Prüfverfahren für Sensoren zur Messung von Fahrbahnzuständen

Abstract

Eine effiziente Winterdienststeuerung setzt voraus, dass die Oberflächentemperatur der Fahrbahn bekannt ist. Effizient bedeutet, dass die Fahrbahn rechtzeitig, bevor es glatt wird, und sparsam (nur so viel Salz wie tatsächlich notwendig) gestreut wird. Die Fahrbahnoberflächentemperatur wird dabei gegenwärtig hauptsächlich mit fahrbahnintegrierten Temperatursensoren gemessen. Aufgrund des leichteren Zugangs zur Wartung, ohne den Verkehr zu beeinflussen, und der Möglichkeit zum mobilen Einsatz sollen berührungslos arbeitende Strahlungsthermometer eingesetzt werden. In stationären Straßenwetterstationen kommen beide Thermometer zum Einsatz. Dabei haben die Messungen gezeigt, dass zwischen den beiden Thermometerprinzipien Differenzen der gemessenen Temperaturen auftreten. Diese Differenzen sind nicht reproduzierbar und nicht systematisch, vor allem bei Änderung der Umgebungsbedingungen. Die Abweichungen zwischen den Messmethoden, aber auch gleichen Thermometerprinzipien (z.B. wegen verschiedener Hersteller) sind teilweise so groß, dass die Entscheidungen für den Einsatz des Winterdienstes unterschiedlich ausfallen würden. Im Projekt sollte deshalb eine theoretisch-physikalische Betrachtung der Temperaturmessung der Fahrbahnoberfläche dabei helfen, die Abweichungen zu erklären und einzelne Einflussbeiträge zu quantifizieren. Für die systematischen Untersuchungen der verschiedenen Einflussgrößen wurde ein Prüfstand gebaut, in dem eine reproduzierbare Fahrbahnoberflächentemperatur als Referenztemperatur bereitgestellt werden kann. Im Prüfstand können einzelne Umgebungsbedingungen wie Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und kurzwellige Sonnenstrahlung reproduzierbar unabhängig voneinander eingestellt werden. Diese Umgebungsbedingungen wurden nach statistischen Berechnungen aus Messdaten einer Straßenwetterstation ausgewählt, da sie nachweislich einen direkten Einfluss auf die Abweichung der gemessenen Temperaturen haben. Der Prüfstand enthält einen Bohrkern einer Fahrbahnprobe. Dessen Oberfläche wird mit Hilfe eines Flüssigkeitsbades im Temperaturbereich von -10 °C bis 10 °C temperiert; zum feinen Temperaturabgleich kommen zusätzliche Heizstäbe zum Einsatz. In die Fahrbahnprobe wurden drei Mantelwiderstandsthermometer mit einem kleinen Durchmesser (1 mm) axial an unterschiedlichen Höhen positioniert (radial bis zur Mitte der Fahrbahnprobe). Aus den gemessenen Temperaturen wird eine axiale Temperaturverteilung der Fahrbahnprobe berechnet und mathematisch auf die Temperatur der Fahrbahnoberfläche extrapoliert. Diese extrapolierte Temperatur dient als Referenztemperatur für die Temperaturmessung mit einem Strahlungsthermometer. Im Prüfstand können damit verschiedene Temperaturzyklen eingestellt werden, auf der Fahrbahnoberfläche kann eine Eisbildung erfolgen. Zusätzlich werden systematisch die Umgebungsbedingungen variiert. Die dabei auftretenden reproduzierbaren Abweichungen zwischen der Referenztemperatur und der mit dem Strahlungsthermometer gemessenen Temperatur werden mit den zugehörigen Messunsicherheiten ausgewertet und daraus auf die Straße übertragbare Erkenntnisse abgeleitet. Nach der Berücksichtigung der Einflussfaktoren, welche die Strahlungsthemperaturmessung verfälschen können, konnten die Abweichungen der Oberflächentemperaturmessung der Fahrbahnprobe mit dem Strahlungsthermometer zu der extrapolierten Referenztemperatur auf ca. 100 mK im untersuchten Temperaturbereich von -10 °C bis 10 °C reduziert werden. Es wurden ein Modell zur Beschreibung der Einflussgrößen auf die Fahrbahntemperaturmessung und eine Verfahrensanweisung zur Kalibrierung der eingesetzten Sensoren erstellt. Datei-Upload durch TIB Efficient winter maintenance control requires that the surface temperature of the roadway is known. Efficient means that the road is spread in good time, before it becomes icy, and sparingly (only as much salt as is actually necessary). Currently, the road surface temperature is mainly measured with temperature sensors integrated into the road surface. Due to easier access for maintenance without affecting traffic and the possibility of mobile use, they should be replaced by non-contact radiation thermometers. Both thermometers are used in stationary road weather stations. In this context, the measurements have shown that there are differences in the measured temperatures between the two thermometer principles. These differences are not reproducible and not systematic, mainly when environmental conditions change. The discrepancy between the measurement methods, but also between the same thermometer principles (e.g., because of different manufacturers) are sometimes so large that the decisions for the use of the winter road maintenance would be different. In this project, therefore, a theoretical-physical examination of the temperature measurement of the road surface was to help explain the discrepancies and quantify individual factors influencing them. For systematic investigations of the diverse influencing factors, a test bench was built in which a reproducible road surface temperature can be provided as a reference temperature. Specific ambient conditions independent of each other such as air temperature, wind speed and short-wave solar radiation can be reproducibly set in the test bench. These ambient conditions were selected according to statistical calculations of measurement data from a road weather station. The ambient conditions have a direct influence on the discrepancy of the measured temperatures. The test bench contains a drill core of a road sample. The surface is tempered in the temperature range from - 10 °C to 10 °C with the aid of a liquid bath; additional heating rods are used for fine temperature adjustment. Three sheath resistance thermometers with a small diameter (1 mm) were positioned axially at different heights in the road sample (radially to the center of the road sample). An axial temperature distribution of the road sample is calculated from the measured temperatures and mathematically extrapolated to the temperature of the road surface. This extrapolated temperature will be used as a reference temperature for the temperature measurement with a radiation thermometer. In the test bench, different temperature cycles can be set, and ice formation can occur on the road surface. In addition, the environmental conditions can be varied systematically. The resulting reproducible discrepancies between the reference temperature and the temperature measured with the radiation thermometer are evaluated in terms of their measurement uncertainties. Transferable information for the road surface temperature will be derived from this. After considering the influencing factors that can affect the radiation temperature measurement, the discrepance of the surface temperature measurement of the pavement sample with the radiation thermometer to the extrapolated reference temperature could be reduced to about 100 mK in the investigated temperature range from -10 °C to 10 °C. A model for the description of the influencing variables on the road temperature measurement and a calibration guideline for the sensor used were created.