[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Korngrösse und der spezifischen Oberfläche von Schnee und ein Gerät hierfür.
[0002] Die wissenschaftliche Erfassung der Schneebeschaffenheit hat zunehmende Bedeutung auf den Gebieten der Lawinenforschung, der Glaziologie, der Meteorologie und Klimatologie sowie des Schneesports, der Schneeproduktion, als auch bei der Entwicklung und dem Testen von Winterreifen (Mobilität) gewonnen.
[0003] Für das Messen der Schneebeschaffenheit sind z.B. folgende Verfahren bekannt:
Messung der Temperatur nach bekannten Verfahren mit Thermometern oder Temperatur-Messfühlern oder berührungslos mit einem Pyrometer
Messung der Feuchtigkeit durch Pressen eines bestimmten Volumens oder mittels sogenannter dielektrischer Messverfahren (Zeitbereichsreflektometrie oder Leitfähigkeitsmessungen)
Messung des Gewichts bzw. des spezifischen Volumens mit bekannten Methoden
Messung der Albedo bzw. des Staubgehalts mit einem Pyrometer
Messung der Korngrösse mittels eines optischen Rasters und einer Lupe
Messung der Korngrösse mittels elektronischer Bildverarbeitung
Messung der Korngrösse durch Sieben
Messung der optischen Remission im spektralen Bereich des nahen Infrarot
[0004] Zur Erstellung von Schichtenfolgen, sogenannten Stratigraphien, und daraus ableitbaren Grössen, wie z.B. der Luftdurchlässigkeit und Wärmeleitfähigkeit, haben sich insbesondere die spezifische Oberfläche und die Korngrösse als ausschlaggebende Grössen erwiesen.
[0005] Darüber hinaus ist kürzlich festgestellt worden (Lukas Bäurle, "Sliding friction of polyethylene on snow and ice", Dissertation an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, Nr. 16517, 2006), einsehbar unter http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?type=diss&nr=16517), dass die spezifische Oberfläche einer der hauptsächlichen Faktoren für die Variabilität der Schneereibung bei Gleitern wie etwa Ski (Skiern), Snowboards, Schlitten oder Ähnlichem ist.
[0006] Die spezifische Oberfläche (Oberfläche der Eispartikel dividiert durch das Eisvolumen) steht in einem direkten mathematischen Zusammenhang zu der Korngrösse (Margret Matzl und Martin Schneebeli, Pre-Print for Journal of Glaciology, accepted 25. August 2006).
[0007] Traditionelle Methoden der Korngrössenbestimmung mittels eines optischen Rasters und einer Lupe sind ungenau.
[0008] Genaue Messungen der spezifischen Oberfläche bzw. der Korngrösse können derzeit durch
mikrotomographische Methoden (Martin Schneebeli und Sergey A. Sokratov in "Hydrological Processes", Hydrol. Process, 18, 3655-3655 (2004), online veröffentlicht in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com). DOI: 10.1002/hyp.5800)
oder durch die Adsorption von Gasen auf dem Eis, insbesondere Methan (Loïc Legagneux, Axel Cabanes und Florent Dominé "Measurement of the specific surface area of 176 snow samples using methane adsorption at 77 K", veröffentlicht am 12. September 2002 in Journal of Geophysical Research, Vol. 107, No. D17, 4335, doi: 10.1029/2001JD001016, 2002)
oder durch spektroskopische Methoden (Thomas H.
Painter et al. "Contact spectroscopy for determination of stratigraphy of snow optical grain size", Journal of Glaciology, 2006, zum Zeitpunkt der Anmeldung in Druck befindlich)
sowie durch stereologische Messungen an Anschnitten von Schnee (Margret Matzl, "Quantifying the stratigraphy of snow profiles", Dissertation an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, 2006, einsehbar unter http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?tvpe=diss&nr=16570) durchgeführt werden.
