwischen der Straßenoberfläche und diesem
Temperaturmeßfühler zu sorgen.
-
Im unteren Teil der Figur 1 ist schematisch eine Schaltung dargestellt,
die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und zur Auswertung der von
den Temperaturmeßfühlern ermittelten Meßwerte dienen kann. Bei Beginn des ersten
Arbeitszyklus wird ein Taktgenerator (9) gestartet. Sein Ausgangssignal wirkt auf
einen Subtrahierer (6). Dieser Subtrahierer (6) weist einen in der Figur nicht dargestellten
Zwischenspeicher auf, in der die Meßwerte des Temperaturmeßgerätes (18) gespeichert
werden. Der Subtrahierer (6) bildet Differenzen (T1-T2, T3-T2. .. . n n-1 Die von
dem Subtrahierer (6) gebildeten Differenzwerte erscheinen an seinem Ausgang und
werden einem Nulldetektor (7) zugeführt. Dieser Nulldetektor (7) gibt ein Ausgangssignal
ab, wenn die Differenzwerte einem bestimmten, nur wenig von Null abweichenden Wert
unterschreiten. Mit diesem Ausgangssignal wird ein Zähler (8) gestartet, der ebenfalls
von dem Ausgangssignal des Taktgenerators (9) beaufschlagt ist.
-
Liegt an dem Eingang des Nulldetektors (7) eine zu große Spannung
an, die anzeigt, daß die Temperaturdifferenzen nicht verschwinden, so wird der Zähler
(8) von dem Ausgangssignal des Nulldetektors gestoppt.
-
Hat der Zähler (8) einen vorgegebenen Zählerstand erreicht, so bedeutet
das, daß eine entsprechend lange Zeit die Temperaturdifferenzen nahe bei Null waren,
also an der Detektionsfläche bzw. an dem Temperaturmeßfühler (5) Vereisungsbedingungen
vorgelegen haben. Dementsprechend gibt der Zähler (8) bei Erreichen dieses vorgegebenen
Wertes ein Signal an einen Speicher (15) ab, der die Vereisungstemperatur speichert
und an eine Anzeige (14) weiterleitet.
-
Das Ausgangssignal des Zählers (8) wird weiter einem zweiten Subtrahierer
(10) zugeleitet, der die Differenz aus der Umgebungstemperatur und der festgestellten
Vereisungstemperatur bestimmt. Hierzu sind an die Eingänge des Subtrahierers (1O)
die Ausgangssignale der Meßgeräte (18) bzw. (19) angelegt. Der Temperaturmeßfühler
(3), der die Umgebungstemperatur mißt, befindet sich vorzugsweise ebenfalls in der
Straßendecke; in dem dargestellten Beispiel ist er in einer Metallplatte (17) eingelassen.
-
Das Ausgangssignal des zweiten Subtrahierers (1o) wird einem Vergleicher
(13) zugeleitet, der die gemessene Differenz mit einem oder mehreren Vergleichswerten
vergleicht. Aus der Größe der Temperaturdifferenz lassen sich Aussagen darüber machen,
ob die Salzkonzentration auf der Straße ausreicht oder zu hoch ist.
-
Ist beispielsweise die Vereisungstemperatur größer als die Umgebungstemperatur,
so bedeutet das, daß eine Vereisung bereits auf der Straße gegeben ist. In diesem
Falle reicht die Salzkonzentration zur Verhinderung der Eisbildung nicht aus. Ist
umgekehrt die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur (Tu) und der
Vereisungstemperatur (TDE) ein positiver Wert, so bedeutet das, daß bei der gegebenen
Umgebungstemperatur
die Salzkonzentration zur Verhinderung von
Eis ausreicht. Ist die Differenz (TU-TDE) ein großer positiver Wert, so bedeutet
das, daß die Vereisungstemperatur sehr viel tiefer als die Umgebungstemperatur liegt.
-
Die Salzkonzentration, die auf der Straße vorherrscht, ist in diesem
Fall größer als notwendig.
-
Der Speicher (15), der den Wert für die Vereisungstemperatur speichert,
das Meßgerät (19), das die Umgebungstemperatur anzeigt, der Dividierer (12) und
der Vergleicher (13) sind an einer Anzeige und Auswerteeinheit (14) angeschlossen.
-
Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform für eine Detektionsfläche.
Anstelle von den beiden in Figur 1 dargestellten Peltier-Elementen ist bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 2 nur ein Peltier-Element vorhanden, das ringförmig gestaltet ist. In
der Mitte der Detektionsfläche ist der Temperaturmeßfühler (5) angeordnet.
-
Die Figur 3 zeigt in einem Temperatur-Zeit-Diagramm schematisch den
Temperaturverlauf, den der Temperaturmeßfühler (5) anzeigt, wenn sich zum Zeitpunkt
(t = 0) auf der Detektionsfläche Eis befindet und das Peltier-Element geheizt wird.
Die Temperatur des Eises steigt zunächst an, sobald sich auf der Detektionsfläche
eine Mischphase aus Wasser und Eis bildet, bleibt die Temperatur über einen gewissen
Zeitraum konstant. Hat sich alles Eis auf der Detektionsfläche in Wasser umgewandelt,
so steigt bei weiterer Heizleistung des Elementes (2) die Temperatur wieder an.
Anhand der Figur 2 ist erkennbar, daß mit diesem Mittel die Vereisungstemperatur
sich gut ermitteln läßt.
-
Abschließend soll noch bemerkt werden, daß anstelle der in der Figur
1 dargestellten Schaltung auch ein Mikropozessor eingesetzt werden kann, der die
im Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Funktionen der einzelnene Schaltelemente
übernimmt.
-
Mit einer Mehrzahl der erfindungsgemäßen Eiswarnsensoren kann ein
Eiswarnsystem aufgebaut werden.Hierzu werden mehrere Eiswarnsensoren über einen
beispielsweise besonders gefährdeten Streckenabschnitt verteilt und über eine Datenleitung
mit einer zentralen Warneinrichtung verbunden.