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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer Bewegung eines Objekts, mit mindestens einem Sensor und einer Schalteinrichtung für den mindestens einen Sensor, wobei die Schalteinrichtung ein Halteelement und ein an dem Halteelement aufgehängtes und in eine oder mehrere Richtungen auslenkbares Pendelelement aufweist, wobei mittels des Pendelelements bei Erreichen eines definierbaren Auslenkungswinkels zwischen einer Ruheposition und einer Schaltposition des Pendelelements ein Schaltvorgang zur Aktivierung des Sensors auslösbar ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schalteinrichtung für einen Sensor, insbesondere Schalteinrichtung einer wie oben genannten Vorrichtung, wobei die Schalteinrichtung ein Halteelement und ein an dem Halteelement aufgehängtes und in eine oder mehrere Richtungen auslenkbares Pendelelement aufweist, wobei mittels des Pendelelements bei Erreichen eines definierbaren Auslenkungswinkels zwischen einer Ruheposition und einer Schaltposition des Pendelelements ein Schaltvorgang zur Aktivierung des Sensors auslösbar ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Überwachung einer Bewegung eines Objekts, mit mindestens einem Sensor und einer Schalteinrichtung für den mindestens einen Sensor, wobei die Schalteinrichtung ein Halteelement und ein an dem Halteelement aufgehängtes und in eine oder mehrere Richtungen auslenkbares Pendelelement aufweist, wobei mittels des Pendelelements bei Erreichen eines definierbaren Auslenkungswinkels zwischen einer Ruheposition und einer Schaltposition des Pendelelements ein Schaltvorgang zur Aktivierung des Sensors ausgelöst wird.
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Ausgangspunkt(e)
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Nicht nur aus lokalen und regional-klimatischen Gründen, sondern auch zur Erhaltung der Biodiversität insgesamt ist es wichtig, insbesondere auch alte (nicht nur urbane) Straßen- und Park-Bäume längstmöglich zu erhalten, obwohl diese, wie leider sehr weit verbreitet, oftmals (vornehmlich standortbedingte) Schäden aufweisen - denn, viele Studien belegen einen erheblichen Beitrag entsprechend gepflegten urbanen Grüns nicht nur zur lokalen Luft- und Lebensqualität, sondern auch zur Verbesserung des regionalen Klima- und Wettergeschehens und zur Biodiversität (auf einer alten Eiche können über 1000 Tierarten leben).
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Bedauerlicherweise werden Bäume im urbanen Umfeld jedoch oft durch Bau-/ Bodenarbeiten an den Wurzeln und am Stammfuß geschädigt. Hinzu kommen Anfahrschäden, durch Kraftfahrzeuge. Zu Schäden in der Krone kommt es eher durch unsachgemäße Rückschnitte oder den Einbau von sogenannten „dynamischen Kronensicherungen“. Die Verdichtung des Bodens wiederum, u.a. aufgrund des stetigen Rüttelns durch verkehrsbedingte Vibrationen, führt zu einer Verminderung oder gar bereichsweisen Verhinderung des Wurzelwachstums, was die Anfälligkeit der Bäume für andere, u.a. auch klimatische Stressfaktoren erhöht oder gar direkt zu Schäden am Wurzelwerk - mit entsprechend erhöhter Gefahr des Kippens oder Brechens.
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An den (zumeist lokalen) Verletzungen von Bäumen siedeln sich oft Pilze an, deren Sporen quasi überall vorhandenen sind. Diese Pilze haben in der Natur die (essentiell notwendige!) Aufgabe, Holz abzubauen und in den natürlichen Stoffkreislauf zurückzuführen. Bei Bäumen führt dies aber irgendwann unvermeidlicherweise zu einer Schwächung der Tragfähigkeit und damit in der Folge zum Kippen oder Bruchversagen des Baumes. Die gleiche Gefahr besteht bei Holzmasten und Holzspielgeräten, die im Boden eingelassen sind und von denen es noch immer einige Millionen nicht nur in Deutschland, sondern vor allem auch in anderen Ländern gibt (die wirklich wirksamen chemischen Holzschutzmittel seit langem aufgrund ihrer allgemein toxischen Wirkung nicht mehr zugelassen, die zugelassenen Mittel können den natürlichen Abbauprozess nur unwesentlich aufhalten bzw. kaum verzögern).
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Eine jährliche diesbezügliche technische Untersuchung des Zustands aller betroffenen Bäume und Masten wäre zu teuer, denn es handelt sich um erhebliche Stückzahlen. Der Stadtstaat Singapur hat mit über 4 Millionen beispielsweise einen Baum pro Einwohner, in Berlin ist das Verhältnis ca. 1 zu 10 (auf ca. 4 Millionen Einwohner kommen ca. 400'000 Straßen und Parkbäume).
