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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitsmesser fur Wintersportgeräte wie Ski, Snowboards od dgl , mit einer Abtasteinrichtung, die als optisches System ausgebildet ist und eine unregelmässig strukturierte Oberfläche des Untergrunds in Gleitkontakt mit dieser abtastet und zumindest zwei eine Strukturänderung der Oberfläche charakterisierende Signale erzeugt, und einer Auswerteeinrichtung, die die zeitlichen Verläufe der beiden Signale auswertet und daraus die Geschwindigkeit des Wintersportgerätes bestimmt.
Dem Benutzer derartiger Gegenstände, wie z. B von Ski, Schlitten, Skibobs, Snowboards, Rennrodler, Motorschlitten, Surfbretter und dergleichen, die im wesentlichen auf oder in Schnee oder Wasser als Umgebungsmedium gleitend oder schwimmend bewegt werden können, ist häufig daran gelegen, Informationen über seine aktuelle Bewegungsgeschwindigkeit bezüglich der Umgebung und gegebenenfalls über weitere Umgebungsparameter zu erhalten.
Die EP 0 159 312 A beschreibt eine Einrichtung zur Messung von Weglängen oder Geschwindigkeiten. Zu diesem Zweck wird auf einem Sportgerät, wie etwa einem Ski, eine Messstrecke angeordnet, an deren einen Ende ein Empfänger angeordnet ist. Am anderen Ende der Messstrecke kann ein weiterer Empfänger oder ein Wegemarkenerzeuger angebracht sein. In einer Auswerteeinheit ist ein Zeitmessglied zur Bestimmung des zeitlichen Abstandes des Erfassens der gleichen Wegmarke durch die Empfänger bzw des Setzens und Erfassens jeder Wegemarke vorgesehen. Auf diese Weise kann die Bewegungsgeschwindigkeit, etwa eines Skis, bestimmt werden. Die einzelnen Bauteile dieser Vorrichtung sind dabei mit dem Sportgerät fest verbunden.
Naturgemäss stellt ein Geschwindigkeitsmesser der oben beschriebenen Art eine relativ aufwendige und teure Vorrichtung dar. Ausserdem ist es erforderlich sicherzustellen, dass ein solcher Geschwindigkeitsmesser die Fahr- und Gleiteigenschaften des Sportgeräts möglichst nicht beeinflusst Die in der EP 0 159 312 A beschriebenen Empfänger und überhaupt die Wegmarkiervorrichtungen stellen Unstetigkeiten in der Gleitfläche eines Skis dar. Ausserdem besteht während des Transports die Gefahr der Beschädigung der elektronischen Bauteile und die Gefahr des Diebstahls bei unsicherer Verwahrung
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Geschwindigkeitsmesser zu schaffen, der besser gesichert werden kann, und die Fahreigenschaften von Skiern nicht beeinflusst.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass am Wintersportgerät eine Tragkonstruktion mit einem in eine Ausnehmung des Wintersportgerätes ragenden rohrförmigen Ansatz befestigt ist, und dass das optische System in einem Gehäuse untergebracht ist, das an der Tragkonstruktion festlegbar und davon abnehmbar ist, und zumindest teilweise innerhalb des rohrförmigen Ansatzes in der Ausnehmung bündig zu einer Gleitfläche des Wintersportgerätes angeordnet ist.
Durch die rohrförmige Ausbildung der Tragkonstruktion kann ein Gehäuse des optischen Systems sicher, jedoch abnehmbar, befestigt werden Die bundige Ausführung mit der Gleitfläche des Wintersportgeräts sichert optimale Fahr- und Gleiteigenschaften Die Benutzung des erfindungsgemässen Geschwindigkeitsmessers wird dadurch erleichtert, dass dieser für kritische Transportvorgänge oder für den Fall der Verwahrung des Sportgeräts an einem unsicheren Ort leicht abgenommen werden kann.
Eine solche Lösung ist in der EP 0 159 312 A weder offenbart noch nahegelegt. Auch in der DE 27 42 550 A ist keine Anregung für die erfindungsgemässe Lösung enthalten.
Bei der erfindungsgemässen Lösung kann jederzeit die aktuelle relative Bewegungsgeschwindigkeit von der an einem Gegenstand angebrachten autarken Vorrichtung und direkt an dem Gegenstand an jedem Einsatzort erfasst werden, so dass keine weiteren externen stationären Einrichtungen dafür erforderlich sind. Die Abtasteinrichtung arbeitet abtastsicher, da die Oberfläche des Umgebungsmediums in direktem Kontakt mit einem Gleitkontakt-Teilbereich der Vorrichtung ist. Dadurch werden Messverfälschungen verhindert, die durch Störeinflüsse in einem Abstand zwischen der Abtasteinrichtung und der Oberfläche des Umgebungsmediums auftreten könnten.
