DE102008009006A1

DE102008009006A1 - Optical weather sensor for identification of particle spectrum and optical density for identification of rainfall and fog incidents, has laser as source for light beam and sensor for extinction measurement

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: CN101509983A; FI20095051A; FI20095051A0

Abstract

The optical weather sensor has a laser (1) as source for a light beam and a sensor (2) for extinction measurement. The optical weather sensor also has a sensor (3) for measuring forward scattering. A cover (4) is vertically arranged in the weather sensor. An independent claim is included for a method for an optical identification of particle sizes, particle speeds and visibility and fog incidents.

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.The The present invention relates to an optical weather sensor for the simultaneous determination of particle spectrum and optical Density for the determination of precipitation and fog events with a laser as a source of a light beam and a Sensor for extinction measurement.

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.The Determining the weather has great significance worldwide. she is in forestry and agriculture, for airports, in building technology, for meteorological services, maritime offices and in civil protection and for the control and regulation of technical Tasks required. The precipitation determination requires one Determination of intensity, volume, diameter size and Velocity distribution of in many forms as drizzle, rain, Hail, snow, sleet or ice grains. occurring precipitation. A weather sensor must also have the meteorological visibility (MOR) in the rain and fog events determine what in particular for Airports is of paramount importance.

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.Weather sensors determine several weather factors in parallel and replace individual measuring devices. They serve as distrometers for the determination of particle sizes and particle velocities as well as fog sensor and visibility meter. A known Distrometer is the Distrometer Parsivel ^® by the applicant, which measures 1 mm × with a signal generated by a laser, rectangular light band the size 160 mm × 30 mm and a measurement area of 48 cm ² absorbances. With this known device hydrometeors can be detected with diameters in the range of 0.2 mm to 25 mm and their speeds in the range of 0.1 to 20 m / s. The hydrometeors pass through the rectangular band of light and, depending on their diameter and their falling speed, produce a weakening of the signal received by a sensor. Peak height and peak baseline signal attenuation allow conclusions to be drawn about the diameter and velocity of the hydrometeors, with the amount of light attenuation being equivalent to the size of the particle and the peak base width being equivalent to the particle velocity. However, this known distromometer is unable to reliably detect fog events, resulting in problems in determining MOR visibility. Airborne mist particles lead to a constant, static disturbance, namely to a permanent lowering of the signal. This reduction can not be distinguished from the contamination of existing measuring windows or filters, nor from a power attenuation of the laser.

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.To avoid these disadvantages, other known devices use the technique of forward scattering, in which the light emitted by the measuring apparatus is scattered by hydrometeors located in a measuring volume and this scattered light is picked up by a receiver. Accordingly, fog leads to a constant stray signal and can be reliably detected. Such a device is in the EP 1 798 541 A1 described. From the nature of the scattered light follows that this measurement principle in the absence of Hydrometeoren or complete blockage of the measurement path no or a very noisy measurement signal allows, so that low particle concentrations and thus a high MOR visibility are not distinguishable from a device failure or problems in the optical system , A further disadvantage is that no direct determination of particle sizes and particle velocities is possible, but rather plausibility considerations must be made to correct edge effects, multiple drops and incorrect measurements, to which empirically not fully secured relationships between optical density and its temporal change are used.

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.Therefore require optical devices that use the principle of forward scattering work, additional and thus prone to failure Sensors, in particular temperature sensors or capacitive sensors for determining the water content of precipitation for precipitation typing. Said document suggests, in a scattered light visibility meter to arrange a light deflection unit for functional testing, which redirects the transmitted light bundle so that it into the for Light receiver directed receive light beam can be fed and measured. This means that the well-known Stray light visibility meter cyclically timed for quality assurance an extinction measurement under Using the same light source and the same detector performs. Although the detector therefore has a very large dynamic Range is the use of the same optical Desired components for the different measuring principles, on the one hand to keep the optical system simple and on the other hand always only the optical components used for the actual measurement to check their functionality.

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.The The object of the present invention is to provide an optical weather sensor indicate the reliable particle size at the same time and speeds as well as visibility and fog events and determine, as well as a procedure for this determination.

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.The device task is solved in that the optical weather sensor additionally has a sensor for measuring forward scattering, wherein both sensors simultaneously and continuously Measuring signals are formed receiving. This complication of the optical system in comparison to the two known measuring devices described at the outset advantageously permits a reliable determination of the particle spectrum as a two-dimensional spectrum of particle sizes and speeds as well as the optical density and thus of precipitation and fog events, or the range of vision. It is particularly advantageous that the visibility determination can be done redundantly from both measurement methods, since both the forward scattering and the extinction measurement allow information about the optical density and thus the field of view. In addition, the measuring device according to the invention advantageously allows the use of real measuring signals for checking the functionality of the extinction measurement. As a result, fog events can be determined redundantly: A static reduction of the excitation measurement signal can be identified and quantified as a mist event if a forward scatter signal is simultaneously present. Power attenuation of the laser or contamination of the optical system can be safely excluded as a cause. The switching of the optical path described in the prior art and forming a potential source of error is advantageously dispensed with.

