Projekt 20114/01

Entwicklung und Test eines Online-Sensors zur Messung von Feuchte und Restsalzgehalt für den Einsatz im Winterdienst zur Steuerung von Taumittelstreugeräten

Projektträger

Infralytic GmbH
Alter Kirchhainer Weg 22
35039 Marburg
Telefon: 06421-167764

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zur Erhöhung der Verkehrssicherheit und Geschwindigkeit werden in einem durchschnittlichen Winter ca. 150.000 Tonnen Streusalz auf bundesdeutsche Straßen ausgebracht. Diese Salzmenge und die damit verbundenen Umweltbelastungen zu senken, ohne die verkehrstechnische Funktionalität der Streuungen einzuschränken, ist Ziel dieses Projekts. Hierzu muss das Dosierverfahren der Salzausbringung verbessert werden. Die zu benutzende Dosierung hängt stark von der aktuellen Temperatur der Fahrbahnoberfläche, der vorhandenen Feuchtigkeit und der Menge eventuell noch vorhandenen Restsalzes ab. Die Temperatur der Fahrbahnoberfläche kann durch Infrarot-Thermometer, die in Teilen der Streuwagenflotte auch schon vorhanden sind, während der Fahrt erfasst werden.
Ziel des Projektes ist es nun, ein spektroskopisches Messgerät zu entwickeln, mit dessen Hilfe die Menge der auf der Strasse befindlichen Feuchtigkeit inklusive des darin befindlichen Restsalzes vom fahrenden Streuwagen aus berührungsfrei gemessen werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUnser Verfahren beruht auf der Lichtabsorption durch die zweite Oberwelle der Molekül-Streckschwingung im Wasser. Die Stärke 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 lässt sich dann die Restsalzmenge in g/m2 ausrechnen.
In der ersten Projektphase werden zwei Spektrometersysteme aufgebaut und in der zweiten Projektphase unter Streufahrzeuge des Landesbetriebs Straßenbau NRW montiert und im Winter 2002 / 2003 im Einsatz getestet. Hierbei sollen die vier Hauptfragen beantwortet werden:
1. Mit welcher Genauigkeit ist die Messung des Restsalzes möglich?
2. Wie viel Salz kann man bei Kenntnis des Restsalzes einsparen?
3. Wie viel Salz kann man allein bei Kenntnis der Filmdicke einsparen?
4. Kann sich das Messgerät durch die gesparten Taumittelkosten amortisieren?
Nachdem sich bereits zum Ende des Jahres 2002 gezeigt hatte, dass die Restsalzbestimmung nicht möglich ist und somit die ersten beiden Fragen ungeklärt bleiben mussten, wurde beschlossen, sich in der Restlaufzeit auf die Messung der Wasserschichtdicken zu beschränken, um so die offenen Fragen zu klären.
Die Aktivitäten während des Projektes nach dem Zwischenbericht im Dezember 2002 besaßen folgende Schwerpunkte:
- Optimierung der Spektrometer-Steuersoftware
Sicherstellung der korrekten Datenspeicherung und Spektrometeransteuerung
- Verschmutzungsproblematik und Verhalten der Sensormechanik
Beobachtung der Verdreckung der Messfenster des Spektrometers
- Messfahrten 1 (Winter 2002/2003)
Erste Messfahrten zur Grundtestung des Systems und erste Ergebnisse für folgende Optimierungen
- Messfahrten 2 (Frühjahr/Sommer 2003), Bau Steuerkasten
Feuchtemessungen während des Frühjahrs und Sommers
- Umbau Spektrometer, weitere Labormessungen
Modifikation des Spektrometers zwecks Signalverbesserung
- Optimierung und Änderung der Auswertealgorithmen
Verbesserung der Untergrundkompensation und Implementierung in Steuersoftware
- Messfahrten 3 (Herbst/Winter 2003/2004)
Ausgiebige Messfahrten während des Wintereinsatzes
- Datenauswertung (Parallel, Herbst 2003, Januar-März 2004)
Auswertung der gesammelten Daten, Konzeptüberarbeitung


