DE10013831C2 - Verfahren zur berührungslosen Messung der Konzentration von Tausalzen auf einer Fahrbahn und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Konzentration von Tausalzen auf einer Fahrbahn gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie aus DE 44 46 791 C1 bekannt und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Verhinderung von Glätte auf den Fahrbahnen von Straßen, Autobahnen und an­ deren Verkehrsflächen werden zur Winterzeit 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 Tausalzgehalt auf der Fahrbahn zu messen. Dadurch können sowohl die Kosten für das verbrauchte Tausalz gesenkt als auch die Belastung der Umwelt verringert werden. Zur Messung des Tausalzgehalts werden häufig Lichterscheinungen ausgenutzt, die durch das Einwirken äußerer Ein­ flüsse auf das im Wasser gelöste Tausalz entstehen.

Aus WO 93/05386 A1 ist ein Verfahren zur Messung der auf Verkehrsflächen befind­ lichen Tausalzmengen bekannt, bei dem eine starke elektromagnetische Strahlung auf die Verkehrsfläche gerichtet und die Intensität der im Tausalz entstehenden Lumines­ zenz bestimmt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die praktisch eingesetzten Tausalze, vorzugsweise Natrium- und Kalziumchlorid, nur im Bereich der Röntgen­ strahlen 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 eingesetzte Tausalz mit einem chemischen Stoff zu markieren, dessen Lumineszenz besser meßbar ist. Dann kann diese Vorrichtung auch von einem fahrenden Fahrzeug aus betrieben werden. Dadurch 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 der eingangs genannten DE 44 46 791 C1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem zwischen einer Elektrode über der Fahrbahn und der auf dieser befindlichen Flüssigkeit eine elektrische Entladung ausgelöst und aus dem dabei entstehenden Licht der für Natrium charakteristische Spektralanteil herausgefiltert und in seiner Intensität gemessen wird. Das Verfahren ist eine spezielle Anwendung der Spektrometrie, die darin besteht, unbekannte Substanzen durch eine starke Energiezufuhr zum Leuchten anzuregen und das dabei entstehende Licht spektroskopisch auszuwerten. Das Verfahren hat die Eigenschaft, dass die darin vorgesehenen elektrischen Entladungen zwecks zuverlässiger Messergebnisse einen gleichmäßigen Energiegehalt aufweisen müssen und daher einen genau einzuhaltenden Abstand zwischen Elektrode und Fahrbahn erfordern. Das ist nicht möglich, wenn die Elektrode an einem fahrenden Fahrzeug befestigt ist, weil nicht nur gröbere Unebenheiten der Fahrbahn, sondern auch die Rauhigkeit derselben den Abstand ständig verändern.

Weiterhin ist aus DE 195 47 968 C2 ein Verfahren bekannt, bei dem die Stirnseite eines Lichtwellenleiters so angeordnet ist, dass sie ständig von Tropfen des Tausalz enthaltenden Wassers, das sich auf der Fahrbahn befindet, beaufschlagt wird und dass der dabei in den Lichtwellenleiter zurückreflektierte Lichtanteil gemessen und ausge­ wertet wird. Dieser Lichtanteil hängt von den optischen Brechungsindizes des Licht­ wellenleiters einerseits und der Tausalzlösung auf der Stirnfläche desselben anderer­ seits ab und ist sehr niedrig. Demzufolge sind die Änderungen dieser Reflexionen, die in Abhängigkeit von dem zu messenden Tausalzgehalt des Wassers entstehen, noch wesentlich niedriger und daher schwer zu messen. Obwohl dieses Verfahren nicht auf direkten Messungen auf der Fahrbahn beruht, wird doch die auf der Fahrbahn befind­ liche Flüssigkeit auf die Stirnseite des Lichtwellenleiters übertragen. Daher haben unvermeidliche Verschmutzungen des Wassers, wie sie durch Straßenstaub, Ölreste oder Gummiabrieb auf der Fahrbahn entstehen, einen derartig störenden Einfluss auf die gemessenen Reflexionen, dass in der Auswertung nicht unterschieden werden kann, ob die auf dem Lichtwellenleiter befindliche Flüssigkeit Verschmutzungen oder Tausalz enthält.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mes­ sung von im Wasser gelösten Tausalzen auf Fahrbahnen zu entwickeln. Der Betrieb soll von einem fahrenden Fahrzeug aus möglich sein und auch bei Verschmutzung der Flüssigkeit auf der Fahrbahn zuverlässige Messergebnisse liefern, ohne dass dem Tau­ salz andere Stoffe, die nicht zu seiner tauenden Wirkung beitragen, hinzugesetzt werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 4 gelöst. Die Unteransprüche 2 und 3 sowie 5 und 6 geben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Prinzip, die von der Fahrbahn aufge­ nommene Tausalz enthaltende Flüssigkeit auf einer Aufnahmefläche als dünne Flüssig­ keitsschicht durch eine impulsartige Bestrahlung mit Laserlicht derart zu erhitzen, dass diese zur Emission von Lichtstrahlung angeregt wird. Aus der spektral selektierten Erfas­ sung und Messung dieses Lichts werden elektrische Signale gewonnen, die einen deut­ lich messbaren Zusammenhang mit der Konzentration des Tausalzes auf der Fahrbahn aufweisen, ohne dass Verschmutzungen der Tausalz enthaltenden Flüssigkeit einen direkten Einfluss auf das Messergebnis haben. Ebenfalls hat die Oberflächenbe­ schaffenheit der Fahrbahn keine störende Auswirkungen auf den Messvorgang.

