CH639769A5

CH639769A5 - Sichtweitenmessgeraet nach dem prinzip der vorwaertsstreuung und dessen verwendung.

Info

Publication number: CH639769A5
Application number: CH884979A
Authority: CH
Inventors: Frank Dr Ing Fruengel
Original assignee: Fruengel Frank
Priority date: 1979-10-02
Filing date: 1979-10-02
Publication date: 1983-11-30
Also published as: CA1141191A; GB2059576B; GB2059576A; DE3016610A1; JPS5651647A; DE3016610C2

Description

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PATENTANSPRÜCHE Schaltung unterschreitet, und dass eine Schaltuhr oder eine

1. Sichtweitenmessgerät nach dem Prinzip der Vorwärts- Helligkeitsmessvorrichtung mit der Schwellwertschaltung Streuung von Licht, mit einem Lichtsender und einem Licht- verbunden ist, die deren Schwelle nach der Tages- und Nachtempfänger für in der Atmosphäre vorwärts gestreutes Sender- zeit bzw. der Helligkeit steuert, derart, dass die Schwelle wäh-licht mit einer Vorrichtung zur Messung der Intensität des s rend der Tageszeit bzw. bei Tageslicht einer grösseren und empfangenen gestreuten Lichts als Mass der dieser entspre- während der Nachtzeit bzw. bei geringer Helligkeit einer klei-chenden Sichtweite und mit einer Blende zum Schutz des neren Sichtweite entspricht.

Empfängers von direktem, nicht gestreuten Senderlicht, da- 15. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge-

durch gekennzeichnet, dass die Strahlungsrichtung (17) des kennzeichnet, dass das Gerät eine Prüfvorrichtung hat, wel-

Senders (2) schräg abwärts und die Empfangsrichtung (19) 10 che eine lichtdurchlässige Platte aufweist, die in einer Ruhe-

des Empfängers (3) in einem stumpfen Winkel (a) zur Strah- läge ausserhalb des Strahlungskegels des Senders (2) und des lungsrichtung (17) schräg aufwärts gerichtet ist. Kegelraums, aus dem der Empfänger (3) empfangt, angeord-

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass net ist, und die mittels eines Hubmagneten oder manuell aus die Blende (4) unten zwei prallele, auf gleicher Höhe in einem der Ruhelage in eine Prüflage bewegbar ist, in der sie im unter Abstand (b) voneinander verlaufende Ränder (24) hat. 15 der Blende (3) liegenden Teil des Raumes, in welchem der

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- Strahlungskegel (18) des Senders (2) den Kegelraum (20), aus net, dass die Blende (4) unten einen dreieckigen Ausschnitt dem der Empfänger (3) empfängt, durchdringt, angeordnet (22) hat, derart, dass ihre unteren Ränder je aus zwei nach ist, um dort eine einer vorbestimmten Sichtweite entspre-aussen abwärts verlaufenden Randteilen (24) bestehen. chende Streuung zu bewirken.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass 20 16. Verwendung des Geräts nach Anspruch 1 zur Mes-die unteren Blendenränder (24) mit einer im Querschnitt sung der Sichtweite über dem Erdboden, dadurch gekenn*-spitzwinkligen Regenrinne (25) versehen sind. zeichnet, dass das Gerät auf eine eine Vegetation verhin-

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- dernde und die Sonnenstrahlung reflektierende Oberfläche kennzeichnet, dass die Blende (4) mit einem wasserabstossen- gestellt und von einem bis zu dieser Oberfläche reichenden den, Insekten fernhaltenden Belag überzogen ist. 25 Gitterzaun umgeben wird.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- 17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekenn-kennzeichnet, dass die Blende (4) mit einer Heizvorrichtung zeichnet, dass das Gerät so auf der Oberfläche aufgestellt (28) versehen ist, die auf eine Temperatur der Blende von 50 wird, dass der Raum, in welchem der Strahlungskegel ( 18) des bis 60 °C und auf eine niedrigere, über dem Gefrierpunkt lie- Senders (2) den Kegelraum (20), aus dem der Empfänger (3) gende Temperatur der Blende (4) einstellbar oder auf eine die- 30 empfängt, durchdringt, einen Abstand von der Oberfläche ser Temperaturen eingestellt ist. hat.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und Empfänger (3) in luft-