[0009] Eine weitere Methode, die spezifische Oberfläche bzw. die Korngrösse zu bestimmen, basiert auf der sogenannten Remissionseigenschaft von Schnee. Unter Remission versteht man allgemein die Fähigkeit eines Körpers, elektromagnetische Wellen zu absorbieren, transmittieren und reflektieren. Dabei können die Reflexionen sowohl diffus als auch direkt sein. Im Falle von sichtbarem Licht wird, abhängig von der Grösse eines einzelnen Eiskornes, ein bestimmter Anteil des Lichts absorbiert, ein anderer transmittiert und wieder ein anderer (überwiegend diffus) reflektiert. Diese Eigenschaften des Eiskornes stehen jedoch mit dem Staubgehalt bzw. der Albedo des Eiskornes in Zusammenhang. Diese Variable wiederum macht Messungen im spektralen Bereich des sichtbaren Lichts unbestimmt.
[0010] Demzufolge hat man sich für die Messung der Remission im spektralen Bereich des nahen Infrarot (NIR) entschieden. Elektromagnetische Wellen aus diesem spektralen Bereich sind nämlich weitgehend unabhängig von Verschmutzungen bzw. den damit zusammenhängenden Reflexionseigenschaften. (Florent Dominé et al. "Correlation between the specific surface area and the short wave infrared (SWIR) reflectance of snow", Juni 2006, online verfügbar unter www.sciencedirect.com Cold Regions Science and Technology 46 (2006) 60-68.)
[0011] Die genannten Methoden können jedoch nicht in situ durchgeführt werden. Es ist vielmehr mit grossem Aufwand verbunden, Schneeproben gekühlt verpackt in ein gekühltes Labor zu transportieren. Spektroskopische Methoden, sofern sie in situ durchgeführt werden können, erfordern ein tragbares, hochauflösendes Spektrometer.
[0012] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit das Finden eines Verfahrens und eines Geräts zur Ausführung dieses Verfahrens, das zuverlässige und genaue Feldmessungen der spezifischen Oberfläche bzw. der Korngrösse von Schnee erlaubt.
[0013] Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand dieser Erfindung, nämlich ein Verfahren und ein In-situ-Messgerät (gemäss den unabhängigen Patentansprüchen), die - auf dem NIR-Remissionsverfahren basierend und zuverlässig - genaue Feldmessungen beispielsweise der spezifischen Oberfläche bzw. der Korngrösse von Schnee ermöglichen.
[0014] Die Erfinder erkannten, dass eine Messung der Reflexion von insbesondere im spektralen Bereich nahen Infrarots liegenden Lichts in ein tragbares Gerät integriert werden muss, wobei diese Messung einen Messwert zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche bzw. der Korngrösse von Schnee gibt. Dabei und im Folgenden soll der Begriff "Reflexion" diffuse und direkte Reflexion mit einschliessen, sofern nicht explizit anders festgestellt.
[0015] Der Bereich des nahen Infrarots (NIR) von 700-1400 nm (insbesondere von 950-1030 nm) wird auch deswegen bevorzugt, weil für diesen Spektralbereich sich das Remissionsvermögen von Schnee nur wenig mit der Wellenlänge ändert.
[0016] Die Methode, mit Hilfe der Reflexion bzw. Absorption von Infrarot-Strahlen eine Substanz in einer anderen zu messen, ist seit Langem bekannt. Am 22.09.1964 ist ein Patent US-3 150 264 erteilt worden, worin eine Vorrichtung zum Messen von Wasser in Papier offenbart ist. Das darin beschriebene Verfahren wird bei der Herstellung von Papier verwendet und basiert auf einem chemischen Nachweis der Wassermoleküle und nicht auf einer Analyse der geometrischen Eigenschaften des Trägermaterials.
[0017] Eine japanische Veröffentlichungsschrift JP-55 062 322 vom 10.05.1980 zeigt eine Vorrichtung zum Messen der diffusen Reflexion von Infrarotstrahlen einer in das Gerät eingeführten Probe, nicht Schnee. Die Messung geschieht spektrophotometrisch in einem geschlossenen System zwischen zwei Parabolspiegeln und optischen Linsen.
