DE102008009006A1

DE102008009006A1 - Optischer Wettersensor

Info

Publication number: DE102008009006A1
Application number: DE102008009006A
Authority: DE
Inventors: Eduard Beck; Peter Fend; Klaus Neher
Original assignee: OTT Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: OTT Hydromet GmbH
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-20
Also published as: FI20095051A0; FI20095051A; CN101509983A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wettersensor für die gleichzeitige Bestimmung von Partikelspektrum und optischer Dichte zur Bestimmung von Niederschlags- und Nebelereignissen mit einem Laser (1) als Quelle für einen Lichtstrahl und einem Sensor (2) zur Extinktionsmessung. Um zuverlässig Nebelereignisse detektieren zu können, schlägt die Erfindung vor, dass er einen Sensor (3) zur Messung von Vorwärtsstreuung aufweist, wobei beide Sensoren (2, 3) gleichzeitig und kontinuierlich Messwerte aufnehmend ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wettersensor für die gleichzeitige Bestimmung von Partikelspektrum und optischer Dichte zur Bestimmung von Niederschlags- und Nebelereignissen mit einem Laser als Quelle für einen Lichtstrahl und einem Sensor zur Extinktionsmessung.
Die Bestimmung des Wetters hat weltweit große Bedeutung. Sie ist in der Forst- und Agrarwirtschaft, für Flughäfen, in der Gebäudetechnik, für Wetterdienste, Schifffahrtsämter und im Katastrophenschutz sowie zur Steuerung und Regelung von technischen Aufgaben erforderlich. Die Niederschlagsbestimmung erfordert eine Bestimmung der Intensität, des Volumen, der Durchmessergrößen- und Geschwindigkeitsverteilung des in vielen Formen als Niesel, Regen, Hagel, Schnee, Graupel oder Eiskörner. auftretenden Niederschlags. Ein Wettersensor muß darüber hinaus die meteorologische Sichtweite (MOR) im Regen und Nebelereignisse ermitteln, was insbesondere für Flughäfen von überragender Bedeutung ist.
Wettersensoren bestimmen mehrere Wetterfaktoren parallel und ersetzen Einzelmessgeräte. Sie dienen als Distrometer zur Bestimmung von Partikelgrößen und Partikelgeschwindigkeiten sowie als Nebelsensor und Sichtweitenmessgerät. Ein bekanntes Distrometer ist das Distrometer Parsivel^® der Anmelderin, das mit einem von einem Laser erzeugten, rechteckigen Lichtband der Größe 160 mm × 1 mm × 30 mm und einer Meßfläche von 48 cm² Extinktionen misst. Mit diesem bekannten Gerät können Hydrometeore mit Durchmessern im Bereich von 0,2 mm bis 25 mm sowie deren Geschwindigkeiten im Bereich von 0,1 bis 20 m/s erfasst werden. Die Hydrometeore treten durch das rechteckige Lichtband und erzeugen in Abhängigkeit ihres Durchmessers und ihrer Fallgeschwindigkeit eine Abschwächung des von einem Sensor empfangenen Signals. Peakhöhe und Peakbasisbreite der Signalabschwächung lassen Rückschlüsse auf Durchmesser und Geschwindigkeit der Hydrometeore zu, wobei das Ausmaß der Lichtdämpfung äquivalent zur Größe des Partikels und die Peakbasisbreite äquivalent zur Partikelgeschwindigkeit ist. Dieses bekannte Distrometer ist jedoch nicht in der Lage, Nebelereignisse sicher zu detektieren, wodurch sich bei der Bestimmung der MOR-Sichtweiten Probleme ergeben. In der Luft schwebende Nebelteilchen führen zu einer konstanten, statischen Störung, nämlich zu einer dauerhaften Absenkung des Signals. Diese Absenkung lässt sich weder von einer Verschmutzung vorhandener Messfenster oder Filter, noch von einer Leistungsabschwächung des Lasers unterscheiden.
Um diese Nachteile zu vermeiden, verwenden andere bekannte Geräte die Technik der Vorwärtsstreuung (forward scattering), bei dem das von der Messapparatur ausgesandte Licht durch in einem Messvolumen befindliche Hydrometeore gestreut und dieses Streulicht durch einen Empfänger aufgefangen wird. Nebel führt demnach zu einem gleich bleibenden Streusignal und kann zuverlässig erkannt werden. Ein solches Gerät ist in der EP 1 798 541 A1 beschrieben. Aus der Natur des Streulichts folgt, dass dieses Messprinzip bei Abwesenheit von Hydrometeoren oder vollständiger Blockade des Messpfades kein oder ein sehr stark verrauschtes Messsignal ermöglicht, so dass niedrige Partikelkonzentrationen und damit eine hohe MOR-Sichtweite nicht von einem Geräteausfall oder Problemen im optischen System unterscheidbar sind. Nachteilig ist weiterhin, dass keine direkte Bestimmung von Partikelgrößen und Partikelgeschwindigkeiten möglich ist, sondern vielmehr Plausibilitätsbetrachtungen angestellt werden müssen, um Randeffekte, Mehrfachtropfen und Fehlmessungen zu korrigieren, wozu empirisch nicht vollständig abgesicherte Zusammenhänge zwischen optischer Dichte und deren zeitlicher Änderung verwendet werden.
Demnach erfordern optische Geräte, die mit dem Prinzip der Vorwärtsstreuung arbeiten, zusätzliche und damit störanfällige Sensoren, insbesondere Temperatursensoren oder kapazitive Sensoren zur Bestimmung des Wassergehalts des Niederschlags zur Niederschlagstypisierung. Die genannte Schrift schlägt vor, in einem Streulicht-Sichtweitenmessgerät zur Funktionsprüfung eine Lichtumlenkeinheit anzuordnen, die das Sendelichtbündel so umleitet, dass es in das zum Lichtempfänger gerichtete Empfangslichtbündel eingespeist und gemessen werden kann. Dies bedeutet, dass das bekannte Streulicht-Sichtweitenmeßgerät zeitprogrammgesteuert zyklisch zur Qualitätsabsicherung eine Extinktionsmessung unter Verwendung derselben Lichtquelle und desselben Detektors durchführt. Obwohl der Detektor daher einen sehr großen dynamischen Bereich aufweisen muß, ist die Verwendung derselben optischen Komponenten für die unterschiedlichen Messprinzipien gewünscht, um zum einen das optische System einfach zu halten und um zum anderen stets nur die zur eigentlichen Messung verwendeten optischen Komponenten auf ihre Funktionsfähigkeit zu überprüfen.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen optischen Wettersensor anzugeben, der zuverlässig gleichzeitig Partikelgrößen und -geschwindigkeiten sowie Sichtweiten und Nebelereignisse erkennen und bestimmen kann sowie ein Verfahren zu dieser Bestimmung.