Durch die unregelmässig strukturierte Oberfläche des Umgebungsmediums, auf oder in dem der Gegenstand sich bewegt bzw gleitet, können zwei Signale bei der Gleitbewegung durch Abtastung der Oberflächenstruktur nacheinander in etwa an derselben Stelle der Oberfläche erzeugt werden, die einen ähnlichen Signalverlauf haben und für die Oberflächenstruktur charakteristisch sind. Durch aus der Messtechnik bekannte Auswerteverfahren, z.
B Korrelation,
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können die zeitlichen Verläufe der beiden Signale ausgewertet und daraus die Bewegungsgeschwindigkeit bestimmt werden Unter unregelmassig strukturierter Oberfläche ist dabei nicht nur die in direktem Gleitkontakt mit dem Gegenstand bzw der Abtasteinrichtung befindliche Oberfläche des Umgebungsmediums zu verstehen, sondern ein Oberflächenschichtbereich, d h ein um ein gewisses Mass in die Tiefe reichender Bereich, der für unterschiedliche Abtasteinrichtungen erfassbar ist, wobei auf unterschiedlichsten Abtastprinzipien beruhende Sensoren verwendbar sind.
Der bewegbare Gegenstand muss jedoch nicht notwendigerweise in Gleitkontakt mit der Umgebung, insbesondere einem festen oder flüssigen Untergrund oder Umgebungsmedium sein Er kann sich auch rollend fortbewegen, die Abtasteinrichtung der Vorrichtung muss jedoch im wesentlichen in Gleitkontakt mit der Umgebung sein
Die Abtasteinrichtung kann beispielsweise ein Laser-Anemometer sein, wobei der Laser, vorzugsweise ein Halbleiterlaser, unter Ausnutzung des Doppler-Effekts zur Geschwindigkeitsbestimmung verwendet wird, indem eine Frequenz-ermittlung z B. mittels einer FFT (Fast-Fourier-Transformation) oder einer PLL-Schaltung (phase locked loop) durchgeführt wird und daraus in bekannter Weise die Geschwindigkeit bestimmt wird.
In einem alternativen Aufbau kann die Vorrichtung ein Prismengitter oder eine CCD-Zeile aufweisen Die optische Korrelation fuhrt am Signalausgang zu einer der Geschwindigkeit proportionalen Frequenz, die durch bekannte Mittel bestimmt und zur Geschwindigkeitsermittlung verwendet werden kann.
In einer besonders einfachen und gegenüber den beiden vorerwähnten Beispielen kostengünstigen und auch gegenüber Umgebungseinflüssen vergleichsweise unempfindlichen Ausfuhrungsform weist die Abtasteinrichtung ein optisches System zur Abbildung einer optischen Oberflächenstruktur bei der Signalerzeugung auf Auch hier gilt, dass eine optisch strukturierte Oberfläche auch einen optisch strukturierten Oberflächenschichtbereich umfasst, so dass daher auch Strukturen (Schneekristalle, Luftblasen in Wasser oder dergleichen), die etwas von der Oberfläche entfernt sind, zur optischen Unterscheidbarkeit beitragen können,
wenn sie von dem optischen System erfassbar und unterscheidbar sind
Vorzugsweise ist das optische System mit seiner der Oberfläche zugewandten Seite bündig zu einer Gleitfläche an einem Gleitkontakt-Teilbereich des Gegenstandes angeordnet Somit wird die Gleitfähigkeit der Gleitfläche nicht beeinträchtigt und die Anordnung des optischen Systems unterliegt bezüglich den Gleiteigenschaften des Gegenstandes keiner Einschränkung.
Wenn die Vorrichtung bzw das optische System in Wasser eingesetzt wird, kann es auch aus der Gleitfläche hervorstehen oder neben der Gleitfläche angeordnet sein, ohne die Gleiteigenschaften wesentlich zu beeinflussen
Eine besonders einfache Gestaltung bei dennoch guter Abbildungsqualität erhält man, wenn das optische System ein Linsensystem aufweist Beispielsweise können sphärische Linsen verwendet werden, die die Oberfläche auf mehrere Sensoren der Abtasteinrichtung abbilden. Bei entsprechender Anordnung der Sensoren kann nicht nur die Geschwindigkeit in der Hauptbewegungsrichtung, sondern auch ein Richtungsvektor einer davon abweichenden Bewegungsrichtung bestimmt werden.
