Aquaplaning-Detektion-mit-elektromagnetischem

Patentanmeldung
Vorrichtung zur Erkennung der Wasserhöhe zwischen Reifen eines sich in Bewegung
befindlichen Fahrzeugs und der Strasse mit Hilfe von Mikrowellen.
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, so verringert sich der Wert der Haftreibung.
Wird der Wasserbelag auf der Strasse höher und kann vom Reifen nicht mehr verdrängt
werden, 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 Dicke 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:
Aus der Physik ist die Rotationsenergie 𝑬𝒓𝒐𝒕 eines Körpers gegeben durch
𝟏
⃗⃗⃗ 𝟐
𝑬𝒓𝒐𝒕 =𝟐 𝑰 𝝎
⃗⃗⃗ = gerichtete Kreisfrequenz oder
mit 𝑰 = Trägheitsmoment (Tensor) des Körpers und 𝝎
Winkelgeschwindigkeit.
Die Rotationsenergie lässt sich aber auch über den Drehimpuls ⃗𝑳 einer Masse bestimmen:
𝟐
𝑬𝒓𝒐𝒕
⃗|
|𝑳
=
𝟐𝑰
⃗ = 𝒎𝒓𝟐 𝝎
⃗⃗⃗ ; m entspricht der Masse und r der Entfernung des Masseschwerpunkts von
mit 𝑳
der Rotationsachse.
Seite 1 von 12
In der Hyperfeinwechselwirkung werden die Effekte zwischen den magnetischen und
elektrischen Dipolen und Quadrupolen der Elektronenhülle und des Kerns beschrieben. Mit
der Summe des Hüllendrehimpulses 𝑱⃗ und den Kernspins 𝑰 ergibt sich dann die
Rotationsenergie von Molekülen zu:
𝑬𝒓𝒐𝒕 =
𝒉𝟐 𝑱( 𝑱 + 𝟏)
𝟒𝝅𝑰
mit h = Plancksche Wirkungsquantum.
Wasser hat den molekularen Aufbau nach Fig. 1, besteht also aus 2 Wasserstoff (H)- und
einem Sauerstoff (O)-Atom. Die Atome sind in einem bestimmten Winkel so zueinander
angeordnet, dass eine Seite der Gesamtanordnung den Charakter von positiver Ladung (+ +)
und die andere Seite den Charakter von negativer Ladung (- -) zeigt.
Nach der Pauling-Skala hat Sauerstoff eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff. Damit
⃗ das im elektromagnetischen Wechselfeld
erhält man einen Dipol mit einem Dipolmoment 𝒑
frequenzabhängige Rotationseigenschaften zeigt, die sich in der Absorption der eingestrahlten
elektromagnetischen Energie äussern.
Diese Eigenschaften sind in Fig. 2 als Absorptionskoeffizient über der Frequenz dargestellt
[1]. Im gesamten cm-Wellenlängenbereich (Mikrowellenbereich ca. 30cm-0,3cm oder 1GHz100GHz) ändert sich der Absorptionskoeffizient um zwei Zehnerpotenzen bezogen auf die
Transmission durch 1cm Wasser.
Aus der Hochfrequenztechnik sind spannungskontrollierte Oszillatoren bekannt. Dabei wird
eine Spannung vorgegeben um eine bestimmt Frequenz einzustellen. Diese Oszillatoren
werden auch als VCOs bezeichnet (voltage controlled oscillator).
In den letzten Jahren sind sogenannte MMIC-Oszillatoren entwickelt worden, die mit nur
wenigen Feldeffekt-Transistoren Oszillation von Spannung und Strom bis zu einigen hundert
GHz ermöglichen [2] [3].
Inzwischen sind kommerzielle MMIC-VCOs erhältlich, die sich mit einer Regelspannung von
0V bis 5V (oder auch 0 bis 3,2V) in den Frequenzbereichen z.B. von 24GHz bis 29GHz,
58GHz bis 79GHZ oder auch HEMT-Strukturen um 550GHz [4] durchstimmen lassen.
