Aquaplaning-Detektion-mit-elektrischem

Patentanmeldung
Vorrichtung zur Erkennung der Wasserhöhe zwischen Reifen eines sich in Bewegung
befindlichen Fahrzeugs und der Strasse mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes.
Technisches Gebiet:
Eine gute Haftung eines Fahrzeugs auf der Strasse ist einer der wichtigsten Faktoren für
sicheres fahren. Physikalisch betrachtet ist ein hoher Wert der Haftreibung während des
Fahrens ein Mass dafür. Wird die Strasse nass, verringert sich der Wert der Haftreibung. Wird
der Wasserbelag auf der Strasse so hoch, dass er vom Reifen nicht mehr verdrängt werden
kann, so entsteht ein Wasserkeil unter dem Reifen. Diesen Effekt bezeichnet man als
Aquaplaning und die Haftreibung geht gegen null.
Damit Aquaplaning entstehen kann, bedarf es mehrerer Faktoren die zusammen wirken
müssen. Diese Faktoren sind die Höhe des Wasserfilms auf der Strasse, die Geschwindigkeit
und das Gewicht des Fahrzeugs und der Reifenzustand (Profiltiefe, Reifenbreite, Gasdruck im
Reifeninnern).
In der folgenden Offenbarung der Erfindung wird eine neue Vorrichtung beschrieben, die in
die Reifen des Fahrzeugs eingebaut wird. Sie ist in der Lage die Wasserhöhe zwischen Reifen
und Strasse zu messen. Die Datenausgabe erfolgt mit Hilfe der bekannten TransponderTechnologie. Aus den Messdaten können Warnungen und Prognosen für den Fahrer abgeleitet
werden. Die Ergebnisse können über ein Display mitgeteilt werden, und sie stehen allen
Assistenzsystemen zur Verfügung.
Stand der Technik:
Bekannt sind Plattenkondensatoren, die aus zwei Metallplatten mit dazwischen liegendem
Isolator, dem Dielektrikum, bestehen. Sie haben die Fähigkeit elektrische Ladungen zu
speichern. Bei anlegen einer elektrischen Spannung fliesst kurzzeitig ein elektrischer Strom,
der eine Platte mit Elektronen anreichert und der anderen Platte Elektronen entzieht.
Zwischen den Platten entsteht ein Potentialunterschied und damit ein elektrisches Feld. Die
Ladungen bleiben auf den Metallplatten gespeichert, wenn der Stromkreis unterbrochen wird.
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Ist zwischen den Platten nicht leitende Materie (Dielektrikum) vorhanden, kann diese in
Abhängigkeit ihrer Eigenschaften, durch das elektrische Feld polarisiert werden und damit
mehr Energie aufnehmen als eine Metallplattenanordnung gleicher Grösse aber ohne Materie.
Allgemein gilt für die in einem Kondensator gespeicherte Ladungsmenge Q:
𝑸 = 𝑪𝑼
C = Kapazität = Funktion von Plattengrösse, Plattenabstand und Dielektrikum
U = Ladespannung des Kondensators
Die elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums werden durch die elektrische Feldkonstante
𝑨𝒔
𝜺𝟎 = 𝟖, 𝟖𝟓𝟒 ∗ 𝟏𝟎−𝟏𝟐 𝑽𝒎 und der relativen Permittivität 𝜺𝒓 beschrieben. 𝜺𝒓 ist vom Material
des Dielektrikums vorgegeben. Damit erhält man die Kapazität eines Plattenkondensators zu:
𝑪 = 𝜺 𝟎 𝜺𝒓
𝑨
𝒅
A = Fläche einer Kondensatorplatte
d = Plattenabstand
Wird an einem Kondensator eine Wechselspannung angelegt, dann fliesst ein kontinuierlicher
Wechselstrom, der die Platten des Kondensators mit der Frequenz der Wechselspannung
umlädt. Es tritt eine periodische Ladungsänderung ein:
𝒅𝑸(𝒕)
𝒅𝒖(𝒕)
=𝑪
= 𝒊(𝒕)
𝒅𝒕
𝒅𝒕
Werden die Differentiale mit 𝒖(𝒕) = 𝑼𝒎𝒂𝒙 𝒄𝒐𝒔(𝟐𝝅𝒇𝒕 + 𝜹) ausdifferenziert, so erhält man
einmal die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom von π/2 und den
Blindwiderstand zu:
𝑿𝒄 = −
𝟏
𝟐𝝅𝒇𝑪
Bekannt ist auch, dass Wasser eine frequenzabhängige und komplexe Permittivität hat. Der
Realteil von unbehandeltem Wasser ist in Fig. 1 [1] gezeigt. Bei niedrigen Frequenzen hat er
den Wert von ca. 80 und fällt kontinuierlich auf den Wert ca. 60 bei 15 GHz. Der Imaginärteil
hat bei ca. 20 GHz sein Maximum von > 30 und steht für die Energieverluste am
Kondensator.