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Daher braucht man eine Art „Dauer-Überwachungs-Technik“, die vorzugsweise am jeweiligen Objekt angebracht und dort belassen werden kann, sodass die Bewegungen (Neigungen, Schwingungen) des Objekts dauerhaft überwacht und bei kritischen Entwicklungen möglichst automatisch gemeldet werden können.
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Bei Bäumen und Masten zeigen sich durch Schäden im unteren Stamm- oder Wurzelbereich hervorgerufene kritische Neigungen bereits bei Winkeln von unter einem Zehntel Grad. Bäume kippen in der Regel ab einem Neigungswinkel von ca. (25/10)°. Erkennen kann man ein „kritisches“ Verhalten meist schon bei Neigungen von unter (1/10)°. Entsprechende Winkelmesser müssen demnach nicht nur eine hohe Auflösung (mindestens 1/100°) aufweisen, sondern auch sehr präzise sein, also eine hohe Wiederholgenauigkeit (maximal +/-10%) aufweisen.
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Allerdings ist es bei dieser Anwendung außerdem sehr wichtig, dass die Neigungs-Sensoren bei Langzeitverwendung (über Wochen, Monate oder Jahre hinweg) keine zeitlich oder temperatur-bedingte Drift aufweisen, denn das kritische Neigungsverhalten kann sich sowohl durch (eventuell kumulative) schnelle Bewegungen in einem Sturm zeigen, als auch durch langsame und über Monate oder gar Jahre hinweg ziehende (zumeist pilzbedingte) Abbau-Prozesse.
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Die bislang verfügbaren elektronischen Neigungs-Sensoren, die alle oben aufgeführten technischen Anforderungen in ausreichender Weise erfüllen, sind teuer und weisen einen so großen elektrischen Leistungsverbrauch auf, dass sie entweder einen dauerhaften Stromanschluss benötigen, sehr große Langzeit-Akkus oder einen häufigen Austausch kleinerer Akkus. All diese Optionen sind in der Praxis weder machbar noch finanzierbar, zumal das Vandalismus-Problem insbesondere im städtischen Umfeld viele theoretische Optionen verunmöglicht, auch eine Versorgung aus Solarzellen (aufgrund der dafür notwendigen großen Panel-Fläche).
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Wenn ein Sensor am Stammfuß eines Baumes oder Mastes beim Vorbeigehen auf den ersten Blick deutlich erkennbar ist, dann bleibt er nicht lange dort, weil er entfernt, gestohlen, beschädigt oder zerstört wird. Entsprechend negative Erfahrungen wurden bislang in vielen Städten in unterschiedlichen Ländern gemacht und haben viele entsprechende Messkampagnen scheitern lassen.
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Bislang sind alle diesbezüglichen Projekte letztlich also auf dem einen oder anderen Wege gescheitert: die ausreichend präzisen und langzeitstabilen Sensor-Systeme verbrauchen zu viel Strom, sind zu teuer und zu groß, die kleinen, unauffälligen und stromsparenden sind bislang nicht präzise genug, um kritisches Neigungsverhalten rechtzeitig zu erkennen.
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Für sinnvolle Anwendungen braucht man aber Überwachungs-Sensoren an möglichst vielen Bäumen, auch um statistische Häufungen und Muster erkennen zu können. In etlichen Städten beispielsweise haben sich quartiersweise bestimmte Pilze im Boden etabliert, die Baumwurzeln vergleichsweise schnell abbauen (innerhalb weniger Monate) und zu zahlreichen Unfällen durch kippende Bäume führen (das ist ein großes Problem derzeit beispielsweise u.a. in Hong-Kong und Singapur, aber auch in anderen Städten und Ländern der westlichen Hemisphäre). Solche Trends sollten daher frühestmöglich erkannt werden, um einerseits Schäden durch kippende Bäume und/oder Masten zu verhindern, andererseits um frühestmöglich Gegenmaßnahmen planen und einleiten zu können.
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Deshalb sollten Dauer-Überwachungs-Sensoren nicht nur klein und präzise, sondern auch entsprechend kostengünstig sein.
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Ein System oder eine Vorrichtung zur dauerhaften Überwachung der Neigung von Bäumen und Masten muss also einerseits hohe technische Ansprüche hinsichtlich Genauigkeit und Auflösung erfüllen, darf aber andererseits weder teuer noch groß sein und muss vor allem einen sehr niedrigen Energieverbrauch aufweisen, damit es längstmöglich ohne Wartungsarbeiten verwendet werden kann.