Zweckmässigerweise stellt die Gleitfläche des Gegenstandes die Gegenstandsebene des optischen Systems dar, das dann das Bild bzw. die Struktur der Oberfläche besonders deutlich und unterscheidbar zur Signalerzeugung in die Bildebene abbildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Linsensystem der erfindungsgemässen Vorrichtung eine Zylinderlinse oder ist als solche ausgebildet. Gegenüber einer sphärischen Linse mit einem Brennpunkt enthält die Zylinderlinse gleichsam eine Brennlinie, die entlang der Längsachse der Zylinderlinse verläuft. Der Astigmatismus der Zylinderlinse führt zu einer "verschmierten" Abbildung, d h zu einer in Richtung der Längsachse der Zylinderlinse verbreiterten Abbildung, wodurch eine zur Hauptbewegungsrichtung des Gegenstandes seitliche Bewegung einen nur geringen Einfluss auf das Messsignal hat, so dass die Auswertemöglichkeit des Messsignals nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Zur Erzeugung der beiden Signale können zwei Sensoren auf der Seite der Bildebene des optischen Systems angebracht sein, die in Richtung der Hauptbewegung des Gegenstandes, vorzugsweise in seiner Längsrichtung, im wesentlichen hintereinander in definiertem Abstand
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voneinander angeordnet sind Mit Kenntnis dieses Abstandes kann die Auswerteeinrichtung aus den zeitlichen Verläufen der beiden Signale die Geschwindigkeit ermitteln
Vorzugsweise sind die Sensoren Photoempfänger, die auf Licht im sichtbaren und/oder IR- Bereich ansprechen, wie beispielsweise Photozellen, Photoelemente oder Photodioden oder CCD- Elemente Aus Kostengründen werden bevorzugt Photoelemente eingesetzt
Durch Blenden, insbesondere Schlitzblenden, vor jedem Sensor, die vorzugsweise in der Bildebene des optischen Systems angebracht sind,
wird die abgetastete Umgebungsoberfläche in eindeutig abtastbare optische Strukturen abgebildet.
In Anhängigkeit der Geschwindigkeit und der erfassbaren Strukturgrösse, z B. einer Korngrösse bei Schnee, ergibt sich eine wechselnde Signalfrequenz Bei der Verstärkung wird die Frequenz auf einen bestimmten Frequenzbereich eingegrenzt, um die nicht verwertbaren Signalbestandteile oberhalb (Rauschen) und unterhalb des bevorzugten Frequenzbereiches auszufiltern.
Falls das Umgebungslicht nicht ausreichend ist, um eine für das optische System unterscheidbare Strukturhelligkeit an der Oberfläche bereitzustellen, kann eine
Beleuchtungseinrichtung an der Vorrichtung integriert sein, die durch das optische System die Gegenstandsebene bzw die Oberfläche des Umgebungsmediums beleuchtet. Die Beleuchtungseinrichtung kann eine oder mehrere Leuchtdioden, vorzugsweise IR-Leuchtdioden wegen ihres grösseren Wirkungsgrades, aufweisen.
Wenn die Lichtleistung der Beleuchtungseinrichtung durch eine Regeleinrichtung an die Erfordernisse bzw das vorhandene Umgebungslicht anpassbar ist, kann der Strombedarf der Vorrichtung gesenkt werden Insbesondere bei Stillstand des Gegenstandes, wenn keine Abtastung und somit keine Beleuchtung erforderlich ist, kann die Beleuchtung abgeschaltet werden Eine besonders vorteilhafte und stromsparende Beleuchtungseinrichtung wird durch eine Projektionseinrichtung geschaffen, die Licht aus der Umgebung in die Gegenstandsebene projiziert Dafür können Spiegel oder Linsensysteme eingesetzt werden Vorzugsweise wird ein Lichtleiter verwendet, der für die Lichtzuführung flexibel angeordnet werden kann und sehr störungsunempfindlich ist
Die Stromversorgung der Vorrichtung erfolgt uber Batterien oder Akkumulatoren, jedoch können auch Photoelemente (Solarzellen)
an einem Gehäuse der Vorrichtung und/oder an dem Gegenstand angebracht sein, die Strom erzeugen, der insbesondere für die Auswerteeinrichtung und zum Nachladen der Akkumulatoren dient.
Die Komponenten der erfindungsgemässen Vorrichtung können in einer Baueinheit zusammengefasst werden Alternativ können die Abtasteinrichtung, die Auswerteeinrichtung, die Betatigungseinrichtung und die Anzeigeeinrichtung teilweise oder vollstandig voneinander getrennt am Gegenstand oder zum Teil auch vom Gegenstand entfernt angeordnet sein, wobei die Verbindung uber Leitungen oder drahtlos erfolgen kann So kann bei einem Skigeschwindigkeitsmesser die Betätigungseinrichtung z B an einem Skistock integriert sein und die Anzeige kann im Blickfeld eines Skifahrers angeordnet sein Die Signale für die Anzeige können zu einem Empfänger in einem Helm übertragen werden, von wo aus die Anzeige z. B in eine Skibrille eingespiegelt oder auf vergleichbare Weise dargestellt werden kann.
