DE4446791C1

DE4446791C1 - Non-contact measurement of salt on roads to prevent costs of over application

Info

Publication number: DE4446791C1
Application number: DE19944446791
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Rer Nat Blasek; Gunter Dipl Phys Beulich; Gerhard Dr Ing Klein; Hans-Joachim Sternkopf
Original assignee: WISSENSCHAFT und TECHNIK DRESD
Current assignee: FARU FORSCHUNGSSTELLE FUER ANALYTIK, RECYCLING UND
Priority date: 1994-12-24
Filing date: 1994-12-24
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2014-12-25

Abstract

The concn. of salt on roads is measured by a novel non-contact method, allowing measurements to be made in motion. A discharge is released between an electrode (3), and the salt-contg. water layer (2) on the road (1). The water is vaporised, carrying salt into the discharge path, exciting the atoms to light emission. Emission intensity is electrically measured and evaluated, as a function of wavelength. Also claimed is the appts. suitable for the above method. The high tension generator (4) supplies the electrode (3); emissions from the sparks being collimated (5) into the optical fibre (6). Spectral discrimination (7') is followed by the optical transducer (7), which feeds the measurement circuit (8). Further equipment converts the electrical signal into the measurement of salt concn..

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Konzentration von im Wasser gelöstem Tausalz auf der Oberfläche von Fahrbahnen von ei nem fahrenden Fahrzeug aus.The invention relates to a method and a device for non-contact measurement of the concentration of in water dissolved de-icing salt on the surface of roadways from egg a moving vehicle.

Zur Verhinderung von Glätte auf den Fahrbahnen von Straßen, Autobahnen und anderen Verkehrsflächen werden zur Winter zeit 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 Tau salzgehalt auf der Fahrbahn zu messen. Dadurch können so wohl die Kosten für das verbrauchte Tausalz gesenkt als auch die Belastung der Umwelt verringert werden.To prevent slippery road surfaces, Motorways and other traffic areas are becoming winter time de-icing salts used. The effect of these de-icing salts lasts only for a certain time, since it depends on the climatic conditions, the traffic situation and the road surface themselves are removed to different extents, so that renewed Application is required. To avoid doing this If too much de-icing salt is used, it is advisable to remove the thaw to measure salinity on the road. This allows so the cost of the de-icing salt used is probably lower than pollution of the environment can also be reduced.

Aus der DE 42 05 629 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Licht des sichtbaren oder infraroten Spektralbereichs auf die mit Wasser bedeckte Fahrbahn gerichtet und aus den ge messenen Intensitäten mindestens zweier, von der Wasserflä che reflektierter, linear polarisierter Lichtanteile der Tausalzgehalt der Wasserschicht ermittelt wird. Derartige Anordnungen erfordern jedoch eine sehr genaue Justierung der Winkel zwischen der Sende- und der Empfangsvorrichtung und der Fahrbahn und ergeben schon bei kleinsten Winkelän derungen stark veränderte Meßergebnisse. So müssen bei spielsweise die Winkel zur Fahrbahn auf 0,1° genau einge halten werden, wenn die Konzentration des Tausalzes auf 0,4 Mol/l genau bestimmt werden soll. Derartige Vorrichtun gen können daher nur als stationäre Anlagen eingesetzt werden. Bei der Montage der Vorrichtung an einem Fahrzeug können die Winkel zur Fahrbahn während des Fahrens nicht mit der geforderten hohen Genauigkeit eingehalten werden.A method is known from DE 42 05 629 A1, in which Light in the visible or infrared spectral range the roadway covered with water directed and from the ge measured intensities of at least two, from the water surface reflected, linearly polarized light components of the Thawing salt content of the water layer is determined. Such However, arrangements require very precise adjustment the angle between the transmitter and receiver and the road and result in even the smallest angle strongly changed measurement results. So at for example, set the angle to the road to within 0.1 ° will keep up when the concentration of de-icing salt is on 0.4 mol / l should be determined exactly. Such devices can therefore only be used as stationary systems will. When mounting the device on a vehicle cannot change the angle to the road while driving are maintained with the required high accuracy.

