DE102016005465A1 - Automatisches, kompaktes Wetterschutzgehäuse für atmosphärische Messgeräte - Google Patents

Automatisches, kompaktes Wetterschutzgehäuse für atmosphärische Messgeräte Download PDF

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Abstract

Die Fernerkundung der Erdatmosphäre mithilfe sonnenverfolgender Fourier-Transform-Spektrometer bietet einzigartige Vorteile für atmosphärische Messungen. Eine breite spektrale Abdeckung gepaart mit hoher spektraler Auflösung liefern Informationen über eine Reihe wichtiger Gase in einer Luftsäule. Die Säulenkonzentration ist nicht empfindlich auf die Dynamik der Mischungsschichthöhe und liefert somit mehr repräsentative Daten über Treibhausgase und Schadstoffemissionen. Diese Erfindung bezieht sich auf ein robustes, automatisiertes Wetterschutzgehäuse, welches ein sonnenverfolgendes Fourier-Transform-Spektrometer aufnehmen kann. Das Wetterschutzgehäuse ist auf Zuverlässigkeit ausgelegt und soll automatische Messungen bei geeignetem Wetter ermöglichen, während es bei ungeeignetem Wetter Schutz für das Messsystem bietet. Hauptelement des Gehäuses ist das Haubensystem, welches mit nur einer rotierenden Bewegung das Gehäuse öffnen oder schließen kann. Es besteht aus zwei Hauben mit Ausschnitten. Eine Haube ist drehbar gelagert und wird von einem Motor angetrieben. Die andere ist fest auf einer Box montiert, in deren Inneren das Messsystem untergebracht ist. Für Messungen wird die drehbare Haube nach der Sonne ausgerichtet, sodass direktes Sonnenlicht auf das Messsystem fallen kann. Die Ausrichtung der Haube wird durch ein Sensorsystem, bestehend aus Magneten und Reed-Sensoren, bestimmt. Ein Regensensor ergänzt externe Wetterdaten, welche zur Erkennung von für Messungen ungeeignetem Wetter herangezogen werden. Ausfälle der Versorgungsspannung werden durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verhindert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der atmosphärischen Messtechnik und betrifft den Schutz eines Messsystems zur optischen Messung verschiedener Treibhausgase in der Atmosphäre. Das Messsystem soll in einem Schutzgehäuse untergebracht und vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Bei für Messungen geeignetem Wetter muss jedoch das Licht der Lichtquelle, hier von der Sonne, auf die Spiegeloptik des Messgerätes fallen können. Für zuverlässige Messergebnisse darf dieses jedoch nicht gestört oder beeinflusst werden.
  • Stand der Technik
  • Geeignete Systeme können im Fachgebiet der Astronomie gefunden werden. Hier ist insbesondere ein als RoboDome vermarktetes Produkt des amerikanischen Unternehmens Technical Innovations zu erwähnen, welches annähernd die gesuchte Größe trifft. Große Formteile, sowie ein kompliziertes mechanisches Design zur Bewegung der Komponenten lassen das Konzept jedoch teuer und fehleranfällig werden. Häufig auftretende Probleme beim Öffnen, oder fälschliches Verdrehen in eine ungewünschte Richtung sind die negativen Folgen des nicht optimalen Gehäusesystems.
  • Ein anderer Ansatz wird am KIT von Dr. Mahesh Kumar Sha verfolgt [1]. Das Messsystem wird in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht. Lediglich der sonnenverfolgende Teil der Spiegeloptik ragt durch eine Öffnung oben aus dem Gehäuse. Sie wird, von einer Kuppel aus Glas vor Umwelteinflüssen geschützt. Fertigungstechnische Varianzen der handgefertigten Glaskuppel wirken sich jedoch negativ auf die Messergebnisse aus. Ein Hersteller für eine solche Kuppel mit ideal homogenen Eigenschaften konnte leider noch nicht gefunden werden.
  • Andere Ansätze versuchen ebenfalls das Messsystem in einem festen Gehäuse unterzubringen und lediglich die bewegte Spiegeloptik daraus herausragen zu lassen. Diese wird dann durch eine Abdeckung geschützt, welche mittels verschiedener Mechaniken das Gehäuse öffnen oder schließen können. Die Bewegungsmechaniken sehen meist jedoch mehrere translatorische Bewegungen vor, welche mechanisch relativ aufwändig zu realisierten sind. Herausforderungen bei der Abdichtung der notwenigen Motoren und Antriebselemente sowie die Entwicklung einer geeigneten Ansteuerung sind die wesentlichen Problematiken dieser Konzepte.
