Ein ereignisloser Monat. Eine Beschreibung der Funktionsweise des Regensensors.

Ein ereignisloser Monat

30.04.2010, Kilometer: 29.500.

Der Monat April verlief ereignislos. Der Wagen funktioniert so, wie sich das gehört. Ich möchte deshalb hier die Gelegenheit nutzen und stattdessen die Funktionsweise und die Anwendungen des Regensensors und des automatischen Scheibenwischers erklären.

Funktionsweise des Regensensors

30.04.2010, Kilometer: 29.500.

Viele moderne Wagen werden heute bereits ab Werk mit einem Regensensor ausgerüstet und bieten damit die Funktion des automatischen Scheibenwischers. Dies entweder als Teil der Grundausstattung oder dann als Werksoption. Auch der Volvo S40 bietet einen solchen Regensensor, je nach gewählter Ausstattungslinie, als Teil der Ausstattung an. So ein Regensensor ist an sich eine praktische Sache und funktioniert heute meistens auch sehr gut. Doch wie funktioniert eigentlich der Regensensor selber?

Der Regensensor ist ein Gerät, das feststellen kann, ob und wie stark es regnet oder genauer gesagt, ob und wie stark die Frontscheibe mit Wasser benetzt ist. Er dient dem automatischen Scheibenwischer als Basis für die Festlegung des Reinigungsintervalls und damit der Frequenz, mit welcher die Scheibenwischer die Frontscheibe reinigen.

Das Hauptanwendungsgebiet des Regensensors ist die automatische Steuerung des Scheibenwischers an der Frontscheibe. Als erster Hersteller hat Peugeot Mitte der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts einen Regensensor und damit einen automatischen Scheibenwischer angeboten. Seither hat sich diese Technik im Automobilbau weit verbreitet und hat unterdessen in Mittel- und Oberklasse Fahrzeugen den Status einer Standardausstattung erreicht. Der Regensensor befindet sich dabei normalerweise hinter dem Innenrückspiegel oder als Teil des Innenrückspiegels an der Frontscheibe befestigt. Der Sensor misst die Benetzung der Frontscheibe innerhalb eines relativ kleinen Messfeldes, das in etwa die Größe eine kleinen Münze hat (typischerweise wenige Quadratzentimeter).

Der Regensensor für den automatischen Scheibenwischer.

Neben dem Einsatz in der Automobiltechnik bieten sich Regensensoren auch für die Steuerung von Dachfenstern und -luken sowie von Storen und Markisen an, welche im Falle eines Regens automatisch geschlossen respektive eingezogen werden sollen.

Ein Regensensor nutzt zur Erkennung der Benetzung der Frontscheibe üblicherweise ein opto-elektronisches Verfahren. Dabei wird das Licht einer Lichtquelle, typischerweise ist es eine LED, an den Wassertropfen auf dem Messfeld reflektiert oder gestreut. Dies wird mit einem Fotosensor (Fotodiode) gemessen und in geeigneter Form für die Steuerelektronik der nutzenden Anwendung (zum Beispiel der Scheibenwischer) umgesetzt. Aufgrund des Charakters der Reflexion des Lichtes ermittelt die Steuerelektronik dann den Grad der Benetzung des Messfeldes und damit der Scheibe.

Physikalisch basiert das Verfahren auf der Ausnutzung der unterschiedlichen optischen Dichten von Glas, Wasser und Luft (sogenannter optischer Brechungsindex). An der Grenze zwischen einem optisch dichteren und einem optisch dünneren Material wird der Lichtstrahl der LED in einem Winkel gebrochen, der von der Differenz der beiden Brechungsindizes abhängig ist. Der Lichtstrahl der LED wird dabei in einem definierten Winkel zur Glasscheibe solcherart geführt, dass im trockenen Zustand der (äußeren) Scheibe der Lichtstrahl komplett zum Fotosensor hin reflektiert wird (Totalreflexion). Der Lichtstrahl tritt dabei also gar nicht in das optisch dünnere Material ein, im trockenen Zustand ist das die Luft vor der Scheibe und verläuft somit vollständig im optisch dichteren Material, dem Glas der Scheibe.

Das grundlegende Funktionsprinzip eines Regensensors.