[0018] In einer am 28.03.1997 veröffentlichten japanischen Veröffentlichungsschrift JP-9 079 977 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der eine definiert bestimmte Schneemenge mit Infrarot bestrahlt wird. Basierend auf ihrer Reflektivität, wird der Wasserinhalt gemessen. Diese Vorrichtung ist wohl mobil, weil sie die Feuchtigkeit des Schnees während des Schneefalls messen kann. Sie ist jedoch nicht in der Lage, die spezifische Oberfläche oder die Korngrösse von Schnee zu messen.
[0019] Die Lösung der Aufgabe bestand in einer Kalibrierung - mittels bekannter Messverfahren - des Messens der Reflexion einer ausgesuchten Wellenlänge und der Korrelation dieser Messergebnisse zu bestimmten Korngrössen von Schnee sowie der Entwicklung eines zur Ausführung dieses Verfahrens geeigneten Geräts. Die technische Realisierung bestand in der Schaffung eines Geräts, das ausgesuchte Wellenlängen emittiert und mit einem offenen Hohlkörper, dessen offene Seite in Richtung des Schnees ausgerichtet wird. Vorzugsweise wird sie auf die zu untersuchende Schneeoberfläche aufgelegt. Die gemessenen Daten werden erfindungsgemäss in dem Gerät gespeichert, angezeigt oder an eine Zentralstation gesendet.
[0020] Die auf Seite 3, Zeilen 12-15 erwähnte spektroskopische Methode zur Bestimmung der Korngrösse von Schnee verwendet im Unterschied zu der erfindungsgemässen Methode einerseits ein Spektrometer und andererseits darüber hinaus eine Halogenleuchte mit einer spektral breitbandigen Beleuchtung.
[0021] Bei der vorliegenden Erfindung wird der Schnee nicht spektral analysiert, sondern erfindungsgemäss wird als Beleuchtungsquelle eine Licht emittierende Diode verwendet, die spektral schmalbandig im nahen Infrarot emittiert. Der Empfänger wiederum besteht aus einer spektral breitbandigen Fotodiode, die weiterhin erfindungsgemäss mit einer bandpassspezifischen Filterung sowie einer spezifischen Elektronik für das Infrarot-Licht der LED aufgrund der erfindungsgemässen Anordnung und Auswahl eine besonders hohe Empfindlichkeit aufweist.
[0022] Durch die erfindungsgemässe Anordnung der Infrarot-LED und der entsprechenden Fotodiode in dem Hohlkörper und dem Ausrichten dieses mit einer Öffnung versehenen Hohlkörpers in Richtung des Schnees, vorzugsweise durch Auflegen auf eine zu untersuchende Schneeoberfläche, wird die Korngrösse des Schnees in Abhängigkeit der Remissionseigenschaften der Schneeoberfläche gemessen.
[0023] Der offene Hohlkörper kann rund oder oval bzw. ellipsoid ausgestaltet sein, gemeinsam ist möglichen Ausgestaltungsvarianten, dass sie eine offene Seite aufweisen.
[0024] Die Innenseite des offenen Hohlkörpers ist hierfür mit einer Beschichtung versehen, die zeitbeständig ist und ein im Wesentlichen temperaturunabhängiges hohes Reflexionsvermögen aufweist. Das Reflexionsvermögung der Beschichtung ist bevorzugt isotrop und/oder im spektralen Bereich zwischen 700 und 1400 nm annähernd wellenlängenunabhängig und/oder in einem Bereich zwischen -40 und +50 Grad Celsius annähernd temperaturunabhängig.
[0025] Das Messsignal der Fotodiode wird an eine Elektronikeinheit weitergeleitet, wie im Folgenden beispielhaft beschrieben. Diese Elektronikeinheit besteht erfindungsgemäss aus einem Lock-in-Verstärker, einem Analog-Digital-Wandler und einem Mikrokontroller. Der Mikrokontroller wiederum versorgt vorzugsweise bidirektional einen Speicher zum Speichern der gemessenen Werte, er steuert ein Display für die Anzeige der gemessenen Werte und nimmt Steuerungsbefehle einer Tastatur entgegen. Die Tastatur ist vorzugsweise spritzwassergeschützt ausgestaltet.
