NL2023081B9 - Regen/vloeistofsensor met ir-lichtabsorptie - Google Patents

Abstract

Beschreven wordt een regen/vloeistofsensor omvattende: — een lichtzender die is ingericht om licht met een bepaalde intensiteit uit te zenden, — een lichtontvanger die is ingericht om het uitgezonden licht na doorgang door buitenlucht op te vangen en om te zetten in een elektrisch uitgangssignaal dat een maat bevat voor in de buitenlucht ondervonden absorptie van het verzonden licht, en — een verschilschakeling met ingangen die op de lichtzender en de lichtontvanger zijn aangesloten en met een uitgang voor het daaraan afgeven van een elektrisch verschilsignaal dat een maat bevat voor een actuele hoeveelheid vallende vloeistof druppels, c.q. regen in de buitenlucht.

Description

- 1 = REGEN/VLOEISTOFSENSOR MET IR-LICHTABSORPTIE De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze waarbij door een lichtzender licht wordt uitgezonden dat na interactie met regendruppels wordt opgevangen ten behoeve van toepassing in een regensensor.

Een dergelijke werkwijze en regensensor zijn algemeen bekend. De werkwijze die zoals bekend gevolgd wordt betreft interactie in de vorm van reflectie van licht aan op de buitenzijde van een doorzichtig ruit gevallen regen. Hierbij breekt het uitgezonden licht eerst aan een eerste grensvlak tussen binnenruimte en ruit, loopt door het doorzichtige raammateriaal, breekt aan een tweede grensvlak tussen dat materiaal en de buitenlucht, om vervolgens te reflecteren aan op de buitenzijde aanwezig regenwater, waarna op diens weg terug naar de lichtsensor de geschetste weg in omgekeerde richting wordt doorlopen. Na meting van het door de lichtsensor opgevangen licht wordt hieruit een stuursignaal voor de ruitenwisser afgeleid. Telkens nadat een ruitenwisser de ruit heeft schoongeveegd worden nieuwe metingen uitgevoerd.

Dergelijke werkwijzen en regensensoren zijn ondanks bijbehorende onnauwkeurigheden als gevolg van de aanwezigheid van meervoudige brekingsvlakken voor het met de regensensor besturen van automatische ruitenwissers, toch voldoende gebleken.

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van verbeterde werkwijzen en regen/vloeistofsensoren die actuele en betrouwbaarder resultaten geven, en tevens geschikt zijn voor grotere nauwkeurigheden vereisende toepassingen.

Daartoe heeft de werkwijze overeenkomstig de uitvinding het kenmerk dat door een lichtzender met een

- 2 bepaalde intensiteit uitgezonden licht na doorgang door buitenlucht wordt opgevangen door een lichtontvanger, waar de intensiteit van het opgevangen licht wordt gebruikt om het verschil te bepalen met de intensiteit van het uitgezonden licht, welk verschil als gevolg van lichtabsorptie bij doorgang door de buitenlucht maat vormt voor een actuele hoeveelheid vallende vloeistofdruppels, c.q. regen in de buitenlucht. De dienovereenkomstige regen/vloeistofsensor heeft het kenmerk dat deze omvat: ~ een lichtzender die is ingericht om licht met een bepaalde intensiteit uit te zenden, ~ een lichtontvanger die is ingericht om het uitgezonden licht na doorgang door buitenlucht op te vangen en om te zetten in een elektrisch uitgangssignaal dat een maat bevat voor in de buitenlucht ondervonden absorptie van het verzonden lichtsignaal, en - een verschilschakeling met ingangen die op de lichtzender en de lichtontvanger zijn aangesloten en met een uitgang voor het daaraan afgeven van een elektrisch verschilsignaal dat een maat bevat voor een actuele hoeveelheid vallende vloeistof, c.q. regen in de buitenlucht.

Voordeel van de werkwijze en regen/vloeistofsensor volgens de uitvinding is dat deze direct optisch aan de op een zeker moment vrij vallende regen of vloeistofdruppels meet. Hiervoor zijn dus geen horizontaal of scheefstaande, en extra lichtabsorptie veroorzakende, ruiten waarop de regen valt nodig. Bovendien zijn bij de onderhavige uitvinding geen ruitenwissers vereist.

