DE102022120442A1

DE102022120442A1 - Kapazitiver Niederschlagssensor und Verfahren zur Detektion von Niederschlagsereignissen

Info

Publication number: DE102022120442A1
Application number: DE102022120442.1A
Authority: DE
Inventors: Lukas Dieter Scherler
Original assignee: EQ 3 HOLDING GmbH; EQ-3 HOLDING GmbH
Current assignee: EQ 3 HOLDING GmbH; EQ-3 HOLDING GmbH
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2024-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Niederschlagssensor mit einer Elektrodenanordnung (Cx) auf einem Trägersubstrat (T), wobei die Elektrodenanordnung (Cx) durch eine Deckschicht (D) abgedeckt ist, und mit einer Auswerteeinheit, die mit der Elektrodenanordnung (Cx) verbunden und zur Beaufschlagung der Elektrodenanordnung (Cx) mit einer Spannung (UDD) und zur Messung eines die aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung (Cx) charakterisierenden Messwertes (CTC,M[k]) durch Ladungstransfer von einer elektrischen Ladung auf die Elektrodenanordnung (Cx) und Ladungsausgleich in mehreren aufeinanderfolgenden Ladungszyklen und zur Detektion eines Niederschlagsereignisses beim Erreichen einer Detektionsgrenze durch den charakteristischen Messwert (CTC,M[k]) ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit (µC) ist zur Detektion von Niederschlag aus einer Änderung der charakteristischen Messwerte (CTC,M[k]) einer für eine jeweilige Messzeit (k) aktuellen Kapazität der Elektrodenanordnung (Cx) eingerichtet. Die Detektionsgrenze (T-[k], T+[k]) wird hierzu an die sich ändernden charakteristischen Messwerte (CTC,M[k]) adaptiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Niederschlagssensor mit einer Elektrodenanordnung auf einem Trägersubstrat, wobei die Elektrodenanordnung durch eine Deckschicht abgedeckt ist, und mit einer Auswerteeinheit, die mit der Elektrodenanordnung verbunden und zur Beaufschlagung der Elektrodenanordnung mit einer Spannung und zur Messung eines die aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung charakterisierenden Messwertes durch Ladungstransfer von elektrischer Ladung auf die Elektrodenanordnung und Ladungsausgleich in mehreren aufeinanderfolgenden Ladungszyklen und zur Detektion eines Niederschlagsereignisses beim Erreichen einer Detektionsgrenze durch den charakteristischen Messwert ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Detektion von Niederschlagsereignissen mit einem solchen kapazitiven Niederschlagssensor.
Niederschlagssensoren werden beispielsweise zur Gebäudeautomation eingesetzt, um beispielsweise Fenster- und Markisensteuerungen beim einsetzenden Niederschlag auszulösen. Dabei ist eine zuverlässige frühzeitige Erkennung von Regenereignissen und die Wiedererkennung eines erneuten Niederschlagsereignisses bei wechselhaftem Wetter wichtig. Zum Beispiel muss ein nach einem Regenschauer geöffnetes Dachfenster auch bei erneut einsetzendem Regen wieder geschlossen werden. Niederschlagssensoren können auch zur Steuerung von Bewässerungsanlagen und zur Überwachung von Gegenständen, beispielsweise von im Freien aufgehängter Wäsche, eingesetzt werden. Niederschlagssensoren sind zudem Bestandteil von Wetterstationen.
Neben mechanischen und optischen Regensensoren sind insbesondere rein elektronische Niederschlagssensoren bekannt, die nach dem kapazitiven oder resistiven Messverfahren arbeiten. Dabei werden zwei Elektroden als Sensorfläche verwendet, zwischen denen die elektrische Kapazität oder der Widerstand gemessen und mit einem festzulegenden Schwellwert verglichen werden. Resistive Sensoren haben den Nachteil, dass dort offene, ungeschützte Elektroden verwendet werden müssen, die durch Korrosion und bei Verwendung von Gleichstrom durch Elektrolyse mit der Zeit zersetzt werden.
Die Elektroden von kapazitiven Sensoren können durch eine Lackschicht oder Folie isoliert und damit vor Korrosion geschützt werden. Kapazitäten können durch das Messen der Spannung in einem LC-Schwingkreis oder der Ladezeiten/Entladezeiten bestimmt werden.
Bei den resistiven und kapazitativen Niederschlagssensoren wird der gemittelte Messwert im zyklischen Messverfahren mit einem Schwellwert verglichen, der in einem gewissen Rahmen eingestellt werden kann und bei Über- bzw. Unterschreitung zu einem Meldeereignis führt. Nach einem Messzyklus muss die Elektrodenfläche dann allerdings wieder getrocknet werden, um detektieren zu können, ob in dem neuen Messzyklus Niederschlag vorhanden ist. Zur Beschleunigung des Trocknens des Sensors werden elektrische Heizelemente verwendet. Damit kann frühzeitig wieder neu einsetzender Regen erkannt und Eis und Schnee geschmolzen werden. Dies führt zu einem hohen Energieverbrauch insbesondere bei niedrigen Temperaturen mit der Folge, dass diese Niederschlagssensoren in der Regel nicht mit Batterien betrieben werden können.
DE 20 2010 011 612 U1 beschreibt einen mobilen Regen- und Wassermelder mit einer Sensorfläche, die als Kammelektrode ausgebildet ist. Wenn die Sensorfläche feucht wird, sinkt der Wiederstand. Sobald eine Schaltspannung eines CMOS-Kreises erreicht ist, wird ein Niederschlagsereignis erkannt.
J. Deller, E. Otte, D. Kang, A. Qasier, I. Sandhu, A. Tazabekov: Capacitive Rain Sensor for Automatic Wiper Control, ECE 480 Design Tema Six, Michigan State University's Design Day, April 2010 offenbart einen kapazitiven Niederschlagssensor, der auf dem Ladungs-Transfer-Verfahren (charge transfer) beruht. Hierbei wird eine Kammelektrodenanordnung mit einem Konverter zur Umwandlung des Kapazitätssignals in ein digitales Sensorsignal (capacitance-to-digital converter circuit) verbunden, der an einen Mikrokontroller angeschlossen ist. Die aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung wird mit dem Konverter-IC AD 7747 der Firma Analog Devices mit einem 230 kHz-Rechtsecksignal ausgelesen. Dabei ist mit einem eingebauten Temperatursensor eine Temperaturanpassung möglich. Die Wiedererkennung von Niederschlag in einem folgenden Messzyklus setzt die Befreiung der Detektionsfläche vom Wasser durch den Scheibenwischer voraus.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten kapazitiven Niederschlagssensor und ein Verfahren zur Detektion von Niederschlag mit einem solchen kapazitiven Niederschlagssensor zu schaffen, um beim geringstmöglichem Energieverbrauch einen Langzeit-Batteriebetrieb zu ermöglichen und Niederschlag sowie wiederkehrende Niederschlagsereignisse zuverlässig ohne Trocknung oder Reinigung der Sensorfläche zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit dem kapazitiven Niederschlagssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren zur Detektion von Niederschlagsereignissen mit einem solchen kapazitiven Niederschlagssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Für einen nach dem Ladungstransfer-Verfahren betriebenen Niederschlagssensor wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit zur Detektion von Niederschlag aus einer Änderung der charakteristischen Messwerte, die für in einer jeweiligen Messzeit aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung erfasst wurden, eingerichtet ist, wobei die Detektionsgrenze an die sich ändernden charakteristischen Messwerte adaptiert wird.
Ein Niederschlagsereignis wird damit nicht anhand des absoluten Wertes der aktuellen Kapazität durch Vergleich mit einem statischen Schwellwert erfasst. Vielmehr wird der Schwellwert in Abhängigkeit der sich verändernden charakteristischen Messwerte für die jeweils aktuelle Kapazität an den hierdurch vorgegebenen Wertebereich angepasst. Wenn sich nun die charakteristischen Messwerte von einem Messzyklus zum anderen soweit ändern, dass die adaptierte Detektionsgrenze über- oder unterschritten wird, dann weist dies auf ein erneutes Niederschlagsereignis oder ein Ende eines Niederschlagsereignisses hin, ohne dass die Sensorfläche zu Beginn des jeweiligen neuen Messzyklus in einem für jeden Messzyklus gleichermaßen gültigen Ausgangszustand gebracht werden muss, insbesondere durch Trocknung.