[0026] Des Weiteren ist der Mikrokontroller erfindungsgemäss mit einer vorzugsweise integrierten Kommunikationseinrichtung versehen, die via einer eingebauten Funkantenne die gemessenen Werte an eine Zentralstation weiterleitet, die sich an einem anderen Ort befindet.
[0027] Weiterhin erfindungsgemäss ist eine Erfassung der GPS-Positionsdaten und deren Kopplung an das Funksignal, sodass jedem gemessenen Remissions-Wert eine exakte Messposition zugeordnet wird und im Bedarfsfall mitgesendet wird.
[0028] Das erfindungsgemässe Verfahren ist geeignet zur Erstellung eines Streckenprofils, beispielsweise einer Skirennstrecke, indem eine Vielzahl von Messungen unter Miterfassung der Positionsdaten vor Ort durchführbar ist.
[0029] Vorzugsweise ist das erfindungsgemässe Messgerät auch mit einem weiteren Sensor für eine Temperaturmessung ausgestattet, mit dem beispielsweise die Umgebungstemperatur des Schnees bzw. der Luft gemessen wird.
[0030] Das erfindungsgemässe Messgerät ist zur Durchführung von In-situ-Messungen tragbar ausgestaltet. Das Gehäuse ist vorzugsweise spritzwassergeschützt ausgestaltet und beinhaltet eine eigene Stromversorgung. Eine bevorzugte Ausgestaltung einer Stromversorgung besteht aus einem Akku, der mittels einer Photozelle, aber auch extern versorgt werden kann.
[0031] Für möglichst zuverlässige Messungen ist man auf glatte Schneeoberflächen angewiesen. Dieses ist durch die dem Fachmann bekannte komplexe bidirektionale Reflektivität des Schnees bedingt. Demzufolge sieht eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Messgeräts eine Auflagefläche vor, die einerseits durch ihre Materialbeschaffenheit verhindert, dass störende Reflexionen von ausserhalb des Bereichs der Messöffnung in den offenen Hohlkörper eintreten können, andererseits jedoch mit scharfkantigen Profilrillen ausgestattet ist. Dadurch kann durch ein Hin-und-Her-Bewegen des Messgeräts auf der Schneeoberfläche eine glatte Schneeoberfläche erzeugt werden.
[0032] Die Messöffnung, d.h. die offene Unterseite des offenen Hohlkörpers, hat eine definierte, d.h. unveränderbare Grösse. Eine weiterhin bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Messgeräts ist jedoch mit einer Blende versehen, die eine variable Messöffnung gewährleistet. Die gegebenenfalls vollständig schliessbare Blende dient dabei auch zum Schutz des Hohlkörpers bei Nichtgebrauch des Messgeräts.
[0033] Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Figuren und in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
[0034] Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.
[0035] Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert.
[0036] Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.
[0037] Es zeigen dabei
<tb>Fig. 1<sep>eine prinzipielle Darstellung des dem Messverfahren zugrundeliegenden offenen Hohlkörpers,
<tb>Fig. 2<sep>eine symbolische Darstellung eines erfindungsgemässen Messgeräts und
<tb>Fig. 3<sep>ein Blockschema der Elektronikeinheit.
[0038] In Fig. 1 ist eine Schneeoberfläche 1 symbolisch dargestellt. Dem Prinzip der erfindungsgemässen Messung der Reflexionseigenschaften in Abhängigkeit der Schneekorngrösse folgend, ist ein Hohlkörper-Gehäuse 4 mit einer hohlförmigen Hohlkörper-Oberfläche 5 auf den Schnee 1 aufgelegt. Die Infrarot-LED 3 bestrahlt mit einem symbolisch dargestellten Infrarot-Strahl 14 die Schneeoberfläche 1. Der Begriff Strahl soll auch den Begriff Strahlenbündel umfassen. Der Messsensor 6 misst die Reflexion der Schneeoberfläche 1 mit einem wiederum nur symbolisch dargestellten Messstrahl 15. Damit der Messsensor 6 nicht direkt die Strahlung der Infrarot-LED 3 misst, ist in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Blende 22 zum Abschatten gegen direkte Einstrahlung von Infrarot-Licht der Infrarot-Lichtquelle 3 auf den Messsensor 6 angeordnet.