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Bedarfs-Aktivierung
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Das beste Konzept, den Stromverbrauch eines elektrischen ÜberwachungsSystems zu minimieren ist, das entsprechende Gerät nur dann einzuschalten, wenn es wirklich gebraucht wird. Und das geht am besten, wenn der entsprechende Schalter selber stromlos agiert. Bekannt sind bislang in einer dämpfenden Flüssigkeit (z.B. Öl) schwingende und an einer Achse aufgehängten Pendel. Diese können konstruktionsbedingt natürlich nur in einer Richtung schwingen, was für die hier beschriebene Anwendung nicht ausreicht und typische Schaltwinkel liegen im Bereich von 10°. Da hier jedoch sehr feine Bewegungen in alle Richtungen festgestellt werden müssen, hilft es auch nicht, zwei solcher Pendelschalter senkrecht zueinander zu positionieren, zumal die Winkelauflösung prinzip-bedingt nicht ausreicht. Da außerdem Bewegungen bei unterschiedlichen Temperaturen im Außenbereich gemessen werden müssen, ist ein ölgedämpftes Pendel ohnehin untauglich, weil sich die Viskosität aller Öle mit der Temperatur ändert und damit auch seine schwingungs- und bewegungs-dämpfenden Eigenschaften, vor allem, aber nicht nur, bei tiefen Frost-Temperaturen. Insofern sind die bislang üblichen Pendelschalter hier also nicht verwendbar. Eine wie eingangs beschriebene bekannte Vorrichtung kann einen derartigen Pendelschalter oder eine derartige Schalteinrichtung verwenden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung, eine Schalteinrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass auch eine Dauerüberwachung einer Bewegung eines Objekts auf sichere Weise mit kostengünstigen und einfachen Mitteln realisierbar ist.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
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Danach ist die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 derart ausgestaltet und weitergebildet, dass das Pendelelement von einem dem Pendelelement zugeordneten Kontaktelement bereichsweise oder vollständig umgeben ist und dass das Pendelelement und das Kontaktelement derart ausgebildet und relativ zueinander positioniert sind, dass der Schaltvorgang bei einem Kontakt zwischen dem sich in der Schaltposition befindlichen Pendelelement und dem Kontaktelement ausgelöst wird.
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Des Weiteren ist eine entsprechende Schalteinrichtung gemäß Anspruch 16 derart ausgestaltet und weitergebildet, dass das Pendelelement von einem dem Pendelelement zugeordneten Kontaktelement bereichsweise oder vollständig umgeben ist und dass das Pendelelement und das Kontaktelement derart ausgebildet und relativ zueinander positioniert sind, dass der Schaltvorgang bei einem Kontakt zwischen dem sich in der Schaltposition befindlichen Pendelelement und dem Kontaktelement ausgelöst wird.
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Schließlich ist ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 17 derart ausgestaltet und weitergebildet, dass das Pendelelement von einem dem Pendelelement zugeordneten Kontaktelement bereichsweise oder vollständig umgeben wird und dass das Pendelelement und das Kontaktelement derart ausgebildet und relativ zueinander positioniert werden, dass der Schaltvorgang bei einem Kontakt zwischen dem sich in der Schaltposition befindlichen Pendelelement und dem Kontaktelement ausgelöst wird.
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In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass durch geschickte Ausgestaltung des Pendelelements und eines Kontaktelements die voranstehende Aufgabe auf überraschend einfache Weise gelöst wird. Hierzu ist in weiter erfindungsgemäßer Weise das Pendelelement bereichsweise oder vollständig von einem Kontaktelement umgeben. Durch diese bereichsweise oder sogar vollständige Umgebung des Pendelelements mit dem Kontaktelement ist eine Auslösung eines Schaltvorgangs nicht nur bei einer Auslenkung des Pendelelements in einer festgelegten Richtung, sondern in mehrere unterschiedliche Richtungen oder sogar in alle Richtungen, d. h. um 360°, möglich. Hierdurch ist eine umfassende Überwachung der Bewegung eines Objekts in vielen oder sogar allen Richtungen möglich, was bislang nur bei Realisierung einer großen Anzahl von Schalteinrichtungen mit in unterschiedliche Richtungen bewegbaren Pendelelements möglich war. Dabei sind das Pendelelement und das Kontaktelement im Konkreten derart ausgebildet und relativ zueinander positioniert, dass der Schaltvorgang bei einem Kontakt zwischen dem sich in der Schaltposition befindlichen Pendelelement und dem Kontaktelement ausgelöst wird. Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ist kostengünstig möglich. Eine Aktivierung eines Sensors wird mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung auf sichere Weise bei Erreichen eines definierbaren Auslenkungswinkels ermöglicht.
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Folglich sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vorrichtung, eine Schalteinrichtung und ein Verfahren angegeben, mit denen auch eine Dauerüberwachung einer Bewegung eines Objekts auf sichere Weise mit kostengünstigen und einfachen Mitteln realisierbar ist.
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Im Hinblick auf einen besonders sicheren Betrieb der Vorrichtung kann das Kontaktelement elektrisch leitend ausgebildet sein. Somit kann bei geeigneter Ausgestaltung des Pendelelements und bei Kontakt des Pendelelements mit dem Kontaktelement ein Stromkreis geschlossen werden, um den Schaltvorgang zur Aktivierung des Sensors in der Schaltposition des Pendelelements zu realisieren. Hierbei kann ein Strom durch das Halteelement, das Pendelelement und das Kontaktelement fließen.