Damit kann bei geringem Energieaufwand mithilfe des Ladungstransfer-Verfahrens eine von Umwelteinflüssen geschützte, elektrisch leitfähige Elektrodenfläche eingekapselt verwendet und schnell, einfach und energiesparend ausgewertet werden.
Der kapazitive Niederschlagssensor kann damit als batteriebetriebenes Sensormodul realisiert werden. Es kann dabei als kleines, in einem eigenständigen Gehäuse mit Batteriefach ausgebildetes Gerät autark so ausgestaltet sein, dass keine externen Zuleitungen für die Energieversorgung und den Datenaustausch erforderlich sind. Die Übermittlung der Sensorsignale kann hierzu mithilfe einer drahtlosen Funkkommunikationseinheit realisiert werden, die die gemessenen Sensorinformationen, insbesondere das Erkennen des Beginns eines Niederschlagsereignisses oder des Endes einer Niederschlagsereignisses an eine Zentrale drahtlos übermittelt.
Die Auswerteeinheit kann zur vollständigen Entladung der Elektrodenanordnung zu Beginn eines zur Messung der aktuellen Kapazität der Elektrodenanordnung durchgeführten Messzyklus eingerichtet sein. Damit wird zu Beginn eines jeweiligen Messzyklus eine konstante Ausgangssituation einer vollständig entladenen Elektrodenanordnung sichergestellt. Damit wird die Vergleichbarkeit der Messergebnisse aufeinander folgender Messzyklen vereinfacht. Alternativ hierzu ist aber auch eine Ausgleichsladung auf ein vorbestimmtes Ladungsniveau oder die Schätzung eines Entladungsgrades nach einem Messzyklus in Abhängigkeit von der Wartezeit und gegebenenfalls weiterer Parameter oder Ähnliches denkbar.
Die Auswerteeinheit kann einen Mikrokontroller mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss haben, die jeweils wahlweise als Eingang oder Ausgang konfigurierbar sind. Eine Sammelkapazität ist dann zwischen dem ersten und den zweiten Anschluss angeschlossen. Die Elektrodenanordnung ist zwischen dem ersten Anschluss und einem Basis-Spannungspotential angeschlossen. Dabei kann zusätzlich optional ein elektrischer Widerstand in Reihe zur Elektrodenanordnung geschaltet sein, um einen Schutz vor elektrostatischer Entladung ESD sicherzustellen. Die Elektrodenanordnung oder die Reihenschaltung aus ESD-Schutzwiderstand und Elektrodenanordnung kann dann an einer Seite mit dem ersten Anschluss des Mikrokontrollers und auf der anderen Seite beispielsweise mit Massepotential verbunden sein.
Die Sammelkapazität und die Elektrodenanordnung sind damit gemeinsam an dem ersten Anschluss angeschlossen, sodass einerseits ein Ladungsausgleich zwischen der Elektrodenanordnung und der Sammelkapazität erfolgen kann und andererseits eine Messung der am ersten Anschluss anliegenden Spannung beispielsweise über einen Analog-Digital-Wandler oder mithilfe eines Schwellwertschalters vorgenommen werden kann. Ein solcher Schwellwertschalter ist bei herkömmlichen Mikrokontrollern am digitalen Eingang vorhanden. Dabei wird beim Überschreiten einer vorgegebenen Schwellspannung ein digitaler High-Pegel erkannt.
Der kapazitive Niederschlagssensor kann auf diese Weise auch mit wenigen Bauteilen und geringstem Bedarf an elektrischer Energie einfach und kompakt realisiert werden.
Die Auswerteeinheit kann bei einer solchen Schaltungsanordnung zur Detektion von Niederschlagsereignissen eingerichtet sein durch

a) Konfigurieren des ersten und zweiten Anschlusses als Ausgänge und Entladen der Sammelkapazität und der Elektrodenanordnung durch Schalten des ersten und zweiten Anschlusses auf dasselbe Potential, bevorzugt auf Massepotential oder ein digitales Nullpotential;
b) Konfigurieren des zweiten Anschlusses als Eingang und Schalten des ersten Anschlusses auf ein Spannungspotential, bevorzugt auf ein digital HIGH-Potential zum Ladungstransfer auf die Elektrodenanordnung;
c) Konfigurieren des ersten Anschlusses als Eingang und des zweiten Anschlusses als Ausgang, wobei der zweite Anschluss auf Nullpotential geschaltet wird, und Prüfen, ob die am ersten Anschluss anliegende Spannung eine vorgegebene Schwellspannung erreicht hat;
d) Wiederholen der Schritte b) und c) so lange, bis die am ersten Anschluss anliegende Ausgleichspannung die Schwellspannung erreicht hat;
e) Bestimmen der Anzahl der Wiederholungen mit den in den Schrittpaaren b) und c) durchgeführten Ladungstransferzyklen als charakteristischen Messwert; und
f) Detektieren eines Niederschlagsereignisses aus einer Änderung des charakteristischen Messwertes.

Mit dem Schritt a) werden für ein Messzyklus definierte Ausgangsbedingungen sichergestellt, indem die Sammelkapazität und die Elektrodenanordnung auf ein definiertes Ladungsniveau gebracht werden. Vorzugsweise werden die Sammelkapazität und die Elektrodenanordnung vollständig entladen, indem diese auf Massepotential oder digitales Nullpotential gelegt werden.
Die Schritte b) und c) führen einen Ladungstransferzyklus aus. Hierzu wird zunächst eine Ladung auf die Elektrodenanordnung aufgebracht, indem der erste Anschluss auf ein vordefiniertes Spannungspotential gebracht wird. Durch Umkonfiguration des ersten Anschlusses vom Ausgang in einen Eingang und des zweiten Anschlusses als Ausgang, ohne dass dort ein positives Spannungspotential aufgebracht wird, erfolgt ein Ladungsausgleich zwischen der Elektrodenanordnung und der Sammelkapazität. Der zweite Anschluss, mit dem die Sammelkapazität verbunden ist, kann dabei initial auf das Massepotential geschaltet werden. Damit liegen die Sammelkapazität und die Elektrodenanordnung parallel zueinander, sodass aufgrund ihrer Spannungsdifferenz ein Ladungsausgleich erfolgt.
Die Kapazität der Sammelkapazität sollte dabei deutlich größer sein als die Kapazität der Elektrodenanordnung. Damit fällt die Spannung beim ersten Ladungstransferzyklus zunächst auf ein sehr geringes Spannungsniveau ab.
Die Schrittpaare b) und c) werden wiederholt durchgeführt. Nach der Wiederholung der beiden Schritte b) und c) ist die Spannungsdifferenz der beiden Kondensatoren um die vorherigen Zyklus erreichte Ausgleichspannung reduziert und es findet ein weiterer Ladungsausgleich statt, sofern die Spannungsdifferenz von Null Volt verschieden ist. Die Schrittpaare b) und c) stellen einen Ladungstransferzyklus dar, welcher solange wiederholt wird, bis die Ausgleichsspannung des Ausgleichpegels eine Schwellspannung erreicht. Die Anzahl der Ladungstransferzyklen, d. h. die Anzahl der Wiederholungen mit den Schrittpaare b) und c) durchgeführten Ladungstransferzyklen wird prozessorgestützt automatisch gezählt und die ermittelte Anzahl der Wiederholungen als charakteristischer Messwert für die aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung genutzt. Das Niederschlagsereignis wird dann im Schritt f) aus einer Änderung des charakteristischen Messwertes detektiert. Der tatsächliche Kapazitätswert der Elektrodenanordnung muss für die Detektion von Niederschlag nicht notwendigerweise berechnet werden. Die Anzahl der Ladungstransferzyklen und insbesondere die Änderung der Anzahl für mehrere aufeinander folgende Messzyklen zur Bestimmung einer jeweils aktuellen Kapazität bzw. des hiermit korrelierenden charakteristischen Messwertes reicht aus, um aus der damit zusammenhängenden Veränderung des Umfelds der Elektrodenanordnung auf den Beginn oder das Endes eines Niederschlagsereignisses schließen zu können.