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.In Embodiment of the invention, it is provided that the inventive optical weather sensor has at least one aperture which is vertically inclined is arranged and / or has a free lower edge, the in particular has a round recess. With this configuration Dirt of the panel can be avoided because possibly more adhesive Snow or the like can fall freely down to earth and there is no lug for itself with time from below build up pollution. The vertical tilt occurs in particular so that the lower edge of the panel another Distance to a housing edge has, as the upper edge.

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.If the sensor for measuring the forward scatter against the optical axis of the absorbance arranged inclined so that it is formed scattered light from a measurement volume of more than 300 mm ^3, in particular 600 mm ³ receiving, wherein the measuring volume is arranged approximately centrally between the laser and sensor for absorbance is, with great advantage, a large measurement volume with correspondingly high signal intensity possible. A large measurement volume allows more accurate measurements, as due to the averaging individual larger drops less distorting effect.

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.The Process task for the simultaneous optical determination of particle sizes and particle velocities as well as visibility and fog events, in which a laser is a light beam with a rectangular cross-section emits, in which a sensor for extinction measurement, if necessary Measuring objects receives weak light bundles, is solved by simultaneously a sensor for forward scattering measurement the part scattered forward by measuring objects in a measuring volume of the light beam. This method points the advantages described above.

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.In Further development of the method according to the invention it is provided that an evaluation unit receives the incoming measurement signals evaluates both sensors and in the case of visual assessment, a redundant Evaluation of both sensors makes, and that the evaluation Disturbances of the optical system by comparison of the measured values detects the sensors together.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in nicht einschränkender Weise darstellen.The Invention will now be described with reference to the single figure of the drawing explained in more detail, the one embodiment of the invention in a non-limiting manner.

Hierbei zeigt 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßen Wettersensor.This shows 1 a longitudinal section through a weather sensor according to the invention.

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.On a two-armed support frame 9 with fastening device 10 are two downwardly open housings 11 so arranged to each other that they with their open end faces 12 face each other. The left housing 11 contains a laser 1 , which has a rectangular beam of light 13 generated with the input dimensions described. This rectangular beam of light 13 leaves the case 11 below a panel 4 which is arranged vertically inclined. In the area between both housings 11 Hydrometeors or mist droplets can block the light beam 1 weaken or scatter. The weakened and possibly also scattered light beam 13 . 13 ' enters through a second aperture 4 in the right case 11 one where he is on a sensor 2 to extinction and a sensor 3 hits the scattered light measurement. An evaluation unit 8th evaluates the signals of both sensors 2 . 3 reliably detects fog events as well as particle sizes and velocities, or the particle spectrum. In the case of visibility measurement, the evaluation unit determines 8th redundant from two measurement signals a corresponding value, so that the device according to the invention has a device's own quality assurance.

11: Laserlaser
22: Sensorsensor
33: Sensorsensor
44: Blendecover
55: unterer Randlower edge
66: Ausnehmungrecess
77: Meßvolumenmeasuring volume
88th: Auswerteeinheitevaluation
99: Traggestellsupporting frame
1010: Befestigungsvorrichtungfastening device
1111: Gehäusecasing
1212: Stirnseitefront
1313: Lichtstrahlbeam of light
13'13 ': gestreuter Lichtstrahlscattered beam of light

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- EP 1798541 A1 [0004]

Claims

Optical weather sensor for the simultaneous determination of particle spectrum and optical density for the determination of precipitation and fog events with a laser ( 1 ) as a source of a light beam and a sensor ( 2 ) for extinction measurement, characterized in that it comprises a sensor ( 3 ) for measuring forward scattering, both sensors ( 2 . 3 ) are formed simultaneously and continuously receiving measured values.

Optical weather sensor according to claim 1, characterized in that it comprises at least one shutter ( 4 ), which is arranged vertically inclined and / or a free lower edge ( 5 ), in particular a round recess ( 6 ) having.

Optical weather sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor ( 3 ) is arranged inclined for measuring forward scattering against the optical axis of the extinction measurement in such a way that it emits scattered light from a measuring volume ( 7 ) of more than 300 mm ³ , in particular 600 mm ³ , receiving, wherein the measuring volume ( 7 ) approximately midway between lasers ( 1 ) and sensor ( 2 ) is arranged for extinction measurement.

Method for the simultaneous optical determination of particle sizes and particle velocities as well as visibility and fog events, in which a laser ( 1 ) emits a light beam of rectangular cross-section, in which a sensor ( 2 ) for the extinction measurement which optionally attenuated by measuring objects light beam, characterized in that at the same time a sensor ( 3 ) for forward scattering measurement by measuring objects in a measuring volume ( 7 ) forward scattered part of the light beam receives.

Method according to claim 4, characterized in that an evaluation unit ( 8th ) the incoming measuring signals of both sensors ( 2 . 3 ) and, in the case of visibility measurement, a redundant evaluation of both sensors ( 2 . 3 ).

Method according to claim 4 or 5, characterized in that the evaluation unit ( 8th ) Disturbances of the optical system by comparing the measured values of the sensors ( 2 . 3 ) with each other.