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Hinsichtlich einer besonders einfachen und sicheren Erzeugung des Schaltvorgangs auch bei unterschiedlichen Schwingungsrichtungen des Pendelelements kann das Kontaktelement mehrelementig, multisegmental oder ringförmig oder als im Wesentlichen geschlossener Ring ausgebildet sein oder einen solchen Ring aufweisen. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Pendelelement durch das Kontaktelement von mehreren vorgebbaren Richtungen aus umgeben sein kann, d. h., dass Segmente oder Elemente des Kontaktelements an vorgebbaren Positionen um das Pendelelement herum angeordnet sein können. Zur Bereitstellung einer vollständigen Umgebung des Pendelelements kann das Kontaktelement einen geschlossenen Ring aufweisen oder als geschlossener Ring ausgebildet sein.
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In konstruktiv besonders einfacher Weise kann das Kontaktelement an einem dem Halteelement abgewandten Endbereich des Pendelelements angeordnet sein. Eine derartige Anordnung gewährleistet weiterhin eine besonders hohe Auslösesensibilität der Schalteinrichtung auch bei kleinen Auslenkungswinkeln, da der Endbereich des Pendelelements bei gleicher Auslenkung immer eine größere Strecke zurücklegt als ein weiter zum Drehpunkt befindlicher Bereich des Pendelelements.
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Zur Gewährleistung einer besonders einfachen und sicheren Aufhängung des Pendelelements kann das Halteelement aus magnetischem und elektrisch leitendem Material aufgebaut sein oder magnetisches und elektrisch leitendes Material aufweisen. Hierzu kann in gleicher Weise das Pendelelement aus magnetischem und elektrisch leitendem Material aufgebaut sein oder magnetisches und elektrisch leitendes Material aufweisen. Das Pendelelement kann eine Rundspitze aufweisen und an einem derartigen Halteelement aufgehängt sein.
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Zur Gewährleistung einer möglichst senkrechten und ruhigen Aufhängung des Pendelelements in der Ruheposition kann dem Pendelelement eine Dämpfungseinrichtung zur vorgebbaren Dämpfung von Pendelbewegungen oder Schwingbewegungen des Pendelelements zugeordnet sein. Hierdurch können kurzfristig und/oder schnell auftretende äußere Bewegungsimpulse abgefangen werden.
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In konstruktiv einfacher und sicherer Weise kann die Dämpfungseinrichtung an einem dem Halteelement zugewandten Endbereich des Pendelelements angeordnet sein. Dieser Endbereich kann das obere Drittel des Pendelelements umfassen.
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In konstruktiv einfacher und besonders wirksamer Weise kann die Dämpfungseinrichtung für eine magnetische Arbeitsweise ausgebildet sein. Eine mittels einer derartigen Dämpfungseinrichtung erzeugte Dämpfung erfolgt üblicherweise kontaktlos, d. h. ohne Berührung des zu dämpfenden Pendelelements. Dabei ergibt sich eine besonders ruckfreie und mechanisch verschleißarme Dämpfung.
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Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel kann die Dämpfungseinrichtung ein axial oder radial magnetisiertes Dämpfungselement aufweist, beispielsweise einen axial oder radial magnetisierten Ring. Hieraus ergibt sich eine besonders einfache und sichere Ausführungsform einer Dämpfungseinrichtung und damit einer gesamten Vorrichtung. Insbesondere bei der Ausgestaltung des Dämpfungselements in Form eines Rings ergibt sich eine sichere Dämpfungswirkung in allen Auslenkungsrichtungen des Pendelelements.
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In konstruktiv besonders einfacher und sicherer Weise kann die Vorrichtung in einem Gehäuse angeordnet sein. Hierdurch ist ein Schutz vor beispielsweise Umwelteinflüssen gewährleistet. Im Hinblick auf eine besonders vielfältige Überwachungsmöglichkeit können oder kann in dem Gehäuse mindestens ein zwischen Befestigungspunkten oder Befestigungselementen des Gehäuses messender Dehnungssensor und/oder ein zwischen Befestigungspunkten oder Befestigungselementen des Gehäuses messender Leitfähigkeitssensor angeordnet sein. Sich hieraus ergebende Messergebnisse können in Verbindung mit der Messung weiterer Parameter in besonders vorteilhafter Weise zur Überwachung einer Bewegung eines Objekts genutzt werden.
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Zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs der Vorrichtung oder der Schalteinrichtung ohne das Erfordernis einer externen Stromversorgung kann die Vorrichtung mindestens eine Erzeugungseinrichtung und/oder Speichereinrichtung für elektrische Energie für den Betrieb der Vorrichtung aufweisen. Hierdurch kann eine autarke elektrische Versorgung der Vorrichtung gewährleistet werden.