Weiterhin sind sogenannte Patch-Antennen, die aus einer bestimmten Anordnung von
Leiterbahnen auf einem nichtleitendem Dielektrikum bestehen, bekannt [5]. Je Höher die
Arbeitsfrequenz dieser Antenne ist, desto kleiner sind die Antennenabmessungen. Für eine
Antenne, die die Abmessung einer vollen Wellenlänge der Arbeitsfrequenz f hat, ergeben sich
folgende Werte:
𝝀=
mit c = 299792458 m/s
f=1GHz; λ = 29,97 cm
f=30GHz; λ = 9,99 mm
𝒄
𝒇
f=10GHz; λ = 2,997 cm
f=100GHz; λ = 2,997 mm
Um die Antennenabmessungen weiter zu verkleinern können auch λ/2- oder λ/4-Strukturen
verwendet werden.
Seite 2 von 12
Für Fernfeldeigenschaften gilt:
𝒓𝒇𝒆𝒓𝒏 ≥ 𝟐𝝀
Weiterhin sind Antennenarrays bekannt, die sich durch phasenverschobene Ansteuersignale in
ihrer elektromagnetische Abstrahlrichtung steuern lassen. So können auf einer Fläche von ca.
1 cm2 vier λ/4-Patchantennen untergebracht werden bei einer Arbeitsfrequenz von 30GHz, die
gerichtet eine elektromagnetische Welle in einen bestimmten Raumwinkel abstrahlen. Es sind
weiterhin sogenannte Mikrowellenoptiken bekannt, die es ebenfalls ermöglichen elektromagnetische Wellen in diesem Frequenzbereich in eine bestimmte Richtung zu lenken und zu
fokussieren. Die gleiche Antennen-Anordnung kann als Sende- oder Empfangs-Antenne
eingesetzt werden.
Die abgestrahlte Antennen-Energie W lässt sich aus den Maxwell-Gleichungen durch
⃗ herleiten zu:
Überführung in die Wellengleichung für die Strahlrichtung 𝒓
𝑾 = 𝑾𝒆𝒍 + 𝑾𝒎𝒂𝒈 =
𝟏
𝟏
𝜺𝟎 𝜺𝒓 𝑬𝟐 +
𝑩𝟐
𝟐
𝟐𝝁𝟎 𝝁𝒓
Mit
𝑾𝒆𝒍 = Energie des elektrischen Wechselfeldes
𝑾𝒎𝒂𝒈 = Energie des magnetischen Wechselfeldes
𝑬 = 𝑬𝟎 𝐬𝐢𝐧(𝒌𝒓 ± 𝝎𝒕)
𝑩 = 𝑩𝟎 𝐬𝐢𝐧(𝒌𝒓 ± 𝝎𝒕)
𝒌 = 𝟐𝝅/𝝀 , 𝝎 = 𝟐𝝅𝒇
𝜺𝟎 𝜺𝒓 = elektrische Materialeigenschaften
𝝁𝟎 𝝁𝒓 = magnetische Materialeigenschaften
Offenbarung der Erfindung:
Die Erfindung beruht auf dem Effekt der Absorption des Wassermoleküls von
elektromagnetischer Strahlung und deren Umwandlung in Rotationsenergie. Im
Nahfeldbereich wechseln sich periodisch maximales elektrisches Feld und maximales
magnetisches Feld im Messvolumen ab. Die Energieerhaltung für elektromagnetische Felder
wird durch das Theorem von Poynting beschrieben. Im Nahfeldbereich ist der Effekt
besonders gross, da entweder nur die magnetische oder nur die elektrische Feldkomponente
wirksam ist. Dadurch wird entweder die Rotationsenergie vom elektrischen oder vom
magnetischen Feld geliefert und muss jeweils gleich oder grösser sein:
𝑬𝒓𝒐𝒕 =
𝒉𝟐 𝑱( 𝑱 + 𝟏)
𝟏
𝟏
≦ 𝜺𝟎 𝜺𝒓 𝑬𝟐 =
𝑩𝟐
𝟒𝝅𝑰
𝟐
𝟐𝝁𝟎 𝝁𝒓
Im Nahfeldbereich gibt es zwei Lösungen diesen Effekt zu nutzen um den Wasserbelag unter
den Fahrzeugreifen zumessen.