Vorteilhaft ist dabei, dass der charakteristische Messwert die Anzahl der Ladezyklen bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes durch eine nach einem jeweiligen Ladungsausgleich vorhandenen Messspannung ist.
Die Auswerteeinheit kann zur Adaptation der Detektionsgrenze eingerichtet sein, indem ein gemittelter Wert eine Folge von gemessenen charakteristischen Messwerten berechnet, ein Maß für die Abweichung der Folge von charakteristischen Messwerten bestimmt und die Detektionsgrenze mit dem berechneten gemittelten Wert und dem Maß für die Abweichung als Adaptionsgröße geändert wird.
Der gemittelte Wert kann beispielsweise als arithmetischer Mittelwert, Median oder Ähnliches rechnergestützt automatisiert berechnet werden. Die Detektionsgrenze nähert sich damit an den charakteristischen Messwert an, der sich über die Zeit bei gegebenen Witterungsbedingungen in der Elektrodenanordnung einstellt. Die sich selbst adaptierende Detektionsgrenze hängt damit von dem aktuellen Messwertlevel ab und nähert sich diesem stetig an. Durch das Maß für die Abweichung der Folge von charakteristischen Messwerten, beispielsweise durch automatische rechnergestützte Berechnung der mittleren absoluten Abweichung, wird ein ausreichender Abstand zum Messwertlevel sichergestellt, damit Rauscheffekte nicht zu fehlerhaften Schwellwertüberschreitungen und dabei zu fälschlicherweise detektierten Niederschlagsereignissen führen.
Die Auswerteinheit kann zur mehrfachen Wiederholung einer Messung zur Ermittlung jeweils einer aktuellen Kapazität und zum automatischen Berechnen eines gemittelten charakteristischen Messwertes der mehreren durch mehrere Weiderholungen gemessenen charakteristischen Messwerte eingerichtet sein. Damit wird für einen aktuellen Messzeitpunkt nicht der charakteristische Messwert einer einzelnen Messung genutzt, sondern ein mittlerer Wert der in aufeinander folgenden Messzyklen bestimmten charakteristischen Messwerte. Dies reduziert die Gefahr von statistischen Ausreisern bzw. Fehlmessungen, die zu kurzfristig hintereinander folgenden gegenläufigen Steuersignalen führen können. Wenn in einem ersten Messzyklus fehlerhaft ein Niederschlagsereignis detektiert und im nachfolgenden Messzyklus kurz darauf das Ende eines Niederschlagsereignisses detektiert wurde, kann dies zu einem Einfahren beispielsweise einer Markise und in wenigen Sekunden bzw. Minuten zum Wiederausfahren gegebenenfalls sogar während des Ausfahrprozesses führen, obwohl sich an der Wetterlage tatsächlich nichts geändert hat.
Dies kann durch die mehrfache Wiederholung eines Messzyklus für eine aktuelle Messzeit oder eine Mittelwertbildung beispielsweise durch den arithmetischen Mittelwert, den Median oder dergleichen verhindert werden.
Die Auswerteeinheit kann

- zur Berechnung eines momentanen Messwertlevels für einen Messzeitpunkt aus einer vorgegebenen Anzahl von berechneten gemittelten charakteristischen Messwerten und einer mittleren absoluten Abweichung als Mittelwert der Differenz zwischen dem momentanen Messwertlevel für den Messzeitpunkt und den berechneten gemittelten charakteristischen Messwerten,
- zur Berechnung eines absoluten Schwellwertabstandes für den Messzeitpunkt aus dem mit einem Empfindlichkeitsfaktor multiplizierten mittleren absoluten Abweichung und einem vorgegebenen Offsetwert,
- zur Berechnung eines unteren Schwellwertes aus der Differenz zwischen dem momentanen Messwertlevel und dem absoluten Schwellwertabstand sowie eines oberen Schwellwertes aus der Addition von dem momentanen Messwertlevel und dem absoluten Schwellabstand, und
- zur Detektion von einsetzendem Niederschlag zu einem Messzeitpunkt beim Unterschreiten des unteren Schwellwertes für den Messzeitpunkt sowie
- zur Detektion des relativen Endes eines Niederschlagsereignisses zu einem Messzeitpunkt beim Unterschreiten des unteren Schwellwertes für den Messzeitpunkt oder Überschreiten des oberen Schwellwertes für den Messzeitpunkt eingerichtet sein.

Die Auswerteeinheit kann weiterhin zur Detektion des absoluten Endes eines Niederschlagsereignisses eingerichtet sein, wenn nach der Detektion des relativen Endes eines Niederschlagsereignisses über eine vorgegebene Anzahl an Messungen für aufeinander folgenden weitere Messzeitpunkte kein weiteres relatives Messende eines Niederschlagsereignisses durch Unterschreiten des jeweiligen unteren Schwellwertes oder Überschreiten des jeweiligen oberen Schwellwertes mehr detektiert wurde.
Damit wird sowohl der obere als auch der untere Schwellwert genutzt, um ein Ende des Niederschlagsereignisses zu detektieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

1 - Schaltungsdiagramm eines kapazitiven Niederschlagssensors mit Auswerteeinheit;
2 - perspektivische Ansicht der Struktur einer Elektrodenanordnung mit Kammelektrode;
3 - Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Detektion von Niederschlag.

1 lässt ein beispielhaftes Schaltungsdiagramm eines kapazitiven Niederschlagssensor C_x erkennen, der einen Mikrokontroller µC, eine Sammelkapazität Cs und einen Schutzwiderstand Rs aufweist.
Der Mikrokontroller µC hat einen ersten Anschluss PB1, der wahlweise als Eingang oder Ausgang konfiguriert werden kann. Weiterhin wird ein zweiter Anschluss PC1 des Mikrokontrollers µC genutzt, der ebenfalls als Eingang oder Ausgang konfigurierbar ist. Hierzu ist es ausreichend, wenn der erste und der zweite Anschluss PB1, PC1 als digitale Ein- und Ausgänge genutzt werden. Anstelle der beispielhaften Ports PB1 und PC1 können auch andere geeignete Anschlüsse (Ports) des Mikrokontrollers µC verwendet werden. Bei den Anschlüssen kann es sich um beliebig konfigurierbare Anschlüsse (General-Purpose-IO = GPIO) handeln, die gegebenenfalls durch einen Multiplexer des Mikrokontrollers µC als digitale oder analoge Eingang bzw. Ausgang verschaltet und mit einer weiteren Logik des Mikrokontrollers wahlweise verbindbar sind.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Elektrodenanordnung C_x mit einem Trägersubstrat T, auf dem eine elektrisch leitfähige Elektrodenstruktur E angeordnet ist. Hierbei kann es sich vorteilhaft um eine Kammelektrode mit alternierend neben einander im Abstand angeordneten Kammzinken eines ersten und eines zweiten Elektrodenabschnitts handeln. Der erste Elektrodenabschnitt mit seinen Kammzinken ist elektrisch von dem zweiten Elektrodenabschnitt mit den dazu gehörigen Kammzinken auf dem Trägersubstrat T aufgebracht. Die Elektrodenstruktur kann beispielsweise als Kupferbahn auf einer Platine geätzt oder durch Laser ausgeschnitten sein. Die Elektrodenstruktur ist durch eine Deckschicht D abgedeckt. Dadurch kann die Elektrodenstruktur hermetisch zwischen dem Trägersubstrat T und der Deckschicht D eingekapselt sein, wobei nur noch die beiden Anschlüsse L1, L2 für den ersten und den zweiten Elektrodenabschnitt aus der Elektrodenanordnung zum Anschluss an die Auswerteeinheit herausgeführt sind. Hierzu können Lötanschlussstellen an dem Trägersubstrat T vorhanden sein, die von außen zugänglich sind. Die Deckschicht D kann hierzu Aussparungen für die Anschlussstellen L1, L2 haben.
Es ist erkennbar, dass die Elektrodenanordnung C_x die aus einem Trägersubstrat T, einer darauf aufgebrachten Kammelektrode E, auch Interdigital-Elektrode genannt, und einer Deckschicht D gebildet wird. Die Deckschicht D kann beispielsweise ein Isolierlack, eine Glasschicht, Plexiglasschicht oder sonstige elektrisch isolierende Abdeckung sein.