Weiterhin ist aus der WO 93/05386 A1 ein Verfahren zur Mes sung der auf Verkehrsflächen befindlichen Tausalzmengen be kannt, bei dem eine starke elektromagnetische Strahlung auf die Verkehrsfläche gerichtet und die Intensität der im Tau salz entstehenden Lumineszenz bestimmt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die praktisch eingesetzten Tau salze, vorzugsweise Natrium- und Kalziumchlorid, nur im Be reich der Röntgenstrahlen 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 eingesetz te Tausalz mit einem chemischen Stoff zu markieren, dessen Lumineszenz besser meßbar ist. Dann kann diese Vorrichtung auch von einem fahrenden Fahrzeug aus betrieben werden. Da durch 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 DE 38 29 008 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Tausalz gehaltes mit hochfrequenter Strahlung beschrieben.Furthermore, WO 93/05386 A1 describes a method for measuring the amount of de-icing salt on traffic areas knows, in which strong electromagnetic radiation the traffic area directed and the intensity of the dew resulting luminescence is determined. Disadvantageous this method is that the dew practically used salts, preferably sodium and calcium chloride, only in the loading X-rays have a luminescence. Their However, energy is so low that the radiation is already in the air is strongly dampened and it is extremely difficult detect them with a detector. In a subclaim this patent application is therefore executed, the used to mark te de-icing salt with a chemical whose Luminescence is more measurable. Then this device can also be operated from a moving vehicle. There however, this creates additional costs and another Ecological damage. In addition, the de-icing salt mixed substance the same long-term behavior as the de-icing salt itself must show what the selection of the admixed Material is severely restricted. DE 38 29 008 A1 a method and an apparatus for measuring de-icing salt content described with high-frequency radiation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Konzentration von im Wasser gelösten Tausalzen auf Fahrbah nen zu entwickeln. Der Betrieb soll von einem fahrenden Fahrzeug aus erfolgen können und ohne das Markieren des Tausalzes deutlich meßbare Signale liefern.The object of the present invention is a method and a device for contactless measurement of the Concentration of de-icing salts dissolved in the water on the tram to develop. Operation is said to be from a moving Vehicle can be made from and without marking the De-icing salt provide clearly measurable signals.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 5 ge löst. Die Unteransprüche 2 bis 4 geben besonders vorteil hafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. This object is achieved by the features of method claim 1 and device claim 5 ge solves. The sub-claims 2 to 4 give particularly advantageous refinements of the invention.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Prinzip, eine elektrische Entladung zwischen wenigstens einer Elektrode und der Fahrbahn auszulösen. Es wurde gefunden, daß durch deren Energie die auf der Fahrbahn befindliche, Tausalz enthaltende Wasserschicht abgedampft wird, Tausalz in den Entladungskanal befördert wird und dessen Atome zur Emis sion von Licht angeregt werden. Aus der spektral selektier ten Erfassung- und Messung dieses Lichts werden elektrische Signale gewonnen, die einen deutlich meßbaren Zusammenhang mit der Konzentration des Tausalzes auf der Fahrbahn auf weisen.The solution according to the invention is based on the principle of a electrical discharge between at least one electrode and trigger the road. It was found that by whose energy is the de-icing salt on the road containing water layer is evaporated, de-icing salt in the Discharge channel is transported and its atoms to the emis sion be excited by light. Select from the spectral The detection and measurement of this light becomes electrical Signals obtained that have a clearly measurable relationship with the concentration of de-icing salt on the road point.

Es ist vorteilhaft, den nach der Ausbildung des Entladungs kanals fließenden Entladungsstrom für eine kurze Zeit auf einem annähernd konstanten und bei allen Entladungen glei chen Wert zu halten. Dadurch wird erreicht, daß die bei schneller Fahrt des Fahrzeuges unvermeidliche Veränderung des Abstands zwischen Elektrode und Fahrbahn ohne wesentli chen Einfluß auf das emittierte Licht bleibt.It is advantageous that after the discharge is formed channel flowing discharge current for a short time an almost constant and the same for all discharges value. This ensures that the faster travel of the vehicle inevitable change the distance between the electrode and the lane without essential Chen influence on the emitted light remains.

Wegen der hohen Energiekonzentration im Entladungskanal sind mit dieser Anordnung trotz kurzer Entladungszeit so gute Meßergebnisse zu erzielen, daß die Vorrichtung auch von einem fahrenden Fahrzeug aus betrieben werden kann.Because of the high energy concentration in the discharge channel are like this with this arrangement despite the short discharge time to achieve good measurement results that the device too can be operated from a moving vehicle.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Figur darge stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is illustrated below with reference to one in the figure presented embodiment explained in more detail.