Seite 3 von 12
Fall A): Einsatz nur Sender ohne Empfänger.
In der Rayleigh-Zone, die als Strecke von der Antenne bis zu einem Abstand von 𝒓𝑹𝒂𝒚𝒍 =
𝑳𝟐 (𝟐𝝀) wird die elektromagnetische Energie nicht nur Abgestrahlt, sondern auch wieder
aufgenommen (L=Antennenabmessung). Messtechnisch muss dann nur das
Stehwellenverhältnis SWR ausgewertet werden:
𝑺𝑾𝑹 =
𝑼𝒎𝒂𝒙
𝑼𝒎𝒊𝒏
Diese Verhältnisbildung wird durch Messung der Senderausgangsspannung nach Betrag und
Phase leicht durchgeführt und kann als entsprechende Kenngrösse des Wasserbelags
ausgegeben werden. Je höher der Wasserbelag unter dem Reifen ist, desto grösser ist die
Energieabsorbtion, desto kleiner wird dadurch auch 𝑼𝒎𝒊𝒏 . Je kleiner der Wasserbelag unter
dem Reifen ist, desto mehr Energie geht zur Antenne zurück, desto grösser wird damit auch
𝑼𝒎𝒊𝒏 .
𝑼𝒎𝒂𝒙 = Vakuum-Senderspannung an der Antenne (oder trockene Luft).
𝑼𝒎𝒊𝒏 = reale Senderspannung mit Wasser oder Wasserdampf.
SWR ändert sich natürlich auch periodisch mit der Kreisfrequenz der Reifenumdrehung bei
konstanter Geschwindigkeit. Dreht der Reifen von der Strassendecke weg, dann kann die
elektromagnetische Welle abgestrahlt werden und SWR geht gegen 1. Ist kein Wasser auf der
Strasse und die Messvorrichtung zur Strassendecke gerichtet, ist die rückgestrahlte Energie
gleich der abgestrahlten Energie, SWR ⟶ ∞. Der SWR-Wert bei vorhandenem Wasser ist
also ein Wert zwischen 1 << SWR << ∞, je nach Wasserhöhe unter dem Reifen.
Fall B): Einsatz von Sender und Empfänger.
Bei dieser Anordnung ist der Abstand zwischen Sender und Empfänger >2λ. Um dies für den
Bereich von Profiltiefen (ca. 8mm) eines neuen Reifens (PKW) zu erreichen, muss die
entsprechende Arbeitsfrequenz relativ hoch gewählt werden (>75GHz). Bei grossen Reifen
wie z.B. LKWs mit grösserem Radaussendurchmesser und tief erem Profil kann die
Arbeitsfrequenz < 75GHz sein, da die Wege für die elektromagnetische Welle dann länger
sind.
Die Energieschwächung bei vorhandenem Wasserbelag auf der Strasse liegt im Bereich 2080/cm je nach Wasserhöhe unter dem Reifen (Fig.1).
In beiden Fällen konzentriert sich die Abstrahlung der elektromagnetischen Welle im
Fokusbereich auf die kleinste noch zugelassene, Profiltiefe, wie sie beim alten Reifen
vorhanden ist.
Im gesamten cm-Wellenlängenbereich (Mikrowellenbereich ca. 30cm-0,3cm oder 1GHz100GHz) ändert sich der Absorptionskoeffizient um zwei Zehnerpotenzen. Daher ist
prinzipiell der gesamte Frequenzbereich geeignet, um die hier beschriebene Vorrichtung zu
bauen, die die Absorption der Energie durch Wasser messen kann.