Nicht dargestellt sind mögliche zusätzliche Blenden oder andere Abschattungen zur Verhinderung von direkten Reflexionen auf den Messsensor 6. Ausserdem kann auch der Messsensor 6 mit einer weiteren Blende oder einer speziellen Richtstrahlcharakteristik ausgestattet sein.
[0039] Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Messvorrichtung 2 auf einer Schneeoberfläche 1. Die Messvorrichtung 2 liegt hierbei mit einer Auflagefläche 23 auf, die mit einer Messöffnung 8 ausgestattet ist. Zwischen der Messöffnung 8 und dem Hohlkörper-Gehäuse 4 ist ein Filter 7 angeordnet. Das Hohlkörper-Gehäuse 4 ist, so wie in Fig. 1 dargestellt, in die Messvorrichtung 2 integriert. Der Messsensor 6 ist mit Verbindung 9 mit einer Elektronikeinheit 10 verbunden. Diese wiederum ist mit weiteren Verbindungen 11 mit einer an der Oberseite der Messvorrichtung 2 angeordneten Anzeige 12 und einer Tastatur 13 verbunden. Die Verbindungen 9 und 11 können Kabelleitungen oder auch kabellose Verbindungen, z.B. Bluetooth-Verbindungen, sein.
[0040] In Fig. 3 ist die Elektronikeinheit 10 aus Fig. 2schematisch dargestellt. Die Infrarot-Lichtquelle 3 strahlt über den Schnee indirekt diffus auf den Messsensor 6. Dieser leitet sein Empfangssignal an einen Lock-in-Verstärker 16, dessen analoger Wert mittels eines Analog-Digital-Wandlers 17 in einen digitalen Wert umgewandelt wird. Dieser Wert wird an einen Mikrokontroller 18 weitergegeben, welcher einerseits bidirektional mit einem Speicher 19 verbunden ist. Andererseits ist der Mikrokontroller 18 mit einer Anzeige 12 und einer Tastatur 13 verbunden. Des Weiteren steuert der Mikrokontroller 18 eine Kommunikationseinrichtung 20 mit einer Antenne 21 an.
Bezugszeichenliste
[0041]
<tb>1 -<sep>Schnee
<tb>2 -<sep>Messvorrichtung
<tb>3 -<sep>Infrarot-Lichtquelle
<tb>4 -<sep>Hohlkörper-Gehäuse
<tb>5 -<sep>Hohlkörper-Oberfläche
<tb>6 -<sep>Messsensor
<tb>7 -<sep>Filter
<tb>8 -<sep>Messöffnung
<tb>9 -<sep>Verbindung für Messsignal
<tb>10-<sep>Elektronikeinheit
<tb>11 -<sep>Verbindung für Steuerungs- und Anzeigesignal
<tb>12 -<sep>Anzeige
<tb>13 -<sep>Tastatur
<tb>14 -<sep>Infrarot-Strahl
<tb>15 -<sep>Messstrahl
<tb>16 -<sep>Lock-in-Verstärker
<tb>17 -<sep>Analog-Digital-Konverter
<tb>18 -<sep>Mikrokontroller
<tb>19 -<sep>Speicher
<tb>20 -<sep>Kommunikationsmodul
<tb>21 -<sep>Antenne
<tb>22 -<sep>Blende
<tb>23 -<sep>Auflagefläche
The invention relates to a method for measuring the grain size and the specific surface of snow and a device therefor.
The scientific assessment of snow conditions has gained increasing importance in the fields of avalanche research, glaciology, meteorology and climatology and snow sports, snow production, as well as in the development and testing of winter tires (mobility).
For measuring the snow condition, e.g. the following methods are known:
Measurement of the temperature according to known methods with thermometers or temperature sensors or contactless with a pyrometer
Measurement of moisture by pressing a certain volume or by means of so-called dielectric measuring methods (time domain reflectometry or conductivity measurements)
Measurement of weight or specific volume by known methods
Measurement of albedo or dust content with a pyrometer
Measurement of the grain size by means of an optical grid and a magnifying glass
Measurement of grain size by means of electronic image processing
Measurement of grain size by sieving
Measurement of the optical remission in the spectral range of the near infrared
For the production of layer sequences, so-called stratigraphies, and quantities derivable therefrom, such as e.g. the air permeability and thermal conductivity, in particular the specific surface area and the grain size have proved to be decisive factors.