Es ist vorteilhaft, die Einzelmessungen in schneller Folge zu wiederholen und dadurch zuverlässige Messergebnisse zu erhalten. Die Flüssigkeitsschicht, auf die das Laserlicht einwirkt, kann sich beispielsweise auf der Lauffläche eines auf der Fahrbahn abrollenden Rades befinden. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die durch das Laufrad weggeschleuderte Flüssigkeit auf einer Prallplatte aufzufangen und während des Ablaufens dem Einfluss der impulsartigen Laserstrahlung auszusetzen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 das Prinzipbild eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung und Fig. 2 das Prinzipbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung.

Das Laufrad 3, das ein Fahrzeugrad sein kann, rollt auf der Fahrbahn 1 mit der darauf befindlichen Flüssigkeit 2, in der das Tausalz gelöst ist, ab und ist ständig von einer dünnen Flüssigkeitsschicht 2' der auf der Fahrbahn befindlichen Flüssigkeit bedeckt, die sich bei jeder Umdrehung erneuert. In einem bestimmten Abstand zu dem Laufrad befindet sich eine Laserquelle 4, die an die elektrische Anregungsschaltung 7 angeschlossen ist. Ein optoelektrischer Wandler 5 mit einem Kollimatorrohr 5' ist auf den Auftreffpunkt 11 des Laserstrahls auf die Oberfläche des Laufrades gerichtet. Der optoelektrische Wandler 5 enthält ein optisches Filter 6 und ist mit seinem Ausgang an eine Auswerteschaltung 8 angeschlossen, die ihrerseits einen Ausgang zu einem Anzeigegerät 9 aufweist. Die Teile 4 und 5 sind in eine Glocke 10 eingelassen, die diese gegen das Eindringen von Schmutz, Licht oder andere störende Einflüsse von außen abschirmt. Die Teile 4 bis 6 sowie 10 sind mit nicht dargestellten Mitteln an der Achse des Laufrades 3 derart befestigt, dass ihre relative Lage zum Laufrad unabhängig von den Unebenheiten der Fahrbahn gleich bleibt. Die Teile 7 bis 9 sind fest im Fahrzeug montiert und durch flexible Leitungen mit den Teilen 4, 5 und 10 verbunden.

Die Laserquelle 4, durch die Anregungsschaltung 7 gesteuert, sendet in kurzen Zeitab­ ständen impulsartige, energiereiche Laserstrahlen auf die Oberfläche des Laufrades 3. Durch diese konzentrierte Energiezufuhr wird die darauf befindliche Flüssigkeitsschicht 2' punktuell abgedampft und die Atome des Tausalzes zum Leuchten angeregt. Die Intensität dieses Leuchtens ist der Konzentration des Tausalzes in der Flüssigkeits­ schicht proportional. Dieses Licht wird durch das Kollimatorrohr 5' aufgenommen und durch den optoelektrischen Wandler 5 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieser enthält zunächst ein oder mehrere optische Filter 6, die die Wellenlängen der emittierten Lichtstrahlung, die für die im Tausalz enthaltenen chemischen Elemente typisch sind, bevorzugt passieren lassen. Die Höhe des von dem Wandler 5 abgegebenen elektrischen Signals nimmt mit der Konzentration des Tausalzes in der Flüssigkeitsschicht 2' zu und wird der elektrischen Auswerteschaltung 8 zugeleitet. In dieser wird daraus ein weiteres elektrisches Signal abgeleitet und dem Anzeigegerät 9 zugeleitet, an dem die Konzentration des Tausalzes auf der Fahrbahn abgelesen werden kann.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hinter dem Laufrad 3, das vor­ zugsweise ein Fahrzeugrad ist, ein Saugtrichter 12 vorgesehen, dessen große Saug­ öffnung sich in kurzem Abstand von der Fahrbahn im Spritzbereich des Laufrades befin­ det. Der Saugtrichter ist mit einer Krümmung ausgestattet, in deren äußerem Radius eine Prallplatte 13 befestigt ist. Durch den Saugtrichter 12 wird mit nicht dargestellten Mitteln ein starker Luftstrom gezogen. Eine elektrische Anregungsschaltung 15 ist mit einer Laserlichtquelle 14 verbunden, deren Austrittsöffnung auf die Prallplatte 13 gerichtet ist. Die Stirnseite eines Lichtwellenleiters 16 ist ebenfalls auf den gleichen Punkt 11 der Prallplatte wie die Laserlichtquelle gerichtet. Die andere Seite des Licht­ wellenleiters mündet vor dem Filter 6 des optoelektrischen Wandlers 5. Dieser ist wie bekannt mit der Auswerteschaltung 8 und dem Anzeigegerät 9 verbunden. Die Teile 12 bis 14 sind mit nicht dargestellten Mitteln derart mit der Achse des Laufrades 3, das vor­ zugsweise ein Fahrzeugrad ist, verbunden, dass sie nur geringe relative Bewegungen gegenüber dem Laufrad und gegenüber der Fahrbahn 1 ausführen können. Die Teile 5, 6, 8, 9 und 15 können wegen der flexiblen elektrischen und optischen Verbindungen fest am Fahrzeug montiert sein.