dichten, ein Trockenmittel (29) enthaltenden Gehäusen (5,

10) angeordnet sind. 35 Die Erfindung betrifft ein Sichtweitenmessgerät nach dem

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- Prinzip der Vorwärtsstreuung von Licht, gemäss dem Oberkennzeichnet, dass das Gerät mit einer unansehnlichen Tarn- begriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Verwendung des färbe angestrichen ist. Geräts zur Messung der Sichtweite über dem Erdboden.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- Geräte dieser Art (forward scatter meter, FSM) sind u.a. kennzeichnet, dass der Sender (2) und der Empfänger (3) je -»o besonders geeignet für die Zwecke der Metereologie und für hinter einem Fenster (9,11 ) aus Baryt oder Quarzglas ange- den Strassenverkehr zum Ein- und Ausschalten von Signalen ordnet sind. zur Nebelwarnung oder entsprechenden Geschwindigkeits-

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge- beschränkung.

kennzeichnet, dass wenigstens der Empfänger (3) mit einem Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weitge-

Infrarotfilter (11) oder einer infrarote Strahlung absorbieren- « hend wartungsfreies Gerät dieser Art zu schaffen, dessen den Optik (12) versehen ist. Messergebnisse nur von der Sichtweite abhängen, d.h. im üb-

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge- rigen vom Wetter und anderen Umwelteinflüssen unabhängig kennzeichnet, dass die Lichtquelle des Senders (2) eine Blitz- sind.

lichtlampe (7) ist, und der Empfänger (3) für die den empfan- Diese Aufgabe wird nach dem Patentanspruch 1 dadurch genen Lichtblitzen entsprechenden elektrischen Impulse ein 50 gelöst, dass die Strahlungsrichtung des Senders schräg abFilter ( 15) hat, dessen Durchlassbereich dem intensivsten Teil wärts und die Empfangsrichtung des Empfängers in einem des Frequenzspektrums dieser Impulse angepasst ist. stumpfen Winkel zur Strahlungsrichtung schräg aufwärts ge-

12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge- richtet ist. Entsprechend der abwärts verlaufenden Strah-kennzeichnet, dass der Sender (2) ein Lichtimpulssender ist, lungsrichtung des Senders und der schräg aufwärts verlaufen-und der Empfänger (3) eine vom Sender (2) gesteuerte Ver- 55 den Empfangsrichtung des Empfängers sind deren Fenster so knüpfungsschaltung (16) enthält, welche das Ausgangssignal geneigt, dass keine Staubpartikel darauffallen können. Der des lichtelektrischen Wandlers (13) des Empfängers (3) wäh- stumpfe Winkel, den diese Richtungen einschliessen, führt zu rend der Sendeimpulspausen unterdrückt. einem kleinen vertikalen Abstand des Scheitels des Winkels

13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, für selbsttä- vom Gerät. Dadurch genügt eine geringere Höhe des Geräts tige Dauermessungen, gekennzeichnet durch eine Steuervor- <"> über dem Boden, um zu verhindern, dass z.B. im Sommer richtung, welche das Gerät periodisch kurzzeitig einschaltet Pflanzen in das Messvolumen hineinragen, und im Winter die und auf eine Änderung der gemessenen Sichtweite erst dann Schneehöhe bis an das Mess volumen reicht. Mess volumen ist anspricht, wenn eine Änderung des Messergebnisses während der unter der Blende liegende Teil des Raumes, in welchem mindestens zwei Perioden bestehen bleibt. der Strahlungskegel des Senders den Kegel, aus dessen Raum

14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, «5 der Empfänger empfängt, durchdringt. Weil das Messvolu-dass das Gerät eine Signalvorrichtung hat, welche von einer men nicht über und auch nicht neben, sondern unter dem Ge-Schwellwertschaltung eingeschaltet wird, solange die gemes- rät ist, wird die Luft im Messvolumen nicht von dem im Som-sene Sichtweite eine einstellbare Schwelle der Schwellwert- mer durch Sonnenbestrahlung erwärmten oder im Winter zur

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Verhinderung störender Vereisung geheizten Gerät erwärmt. Eine solche Erwärmung des Messvolumens ist bei über dem Gerät liegendem Messvolumen und, wenn eine seitliche Luftströmung auftritt, auch bei neben dem Gerät liegenden Messvolumen unvermeidlich und führt zu Messfehlern. Schliesslich ist das Rauschen des nur schräg von unten empfangenden Empfängers kleiner als bei einem Empfänger, der von oben oder seitlich empfängt.

