DE3630361A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der bedeckung einer strassenoberflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Bedeckung einer Straßenoberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung hierzu nach dem Oberbegriff des Anspruches 6.

Das Verfahren bzw. die Vorrichtung werden verwendet, um die Bedeckung einer Straßenoberfläche zu bestimmen und um Änderungen davon zu beobachten und daraus eine mögliche Schleudergefahr vorauszusagen. Für die Straßendienste wäre es sehr wichtig, eine zuverlässige Voraussage über Glatteisbildung zu erhalten, wobei eine solche Voraussage vorzugsweise zwei Stunden vor dem Überfrieren der Straße vorliegen sollte.

Bekannte Systeme zum Warnen vor Schleudergefahr beruhen auf dem Feststellen von Wasser oder Feuchtigkeit auf der Straßenoberfläche durch einen elektrischen Leitfähigkeitsdetektor sowie gleichzeitige Überwachung der Temperatur. Falls die Temperatur sinkt und unter eine bestimmte Grenze fällt, geben diese Systeme, die beispielsweise bei Malling Kontrol, Stamholmen 173, DK-2650 Hvidovre erhältlich sind, Alarm. In fortschrittlicheren Detektorsystemen für Straßenglätte werden gekühlte und erwärmte Leitfähigkeitsdetektoren verwendet, wobei die Auswirkungen des Salzgehalts auf die Absenkung des Gefrierpunktes mitberücksichtigt werden. Derartige Systeme sind zum Beispiel bei Boschung Mecatronic Ltd., CH-3185 Schmitten, Schweiz, und Findlay, Irvine Ltd., Penicuik Midlothian, Schottland EH26 9BU erhältlich. Desweiteren werden Glättedetektoren auf der Basis der unmittelbaren Detektion von Eis verwendet.

Der Hauptnachteil der auf der elektrischen Leitfähigkeit der Straßenoberfläche basierenden Detekoren besteht darin, daß eine Leitfähigkeitsmessung allein keine Information über die Feuchtigkeits- bzw. Wassermenge auf der Straßenoberfläche geben kann, so lange die Salzkonzentration nicht bekannt ist. Andererseits ist es schwierig zwischen einer abtrocknenden Straße und einer überfrierenden Straße zu unterscheiden.

Geheizte und gekühlte Leitfähigkeitsdetektoren müssen zumindest teilweise von der Straße thermisch isoliert sein, wodurch sie der Temperatur der Straßenoberfläche notwendigerweise nicht in allen Situationen zuverlässig folgen können. Desweiteren führt das Abtrocknen der Indikatordetektoren zu unterschiedlichen Zeiten zu Fehlersituationen.

Detektoren die auf dem direkten Detektieren von Eis basieren, weisen einen Aufbau auf, der der Straßenabnutzung nur unzureichend standhält. Als Beispiel hierfür sei der SCAN-Detektor der Firma Surface Systems Inc. genannt, durch den es mittels eines kapazitiven Verfahrens möglich ist zwischen einem trockenen, nassen und eisigen Zustand zu unterscheiden. Die Elektroden des Detektors sind durch eine etwa 6 mm starke Epoxyschicht geschützt, die zu schnell abgenutzt wird, zumindest in Regionen, in denen Spikes-Reifen verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Bestimmen der Bedeckung einer Straßenoberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 6 zu schaffen, bei dem die Abnutzung der Elektroden vermieden wird und mit der es möglich ist, jegliche Bedeckung einer Straßenoberfläche zu bestimmen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 6.