Über der Fahrbahn 1 mit der darauf befindlichen Wasser schicht 2, in der das Tausalz gelöst ist, befindet sich in einem Abstand zur Fahrbahn eine Elektrode 3. Diese Elektro de 3 ist mit einem Hochspannungsgenerator 4 verbunden, der einen zweiten Anschluß zu einem Schleifkontakt 11 auf der Fahrbahn besitzt. Ein Kollimator 5 ist so auf die Fahrbahn gerichtet, daß der Zwischenraum zwischen Elektrode 3 und Fahrbahn 1 und die Fläche auf der Fahrbahn unterhalb der Elektrode 3 in seinem Erfassungsbereich liegen. Der Kolli mator 5 ist über einen Lichtwellenleiter 6 mit einem op toelektrischen Wandler 7, der ein optisches Filter 7′ enthalten kann, verbunden. Der Ausgang des optoelektrischen Wandlers ist an eine Auswerteschaltung 8 angeschlossen, die einen Ausgang zu einem Anzeigegerät 9 und einen weiteren Ausgang 10 zum Anschluß weiterer Geräte aufweist. Die Teile 2 bis 11 sind mit nicht dargestellten Mitteln an dem eben falls nicht dargestellten messenden Fahrzeug befestigt.Above the roadway 1 with the water layer 2 thereon, in which the de-icing salt is dissolved, there is an electrode 3 at a distance from the roadway. This Elektro de 3 is connected to a high voltage generator 4 , which has a second connection to a sliding contact 11 on the road. A collimator 5 is directed towards the roadway in such a way that the space between electrode 3 and roadway 1 and the area on the roadway lie below electrode 3 in its detection area. The colli mator 5 is connected via an optical waveguide 6 to an op toelectric converter 7 , which may contain an optical filter 7 '. The output of the optoelectric converter is connected to an evaluation circuit 8 which has an output to a display device 9 and a further output 10 for connecting further devices. The parts 2 to 11 are attached to the measuring vehicle, if not shown, by means not shown.

Im Hochspannungsgenerator 4 wird eine hohe Spannung er zeugt. Dadurch kommt es zu einer elektrischen Entladung in Form eines Funkens zwischen der als Spitze ausgebildeten Elektrode 3 und der Fahrbahn 1, deren Abstand auf etwa 15 mm eingestellt ist. Die Rückleitung des Entladungsstro mes zum Fahrzeug erfolgt über den Schleifkontakt 11, kann aber auch über den Widerstand der Reifen, über den Über schlag an einer zweiten Elektrode, die im Abstand zur Elek trode 3 parallel zu dieser angebracht ist, oder über den Kondensator, den das Fahrzeug mit der Fahrbahn bildet, er folgen. Die Energie dieser Entladung bewirkt, daß die auf der Fahrbahn 1 befindliche, Tausalz enthaltende Wasser schicht 2 abgedampft wird und die Atome des Tausalzes im Entladungskanal zur Emission von Licht angeregt werden. Die Intensität dieses Leuchtens ist der Konzentration des Tau salzes in der Wasserschicht proportional. Dieses Licht wird durch den Kollimator 5 aufgenommen und in den Lichtwellen leiter 6 eingeleitet. Aus diesem tritt das Licht in den op toelektrischen Wandler 7 ein. Dieser enthält zunächst ein oder mehrere optische Filter 7′, die die Spektrallinien, die für die im Tausalz enthaltenen chemischen Elemente ty pisch sind, bevorzugt passieren lassen. Der anschließende Wandler, beispielsweise eine Halbleiterfotodiode oder ein Fotovervielfacher, gibt ein elektrisches Signal ab, dessen Höhe mit der Konzentration des Tausalzes in der Wasser schicht zunimmt und das der elektrischen Auswerteschal tung 8 zugeleitet wird. In dieser wird daraus ein weiteres elektrisches Signal abgeleitet, das direkt der Konzentra tion des Tausalzes entspricht. Dieses wird dem Anzeigege rät 9 und dem Ausgang 10 zugeleitet, an den das Steuergerät einer Streueinrichtung angeschlossen und mit dem die neu aufzubringende Tausalzmenge in Abhängigkeit von der gemes senen Konzentration auf der Fahrbahn eingestellt werden kann.In the high voltage generator 4 , a high voltage is generated. This results in an electrical discharge in the form of a spark between the electrode 3 designed as a tip and the roadway 1 , the distance between which is set to approximately 15 mm. The return of the Entladungsstro mes to the vehicle takes place via the sliding contact 11 , but can also on the resistance of the tires, on the flashover to a second electrode, which is mounted at a distance from the electrode 3 parallel to this, or via the capacitor, the forms the vehicle with the road, he follow. The energy of this discharge causes the water layer 2 on the road 1 containing de-icing salt to be evaporated and the atoms of the de-icing salt in the discharge channel to be excited to emit light. The intensity of this glow is proportional to the concentration of dew salt in the water layer. This light is received by the collimator 5 and introduced into the light waveguide 6 . From this, the light enters the op toelectric converter 7 . This initially contains one or more optical filters 7 ', which preferably let the spectral lines that are typical for the chemical elements contained in the de-icing salt pass. The subsequent converter, for example a semiconductor photodiode or a photomultiplier, emits an electrical signal, the level of which increases with the concentration of de-icing salt in the water layer and which is fed to the electrical evaluation circuit 8 . This is used to derive another electrical signal that corresponds directly to the concentration of the de-icing salt. This is advised to the display unit 9 and the output 10 , to which the control unit of a spreading device is connected and with which the amount of new salt to be applied can be adjusted as a function of the measured concentration on the road.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist es vorge sehen, daß der Hochspannungsgenerator 4 Mittel enthält, die weitgehend unabhängig vom Abstand der Elektrode 3 zur Fahrbahn 1 und von dem Weg, den der Strom vom Auftreffpunkt aus zurück in das Fahrzeug nimmt, den Strom durch den Ent ladungskanal für eine Zeit von höchstens einer Millisekunde auf einem konstanten Wert halten. Dazu können Laufzeit ketten aus parallel geschalteten Kondensatoren, die über zwischengeschaltete Induktivitäten verbunden sind, einge setzt werden. Dieser Strom wird auf einen solchen Wert ein gestellt, daß eine maximale Leuchterscheinung angeregt wird. Durch diese Anordnung bleiben Einflüsse auf die Ent ladung, wie sie insbesondere durch die unerwünschten, durch die Unebenheiten der Fahrbahn verursachten Bewegungen des Fahrzeugs entstehen, ohne wesentlichen Einfluß auf die durch die elektrische Entladung ausgelöste Leuchterschei nung.In a further embodiment of the invention, it is easily seen that the high-voltage generator 4 contains means that are largely independent of the distance between the electrode 3 and the road 1 and the path that the current takes from the point of impact back into the vehicle, the current through the Keep the discharge channel at a constant value for a maximum of one millisecond. For this purpose, runtime chains made of capacitors connected in parallel, which are connected via intermediate inductors, can be used. This current is set to such a value that a maximum lighting effect is excited. This arrangement remains influences on the discharge, as they arise in particular from the undesirable movements caused by the unevenness of the roadway movements of the vehicle, without a significant influence on the lighting effect triggered by the electrical discharge.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das optische Filter 7′ im optoelektrischen Wandler 7 auf die Wellenlänge der "gelben Natriumlinie" von rund 589 nm abgestimmt ist. Dadurch wird erreicht, daß das Element Natrium, das Be standteil des vorwiegend als Tausalz eingesetzten Na triumchlorids ist und das mit besonders niedriger Energie zum Leuchten angeregt werden kann, nachgewiesen wird.It is further provided according to the invention that the optical filter 7 'in the optoelectric converter 7 is tuned to the wavelength of the "yellow sodium line" of around 589 nm. This ensures that the element sodium, which is part of the sodium chloride which is mainly used as de-icing salt and which can be excited to glow with particularly low energy, is detected.