Will man jedoch möglichst kleine Abmessungen der Anordnung, sind sehr hohe Frequenzen
erforderlich.
Seite 4 von 12
Sensoraufbau:
Der Sensor 3c wird wie in Fig. 3 gezeigt zwischen dem Stahldrahtgeflecht 3b und einer
Profilfurche im Material des Reifens 3a platziert. Diese Anordnung gilt für beide
Ausführungsformen.
Den Sensoraufbau zum Fall A, Einsatz nur Sender ohne Empfänger, zeigt Fig. 4. Der Sensor
besteht aus einem HF-Antennenarray 4j und der Elektronik 4f, die sich aus dem HF-Sender
und Leitungs-Richtkopplern 4d und dem ADC mit Signalverarbeitung und Transponder 4f
zusammensetzt. Das Antennenarray 4j hat die Aufgabe die elektromagnetische Energie zu
fokussieren und senkrecht zur Antennenebene, radial vom Reifen weg, abzustrahlen 4i. Die
gesamte Anordnung ist auf einem flexiblen Träger aufgebracht wobei 4c ein flexibler,
isolierender Film mit rückseitiger Metallisierung 4b ist. Die gesamte Sensoranordnung wird
am Stahlgeflecht 4a so angebracht, dass die Mikrowellen-Energie 4i aus einer Profilfurche 4g
auf den Strassenbelag 4h austritt. Die gesamte Anordnung wird beim vulkanisieren im
Material 4e des Reifens eingeschlossen.
Fig. 7 zeigt den elektronischen Aufbau mit der Sendeantenne 7a, die auch die rückgestreute
Energie „empfängt“. Die Antenne ist über einen Mikrostrip-Leitungskoppler 7b direkt mit der
Senderendstufe 7c verbunden. Der Mikrostrip-Leitungskoppler 7b hat zwei Aufgaben. Die
erste Aufgabe ist die vom Sender kommende Energie in eine proportionale Spannung mit
Hilfe der Diode 7d zu erfassen. Die zweite Aufgabe ist die reflektierte Energie der
Senderstrahlung mit Hilfe der Diode 7e zu bestimmen. Beide Spannungen werden so
zusammengeführt, dass sie in 7h das gesuchte Stehwellenverhältnis bilden. Die Widerstände
7g und 7f sind Abschlusswiderstände, die dem Wellenwiderstand der Richtkopplerzweige
entsprechen.
In 7i wird eine Signalverarbeitung durch Signalverstärkung und Digitalisierung vorgenommen. Der Signalverarbeitung ist die Energieversorgungsschaltung und der Transponder
7j nachgeschaltet. 7k symbolisiert die Antenne des Transponders.
Den Sensoraufbau zum Fall B, Einsatz Sender mit Empfänger, zeigt Fig. 5. Auch hier ist die
gesamte Anordnung im Reifenmaterial 5b auf dem Stahldrahtgeflecht 5a untergebracht. Bei
dieser Anordnung gibt es jedoch 2 Antennenarrays: Senderantennenarray 5g und
Empfängerantennenarray 5h. Beide Antennenarrays sind für gerichtete elektromagnetische
Mikrowellen-Strahlung 5l ausgelegt. Die Betriebsfrequenz dieser Anordnung muss so gewählt
werden, dass bei geringster, zugelassener Profiltiefe und den gegebenen Abmessungen der
Anordnung für die Transmissionsmessung und damit die Bestimmung der Energieabsorption,
immer Fernfeldbedingungen vorhanden sind (r > 2λ). Auch hier ist die gesamte Anordnung
auf einem flexiblen, nicht leitenden Film 5f aufgebracht, der rückseitig metallisiert ist 5e. Der
Sender 5i ist über ein Anpassnetzwerk 5k mit dem Senderantennearray 5g verbunden. Das
Empfangsantennenarray 5h ist ebenfalls über ein Anpassnetzwerk 5k an den Empfänger,
Signalverarbeitung, Transponder 5j mit integrierter Antenne verbunden. Die Messung erfolgt
in einer Profilfurche 5c und wenn der Reifen zur Strassendecke 5d gedrehrt wird.