Verrassenderwijs blijkt in de praktijk dat de dichtheid aan vallende druppels, samen met hun gemiddelde afmetingen, en de vormen van de individuele druppels hun weerslag vinden in de uiteindelijk gemeten lichtenergie absorptie aan vallende druppels. De absorptie gerelateerd aan de oorspronkelijk door de lichtzender verzonden

_ 3 — lichtintensiteit verschaft aan het uitgangssignaal van de verschilschakeling een betrouwbaar meetresultaat voor absorptie van het zendsignaal aan de actuele hoeveelheid per tijdseenheid neervallende druppels binnen het oppervlak van de lucht of ruimte waarin het licht wordt gestraald. Hiermee ontstaat een qua hardware eenvoudige, doch als regen/vloeistofsensor actuele de hoeveelheid regen/vloeistof nauwkeurig bepalende regen/vloeistofsensor die ook geschikt is voor toepassingen, waarin algemener geformuleerd een grotere nauwkeurigheid en inzicht in de actueel vallende hoeveelheden vloeistof in een vloeistofsensor gewenst is.

Een uitvoering van een in de praktijk eenvoudig door middel van in hoofdzaak elektrische componenten te realiseren vorm van de werkwijze heeft overeenkomstig de uitvinding het kenmerk dat het door de lichtontvanger ontvangen licht wordt omzet in een elektrisch uitgangssignaal, dat samen met een elektrisch signaal dat representatief is voor althans de intensiteit van het uitgezonden licht, wordt toegevoerd aan een verschilschakeling die een elektrisch uitgangssignaal afgeeft dat een maat vormt voor genoemd verschil tussen beide lichtintensiteiten.

Een verdere uitvoeringsvorm van de werkwijze overeenkomstig de uitvinding heeft het kenmerk dat de intensiteit van het door de lichtzender uitgezonden licht als functie van de tijd puls- of blokvormig is.

Dit biedt als voordeel dat telkens met de zo mogelijk korte herhaaltijd van dit zendsignaal achtereenvolgende nieuwe metingen van de actueel vallende hoeveelheden vloeistof, in het bijzonder regen mogelijk zijn, wat als gevolg heeft dat de herhaalde metingen de gemiddelde nauwkeurigheid van meting van de hoeveelheid feitelijk op enig moment vallende vloeistof verbetert.

_ 4 — In de praktijk is voor de vakman de sensor volgens de uitvinding naar wens op analoge en/of digitale wijze met behulp van dito elektronische componenten te realiseren.

Verder gedetailleerde mogelijke uitvoeringsvormen die in de overige conclusies zijn uiteen gezet, zijn samen met hun daarbij behorende voordelen in de navolgende beschrijving vermeld.

Thans zullen de werkwijze en de regen/vloeistofsensor volgens de onderhavige uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van de onderstaande figuren, waarin overeenkomstige onderdelen van dezelfde verwijzingscijfers zijn voorzien. Daarbij toont: Figuur 1 een schema van een in principe op diverse manieren technisch uit te voeren regen/vloeistofsensor volgens de uitvinding, aan de hand waarvan Levens de werkwijze volgens de uitvinding zal worden toegelicht.

Figuur 1 toont een schema van een regen- c.q.

vloeistofsensor 1. De sensor 1 omvat een lichtzender 2 met bij voorkeur als zendend orgaan een of meer LED's 3, bij voorkeur infrarood licht zendend, welk licht naar een ruimte of de buitenlucht 4 wordt gestraald, waar regendruppels D vrij kunnen vallen die dan in interactie treden met het uitgestraalde licht. Bij gebruik van de sensor 1 als vloeistofsensor gaat het om interactie met vrij in de (buiten) lucht of de ruimte vallende druppels D.

De sensor 1 bevat verder een lichtontvanger 5, die bijvoorbeeld een of meer fotodiodes heeft, waarop het uitgestraalde licht na absorptie aan de regendruppels D van vallende regen op de ontvanger 5 valt en dit licht omzet in een elektrisch uitgangssignaal. Dit uitgangssignaal bevat een elektrische maat voor in de buitenlucht 4 ondervonden absorptie van het verzonden licht, in het bijzonder aan de daar vallende regendruppels D.

De grafisch in figuur 1 weergegeven lichtintensiteit

- B — c.q. de variatie daarin als functie van de tijd van het in de ontvanger 5 ontvangen licht wordt gebruikt om het verschil te bepalen met de intensiteit van het uitgezonden licht. Voor de laatstgenoemde kan eventueel het DC niveau van de ontvangen in de grafiek getoonde lichtintensiteit worden gebruikt. Voornoemd verschil is het gevolg van lichtabsorptie aan de druppels D bij doorgang door de vrije ruimte of de lucht 4 en is een maat voor de actuele hoeveelheid per tijdseenheid vallende druppels D. In de praktijk bevat de lichtontvanger 5 een verschilschakeling 6 met ingangen 7, 8. De ene ingang is op de lichtontvanger 5 aangesloten en aan de andere ingang wordt een signaal aangeboden dat representatief voor de intensiteit van het door de LED 3 uitgezonden licht. De schakeling 6 heeft verder een uitgang 9 voor het daaraan afgeven van een elektrisch verschilsignaal dat een maat bevat voor voornoemde lichtabsorptie die maat is voor een actuele hoeveelheid vallende druppels D.