Weiterhin ist bekannt, dass sich die Kehrwerte der einzelnen Kapazitäten addieren, wenn sie
in Reihe geschaltet werden und dadurch den Kehrwert der Gesamtkapazität bilden:
𝟏
𝑪𝚺
𝟏
𝟏
𝟏
𝟐
= 𝑪 + 𝑪 +…….
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Offenbarung der Erfindung:
Die in dieser Offenbarung beschriebene Vorrichtung nutzt die oben im Stand der Technik
beschriebenen physikalischen Zusammenhänge. Fig. 2 zeigt die im Reifen eingebaute
Vorrichtung als Schnittzeichnung und Ausführungsbeispiel im Detail, parallel zur
Laufrichtung des Reifens. Die Vorrichtung ist über einer Profilaussparung wie in Fig. 3 (Fig.
2; 2c) gezeigt quer zur Laufrichtung des Reifens angebracht. In Fig. 3 sind 3a der äussere
Reifenmaterial, 3b das im Reifenmaterial untergebrachte Stahldrahtgeflecht und 3c die
Vorrichtung als Sensor für die Wassermessung.
Der Plattenkondensator ist bei dieser Anordnung relativ klein, und hat zudem noch einen
grossen Plattenabstand, da die Platten parallel zur Profilaussparung 2c liegen und sich
dadurch nicht direkt gegenüber stehen. Die Platten werden in Fig. 2 mit 2f und 2h dargestellt.
Elektronisch gesehen besteht dieser Kondensator aus einem geschichteten Dielektrikum wie
in Fig. 4 dargestellt. Die Kondensatorplatten sind 4a, das Dielektrikum bestehend aus dem
Reifenmaterial und ist als 4b gekennzeichnet. Das Volumen 4c kann Luft, Wasser oder ein
beliebiges Verhältnis von beiden sein, das sich bei Aquaplaning durch den Wasserkeil
vergrössert. Physikalisch lässt sich ein geschichtetes Dielektrikum auch als Reihenschaltung
von Kondensatoren darstellen und berechnen. Hier wären es drei in Reihe geschaltete
Kondensatoren, wobei die äusseren beiden gleich sind und das Reifenmaterial als
Dielektrikum haben. Bei Verwendung von Gummi als Reifenmaterial ergibt sich ein 𝜺𝒓 von
ca. 2,5 bis 3, Luft hat ein 𝜺𝒓 von ca. 1 und Wasser je nach Betriebsfrequenz des Sensors ein
𝜺𝒓 von ≤ 𝟖𝟎 (Fig. 1). Damit wird die Kapazität dieses Kondensators mit steigendem Anteil
des Wassers im Volumen 4c grösser und mit steigendem Anteil von Luft kleiner.
Die gesamte Anordnung (Fig. 2) befindet sich in der Reifenmaterialschicht 2b, die auf das
Stahldrahtgeflecht 2a aufgebracht ist. Als Träger des Sensors wird ein flexibler, beidseitig
metallbeschichteter Film 2g verwendet. Die zum Stahldrahtgeflecht 2a liegende Seite hat eine
durchgängige Metallisierung 2e, die als Masse dient. Auf der Seite der Kondensatorplatten
befinden sich das Layout der Schaltung die Messelektronik und der Transponder 2j. Die von
den Kondensatorplatten ausgehenden Feldlinien des elektrischen Wechselfeldes sind durch 2k
symbolisiert. Der Strassenbelag ist durch 2d gekennzeichnet.
Messtechnisch kann die Kapazitätsänderung durch die Änderung der Spannung an der
Kapazität erfasst werden. Dazu gibt es in der Elektronik verschiedene Möglichkeiten, wie z.