  • Inspirierend für die Idee der neuartigen Art zur Überdeckung der aus dem Gehäuse ragenden Spiegeloptik waren Salzsteuer oder Sortimentskisten mit Drehverschluss. Eine oder mehrere große Öffnungen im Deckel eines Gehäuses werden von einer drehbar gelagerten Abdeckung mit einem kleinen Ausschnitt verschlossen. Zum Öffnen wird die Abdeckung gedreht, so dass sich die Öffnungen überdecken. Das Gehäuse wird geschlossen, indem die Abdeckung solange weiter gedreht wird, bis die Ausschnitte nicht mehr überlappen.
  • Zitierte Literatur
    • [1] KIT, Dr. Mahesh Kumar Sha, Technical notes: Glass dome selection as a cover for protecting remote sensing instruments performing atmospheric measurements of trace gases. 26.01.2015
  • Darstellung der Erfindung
  • Die technische Herausforderung ist es ein automatisiertes und zuverlässiges Wetterschutzgehäuse für ein Messsystem zur Umweltmessung zu entwerfen. Messdaten sollen durch das System möglichst automatisiert und ohne menschliches eingreifen erfasst werden. Jedoch dürfen Messergebnisse nicht durch das Gehäuse beeinträchtigt werden. Der neuartige Entwurf bietet Lösungen für folgende Herausforderungen, welche die Zuverlässigkeit des automatischen Gehäusesystems beeinflussen können:
    • 1) Ein Ausfall des Schutzsystems führt mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Beschädigung des Messsystems, weshalb die Zuverlässigkeit ein wichtiger Bestandteil ist. Gegen Ausfälle der Versorgungsspannung wird, wie später im Text näher beschrieben, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung eingesetzt.
    • 2) Viele mechanische Bewegungen sorgen bei den meisten Lösungsansätzen für eine hohe Fehlerwahrscheinlichkeit. Aus diesem Grund verzichtet das vorgeschlagene Konzept auf die in den meisten Konzepten benötigten translatorischen Bewegungen und basiert auf einer einzigen, mechanisch robust und einfach herstellbaren, rotatorischen Bewegung.
    • 3) Auch Objekte, wie z. B. Gläser oder Linsen, im Strahlengang des Sonnenlichts, wie sie bei dem Ansatz mit Glasdome von Dr. Mahesh Kumar Sha vorkommen, haben durch ihre optischen Eigenschaften, besonders aber durch Verunreinigungen oder Beschlagen, eine hohe Wahrscheinlichkeit, die Messungen zu verzerren oder zu verfälschen. Im vorgeschlagenen Konzept werden daher derartige Elemente vermieden, sodass sich während aktiven Messungen nur die zu vermessende Atmosphäre im Strahlengang des Sonnenlichtes zum Messsystem befindet.
  • Die zu schützende Erfindung ist geeignet, um ein sonnenverfolgendes Messsystem, wie z. B. ein „solar-tracking Fourier Transform Spektrometer”, vor gefährdenden Umwelteinflüssen zu schützen. Unter für Messungen geeigneten Wetterbedingungen kann jedoch zu jeder Tageszeit das direkte Sonnenlicht auf die Spiegeloptik des Messsystems freigegeben werden. Der Lösungsvorschlag sieht daher vor, das Messsystem in einem wassergeschützten Grundgehäuse [2, 200] unterzubringen und wie aus anderen Konzepten bekannt, nur den sonnenverfolgenden Teil der Spiegeloptik des Messsystems aus diesem Gehäuse herausragen zu lassen. Dieser wird dann von einem neuartigen und innovativen Haubensystem [2, 202] geschützt, welches den Strahlengang des Sonnenlichts zu jeder Tageszeit auf den ersten Spiegel der Spiegeloptik des Messgerätes freigeben kann.