Om de inval van daglicht in de lichtontvanger 5 zoveel mogelijk tegen te gaan kan de sensor 1 een voor de lichtontvanger 5 geplaatst daglicht afschermend orgaan, zoals een infrarood filter 10, omvatten. In de praktijk ligt de golflengte van het door de LED 3 uitgestraalde licht in het nabije infrarood gebied tussen 780 nm en 3 um, zeer in het bijzonder bij 850 nm. Daglicht heeft een als functie van de tijd traag veranderende instraling van lichtenergie tot gevolg die in de ontvanger 1 slechts tot het detecteren van een gelijkspanningsniveau (DC niveau) leidt. Dat DC niveau wordt als is weergegeven in figuur 1 verwijderd door in de ontvanger 5 een schematisch weergeven compensatieschakeling 11 op te nemen. Dat zou een hoogdoorlaat- of een bandfilter kunnen zijn dat althans de DC component verwijdert, en de hogere, eventueel storende, frequenties verwijdert uit het ontvangen lichtsignaal, voor zover dat geen frequenties betreft die representatief zijn voor de absorptie van licht aan de druppels D.

_ 5 — De sensor 1 kan een op de lichtzender 2 aangesloten al of niet gepulst bedreven oscillator 12, in het bijzonder een puls- of blok oscillator omvatten. Gedurende feitelijke pulsen of blokken B, waarin het licht door de LED wordt uitgestraald wordt dat licht, dat tenminste gedeeltelijk door een of meer druppels D wordt geabsorbeerd, tijdelijk verzwakt en treden hierin in de figuur 1 getoonde verstoringen of dips 13 op, die in de lichtontvanger 5 worden gedetecteerd. Absorptie van licht aan druppels D met een klein resp. groot formaat leidt tot dips 13 met te onderscheiden dieptes en breedtes in het daarin getoonde lichtabsorptie patroon. De oppervlakte van een verstoring 13 ten opzichte van het DC niveau is een betrouwbare maat gebleken voor het formaat van de vallende regendruppels D.

specifiek geeft die oppervlakte gecombineerd met de frequentie, waarin de druppels D vallen d.w.z. de dips 13 optreden, betrouwbare informatie over met name de hoeveelheid neerslag die per oppervlak, per tijd valt. De elektronische schakelingen die achter de lichtontvanger 5 zijn geschakeld geven een signaal aan uitgang 9 dat die informatie bevat. Eventuele niet-lineariteiten tussen de oppervlakte van de dips 13 respectievelijk de frequentie waarin de dips optreden, en de hoeveelheid neerslag die feitelijk valt kunnen in het analoge of digitale uitgangssignaal worden gecorrigeerd.

Bij een voornoemd mogelijk gepulst bedrijf ligt de pulsfreguentie van het puls- of blokvormige door de zender 2 uitgezonden licht t.b.v. herhaalde metingen aan de regen in het gebied van 0-10 KHz, in het bijzonder 0-5 KHz.

Ingeval er sprake is of kan zijn van op de ontvanger 5 vallend storend daglicht kan afgezien of naast het filter 10 een daglichtsensor 14 uitkomst bieden die de intensiteit van daglicht in de ruimte of buitenlucht 4 meet. In dat geval omvat de sensor 1 een in de lichtzender 2 geplaatste zendstroom instelorgaan 15, waarop de daglichtsensor 14 is aangesloten. Door het instelorgaan 15 wordt het gemeten

- 7 — daglicht gebruikt om de stroom naar de LED, en dus de intensiteit van het uitgestraalde licht, bij te regelen. Veranderend storend daglicht heeft dan minder tot geen invloed meer op het opgevangen licht.

De onderhavige regen/vloeistofsensor 1 zal door de vakman desgewenst op analoge of al of niet gedeeltelijk digitale wijze kunnen worden geïmplementeerd. In de figuur zal schematisch een analoge implementatie worden herkend. In een verdere mogelijke uitvoeringsvorm omvat de sensor 1 een niet in de figuur weergegeven analoog-digitaal (A/D) omzetter, waarbij de uitgang van de verschilschakeling 6, indien uitgevoerd als analoge verschilschakeling, is aangesloten op de A/D omzetter voor afgifte van een digitale representatie van het elektrische verschilsignaal.

In bijvoorbeeld afgelegen weerstations wordt althans het ter plaatse gemeten momentele volume aan regenval in digitale vorm veelal draadloos naar een verwerkende centrale opvang gezonden.

