CH707305B1 - Verfahren zum Feststellen der Ausrichtung einer Wetterstation und Wetterstation. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Feststellen der Ausrichtung einer Wetterstation, umfassend mindestens zwei unterschiedlich ausgerichtete Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4). Die Messgrössen dieser Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) werden in Abhängigkeit der Tageszeit ausgewertet, um daraus die Himmelsrichtung und die Ausrichtung der Wetterstation abzuleiten. Die Erfindung umfasst weiterhin eine Wetterstation zum Durchführen des Verfahrens.

Description

[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 Storen, 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 Storen 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.

[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.

[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.

[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 6.

[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 oder anhand vorbestimmter Helligkeitswerte der Helligkeitssensoren 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 Steuergrössen 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.

[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.

[0007] 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 α 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:

[0008] 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)

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] Auswertung der Messresultate: Aus der festgestellten Richtung der direkten Sonneneinstrahlung, 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

Claims (6)

1. Verfahren zum Feststellen der Ausrichtung einer Wetterstation relativ zu den Himmelsrichtungen, wobei die Wetterstation eine Steuerung und mindestens zwei Helligkeitssensoren umfasst, deren Messgrössen bei direkter Einstrahlung von Sonnenlicht vom jeweiligen Einstrahlwinkel abhängig sind, wobei die Helligkeitssensoren so angeordnet und unterschiedlich ausgerichtet sind, dass ihre Erfassungsbereiche in der Horizontalen alle Himmelsrichtungen abdecken, sodass einfallendes Sonnenlicht, unabhängig von der jeweiligen Einfallsrichtung, immer im Erfassungsbereich mindestens eines der Helligkeitssensoren ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung a) die Himmelsrichtung des tatsächlichen Sonnenstands anhand der Uhrzeit oder anhand vorbestimmter Helligkeitswerte der Helligkeitssensoren ermittelt, b) auf Basis von Messgrössen der Helligkeitssensoren die Einstrahlrichtung der Sonne relativ zur Wetterstation ermittelt und c) die so ermittelte Einstrahlrichtung der Sonne relativ zur Wetterstation mit der Himmelsrichtung des tatsächlichen Sonnenstandes vergleicht und daraus einen Korrekturwert berechnet, der die von einer Sollausrichtung abweichende Drehlage der Wetterstation kompensiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung die Südrichtung ermittelt, indem sie a) bei verfügbarer Uhrzeit den Sonnenstand um 12 Uhr bestimmt oder b) innerhalb eines vierundzwanzigstündigen Zeitintervalls zuerst die Zeitpunkte der Morgendämmerung und der Abenddämmerung ermittelt, daraus die Mittagszeit als Mittelwert und den Sonnenstand zu dieser Mittagszeit bestimmt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Wetterstation mindestens vier Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an diffusem Streulicht als kleinster Messwert der Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) ermittelt wird, dass dieser Streulichtanteil von den Messwerten der Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) mit den beiden grössten Messwerten subtrahiert wird, und dass aus diesen um den Streulichtanteil bereinigten Messwerten unter Berücksichtigung der Ausrichtung der Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) bezüglich der Wetterstation der Einstrahlwinkel der Sonne relativ zur Wetterstation berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte der Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) oder von diesen Messwerten abgeleitete Werte mit Bezug zu den jeweiligen Mess-Zeitintervallen für mehrere Tage innerhalb vierundzwanzigstündiger Zeitintervalle gespeichert und statistisch ausgewertet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Wetterstation überwacht wird, und dass bei signifikanten Änderungen dieser Ausrichtung ein Alarm ausgelöst wird.

6. Wetterstation, umfassend eine Steuerung und mindestens zwei Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4), deren Messgrössen bei direkter Einstrahlung von Sonnenlicht vom jeweiligen Einstrahlwinkel abhängig sind, wobei die Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) so angeordnet und unterschiedlich ausgerichtet sind, dass ihre Erfassungsbereiche in der Horizontalen alle Himmelsrichtungen abdecken, sodass einfallendes Sonnenlicht unabhängig von der jeweiligen Einfallsrichtung immer im Erfassungsbereich mindestens eines der Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung Verarbeitungsvorschriften zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Ermitteln der Ausrichtung der Wetterstation relativ zu den Himmelsrichtungen umfasst, und dass diese Verarbeitungsvorschriften Informationen zur Ausrichtung der Helligkeitssensoren (H1, H2, H3, H4) in Bezug zur Wetterstation umfassen.