  • Das Haubensystem besteht aus zwei runden, um ihre Hochachse rotationssymmetrischen Hauben mit Ausschnitten, wie in 1 abgebildet. Eine kleinere, innere [1, 100] Haube ist wasserdicht mit dem Gehäuse verbunden. Sie besitzt einen sehr großen Ausschnitt, sodass sie die direkte Verbindung zwischen Sonne und erstem Spiegel der Spiegeloptik zu keiner Tageszeit verdeckt. Die größere, äußere Haube [1, 101] hat hingegen nur einen relativ kleinen Ausschnitt. Sie ist um die Hochachse drehbar auf Kugellagern [1, 102] am unteren Rand der inneren Haube [1, 100] gelagert. Ein Antriebsmotor [1, 104] ist oben in der inneren Haube zentriert befestigt. Seine Antriebswelle ragt durch die innere Haube und kann die äußere Haube drehen. Antriebsplatten [1, 103], aus einem stabilen Werkstoff wie z. B. Aluminium, verteilen dabei auftretenden Antriebs- und Lagerkräfte auf die Hauben, welche aus einem weniger festen, aber leichter zu verarbeitenden Werkstoff wie Kunststoff gefertigt werden können. Das Gehäuse kann so mit nur einer mechanisch einfach zu realisierenden rotatorischen Bewegung von nur einer einzigen Komponente, der äußeren Haube, geöffnet oder geschlossen werden.
  • Eine Asymmetrie der Ausschnitte in den beiden Haubenelementen erlaubt dabei eine deutliche Größenreduktion der Hauben. Bei gleichen Haubenausschnitten [3(b)] würden sich als logische Konsequenz halbierte Sphären als Haubenelemente ergeben, die zur Ermöglichung eines horizontalen Öffnungswinkels von z. B. 238° (der in Deutschland notwendige horizontale Winkel des Sonnenverlaufes oberhalb des für Messungen sinnvollen Höhenwinkels von 10°) einen Durchmesser von annähernd einem Meter betragen müssten. Im Vergleich dazu ist bei asymmetrischen Öffnungen der beiden Hauben ein wesentlich kleinerer Durchmesser für das Haubensystem ausreichend [3(a)]. Die endgültige Größe der Ausschnitte kann jedoch stets dem Aufstellungsort angepasst werden. Dabei sind die notwendige Positioniergenauigkeit der äußeren Haube nach dem Stand der Sonne und der horizontale Verlauf des Sonnenstandes als maßgebende Faktoren zu beachten.
  • Um das Eindringen von Wasser zwischen den Haubenelementen zu vermeiden, ist eine Dichtlippe in dem Spalt zwischen den Hauben vorgesehen.
  • Eine Reihe von Magneten [1, 105], welche an der äußeren Haube befestigt sind, erlauben es, mittels Reed-Sensoren [1, 106] an der inneren Haube die Position der äußeren Haube zu bestimmen. Die Ausrichtung der Magnete ist dabei abwechselnd mit Nord oben, Süd unten und umgekehrt. Dies sorgt für eine deutliche Feldschwächung zwischen den Magneten, wodurch die Reed-Kontakte zuverlässig schalten. Andere Sensoren, wie z. B. optische Encoder, zur Ermittlung der Position der Haube sind ebenfalls möglich.
  • Durch die Anbringung der Sensoren direkt an der Haube wird schließlich der Regelkreis über das gesamte System gespannt [4, (a)], sodass möglicher Schlupf im Antriebssystem oder andere Stör- oder Fehlereinflüsse keine dauerhaften Fehler mit sich bringen. Dies wäre z. B. bei üblichen Schritt- oder Servomotoren der Fall, bei denen das Haubensystem nach einem Verrutschen oder vorübergehendem Blockieren nicht zuverlässig in die gewünschten Positionen geführt werden kann, da hier der Regelkreis bestenfalls bis zur Antriebswelle des Motors reicht [4, (a)]. Die Haube könnte dann auf der Motorwelle verrutschen und so zu einer vom System unbemerkten permanenten Fehlpositionierung der Haubenöffnung führen.
  • Die Haube kann durch eine einfache Regelungselektronik stets so positioniert werden, dass das Sonnenlicht auf die Spiegeloptik fallen kann. Die Öffnung der Haube muss dabei der Lichtquelle, also der Sonne folgen. Da die Spiegeloptik des Messsystems eine ähnliche Aufgabe löst und dabei bereits eine Rückkoppelung zur präzisen Sonnenverfolgung integriert, kann dessen Ausrichtung als Führungsgröße für die Regelung der Position der drehenden Haube und ihrer Öffnung verwendet werden.