B. die Verwendung von Messbrücken, Spannungsteilern oder die Verwendung von
Konstantwechselstromquellen.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel die Messung mit Hilfe eines Spannungsteilers vorzunehmen. 5b ist
ein ohmscher Widerstand, der in Reihe mit dem kapazitiven Blindwiderstand (=kapazitiver
Messwiderstand des Sensors) 5c geschaltet ist. An dieser Anordnung liegt eine z. B.
sinusförmige, hochfrequente Wechselspannung 5a mit konstanter Amplitude an. Ändert sich
der kapazitive Blindwiderstand 5c, so ändert sich auch das Spannungsteilerverhältnis 5b / 5c.
In 5d wird eine zur Spannungsquelle 5a synchrone Gleichrichtung vorgenommen um einen
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hohen Wirkungsgrad und ein geringes Rauschen zu erhalten. Nach der Gleichrichtung wird
eine geringe Integration vorgenommen, deren Zeitkonstant eine Funktion der zugelassenen
Höchstgeschwindigkeit des Reifens ist. Es können aber auch einfachere Gleichrichterschaltungen verwendet werden, wenn die Wechselspannungsquelle grössere Amplituden
leisten kann. 5e beinhaltet einen Anpassverstärker und einen Analog-Digital-Wandler. Die
digitalen Daten werden über einen Transponder 5f mit Energieversorgung entweder über eine
Nahfeld- oder Fernfeld-Übertragung 5g ausgelesen.
Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 6 die Verwendung einer hochfrequenten
Konstantwechselstromquelle 6a. Dabei wird der Wechselstrom durch den Messkondensator
6b konstant gehalten. Das ist nur möglich, wenn sich proportional zur Änderung des
kapazitiven Blindwiderstands die den Wechselstrom treibende Wechselspannung ändert. Die
am Kondensator 6b anliegende Spannung ist also die direkte Messgrösse. Auch bei dieser
elektronischen Variante ist 6c als nachfolgender Gleichrichter mit Integrator eingesetzt, der
jedoch einen hochohmigen Eingang besitzt. 6d beinhaltet den Anpassverstärker mit AnalogDigital-Wandler, 6e ist der Transmitter mit Energieversorgung und 6f die Nahfeld- oder
Fernfeld-Übertragung.
Die hier beschriebene Vorrichtung zur Messung der Wasserhöhe ist abhängig von der
Profiltiefe des Reifens und nur korrekt in Verbindung mit der Kombination der im Patent [2]
beschriebenen Vorrichtung zur Profiltiefenmessung.
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Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Messung von Wasser zwischen Strasse und Reifen bei bewegtem
Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, das der Wasser messende Sensor ein im
Reifenmaterial untergebrachter, aufgeklappter Kondensator ist, dessen Platten
hintereinander oder parallel, angenähert in einer Ebene, angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator von
einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen wird, um die sich bei vorhandenem
Wasser ändernden dielektrischen Eigenschaften zwischen den Kondensatorplatten und
damit zwischen Reifen und der Strasse zu erfassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung selbst
nach Abnutzung des Profils vollständig im äusseren Material des Reifens über dem
Stahlgeflecht eingebettet bleibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator durch
eine mit einer Nennfrequenz betriebenen Konstantwechselstromquelle betrieben wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator durch
eine mit einer Nennfrequenz betriebenen Konstantwechselspannungsquelle mit
vorgeschaltetem Widerstand betrieben wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der
Messdaten die Transpondertechnik benutzt wird.
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Zusammenfassung:
Aquaplaning ist eine Wasserkeil-Bildung unter einem oder mehr Reifen eines fahrenden
Fahrzeugs. Dieser Effekt hebt die Haftreibung des Fahrzeugs zwischen Reifen und Strasse
auf. Hier wird eine neue Vorrichtung vorgestellt, die nach dem Verfahren der
Dielektrikumsänderung durch Wasser in einem im äusseren Mantel eines Reifens
eingebauten, aufgeklappten Messkondensator arbeitet. Aus der gemessenen Wasserhöhe
können Erkenntnisse über die zulässige Höchst-Geschwindigkeit abgeleitet werden, mit der
das Fahrzeug sich noch bewegen darf.
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Fig.:1
Fig.:2
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Fig.:3
Fig.:4
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Fig. 5
Fig. 6
Ref.:
[1]: Fig.1: X. Shen, Increased dielectric constant in the the the water treated by extremely
low frequency electromagnetic field and its possible biological implication, J.
Physics:Conference Ser. 329 (2011) 012019
[2]: Vorrichtungen für elektrische Profiltiefenmessung von Fahrzeugreifen bei stehendem
oder bewegtem Fahrzeug.
Erfinder & Anmelder: Rolf Liener, Franc Godler; PCT: IB2014/066511
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