Die Erfindung beruht darauf, daß die elektrische Leitfähigkeit einer jeglichen Bedeckung der Straßenoberfläche durch ein Paar nicht abgedeckter Elektroden gemessen wird, die in die Straßenoberfläche eingelassen sind, daß die thermische Leitfähigkeit des Elektrodenpaares der des Straßenbelages anpaßbar ist, daß die Messung derart durchgeführt wird, daß der durch den Detektor fließende Meßstrom niederfrequent ist, eine geringe Stromstärke aufweist und ein symmetrischer Wechselsttrom ist, wobei mit symmetrisch die Abwesenheit einer Gleichstromkomponente gemeint ist. Genauer ausgedrückt wird durch die symmetrische Spannung bzw. den symmetrischen Strom das Zeitintegral über die Spannung bzw. den Strom während eines Zykluses Null oder wenigstens ungefähr gleich dem Nullpunkt. Das Signal ist symmetrisch um eine dauernde Gleichstrompolarisation zu verhindern. In der erläuternden beispielhaften Ausführungsform wird die Leitfähigkeit mittels eines vergleichsweise kurzen Impulses gemessen und daraufhin die elektrische Polarisation der Pole des Detektors gemessen, die durch den Meßstrom verursacht wird. Das derart erhaltene Polarisationssignal stellt eine wesentliche Zusatzinformation bezüglich der Natur und auch der Quantität jeglicher auf der Straßenoberfläche vorhandener Bedeckung dar. Um ein symmetrisches Signal zu erhalten wird die Richtung der Meßstrome zwischen jedem Puls umgekehrt.

Der wichtigste Vorteil bei der Messung der Polarisation besteht darin, daß auch reiner Schnee detektiert werden kann. Darüberhinaus steigt das Polarisationssignal monoton mit der Zunahme der Dicke einer Wasser- bzw. Schneeschicht auf der Straße an und die Größe des Signals hängt nicht sehr stark von der Reinheit des Wassers ab. Damit läßt sich mit einem Detektor gemäß diesem Prinzip die Bedeckung einer Straßenoberfläche auch quantitativ bestimmen.

Mit einem derartigen Detektor ist es auch möglich das Gefrieren des auf der Straßenoberfläche vorhandenen Wassers zu detektieren, indem das Verhalten des Leitfähigkeitssignals und des Polarisationssignals beobachtet wird. Falls das gebildete Eis multikristallin (sogenanntes "weißes Eis") ist, erkennt es der Detektor. Bei den meisten Straßenbedingungen bildet sich jedoch sogenanntes "schwarzes Eis". Dies kann durch den Detektor in keiner Weise erfaßt werden, außer indem seine Formation erfaßt wird, wobei die Signale ein außergewöhnliches Verhalten zeigen. Falls nötig kann "schwarzes Eis" mittels eines ähnlichen Detektors kapazitiv detektiert werden, z. B. dadurch, daß der Detektor als ein Teil eines RC-Schwingkreises gestaltet ist, so daß das Vorhandensein von "schwarzem Eis" sich in einer Änderung der Frequenz des Schwingkreises bemerkbar macht.

Die Einfachheit eines bipolaren Detektors ermöglicht einen der Abnutzung widerstehenden Aufbau.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 einen perspektivischen Teilschnitt eines Straßenoberflächendetektors,

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Meßkreises,

Fig. 3 den Schaltplan eines Inverter-Schwingkreises, der zur Messung von "schwarzem Eis" verwendet wird, und

Fig. 4 ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Messung von "schwarzem Eis" auf der Basis eines Phasenregelkreises, bei dem das Ausgangssignal phasenstarr einem Referenzsignal folgt (phase- locked).