  • Ein ebenfalls auf dem Gehäuse montierter, optischer Regensensor [2, 201] sorgt im Zusammenspiel mit der Regelungselektronik bei regnerischem Wetter für ein sicheres Schließen des Gehäuses. Informationen aus externen Quellen wie Wettervorhersagen, oder auch einer ”sky camera” können für die Entscheidung über das Schließen des Gehäuses hinzu gezogen werden.
  • Gegenüber anderen Ansätzen ist dieser Entwurf eine wesentliche Vereinfachung in elektromechanischer Hinsicht. Er weist aufgrund seiner Einfachheit und geringen Anzahl an Komponenten eine hohe Robustheit und deutlich reduzierte Fehlerwahrscheinlichkeit auf. Zusätzlich zeichnet sich das Gehäusesystem durch eine sehr schnelle Reaktionszeit aus. Es kann aus jeder Position in sehr kurzer Zeit vollständig und sicher geschlossen werden.
  • Für einen möglichst störungsfreien Betrieb wird in einer möglichen Ausführung die Regelungselektronik beispielsweise so einfach und zuverlässig wie möglich um einen kleinen Mikrocontroller herum entworfen. Dabei sind lediglich ein Motortreiber sowie einfache Schaltungen zum Einlesen der Sensoren erforderlich.
  • Die Stromversorgung des elektromechanischen Haubensystems erfolgt über ein Netzteil aus dem herkömmlichen Hausstromnetz. Ausfälle in diesem werden von einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) hinter dem Netzteil überbrückt. Ein Signal von der USV an die Regelungselektronik meldet geringe Ladezustände des Energiespeichers oder andere Fehlfunktionen und führt zu einem rechtzeitigen Schließen des Haubensystems, sodass das Messsystem stets bestmöglich geschützt wird.
  • Der einfache elektrische und mechanische Aufbau besitzt neben dem Antriebsmotor lediglich eine bewegte Komponente, die äußere der beiden Hauben. Die Kugellager auf denen diese Haube lagert zählen zwar ebenfalls zu den bewegten Komponenten, ihre Beweglichkeit ist allerdings nicht zwingend erforderlich, da die Haube ebenso mit höherem Energieaufwand auf ihnen gleiten kann. Die verschleiß- oder verunreinigungsbedingte Fehlerwahrscheinlichkeit ist somit minimiert. Die Gesamtwahrscheinlichkeit für das Messsystem gefährdende Systemausfälle wird durch die beschriebenen Aspekte bestmöglich reduziert.
  • Titel bzw. Beschreibung der Zeichnungen
  • 1: Skizze der beiden Hauben 100 und 101 mit den Lagerungen 102 und den Antriebsplatten 103 am Motor 104. Eine zur Positionsbestimmung verwendete Reihe von Magneten 105 wie auch die dazugehörigen Reed-Sensoren 106 sind ebenfalls eingezeichnet.
  • 2: Skizzenbild des vollständigen Gehäuses bestehend aus dem Grundgehäuse 200 und dem Haubensystem 202. Der optische Regensensor 201 befindet sich neben dem Haubensystem auf dem Gehäuse.
  • 3: Vereinfachte Berechnungsskizzen zur Verdeutlichung der Größenreduktion durch asymmetrische Haubenelemente. Die Skizzen zeigen jeweils eine Ansicht von oben. Alle Einheiten sind in mm angegeben, soweit keine anderen Angaben vorhanden sind.
  • 4: Darstellung der Unterschiede verschiedener Rückführungen bei der Regelung der Haubenposition
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Das eigentliche Messsystem wird im Inneren des Gehäuses positioniert. Bei für Messungen geeignetem Wetter wird der Antriebsmotor der äußeren Haube so angesteuert, dass das Sonnenlicht stets auf das Spiegelsystem des Messsystems im Inneren der Hauben fallen kann. Die Messungen können so ungestört durchgeführt werden. Wird ein Regentropfen durch den Regensensor erkannt, so wird der Motor weiter angesteuert, bis die Öffnung in der äußeren Haube von der inneren Haube verdeckt wird. Das Gehäuse ist dann geschlossen und das Messsystem im Inneren sicher geschützt. Das Eingreifen eines Mitarbeiters zum Starten und Stoppen der Messungen ist auf diese Weise nicht mehr notwendig. Alle notwendigen Arbeitsschritte können zuverlässig und automatisiert von einer Software erledigt werden. Der Regensensor dient jedoch in erster Linie als Notfallschalter. Ein frühzeitiges Schließen des Gehäuses soll mit Hilfe von Informationen aus eigenen Messungen sowie aus externen Quellen erreicht werden.