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In besonders einfacher Weise kann die Erzeugungseinrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie einen Piezo-Kristall und/oder ein Photovoltaikelement aufweist.
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In konkreter Weise kann das Objekt ein Baum, ein Mast oder ein Holz aufweisender Gegenstand oder eine Holz aufweisende Konstruktion sein.
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Ein mittels der Schalteinrichtung aktivierbar Sensor kann grundsätzlich auf ganz unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der mindestens eine Sensor ein Neigungssensor, ein Gyrosensor, ein Drehwinkelsensor, ein Beschleunigungssensor, ein Dehnungssensor, ein Leitfähigkeitssensor, eine Kamera und/oder ein Sensor zur Messung von Umweltbedingungen, beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit und/oder Luftdruck, sein. Beliebige und den jeweiligen Anwendungsfall berücksichtigende Kombinationen derartiger Sensoren sind im Hinblick auf insbesondere eine sichere Dauerüberwachung von Objekten realisierbar. Die Vielfalt der Parameter, die hierbei berücksichtigt werden können, führt zu besonders aussagekräftigen Messungen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
- 1 in einer schematischen Darstellung wesentliche Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung und der Übersichtlichkeit halber ohne einen angekoppelten Sensor ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kombination aus magnetischer Halterung mit einem magnetischen Halteelement 2 und magnetischer Dämpfung realisiert, um eine quasi temperatur- und weitestgehend umfeldunabhängige Halterung und Dämpfung zu ermöglichen. Dabei hängt ein Pendel - auch als Pendelelement 3 bezeichnet - aus magnetischem und elektrisch leitendem Material mit feiner Rundspitze an einem ebenso elektrisch leitendem und als Halteelement 2 wirkendem Magneten. Zur Aktivierung des Sensors ist ein Kontaktelement 4 in einem dem Halteelement 2 abgewandten Endbereich 5 des Pendelelements 3 angeordnet. Damit das Pendelelements 3 in der Ruhestellung wirklich senkrecht und ruhig hängt, befindet sich vorzugsweise im oberen Drittel des Pendelelements 3eine Dämpfungseinrichtung 6. Diese Dämpfungseinrichtung 6 ist somit in einem oberen Endbereich 7 des Pendelelements 3 angeordnet und weist ein als axial oder radial magnetisierter Ring ausgebildetes Dämpfungselement 8 auf. Dieser Ring hält das Pendelelements 3 zuverlässig in seiner Ruhestellung und dämpft Schwingungen. Damit ein dieserart konstruierter Pendel-Schalter oder eine dieserart konstruierte Schalteinrichtung 1 Neigungen in alle Richtungen feststellen kann, wird das Pendelelements 3 im unteren Bereich von einem als Kontaktelement 4 dienenden, elektrisch leitenden, aber nichtmagnetischen, Ring umfasst, dessen Innendurchmesser, Axial-Länge und Höhenposition bezüglich des Pendel-Aufhängepunktes so gewählt wird, dass der gewünschte Neigungs-Schaltwinkel erreicht wird.
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Beim Einrichten des Sensors wird das Pendelelements 3 dann so ausgerichtet, dass es im Ruhezustand nicht, aber im Falle einer entsprechenden Neigung zu irgendeiner Seite den unteren Ring oder das Kontaktelement 4 berührt und mit diesem Kontakt die sonstige Elektronik aktiviert.
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Ein solcher Pendelschalter hat viele Vorteile: er funktioniert zunächst und vor allem stromlos, hat keine elektronischen Drift-Phänomene und ist unabhängig von Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Er kann außerdem sowohl schnelle Bewegungen als auch langsame Neigungsänderungen in alle Richtungen erfassen.
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In besonders vorteilhafter Weise kann mit der Vorrichtung gemessen werden, wie sich beispielsweise ein Baum neigt. Das erfolgt bislang mit elektronischen Neigungs-Sensoren. Diejenigen Neigungs-Sensoren, die hierfür genau genug sind, brauchen aber so viel Strom, dass die nur ein paar Tage laufen, sonst wäre der erforderliche Akku viel zu groß. 90% des Jahres aber steht ein Baum so still, dass die Neigungsmessung gar nicht notwendig ist. Diese ist nur dann notwendig, wenn Wind kommt, oder wenn der Baum aufgrund von Schäden sich beginnt zu neigen.
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Und genau das stellt das Pendelelements 3 fest, ohne im Ruhestand Strom zu benötigen. Das Pendelelement 3 wirkt als ein stromloser Neigungs-Schalter. Es schaltet beispielsweise eine Elektronik mit Neigungs-/Gyro- und Beschleunigungs-Sensor nur dann ein, wenn der Baum beginnt, sich zu neigen (warum auch immer). Damit reicht dann ein kleiner Akku ein ganzes Jahr, weil die meiste Zeit eben keine Bewegung und keine Neigung stattfindet und die stromverbrauchende Elektronik in diesen Phasen auch nicht eingeschaltet ist.