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächendetektors. Einige millimeterdicke Kohlefaserblätter 14 sind im Abstand 15 0,5 mm angeordnet, um einen bipolaren Detektor zu bilden, so daß jedes zweite Blatt die gleiche Polung aufweist. Der Detektor ist in eine Mischung 16 aus Araldit D und schwarzem Farbstoff eingegossen. Kohlefaser wurde als Detektormaterial hauptsächlich aus thermischen Gründen und wegen der Abnutzung gewählt. Der Temperaturgradient der Straßenoberfläche bewegt sich oft in der Größenordnung von 1 K/cm, wobei ein einige cm tiefer ein Metalldetektor der Temperatur der Straßenoberfläche kaum folgen würde. Chemische Leitfähigkeit von Asphalt beträgt etwa 0,7 W/mK und die von Kohlefaser in Richtung senkrecht zu den Fasern 1 bis 5 W/mK. Die Leitfähigkeit von Araldit D beträgt 0,23 W/mK und kann bis zu einem Wert von 1 W/mK durch Hinzufügen von Quarzpuder angepaßt werden. Unter diesen Umständen kann die mittlere thermische Leitfähigkeit des Detektors auf die von Asphalt angepaßt werden.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines Meßsystems auf der Basis der elektrischen Polarisation. Ein Impulsgenerator 1 erzeugt positive Spannungsimpulse mit einer Dauer von etwa 0,5 s und einer Stärke von etwa 10 V z. B. in Intervallen von 10 s. Diese Impulse werden über einen Strommeßschaltkreis 2, einen Schalter 3 und einen Polaritätsumkehrschaltkreis den Polen eines Detektors 5 zugeführt. Während eines Impulses wird das Leitfähigkeitssignal mittels eines Leitfähigkeitsmeßschaltkreises 6 gemessen. Nach dem Ende eines Impulses wird der Schalter 3 geöffnet, wodurch das sogenannte durch die Polarisation verursachte Oberflächensignal mittels eines Oberflächensignal- Meßschaltkreises, z. B. durch Integration der über die Pole des Detektors wirksamen Polarisationsspannung, gemessen wird. Zu Beginn des nächsten Impulses werden durch den Polarisationsumkehrschaltkreis 4 die Pole des Detektors miteinander vertauscht, so daß aus der Sicht des Detektors betrachtet sich die Richtung des Meßstroms symmetrisch bezüglich des Erdpotentials ändert. Auf diese Weise wird eine permanente Gleichstrompolarisation, die empfindlich auf durch den Verkehr verursachte Störungen reagiert und eine fehlerhafte Versetzung des abgeschätzten Gefrierzeitpunktes bewirkt, vermieden.

Die Signalpegel können beispielsweise im Bereich von 0 bis 10 V eingestellt werden, wobei der Signalpegel 0 V einer trockenen Straßenoberfläche entspricht und 10 V etwa einer 1 mm gesättigten Salzwasserschicht entspricht. Die Polarisationsspannung steigt monoton mit zunehmender Dicke der Bedeckung der Straße und in der praktischen Anwendung kann die Polarisationsspannung als unabhängig von der Leitfähigkeit angesehen werden. Um das Gefrieren des auf der Straße vorhandenen Wassers vorherzusagen, wird das Verhalten der Signale beobachtet. Falls das Leitfähigkeitssignal unter eine bestimmte Grenze sinkt, während gleichzeitig das Oberflächensignal über einem voreingestellte Wert bleibt, kann ein Alarm erzeugt werden, der die Gefahr von überfrierender Nässe anzeigt. In der Praxis kann das entweder mittels einer einstellbaren Alarmlogik 8 oder mittels eines programmierbaren Prozessors erreicht werden. Die Zuverlässigkeit der Vorhersage wird verbessert, falls das Verhalten der Temperatur der Straßenoberfläche berücksichtigt wird.

Die Detektion von "schwarzem Eis" geschieht aufgrund einer Streukapazität, die durch auf der Oberseite des Detektors vorhandenem Eis verursacht wird. Eine Eisschicht mit einer Dicke gleich dem Abstand 15 zwischen dem Detektorelektroden verursacht bei niedrigen Frequenzen pro Längeneinheit des Abstandes eine Streukapazität von

Die Eigenkapazität des in Araldit D eingegossenen Detektors beträgt pro Flächeneinheit der Kohlefaserblätter

wenn der Abstand 15 gleich 0,5 mm ist. Wenn eine Abnutzungstoleranz von 5 cm für den Detektor vorgesehen wird, erzeugt eine 0,5 mm-Eisschicht folglich eine 20%ige Kapazitätsänderung, deren Detektion im Labor trivial ist, jedoch bei Bedingungen auf der Straße eine Temperatur- und eine Abnutzungskompensation erfordert.