Die Vorrichtung kann zumindest eine weitere Sensoreinrichtung aufweisen, die eine oder mehrere weitere physikalisch erfassbare Grössen aus der Umgebung abtasten kann Neben der Temperatur der Schneefläche oder des Wassers können z. B. auch Drucksensoren und Beschleunigungssensoren vorgesehen sein. So können Beschleunigungswerte beim Skibobfahren beim Kurvenfahren oder beim Skifahren beim Durchfahren von Senken erfasst werden.
Schliesslich betrifft die Erfindung einen bewegbaren Gegenstand, insbesondere ein Sportgerät wie beispielsweise einen Ski oder dergleichen, der mit einer Vorrichtung gemäss der Ausgestaltung nach einem der Ansprüche ausgestattet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichungen noch näher erläutert Es zeigt.
Fig 1 eine Seitenansicht in vergrösserter, teilweise schematisierter und geschnittener
Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer Anordnung an einem Ski ;
Fig 2 eine schematische Querschnittsansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung mit
Blickrichtung von links in Fig. 1 ; Fig 3 in Draufsicht ein Gehäuse der Vorrichtung mit angedeuteter Blendenanordnung an dem optischen System.
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Das in Fig 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung ist als Geschwindigkeitsmesser für einen Ski 1 ausgebildet Die Vorrichtung weist eine steife Tragkonstruktion 2 auf, die eine Grundplatte 3 und einen von der Grundplatte 3 senkrecht abstehenden, rohrförmigen, hohlzylindrischen Dom 4 enthält, der zur Anordnung in einer bezüglich einer Skigleitfläche 5 aussermittigen, d. h neben einer Mittelrille 6 (siehe Fig 2) vorgesehenen Bohrung 7 im Ski 1 vorgesehen ist Der Dom 4 ist ebenso bezüglich der Langsachse der Grundplatte 3 entsprechend der Anordnung der Bohrung 7 aussermittig an der Grundplatte 3 angeordnet (siehe Fig 2) Die Tragkonstruktion 2 ist an der Skioberseite, beispielsweise ca. 30 cm vor einer Skibindung, mit Schrauben 8 befestigt.
Die Tragkonstruktion 2 kann mit untergelegten Distanzringen 9 am Ski 1 derart justiert befestigt werden, dass in Abhängigkeit von der Dicke des Skis 1 an der Montageposition der Dom 4 mit der Skigleitfläche 5 bündig abschliesst.
Die Vorrichtung enthält ein Gehäuse 10, das an der Grundplatte 3 festlegbar und durch mindestens einen Verschluss 11 an dieser verriegelbar ist. Der Verschluss 11 weist ein Riegelteil 12 auf, das um eine Schwenkachse 13 gelagert ist. Durch eine sich am Gehäuse 10 abstützende Feder 14 ist das Riegelteil 12 in Schliessposition vorgespannt (siehe Fig. 1), in der ein Riegelhaken 15 des Riegelteils 12 an der Grundplatte 3 der Tragkonstruktion 2 eingehakt ist
Das Gehäuse 10 enthält einen Optikträger 16 mit einem plattenförmigen Basisteil 17 (z.
B. aus Aluminium), das die Unterseite des Gehäuses 10 darstellt, und mit einem sich aussermittig davon senkrecht erstreckenden zylindrischen Tubus 18, der bei an der Tragkonstruktion 2 festgelegtem Gehäuse 10 in dem Dom 4 der Tragkonstruktion 2 passgenau angeordnet ist
In dem Tubus 18 ist als ein optisches Linsensystem 19 eine Zylinderlinse 21 integriert, die in einer horizontalen Querbohrung 20 im Tubus 18 angeordnet ist. Eine Durchgangsbohrung 22 (oder ein Schlitz) ist vertikal zentrisch in dem Tubus 18 vorgesehen. Am unteren Ende des Tubus 18 ist ein Abschlussteil 23 mit einem Gewinde 24 am Tubus 18 verschraubbar. Das Abschlussteil 23 enthält eine zentrische Längsbohrung 25 und an seiner Unterseite eine lichtdurchlässige Abdeckscheibe 26. Ein Dichtring 27 dichtet das Abschlussteil 23 am Dom 4 ab.
Durch zumindest eine zwischengelegte Justierscheibe 28 kann beim Festschrauben des Abschlussteils 23 die vertikale Höhenposition der Abdeckscheibe 26 bezüglich dem Tubus 18 und somit der Skigleit- fläche 5 eingestellt werden. Die Abdeckscheibe 26 kann aus kratzfestem Saphirglas oder dergleichen bestehen und kann austauschbar sein, so dass sie bei dennoch auftretendem Ver- schleiss erneuert werden kann Oberhalb der Zylinderlinse 21 sind zwei die Bohrung 22 bedeckende Schlitzblenden 29 (siehe Fig. 3) in der Bildebene des Linsensystems 19 parallel benachbart angebracht und mit ihren Schlitzen senkrecht zur Skilängsachse ausgerichtet.