Die Elektrodenanordnung C_x kann aus einer Platine mit einer Trägerschicht T und einer darauf kaschierten und lackierten Kammelektrodenstruktur mit zwei Elektroden aus Kupfer gebildet werden. Die Kammelektrodenstruktur kann beispielsweise aus einer Kupferschicht der Platine herausgeätzt oder gefräst oder durch Aufdrucken von elektrisch leitfähiger Bahnen auf die Platine gebildet werden. Durch eine Lackierung wird ein Korrodieren verhindert und sichergestellt, dass keine leitfähige Verbindung zwischen den Elektroden entsteht. Auf diese Weise funktioniert die Elektrodenanordnung als Kapazität C_x, deren Größe vom Mikrokontroller µC durch die mit dem Touch-Sensor-Controller vergleichbare Funktionalität ermittelt werden kann.
Diese Elektrodenanordnung C_x wird dann mit den beiden Anschlussleitungen L₁, L₂ an die Auswerteeinheit angeschlossen, wie dies in 1 skizziert ist.
Der beschriebene kapazitive Niederschlagssensor benötigt sehr wenig elektrische Energie und kann mit einer Batterie versorgt werden. Er kann mit Hilfe einer Batterie und einer in den Mikrokontroller µC integrierten oder an diesen Mikrokontroller µC angeschlossenen Funkkommunikationseinheit autark ausgebildet sein, ohne dass weitere Anschlüsse für die Energieversorgung und die Weitergabe des Detektionsergebnisses erforderlich sind.
Die drahtlose Funkkommunikationseinheit F ist in 1 skizziert. Sie ist eingerichtet, um das Erkennen des Beginns und des Endes eines Niederschlags drahtlos an einen Empfänger, beispielsweise eine Hausautomationszentrale, zu übertragen. Optional kann die Funkkommunikationseinheit F auch einen Empfänger zum Empfang von Daten haben, mit denen die Software des kapazitiven Niederschlagssensors aktualisiert werden kann (Firmware Update), eine Abfrage über den Systemstatus des kapazitiven Niederschlagssensors an diesen gestartet werden kann, ein Messzyklus ausgelöst werden kann, und dergleichen. Für den Betrieb des kapazitiven Niederschlagssensors ist eine unidirektionale Funkkommunikation vom kapazitiven Niederschlagssensor zu einem Empfänger aber prinzipiell ausreichend. Die bidirektionale Funkkommunikationsmöglichkeit bietet weitere Vorteile, ist aber nicht zwingend erforderlich.
3 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Detektion von Niederschlag bzw. Niederschlagsereignissen mithilfe des oben beschriebenen kapazitiven Niederschlagssensors. Die Messung der Kapazität C_x wird dabei zyklisch durchgeführt. Jeder neue Messwert fließt anschließend in eine Detektionsgrenze ein, die in dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel mehrere Schwellwerte hat. Die auf diese Weise an die sich ändernden charakteristischen Messwerte adaptierte Detektionsgrenze wird zur Detektion und Klassifizierung von Niederschlagsereignissen genutzt.
Die Adaption der Detektionsgrenze erfolgt durch Ermittlung des Mittelwertes und des mittleren Störabstands vorangegangener Messwerte, die automatisiert ausgehend von durch den Mikrokontroller µC erfassten Messgrößen von diesem berechnet werden. Zudem werden ein Offset und ein levelabhängiger Multiplikator verwendet. Über- und Unterschreitungen der so adaptierten Schwellwerte der Detektionsgrenze weisen auf den Beginn bzw. auf ein Ende von Niederschlagsereignissen hin. Die Höhe des Schwellwertes und der Verlauf des Messwertes kann zudem für weitere Auswertung, wie beispielsweise die Regenstärke und andere Wetterphänomene, genutzt werden.
Nach der Detektion wird der Mikrokontroller µC für die restliche Zykluszeit in einen Low-Power-Modus gesetzt, sodass der Energieverbrauch auf wenige µA absinkt. Die Zykluszeit kann so festgelegt werden, dass bei ausreichender Reaktionsgeschwindigkeit auf den ersten Regentropfen immer noch ein hinreichend geringer Energieverbrauch sichergestellt wird.
Zur Verringerung des Energieverbrauchs sollte die Zykluszeit möglichst lang sein. Zur Erhöhung der Reaktionszeit sollte die Zykluszeit hingegen nur möglichst kurz gewählt werden. Insofern ist ein Kompromiss zwischen diesen beiden Kriterien notwendig.
In einem ersten Schritt a) erfolgt nun das Konfigurieren des ersten Anschlusses PB1 und des zweiten Anschlusses PC1 als Ausgänge und ein Entladen der Sammelkapazität Cs und der Elektrodenanordnung C_x durch Schalten des ersten und des zweiten Anschlusses PB1, PC1 auf dasselbe Potential. Hierzu können beide Anschlüsse PB1, PB2 als Ausgänge konfiguriert und auf digital LOW geschaltet werden. Hierdurch werden sowohl die Sammelkapazität Cs als auch die Elektrodenanordnung C_x auf das Massepotential gezogen, sodass sie sich entladen.
Im Schritt b) erfolgt ein Konfigurieren des zweiten Anschlusses PC1 als Eingang und ein Schalten des ersten Anschlusses PB1 auf das digitale High-Potential. Dadurch lädt sich die Elektrodenanordnung C_x bis zur Versorgungsspannung V_DD des Mikrokontrollers µC auf. Der zweite Anschluss PC1 wird dabei als Eingang konfiguriert, vorzugsweise als hochohmiger Eingang. Damit kann sich die Sammelkapazität Cs nicht weiter aufladen.
Im nachfolgenden Schritt c) wird der erste Anschluss PB1 als Eingang und der zweite Anschluss PC1 als Ausgang konfiguriert. Der zweite Anschluss PC1 wird initial auf das Massepotential geschaltet. In dieser Konfiguration liegen die Sammelkapazität Cs und die Elektrodenanordnung C_x parallel zueinander, sodass aufgrund ihrer Spannungsdifferenz ein Ladungsausgleich stattfinden muss. Da die Kapazität der Sammelkapazität Cs deutlich größer ist als die der Elektrodenanordnung C_x, fällt die Spannung beim ersten Messzyklus zunächst auf ein sehr geringes Niveau ab.
Die Sammelkapazität Cs kann beispielsweise bei 560 nF liegen, während die Kapazität der Elektrodenanordnung C_x im trockenen Zustand etwa im Bereich von 76 pF und im komplett nassen Zustand 370 pF ist. Es ist vorteilhaft, wenn die Kapazität der Sammelkapazität Cs um die Größenordnung des Tausendfachen größer als die Kapazität der Elektrodenanordnung C_x ist.
Der als Eingang konfigurierte erste Anschluss PB1 ist in diesem Zustand mit einem Schwellwertschalter des Mikrokontrollers µC verbunden und beim Überschreiten einer vom Mikrokontroller µC vorgegebenen Schwellwertspannung ein digitales High-Pegel auszulösen. Alternativ kann der erste Anschluss in seiner Konfiguration als Eingang auch mit einem Analog-Digital-Wandler des Mikrokontrollers µC verbunden sein, um mit diesem die Spannungspotential am ersten Anschluss PB1 zu messen und auszuwerten. Dies ist allerdings aufwendiger und energieintensiver als die Nutzung des ersten Anschlusses als digitalen Eingang.
Im Schritt d) wird nun überprüft, ob die am ersten Anschluss PB1 anliegende Ausgleichsspannung die vorgegebene Schwellwertspannung U_IH erreicht hat. In diesem Fall kann an dem ersten Anschluss PB1 ein High-Pegel erkannt werden. Die Schritte b) und c) werden solange wiederholt, bis die Ausgleichsspannung den Level der Schwellwertspannung U_IH erreicht hat. Nach der Wiederholung der beiden Schritte b) und c) ist die Spannungsdifferenz der beiden Kondensatoren Cs und C_x um die im vorherigen Zyklus erreichte Ausgleichsspannung reduziert und es findet ein weiterer Ladungsausgleich statt, sofern die Spannungsdifferenz von Null Volt verschieden ist. Die Kombination der beiden Schritte b) und c) stellt einen Ladungs-Transfer-Zyklus (Charge Transfer Cycle CTC) dar.