In addition, it has recently been found (Lukas Bäurle, "Sliding friction of polyethylene on snow and ice", dissertation at the Swiss Federal Institute of Technology Zurich, No. 16517, 2006), available at http: //e-collection.ethbib .ethz.ch / show? type = diss & nr = 16517) that the specific surface area is one of the main factors for the variability of the snow friction in gliders such as skis, snowboards, sledges or the like.
The specific surface area (surface of the ice particles divided by the ice volume) is directly related mathematically to the particle size (Margret Matzl and Martin Schneebeli, Pre-Print for Journal of Glaciology, accepted August 25, 2006).
Traditional methods of particle size determination by means of an optical grid and a magnifying glass are inaccurate.
Accurate measurements of the specific surface or the grain size can currently by
Microtomographic Methods (Martin Schneebeli and Sergey A. Sokratov in "Hydrological Processes", Hydrol. Process, 18, 3655-3655 (2004), published online at Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002 / hyp. 5800)
or by the adsorption of gases on the ice, especially methane (Loïc Legagneux, Axel Cabanes and Florent Dominé "Snow samples using methane adsorption at 77K", published September 12, 2002 in the Journal of Geophysical Research, Vol. 107, No. D17, 4335, doi: 10.1029 / 2001JD001016, 2002)
or by spectroscopic methods (Thomas H.
Painter et al. Contact spectroscopy for determination of stratigraphy of snow optical grain size, Journal of Glaciology, 2006, in press at the time of application)
as well as by stereological measurements at the edges of snow (Margret Matzl, "Quantifying the Stratigraphy of Snow Profiles", Dissertation at the Swiss Federal Institute of Technology Zurich, 2006, available at http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?tvpe = diss & nr = 16570).
Another method to determine the specific surface or the grain size, based on the so-called remission property of snow. In general, remission is the ability of a body to absorb, transmit and reflect electromagnetic waves. The reflections can be both diffuse and direct. In the case of visible light, depending on the size of a single ice grain, a certain portion of the light is absorbed, another transmitted and another (diffuse) reflected another. However, these properties of the ice grain are related to the dust content or albedo of the ice grain. This variable in turn makes measurements in the spectral range of visible light indeterminate.
Accordingly, it has been decided for the measurement of the remission in the spectral range of the near infrared (NIR). Electromagnetic waves from this spectral range are namely largely independent of contamination or the associated reflection properties. (Florent Dominé et al., "Correlation between the specific surface area and the short wave infrared (SWIR) reflectance of snow," June 2006, available online at www.sciencedirect.com Cold Regions Science and Technology 46 (2006) 60-68. )
However, the methods mentioned can not be carried out in situ. Rather, it takes a great deal of effort to transport snow samples packed in a refrigerated laboratory in a chilled package. Spectroscopic methods, if feasible in situ, require a portable, high-resolution spectrometer.
The object of the present invention is thus to find a method and an apparatus for carrying out this method, which allows reliable and accurate field measurements of the specific surface or the grain size of snow.
This object is achieved by the subject matter of this invention, namely a method and an in-situ measuring device (according to the independent claims), which - based on the NIR remission method and reliable - accurate field measurements, for example, the specific surface or Grain size of snow allow.
The inventors realized that a measurement of the reflection of light lying in particular in the spectral range near infrared light must be integrated into a portable device, this measurement is a measured value for determining the specific surface or the grain size of snow. Here and in the following, the term "reflection" should include diffuse and direct reflection, unless explicitly stated otherwise.
The near infrared (NIR) range of 700-1400 nm (especially 950-1030 nm) is also preferred because the reflectance of snow changes only slightly with wavelength for this spectral range.
