CH707305B1

CH707305B1 - Procedure for determining the alignment of a weather station and weather station.

Info

Publication number: CH707305B1
Application number: CH02687/12A
Authority: CH
Inventors: Meier Thomas; Rohner Markus
Original assignee: Griesser Holding Ag
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2016-10-14
Also published as: CH707305A1; DE102013016763A1

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.The invention relates to a method for automatically determining the orientation of a weather station, comprising at least two differently oriented brightness sensors (H1, H2, H3, H4). The measured quantities of these brightness sensors (H1, H2, H3, H4) are evaluated as a function of the time of day in order to derive therefrom the direction and orientation of the weather station. The invention further comprises a weather station for carrying out the method.

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. [0001] In building automation systems, weather stations are used that measure solar radiation, wind, temperature and other values. These values are used by the automation system to control and regulate the various trades such as blinds, heating, etc. For a corresponding control, the exact direction of the solar radiation and the alignment of the facades must be known. The wind direction must be known so that only the endangered blinds can be moved to the safety position in strong winds. Therefore, the alignment of the weather station or its sensors must be known. Aligning the weather station on the roof of a building is not always easy for fitters. It is also possible that the orientation and fixation of the weather station is changed later during maintenance work or renovations on the building without the operator being informed. The present invention enables the weather station to determine its alignment independently and to react later 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 precisely aligned during assembly or calibrated after assembly by measuring their alignment and inputting the determined data to the controller.

[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. It is an object of the present invention to provide a method for automatically detecting the alignment 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 6. This object is achieved by a method for automatically detecting the alignment of a weather station according to the features of claim 1 and by a weather station operating according to this method according to the features of claim 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. A basic idea of the invention is to use measured values of the brightness sensors of the weather station to determine the direction of the sun's radiation relative to the weather station or in the coordinate system of the weather station, this measured direction of radiation with a direction calculated using the time or predetermined brightness values of the brightness sensors to compare the actual position of the sun and to calculate a correction value from this, which compensates for the rotational position of the weather station that deviates from a target orientation. The direction of incidence of the sun can be determined with a minimum of two differently aligned brightness sensors, the measured values of which depend on the respective angle of incidence. The detection areas of the brightness sensors and their orientation in space are preferably selected in such a way that incident light is always in the detection area of at least one of the brightness sensors, regardless of the respective direction of incidence. By storing the measurement parameters of the brightness sensors as a function of the time of day, a brightness profile can be created for each of the brightness sensors. For example Peak values, mean values and minimum values are recorded and stored during five-minute measuring intervals. By comparing characteristic values of the measured brightness profiles, for example the temporal position and height of the maxima and the time range in which the stored values exceed a predeterminable minimum value, the control 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 specified target orientation, the controller determines the offset and corrects the direction information for the control variables accordingly. If, in addition to the time, the date or the season-dependent position of the sun and / or the geographical latitude of the respective location are known, these parameters can optionally also be taken into account when calculating control parameters.

[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. [0006] A preferred embodiment of the invention is described in more detail with reference to a figure. The figure shows schematically a weather station with at least four brightness sensors H1, H2, H3, H4, whose detection areas in the horizontal cover all directions.

[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: In direct sunlight S at least two of the brightness sensors (in the arrangement shown, the sensors H1 and H2) are directly illuminated - the others receive only diffuse radiation. The horizontal angle of incidence α of the sun can now be calculated as a first approximation from the measured sensor values. If the sensors are offset by 90 °, the angle α is calculated as follows:

[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) The meanings are: D = lowest measured sensor value (= diffuse light intensity) L1T = light intensity, measured by brightness sensor H1 (highest measured value) L2T = light intensity, measured by brightness sensor H2 (second highest measured value)

[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. [0009] L1T and L2T are the highest values of the four brightness sensors H1, H2, H3, H4. All values are determined and stored synchronously during specified measuring periods of, for example, 5, 10 or 15 minutes. Optionally, measured values can also be recorded over a longer period of time, for example over several days, weeks or months, and stored in such a way that the respective measurement time or the assignment to a specific interval of the time of day can be clearly determined. As an alternative to the 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 depending on the time of day. The sensitivity of the brightness sensors is preferably selected so that direct sunlight cannot lead to saturation of the measurement signals. The light-sensitive elements of the sensors can be directly or indirectly e.g. can be irradiated through a diffuser arranged in front of these elements.

[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. If one or more of the sensors still work in the saturation range when they are illuminated by direct sunlight, the measured values can be replaced or suppressed by plausible values, for example for further processing.