Die Vorrichtungsaufgabe wird dadurch gelöst, dass der optische Wettersensor zusätzlich einen Sensor zur Messung von Vorwärtsstreuung aufweist, wobei beide Sensoren gleichzeitig und kontinuierlich Messsignale aufnehmend ausgebildet sind. Diese Komplizierung des optischen Systems im Vergleich zu den beiden eingangs beschriebenen, bekannten Messgeräten erlaubt mit großem Vorteil eine zuverlässige Bestimmung des Partikelspektrums als zweidimensionales Spektrum aus Partikelgrößen und -geschwindigkeiten sowie der optischen Dichte und damit von Niederschlags- und Nebelereignissen, bzw. der Sichtweite. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass die Sichtweitenbestimmung redundant aus beiden Messverfahren erfolgen kann, da sowohl die Vorwärtsstreuung als auch die Extinktionsmessung Angaben über die optische Dichte und damit die Sichtweite erlauben. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Messgerät mit Vorteil die Verwendung von realen Messsignalen zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit der Extinktionsmessung. Nebelereignisse können hierdurch redundant bestimmt werden: Eine statische Absenkung des Exktinktionsmesssignals ist bei gleichzeitigem Vorliegen eines Vorwärtsstreuungssignals sicher als Nebelereignis identifizierbar und quantifizierbar. Leistungsabschwächung des Lasers oder Verschmutzung des optischen Systems sind als Ursache sicher ausschließbar. Auf die im Stand der Technik beschriebene komplizierte und eine potentielle Fehlerquelle bildenden Umschaltung des optischen Weges wird vorteilhafterweise verzichtet.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erfindungsgemäße optische Wettersensor wenigstens eine Blende aufweist, die vertikal geneigt angeordnet ist und/oder einen freien unteren Rand aufweist, der insbesondere eine runde Ausnehmung aufweist. Mit dieser Ausgestaltung werden Verschmutzungen der Blende vermieden, da eventuell anhaftender Schnee oder dergleichen frei nach unten zur Erde abfallen kann und es keine Ansatzfläche für sich mit der Zeit von unten aufbauende Verschmutzungen gibt. Die vertikale Neigung erfolgt dabei insbesondere so, dass der untere Rand der Blende einen weiteren Abstand zu einem Gehäuserand aufweist, als der obere Rand.
Ist der Sensor zur Messung von Vorwärtsstreuung gegen die optische Achse der Extinktionsmessung so geneigt angeordnet, dass er Streulicht aus einem Messvolumen von mehr als 300 mm³, insbesondere 600 mm³ empfangend ausgebildet ist, wobei das Messvolumen etwa mittig zwischen Laser und Sensor zur Extinktionsmessung angeordnet ist, ist mit großem Vorteil ein großes Messvolumen mit entsprechend großer Signalintensität möglich. Ein großes Messvolumen ermöglicht genauere Messungen, da aufgrund der Mittelung einzelne größere Tropfen weniger verfälschend wirken.
Die Verfahrensaufgabe zur gleichzeitigen optischen Bestimmung von Partikelgrößen und Partikelgeschwindigkeiten sowie Sichtweiten und Nebelereignissen, bei dem ein Laser ein Lichtbündel mit rechteckigem Querschnitt aussendet, bei dem ein Sensor zur Extinktionsmessung das gegebenenfalls durch Messobjekte geschwächte Lichtbündel empfängt, wird dadurch gelöst, dass gleichzeitig ein Sensor zur Vorwärtsstreuungsmessung den durch Messobjekte in einem Messvolumen vorwärts gestreuten Teil des Lichtbündels empfängt. Dieses Verfahren weist die weiter oben geschilderten Vorteile auf.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Auswerteeinheit die eingehenden Messsignale beider Sensoren auswertet und im Fall der Sichtweitemessung eine redundante Auswertung beider Sensoren vornimmt, sowie, dass die Auswerteeinheit Störungen des optischen Systems durch Vergleich der Messwerte der Sensoren miteinander feststellt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in nicht einschränkender Weise darstellen.
Hierbei zeigt 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßen Wettersensor.
Auf einem zweiarmigen Traggestell 9 mit Befestigungsvorrichtung 10 sind zwei nach unten offene Gehäuse 11 so zueinander angeordnet, dass sie mit ihren offenen Stirnseiten 12 aufeinander weisen. Das linke Gehäuse 11 enthält einen Laser 1, der einen rechteckigen Lichtstrahl 13 mit den Eingangs geschilderten Abmessungen erzeugt. Dieser rechteckige Lichtstrahl 13 verläßt das Gehäuse 11 unterhalb einer Blende 4, die vertikal geneigt angeordnet ist. Im Bereich zwischen beiden Gehäusen 11 können Hydrometeore oder Nebeltröpfchen den Lichtstrahl 1 schwächen oder streuen. Der geschwächte und gegebenenfalls auch gestreute Lichtstrahl 13, 13' tritt durch eine zweite Blende 4 in das rechte Gehäuse 11 ein, wo er auf einen Sensor 2 zur Extinktions- und einen Sensor 3 zur Streulichtmessung trifft. Eine Auswerteeinheit 8 wertet die Signale beider Sensoren 2, 3 aus und ermittelt zuverlässig Nebelereignisse genauso, wie Partikelgrößen und -geschwindikgkeiten, bzw. das Partikelspektrum. Im Falle der Sichtweitenmessung ermittelt die Auswerteeinheit 8 redundant aus beiden Messsignalen einen entsprechenden Wert, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine vorrichtungseigene Qualitätssicherung aufweist.

