Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Zur Erh\u00f6hung der Verkehrssicherheit und Geschwindigkeit werden in einem durchschnittlichen Winter ca. 150.000 Tonnen Streusalz auf bundesdeutsche Stra\u00dfen ausgebracht. Diese Salzmenge und die damit verbundenen Umweltbelastungen zu senken, ohne die verkehrstechnische Funktionalit\u00e4t der Streuungen einzuschr\u00e4nken, ist Ziel dieses Projekts. Hierzu muss das Dosierverfahren der Salzausbringung verbessert werden. Die zu benutzende Dosierung h\u00e4ngt stark von der aktuellen Temperatur der Fahrbahnoberfl\u00e4che, der vorhandenen Feuchtigkeit und der Menge eventuell noch vorhandenen Restsalzes ab. Die Temperatur der Fahrbahnoberfl\u00e4che kann durch Infrarot-Thermometer, die in Teilen der Streuwagenflotte auch schon vorhanden sind, w\u00e4hrend der Fahrt erfasst werden.
\nZiel des Projektes ist es nun, ein spektroskopisches Messger\u00e4t zu entwickeln, mit dessen Hilfe die Menge der auf der Strasse befindlichen Feuchtigkeit inklusive des darin befindlichen Restsalzes vom fahrenden Streuwagen aus ber\u00fchrungsfrei gemessen werden kann.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUnser Verfahren beruht auf der Lichtabsorption durch die zweite Oberwelle der Molek\u00fcl-Streckschwingung im Wasser. Die St\u00e4rke dieser Absorption wird durch die Dicke der durchstrahlten Wasserschicht bestimmt, und ihre spektrale Lage durch den Erstarrungsgrad. Dieser wiederum korreliert direkt mit dem Salzgehalt. Durch Kombination der direkt aus den Spektren errechneten Schichtdicke und der Salzkonzentration der Lake l\u00e4sst sich dann die Restsalzmenge in g\/m2 ausrechnen.
\nIn der ersten Projektphase werden zwei Spektrometersysteme aufgebaut und in der zweiten Projektphase unter Streufahrzeuge des Landesbetriebs Stra\u00dfenbau NRW montiert und im Winter 2002 \/ 2003 im Einsatz getestet. Hierbei sollen die vier Hauptfragen beantwortet werden:
\n1.\tMit welcher Genauigkeit ist die Messung des Restsalzes m\u00f6glich?
\n2.\tWie viel Salz kann man bei Kenntnis des Restsalzes einsparen?
\n3.\tWie viel Salz kann man allein bei Kenntnis der Filmdicke einsparen?
\n4.\tKann sich das Messger\u00e4t durch die gesparten Taumittelkosten amortisieren?
\nNachdem sich bereits zum Ende des Jahres 2002 gezeigt hatte, dass die Restsalzbestimmung nicht m\u00f6glich ist und somit die ersten beiden Fragen ungekl\u00e4rt bleiben mussten, wurde beschlossen, sich in der Restlaufzeit auf die Messung der Wasserschichtdicken zu beschr\u00e4nken, um so die offenen Fragen zu kl\u00e4ren.
\nDie Aktivit\u00e4ten w\u00e4hrend des Projektes nach dem Zwischenbericht im Dezember 2002 besa\u00dfen folgende Schwerpunkte:
\n–\tOptimierung der Spektrometer-Steuersoftware
\nSicherstellung der korrekten Datenspeicherung und Spektrometeransteuerung
\n–\tVerschmutzungsproblematik und Verhalten der Sensormechanik
\nBeobachtung der Verdreckung der Messfenster des Spektrometers
\n–\tMessfahrten 1 (Winter 2002\/2003)
\nErste Messfahrten zur Grundtestung des Systems und erste Ergebnisse f\u00fcr folgende Optimierungen
\n–\tMessfahrten 2 (Fr\u00fchjahr\/Sommer 2003), Bau Steuerkasten
\nFeuchtemessungen w\u00e4hrend des Fr\u00fchjahrs und Sommers
\n–\tUmbau Spektrometer, weitere Labormessungen
\nModifikation des Spektrometers zwecks Signalverbesserung
\n–\tOptimierung und \u00c4nderung der Auswertealgorithmen
\nVerbesserung der Untergrundkompensation und Implementierung in Steuersoftware
\n–\tMessfahrten 3 (Herbst\/Winter 2003\/2004)
\nAusgiebige Messfahrten w\u00e4hrend des Wintereinsatzes
\n–\tDatenauswertung (Parallel, Herbst 2003, Januar-M\u00e4rz 2004)
\nAuswertung der gesammelten Daten, Konzept\u00fcberarbeitung<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Phase 1: Laboruntersuchungen und Aufbau der zwei Spektrometereinheiten.