Oberhalb jeder der Schlitzblenden 29 ist jeweils ein Photoempfänger 30,31 angebracht, z. B an einer im Gehäuse 10 angeordneten Leiterplatte 32 für eine Steuer- und Auswerteelektronik. Zwei IR-Leuchtdioden 33,34 sind im oberen Bereich des Tubus 18 oder oberhalb davon an der Leiterplatte 32 derart angebracht, dass sie über Bohrungen im Tubus 18 und die Zylinderlinse 21 die Schneeoberfläche in der Gegenstandsebene beleuchten Die IR-Leuchtdioden 33,34 sind z. B seitlich auf einer Seite neben den Photoempfängern 30, 31 oder gegenüberliegend (siehe Fig. 3, Photoempfänger nicht dargestellt) angeordnet. Die Beleuchtungseinrichtung kann auch am Abschlussteil 23 nahe der Gegenstandsebene integriert sein.
In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) wird auf den mit dem Basisteil 17 einstückigen Tubus 18 verzichtet. Stattdessen ist die Zylinderlinse 21 an einer Gewindestange angebracht, die mit dem Basisteil 17 verschraubt und in dem Dom 4 angeordnet ist. Durch die Verschraubung ist sie in ihrer Positionierung einstellbar. Eine Führung sorgt für eine definierte Ausrichtung der Längsachse der Zylinderlinse 21 im wesentlichen senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung des Gegenstandes bzw. des Skis.
In dem Gehäuse 10 ist ein Batteriefach 35 zur Aufnahme von Batterien oder Akkumulatoren 36 als Stromversorgung für den Geschwindigkeitsmesser enthalten. Das Batteriefach 35 ist mit einem Deckel 37 verschliessbar, durch eine Dichtung 38 am Gehäuse 10 abgedichtet und mit einer Schraube 39 gesichert.
Auf der Oberseite des Gehäuses 10 ist eine Anzeigeeinrichtung 40 integriert, die ein unter einer Abdeckplatte 41 angebrachtes LCD-Display 42 zur Anzeige der Geschwindigkeit sowie anderer Funktionen und Daten wie Uhrzeit, Fahrstrecke sowie Statusinformationen (Batterie- oder Akkuladezustand) aufweist Eine Betätigungs- oder Schalteinrichtung 43 ist ebenfalls an dem
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Gehäuse 10 angebracht, so dass verschiedene Funktionen und Betriebsmodi der Auswerteeinrichtung steuer- und bedienbar sind Die Betätigungseinrichtung kann in Form eines oder mehrerer Taster 44 ausgebildet sein, dessen bzw deren Form zur Betätigung mittels eines Skistockes an eine Skistockspitze angepasst ist bzw sind Das Gehäuse 10 ist aus schlagfestem und kältebeständigem Kunststoff gefertigt
Alternativ kann die Anzeigeeinrichtung von dem Gehäuse 10 bzw.
vom optischen System 19 getrennt am Ski angebracht werden, z. B. im Bereich der Skispitze Verbindungsleitungen können auf die Skioberfläche aufgeklebt oder vorzugsweise schon bei der Skiherstellung im Skiinneren integriert werden
Durch das optische System 19 bzw die Zylinderlinse 21 wird das auf der Aussenseite der Abdeckscheibe 26 entstehende gleitende Abbild der Oberflächenstruktur des Schnees mit einer konstanten optischen Vergrösserung auf die Ebene der Schlitzblenden 29 projiziert Die beiden mittensymmetrisch in definiertem Abstand angeordneten Schlitzblenden 29 geben einen kleinen Teil des Abbildes fur die beiden dahinter angeordneten Photoempfänger 30,31 frei. Bewegt sich der Ski 1 senkrecht zur Symmetrieachse der beiden Schlitzblenden 29, so entstehen zwei ähnliche, aber zeitversetzte Modulationssignale in den Photoempfängern 30,31.
Dieser Zeitversatz ist bei bekannter Geometrie ein Mass für die Geschwindigkeit v des Skis 1. Da bereits ein geringer Geschwindigkeitsanteil senkrecht zu v (seitliche Drift oder seitliches Rutschen des Skis) zu deutlich unterschiedlichen Signalen bei einem sphärischen Linsensystem mit punktgenauer Abbildung mit entsprechenden Auswertungsproblemen führt, wird vorzugsweise die Zylinderlinse 21 mit den zwei nebeneinander angeordneten Schlitzblenden 29 verwendet Der Astigmatismus der Zylinderlinse 21 führt zu einer "verschmierten" Abbildung, d. h zu einer in Richtung der Längsachse der Zylinderlinse 21 verbreiterten Abbildung, wodurch eine seitliche Drift des Skis 1 einen nur geringen Einfluss auf das Messsignal hat, der die Auswertemöglichkeit des Messsignals nicht wesentlich beeinträchtigt.