Es entspricht ebenfalls dem erfindungsgemäßen Gedanken, wenn die Elektrode 3 mehrfach über der Fahrbahn 1 ange bracht ist. Dabei ist es nicht erforderlich, auch den Hoch spannungsgenerator 4 und den optoelektronischen Wandler 7 mehrfach anzuordnen, vielmehr können Mittel zur Mehr fachausnutzung des Hochspannungsgenerator 4 (Verteiler) und des Wandlers 7 (Chopper) vorgesehen werden.It also corresponds to the idea of the invention if the electrode 3 is placed several times over the road 1 . It is not necessary to arrange the high voltage generator 4 and the optoelectronic converter 7 several times, rather means for multiple use of the high voltage generator 4 (distributor) and the converter 7 (chopper) can be provided.

Claims

1. A method for the contactless measurement of the concentration of de-icing salts on roadways, characterized in that between at least one electrode ( 3 ) and the roadway ( 1 ) with a de-icing salt thereon, the water layer ( 2 ) triggers an electrical discharge which The evaporation of the de-icing salt water layer ( 2 ) causes de-icing salt into the discharge channel and its atoms stimulate the emission of light, the intensity of which is measured and evaluated electrically as a function of its wavelength.

2. The method according to claim 1, characterized in that the current flowing after the discharge channel has been set up briefly kept at an approximately constant value becomes.

3. The method according to claim 2, characterized in that which flows briefly after the discharge channel has been set up ß, approximately constant current with all discharges about the has the same value.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that the characteristics of the element sodium cal spectral line with the wavelength of around 589 nm evaluated and from it an electrical signal as a measure for the Concentration of sodium chloride used as de-icing salt is won.

5.Device for the contactless measurement of the concentration of de-icing salts on roadways with the following features:

- A high voltage generator ( 4 ) has at least one electrode ( 3 ) connected to it,
- At least one collimator ( 5 ) is provided, the field of vision of which is aligned with the space between the electrical de ( 3 ) and the roadway ( 1 ) and to which an optical waveguide ( 6 ) is connected,
- At least one optoelectric converter ( 7 ), which has an input as the optical waveguide ( 6 ), contains With tel ( 7 ') for spectral evaluation of the light,
- At the output of an electrical evaluation circuit ( 8 ), which has an electrical connection to the optoelectric converter's ( 7 ) as input, devices are connected that evaluate the electrical signal, which corresponds to the concentration of de-icing salt on the road ( 2 ).