DE4446791C1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen 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 gelöstem Tausalz auf der Oberfläche von Fahrbahnen von ei­ nem fahrenden Fahrzeug aus.

Zur Verhinderung von Glätte auf den Fahrbahnen von Straßen, Autobahnen und anderen Verkehrsflächen werden zur Winter­ zeit Tausalze eingesetzt. Die Wirkung dieser Tausalze hält nur eine bestimmte Zeit an, da sie in Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen, der Verkehrslage und der Fahrbahn selbst verschieden stark abgetragen werden, so daß erneutes Aufbringen erforderlich wird. Um zu vermeiden, daß dabei zuviel Tausalz eingesetzt wird, ist es zweckmäßig, den Tau­ salzgehalt auf der Fahrbahn zu messen. Dadurch können so­ wohl 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 Lichtanteile der Tausalzgehalt der Wasserschicht ermittelt wird. Derartige Anordnungen erfordern jedoch eine sehr genaue Justierung der Winkel zwischen der Sende- und der Empfangsvorrichtung und der Fahrbahn und ergeben schon bei kleinsten Winkelän­ derungen stark veränderte Meßergebnisse. So müssen bei­ spielsweise die Winkel zur Fahrbahn auf 0,1° genau einge­ halten werden, wenn die Konzentration des Tausalzes auf 0,4 Mol/l genau bestimmt werden soll. Derartige Vorrichtun­ gen 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 eingehalten werden.

Weiterhin ist aus der WO 93/05386 A1 ein Verfahren zur Mes­ sung der auf Verkehrsflächen befindlichen Tausalzmengen be­ kannt, bei dem eine starke elektromagnetische Strahlung auf die Verkehrsfläche gerichtet und die Intensität der im Tau­ salz entstehenden Lumineszenz bestimmt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die praktisch eingesetzten Tau­ salze, vorzugsweise Natrium- und Kalziumchlorid, nur im Be­ reich der Röntgenstrahlen eine Lumineszenz aufweisen. Deren Energie ist jedoch so niedrig, daß die Strahlung bereits in der Luft stark gedämpft wird und es äußerst schwierig ist, sie mit einem Detektor nachzuweisen. In einem Unteranspruch dieser Patentanmeldung ist daher ausgeführt, das eingesetz­ te Tausalz mit einem chemischen Stoff zu markieren, dessen Lumineszenz besser meßbar ist. Dann kann diese Vorrichtung auch von einem fahrenden Fahrzeug aus betrieben werden. Da­ durch entstehen jedoch zusätzliche Kosten und eine weitere Umweltbelastung. Hinzu kommt, daß der dem Tausalz zuge­ mischte Stoff das gleiche Langzeitverhalten wie das Tausalz selbst zeigen muß, wodurch die Auswahl des zuzumischenden Stoffes stark eingeschränkt wird. In DE 38 29 008 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Tausalz­ gehaltes mit hochfrequenter Strahlung beschrieben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Konzentration von im Wasser gelösten Tausalzen auf Fahrbah­ nen zu entwickeln. Der Betrieb soll von einem fahrenden Fahrzeug aus erfolgen können und ohne das Markieren des Tausalzes deutlich meßbare Signale liefern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 5 ge­ löst. Die Unteransprüche 2 bis 4 geben besonders vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Prinzip, eine elektrische Entladung zwischen wenigstens einer Elektrode und der Fahrbahn auszulösen. Es wurde gefunden, daß durch deren Energie die auf der Fahrbahn befindliche, Tausalz enthaltende Wasserschicht abgedampft wird, Tausalz in den Entladungskanal befördert wird und dessen Atome zur Emis­ sion von Licht angeregt werden. Aus der spektral selektier­ ten Erfassung- und Messung dieses Lichts werden elektrische Signale gewonnen, die einen deutlich meßbaren Zusammenhang mit der Konzentration des Tausalzes auf der Fahrbahn auf­ weisen.