Die erfindungsgemässe Verwendung des Geräts ist Gegenstand des Patentanspruchs 16. Bevorzugte Ausführungsarten des erfindungsgemässen Geräts sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 umschrieben.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden, nur schematischen Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Sicht-weitenmessgeräts,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Blende des Gerätes nach Fig. 1, in grösserem Massstab als Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht zu Fig. 2 und Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 2, in grösserem Massstab als Fig. 2 und 3.

An der Unterseite eines Trägers 1 sind einander gegenüber ein Lichtsender 2 und ein Lichtempfänger 3 befestigt. In der Mitte zwischen dem Sender 2 und Empfänger 3 ragt eine Blende 4 am Träger 1 nach unten. Das Gehäuse 5 des Senders 2 enthält eine von einem Stromversorgungsgerät 6 gespeiste Blitzlichtlampe 7 mit Linsenoptik 8 hinter einem Fenster 9. Das Gehäuse 10 des Empfängers 3 enthält hinter einem Fenster 11 eine Linsenoptik 12 und eine Fotodiode 13, die an eine Schaltung 14 zur Messung des Fotostromes angeschlossen ist, die ein Filter 15 und ein Verknüpfungsglied 16 enthält.

Die Achse 17 des Strahlenkegels 18 des Senders 2 ist schräg abwärts und die Achse 19 des Kegels 20, aus dessen Raum der Empfänger 13 Licht empfängt, ist in Empfangsrichtung schräg aufwärts gerichtet. Die beiden Achsen 17 und 19 schliessen einen stumpfen Winkel a ein. Die Blende 4 ragt von oben so weit in die beiden Kegel 18 und 20 hinein und ist senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 so breit, dass der Empfänger 3 kein direktes Licht vom Sender 2 erhält. Bei klarer Sicht (Sichtweite unendlich) fällt kein Senderlicht auf den Empfänger. Bei schlechter Sicht wird etwas Licht von den Nebelteilchen in der Atmosphäre gestreut. Streulicht aus dem Mess volumen gelangt auf die Fotodiode 18 des Empfängers 3. Der dadurch erzeugte Fotostrom wird verstärkt und ist ein Mass der Trübung und damit der Sichtweite, die mit zunehmender Trübung abnimmt.

Das Verknüpfungsglied 16 ist ein vom Sender gesteuertes UND-Glied, das den Fotostrom in den Pausen zwischen den Blitzen unterdrückt (nach dem aus der Schweiz. Patentschrift 566 013 bekannten Prinzip).

Die Blende 4 besteht - wie aus Fig. 2,3 und 4 im einzelnen ersichtlich - aus zwei Platten 21, die in einem Abstand b parallel zueinander angeordnet sind. Dadurch wird von einem am unteren Rand der in Fig. 1 linken Platte 21 hängenden Wassertropfen(Regenwasser, Schneeschmelzwasser) gestreutes Licht von der rechten Platte 21 daran gehindert, zum Empfänger 3 zu gelangen, wo es eine kleinere als die tatsächliche Sichtweite vortäuschen würde. Ein am unteren Rand der rechten Platte 21 hängender Wassertropfen kann keinen An-lass zu Streulicht geben, denn er wäre im Schatten der linken Platte. Die unteren Ränder der Platten 21 befinden sich auf gleicher Höhe.

Jede Platte 21 der Blende 4 hat, wie Fig. 2 zeigt, unten einen dreieckigen Ausschnitt 22, derart, dass ihr unterer Rand aus zwei nach aussen abwärts verlaufenden Randteilen 24 besteht. Der untere Blendenrand jeder Platte 21 ist aussen mit einer im Querschnitt spitzwinkligen Regenrinne 25 versehen.

Der Ausschnitt 22 hat zur Folge, dass Wassertropfen an die unteren äusseren Blendenecken laufen, die bei entsprechender Bemessung der Breite der Blende ausserhalb des Kegels 18, in den der Sender 2 strahlt, und des Kegels 20, aus dem der Empfänger empfängt, liegen. Ein dort hängender Wassertropfen kann keine die Messung beeinflussende Lichtstreuung bewirken. Die Regenrinnen 25 verhindern auch bei sehr starken Niederschlägen eine Tropfenbildung am unteren Blendenrand. Sie sind als spitzwinklige Abkantungen an den freien Enden des Schenkels 26 eines U-Profil-Blechstreifens 27 gebildet, der die Platten 21 unten im Abstand b voneinander hält, und können an die Platten 21 z.B. geschraubt oder genietet sein.