\na)\tDie Laboruntersuchungen an Salzlaken und Wasserschichten lieferten einfach programmierbare Algorithmen, mit denen Wasserschichtdicken und Peaklagen aus den gemessenen Spektren extrahiert werden k\u00f6nnen. Dabei stellte sich heraus, dass bei der hier spektroskopierten 3. Oberschwingung des Molek\u00fcls der Einfluss der Temperatur auf die Lage des Absorptionspeaks wesentlich gr\u00f6\u00dfer ist, als der des Salzgehaltes. Dies bedeutet, dass Aussagen \u00fcber den Salzgehalt nur gemacht werden k\u00f6nnen, wenn die Fahrbahntemperatur mit weniger als einem halben Grad Celsius Genauigkeit bekannt ist.
\nb)\tDie beiden Spektrometersysteme sind fertig gestellt und befinden sich in der Endphase der Optimie-rung: Wasserschichtdicken k\u00f6nnen mit einer Genauigkeit von besser als 30 \u00b5m erfasst werden, und Peakverschiebungen besser als 0,1 Pixel, was einem halben Grad Celsius oder einer viertel-ges\u00e4ttigten Salzl\u00f6sung entspricht.
\nPhase 2 und 3: Ab Zwischenbericht:
\nEs wurden im Rahmen des Projektes umfangreiche theoretische Betrachtungen, Labormessungen, Ger\u00e4te- und Softwareoptimierungen sowie in hervorragender Zusammenarbeit vor allem mit der Autobahnmeisterei Werl Messfahrten unternommen. Dabei hat sich bereits sehr fr\u00fch gezeigt, dass die eingesetzte Technik bei der Bestimmung von Salzkonzentrationen, was urspr\u00fcnglich eines der Ziele des Projektes war, an ihre Grenzen st\u00f6\u00dft. Die durch den Salzeinfluss bewirkten Spektrenver\u00e4nderungen sind so gering, dass sie in den anderen St\u00f6reinfl\u00fcssen (Fahrbahnuntergrund, Temperatur, Aufl\u00f6sung, Detektor-rauschen) untergehen. Aufgrund dieser Nicht-Messbarkeit wurde beschlossen, sich auf die Messung von Wasserschichtdicken zu beschr\u00e4nken. W\u00e4hrend dieser Messungen wurde ein starker Einfluss des Sonnenlichts auf die Spektren festgestellt. Dieser hatte durch den Einbau des Spektrometers unter dem Fahrzeug eigentlich stark genug unterdr\u00fcckt werden sollen, diese Ma\u00dfnahme erwies sich aber als nicht ausreichend. Die durch das Sonnenlicht auf dem Weg durch die Atmosph\u00e4re durchstrahlte Wassermenge findet sich direkt in den Spektren der Fahrbahn wieder und schwankt je nach Wetterbedingungen stark. Es kann so – beim eingesetzten Spektrometerprinzip – zur nicht kompensierbaren Anzeige von Wasserfilmen auf trockener Fahrbahn kommen. Das w\u00fcrde bedeuten, dass das System nur bei sehr geringer Sonneneinstrahlung (stark bew\u00f6lkt, nachts) oder mit notgedrungen zu akzeptierender Ungenauig-keit von bis zu 0,5 mm Wasserdicke eingesetzt werden k\u00f6nnte.
\nNach allen durchgef\u00fchrten Optimierungsschritten zeigte sich weiter, dass das Prinzip der Infrarotmessung des Stra\u00dfenzustands generell funktioniert, dies bei Einsatz kommerzieller Gitterspektrometer aller-dings nur bei gr\u00f6\u00dferen Wasserschichtdicken (ab 0,5 mm), entsprechend den vom Fahrer eingestellten Feuchtestufen nass und Regen, gen\u00fcgende Genauigkeit aufweist. Geringere Stufen k\u00f6nnen nicht sicher unterschieden werden, wobei diese kleineren Stufen gerade f\u00fcr das Erkennen von Gl\u00e4tte von gro-\u00dfer Wichtigkeit sind. Es k\u00f6nnte somit mit dem derzeitigen Stand zwar schon Streusalz eingespart werden, jedoch lassen sich keine genauen Aussagen \u00fcber die Menge treffen, da gerade die d\u00fcnnen Schichten der ersten Gl\u00e4ttebildung nicht genau erfasst werden k\u00f6nnen. Gr\u00fcnde sind hier vor allem die Unempfindlichkeit des Detektors im f\u00fcr die Untergrundkompensation (verschiedene Fahrbahnoberfl\u00e4chen) n\u00f6tigen Spektralbereich (1000-1100nm). Diese Art von Detektor ist aber im vorliegenden Spektrometerprinzip aufgrund preislicher Vorbedingungen unabdingbar.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Zu Projektbeginn und w\u00e4hrend der Laufzeit erschienen Meldungen in der Lokal- und \u00fcberreg. Presse.