Um "schwarzes Eis" zu detektieren bzw. zu erkennen, kann der in Fig. 1 gezeigte Detektor gemäß Fig. 3 verschaltet werden. Die Frequenz f des betrachteten Inverter-Schwingkreises bestimmt sich durch die Formel

wobei C die Kapazität der Serienschaltung des Detektors mit der Kapazität C _a und des Trennkondensators C ₁ ist. Ein Trennkondensator wird benötigt um das Gleichstrompotential des Detektors zu eliminieren und um Oszillationen zu garantieren wenn der Detektor naß ist. Es sei angemerkt, daß aufgrund einer 50 Hz Störung das Verhältnis R ₁/R ₂ nicht größer als 10 gemacht werden sollte. Werte von R = 5,6 MΩ und C = 100 pF führen zu einer Frequenz von ungefähr 400 Hz, was eine genügend niedrige Frequenz zum Detektieren von Eis darstellt, auch wenn es etwas unter 0°C kalt ist. Falls es gewünscht wird kann die Frequenz auch mittels einer Nebenschlußkapazität verringert werden, wodurch jedoch die Empfindlichkeit entsprechend verringert wird.

Sowohl Temperaturkompensation als auch die Kompensation der Abnutzung bzw. des Verschleißes werden auf einfachste Weise bei der Verarbeitung der Meßwerte durch Programmieren erreicht.

Der Hauptnachteil eines Detektors auf der Basis eines Inverter- Schwingkreises besteht darin, daß der Detektor bezüglich allen Impedanzen empfindlich ist und unter diesen Umständen kann ein fallender Tau ein Signal verursachen, daß wegen des damit verursachten endlichen Widerstandes von 10 MΩ wie ein Eissignal aussieht. Wegen der Instabilität dieses Zustandes ist es jedoch möglich mittels Programmierung von einem stabilen Eissignal zu unterscheiden. Ein Vorteil eines Inverter-Schwingkreises ist der geringe Aufwand an elektronischen Bauteilen, die um den Detektor angeordnet sind. Fig. 4 illustriert das Prinzip einer phasenstarren Detektion (phase-locked detection). Die Hauptkomponenten sind ein Sinusgenerator 9, eine Impedanzbrücke 10, ein Vorverstärker 11, ein Phasenschieber 12 und ein Multiplizierer 13. Das vorverstärkte und phasengeschobene Signal der Brücke sei

Falls das Referenzsignal

ist, ergibt sich für den Ausgang des Multiplizierers

Durch Einstellen der Phasendifferenz ϕ auf den gewünschten Pegel ist es möglich die Gleichstromkomponente des Ausgangssignals aus dem Multiplizierer nur für die gewünschten Impedanzänderungen, im vorliegenden Fall den Kapazitätsänderungen, empfindlich zu machen.

Mit einem phasenstarren Detektor müßten zumindest die Brücke und der Vorverstärker in Verbindung mit dem Detektor in der Straße angeordnet werden. Ein Vorteil im Vergleich zu einem Inverter-Schwingkreis besteht darin, daß die phasenstarre Detektion auch quantitative Informationen über Rauhreif und Eis bereitstellt.

Alternativ können das Leitfähigkeitssignal und das Oberflächensignal durch Zuführung einer Wechselspannung über einen Widerstand in Serie zu den Detektor gemessen werden. Die Komponente, die mit der zugeführten Spannung gleichphasig ist, entspricht dem Leitfähigkeitssignal und die Komponente mit einer um 90° verschobenen Phase entspricht dem durch Polarisation verursachten Oberflächensignal.

