[0001] Bei Gebäudeautomationssystemen kommen Wetterstationen zum Einsatz, die die Sonneneinstrahlung messen, Wind- Temperatur-und weitere Werte. Diese Werte dienen dem Automationssystem zur Steuerung und Regelung der verschiedenen Gewerke wie Stören, Heizung, etc. Für eine entsprechende Steuerung müssen die exakte Richtung der Sonneneinstrahlung sowie die Ausrichtung der Fassaden bekannt sein. Die Windrichtung muss bekannt sein, damit bei starkem Wind nur die gefährdeten Stören in die Sicherheitsposition gefahren werden können. Daher muss auch die Ausrichtung der Wetterstation, bzw. deren Sensoren bekannt sein. Die Ausrichtung der Wetterstation auf dem Dach eines Gebäudes ist für Monteure nicht immer einfach. Zudem ist es möglich, dass später bei Wartungsarbeiten oder Renovationen am Gebäude die Ausrichtung und Fixierung der Wetterstation verändert wird, ohne dass das dem Betreiber mitgeteilt wird. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es der Wetterstation, ihre Ausrichtung selbstständig festzustellen und später auch auf Veränderungen zu reagieren. In building automation systems weather stations are used, which measure solar radiation, wind temperature and other values. These values are used by the automation system to control and regulate the different trades such as disturbances, heating, etc. For an appropriate control, the exact direction of the solar radiation and the orientation of the facades must be known. The wind direction must be known, so that in strong wind only the endangered disturbances can be driven into the safety position. Therefore, the orientation of the weather station, or their sensors must be known. Aligning the weather station on the roof of a building is not always easy for fitters. In addition, it is possible that later during maintenance or renovation of the building, the orientation and fixation of the weather station is changed, without this being communicated to the operator. The present invention allows the weather station to independently determine its orientation and later to respond to changes.
[0002] Herkömmlich müssen Wetterstationen entweder bei der Montage exakt ausgerichtet oder nach der Montage kalibriert werden, indem deren Ausrichtung ausgemessen und die ermittelten Daten der Steuerung eingegeben werden. Conventionally, weather stations must either be exactly aligned during assembly or calibrated after assembly by measuring their orientation and the determined data of the controller are entered.
[0003] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum automatischen Erfassen der Ausrichtung einer Wetterstation sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Wetterstation zu schaffen. An object of the present invention is to provide a method for automatically detecting the orientation of a weather station and a weather station operating according to this method.
[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum automatischen Erfassen der Ausrichtung einer Wetterstation gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine nach diesem Verfahren arbeitende Wetterstation gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 7. This object is achieved by a method for automatically detecting the orientation of a weather station according to the features of patent claim 1 and by a working according to this method weather station according to the features of claim 7.
[0005] Ein grundlegender Gedanke der Erfindung ist es, anhand von Messgrössen der Helligkeitssensoren der Wetterstation die Einstrahlrichtung der Sonne relativ zur Wetterstation bzw. im Koordinatensystem der Wetterstation zu ermitteln, diese gemessene Einstrahlrichtung mit einer anhand der Uhrzeit berechneten Himmelsrichtung des tatsächlichen Sonnenstandes zu vergleichen und daraus einen Korrekturwert zu berechnen, der die von einer Sollausrichtung abweichende Drehlage der Wetterstation kompensiert. Die Einstrahlrichtung der Sonne kann mit minimal zwei unterschiedlich ausgerichteten Helligkeitssensoren ermittelt werden, deren Messgrössen vom jeweiligen Einstrahlwinkel abhängig sind. Vorzugsweise sind die Erfassungsbereiche der Helligkeitssensoren und deren Orientierung im Raum so gewählt, dass einfallendes Licht unabhängig von der