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