The method of measuring a substance in another using the reflection or absorption of infrared rays has long been known. On September 22, 1964, there has been issued a patent US-3,150,264 which discloses an apparatus for measuring water in paper. The method described therein is used in the production of paper and is based on a chemical detection of the water molecules and not on an analysis of the geometric properties of the support material.
Japanese Laid-Open Patent Publication JP-55 062 322 of 10.05.1980 shows an apparatus for measuring the diffuse reflection of infrared rays of a sample introduced into the apparatus, not snow. The measurement is done spectrophotometrically in a closed system between two parabolic mirrors and optical lenses.
In a published on 28.03.1997 Japanese Publication JP-9 079 977 a device is disclosed in which a defined amount of snow is irradiated with infrared. Based on its reflectivity, the water content is measured. This device is probably mobile because it can measure the moisture of the snow during snowfall. However, it is unable to measure the specific surface area or grain size of snow.
The solution of the problem was in a calibration - by known measuring methods - measuring the reflection of a selected wavelength and the correlation of these measurements to certain grain sizes of snow and the development of a suitable device for implementing this method. The technical realization consisted in the creation of a device that emits selected wavelengths and with an open hollow body whose open side is aligned in the direction of the snow. Preferably, it is placed on the snow surface to be examined. The measured data are stored according to the invention in the device, displayed or sent to a central station.
The mentioned on page 3, lines 12-15 spectroscopic method for determining the grain size of snow used in contrast to the inventive method, on the one hand, a spectrometer and on the other hand, a halogen lamp with a broadband spectral illumination.
In the present invention, the snow is not analyzed spectrally, but according to the invention, a light emitting diode is used as the illumination source, which emits spectrally narrowband in the near infrared. The receiver in turn consists of a spectrally broadband photodiode, which furthermore has a particularly high sensitivity according to the invention with a bandpass-specific filtering and a specific electronics for the infrared light of the LED due to the inventive arrangement and selection.
By the inventive arrangement of the infrared LED and the corresponding photodiode in the hollow body and the alignment of this provided with an opening hollow body in the direction of the snow, preferably by placing on a snow surface to be examined, the grain size of the snow in dependence of the remission properties the snow surface measured.
The open hollow body can be configured round or oval or ellipsoid, together is possible design variants that they have an open side.
The inside of the open hollow body is for this purpose provided with a coating which is time-stable and has a substantially temperature-independent high reflectivity. The reflection ability of the coating is preferably isotropic and / or approximately wavelength-independent in the spectral range between 700 and 1400 nm and / or approximately temperature-independent in a range between -40 and +50 degrees Celsius.
The measurement signal of the photodiode is forwarded to an electronic unit, as described below by way of example. This electronic unit consists according to the invention of a lock-in amplifier, an analog-to-digital converter and a microcontroller. The microcontroller in turn preferably bi-directionally supplies a memory for storing the measured values, controls a display for the display of the measured values and accepts control commands from a keyboard. The keyboard is preferably designed splash-proof.
Furthermore, the microcontroller according to the invention is provided with a preferably integrated communication device, which forwards the measured values via a built-in radio antenna to a central station located at a different location.
Furthermore according to the invention is a detection of the GPS position data and their coupling to the radio signal, so that each measured remission value is assigned an exact measurement position and is sent in case of need.
The inventive method is suitable for creating a route profile, for example, a ski race track by a variety of measurements under Miterfassung the position data can be performed on site.
Preferably, the inventive measuring device is also equipped with a further sensor for a temperature measurement, with the example, the ambient temperature of the snow or the air is measured.
The inventive measuring device is designed to carry out in-situ measurements portable. The housing is preferably designed splash-proof and includes its own power supply. A preferred embodiment of a power supply consists of a battery that can be powered by a photocell, but also externally.
For reliable measurements it is necessary to rely on smooth snow surfaces. This is due to the complex bidirectional reflectivity of the snow known to those skilled in the art. Accordingly, a further embodiment of the measuring device according to the invention provides a bearing surface which, on the one hand, prevents it from disturbing reflections from outside the region of the measuring opening into the open hollow body, but on the other hand is provided with sharp-edged profiled grooves. As a result, a smooth snow surface can be generated by moving the measuring instrument back and forth on the snow surface.