Die Anzahl der Wiederholungen, d. h. der Ladungstransferzyklen wird nun im weiteren Ablauf als charakteristischer Messwert verwendet und im Schritt e) gezählt.
Im Schritt f) erfolgt dann ein Detektieren eines Niederschlagsereignisses aus einer Änderung des charakteristischen Messwertes, wobei hierzu die Detektionsgrenze adaptiert wird.
Der tatsächliche Kapazitätswert C_x der Elektrodenanordnung ist für die Anwendungen der Niederschlagserkennung uninteressant und muss nicht berechnet werden. Interessant sind hier nur die Änderungen der Kapazität C_x, die durch Berührungen oder sonstige Veränderungen im Umfeld des kapazitiven Niederschlagssensor hervorgerufen und durch die Änderung der Anzahl an Ladungstransferzyklen CTC repräsentiert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn der Mikrokontroller µC einen integrierten Touch-Sensor-Controller hat, mit dem die Messung der Ladungstransferzyklen der damit zusammenhängenden Anzahl der erforderlichen Ladungstransferzyklen sehr schnell und zuverlässig durchgeführt werden kann.
Dem Verfahren zur Detektion von Niederschlag mit dem kapazitiven Niederschlagssensor liegt das nachfolgend beschriebene Sensorverhalten mit seiner Funktionsweise wie folgt zugrunde:
Kapazitäten entstehen aus zwei Elektroden, zwischen denen sich ein elektrisches Feld ausbreiten kann. Je nach angelegter Spannung U nehmen die Elektroden eine gewisse Ladung Q auf, wodurch sich für die Anordnung ein Wert für die Kapazität C ergibt. Hierfür gilt die nachfolgende Formel nach dem Gaußschen Gesetz: $\begin{matrix} C = \frac{Q}{U} & Q = C \cdot U & U = \frac{Q}{C} . \end{matrix}$
Die Größe der Kapazität C wird maßgeblich von der Geometrie der Elektroden sowie dem Dielektrikum, in dem sich das elektrische Feld ausbreitet, bestimmt. In einem Plattenkondensator bereitet sich im Dielektrikum zwischen zwei parallel zueinander stehenden Elektroden ein homogenes elektrisches Feld aus. Im Vergleich zum Vakuum mit der Dielektrizitätskonstanten ε₀ ändert sich die Kapazität mit einem anderen Dielektrikum um den Faktor der materialspezifischen Dielektrizitätszahl ε_r. Die Kapazität ist damit von der Dielektrizitätskonstanten ε₀, der Dielektrizitätszahl ε_r, der Elektrodenfläche A und dem Plattenabstand d wie folgt abhängig: $C = ε_{0} \cdot ε_{r} \cdot \frac{A}{d} .$
Ein Plattenkondensator mit Wasser als Dielektrikum (ε_r = 80) hat demnach eine achtzigmal größere Kapazität als ein Plattenkondensator mit Luft (ε₀ = 1).
Niederschlagssensoren bestehen meistens aus mäanderförmig nebeneinander liegenden Elektroden in Form eines Kamms. Dies wird auch Interdigital-Elektrode genannt. Dadurch liegt die sensitive Fläche in einer Ebene, aus der sich das elektrische Feld entlang der Kämme radial ausbildet. Dünne Lackschichten und andere Trennschichten, wie z. B. Glas, können von diesem Feld durchdrungen werden, sodass an der Oberfläche ein großer, sensitiver Bereich entsteht. Auf diesen kann Einfluss genommen werden, ohne die Elektroden zu beschädigen. Bei diesem Feld handelt es sich jedoch um ein inhomogenes elektrisches Feld, welches an verschiedenen Punkten zwischen den Elektroden unterschiedlich stark ist. Bricht das elektrische Feld gleichmäßig in ein über den Elektroden findliches Medium ein, kann anhand der Dielektrizitätszahl ε_r gut vorausgesagt werden, ob und wie stark die Kapazität C steigt oder fällt. Im Falle eines kapazitiven Niederschlagssensors dringen einzelne Wassertropfen unterschiedlicher Größe an unterschiedlichen Stellen in das inhomogene elektrische Feld E ein und vergrößern aufgrund ihrer Dielektrizität die Gesamtkapazität des kapazitiven Niederschlagssensors. Dabei steigt die Gesamtkapazität mit jedem weiteren Regentropfen an, bis bei vollständiger Bedeckung des Sensors eine maximale Kapazität erreicht wird.
Für die Messung der Kapazität mit Ladungstransferzyklen bedeutet einen höhere Kapazität des Sensors C_x, dass wenige Ladungstransferzyklen n benötigt werden, um die Sammelkapazität Cs auf das definierter Spannungslevel U_IH aufzuladen. Die Berechnung und die Anzahl der benötigten Zyklen für das erstmalige Erreichen der Schwellspannung U_IH mit festen Kapazitäten C_x, Cs kann nun wie folgt vorgenommen werden: Die Ausgleichspannung U_{Cs (n)} ergibt sich bei der Parallelschaltung der beiden unterschiedlich geladenen Kondensatoren C_x, Cs aus den insgesamt gespeicherten Ladungen Q und der Summe beider Kapazitäten C_x, Cs nach der Formel: $U_{C_{S}} (n) = \frac{C_{S} \cdot U_{C_{S}} (n - 1) + C_{x} \cdot U_{C_{x}}}{C_{S} + C_{x}}$
Die Ausgleichspannung Uc_{S (n)} nähert sich mit jedem weiteren Ladungstransferzyklus n an das maximale Spannungslevel V_DD, der Versorgungsspannung oder Messspannung des Mikrokontrollers µC an. Die an die Elektrodenanordnung C_x angelegte Spannung Uc_x entspricht für jeden Ausgleichsvorgang der Versorgungsspannung V_DD des Mikrokontrollers µC und ist damit nicht von der Anzahl der Ladungstransferzyklen n abhängig.
Die obige Gleichung zur Berechnung der Ausgleichsspannung UCs (n) ist rekursiv und entspricht der Form einer inhomogenen linearen Rekursionsgleichung erster Ordnung $\begin{matrix} x_{n} = a \cdot x_{n_1} + b_{1} & mit: x_{0} = b 0 \end{matrix} .$
Für a ≠ 1 ist die Lösung: $x_{n} = a^{n} \cdot b_{0} + \frac{a^{n} - 1}{a - 1} \cdot b_{1}$
Die Funktionsparameter a und b₁ können wie folgt bestimmt werden: $\begin{matrix} a = \frac{c_{S}}{c_{S} + c_{x}}, & b_{1} = \frac{U_{C x} \cdot c_{x}}{c_{S} + c_{x}} \end{matrix} .$
Die Startbedingung $U_{C_{S}} (0) = b_{0} = 0$
legt fest, dass der Sammelkondensator CS zu Beginn vollständig entladen sein muss bzw. vollständig entladen wird.
Dies führt zu dem Ergebnis $U_{C_{S}} (n) = \frac{a n - 1}{a - 1} \cdot b_{1}$
für die Ausgleichspannung Uc_S (n) für eine Anzahl n von Ladungstransferzyklen. Durch Umstellung dieser Formel lassen sich die Parameter zur Auslegung und Überprüfung des Wertebereichs berechnen, den der kapazitive Niederschlagssensor verwendet. Dabei sind die gepulste Sensorspannung Uc_x und die Schwellwertspannung Uc_S = U_IH durch die verwendete Auswerteeinheit µc festgelegt. Zur Auslegung der Sammelkapazität Cs kann die folgende Formel verwendet werden: $C_{S} = \frac{C_{x} \cdot \sqrt[n]{1 - \frac{U_{C_{S}}}{U_{C_{x}}} - 1}}{\sqrt[n]{1 - \frac{U_{C_{S}}}{U_{C_{x}}}}}$
Hierzu muss die Kapazität der Elektrodenanordnung C_x bestimmt und die maximale Anzahl zu messender Ladungstransferzyklen n_max bis zum Erreichen der Schwellwertspannung Uc_S festgelegt werden. dies ist unter anderem für die Einhaltung der hardwarebedingten Messauflösung, aber auch für den Energieverbrauch sinnvoll.
