DE10013831C2 - Method for the contactless measurement of the concentration of de-icing salts on a road and device for carrying out the method - Google Patents
Method for the contactless measurement of the concentration of de-icing salts on a road and device for carrying out the methodInfo
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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.The invention relates to a method for non-contact measurement of the concentration of de-icing salts on a road surface in accordance with the preamble of claim 1, as known from DE 44 46 791 C1 and a Device for performing the method.
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.To prevent slippery surfaces on roads, highways and on their traffic areas use de-icing salts in winter. The effect of this Thawing salt only lasts for a certain time because it depends on the climatic Conditions, the traffic situation and the road itself are worn to different extents so that reapplication becomes necessary. To avoid doing that If too much de-icing salt is used, it is advisable to check the de-icing salt content on the road to eat. This can both reduce the cost of de-icing salt used pollution of the environment can also be reduced. For measuring the de-icing salt content light phenomena are often exploited, which are caused by the action of external inputs flows on the de-icing salt dissolved in the water.
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.WO 93/05386 A1 describes a method for measuring traffic areas Lichen salt quantities known, in which strong electromagnetic radiation the traffic area and the intensity of the lumines formed in the de-icing salt zenz is determined. A disadvantage of this method is that it is used in practice De-icing salts, preferably sodium and calcium chloride, only in the X-ray area rays have a luminescence. However, their energy is so low that the Radiation is already strongly attenuated in the air and it is extremely difficult to use it to be detected by a detector. In a sub-claim of this patent application therefore carried out to mark the de-icing salt used with a chemical substance, whose luminescence is more measurable. Then this device can also by one moving vehicle can be operated. However, this creates additional ones Costs and another environmental impact. In addition, the de-icing salt mixed substance has the same long-term behavior as the de-icing salt itself, which greatly limits the choice of the substance to be mixed.
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.In the aforementioned DE 44 46 791 C1 a method is described in which between an electrode above the road and the liquid on it an electrical discharge is triggered and the resulting light is used for Sodium characteristic spectral portion filtered out and measured in its intensity becomes. The method is a special application of spectrometry, which consists in to stimulate unknown substances to glow with a strong energy supply and evaluate the resulting light spectroscopically. The procedure has the Property that the electrical discharges provided therein for the purpose reliable measurement results must have an even energy content and therefore a precise distance between the electrode and the road require. This is not possible if the electrode is on a moving vehicle is fixed because not only the rough bumps of the road, but also the Roughness of the same constantly change the distance.
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.Furthermore, from DE 195 47 968 C2 a method is known in which the end face of a Optical fiber is arranged so that it is constantly droplets of de-icing salt containing water, which is located on the roadway, and that the proportion of light reflected back into the optical waveguide is measured and output is evaluated. This proportion of light depends on the optical refractive indices of the light waveguide on the one hand and the de-icing salt solution on the end face of the other hand and is very low. As a result, the changes in these reflections are reflected in Depending on the de-icing salt content of the water to be measured, still arise much lower and therefore difficult to measure. Although this procedure doesn't work is based on direct measurements on the road, since it is located on the road transfer liquid to the front of the optical fiber. Therefore have inevitable pollution of the water, such as from street dust, oil residues or rubber abrasion on the road, such a disturbing influence the measured reflections that cannot be distinguished in the evaluation, whether the liquid on the optical fiber is contaminated or de-icing salt contains.
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. The object of the present invention is to provide a method and an apparatus for measuring solution of de-icing salts dissolved in the water on road surfaces. The operation should be possible from a moving vehicle and also when the Liquid on the roadway deliver reliable measurement results without the dew salt other substances that do not contribute to its thawing effect are added have to.
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.According to the invention, this object is achieved by the features of method claim 1 and device claim 4 . The sub-claims 2 and 3 and 5 and 6 reflect particularly advantageous embodiments of the invention.
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.The solution according to the invention is based on the principle based on the roadway liquid containing de-icing salt taken on a receiving surface as a thin liquid heating layer by means of pulse-like irradiation with laser light in such a way that this is excited to emit light radiation. From the spectrally selected data The solution and measurement of this light are electrical signals that indicate a measurable correlation with the concentration of de-icing salt on the road without contamination of the liquid containing de-icing salt have a direct influence on the measurement result. The surface has also the road surface has no disruptive effects on the measuring process.
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.It is advantageous to repeat the individual measurements in quick succession and thereby get reliable measurement results. The liquid layer on which the laser light acts, for example on the tread of a rolling on the road Wheel. In another embodiment of the invention it is provided that catch the impeller thrown liquid on a baffle and to be exposed to the influence of pulsed laser radiation during the running.
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.The invention is explained in more detail below with the aid of two exemplary embodiments. It shows Fig. 1 illustrates the principle diagram of an embodiment of the device and Fig. 2 shows the principle of a further embodiment of the apparatus.