Der schematische Aufbau der Elektronik zum Sensoraufbau Fall B ist in Fig. 6 zusehen.
6a ist der Mikrowellensender, 6g das Senderantennenarray. 6b ist das Messvolumen mit
seinem von der Wasserhöhe abhängenden Eigenschaften der Absorption von Mikrowellenenergie. 6h ist das Empfangsantennenarray mit der Empfängerschaltung 6c. 6d ist ein mit dem
Sendersignal synchronisierter Demodulator, der eine Spannung als Funktion der Absorption
Seite 5 von 12
ausgibt. 6e stellt einen ADC dar und 6f ist die Energieversorgung der Schaltung mit einem
Transponder für die Datenübertragung. Mit Hilfe der Antenne 6i kann der Transponder
Energie aufnehmen und die Daten übertragen.
Seite 6 von 12
Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Messung von Wasser zwischen Reifen und Strasse bei bewegtem Fahrzeug
dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrowellenenergiestrahlung zur Absorptions- oder
Transmissions-Messung verwendet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen abstrahlende
und die Mikrowellen empfangende Anordnung im äusserem Mantel des Reifenmaterials über
dem Stahldrahtgeflecht angebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenabstrahlung
und der Mikrowellenempfang mit Hilfe von Patch-Antennen vorgenommen werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenabsorptionsmessung durch ein Stehwellenverhältnis gebildet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des
Stehwellenverhältnisses leitungsbasierende Richtkoppler verwendet werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Transmissionsmessung
die Sendeleistung der Sendeanordnung mit der Empfangsleistung der Empfangsanordnung
verglichen wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, dass die so gewonnenen Daten
mit Hilfe der Transpondertechnik vom Reifen zum Empfänger übertragen werden.
Seite 7 von 12
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 Mikrowellenabsorption durch Wasser arbeitet. Zwei Methoden sind für die Messung geeignet; Nahfeldund Fernfeld-Absorption. Die Messungen sind eine direkte, von der Profiltiefe der Reifens
und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs unabhängige, Aussage über die Höhe des
Wasserkeils zwischen der Strasse und dem jeweiligen Reifen des Fahrzeugs. Aus der
gemessenen Wasserhöhe können Erkenntnisse über die zulässige Höchst-Geschwindigkeit
abgeleitet werden, mit der das Fahrzeug sich noch bewegen darf.
Seite 8 von 12
Fig. 1
Fig. 2
Seite 9 von 12
Fig. 3
Fig. 4
Seite 10 von 12
Fig. 5
Fig. 6
Seite 11 von 12
Fig. 7
[1]: J.D.Jackson, Classical Electrodynamics copyright 1975 by J. Wiley & Sons, Inc.
[2]: The Design Of Single-Ended & Differential MMIC VCOs; Andy Dearn, Liam Devlin,
Plextek Ltd., [email protected]
[3]: Monolithische GaAs FET- und HBT-Oszillatoren mit verbesserter Transistormodellierung; Friedrich Lenk; Ferdinand-Braun-Institut; ISBN 3-86537-107-8
[4]: An Overview of Solid-State Integrated Circuit Amplifiers in the Submillimeter-Wave and
THz Regime; Lorene A. Samoska at al; IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ
SCIENCE AND TECHNOLOGY, VOL. 1, NO. 1, SEPTEMBER 2011
[5]: Antennen; M. Hein; Hochfrequenz- u. Mikrowellentechnik; TU-Ilmenau; S46A
Seite 12 von 12