jeweiligen Einfallsrichtung immer im Erfassungsbereich mindestens eines der Helligkeitssensoren liegt. Durch Speicherung der Messgrössen der Helligkeitssensoren in Abhängigkeit der Tageszeit kann für jeden der Helligkeitssensoren ein Helligkeitsprofil erstellt werden. Dabei können z.B. während fünfminütiger Messintervalle Spitzenwerte, Mittelwerte und Minimalwerte erfasst und gespeichert werden. Durch Vergleich charakteristischer Werte der gemessenen Helligkeitsprofile, beispielsweise der zeitlichen Lage und Höhe der Maxima sowie des Zeitbereichs, in dem die gespeicherten Werte einen vorgebbaren Minimalwert übersteigen, kann die Steuerung die Südrichtung bzw. die Richtung des höchsten Sonnenstandes ermitteln. Falls die Orientierung der Wetterstation nicht einer vorgegebenen Sollausrichtung entspricht, ermittelt die Steuerung den Offset und korrigiert Richtungsinformationen bei den Steuer-grössen entsprechend. Wenn zusätzlich zur Uhrzeit auch das Datum bzw. der von der Jahreszeit abhängige Sonnenstand und/oder die geografische Breite des jeweiligen Standortes bekannt sind, können diese Parameter optional ebenfalls bei der Berechnung von Steuergrössen berücksichtigt werden. A fundamental idea of the invention is to determine the irradiation direction of the sun relative to the weather station or in the coordinate system of the weather station using measured variables of the brightness sensors of the weather station to compare this measured irradiation direction with a calculated based on the time of the compass direction of the actual position of the sun and to calculate therefrom a correction value which compensates the rotational position of the weather station deviating from a desired orientation. The irradiation direction of the sun can be determined with a minimum of two differently oriented brightness sensors whose measured variables are dependent on the respective angle of incidence. Preferably, the detection ranges of the brightness sensors and their orientation in space are selected so that incident light is always in the detection range of at least one of the brightness sensors, regardless of the respective direction of incidence. By storing the measured variables of the brightness sensors as a function of the time of day, a brightness profile can be created for each of the brightness sensors. Thereby, e.g. during five-minute measurement intervals peak values, mean values and minimum values are recorded and stored. By comparing characteristic values of the measured brightness profiles, for example the temporal position and height of the maxima and of the time range in which the stored values exceed a predeterminable minimum value, the controller can determine the south direction or the direction of the highest position of the sun. If the orientation of the weather station does not correspond to a predetermined target orientation, the controller determines the offset and corrects direction information in the control variables accordingly. If, in addition to the time of day, the date or the position of the sun depending on the season and / or the latitude of the respective location are known, these parameters can optionally also be taken into account in the calculation of control variables.
[0006] Anhand einer Figur wird eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung näher beschrieben. Die Figur zeigt schematisch eine Wetterstation mit mindestens vier Helligkeitssensoren H1, H2, H3, H4, deren Erfassungsbereiche in der Horizontalen alle Himmelsrichtungen abdecken.
Bei direkter Sonneneinstrahlung S sind jeweils mindestens zwei der Helligkeitssensoren (bei der dargestellten Anordnung die Sensoren H1 und H2) direkt beschienen – die anderen empfangen nur diffuse Strahlung. Der horizontale Einfallswinkel et der Sonne lässt sich nun in erster Näherung aus den gemessenen Sensorwerten berechnen. Bei zueinander um 90° verschobenen Sensoren berechnet sich der Winkel α wie folgt:
α = cot ((L1T-D)/(L2T-D)) Reference to a figure, a preferred embodiment of the invention will be described in more detail. The figure shows schematically a weather station with at least four brightness sensors H1, H2, H3, H4 whose coverage areas in the horizontal cover all directions.