Ergebnisse und Diskussion

Phase 1: Laboruntersuchungen und Aufbau der zwei Spektrometereinheiten.
a) Die Laboruntersuchungen an Salzlaken und Wasserschichten lieferten einfach programmierbare Algorithmen, mit denen Wasserschichtdicken und Peaklagen aus den gemessenen Spektren extrahiert werden können. Dabei stellte sich heraus, dass bei der hier spektroskopierten 3. Oberschwingung des Moleküls der Einfluss der Temperatur auf die Lage des Absorptionspeaks wesentlich größer ist, als der des Salzgehaltes. Dies bedeutet, dass Aussagen über den Salzgehalt nur gemacht werden können, wenn die Fahrbahntemperatur mit weniger als einem halben Grad Celsius Genauigkeit bekannt ist.
b) Die beiden Spektrometersysteme sind fertig gestellt und befinden sich in der Endphase der Optimie-rung: Wasserschichtdicken können mit einer Genauigkeit von besser als 30 µm erfasst werden, und Peakverschiebungen besser als 0,1 Pixel, was einem halben Grad Celsius oder einer viertel-gesättigten Salzlösung entspricht.
Phase 2 und 3: Ab Zwischenbericht:
Es wurden im Rahmen des Projektes umfangreiche theoretische Betrachtungen, Labormessungen, Geräte- und Softwareoptimierungen sowie in hervorragender Zusammenarbeit vor allem mit der Autobahnmeisterei Werl Messfahrten unternommen. Dabei hat sich bereits sehr früh gezeigt, dass die eingesetzte Technik bei der Bestimmung von Salzkonzentrationen, was ursprünglich eines der Ziele des Projektes war, an ihre Grenzen stößt. Die durch den Salzeinfluss bewirkten Spektrenveränderungen sind so gering, dass sie in den anderen Störeinflüssen (Fahrbahnuntergrund, Temperatur, Auflösung, Detektor-rauschen) untergehen. Aufgrund dieser Nicht-Messbarkeit wurde beschlossen, sich auf die Messung von Wasserschichtdicken zu beschränken. Während 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 unterdrückt werden sollen, diese Maßnahme erwies sich aber als nicht ausreichend. Die durch das Sonnenlicht auf dem Weg durch die Atmosphäre 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 würde bedeuten, dass das System nur bei sehr geringer Sonneneinstrahlung (stark bewölkt, nachts) oder mit notgedrungen zu akzeptierender Ungenauig-keit von bis zu 0,5 mm Wasserdicke eingesetzt werden könnte.
Nach allen durchgeführten Optimierungsschritten zeigte sich weiter, dass das Prinzip der Infrarotmessung des Straßenzustands generell funktioniert, dies bei Einsatz kommerzieller Gitterspektrometer aller-dings nur bei größeren Wasserschichtdicken (ab 0,5 mm), entsprechend den vom Fahrer eingestellten Feuchtestufen nass und Regen, genügende Genauigkeit aufweist. Geringere Stufen können nicht sicher unterschieden werden, wobei diese kleineren Stufen gerade für das Erkennen von Glätte von gro-ßer Wichtigkeit sind. Es könnte somit mit dem derzeitigen Stand zwar schon Streusalz eingespart werden, jedoch lassen sich keine genauen Aussagen über die Menge treffen, da gerade die dünnen Schichten der ersten Glättebildung nicht genau erfasst werden können. Gründe sind hier vor allem die Unempfindlichkeit des Detektors im für die Untergrundkompensation (verschiedene Fahrbahnoberflächen) nötigen Spektralbereich (1000-1100nm). Diese Art von Detektor ist aber im vorliegenden Spektrometerprinzip aufgrund preislicher Vorbedingungen unabdingbar.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zu Projektbeginn und während der Laufzeit erschienen Meldungen in der Lokal- und überreg. Presse.
Teilnahme am Innovationspreis Münsterland und Innovationspreis der dt. Wirtschaft 2003
Fernsehbeitrag Innovation in der Region am 6.1.03Präsentation auf der Hannovermesse 2003
Präsentation auf dem Kolloquium Straßenbetriebsdienst Universität Karlsruhe 2003


Fazit

Für größere Schichtdicken funktioniert das System gut, die Unterscheidung zwischen gefrorenem und flüssigem Wasser gelingt ebenfalls. Eine unmittelbare genauere Dosierung der Streumittelmenge auf-grund der berechneten Wasserschichtdicke wäre daher möglich. Es bleibt aber der Störeinfluss der Sonne, die Unempfindlichkeit des Detektormaterials im für die Untergrundkompensation wichtigen Bereich und die damit verbundene ungenügende Dickenauflösung im für die Glättebildung wichtigen Dickenbereich unter 100 Mikrometer. Für genaue Aussagen bezüglich der einzusparenden Menge an Streusalz wäre die Erfassung der dünnen Schichten notwendig, daher lässt sich aus den vorliegenden Ergebnissen nur grob abschätzen, dass durch die schnellere Messung bei dicken Schichten punktgenau gestreut werden könnte und so Einspareffekte erzielt werden können. Dies lässt in Summe das eingesetzte Spektrometerkonzept ungeeignet erscheinen.
Die im Rahmen des Projektes gewonnenen Erkenntnisse sind gleichwohl von größter Wichtigkeit für ein überarbeitetes Konzept. Zunächst hat sich die prinzipielle Tauglichkeit der Infrarotspektroskopie als Messinstrument bestätigt, wie die Ergebnisse für dickere Schichten sowie die dabei mögliche Eis/Schneeerkennung zeigen. Auch die Schnelligkeit spricht für eine Weiterverfolgung dieser Messtechnik. Die Verschmutzungsproblematik stellte sich ebenfalls als beherrschbar heraus.
Aufgrund dieser Ergebnisse erscheint es als sinnvoll, den eingeschlagenen Weg weiter zu verfolgen und mit einem verbesserten Konzept zur Vermeidung der beobachteten Schwachstellen und gleichzeitiger Verstärkung der positiven Eigenschaften der Infrarottechnik erneut auf die Straße zu gehen.
Dieses Konzept sieht folgende, wesentliche Änderungen vor:
Verzicht auf das hier benutzte Diodenarray-Spektrometerprinzip und Verwendung einzelner Wellenlängen unter Einsatz von leistungsstarker LED-Technik. Dies ermöglicht auch die Kompensation des Sonneneinflusses.
Zusätzliche Einbeziehung anderer Detektormaterialien in längeren Wellenlängenbereichen, um die Unempfindlichkeit des Detektormaterials Silizium zur Untergrundkompensation auszugleichen und durch die höhere Absorption des Wassers bei längeren Wellenlängen die dünnen Schichten genauer messen zu können.
Ferner sollen zur weiteren Verbesserung der Untergrundkompensation ausgedehnte Untersuchungen durch Messfahrten auf unterschiedlichsten Fahrbahnbelägen erfolgen.