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Die Schalteinrichtung 1 mit dem Pendelelements 3 dient somit der stromlosen Überwachung des Objekts (z.B. Baum) und dem Einschalten im Falle einer (beginnenden) Neigung.
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Sobald der Baum sich neigt, schaltet das Pendelelements 3 die Elektronik ein und diese enthält beispielsweise einen Neigungs- und einen Gyro- und einen Beschleunigungs-Sensor - und damit können dann Neigung und/oder Bewegung überwacht werden, die beispielsweise durch Wind/Sturm oder durch Schäden ausgelöst werden. Und wenn der Baum danach wieder zu Ruhe kommt, ohne sich dauerhaft zu neigen, dann geht auch das Pendelelements 3 wieder in seine Ruhestellung und wartet, bis der Baum sich wieder bewegt/neigt. Falls die Neigung nach dem Wind, also nach der Mess-Phase, sich nicht in die vorherige Nullstellung zurückbewegt, dann ist der Baum geschädigt oder wurde vom Wind dauerhaft geneigt (was potentiell gefährlich ist) - dann wird weiter elektronisch gemessen und aufgezeichnet und kann einem Auftraggeber beispielsweise per Funk mitgeteilt werden, dass hier eine potentielle Gefahr herrscht.
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Sensor-Position
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Wenn man am Stammkopf mit einem Seil zieht, bis der Baum am Stammfuß eine Neigung von ca. 0.25° erreicht hat, dann entspricht das damit eingebrachte Biegemoment ungefähr 30 bis 50% der Kipplast, also der Belastung, die den Baum zum Kippen bringen würde. Am Mittelwert dieser groben Schätzung orientieren sich Fachleute weltweit, auch wenn die Streuung aufgrund der vielen Einfluss-Parameter (Bodenfeuchte, Temperatur, ...) durchaus erheblich ist.
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Daher erfolgten Neigungsmessungen an Stadtbäumen bislang in der Regel am Stammfuß, wenn die Standsicherheit beurteilt werden soll.
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Aufgrund verschiedener Aspekte ist es zumeist jedoch schwierig und oft unmöglich, am Stammkopf soweit zu ziehen, bis am Stammfuß eine Neigung von 0.25° erreicht wird, beispielsweise weil der Stamm zu kurz, die Stämmlinge zu schwach oder der Stammkopf zu stark geschädigt ist. Daher werden am Stammfuß bei den sogenannten „Zugversuchen“ oft nur Winkel von unter 1/10° Neigung erreicht, sodass der weitere Neigungsverlauf bis auf 0.25° extrapoliert werden muss („Kippkurve“). Um auf diesem Wege ausreichend verlässliche Aussagen treffen zu können, müssen die gemessenen Werte entsprechend genau sein. Ausreichend präzise und verlässliche Auswertungen sind bei diesen geringen Neigungswinkeln bislang nur mit Sensoren gelungen, die Winkelauflösungen von (1/1000°) und entsprechend hohe Wiederholgenauigkeiten aufweisen.
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Die gleichen Bedingungen sind demnach auch zu erfüllen von einem Dauerneigungs-Sensor, der am Stammfuß angebracht wird. Auch dort ist eine entsprechend hohe Auflösung und Genauigkeit zwingend notwendig, denn kritische Bewegungen zeichnen sich eben bereits bei Neigungen von unter 1/10° aus - zumal kritische Neigungen und Schwingungen ja frühestmöglich erkannt werden müssen, um Unfälle verhindern zu können.
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Die hierfür ausreichend genauen Sensoren sind jedoch noch immer sehr teuer und weisen einen hohen Stromverbrauch auf, der deren Verwendung zur Dauerneigungs-Überwachung praktischerseits unmöglich macht.
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Das hier beschriebene System wird daher nicht am Stammfuß, sondern vorzugsweise am Stammkopf angebracht, was verschiedene Vorteile bringt: zum einen sind die Neigungen dort größer, weil die Biegung des Stammes dazu kommt. Während sich am Stammfuß Winkel-Sensoren mit einer Auflösung von 1/1000° als notwendig erwiesen haben, reichen am Stammkopf Winkelmessungen mit einer Auflösung von 1/100° aus. Damit sinken Kosten für die Sensoren und deren Stromverbrauch erheblich, sodass das System deutlich leichter, kleiner und kostengünstiger wird.
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Schließlich ist die Vandalismus-Gefahr am Stammkopf vielfach geringer als am Stammfuß, weil man meist ohne Leiter nicht an den Sensor gelangt - zumal der Sensor aufgrund des geringeren Stromverbrauchs kleiner und damit auch unauffälliger sein kann. Außerdem werden mit einer Messung am Stammkopf eben nicht nur kritische Neigungen des Stammfußes, sondern auch kritische Biegungen und Schwingungen soweit weitere wichtige Eigenschaften erfasst, zu denen es beispielsweise durch Schäden im Stamm kommen kann, die am Stammfuß nicht messbar sind.
