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Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung des Ein- bzw.
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Ausfahrens von Kraftfahrzeugen in einen bzw. aus einem bestimmten
Abschnitt (Meßfeld) einer Verkehrsfläche Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Feststellung des Ein- bzw. Ausfahrens von Kraftfahrzeugen in einen bzw.aus einem
bestimmten Abschnitt (Meßfeld) einer Verkehrsfläche und auf eine Vorrichtung zur
Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Die Feststellung, ob ein Fahrzeug in ein Meßfeld hinein-oder aus diesem
herausfährt, ist z.B. zur Detektion von Fahrzeugbewegungen vor Verkehrssignalanlagen
von Bedeutung, deren Signalgabe von der auf den verschiedenen Verkehrswegen, deren
Verkehrsflüsse von der Signalanlage geregelt werden sollen, jeweils vorhandenen
Verkehrsdichte gesteuert wird. Eine solche Verkehrssignalanlage ist z.B. aus der
DE-OS 27 39 863 bekannt.
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Als Verkehrsdetektoren wurden bisher vor allem in die Fahrbahn eingelassene
Induktionsschleifen verwendet. Ein Nachteil dieser Induktionsschleifendetektoren
ist jedoch, daß ihr Einbau relativ aufwendig ist.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs
genannten Art und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren zu schaffen, bei
dem die Verkehrsdetektoren gegenüber Induktionsschleifendetektoren ungleich unkomplizierter
installiert werden können, und dennoch betriebssicher arbeiten.
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Erfindungsgemäß ergibt sich die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß
das Meßfeld mittels einer im Wellenlängenbereich von ca. 7/um bis ca. 14 1um wirksamen
Optik auf dem sensitiven Bereich eines pyroelektrischen Elementes abgebildet, und
eine zwischen Elektroden des pyroelektrischen Elementes abgreifbare Ausgangsspannung
in ihrem zeitlichen Verlauf untersucht wird.
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Auf diese Weise werden Fahrzeugbewegungen vorteilhaft durch die Veränderung
der Intensität der vom Meßfeld ausgehenden Infrarotstrahlung detektiert, die durch
das Einfahren eines Fahrzeuges in das Meßfeld bzw. das Verlassen des Meßfeld des
durch ein Fahrzeug verursacht wird Zwar ist die Verwendung von pyroelektrischen
Elementen zum Erfassen und Sichtbarmachen von Infrarotstrahlung z.B. aus der DE-OS
30 G9 161 bekannt. Dort wird ein pyroelektrisches Element jedoch nur ganz allgemein
als zur Feststellung der Intensität von Infrarotstrahlung geeignet beschrieben,
wobei vor allem die von einem aktiven Infrarotstrahler ausgehende Strahlung ins
Auge gefaßt ist.
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Auch ist aus der DE-AS 26 27 254 schon ein Verfahren zur Messung der
Temperatur eines Graphitrohres bekannt, bei dem ein Maß für die Temperatur des Graphitrohres
nur aus einem begrenzten Wellenlängenbereich, der zwischen 8/um und 14um liegt,
gewonnen wird. Dieser Wellenlängenbereich wird dort aber deshalb gewählt, um die
Intensitätsänderung der Strahlung in einem relativ großen Temperaturbereich von
1000C bis 27000C möglichst niedrig zu halten, so daß die Meßeinrichtung nicht übersteuert
wird.
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Dagegen liegt der erfindungsgemäßen Wahl des Wellenlängenbereiches
von 7/um bis 14 1um die Erkenntnis zugrunde, daß die maximale Strahlungsintensität
von störenden Strahlungsquellen, wie z.B. die der Sonne, außerhalb dieses Wellen-
längenbereiches
liegt und damit Intensitätsschwankungen, die z.B. durch eine vorübergehende Abschattung
der Sonne, z.B. durch Wolken oder Baumäste, hervorgerufen werden, in dem gewählten
Wellenlängenbereich kaum zur Auswirkung kommen und daher keine Fehlsignale hervorrufen
können, daß aber die maximale Strahlungsintensität der von Kraftfahrzeugen ausgehenden
Infrarotstrahlung in eben diesem Bereich liegt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausgangsspannung
nach einer zweimaligen Differentiation mit Schwellwerten verglichen und jedes Unter-
bzw. Überschreiten eines Schwellwertes ausgewertet wird.
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Auf diese Weise werden vorteilhaft aus der Ausgangsspannung des pyroelektrischen
Elementes, die von jeder Intensitätsänderurgder auf den sensitiven Bereich des pyroelektrischen
Elementes einfallenden Infrarotstrahlung erzeugt wird, Impulse gewonnen. Dadurch
wird erreicht, daß das Ein-und Ausfahren eines Fahrzeuges in bzw. aus dem Meßfeld
sicher und schnell erkannt wird, und die thermische und elektrische Zeitkonstante
des pyroelektrischen Elementes nur von geringem Einfluß ist.