\nTeilnahme am Innovationspreis M\u00fcnsterland und Innovationspreis der dt. Wirtschaft 2003
\nFernsehbeitrag Innovation in der Region am 6.1.03Pr\u00e4sentation auf der Hannovermesse 2003
\nPr\u00e4sentation auf dem Kolloquium Stra\u00dfenbetriebsdienst Universit\u00e4t Karlsruhe 2003<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
F\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Schichtdicken funktioniert das System gut, die Unterscheidung zwischen gefrorenem und fl\u00fcssigem Wasser gelingt ebenfalls. Eine unmittelbare genauere Dosierung der Streumittelmenge auf-grund der berechneten Wasserschichtdicke w\u00e4re daher m\u00f6glich. Es bleibt aber der St\u00f6reinfluss der Sonne, die Unempfindlichkeit des Detektormaterials im f\u00fcr die Untergrundkompensation wichtigen Bereich und die damit verbundene ungen\u00fcgende Dickenaufl\u00f6sung im f\u00fcr die Gl\u00e4ttebildung wichtigen Dickenbereich unter 100 Mikrometer. F\u00fcr genaue Aussagen bez\u00fcglich der einzusparenden Menge an Streusalz w\u00e4re die Erfassung der d\u00fcnnen Schichten notwendig, daher l\u00e4sst sich aus den vorliegenden Ergebnissen nur grob absch\u00e4tzen, dass durch die schnellere Messung bei dicken Schichten punktgenau gestreut werden k\u00f6nnte und so Einspareffekte erzielt werden k\u00f6nnen. Dies l\u00e4sst in Summe das eingesetzte Spektrometerkonzept ungeeignet erscheinen.
\nDie im Rahmen des Projektes gewonnenen Erkenntnisse sind gleichwohl von gr\u00f6\u00dfter Wichtigkeit f\u00fcr ein \u00fcberarbeitetes Konzept. Zun\u00e4chst hat sich die prinzipielle Tauglichkeit der Infrarotspektroskopie als Messinstrument best\u00e4tigt, wie die Ergebnisse f\u00fcr dickere Schichten sowie die dabei m\u00f6gliche Eis\/Schneeerkennung zeigen. Auch die Schnelligkeit spricht f\u00fcr eine Weiterverfolgung dieser Messtechnik. Die Verschmutzungsproblematik stellte sich ebenfalls als beherrschbar heraus.
\nAufgrund dieser Ergebnisse erscheint es als sinnvoll, den eingeschlagenen Weg weiter zu verfolgen und mit einem verbesserten Konzept zur Vermeidung der beobachteten Schwachstellen und gleichzeitiger Verst\u00e4rkung der positiven Eigenschaften der Infrarottechnik erneut auf die Stra\u00dfe zu gehen.
\nDieses Konzept sieht folgende, wesentliche \u00c4nderungen vor:
\nVerzicht auf das hier benutzte Diodenarray-Spektrometerprinzip und Verwendung einzelner Wellenl\u00e4ngen unter Einsatz von leistungsstarker LED-Technik. Dies erm\u00f6glicht auch die Kompensation des Sonneneinflusses.
\nZus\u00e4tzliche Einbeziehung anderer Detektormaterialien in l\u00e4ngeren Wellenl\u00e4ngenbereichen, um die Unempfindlichkeit des Detektormaterials Silizium zur Untergrundkompensation auszugleichen und durch die h\u00f6here Absorption des Wassers bei l\u00e4ngeren Wellenl\u00e4ngen die d\u00fcnnen Schichten genauer messen zu k\u00f6nnen.
\nFerner sollen zur weiteren Verbesserung der Untergrundkompensation ausgedehnte Untersuchungen durch Messfahrten auf unterschiedlichsten Fahrbahnbel\u00e4gen erfolgen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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