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Sensor-Kombination
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Die meisten alten (und daher entsprechend geschädigten) Stadt-Bäume versagen unter dynamischen tordierenden Belastungen, sowohl am Stammfuß als auch am Stammkopf und in der Krone - weil die Torsions- und Scherfestigkeit des Holzes vielfach geringer ist, als Druck- und Zugfestigkeiten. Kritische Situationen sind also am besten, zuverlässigsten und frühesten zu erkennen, wenn nicht nur Neigungen, sondern insbesondere auch Schwingungen und Drehungen gemessen werden.
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Am Stammfuß sind diese schwingenden und tordierenden Bewegungen mit Neigungsmessern jedoch kaum feststellbar, die für den Stammkopf und die darüber angeordnete Baumkrone potentiell gefährlichen tordierenden Belastungen ohnehin nicht.
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Dies ist auch deswegen besonders wichtig, weil ca. 70% der Unfälle und Beschädigungen durch urbane Bäume aus der Krone und vom Stammkopf kommen; nur ca. 10% aus Stammbrüchen und ca. 20% durch Kippen des gesamten Baumes (mit entsprechend größeren Schäden).
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Daher hat die Positionierung der hier beschriebenen, neuen „Baumüberwachungs-Sensoren“ am Stammkopf nicht nur technische und organisatorische Vorteile, sondern vor allem auch erhebliche Sicherheitsvorteile:
- • am Stammkopf gemessene Neigungen sind die Kombination aus Stammbiegung und Wurzelteller-Neigung - mit einer Messung überwachen wir also zwei Eigenschaften;
- • am Stammkopf ist auch die tordierende Wirkung des Windes messbar (allerdings nicht mit den üblichen Neigungsmessern, sondern mit Drehwinkelsensoren bzw. „Gyroskopen“);
- • am Stammkopf sind sowohl dynamische Biege-, als auch dynamische Torsions-Schwingungen messbar, was am Stammfuß nicht möglich ist.
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Um alle potentiell gefährlichen (und damit eben auch tordierenden) Belastungen feststellen zu können, werden hier also erstmals hochauflösende Neigungs- und Beschleunigungs-Sensoren in Kombination mit ebenso präzisen Gyroskopen kombiniert, sodass alle erdenklichen Bewegungs-Freiheitsgrade des Baumes in einem Sensor-System erfasst, aufgezeichnet, analysiert und gespeichert werden können.
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Nur eine solche Sensor-Kombination am Stammkopf ist damit in der Lage, quasi alle sicherheitsrelevanten Versagensarten zuverlässig zu überwachen und deren potentielles Eintreten frühestmöglich anhand typischer Bewegungsdaten zu erkennen (um dies dann vorzugsweise automatisch zu melden):
- • Neigungen am Stammfuß
- • Drehbelastungen im Stamm, am Stammkopf und an der Kronenbasis
- • statische / langsame und dynamisch schnelle Bewegungen
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In dieser Kombination liegt einer der wesentlichen Vorteile im Vergleich zu den bislang üblichen Neigungs-Sensoren, die bislang in der Regel nur am Stammfuß angebracht werden.
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Weil diese Sensor-Kombination aber insbesondere wegen der Gyroskope im Betrieb einen erheblichen Stromverbrauch hat, ist ein solches System für Langzeitanwendungen nur dann realisierbar, wenn es im Ruhezustand keinen Strom braucht und vom stromlosen Neigungs-Schalter nur dann aktiviert wird, wenn es wirklich notwendig ist.
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Hierbei kommt diesem Konzept zugute, dass langsame Degradationen in Baum und Wurzeln nicht zu drehenden, sondern stets zu neigenden Bewegungen führen, die ebenso mit dem oben beschriebenen, drift-freien und stromlosen Neigungs-Schalter erkannt werden können. Drehende Bewegungen, für deren Feststellung ein Gyroskop notwendig ist, treten nur in Kombination mit dynamischen Belastungen auf, die auch von den Beschleunigungs-Sensoren detektiert werden, wenn auch nicht in allen Freiheitsgraden (weshalb die Kombination mit einem Gyroskop notwendig ist).
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Ein durchaus nicht unwichtiger Teilaspekt ist die Fähigkeit der hier beschriebenen Vorrichtung, der hier beschriebenen Schalteinrichtung oder des hier beschriebenen Systems, auch jedwede langsame und schnelle Drehbewegung des zu überwachenden Baumes festzustellen - denn der Sensor selber sitzt aufgrund seiner Position am Stamm niemals im Rotations-Zentrum.