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Im Rahmen vorliegender Erfindung kann auch noch weiter vorgesehen
sein, daß vor der Differentiation eine Verstärkung und Filterung der Ausgangsspannung
des pyroelektrischen Elementes vorgenommen wird, und daß die Schwellwerte hysteresebehaftet
vorgesehen sind.
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Versieht man die Filterwirkung insbesondere mit einer Tiefpaßcharakteristik,
so können dadurch Intensitätsänderungen, die eine Mindestzeitdauer nicht erreichen,
ausgeschieden werden. Ebenso kann durch Festlegung einer Hysterese von z.B. 1% erreicht
werden, daß die Auswertezeitspanne der Ausgangsimpulse eine Mindestzeitdauer von
z.B. 50msec nicht
unterschreiten kann.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens derart aufgebaut, daß das pyroelektrische Element im Strahlengang einer
Cassegrain-Spiegelanordnung angeordnet ist, daß die Öffnung des Primärreflektors
der Cassegrain-Spiegelanordnung mittels einer Polyäthylenfolie abgedeckt ist, daß
die Cassegrain-Spiegelanordnung in einem rohrförmigen Gehäuse mit koaxial zur Gehäuseachse
ausgerichteter optischer Achse des Primärreflektors angeordnet ist, daß zwischen
der Öffnung des Primärreflektors und einer Öffnung des Gehäuses ein das Gehäuseinnere
abschließender, auswechselbarer und für Infrarotlicht transparenter Deckel vorgesehen
ist, daß auf der vom Deckel abgewandten Seite der Cassegrain-Spiegelanordnung ein
die Elektronik der Vorrichtung aufnehmender Gehäuseraum vorgesehen ist, und daß
mit dem schwenk- und arretierbar angeordneten Gehäuse eine optische Visiereinrichtung
verbunden sein kann. Dadurch wird vorteilhaft eine z.B. auf oder an einem Mast befestigbare
Vorrichtung geschaffen, die relativ unkompliziert auf denjenigen Abschnitt einer
Verkehrsfläche gerichtet werden kann, der als Meßfeld verwendet werden soll.
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Schließlich kann im Rahmen vorliegender Erfindung noch vorgesehen
sein, daß die Vorrichtung ein pyroelektrisches Element mit zwei unabhängig voneinander
beeinflußbaren gleichen sensitiven Bereichen aufweist, die beide im Strahlengang
der Cassegrain-Spiegelanordnung angeordnet sind, und daß lediglich die Differenz
der Ausgangsspannungen der beiden sensitiven Bereiche des einzigen Elementes einer
Auswerteschaltung zugeführt ist.
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Auf diese Weise kompensieren sich die von einem Wechsel der Umgebungstemperatur
verursachten Ausgangsspannungen der beiden sensitiven Bereiche des einzigen pyroelektrischen
Elemen-
tes gegenseitig, so daß die Vorrichtung gegenüber Störeinflüssen
weitgehend unempfindlich gemacht werden kann.
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Nachfolgend wird anhand von sechs Figuren der Gegenstand der Erfindung
noch näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der zur Auswertung der Ausgangsspannung
des pyroelektrischen Elementes vorgesehenen Schaltung, Fig. 2 zeigt in Seitenansicht
und nicht maßstabsgetreu, sowie schematisch,eine Vorrichtung, die unter Verwendung
eines pyroelektrischen Elementes aufgebaut ist, und die Fig. 3 bis 6 zeigen Amplituden-Zeitdiagramme
von an bestimmten Punkten des Prinzipschaltbildes nach Fig. 1 auftretenden Signalen.
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Aus den Fig. 1 und 2 ist zu entnehmen, daß ein pyroelektrisches Element
1 mit seinem sensitiven Bereich 2 im Strahlengang 3 einer Cassegrain-Spiegelanordnung
befestigt ist.
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Die Cassegrain-Spiegelanordnung besteht aus einem z.B.
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parabolisch gekrümmten Primärreflektor 4, in dessen Brennpunkt der
Sekundärreflektor 5 angeordnet ist und den am Primärreflektor 4 reflektierten einfallenden
Strahl 3 auf den sensitiven Bereich2 des pyroelektrischen Elementes 1 umlenkt. Die
Öffnung des Primärreflektors 4 ist durch eine Polyäthylenfolie 6 abgedeckt. Diese
Folie ist für Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 7/um bis ca. 14 1um transparent
und schützt die Cassegrain-Spiegelanordnung vor dem Eindringen unerwünschter Stoffe.
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Die Cassegrain-Spiegelanordnung hat vorzugsweise einen Öffnungswinkel
von 70. Nicht dargestellt ist ein vor dem pyroelektrischen Element 1 angeordnetes
optisches Bandfilter, mit einem Durchlaßbereich von 7 bis 14/um, das den
Empfindlichkeitsbereich
der Anordnung bestimmt.