Bei Servicearbeiten am Ski oder bei Nichtbenutzung des Geschwindigkeitsmessers kann das Gehäuse 10 mit dem daran befestigten Optikträger 16 abgenommen werden Bei eventuellem Nachschleifen des Gleitbelages 5 des Skis 1 wird der Dom 4 mit dem Gleitbelag 5 abgeschliffen.
Bei Nichtbenutzung des Geschwindigkeitsmessers kann auch ein Verschlusszylinder anstatt dem Tubus 18 des Optikträgers 16 in dem Dom 4 befestigt werden, um dessen Hohlzylinder zu füllen und eine ebene Gleitfläche zu schaffen.
In der Auswerteelektronik wird das von den Photoempfängern 30,31 abgegebene Signal mit im Übertragungsverhalten angepassten Verstärkern auf das erforderliche Niveau verstärkt und anschliessend mit AD-Convertern (ADC) digitalisiert, wobei z. B eine 12-Bit-Auflösung oder vorzugsweise eine 1-Bit-Auflösung eingesetzt wird. Die Reduzierung auf 1-Bit erlaubt eine schnelle und doch ausreichende Korrelationsroutine. Zu dieser sogenannten Vorzeichen-Digitalisierung wird ein Differenzierglied in Verbindung mit einem Komparator eingesetzt Der Zustand des Komparators wird mit bekanntem Zeittakt in den Rechner eingelesen und führt zu zwei zeitsynchron gewonnenen Signalarrays. Die Einleserate (Abtastrate) kann dabei zur Optimierung der Auflösung an die momentane Gleitgeschwindigkeit angepasst werden.
Die Lichtleistung der Beleuchtungseinrichtung (z B der Infrarot-LEDs (IR-LEDs), die wegen ihres höheren Wirkungsgrades gegenüber LEDs im Bereich von sichtbarem Licht bevorzugt werden) wird laufend entsprechend dem aktuellen Signalpegel nachgeführt, um den erforderlichen Strombedarf zu reduzieren. Zur Vergrösserung der Batterielebensdauer (bzw der verlängerten Nutzung einer Akkuladung) kann die Beleuchtung während Messpausen (z. B. bei Stillstand des Gegenstandes) vollständig abgeschaltet werden. Dieser Optimierung der Stromnutzung dient auch das Zufuhren von vorhandenem Umgebungslicht, z B mittels lichtleitender Einrichtungen, als zusätzliche Beleuchtung in die Objektebene, so dass die erforderliche elektrische Beleuchtungsenergie reduziert wird.
Über den oder die am Gehäuse vorgesehenen Betätigungstaster 44 oder über eine externe Betätigungseinrichtung (z. B. am Skistock oder am Handgelenk) kann z. B. ein Startsignal für eine integrierte Stoppuhrfunktion oder ein Messpausensignal ausgelöst werden. In einem Geschwindigkeitsprofilmodus wird damit die Darstellung der vorausgegangenen Messdaten ge- steuert.
Bei Verwendung von wiederaufladbaren Akkumulatoren 36 können diese über elektrisch
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entkoppelte Kontaktstifte aufgeladen werden, so dass eine Entnahme der Akkus aus dem Gehäuse 10 nicht erforderlich ist.
Mittels einer drahtlosen Kommunikationseinrichtung können die erfassten Geschwindigkeitsdaten und weitere Daten zur weiteren Bearbeitung auf einen externen Rechner übertragen werden. Zur drahtlosen Kommunikation kann beispielsweise die optoelektronische Schnittstelle mit den Photoempfängern 30,31 und den Leuchtdioden 33,34 verwendet werden.
Dazu wird das Gehäuse 10 vom Ski abgenommen und mit der Optikseite (beim Skitacho mit der Abdeckscheibe 23) gegen einen entsprechenden Empfänger gehalten, der die über die Leuchtdioden 33,34 gesendeten Signale aufnimmt Die optoelektronische Schnittstelle kann ebenso zur Programmierung des Gerätes, insbesondere zur Kalibrierung, verwendet werden.
Die Hauptaufgabe der Auswertung der Messsignale liegt in der Bestimmung des Zeitversatzes der beiden Eingangssignale. Dabei bietet die verwendete Kreuzkorrelation ein maximales Funktionsergebnis bei bester Übereinstimmung der zu korrelierenden Signale. Bei bekannter Abtastrate kann aus der Position des Maximums direkt der Zeitversatz berechnet werden Mit Kenntnis der Abmessungen des mechanischen bzw optischen Aufbaus kann hieraus wiederum die aktuelle Geschwindigkeit berechnet werden. Das Integral der Geschwindigkeit über die Zeit liefert den zurückgelegten Weg.