[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. [0011] Brightness sensors are preferably used, the signals of which follow a function of the amount of light projected onto the sensor surface. The accuracy of the evaluation is high when the diffuse radiation component is small. This means that the measurement works better in clear weather. If this is not the case, measured values of the associated daily measurement intervals can be suppressed or not used for further processing. For α = 0 ° or 90 ° the formula has poles. This means that an exact measurement is not possible in these areas. The measurement is most accurate at an angle of incidence of 45 °. The same and constant sensitivity of the brightness sensors is also advantageous for the accuracy.

[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. Evaluation of the measurement results: the orientation of the weather station is calculated from the determined direction of direct sunlight, the current date and the time (local time). The accuracy can be improved by means of a series of measurements that are carried out over several days in good weather and that are statistically evaluated. A moving average can also be used to react to changes in a self-learning manner. An alarm can be triggered if the deviations from previous results persist. Then the fastening of the control center should be checked.

[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. On the basis of the measured brightness values, the controller determines the cardinal directions or the spatial orientation of the weather station. If the controller has information on the current local time, it can use this when determining the direction of the compass. Temporal shifts within a time zone and differences due to summer and winter time are preferably taken into account. The south direction is determined by the position of the sun at 12 o'clock. Alternatively, the compass direction relative to the weather station can also be determined without the time, e.g. the direction of the highest position of the sun is determined as south. Alternatively, the south direction could also be determined, for example, by first determining the midday as the mean value and then determining the direction of the sun at this time from the times of dawn and dusk within a twenty-four hour time interval.

[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. When determining the position of the sun or the direction of solar radiation, other parameters can optionally be taken into account, such as the direction-dependent sensitivity of the brightness sensors, information on the arrangement or alignment of the brightness sensors on the weather station, information on the geographical latitude of the application location and / or Information on the date or the season. As soon as the controller has determined the cardinal direction or the orientation of the weather station relative to the cardinal points, it can provide information on the recorded measured variables such as Forward wind strength and wind direction based on a fixed coordinate system to higher-level controls.

Claims

A method for determining the orientation of a weather station relative to the cardinal directions, wherein the weather station comprises a controller and at least two brightness sensors, the measured quantities are dependent on direct irradiation of sunlight from the respective angle of incidence, the brightness sensors are arranged and oriented differently that their Cover detection areas in the horizontal all directions, so that incident sunlight, regardless of the direction of incidence, is always in the detection range of at least one of the brightness sensors, characterized in that the control a) determines the direction of the actual position of the sun based on the time or on the basis of predetermined brightness values of the brightness sensors, b) on the basis of measured variables of the brightness sensors determines the direction of incidence of the sun relative to the weather station and c) compares the thus determined direction of incidence of the sun relative to the weather station with the direction of the actual position of the sun and calculates therefrom a correction value that compensates the deviating from a target orientation rotational position of the weather station.

2. The method according to claim 1, characterized in that the controller determines the south direction by a) if the time is available, determine the position of the sun at 12 o'clock or b) first determine the times of dawn and dusk within a twenty-four hour time interval, from which the noon time is determined as the mean value and the position of the sun at this noon time.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein the weather station comprises at least four brightness sensors (H1, H2, H3, H4), characterized in that a proportion of diffused scattered light as the smallest measured value of the brightness sensors (H1, H2, H3, H4 ), it is determined that this scattered light component is subtracted from the measured values of the brightness sensors (H1, H2, H3, H4) with the two largest measured values, and that these measured values corrected for the scattered light component take into account the orientation of the brightness sensors (H1, H2, H3 , H4) with respect to the weather station, the angle of incidence of the sun relative to the weather station is calculated.

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that measured values of the brightness sensors (H1, H2, H3, H4) or values derived from these measured values are stored with reference to the respective measuring time intervals for several days within twenty-four hour time intervals and statistically be evaluated.

A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the orientation of the weather station is monitored and that an alarm is triggered upon significant changes in this orientation.

6. weather station, comprising a controller and at least two brightness sensors (H1, H2, H3, H4), the measured quantities are dependent on direct irradiation of sunlight from the respective angle of incidence, the brightness sensors (H1, H2, H3, H4) arranged and different are aligned so that their detection areas in the horizontal cover all directions, so that incident sunlight regardless of the direction of incidence is always in the detection range of at least one of the brightness sensors (H1, H2, H3, H4), characterized in that the controller processing instructions for performing the method according to one of claims 1 to 5 for determining the orientation of the weather station relative to the cardinal directions, and that these processing instructions comprise information for aligning the brightness sensors (H1, H2, H3, H4) with respect to the weather station.