Wenn die Kapazität der Elektrodenanordnung C_x und der Sammelkapazität Cs durch manuelle Messung bestimmt wird, können die mit dem Ladungstransferverfahren gemessenen Ladungstransferzyklen n mit der Formel überprüft werden: $n = {log}_{a} (\frac{U_{I H}}{b_{1}} \cdot (a - 1) + 1)$
Die Kapazität der Elektrodenanordnung C_x kann durch die Formel berechnet werden: $C_{S} = \frac{C_{x} \cdot \sqrt[n]{1 - \frac{U_{C_{S}}}{U_{C_{x}}} - 1}}{\sqrt[n]{1 - \frac{U_{C_{S}}}{U_{C_{x}}}}}$
Die Kapazität der Elektrodenanordnung C_x zeigt eine starke Abhängigkeit von Niederschlägen unterschiedlichster Art, die keinen statischen Schwellwert als Mittel zu Detektion eines Niederschlagsereignisses beim Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellwertes erlaubt.
Es hat sich vielmehr gezeigt, dass die zeitlich auftretenden Änderungen der Kapazität der Elektrodenanordnung C_x maßgeblich sind, die plötzlich auftreten können, wenn sich der Messwert auf einem bestimmten Level befindet. Es wird daher eine selbstadaptierende Detektionsgrenze verwendet, die von dem aktuellen Messwertlevel abhängt und sich diesem stetig annähert. Da sowohl positive als auch negative Änderungen des charakteristischen Messwertes, d. h. der Anzahl von Ladungszyklen n ein Niederschlagsereignis bedeuten können, werden zwei Schwellwerte verwendet, die die Detektionsgrenze definieren. Die Detektionsgrenze ist somit nicht als ein einziger Wert, sondern als eine Art „komplexe“ Größe zu verstehen.
Damit Rauscheffekte nicht zu Schwellwertüberschreitungen und damit zu fälschlicherweise detektiertem Niederschlag führen, sollte ein hinreichender Abstand zum Messwertelevel sichergestellt werden. Zudem muss die Geschwindigkeit der Anpassung der Detektionsgrenze an den aktuellen Messwertlevel bedarfsgerecht eingestellt werden. Eine zu langsame Anpassung der Schwellwerte würde dazu führen, dass diese über einen langen Zeitraum über- oder unterschritten werden und ein erkanntes Niederschlagsereignis deutlich länger anhält, als es der Realität entspricht. Die Anpassung der Schwellwerte darf aber auch nicht zu schnell sein, da leichter, einsetzender Niederschlag bereits frühzeitig erkannt werden soll.
Zudem muss das Anpassungsverhalten zum natürlichen Trocknungsprozess der Elektrodenanordnung C_x passen.
Die Aufnahme von neuen Messwerten sollte zum Einsparen von Energie in möglichst großen zeitlichen Intervallen t_i stattfinden. Die begrenzenden Faktoren sind dabei die gewünschte maximale Latenz, mit der der Sensor auf einsetzenden Niederschlag zu reagieren hat, sowie die zur Verfügung stehende Energie.
Die genannten Anforderungen werden in einem mehrstufigen Detektionsverfahren wie folgt erfüllt.
In einem ersten Schritt wird der einzelne rauschbehaftete Messwert m, d.h. die ermittelte Anzahl von Ladungstransferzyklen n bis zum Erreichen der vorgegebenen Schwellspannung U_IH am ersten Anschluss, über eine mehrfache Messung mit n_m Wiederholungen des in Figur dargestellten Ablaufs gemittelt. Dies lässt sich durch die folgende Formel darstellen: $M [j] = \frac{1}{n_{m}} \sum_{i = j \cdot n_{m}}^{(j + 1) \cdot n_{m} - 1} m [i]; mit: i, j \in ℕ_{0}$
Diese gemittelten Messwerte M[j] fließen in die Berechnung eines momentanen Messwertelevels M[k] ein, der aus den Mittelwerten der vorangegangenene n_avg-Messwerte besteht. Die Anzahl der Messwerte für die Schwellwertberechnung n_avg kann dabei als Faktor vorgegeben werden: $\begin{array}{l} \bar{M} [k] = \frac{1}{n_{a v g}} \sum_{i = 1}^{n_{a v g}} \bar{M} [k - n_{a v g} + 1]; mit: k, n_{a v g} \in ℕ \\ k \geq n_{a v g} - 1 \end{array}$
Anschließend wird eine mittlere absolute Abweichung (MAD) d_M[k] nach der Formel bestimmt: $d_{\bar{M}} [k] = \frac{1}{n_{a v g}} \sum_{i = 1}^{n_{a v g}} | \bar{M} [k - M [k - n_{a v g} + i] |$
Diese mittlere absolute Abweichung d_M[k] kann mit einem Wert für die gewünschte Empfindlichkeit E[k] multipliziert werden. Hierbei kann es sich um eine vom Messwertlevel abhängige Funktion handeln, durch die die gewünschte Empfindlichkeit E[k] variiert wird wie folgt: $E (k) = \frac{\bar{M} [k] - C T C_{m i n}}{C T C_{m a x} - C T C_{m i n}} \cdot A_{m a x} + A_{o f f}$
Die Empfindlichkeit E[k] korreliert mit der Fähigkeit des kapazitiven Niederschlagssensors, große Änderungen in der Messgröße zu erzeugen, was von dessen Geometrie, Ausrichtung und Anfangskapazität abhängt. Hierfür kann eine linear steigende Funktion gewählt werden, da die Messung stärker schwanken kann, je größer der Messwert ist. Für den Fall, dass der kapazitive Niederschlagssensor eine sehr geringe mittlere absolute Abweichung MAD hat, kann durch die Addition eines Offsets d_off ein minimaler absoluter Schwellwertabstand T[k] garantiert werden: $T [k] = d_{\bar{M}} [k] \cdot E (k) + d_{o f f}$
Die Grenzen für die Werte der Funktionen CTC_max und CTC_min lassen sich mit der oben beschriebenen Formel zur Überprüfung der gemessenen Ladungstransferzyklen $n = {log}_{a} (\frac{U_{I H}}{b_{1}} \cdot (a - 1) + 1)$
berechnen.
Der untere Schwellwert T_-[k] ergibt sich aus der Subtraktion des absoluten Schwellwertabstandes T[k] von dem momentanen Messwertlevel M[k] wie folgt: $T_[k] = \bar{M} [k] - T [k]$
Der obere Schwellwert T+ ergibt sich aus der Addition dieser beiden Werte wie folgt: $T_{+} [k] = \bar{M} [k] + T [k]$
Ein Niederschlagsereignis wird nun durch Überprüfung des momentanen Messwertlevels M[k] für den aktuellen Messzeitpunkt k auf Überschreitung des Schwellwertes T+[k] und Unterschreitung des unteren Schwellwertes T_-[k] detektiert. Bei einer erstmaligen Unterschreitung des negativen Schwellwertes T_-[k] wird der Beginn eines Niederschlagsereignisses registriert. Dadurch werden entsprechende Meldungen oder Signale ausgelöst, die mit der drahtlosen Funkkommunikationseinheit F an einen Empfänger geschickt werden können. Dann kann beispielsweise eine Markise eingefahren, ein Fenster wie beispielsweise ein Dachfenster geschlossen, ein Alarm ausgelöst oder sonstige Aktion veranlasst werden.
Die Schwellwerte T-[k] und T+[k] werden vom Messzyklus zum Messzyklus nach den oben genannten Formeln adaptiert und nähern sich dem neuen Messwertlevel in den darauf folgenden Messungen wieder an. Hierdurch befindet sich der folgende momentane Messwertlevel M[k+i] wieder innerhalb der Grenzen der Schwellwerte T-[k + i] bzw. T+[k + i] mit i = 1, 2, 3, ...
Damit würde das Ende eines Niederschlagsereignisses registriert werden. Da der Messwertlevel M[k] während eines Niederschlags allerdings auch Ausschläge in die positive Richtung aufweist und generell größeren Schwankungen unterliegt, ist eine weitere Bedingung vorgesehen, die erfüllt werden sollte. Nur wenn über eine bestimmte Anzahl an Messungen keine weitere Über- oder Unterschreitung des Schwellwerts stattfand, wird das Ende des Niederschlagsereignisses registriert.