Die Blende 4 ist zweckmässig mit einem wasserabstossen-den Belag, z.B. mit Teflon, überzogen. Zur Abwehr von Insekten kann auch ein insektizider oder Insekten fernhaltender Überzug angewandt werden. Es war jedoch bisher nicht möglich, Spinnen fern zu halten, was sehr wünschenswert und u.U. nötig ist, weil ein an der Blende 4 hängender Spinnfaden eine Sichtweite von ca. 1 km vortäuscht, wenn die tatsächliche Sichtweite grösser ist. Der Lösung der Aufgabe, Spinnen von der Blende fern zu halten, zugrundeliegende Versuche haben ergeben, dass Spinnen fern bleiben und keine Spinnfäden anbringen können, wenn die Blende auf einer Temperatur von 50 bis 60 °C gehalten wird. Demgemäss ist die Blende 4 mit einem entsprechenden Heizelement 28 versehen, das beim Ausführungsbeispiels an dem an den unteren Rändern der Platten 21 befestigten U-Profilblechstreifen 27 angebracht ist, dessen Ränder zur Bildung der Regenrinnen 25 spitzwinklig angekantet sind. Bei dieser verhältnismässig hohen Blendentemperatur ist es wichtig, dass die Blende, wie erwähnt, über dem Messvolumen angeordnet ist, also so, dass sie nicht eine Erwärmung des Messvolumens bewirkt, welche die Lichtstreuung verändern und damit das Messergebnis fälschen würde. Im Winter genügt eine niedrigere Temperatur, um Schnee und Eisbelag zu verhindern. Deshalb ist die Heizung zweckmässig auf zwei verschiedene Temperaturen einstellbar.

Insbesondere in den Tropen könnten in die Gehäuse 5 und 10 des Senders 2 und Empfangers 3 eingedrungene Bakterien und Pilzsporen zu störenden Uberzügen auf den Linsen 8 und 12, der Blitzlampe 7 und der Fotodiode 13 führen. Um das zu verhindern, sind die Gehäuse 5 und 10 luftdicht, und sie enthalten ein Trockenmittel (Silicagel-Beutel oder -Patrone 29), das einen Kondenswasserniederschlag, der in den luftdicht verschlossenen Gehäusen bei Abkühlung auftreten könnte, verhindert. Zur Vermeidung der störenden durch Bakterien oder Pilzsporen verursachten Überzüge auf den Fenstern 9 und 11 des Senders 2 und Empfängers 3 können die Fenster aus Baryt oder Quarz bestehen, da in diesem Falle, wie sich gezeigt hat, solche Überzüge nicht auftreten.

Ein schwieriges Problem entsteht durch Vandalismus (böswillige Beschädigung) insbesondere bei Geräten, die in einer einsamen Gegend aufgestellt sind. Als bester Schutz hat sich ein unansehnlicher Anstrich, die Anwendung einer Tarnfarbe, bewährt. Es hat sich gezeigt, dass die Geräte einer solchen Farbe weniger von Vandalismus betroffen werden.

Im Spätherbst (Altweibersommer) könnten vom Wind getragene Spinnfäden am Gerät hängenbleiben und dessen Funktion (wie bereits erwähnt) beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, wird das Gerät von einem Gitterzaun umgeben, der auch Insekten, insbesondere Schmetterlinge, daran hindert, durch das Messvolumen zu fliegen. Das Gitter soll einerseits möglichst eng sein, andererseits aber die Luftströmung nicht hindern. Eine Maschenweite von 1 cm hat sich bewährt. Bei Geräten für die Schiffahrt, die auf Bojen montiert sind, erübrigen sich solche Massnahmen.