  • Verschiedene Variationen zum Aufbau des neuartigen kompakten Gehäusesystems sind möglich. So ist es möglich, die Reed-Kontakte und ihre Magneten z. B. durch einen optischen Encoder zu ersetzten. Ebenso sind aber auch andere Messmethoden wie Lichtschranken oder Drehgeber denkbar.
  • Eine weitere Variation kann es sein, die Reihenfolge der Hauben zu tauschen, sodass die innere Haube den relativ kleinen Ausschnitt bekommt und sich mit dem Verlauf des Sonnenstandes dreht. Die äußere Haube benötigt dann den großen Ausschnitt und wird fest mit dem Gehäuse verbunden.
  • Die Steuerungselektronik muss nicht zwingend auf einem Mikroprozessor basieren. Jegliche Schaltungskomplexitäten, begonnen bei einfachen Logikschaltungen bis hin zu einem komplexen Computer können dessen Aufgabe übernehmen.
  • Zur Erkennung der Wetterbedingungen wird hier ein Regensensor als Informationsquelle eingesetzt. Das Gehäusesystem beschränkt sich jedoch nicht auf diesen Sensor. Andere Sensoren wie Helligkeits-, Wind- oder Luftdrucksensoren sind ebenso zum Bezug von Wetterdaten möglich, wie auch externe Informationsquellen, wie z. B. Unwetter- oder Gewitterwarnungen, aber auch Wettervorhersagen.
  • Das Gehäuse ist zudem nicht darauf beschränkt ein Spektrometer zu beherbergen. Beliebige Messinstrumente oder Systeme, die im Freien aufgestellt und vor Regen und Unwetter geschützt werden müssen, können in einem solchen Gehäusesystem untergebracht werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 100
    Innere Haube
    101
    Äußere Haube
    102
    Kugellager zur Lagerung der äußeren Haube
    103
    Antriebsplatten aus Aluminium zur Verteilung der einwirkenden Kräfte
    104
    Antriebsmotor
    105
    Magnete zur Positionsbestimmung
    106
    Reed-Sensoren
    200
    Gehäuse in dem das Messsystem untergebracht wird
    201
    Regensensor zur Erkennung erster Regentropfen
    202
    auf dem Gehäuse montiertes Haubensystem
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • KIT von Dr. Mahesh Kumar Sha [0003]
    • Dr. Mahesh Kumar Sha [0007]

Claims (6)

  1. Schutzvorrichtung, ausgelegt zum Schützen eines atmosphärischen Messsystems, wobei die Schutzvorrichtung umfasst: • ein erstes rotationssymmetrisches Haubenelement und mindestens ein zweites rotationssymmetrisches Haubenelement, • wobei das erste Haubenelement innerhalb des zweiten Haubenelements angeordnet ist, wobei die Rotationssymmetrieachsen der Haubenelemente zusammenfallen, • wobei das erste Haubenelement mit einer ersten Haubenöffnungsfläche in der Wandung vorgesehen ist, • wobei mindestens ein zweites Haubenelement mit mindestens einer zweiten Haubenöffnungsfläche in der Wandung vorgesehen ist.
  2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Haubenöffnungsfläche mindestens doppelt so groß, bevorzugt mindestens viermal so groß, besonders bevorzugt mindestens sechsmal so groß ist wie die erste Haubenöffnungsfläche.
  3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend eine Antriebseinheit, welche ausgebildet ist, ein Haubenelement relativ zum anderen Haubenelement um die gemeinsame Rotationssymmetrieachse zu rotieren.
  4. Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Wetterparameterbereitstellungseinheit, welche ausgebildet ist, mindestens einen mit dem Wetter assoziierten Wetterparameter bereitzustellen.
  5. Schutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Sensoreinheit, welche ausgebildet ist, die relative Ausrichtung der Haubenöffnungen zu erfassen.
  6. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, weiter umfassend eine Regeleinheit, welche ausgebildet ist, die Antriebseinheit derart zu regeln, dass die relative Ausrichtung der Haubenöffnungen nach einem Sollwert, mindestens in Abhängigkeit von einem mit dem Wetter assoziierten Wetterparameter eingestellt wird.
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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KIT, Dr. Mahesh Kumar Sha, Technical notes: Glass dome selection as a cover for protecting remote sensing instruments performing atmospheric measurements of trace gases. 26.01.2015

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