The measuring aperture, i. the open bottom of the open hollow body has a defined, i. immutable size. However, a further preferred embodiment of the inventive measuring device is provided with a diaphragm which ensures a variable measuring opening. The optionally completely closable panel also serves to protect the hollow body when not in use of the meter.
Further embodiments of the invention are given in the figures and in the dependent claims.
The list of reference numerals is part of the disclosure.
On the basis of figures, the invention is explained symbolically and by way of example closer.
The figures are described coherently and comprehensively. The same reference symbols denote the same components, reference symbols with different indices indicate functionally identical or similar components.
In the process, they show
<Tb> FIG. 1 <sep> a basic representation of the open hollow body underlying the measuring method,
<Tb> FIG. 2 <sep> is a symbolic representation of a measuring device according to the invention and
<Tb> FIG. 3 <sep> is a block diagram of the electronics unit.
In Fig. 1, a snow surface 1 is shown symbolically. Following the principle of the inventive measurement of the reflection properties as a function of the size of the snow grain, a hollow body housing 4 with a hollow-shaped hollow body surface 5 is placed on the snow 1. The infrared LED 3 irradiates with a symbolically represented infrared beam 14, the snow surface 1. The term beam should also include the term beam. The measuring sensor 6 measures the reflection of the snow surface 1 with a measuring beam 15 which is again shown only symbolically. In order to prevent the measuring sensor 6 from directly measuring the radiation of the infrared LED 3, in this preferred embodiment an aperture 22 is provided for shading against direct irradiation of infrared light the infrared light source 3 is arranged on the measuring sensor 6.
Not shown are possible additional apertures or other shading to prevent direct reflections on the measuring sensor 6. In addition, the measuring sensor 6 may be equipped with a further aperture or a special directional beam characteristic.
2 shows a measuring device 2 according to the invention on a snow surface 1. In this case, the measuring device 2 rests with a bearing surface 23, which is equipped with a measuring opening 8. Between the measuring opening 8 and the hollow body housing 4, a filter 7 is arranged. The hollow body housing 4 is, as shown in Fig. 1, integrated into the measuring device 2. The measuring sensor 6 is connected to connection 9 with an electronic unit 10. This in turn is connected with further connections 11 with a display 12 arranged on the upper side of the measuring device 2 and a keyboard 13. The connections 9 and 11 may be cable lines or also wireless connections, e.g. Bluetooth connections, his.
In Fig. 3, the electronic unit 10 of Fig. 2 is shown schematically. The infrared light source 3 radiates indirectly diffusely over the snow on the measuring sensor 6. This directs its received signal to a lock-in amplifier 16 whose analog value is converted by means of an analog-to-digital converter 17 into a digital value. This value is forwarded to a microcontroller 18, which on the one hand is bidirectionally connected to a memory 19. On the other hand, the microcontroller 18 is connected to a display 12 and a keyboard 13. Furthermore, the microcontroller 18 controls a communication device 20 with an antenna 21.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0041]
<tb> 1 - <sep> Snow
<tb> 2 - <sep> measuring device
<tb> 3 - <sep> infrared light source
<tb> 4 - <sep> hollow body housing
<tb> 5 - <sep> Hollow body surface
<tb> 6 - <sep> Measuring sensor
<tb> 7 - <sep> filters
<tb> 8 - <sep> measuring opening
<tb> 9 - <sep> Connection for measurement signal
<Tb> 10 <sep> electronics unit
<tb> 11 - <sep> Connection for control and indication signal
<tb> 12 - <sep> Display
<tb> 13 - <sep> keyboard
<tb> 14 - <sep> Infrared Ray
<tb> 15 - <sep> measuring beam
<tb> 16 - <sep> Lock-in amplifier
<tb> 17 - <sep> analog to digital converter
<tb> 18 - <sep> microcontroller
<tb> 19 - <sep> memory
<tb> 20 - <sep> communication module
<tb> 21 - <sep> antenna
<tb> 22 - <sep> Aperture
<tb> 23 - <sep> bearing surface