Für die ordnungsgemässe Funktion der erfindungsgemässen Vorrichtung sollen keine Periodizitäten im Messsignal auftreten, da sie zu mehreren Maxima führen und die Auswertung erheblich erschweren würden. Das sich aus der Abbildung von Schnee ergebende Signal entspricht in erster Näherung sogenanntem weissen Rauschen und ist deshalb für die Korrela- tionsanalyse bestens geeignet.
Die Digitalisierung der Eingangssignale erfolgt üblicherweise in zeitlich exakt definierten Abständen, dem sog. Abtastintervall tA [s] bzw. dem reziproken Wert der Abtastrate fA [Hz]. Wird mit konstanter mittlerer Abtastrate und konstanter Feldlänge bzw. konstantem Signalarray (d. h. mit einer konstanten Anzahl von Einzelwerten, die für die Geschwindigkeitsbestimmung verwendet werden) gearbeitet, so werden bei geringer Gleitgeschwindigkeit des Skis auf Schnee wenig Schnee- oder Eiskristalle mit hoher Ortsauflösung und bei hoher Gleitgeschwindigkeit viele Kristalle mit geringer Ortsauflösung erfasst. Die Korrelationsfunktion ist in beiden Fällen qualitativ nicht optimal Zur Lösung dieses Problems arbeitet man mit zwar konstanter Feldlänge, jedoch mit daran angepasster Abtastrate.
Bei geringer Gleitgeschwindigkeit wird mit niedriger Abtastrate und bei hoher Gleitgeschwindigkeit wird mit hoher Abtastrate gearbeitet. Als Kriterium zum Festlegen der Abtastrate wird die Anzahl der detektierten Kristalle verwendet. Zu Beginn der Messung wird eine maximale Abtastrate verwendet. Liegt nach dem Erreichen des Endes einer Feldlänge die Anzahl der detektierten Kristalle unter einem festgelegten Schwellwert, so wird die Abtastrate halbiert und jeder zweite Wert des ersten Messzyklus wird verworfen. Dieses Verfahren wird bis zum Erreichen des Schwellwertes bzw. der unteren Abtastrate durchgeführt Das Verfahren sichert bei konstantem Speicherbedarf eine optimale Korrelationsfunktion.
Wesentlich bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Verwendung einer 1-Bit-Auflösung, die eine sehr schnelle Analyse und damit eine hohe Messrate ohne bedeutende Einschränkungen bei der Messgenauigkeit erlaubt. Ein Vergleich einer Kreuzkorrelation mit 1-Bit-Auflösung mit einer Kreuzkorrelation mit 12-Bit-Auflösung hat gezeigt, dass die einfache Vorzeichenauswertung (d. h. 1- Bit-Auflösung) zu einer der 12-Bit-Auflösung nahezu identischen Korrelationsfunktion führt. Da der Rechenzeitaufwand stark abhängig ist von der digitalen Auflösung des Messsignals, liegt er bei der 1-Bit-Auflösung, da er direkt proportional ist zur Anzahl der zu korrelierenden Punkte, somit um ein Vielfaches unter dem für die 12-Bit-Auflösung erforderlichen Aufwand (Integermultiplikation im Vergleich zu UND-Operationen).
Wichtig für die Qualitätskontrolle der Einzelmessungen sind Plausibilitätskontrollen sowie eine gezielte Ausblendung von Fehlstellen, wie z. B Abhebephasen des Skis oder die Erkennung von Stillstand. Bei einer Fehlstelle können im wesentlichen trotz ausreichender Beleuchtung keine Hell- Dunkel-Informationen oder lediglich eine für die Korrelation zu geringe Anzahl davon eingelesen werden können Als weitere Kriterien für die Qualitätskontrolle können der gleitende Mittelwert sowie das Differential der letzten Messwerte dienen. Eine Analyse der Korrelationsfunktion wiederum erlaubt eine Aussage über die Qualität jeder Einzelmessung. Minderwertige Ergebnisse der Geschwindigkeitsmessung können somit verworfen werden.
Nur statistisch ausreichend
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gesicherte Ergebnisse werden angezeigt
In einer Ausführungsform werden über Sensoren zusätzliche Informationen ermittelt. So ist z B. zur Temperaturmessung der Schneefläche im Dom ein thermosensitiver Geber, vorzugsweise ein Heissleiter (NTC-Thermistor), eingebaut Der Kontakt mit der Schneefläche über das Gehäuse erlaubt auf einfache Weise die Bestimmung der Schneetemperatur. Das elektrische Signal wird digitalisiert und über eine Anzeige wird die Temperatur dargestellt. Bei bekannter Temperatur kann ein für die Gleitfähigkeit des Skis optimales Wachs gewählt werden. Zusätzlich lässt sich ein Temperaturprofil uber eine Abfahrtsstrecke ermitteln und zur Wiederverwendung speichern.