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Wenn zusätzlich zu diesen Bewegungs-Sensoren die heute kostengünstig verfügbaren, miniaturisierten elektronischen Umweltmess-Sensoren (Temperatur, Feuchte, Luftdruck, ...) integriert werden, können diese Daten die Analyse der Ursachen der Bewegungen verbessern (Wind/Wetter/...).
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Zusätzliche visuelle Beobachtungen
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Zusätzlich zu den elektronischen Sensoren werden in den Überwachungs-Sensor oder in die Vorrichtung optional noch mindestens eine, vorzugsweise 5 Miniatur-Kameras integriert, die es mittlerweile aus der Raum-Überwachungstechnik in millimeterkleinen Abmessungen und stromsparenden Varianten gibt, sodass das Gehäuse dafür nicht nennenswert vergrößert werden muss.
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Mindestens eine von diesen Kameras schaut nach unten, eine nach oben und jeweils eine zu den drei freien Seiten des (in der Regel am oberen Stamm sitzenden) Sensorskästchens. Wenn ausreichend weitwinklige Optiken verwendet werden (wie bei Überwachungskameras mittlerweile üblich), kann mit diesen Kameras quasi ein Rundumbild der Umgebung erfasst werden, welches wichtige zusätzliche Informationen zur Auswertung der Bewegungsdaten liefert, beispielsweise zur Belaubung, zum Sturmgeschehen und Niederschlag.
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Da die Kameras ihre Position im Sensorkästchen nicht verändern, müssten die auf den Fotos zu erkennenden Umgebungs-Strukturen auch stets auf den gleichen Bildpositionen (Pixeln) bleiben - insbesondere Gebäude und andere, feste Strukturen im Umfeld des Baumes. Sollte sich an deren Bildposition im Laufe der Zeit etwas ändern, ist dies ein weiterer Hinweis auf eine Bewegung des Baumes. Aus der Kombination der Veränderungen auf den Fotos der verschiedenen Kameras können die Bewegungsdaten aus den Sensoren abgeglichen und kontrolliert werden.
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Um auch hier den Stromverbrauch zu minimieren, werden die Kameras vorzugsweise nur dann angeschaltet und verwendet, wenn der Pendel-Schalter oder das Pendelelements 3 auch die anderen Sensoren aktiviert.
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Messende Sensor-Befestigung
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Um das Sensor-Kästchen am Baum zu befestigen werden hier mindestens zwei, vorzugsweise drei Verbindungselemente (Nägel/Stifte/Schrauben) in einem vorzugsweise gleichseitigen Dreieck angebracht. Zwischen deren Fixierpunkte werden im Sensorgehäuse Dehnungs-Sensoren angebracht, die den Abstand zwischen den Fixierpunkten mit einer elektronischen Mikrometer-Messuhr überwachen. Zusätzlich wird außerdem die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Stiften gemessen - jeweils dann, wenn das Sensor-System eingeschaltet ist.
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Diese Messwerte (Abstand und Leitfähigkeit) zwischen den Befestigungs-Stiften liefern wertvolle zusätzliche Informationen zur mechanischen Belastung (Abstand) und zur Vitalität (Leitfähigkeit) des Baumes: der Abstand ist ein Hinweis auf mechanische Bewegungen und Verformungen, die Leitfähigkeit ein Maß für den Wasserhaushalt.
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Energieversorgung und -speicherung
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Im Vergleich zum Stammfuß kommt es am Stammkopf zu deutlich stärkeren Bewegungen und Vibrationen, sodass aus den Vibrationen eines Piezo-Kristalls im Sensor elektrische Energie gewonnen und gespeichert werden kann. Hierzu stehen mittlerweile standardisierte elektronische Bauteile zur Verfügung. Die im Piezo-Kristall entstehende elektrische Energie ist zugleich auch numerisches Maß für die Bewegung des Sensors und damit des Baumes - und genau dies wird hier als Mess-Signal aufgezeichnet.
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Zusätzlich kann optional ein Solarpanel auf das Gehäuse aufgebracht werden. In Kombination mit dem stromsparenden Gesamt-Konzept ist es auf diese Weise möglich, einen ausreichend präzise messenden aufzeichnenden Sensor aufzubauen, der etliche Monate oder gar Jahre ohne Nachladen am Baum verbleiben und währenddessen wichtige Daten per Funk an eine Zentrale senden kann.
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Zur Speicherung der elektrischen Energie können mittlerweile verschiedene Systeme verwendet werden, insbesondere solche, die eine geringe Selbstentladung aufweisen. Hier stehen verschiedene Typen von Akkumulatoren sowie Kondensatoren und Kombinationen zur Verfügung.
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Ganz grundsätzlich betreffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dauerüberwachung von Objekten.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schalteinrichtung
- 2
- Halteelement
- 3
- Pendelelement
- 4
- Kontaktelement
- 5
- Endbereich
- 6
- Dämpfungseinrichtung
- 7
- Endbereich
- 8
- Dämpfungselement