In direct sunlight S at least two of the brightness sensors (in the illustrated arrangement, the sensors H1 and H2) are directly lit - the others receive only diffuse radiation. The horizontal angle of incidence et of the sun can now be calculated to a first approximation from the measured sensor values. For sensors shifted by 90 °, the angle α is calculated as follows:
α = cot ((L1T-D) / (L2T-D))
[0007] Dabei bedeuten:
D = tiefster gemessener Sensorwert (= Diffuse Lichtstärke) L1T = Lichtstärke gemessen vom Helligkeitssensor H1 (höchster gemessener Wert)
L2T = Lichtstärke gemessen vom Helligkeitssensor H2 (zweithöchster gemessener Wert)
L1T und L2T sind die höchsten Werte der vier Helligkeitssensoren H1, H2, H3, H4. Alle Werte werden synchron während vorgegebener Messperioden von beispielsweise 5, 10 oder 15 Minuten ermittelt und gespeichert. Optional können Messwerte auch über längere Zeit, beispielsweise während mehrerer Tage, Wochen oder Monate erfasst und so gespeichert werden, dass der jeweilige Messzeitpunkt oder die Zuordnung zu einem bestimmten Intervall der Tageszeit eindeutig feststellbar ist. Alternativ zur individuellen Speicherung der einzelnen Messwerte können auch Spitzenwerte, gleitende Durchschnittswerte, Minimalwerte oder andere aus den Messgrössen abgeleitete Werte in Abhängigkeit der Tageszeit gespeichert und ausgewertet werden. Die Empfindlichkeit der Helligkeitssensoren ist vorzugsweise so gewählt, dass direkte Sonneneinstrahlung nicht zur Sättigung der Messsignale führen kann. Die lichtempfindlichen Elemente der Sensoren können direkt oder indirekt z.B. über eine vor diesen Elementen angeordnete Streuscheibe bestrahlt werden. [0007]
D = lowest measured sensor value (= diffused light intensity) L1T = light intensity measured by the brightness sensor H1 (highest measured value)
L2T = light intensity measured by the brightness sensor H2 (second highest measured value)
L1T and L2T are the highest values of the four brightness sensors H1, H2, H3, H4. All values are determined and stored synchronously during predetermined measurement periods of, for example, 5, 10 or 15 minutes. Optionally, measured values can also be recorded over a longer period of time, for example during several days, weeks or months, and stored in such a way that the respective measuring time or the assignment to a specific interval of the time of day can be determined unambiguously. As an alternative to individual storage of the individual measured values, peak values, moving average values, minimum values or other values derived from the measured variables can also be stored and evaluated as a function of the time of day. The sensitivity of the brightness sensors is preferably chosen so that direct sunlight can not lead to saturation of the measurement signals. The photosensitive elements of the sensors may be directly or indirectly e.g. be irradiated via a lens arranged in front of these elements.
[0008] Falls ein oder mehrere der Sensoren dennoch im Sättigungsbereich arbeiten, wenn sie von direktem Sonnenlicht angestrahlt werden, können die Messwerte beispielsweise für die weitere Verarbeitung durch plausible Werte ersetzt oder unterdrückt werden.
Vorzugsweise werden Helligkeitssensoren verwendet, deren Signale einer Funktion der auf die Sensorfläche projizierten Lichtmenge folgen. Die Genauigkeit der Auswertung ist dann hoch, wenn der diffuse Strahlungsanteil klein ist. Das heisst die Messung funktioniert besser bei klarem Wetter. Ist dies nicht der Fall, können Messwerte der zugehörigen tageszeitlichen Messintervalle unterdrückt bzw. nicht zur weiteren Verarbeitung genutzt werden. Für α = 0° oder 90° besitzt die Formel Pole. Das bedeutet, dass in diesen Bereichen keine exakte Messung möglich ist. Am genausten ist die Messung bei einem Einfallswinkel von 45°. Vorteilhaft für die Genauigkeit ist auch eine gleiche und konstant bleibende Empfindlichkeit der Helligkeitssensoren.
Auswertung der Messresultate: Aus der festgestellten Richtung der direkten Sonneneistrahlung, dem aktuellen Datum sowie der Zeit (Lokalzeit), wird die Ausrichtung der Wetterstation berechnet. Durch eine Messreihe, die über mehrere Tage hinweg bei gutem Wetter erfolgt und die statistisch ausgewertet wird, lässt sich die Genauigkeit verbessern. Durch einen gleitenden Mittelwert kann auch selbstlernend auf Veränderungen reagiert werden. Bei anhaltend grossen Abweichungen zu früheren Resultaten kann ein Alarm ausgelöst werden. Dann sollte die Befestigung der Zentrale überprüft werden. If one or more of the sensors nevertheless operate in the saturation region when they are illuminated by direct sunlight, the measured values can be replaced or suppressed by plausible values for further processing, for example.
Preferably, brightness sensors are used whose signals follow a function of the light quantity projected onto the sensor surface. The accuracy of the evaluation is high when the diffuse radiation component is small. That means the measurement works better in clear weather. If this is not the case, measured values of the associated daily time measurement intervals can be suppressed or not used for further processing. For α = 0 ° or 90 °, the formula has poles. This means that no exact measurement is possible in these areas. The most accurate measurement is at an angle of incidence of 45 °. Advantageous for the accuracy is also an equal and constant sensitivity of the brightness sensors.