Durch den Luftstrom im Saugtrichter 12 werden ständig Partikel der auf der Fahrbahn befindlichen, Tausalz enthaltenden Flüssigkeit 2 mitgerissen und durch den Saugtrichter befördert. Diese Wirkung wird dadurch verstärkt, dass während der Fahrt des Fahr­ zeuges hinter dem Laufrad 3 die Flüssigkeitspartikel in die Luft geschleudert und dadurch noch leichter von dem Luftstrom des Saugtrichters 12 erfasst werden. An der Krümmung des Saugtrichters können die aufgenommenen Partikel infolge ihres größe­ ren spezifischen Gewichts dem Luftstrom nicht folgen und treffen auf die Prallplatte 13, auf der sich daher eine dünne Flüssigkeitsschicht 2' der von der Fahrbahn aufgenommenen Flüssigkeit niederschlägt, in Richtung des Luftstromes entlangwandert und ständig erneuert wird. Die Laserlichtquelle 14 sendet, durch die Anregungsschaltung 15 gesteuert, in kurzen Zeitabständen impulsartige, energiereiche Laserstrahlen auf die Prallplatte. Durch diese konzentrierte Energiezufuhr wird die Flüssigkeitsschicht auf der Prallplatte punktuell abgedampft und die Atome des Tausalzes zum Leuchten angeregt. Dieses Licht wird durch den Lichtwellenleiter 16 aufgenommen, durch das optische Filter 6 geleitet, wo die für die Atome des Tausalzes typischen Wellenlängen der Lichtstrahlung herausgefiltert, und in den optoelektrischen Wandler 5 geleitet werden. Die Intensität des Lichts im Wandler und damit das von ihm abgegebene elektrische Signal, das in oben beschriebener Weise weiter ausgewertet wird, ist der Konzentration des Tausalzes in der von der Fahrbahn aufgenommenen Flüssigkeitsschicht propor­ tional. Auch bei diesem Verfahren haben Verschmutzungen, die auf der Fahrbahn vor­ handen sind, keinen direkten Einfluss auf das Messergebnis.

Claims (6)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Konzentration von Tausalzen auf einer Fahrbahn mittels Anregung der die Tausalze enthaltenden Flüssigkeit und optische Auswertung der emittierten Lichtstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Fahrbahn (1) befindliche Flüssigkeit (2) auf einer Aufnahmefläche als dünne Flüssig­ keitsschicht (2') aufgenommen und der kurzzeitigen Einwirkung eines Lichtimpulses aus einer starken Laserquelle (4) ausgesetzt wird und die Intensität der dabei ent­ stehenden Lichtstrahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge elektrisch gemessen und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Lauffläche eines auf der Fahrbahn abrollenden Laufrades (3) als Aufnahmefläche anhaftende Flüssigkeitsschicht (2') der Einwirkung der Laserquelle ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prallplatte (13) als Aufnahmefläche durch die auf der Fahrbahn (1) befindliche und durch das Laufrad (3) wegschleuderte Flüssigkeit (2) beaufschlagt, und diese als dünne Flüssigkeitsschicht der Einwirkung der Laserquelle ausgesetzt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit folgenden Merkmalen:

• - der Ausgang einer elektrischen Anregungsschaltung (7) ist an eine Laserquelle (4) angeschlossen,
• - die Laserquelle (4) ist in kurzem Abstand zu einer Aufnahmefläche angeordnet und ihr Strahl ist auf die Oberfläche der Aufnahmefläche fokussiert,
• - es ist mindestens ein optoelektrischer Wandler (5) vorgesehen, dessen Kolli­ matorrohr (5') ein optisches Filter (6) enthält und auf den Auftreffpunkt (11) des Laserstrahls auf die Oberfläche der Aufnahmefläche gerichtet ist,
• - am Ausgang einer elektrischen Auswerteschaltung (8), die als Eingang eine elektrische Verbindung zum optelektrischen Wandler (5) aufweist, werden Geräte angeschlossen, die das elektrische Signal, das der Konzentration des Tausalzes in der von der Fahrbahn (1) aufgenommenen Flüssigkeit (2) entspricht, auswerten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmefläche die Oberfläche eines auf der Fahrbahn abrollenden Laufrades ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmefläche eine im Bereich des Laufrades angeordnete Prallplatte ist.