Üblicherweise wird dazu Licht aus dem infraroten Spektrum benutzt (IR-LED). Der Lichtstrahl wird durch Streulinsen aufgefächert und mittels eines Prismas unter einem günstigen Winkel in das Glas der Windschutzscheibe eingekoppelt. Das Prisma ist nötig, damit der Lichtstrahl nicht bereits beim Eintritt in die Frontscheibe auf der Seite der LED an der inneren Grenzschicht von der Luft zum Glas reflektiert wird, sondern erst bei der Grenzschicht vom Glas zur Luft an der äußeren Grenzfläche der Scheibe. Der Lichtstrahl wird dabei innerhalb des Glases der Windschutzscheibe reflektiert und an einer anderen Stelle der Scheibe innerhalb des Messfeldes durch ein Prisma aus der Windschutzscheibe ausgekoppelt und mittels Sammellinsen auf den Fotosensor abgebildet.

Wassertropfen auf der Außenfläche der Scheibe, zum Beispiel gebildet von Regen, verändern das Reflexionsverhalten des Lichtstrahles. Es findet an der äußeren Grenzfläche der Scheibe keine Totalreflexion mehr statt, sondern nur noch eine Teilreflexion. Damit wird bei Benetzung der Scheibe also weniger Licht der LED zum Fotosensor zurück reflektiert als im trockenen Zustand. Aufgrund dieses Unterschiedes kann die Steuerelektronik erkennen ob und gegebenenfalls wie sehr die Scheibe benetzt ist.

Damit ein Lichtstrahl an der Grenze von Glas, mit einem Brechungsindex von etwa n=1,5, zu Luft, mit einem Brechungsindex von beinahe n=1, vollständig reflektiert wird (Totalreflexion), muss der Einfallswinkel des Lichtstrahles größer als etwa 41° (das ist der Grenzwinkel für die Totalreflexion in diesem Fall) gewählt werden. Liegt an der Glasfläche statt Luft nun Wasser mit einer Brechzahl von etwa n=1,3 an, so ist der relevante Dichteunterschied (Glas zu Wasser) wesentlich geringer und es tritt nur eine teilweise Reflexion auf. Es wird damit also weniger Licht den Fotosensor erreichen.

Der Grenzwinkel für die Totalreflexion von einem optisch dichten zu einem optisch dünnen Material errechnet sich aus dem Dichteverhältnis der beiden optischen Brechungsindizes.

In der Regel liegt Wasser auf der Scheibe nicht als plane Fläche, sondern als mehr oder weniger gewölbte Tropfen oder als durch den Fahrtwind und die Wasserströmung bedingte unebene Schicht am Glas auf. Je mehr Glasfläche vom Wasser benetzt ist, desto stärker wird die Totalreflexion durch die Benetzung verändert und gestört. Die Kunst bei der Entwicklung eines Regensensors liegt nun gerade darin, diese verschiedenen Effekte in geeignetem Maße zu berücksichtigen. Ein einziger kleiner Tropfen im Messfeld soll den Wischer noch nicht auslösen, ein größerer Tropfen oder mehrere davon hingegen schon.

Der Anteil der reflektierten Lichtmenge dient für die Ansteuerung des automatischen Scheibenwischers. Je weniger Licht reflektiert wird, desto häufiger muss der Scheibenwischer aktiviert werden.

Bei starkem Regen schaltet das System automatisch und meist stufenlos von Intervall- auf Dauerwischen um. Während eines plötzlich einsetzenden Wolkenbruchs oder in der Gischtfahne eines vorausfahrenden Fahrzeuges schaltet das System schnell in die höchste Geschwindigkeitsstufe des Scheibenwischers. Fallen nur noch vereinzelt Regentropfen verlängert die Steuerung die Intervallzeiten wieder. Trockenes Reiben der Wischerblätter auf der Frontscheibe wird vermieden. Um Störungen durch Kondensation vorzubeugen, kann eine integrierte Heizung das Messfeld von innen trocken halten.

Weitere Verfeinerungen des Sensors beugen Irritationen des Systems durch Streulicht oder äußere Lichteinstrahlung vor zum Beispiel durch die Benutzung von pulsierenden Lichtstrahlen.

Und wie bewährt sich nun diese Technik beim Volvo S40? Im Großen und Ganzen funktioniert es wirklich sehr gut. Tatsächlich sogar so gut, dass ich bei Regen nur noch die Automatik der Scheibenwischer benutze.

Benzinverbrauch

30.04.2010, Kilometer: 29.500.

Der Benzinverbrauch beträgt gemäß Bordcomputer auch nach dem Wechsel auf die Sommerreifen im Durchschnitt 9,6 l/100 km.