Das erfindungsgemäße Verfahren und der dazugehörige Detektor können natürlich nicht nur bei der Detektion von Schleudergefahr auf Straßen verwendet werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auch zur Detektion von Eis auf Rollbahnen von Flughäfen und auf Flugzeugen verwendet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bestimmen der Bedeckung einer Straßenoberfläche, wobei ein Naßsignal einem in die Straßenoberfläche eingelegten und als ein Detektor (5) dienendem Elektrodenpaar zugeführt wird, und das Verhältnis des Meßstroms zu der Spannung an dem Detektor bestimmt wird, um die Leitfähigkeit der Bedeckung der Straßenoberfläche herzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein niederfrequentes und symmetrisches Wechselspannungssignal mit geringer Spannungsstärke den Detektor (5) zugeführt wird, und die durch den Meßstrom verursachte elektrische Polarisation zwischen den Polen des Detektors (5) gemessen wird, um die Dicke der Abdeckung auf der Straßenoberfläche zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsignal erzeugt wird, das ein Impulsverhältnis einer niedrigen unipolaren Rechteckwelle aufweist; daß die Polarität des Detektors nach jedem Impuls mittels eines Polaritätsumkehrschaltkreises (4) umgedreht wird; und daß die Polarisationsspannung des Detektors mittels eines nicht aktiven Teils des Meßsignals mit einem Oberflächensignal-Meßschaltkreis gemessen wird, um die Dicke der Abdeckung der Straßenoberfläche durch Öffnen der Ankopplung der Leitfähigkeitsmessung durch einen Schalter (3) zu bestimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsrate des Meßsignals im Bereich zwischen 2 und 7% vorzugsweise um 5% eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Meßsignals im Bereich zwischen etwa 0,07 und 0,2 Hz, vorzugsweise um 0,1 Hz eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (5) als Teil einer Brückenkopplung angeordnet ist, und daß die elektrische Polarisation zwischen den Detektorpolen mittels eines phasenstarren Detektors detektiert wird, so daß mittels eines Phasenschiebers (12) und eines Multiplizierers (13) eine Spannung mit einer Phasenverschiebung von 90° bezüglich der zugeführten Spannung detektiert wird, wobei die Amplitude der Spannung die Größenordnung der Polarisation des Detektors anzeigt.

6. Vorrichtung zum Bestimmen der Abdeckung einer Straßenoberfläche mit einem Impulsgenerator (1) der zur Erzeugung eines Meßsignals angeordnet ist, einem Strommeßschaltkreis (2), der zur Messung des durch das von dem Impulsgenerator (1) erzeugte Signal erzeugten Meßstrom mißt, einem bipolaren Detektor (5), der in die Straße eingelegt ist, und dem das durch den Impulsgenerator (1) erzeugte Signal zuführbar ist, und einem Leitfähigkeitssignal-Meßschaltkreis (6), der zur Messung des Verhältnisses des durch den Impulsgenerator (1) erzeugten Meßstroms zu der Spannung zwischen den Detektorpolen angeordnet ist, um die Leitfähigkeit der Abdeckung der Straßenoberfläche zu bestimmen, gekennzeichnet durch einen Schalter (3) zum Öffnen des Leitfähigkeitsmeßschaltkreises (6), um das Oberflächensignal zu messen, einen Polaritätsumkehrschaltkreis (4), um die Richtung des Meßstroms umzukehren, einen Oberflächensignal-Meßschaltkreis (7), um die Dicke der Abdeckung auf der Straßenoberfläche zu messen, und eine Alarmlogik (8), die zur Anzeige der Gefahr von Überfrieren der Nässe auf der Straße auf der Basis der Spannungswerte des Leitfähigkeitssignals und des Oberflächensignals vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kohlefaser bestehenden Elektroden des Detektors (5) in Araldit D (16) eingegossen sind, um deren Verschleißfestigkeit zu erhöhen und um die thermische Kompatibilität zwischen Detektor und Straße zu verbessern.