Bei auf dem Erdboden aufgestellten Geräten ist zur Verhinderung einer in das Messvolumen hineinragenden Vegeta-

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tion der Boden mindestens in dem vom Gitterzaun umschlos- auch durch Zufälligkeiten, z.B. einen durch das Messvolumen senen Bereich mit einer Oberfläche versehen, die eine Vegeta- fliegenden Schmetterling, verfälschte Messergebnisse unbe-

tion verhindert, z.B. aus Beton, Asphalt, einer Plastik- oder rücksichtigt. Beispielsweise kann alle vier bis fünf Minuten je-

Blechplatte besteht und einstückig ist, um Pflanzenwuchs in weils während einer Sekunde gemessen, das Messergebnis ge-

Spalten zu verhindern. s speichert und mit dem nächsten Messergebnis verglichen oder

Indem diese Bodenoberfläche mit geringer Wärmeabsorp- es kann über mehrere Perioden integriert werden.

tion, also weiss oder wenigstens hell, ausgeführt ist, wird einer Bei Geräten für den Strassenverkehr, die eine Signalvor-Erwärmung des Bodens durch Sonnenstrahlung, die zu einer richtung (Warn- oder Höchstgeschwindigkeitssignal) einErwärmung des Messvolumens und damit zu Thermik oder schalten, solange die Sichtweite einen bestimmten Grenzwert Nebelauflösung im Messvolumen führen würde, vorgebeugt. 10 unterschreitet, ist der Grenzwert zweckmässig tagsüber die

In Gegenden, in denen mit Schneefall zu rechnen ist, wird meteorologische Sichtweite von z.B. 140 m, nachts aber eine das Gerät so hoch über dem Boden montiert, dass der kürzere meteorologische Sichtweite von z.B. 90 m, bei der die

Schnittpunkt 30 der unteren Mantellinien 31 und 32 der Ke- Schlussleuchten eines Fahrzeuges in einer Entfernung von gel 18 und 20 über der grössten Schneehöhe liegt. 140 m erkennbar sind. Entsprechendes gilt im Seeverkehr,

Da Kriterium der Sichtweite das Sehvermögen des 15 wobei den Schlussleuchten die Positionslichter der Schiffe menschlichen Auges ist, das auf Infrarot nicht anspricht, übli- entsprechen und die Signalvorrichtung ein Nebelhorn ist.

che Lichtquellen und lichtelektrische Wandler aber auch In- Zu diesem Zweck hat das Gerät eine Schwellwertschal-

frarot strahlen bzw. darauf ansprechen, und Infrarot im Ge- tung, welche die Signalvorrichtung einschaltet, solange die gensatz zum sichtbaren Licht vom Nebel kaum beeinflusst Sichtweite eine bestimmte Schwelle unterschreitet, die von ei-

wird, ist beim Sender 2 und/oder Empfanger 3, vorzugsweise 2oner Schaltuhr oder von einem Helligkeitsmesser gesteuert bei beim letzteren, ein Infrarotfilter vorgesehen oder das Fenster Tageslicht einer grösseren, nachts oder bei ungenügendem 9 bzw. 11 oder die Linsenoptik 8 bzw. 12 besteht aus einemin- Tageslicht einer kleineren Sichtweite entspricht. Im Strassen-

frarote Strahlung absorbierenden Material, um eine Beein- verkehr kann auch in Abhängigkeit von der gemessenen flussung der gemessenen Sichtweite durch die infrarote Strah- Sichtweite jeweils eine von verschiedenen Höchstgeschwin-

lung zu verhindern. 25 digkeiten signalisiert werden.

Zur Herabsetzung des Stromverbrauchs, besonders bei Zur Prüfung des Geräts kann eine lichtdurchlässige Platte Geräten mit eigener Stromversorgung, zur Erhöhung der Le- von Hand oder zur Fernprüfung mittels eines Hubmagneten bensdauer, insbesondere der Lichtblitzlampe und weil die in das Messvolumen schiebbar sein, wobei die Platte eine ei-Sichtweite sich stets nur langsam ändert, ist eine für selbsttä- ner vorbestimmten Sichtweite entsprechende Streuung betige Dauermessungen bestimmte Ausführungsform des Gerä- 30 wirkt. Auf diese Weise kann nicht nur kontrolliert werden, ob tes mit einer Steuervorrichtung versehen, welche das Gerät das Gerät überhaupt funktioniert, vielmehr kann auch geperiodisch kurzzeitig einschaltet und eine Anzeigeänderung prüft werden, ob die Anzeige richtig ist, weil die gemessene erst dann auslöst, wenn eine Änderung des Messergebnisses Sichtweite von der Platte entsprechend deren vorbestimmter sich über mehrere Perioden erstreckt. Auf diese Weise bleiben Streuung herabgesetzt wird.

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1 Blatt Zeichnungen