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.The impeller 3 , which can be a vehicle wheel, rolls on the road 1 with the liquid 2 on it , in which the de-icing salt is dissolved, and is constantly covered by a thin layer of liquid 2 'of the liquid on the road, which is at renewed every revolution. A laser source 4 , which is connected to the electrical excitation circuit 7 , is located at a certain distance from the impeller. An optoelectric converter 5 with a collimator tube 5 'is directed at the point of incidence 11 of the laser beam on the surface of the impeller. The optoelectric converter 5 contains an optical filter 6 and its output is connected to an evaluation circuit 8 , which in turn has an output to a display device 9 . The parts 4 and 5 are embedded in a bell 10 , which shields them from the ingress of dirt, light or other disruptive influences from the outside. The parts 4 to 6 and 10 are fastened to the axle of the impeller 3 by means not shown in such a way that their relative position to the impeller remains the same regardless of the unevenness of the road. Parts 7 to 9 are permanently installed in the vehicle and connected to parts 4 , 5 and 10 by flexible cables.
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.The laser source 4 , controlled by the excitation circuit 7 , sends pulse-like, high-energy laser beams to the surface of the impeller 3 in short time intervals. Due to this concentrated supply of energy, the liquid layer 2 'located thereon is evaporated selectively and the atoms of the de-icing salt are excited to glow. The intensity of this glow is proportional to the concentration of de-icing salt in the liquid layer. This light is received by the collimator tube 5 'and converted into an electrical signal by the optoelectric converter 5 . This initially contains one or more optical filters 6 , which preferably let the wavelengths of the emitted light radiation, which are typical for the chemical elements contained in the de-icing salt, pass. The level of the electrical signal output by the converter 5 increases with the concentration of the de-icing salt in the liquid layer 2 'and is supplied to the electrical evaluation circuit 8 . In this a further electrical signal is derived and fed to the display device 9 , from which the concentration of the de-icing salt on the road can be read.
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.In the embodiment shown in FIG. 2, a suction funnel 12 is provided behind the impeller 3 , which is preferably a vehicle wheel, the large suction opening of which is located at a short distance from the road in the spray area of the impeller. The suction funnel is equipped with a curvature in whose outer radius a baffle plate 13 is attached. A strong air flow is drawn through the suction funnel 12 by means not shown. An electrical excitation circuit 15 is connected to a laser light source 14 , the outlet opening of which is directed onto the baffle plate 13 . The end face of an optical waveguide 16 is also directed to the same point 11 of the baffle plate as the laser light source. The other side of the light waveguide opens before the filter 6 of the optoelectric converter 5 . As is known, this is connected to the evaluation circuit 8 and the display device 9 . The parts 12 to 14 are connected by means not shown to the axis of the impeller 3 , which is preferably a vehicle wheel, in such a way that they can only carry out slight relative movements with respect to the impeller and with respect to the roadway 1 . The parts 5 , 6 , 8 , 9 and 15 can be fixed to the vehicle because of the flexible electrical and optical connections.
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.The air flow in the suction funnel 12 continuously entrains particles of the liquid 2 on the roadway containing de-icing salt and conveys it through the suction funnel. This effect is reinforced by the fact that the liquid particles are thrown into the air behind the impeller 3 while the vehicle is traveling and are thereby detected even more easily by the air flow of the suction funnel 12 . At the curvature of the suction funnel, the particles taken up cannot follow the air flow due to their larger specific weight and hit the baffle plate 13 , on which therefore a thin liquid layer 2 'of the liquid taken up by the roadway is deposited, migrates along the direction of the air flow and constantly is renewed. Controlled by the excitation circuit 15 , the laser light source 14 sends pulse-like, high-energy laser beams onto the baffle plate at short time intervals. This concentrated supply of energy evaporates the liquid layer on the baffle plate selectively and stimulates the atoms of the de-icing salt to glow. This light is received by the optical waveguide 16 , passed through the optical filter 6 , where the wavelengths of light radiation typical for the atoms of the de-icing salt are filtered out, and passed into the optoelectric converter 5 . The intensity of the light in the converter and thus the electrical signal emitted by it, which is further evaluated in the manner described above, is proportional to the concentration of the de-icing salt in the liquid layer taken up by the road. Even with this method, dirt that is present on the road does not have a direct influence on the measurement result.
Claims (6)
- - 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.
- - The output of an electrical excitation circuit ( 7 ) is connected to a laser source ( 4 ),
- - The laser source ( 4 ) is arranged at a short distance from a receiving surface and its beam is focused on the surface of the receiving surface,
- - There is at least one optoelectric converter ( 5 ), the collimator tube ( 5 ') contains an optical filter ( 6 ) and is directed at the point of incidence ( 11 ) of the laser beam on the surface of the receiving surface,
- - at the output of an electrical evaluation circuit (8) having an electrical connection to optelektrischen converter (5) as input devices are connected to the electrical signal corresponding to the concentration of thawing salts in the power consumed by the roadway (1) fluid (2 ) corresponds to evaluate.
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