Der für die Niederschlagsdetektion erforderliche Bedarf an elektrischer Energie hängt im Wesentlichen von dem zu verwendeten Mikrokontroller µC und der Implementierung des Detektionsverfahrens ab. Zwischen Messzyklen kann der Mikrokontroller µC einen Schlafzustand mit Low-Power-Modus versetzt werden, wobei ein Aufwach-Taktgeber (Wake-up Timer) aktiviert bleibt, um eine zyklische Messung nach Ablauf einer Wartezeit automatisch zu starten.
Das Messintervall kann beispielsweise im Bereich von T_i = 1 - 4 s, bevorzugt 2 s mit n_m = 100 - 300, bevorzugt 200 festgelegt werden. Die Schwellwertberechnung kann beispielsweise auf n_avg = 10 - 30, bevorzugt 20 letzten Messungen basieren. Der Offset d_off kann vorzugsweise im Bereich von 0,8 bis 1,2, bevorzugt 1 eingestellt werden. Damit lassen sich unerwünschte Schwellwertüberschreitungen im trockenen Zustand hinreichend sicher verhindern.
4 zeigt ein Diagramm von experimentell aufgenommenen Messdaten mit dem Ergebnis der Detektion des Begins und des Endes eines Niederschlagsereignisses. In den hervorgehobenen Bereichen sind die Zeiträume gekennzeichnet, in denen Regen detektiert wurde.
Es ist erkennbar, dass der charakteristische Messwert CTC bei plötzlich einsetzendem Regen schlagartig absinken kann, wenn der kapazitive Niederschlagssensor zuvor trocken war. Anschießend bleibt der charakteristische Messwert CTC für eine Zeit auf niedrigem Niveau und steigt durch den natürlichen Trocknungsprozess dann langsam auf das ursprüngliche Maximal-Niveau wieder an.
Ein ähnliches Verhalten mit deutlich langsamerer Absenkung des charakteristischen Messwertes CTC ist in frühen Morgenstunden bei der Entstehung von Nebel zu beobachten.
Neu einsetzender Regen, wie dies beispielsweise in dem Zeitraum von 15:20 Uhr bis 15:30 Uhr der Fall war, kann allerdings kurzfristig zu ansteigenden Messwerten führen. Dies hat mit einem Abrolleffekt zu tun, der entsteht, wenn die Sensorfläche mit vielen kleinen Tropfen benetzt ist, die zunächst nicht abrollen. Weitere Tropfen können dann einen lawinenartigen Effekt verursachen, bei dem eine große Menge Tropfen gleichzeitig abrollt. Dadurch sinkt die Kapazität der Elektrodenanordnung C_x schlagartig und der Messwert steigt entsprechend an. Bei langanhaltendem Regen treten daher größere Schwankungen im Messwert auf, wie sie in der 4 zwischen 15:50 Uhr und 16:30 zu sehen sind.
Durch die automatische Schwellwertanpassung können nun auch dicht aufeinander folgende Regenereignisse mit dazwischenliegenden Trockenphasen erkannt werden, selbst wenn der Messwertlevel bereits ein niedriges Niveau hatte. Anhaltender Regen kann bis zum Ende des Regenschauers bei ausreichender Regenstärke ebenfalls gut erkannt werden. Leichter Nieselregen mit vielen feinen oder vereinzelten Tropfen führt zu einer Detektion mehrerer kurzer, dicht aufeinander folgender Regenereignisse.
Ein Anstieg der Luftfeuchtigkeit bis zur Sättigung, wie sie für die Entstehung von Nebel nötig ist, hat sich in den Messwerten durch einen ebenso starken Anstieg der Sensorkapazität C_x abgezeichnet. Da diese Änderung allerdings nur sehr langsam und über einen Zeitraum von mehreren Minuten bis Stunden stattfindet, werden keine durchgängigen, sondern nur vereinzelte bis gar keine Meldungen ausgelöst.
Bei Temperaturen knapp über dem Gefrierpunkt zeigt ein starker Schneefall das gleiche Verhalten wie bei starkem Regen, der die Schneeflocken direkt beim Auftreffen auf den Sensor schmelzen. Tagsüber erreicht der Messwert des kapazitiven Niederschlagssensors bei ausbleibendem Niederschlag durch natürliche Trocknung mit Sonnenlicht und Wind stets den Maximalwert CTC_max.
Anhand der adaptierten Detektionsgrenzen mit ihrer unteren und oberen Schwellwert und der vom neuen Niederschlagsereignis abhängigen Änderung der charakteristischen Messwerte CTC lässt sich nun auf den Beginn und das Ende von Niederschlagsereignissen ebenso schließen, wie auf die Art des Niederschlags. Zudem kann aus der Änderung der charakteristischen Messwerte CTC auch auf die Stärke des Niederschlagsereignisses geschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202010011612 U1 [0007]

Claims

Kapazitiver Niederschlagssensor mit einer Elektrodenanordnung (C_x) auf einem Trägersubstrat (T), wobei die Elektrodenanordnung (C_x) durch eine Deckschicht (D) abgedeckt ist, und mit einer Auswerteeinheit, die mit der Elektrodenanordnung (C_x) verbunden und zur Beaufschlagung der Elektrodenanordnung (C_x) mit einer Spannung (U_DD) und zur Messung eines die aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung (C_x) charakterisierenden Messwertes (CTC, M[k]) durch Ladungstransfer von einer elektrischen Ladung auf die Elektrodenanordnung (C_x) und Ladungsausgleich in mehreren aufeinanderfolgenden Ladungszyklen und zur Detektion eines Niederschlagsereignisses beim Erreichen einer Detektionsgrenze durch den charakteristischen Messwert (CTC, M[k]) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (µC) zur Detektion von Niederschlag aus einer Änderung der charakteristischen Messwerte (CTC, M[k]), die für eine jeweilige Messzeit (k) für die dann aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung (C_x) erfasst wurden, eingerichtet ist, wobei die Detektionsgrenze (T_-[k], T+[k]) an die sich ändernden charakteristischen Messwerte (CTC, M[k]) adaptiert wird.
Kapazitiver Niederschlagssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur vollständigen Entladung der Elektrodenanordnung (C_x) zu Beginn eines zur Messung der aktuellen Kapazität der Elektrodenanordnung (C_x) durchgeführten Messzyklus eingerichtet ist.
Kapazitiver Niederschlagssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Mikrokontroller (µC) mit einem ersten Anschluss (PB1) und einem zweiten Anschluss (PC1) hat, die jeweils wahlweise als Eingang oder Ausgang konfigurierbar sind, wobei eine Sammelkapazität (Cs) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (PB1, PC1) angeschlossen ist und wobei die Elektrodenanordnung (C_x) zwischen dem ersten Anschluss (PB1) und einem Basis-Spannungspotential (GND) angeschlossen ist.
Kapazitiver Niederschlagssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Detektion von Niederschlagsereignissen durch a) Konfigurieren des ersten und zweiten Anschlusses (PB1, PC1) als Ausgänge und Entladen der Sammelkapazität (Cs) und der Elektrodenanordnung (C_x) durch Schalten des ersten und zweiten Anschlusses (PB1, PC1) auf dasselbe Potential, bevorzugt auf Massepotential (GND) oder ein digitales Nullpotential (LOW); b) Konfigurieren des zweiten Anschlusses (PC1) als Eingang und Schalten des ersten Anschlusses (PB1) auf ein Spannungspotential, bevorzugt auf ein digital HIGH-Potential zum Ladungstransfer auf die Elektrodenanordnung (Cx); c) Konfigurieren des ersten Anschlusses (PB1) als Eingang und des zweiten Anschlusses (PC1) als Ausgang, wobei der zweite Anschluss (PC1) auf Nullpotential (GND, LOW) geschaltet wird, und Prüfen, ob die am ersten Anschluss (PB1) anliegende Spannung eine vorgegebene Schwellspannung (U_IH) erreicht hat; d) Wiederholen der Schritte b) und c) so lange, bis die am ersten Anschluss (PB1) anliegende Ausgleichspannung die Schwellspannung (U_IH) erreicht hat; e) Bestimmen der Anzahl der Wiederholungen mit den in den Schrittpaaren b) und c) durchgeführten Ladungstransferzyklen als charakteristischen Messwert (CTC, M[k]); und f) Detektieren eines Niederschlagsereignisses aus einer Änderung des charakteristischen Messwertes (CTC, M[k]).