Die Laufeigenschaften eines Skis werden wesentlich von der Art des auf die Gleitfläche aufgetragenen Wachses bestimmt. Die zu wählende Wachssorte muss auf die Schneeverhältnisse, insbesondere auf die oben erwähnte Schneetemperatur und die Schneekorngrösse, abgestimmt sein. Für die Festlegung einer Lawinengefahr ist ebenso die Kenntnis der Schneekorngrösse im Schneeprofil wesentlich Die Korngrösse kann durch Analyse des Eingangssignals ohne weitere optische Hilfsmittel (wie z. B. ein Mikroskop) bestimmt werden Dazu unterzieht man das elektrische Eingangssignal einer Spektralanalyse, wobei bevorzugt die Fast-Fourier- Transformation (FFT) verwendet wird. Unter Berücksichtigung der ermittelten Geschwindigkeit kann auf diese Weise direkt die Korngrössenverteilung errechnet werden.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können mehrere Analysen ermittelt werden
Die Vorrichtung kann in einer Prüfsonde zur Bestimmung einer Lawinengefahr eingebaut sein.
Die Prüfsonde ist z B. ein länglicher stabförmiger Gegenstand, der in etwa senkrecht zur Schneeoberfläche oder zur Schneeschichtung in den Schnee bewegt wird. Durch die oben beschriebene Auswertung kann die Schneekorngrösse über die Schneetiefe erfasst und dargestellt werden. Daraus lassen sich Schichten mit spezifischer Schneekorngrösse, die gegebenenfalls auf eine Lawinengefahr schliessen lassen, ermitteln. Ein solche Prüfsonde kann ein Skistock sein, so dass ein Skifahrer jederzeit eine Einrichtung zur Beurteilung einer Lawinengefahr mit sich führen kann
Eine im Aufbau vergleichbare Ausführungsform eines Geschwindigkeitsmessers kann bei Surfbrettern oder anderen Wasserfahrzeugen eingesetzt werden. Die optische Einheit ist wie bei der Skimontage bündig mit der Unterseite des Surfbretts zu montieren.
Da zur Signalgewinnung eine strukturierte Gleitoberfläche erforderlich ist, müssen z B. durch einen Injektor Luftblasen im Wasser vor der Messoptik erzeugt werden, die die detektierbare Struktur für die Messung darstellen. Statt des Injektors können auch Strömungsabrisskanten vor der Messoptik vorgesehen sein.
Für ein Boot ergibt sich eine vergleichbare Anwendung Der optische Teil wird bündig, z. B. in einer Bohrung der Bootwand, mit der Bootsaussenseite angebracht. Die Anzeigeeinheit kann im Schiffsinneren angeordnet sein. Die wasserdicht gekapselte Vorrichtung kann auch als selbständige Einheit aussen am Boot angebracht sein, so dass die Bootswand nicht durchbohrt werden muss.
Bei einer weiteren Anwendung kann beim Skispringen die Geschwindigkeit gemessen werden, sobald Gleitkontakt zwischen Ski und Untergrund besteht Mittels eines Beschleunigungssensors kann der exakte Aufsetzzeitpunkt durch Erfassen der dabei auftretenden Erschütterung bestimmt und aufgezeichnet, gegebenenfalls auf eine Anzeigeeinrichtung übertragen werden
Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Abtasteinrichtung kapazitive Sensoren anstatt der vorher beschriebenen optischen Photoempfänger auf Der wesentliche Vorteil dieser Variante liegt in der verdeckten Anbringungsmöglichkeit der Sensoren.
Die Kondensatorelektroden können bei der Herstellung im Inneren des Skis hinter der Skigleitfläche angebracht werden, ohne dass ein direkter, die Skigleitfläche unterbrechender Kontakt des Sensors zur Schneefläche erforderlich wäre. Ebenso ist keine nachträgliche Beschädigung (z B Durchbohrung) des Gegenstandes erforderlich. Vorzugsweise wird ein Differentialkondensator mit zwei im Hochfrequenzbereich arbeitenden Oszillatoren verwendet.
Gleitet ein mit kapazitiven Sensoren ausgerüsteter Ski über Schnee, so führt die statistisch schwankende Dielektrizitätskonstante -von Schnee zu leichten Verstimmungen der beiden Oszillatoren, wobei durch Einsatz der Hochfrequenz-Mischertechnik niederfrequente Differenzfrequenz-Signale erzeugt werden können. Die Auswertung dieser niederfrequenten Signale erfolgt wiederum mittels Kreuzkorrelation.
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Ansonsten entspricht der Aufbau der Vorrichtung und die Auswertung dem Beispiel mit dem optischen Linsensystem.