1: Laser
2: Sensor
3: Sensor
4: Blende
5: unterer Rand
6: Ausnehmung
7: Meßvolumen
8: Auswerteeinheit
9: Traggestell
10: Befestigungsvorrichtung
11: Gehäuse
12: Stirnseite
13: Lichtstrahl
13': gestreuter Lichtstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1798541 A1 [0004]

Claims

Optischer Wettersensor für die gleichzeitige Bestimmung von Partikelspektrum und optischer Dichte zur Bestimmung von Niederschlags- und Nebelereignissen mit einem Laser (1) als Quelle für einen Lichtstrahl und einem Sensor (2) zur Extinktionsmessung, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Sensor (3) zur Messung von Vorwärtsstreuung aufweist, wobei beide Sensoren (2, 3) gleichzeitig und kontinuierlich Messwerte aufnehmend ausgebildet sind.
Optischer Wettersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine Blende (4) aufweist, die vertikal geneigt angeordnet ist und/oder einen freien unteren Rand (5) aufweist, der insbesondere eine runde Ausnehmung (6) aufweist.
Optischer Wettersensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) zur Messung von Vorwärtsstreuung gegen die optische Achse der Extinktionsmessung so geneigt angeordnet ist, dass er Streulicht aus einem Messvolumen (7) von mehr als 300 mm³, insbesondere 600 mm³, empfangend ausgebildet ist, wobei das Messvolumen (7) etwa mittig zwischen Laser (1) und Sensor (2) zur Extinktionsmessung angeordnet ist.
Verfahren zur gleichzeitigen optischen Bestimmung von Partikelgrößen und Partikelgeschwindigkeiten sowie Sichtweiten und Nebelereignissen, bei dem ein Laser (1) ein Lichtbündel mit rechteckigem Querschnitt aussendet, bei dem ein Sensor (2) zur Extinktionsmessung das gegebenenfalls durch Messobjekte geschwächte Lichtbündel empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig ein Sensor (3) zur Vorwärtsstreuungsmessung den durch Messobjekte in einem Messvolumen (7) vorwärts gestreuten Teil des Lichtbündels empfängt.
Verfahrengemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (8) die eingehenden Messsignale beider Sensoren (2, 3) auswertet und im Fall der Sichtweitenmessung eine redundante Auswertung beider Sensoren (2, 3) vornimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) Störungen des optischen Systems durch Vergleich der Messwerte der Sensoren (2, 3) miteinander feststellt.