Evaluation of the measurement results: The orientation of the weather station is calculated from the determined direction of the direct solar radiation, the current date and the time (local time). A series of measurements over several days in good weather and statistically evaluated will improve accuracy. A moving average also allows self-learning to react to changes. If there are persistently large deviations from previous results, an alarm can be triggered. Then the attachment of the control panel should be checked.
[0009] Auf Basis der gemessenen Helligkeitswerte ermittelt die Steuerung die Himmelsrichtungen bzw. die räumliche Ausrichtung der Wetterstation. Wenn der Steuerung Informationen zur aktuellen lokalen Uhrzeit vorliegen, kann sie diese bei der Bestimmung der Himmelsrichtung mit benutzen. Vorzugsweise werden dabei zeitliche Verschiebungen innerhalb einer Zeitzone sowie Unterschiede aufgrund von Sommer- und Winterzeit mit berücksichtigt. Die Südrichtung ist durch den Sonnenstand um 12 Uhr bestimmt. Alternativ kann die Himmelsrichtung relativ zur Wetterstation auch ohne Uhrzeit ermittelt werden, indem z.B. die Richtung des höchsten Sonnenstandes als Südrichtung ermittelt wird. Alternativ könnte die Südrichtung beispielsweise auch ermittelt werden, indem aus den Zeitpunkten der Morgen-und Abenddämmerung innerhalb eines vierundzwanzigstündigen Zeitintervalls zuerst die Mittagszeit als Mittelwert und dann die Einstrahlrichtung der Sonne zu dieser Zeit bestimmt werden.
Alternativ zu Ausführungsformen der Wetterstation, bei denen die Sensoren Sonneneinstrahlung aus allen Himmelsrichtungen erfassen, könnten die Sensoren auch nur einen Teilbereich der Himmelsrichtungen erfassen, beispielsweise etwa einen Bereich von etwa 270°. Selbst dann, wenn der höchste Sonnenstand im nicht erfassbaren Bereich liegen würde, könnte die Ausrichtung der Wetterstation noch ermittelt werden.
Bei der Ermittlung des Sonnenstandes bzw. der Richtung der Sonneneinstrahlung können optional weitere Parameter berücksichtigt werden wie beispielsweise die richtungsabhängige Empfindlichkeit der Helligkeitssensoren, Angaben zur Anordnung bzw. Ausrichtung der Helligkeitssensoren an der Wetterstation, Angaben zur geografischen Breite des Anwendungsstandortes und/oder Informationen zum Datum bzw. zur Jahreszeit. Sobald die Steuerung die Himmelsrichtung bzw. die Ausrichtung der Wetterstation relativ zu den Himmelsrichtungen ermittelt hat, kann sie Informationen zu den erfassten Messgrössen wie z.B. Windstärke und Windrichtung bezogen auf ein festes Koordinatensystem an übergeordnete Steuerungen weitergeben. Based on the measured brightness values, the controller determines the cardinal directions or the spatial orientation of the weather station. If the controller has information about the current local time, it can use it to determine the direction of the compass. Preferably, temporal shifts within a time zone as well as differences due to summer and winter time are taken into account. The south direction is determined by the position of the sun at 12 o'clock. Alternatively, the direction of the compass relative to the weather station can also be determined without a time, e.g. the direction of the highest position of the sun is determined as the south direction. Alternatively, the south direction could also be determined, for example, by first determining the noon time as the mean value and then the direction of the sun at that time from the times of the morning and evening twilight within a twenty-four hour time interval.
As an alternative to embodiments of the weather station, in which the sensors detect solar radiation from all directions, the sensors could detect only a portion of the cardinal directions, for example, about a range of about 270 °. Even if the highest position of the sun were in the non-detectable range, the orientation of the weather station could still be determined.
When ascertaining the position of the sun or the direction of the solar radiation, optionally further parameters can be taken into account, such as the directional sensitivity of the brightness sensors, information on the arrangement or orientation of the brightness sensors at the weather station, information on the geographical latitude of the application site and / or information on the date or time of day to the season. Once the controller has determined the direction or orientation of the weather station relative to the cardinal directions, it can obtain information on the measured quantities detected, such as, for example. Forward wind strength and wind direction in relation to a fixed coordinate system to higher-level control systems.