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Die Cassegrain-Spiegelanordnung ist mit ihrer optischen Achse 7 koaxial
zur Achse 8 eines rohrförmigen Gehäuses 9 in diesem angeordnet, wobei die durch
die Folie 6 abgedeckte Öffnung des Primärreflektors 4 einer offenen Seite 10 des
Gehäuses 9 zugewandt ist. Die andere Seite 11 des Gehäuses 9 ist verschlossen und
in einem zwischen der Cassegrain-Spiegelanordnung und der Seite 11 des Gehäuses
9 vorgesehenen Gehäuseabschnitt 12 ist die elektronische Schaltung 13 (Fig. 1) zur
Auswertung der Ausgangsspannung des pyroelektrischen Elementes 1 angeordnet.
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Ein zwischen der Seite 10 des Gehäuses 9 und der durch die Folie 6
abgedeckten Öffnung des Primärreflektors vorgesehener Gehäuseabschnitt 14 verhindert,
daß Strahlen mit schrägem Einfallswinkel zum Primärreflektor 4 gelangen können.
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In dem Gehäuseabschnitt 14 ist außerdem ein gegenüber Infrarotstrahlung
transparenter Deckel 15 vorgesehen. Dieser ist auswechselbar ausgebildet und schützt
das Innere der Vorrichtung gegenüber Einflüssen der Außenwelt.
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Eine mit dem Gehäuse 9 verbundene optische Visiereinrichtung 16 ermöglicht
es, das schwenk- und arretierbar z.B.
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an einem Mast befestigbare Gehäuse 9 auf einen bestimmten Abschnitt
(Meßfeld) einer Verkehrsfläche so auszurichten, daß die von dem Meßfeld ausgehenden
Strahlen von der Cassegrain-Spiegelanordnung entsprechend abgelenkt und gebündelt
auf den sensitiven Bereich des pyroelektrischen Elementes fallen.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß insbesondere
Kraftfahrzeuge, wenn sie in das Meßfeld einfahren bzw. das Meßfeld verlassen, eine
Intensitätsmodulation der aus der Richtung des Meßfeldes in die Cassegrain-Spiegelan-
ordnung
eingestrahlten Infrarotstrahlung bewirken.
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Dies hat je nach Intensitätsänderung der Infrarotstrahlung, eine Aufheizung
oder Abkühlung des pyroelektrischen Elementes gegenüber dem zuvor vorhandenen Zustand
des Elementes zur Folge. Solche Temperaturänderungen bewirken mechanische Spannungen
in dem pyroelektrischen Element. Mit Hilfe an dem Element angebrachter Elektroden
können von diesen mechanischen Spannungen verursachte Änderungen elektrischer Potentiale
als Ausgangsspannung abgegriffen und ausgewertet werden.
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Hierzu wird die Ausgangsspannung zunächst mittels eines Verstärkers
17 (Fig. 1) mit Tiefpaßcharakteristik vorverstärkt.
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Am Schaltungspunkt 18 ergibt sich dann ein Spannungsverlauf etwa entsprechend
Fig. 3, wobei mit 19, 20, 21 und 22 die jeweiligen Zeitspannen angedeutet sind,
die verstreichen, während ein Fahrzeug das Meßfeld durchfährt.
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Um aus diesem Spannungsverlauf eine für eine Auswertung brauchbarere
und aussagekräftigere Spannung zu gewinnen, wird die Ausgangsspannung des Verstärkers
17 einer zweimaligen Differentiation unterworfen.
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In Fig. 4 ist schematisch angedeutet, wie der Spannungsverlauf am
Schaltungspunkt 23, also nach der ersten Differentiation etwa aussieht, während
Fig. 5 den Spannungsverlauf am Schaltungspunkt 24 zeigt, also nach der zweiten Diffecentaticn
der vorverstärkten Ausgangsspannung des pyroelektrischen Elementes 1.
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Über eine weitere Verstärkerstufe 25 mit Tiefpaßcharakteristik wird
die Spannung U24 einem hyteresebehafteten Schwellwertschalter 26 zugeführt, der
ausgangsseitig am Schaltungspunkt 27 Impulse erzeugt, wie sie in Fig. 6 dargestellt
sind.
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Durch die Hysterese des Schwellwertschalters 26 und die Tiefpaßbharakteristik
des Verstärkers 25 wird sichergestellt, daß auch relativ kurze Impulse der Spannung
U24 am Ausgang 27 Impulse mit einer Mindestzeitdauer von z.B.
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50ms erzeugen.
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Aus den so gewonnenen Impulsen der Spannung U27 kann daher nun eine
Aussage über das Verkehrsgeschehen auf demjenigen Verkehrsweg abgeleitet werden,
in dem sich das von dem Infrarotdetektor überwachte Meßfeld befindet.
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11 Patentansprüche 6 Figuren