Es ist vorteilhaft, den nach der Ausbildung des Entladungs­ kanals fließenden Entladungsstrom für eine kurze Zeit auf einem annähernd konstanten und bei allen Entladungen glei­ chen Wert zu halten. Dadurch wird erreicht, daß die bei schneller Fahrt des Fahrzeuges unvermeidliche Veränderung des Abstands zwischen Elektrode und Fahrbahn ohne wesentli­ chen Einfluß auf das emittierte Licht bleibt.

Wegen der hohen Energiekonzentration im Entladungskanal sind mit dieser Anordnung trotz kurzer Entladungszeit so gute Meßergebnisse zu erzielen, daß die Vorrichtung auch von einem fahrenden Fahrzeug aus betrieben werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Figur darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Über der Fahrbahn 1 mit der darauf befindlichen Wasser­ schicht 2, in der das Tausalz gelöst ist, befindet sich in einem Abstand zur Fahrbahn eine Elektrode 3. Diese Elektro­ de 3 ist mit einem Hochspannungsgenerator 4 verbunden, der einen zweiten Anschluß zu einem Schleifkontakt 11 auf der Fahrbahn besitzt. Ein Kollimator 5 ist so auf die Fahrbahn gerichtet, daß der Zwischenraum zwischen Elektrode 3 und Fahrbahn 1 und die Fläche auf der Fahrbahn unterhalb der Elektrode 3 in seinem Erfassungsbereich liegen. Der Kolli­ mator 5 ist über einen Lichtwellenleiter 6 mit einem op­ toelektrischen Wandler 7, der ein optisches Filter 7′ enthalten kann, verbunden. Der Ausgang des optoelektrischen Wandlers ist an eine Auswerteschaltung 8 angeschlossen, die einen Ausgang zu einem Anzeigegerät 9 und einen weiteren Ausgang 10 zum Anschluß weiterer Geräte aufweist. Die Teile 2 bis 11 sind mit nicht dargestellten Mitteln an dem eben­ falls nicht dargestellten messenden Fahrzeug befestigt.

Im Hochspannungsgenerator 4 wird eine hohe Spannung er­ zeugt. Dadurch kommt es zu einer elektrischen Entladung in Form eines Funkens zwischen der als Spitze ausgebildeten Elektrode 3 und der Fahrbahn 1, deren Abstand auf etwa 15 mm eingestellt ist. Die Rückleitung des Entladungsstro­ mes zum Fahrzeug erfolgt über den Schleifkontakt 11, kann aber auch über den Widerstand der Reifen, über den Über­ schlag an einer zweiten Elektrode, die im Abstand zur Elek­ trode 3 parallel zu dieser angebracht ist, oder über den Kondensator, den das Fahrzeug mit der Fahrbahn bildet, er­ folgen. Die Energie dieser Entladung bewirkt, daß die auf der Fahrbahn 1 befindliche, Tausalz enthaltende Wasser­ schicht 2 abgedampft wird und die Atome des Tausalzes im Entladungskanal zur Emission von Licht angeregt werden. Die Intensität dieses Leuchtens ist der Konzentration des Tau­ salzes in der Wasserschicht proportional. Dieses Licht wird durch den Kollimator 5 aufgenommen und in den Lichtwellen­ leiter 6 eingeleitet. Aus diesem tritt das Licht in den op­ toelektrischen Wandler 7 ein. Dieser enthält zunächst ein oder mehrere optische Filter 7′, die die Spektrallinien, die für die im Tausalz enthaltenen chemischen Elemente ty­ pisch sind, bevorzugt passieren lassen. Der anschließende Wandler, beispielsweise eine Halbleiterfotodiode oder ein Fotovervielfacher, gibt ein elektrisches Signal ab, dessen Höhe mit der Konzentration des Tausalzes in der Wasser­ schicht zunimmt und das der elektrischen Auswerteschal­ tung 8 zugeleitet wird. In dieser wird daraus ein weiteres elektrisches Signal abgeleitet, das direkt der Konzentra­ tion des Tausalzes entspricht. Dieses wird dem Anzeigege­ rät 9 und dem Ausgang 10 zugeleitet, an den das Steuergerät einer Streueinrichtung angeschlossen und mit dem die neu aufzubringende Tausalzmenge in Abhängigkeit von der gemes­ senen Konzentration auf der Fahrbahn eingestellt werden kann.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist es vorge­ sehen, daß der Hochspannungsgenerator 4 Mittel enthält, die weitgehend unabhängig vom Abstand der Elektrode 3 zur Fahrbahn 1 und von dem Weg, den der Strom vom Auftreffpunkt aus zurück in das Fahrzeug nimmt, den Strom durch den Ent­ ladungskanal für eine Zeit von höchstens einer Millisekunde auf einem konstanten Wert halten. Dazu können Laufzeit­ ketten aus parallel geschalteten Kondensatoren, die über zwischengeschaltete Induktivitäten verbunden sind, einge­ setzt werden. Dieser Strom wird auf einen solchen Wert ein­ gestellt, daß eine maximale Leuchterscheinung angeregt wird. Durch diese Anordnung bleiben Einflüsse auf die Ent­ ladung, wie sie insbesondere durch die unerwünschten, durch die Unebenheiten der Fahrbahn verursachten Bewegungen des Fahrzeugs entstehen, ohne wesentlichen Einfluß auf die durch die elektrische Entladung ausgelöste Leuchterschei­ nung.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das optische Filter 7′ im optoelektrischen Wandler 7 auf die Wellenlänge der "gelben Natriumlinie" von rund 589 nm abgestimmt ist. Dadurch wird erreicht, daß das Element Natrium, das Be­ standteil des vorwiegend als Tausalz eingesetzten Na­ triumchlorids ist und das mit besonders niedriger Energie zum Leuchten angeregt werden kann, nachgewiesen wird.