Ontwater- en bewatering systemen, of drainagesystemen zoals voor paardenbakken, hebben er voordeel van als onmiddellijk na een verandering van de regenconditie ter plaatse, nauwkeurig kwantitatief kan worden ingegrepen, en zelfs al voordat de negatieve gevolgen van een regenbui op de ondergrond merkbaar zijn.

Claims (15)

_ 8g — CONCLUSIES

1. Werkwijze waarbij door een lichtzender met een bepaalde intensiteit uitgezonden licht na doorgang door buitenlucht wordt opgevangen door een lichtontvanger, waar de intensiteit van het opgevangen licht wordt gebruikt om het verschil Le bepalen met de intensiteit van het uitgezonden licht, welk verschil als gevolg van lichtabsorptie bij doorgang door de buitenlucht maat vormt voor een actuele hoeveelheid per tijdseenheid vallende vloeistofdruppels, c.q. regen in de buitenlucht.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het door de lichtontvanger ontvangen licht wordt omzet in een elektrisch uitgangssignaal, dat samen met een elektrisch signaal dat representatief is voor althans de intensiteit van het uitgezonden licht, wordt toegevoerd aan een verschilschakeling die een elektrisch uitgangssignaal afgeeft dat een maat vormt voor genoemd verschil tussen beide lichtintensiteiten.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de intensiteit van het door de lichtzender uitgezonden licht als functie van de tijd puls- of blokvormig is.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de pulsfrequentie van het puls- of blokvormige door de lichtzender uitgezonden licht in het gebied van 0-10 KHz, in het bijzonder in het gebied van 0-5 KHz ligt.

5. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-4, met het kenmerk dat de golflengte van het door de lichtzender uitgezonden licht in het infrarood gebied, in het bijzonder in het nabije infrarood gebied tussen 780 nm en 3 um, zeer in het bijzonder bij 850 nm, ligt.

_ 9 —

6. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-5, met het kenmerk dat een, eventueel elektrische, maat voor daglicht intensiteit wordt gebruikt om de intensiteit van het door de lichtzender uitgezonden licht te vergroten.

7. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-6, met het kenmerk dat een, eventueel elektrische, maat voor daglicht intensiteit wordt gebruikt ter instelling van de intensiteit van het door de lichtzender uitgestraalde licht.

8. Regen/vloeistofsensor omvattende: - een lichtzender die is ingericht om licht met een bepaalde intensiteit uit te zenden, - een lichtontvanger die is ingericht om het uitgezonden licht na doorgang door buitenlucht op te vangen en om te zetten in een elektrisch uitgangssignaal dat een maat bevat voor in de buitenlucht ondervonden absorptie van het verzonden licht, en — een verschilschakeling met ingangen die op de lichtzender en de lichtontvanger zijn aangesloten en met een uitgang voor het daaraan afgeven van een elektrisch verschilsignaal dat een maat bevat voor een actuele hoeveelheid per tijdseenheid vallende vloeistofdruppels, c.q. regen in de buitenlucht.

9. Sensor volgens conclusie 8, met het kenmerk dat de verschilschakeling is uitgevoerd als een digitale of een analoge verschilschakeling.

10. Sensor volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk dat de regensensor een analoog-digitaal (A/D) omzetter bevat, en de uitgang van de verschilschakeling, indien uitgevoerd als analoge verschilschakeling, is aangesloten

- 10 = op de A/D omzetter voor afgifte van een digitale representatie van het elektrische verschilsignaal.

11. Sensor volgens één van de conclusies 8-10, met het kenmerk dat de regensensor een voor de lichtontvanger geplaatst daglicht afschermend orgaan, zoals een infrarood filter, omvat.

12. Sensor volgens één van de conclusies 8-11, met het kenmerk dat de regensensor een zendstroom instelorgaan, en een hierop aangesloten daglichtsensor bevat die de intensiteit van daglicht in de buitenlucht bepaalt om op basis daarvan met genoemd daartoe ingericht instelorgaan de intensiteit van het door de lichtzender uitgestraalde licht bij te stellen.

13. Sensor volgens conclusie 12, met het kenmerk dat de regensensor een op de lichtzender aangesloten, al of niet gepulst bedreven wisselspanning, generator of een puis- of blok generator omvat, en de compensatieschakeling is ingericht om het DC niveau, dat representatief is voor door de lichtontvanger ontvangen daglicht, uit het door de lichtontvanger ontvangen signaal de verwijderen.

14. Sensor volgens één van de conclusies 8-13, met het kenmerk dat de lichtzender ten minste één LED, bij voorkeur een infrarood LED, bevat.

15. Weerstation voorzien van een regen/vloeistofsensor volgens één van de conclusies 8-14.