Kapazitiver Niederschlagssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der charakteristische Messwert (CTC, M[k]) die Anzahl der Ladezyklen bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes (U_IH) durch eine nach einem jeweiligen Ladungsausgleich vorhandene Messspannung ist.
Kapazitiver Niederschlagssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Adaption der Detektionsgrenze (T_-[k], T+[k]) eingerichtet ist, indem ein gemittelter Wert (M[j]) einer Folge von gemessenen charakteristischen Messwerten (CTC[i], m[i]) berechnet, ein Maß (d_M[k]) für die Abweichung der Folge von charakteristischen Messwerten bestimmt und die Detektionsgrenze (T_-[k], T+[k]) mit dem berechneten gemittelten Wert (M[j]) und dem Maß (d_M[k]) für die Abweichung als Adaptionsgrößen geändert wird.
Kapazitiver Niederschlagssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur mehrfachen Wiederholung einer Messung zur Ermittlung jeweils einer aktuellen Kapazität und zum automatischen Berechnen eines gemittelten charakteristischen Messwertes (M[k]) der mehreren durch mehrere Wiederholungen (n_avg) gemessenen charakteristischen Messwerte (CTC[i], m[i]) eingerichtet ist.
Kapazitiver Niederschlagssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit - zur Berechnung eines momentanen Messwertlevels (M[k]) für einen Messzeitpunkt (k) aus einer vorgegebenen Anzahl (n_AVG) von berechneten gemittelten charakteristischen Messwerten (m(i)) und einer mittleren absoluten Abweichung (d_M[k]) als Mittelwert der Differenz zwischen dem momentanen Messwertlevel für den Messzeitpunkt und den berechneten gemittelten charakteristischen Messwerten, - zur Berechnung eines absoluten Schwellwertabstandes (T[k]) für den Messzeitpunkt (k) aus der mit einem Empfindlichkeitsfaktor multiplizierten mittleren absoluten Abweichung (d_M[k]) und einem vorgegebenen Offsetwert (doff), - zur Berechnung eines unteren Schwellwertes (T_-[k]) aus der Differenz zwischen dem momentanen Messwertlevel (M[k]) und dem absoluten Schwellwertabstand (T[k]) sowie eines oberen Schwellwertes (T+[k]) aus der Addition von dem momentanen Messwertlevel (M[k]) und dem absoluten Schwellabstand (T[k]), und - zur Detektion von einsetzendem Niederschlag zu einem Messzeitpunkt (k) beim Unterschreiten des unteren Schwellwertes (T_-[k]) für den Messzeitpunkt sowie - zur Detektion des relativen Endes eines Niederschlagsereignisses zu einem Messzeitpunkt (k) beim Unterschreiten des unteren Schwellwertes (T_-[k]) für den Messzeitpunkt (k) oder Überschreiten des oberen Schwellwertes (T₊[k]) für den Messzeitpunkt (k) eingerichtet ist.
Kapazitiver Niederschlagssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Detektion des absoluten Endes eines Niederschlagsereignisses eingerichtet ist, wenn nach der Detektion des relativen Endes eines Niederschlagsereignisses über eine vorgegebene Anzahl an Messungen für aufeinanderfolgende weitere Messzeitpunkte kein weiteres relatives Ende eines Niederschlagsereignisses durch Unterschreiten des jeweiligen unteren Schwellwertes (T_-[k]) oder Überschreiten des jeweiligen oberen Schwellwertes (T₊[k]) mehr detektiert wurde.
Verfahren zur Detektion von Niederschlagsereignissen mit einem kapazitiven Niederschlagssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten a) Beaufschlagen der Elektrodenanordnung mit einer Spannung; b) Messen eines die aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung charakterisierenden Messwertes durch Ladungstransfer von elektrischer Ladung auf die Elektrodenanordnung und Ladungsausgleich in mehreren aufeinanderfolgenden Ladungszyklen; c) Detektieren eines Niederschlagsereignisses beim Erreichen einer vorgegebenen Detektionsgrenze durch den charakteristischen Messwert, gekennzeichnet durch d) Adaptieren der Detektionsgrenze an die Änderungen der charakteristischen Messwerte, die für eine zur jeweiligen Messzeit aktuelle Kapazität der Elektrodenanordnung erfasst wurden.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch vollständige Entladung der Elektrodenanordnung zu Beginn eines zur Messung der aktuellen Kapazität der Elektrodenanordnung durchgeführten Messzyklus.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 mit einer Auswerteeinheit, die einen Mikrokontroller mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss hat, die wahlweise jeweils als Eingang oder Ausgang konfigurierbar sind, wobei eine Sammelkapazität (Cs) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeschlossen ist und wobei die Elektrodenanordnung zwischen dem ersten Anschluss und einem Basis-Spannungspotential angeschlossen ist, gekennzeichnet durch a) Konfigurieren des ersten und zweiten Anschlusses als Ausgänge und Entladen der Sammelkapazität der Elektrodenanordnung durch Schalten des ersten und des zweiten Anschlusses auf dasselbe Potential, bevorzugt auf Massepotential oder ein digitales Nullpotential (LOW); b) Konfigurieren des zweiten Anschlusses als Eingang und Schalten des ersten Anschlusses auf ein Spannungspotential, bevorzugt auf ein digitales HIGH-Potential zum Ladungstransfer auf die Elektrodenanordnung; c) Konfigurieren des ersten Anschlusses als Eingang und des zweiten Anschlusses als Ausgang, wobei der zweite Anschluss auf Nullpotential geschaltet wird, und Prüfen, ob die am ersten Anschluss anliegende Spannung eine vorgegebene Schwellspannung erreicht hat; d) Wiederholen der Schritte b) und c) so lange, bis die am ersten Anschluss anliegende Ausgleichspannung die Schwellspannung erreicht hat; e) Bestimmen der Anzahl der Wiederholungen mit den in den Schrittpaaren b) und c) durchgeführten Ladungstransferzyklen als charakteristischen Messwert; und f) Detektieren eines Niederschlagsereignisses aus einer Änderung des charakteristischen Messwertes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch mehrfache Wiederholung einer Messung zur Ermittlung jeweils einer aktuellen Kapazität und automatisches Berechnen eines gemittelten charakteristischen Messwertes der mehreren durch mehrfache Wiederholung gemessenen charakteristischen Messwerte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch - Berechnen eines momentanen Messwertlevels für einen Messzeitpunkt aus einer vorgegebenen Anzahl (N_AVG) von berechneten gemittelten charakteristischen Messwerten und einer mittleren absoluten Abweichung als Mittelwert der Differenzen zwischen dem momentanen Messwertlevel für den Messzeitpunkt und den berechneten gemittelten charakteristischen Messwerten; - Berechnen eines absoluten Schwellwertabstandes für den Messzeitpunkt aus der mit einem Empfindlichkeitsfaktor multiplizierten mittleren Abweichung und einem vorgegebenen Offsetwert; - Berechnen eines unteren Schwellwertes aus der Differenz zwischen dem momentanen Messwertlevel und dem absoluten Schwellwertabstand sowie eines oberen Schwellwertes aus der Addition von dem momentanen Messwertlevel und dem absoluten Schwellwertabstand; - Detektieren von einsetzendem Niederschlag zu einem Messzeitpunkt beim Unterschreiten des unteren Schwellwertes für den Messzeitpunkt; - Detektieren des relativen Endes eines Niederschlagsereignisses zu einem Messzeitpunkt beim Unterschreiten des unteren Schwellwertes für den Messzeitpunkt oder Überschreiten des oberen Schwellwertes für den Messzeitpunkt.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Detektieren des absoluten Endes eines Niederschlagsereignisses, wenn nach der Detektion des relativen Endes eines Niederschlagsereignisses über eine vorgegebene Anzahl an Messung für aufeinanderfolgende weitere Messzeitpunkte kein weiteres relatives Ende eines Niederschlagsereignisses durch Unterschreiten des jeweiligen unteren Schwellwertes oder Überschreiten des jeweiligen oberen Schwellwertes mehr detektiert wurde.