Es entspricht ebenfalls dem erfindungsgemäßen Gedanken, wenn die Elektrode 3 mehrfach über der Fahrbahn 1 ange­ bracht ist. Dabei ist es nicht erforderlich, auch den Hoch­ spannungsgenerator 4 und den optoelektronischen Wandler 7 mehrfach anzuordnen, vielmehr können Mittel zur Mehr­ fachausnutzung des Hochspannungsgenerator 4 (Verteiler) und des Wandlers 7 (Chopper) vorgesehen werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Konzentration von Tausalzen auf Fahrbahnen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen wenigstens einer Elektrode (3) und der Fahr­ bahn (1) mit einer darauf befindlichen, Tausalz enthalten­ den Wasserschicht (2) eine elektrische Entladung ausgelöst wird, die das Abdampfen der Tausalz enthaltenen Wasser­ schicht (2) bewirkt, Tausalz in den Entladungskanal beför­ dert und dessen Atome zur Emission von Licht anregt, dessen Intensität in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge elek­ trisch gemessen und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Aufbau des Entladungskanals fließende Strom kurzzeitig auf einem annähernd konstanten Wert gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Aufbau des Entladungskanals kurzzeitig flie­ ßende, etwa konstante Strom bei allen Entladungen etwa den gleichen Wert hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die für das Element Natrium charakteristi­ sche Spektrallinie mit der Wellenlänge von rund 589 nm aus­ gewertet und daraus ein elektrisches Signal als Maß für die Konzentration des als Tausalz verwendeten Natriumchlorids gewonnen wird.

5. Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Konzentra­ tion von Tausalzen auf Fahrbahnen mit folgenden Merkmalen:

• - ein Hochspannungsgenerator (4) besitzt mindestens eine daran angeschlossene Elektrode (3),
• - es ist mindestens ein Kollimator (5) vorgesehen, dessen Sichtbereich auf den Zwischenraum zwischen der Elektro­ de (3) und der Fahrbahn (1) ausgerichtet ist und an den ein Lichtwellenleiter (6) angeschlossen ist,
• - mindestens ein optoelektrischer Wandler (7), der als Ein­ gang den Lichtwellenleiter (6) aufweist, enthält Mit­ tel (7′) zur spektralen Bewertung des Lichts,
• - am Ausgang einer elektrischen Auswerteschaltung (8), die als Eingang eine elektrische Verbindung zum optoelektri­ schen Wandler (7) aufweist, werden Geräte angeschlossen, die das elektrische Signal, das der Konzentration des Tausalzes auf der Fahrbahn (2) entspricht, auswerten.