DE10207423B4

DE10207423B4 - Wetterstation

Info

Publication number: DE10207423B4
Application number: DE10207423A
Authority: DE
Inventors: Rolf Wilhelm Haupt; Fritz Schaeffel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: US6761065B2; US20030154780A1; USRE42057E1; DE10207423A1

Abstract

Wetterstation mit wenigstens einem an einem Gehäuse oder Träger (3,4) um eine vertikale Achse (5) drehbar gelagerten, sich in Windrichtung ausrichtenden Element (6) sowie mit einer Messeinrichtung (12), die in Abhängigkeit von der Winkelstellung des sich in Windrichtung ausrichtenden Elementes (6) ein elektrisches Signal liefert, wobei die Messeinrichtung (12) eine opto-elektrische Messeinrichtung mit wenigstens zwei Lichtstrecken (24) ist, von denen jede ein eigenes, Licht emittierendes Element (18, 21) aufweist und zum Abtasten einer zugehörigen Gruppe von Markierungen (14, 17) dient, die um eine Achse einer Blende (13) auf dieser derart angeordnet sind, dass die Markierungen (14, 17) beim Abtasten eine Codierung liefern, die den Winkelbereich der Stellung des sich in Windrichtung ausrichtenden Elementes (6) definiert, wobei die wenigstens eine Blende (13) und die Lichtschrankenanordnung (24) der Stellung des sich in Windrichtung ausrichtenden Elementes (6) entsprechend relativ zueinander um die Achse der Blende (13) schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrecken...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wetterstation gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 und dabei insbesondere auf eine Wetterstation, die auch für den privaten Gebrauch geeignet ist.
Wetterstationen, speziell für den privaten Gebrauch sind bekannt. Bekannt ist hierbei insbesondere auch, eine solche Wetterstation so auszubilden, daß mit ihr die Windrichtung und die Windstärke gemessen werden können, und zwar die Windrichtung durch eine Windfahne, deren Winkelstellung in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, und zwar mit einem Potentiometer, dessen Schleifer antriebsmäßig mit der Windfahne verbunden ist.
Das der Windrichtung entsprechende Signal wird ebenso wie das von einem Wind- oder Löffelrad abgeleitete, der Windstärke entsprechenden Signals einer Auswert- und Steuerelektronik zugeführt, die dann diesen Signalen entsprechende digitale Daten über einen Sender der Auswert- und Steuerelektronik an eine räumlich entfernte Anzeigestation übermittelt.

Bekannt ist weiterhin ein Windmessgerät ( DE 34 34 437 A1 ), bei dem unter anderem die Windrichtung mittels einer Windfahne ermittelt wird, die an einer mit ihrer vertikalen Achse drehbar in einem Gehäuse gelagerten Welle vorgesehen ist. Mit Hilfe einer opto-elektrischen Messeinrichtung wird die Winkelstellung der Windfahne bestimmt. Diese Messeinrichtung besteht aus einer an der Welle vorgesehenen Messscheibe mit Markierungen bildenden Öffnungen, die in mehreren Gruppen mit jeweils unterschiedlichem radialen Abstand von der Achse der Welle auf der Messscheibe vorgesehen sind. Jeder Gruppe von Markierungen ist eine gesonderte, die Markierungen dieser Gruppe abtastenden Lichtstrecke bestehend aus einem Licht aussendenden Element und einem Lichtdetektor zugeordnet.

Bekannt ist weiterhin auch ( JP 16207065 A ) derartige Markierungen auf einer Messscheibe als Schlitze auszubilden.

Bekannt ist schließlich eine opto-elektrische Messeinrichtung (P 2 041 832), die zur Messung einer linearen Bewegung dient und bei der zwischen mehreren Licht aussendenden Elementen und einem gemeinsamen Lichtdetektor ein Rastermaßstab in Linealform vorgesehen ist, der mehrere, eine unterschiedliche Kodierung aufweisende Spuren besitzt, die jeweils mit Hilfe der Licht aussendenden Elemente und dem gemeinsamen Lichtdetektor abgetastet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wetterstation aufzuzeigen, die bei hoher Empfindlichkeit und genauer Anzeige der Windrichtung eine vereinfachte Ausbildung aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Wetterstation entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Bei der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Windrichtung in Winkelschritten bzw. in Winkelbereichen, und zwar beispielsweise in insgesamt 16 Winkelbereichen bei Verwendung von insgesamt vier Gruppen von optisch abtastbaren Markierungen und dem entsprechend von vier Lichtstrecken, die die Markierungen jeweils einer Gruppe abtasten. Die Ermittlung der Windrichtung erfolgt dabei völlig berührungslos, so daß bereits bei geringen Windstärken eine eindeutige Anzeige möglich ist.

Eine Besonderheit der Erfindung besteht weiterhin darin, daß die Lichtstrecken, von denen jeweils wenigstens eine einer Gruppe von optischen abtastbaren Markierungen zugeordnet ist, jeweils eigene Licht emittierende Elemente aufweisen, die preiswert von Leuchtdioden realisierbar sind, aber nur ein einziger und für sämtliche Lichtstrecken gemeinsamer Lichtdetektor oder Empfänger vorgesehen sind, und zwar mit einem Lichtsensor üblicher Bauart, der dann optisch mit den einzelnen Lichtstrecken über einen Lichtleiter verbunden ist.

Die einzelnen Gruppen von Markierungen werden dann zeitlich nacheinander durch entsprechendes Aktivieren ihres zugeordneten Licht emittierenden Elementes abgetastet und/oder das Abtasten der einzelnen Gruppen erfolgt durch impulsförmiges Aktivieren der zugeordneten Licht emittierenden Elemente mit jeweils unterschiedlicher Pulsfrequenz, so daß aus der Frequenz des empfangenen Lichtsignals auf das Vorhandensein einer Markierung einer bestimmten Gruppe bzw. umgekehrt aus dem Fehlen einer bestimmten Frequenz im empfangenen Lichtsignals auf das Nichtvorhandensein einer Markierung einer bestimmten Gruppe geschlossen werden kann. Auch bei Ansteuerung der Licht emittierenden Elemente der verschiedenen Lichtstrecken mit unterschiedlicher Pulsfrequenz erfolgt die Aktivierung dieser Elemente vorzugsweise jeweils zeitlich begrenzt und/oder zeitlich nacheinander.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt eine Wetterstation gemäß der Erfindung;
2 in Einzeldarstellung eine Scheibe eines Winkelgebers der Wetterstation der 1.
Die in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete und insbesondere auch für den privaten Gebrauch geeignete Wetterstation ermöglicht die Messung der Windgeschwindigkeit sowie der Windrichtung und überträgt die gemessenen Daten drahtlos über Funk an eine räumlich getrennte Anzeigevorrichtung 2. Die Wetterstation 1 besteht hierfür im wesentlichen aus einem geschlossenen Gehäuse 3, welches über einen radial vom Gehäuse wegstehenden Arm 4 an einer Gebäudeaußenwand, an einer Mauer oder an einem anderen geeigneten Untergrund befestigt werden kann.
Im Gehäuse 3 ist um eine vertikale Achse eine Welle 4 drehbar gelagert. Die Welle 4 steht mit einem oberen Ende über die Oberseite des Gehäuses und mit einem unteren Ende über die Unterseite des Gehäuses 3 vor. Am oberen Ende der Welle 5 ist eine Windfahne 6 befestigt, und am unteren Ende eine Einrichtung 7 zur Messung der Windstärke. Die Windfahne 6 ist so ausgebildet, daß sie sich unter Drehen der Welle 5 in Windrichtung ausrichtet und hierbei auch die Einrichtung 7 derart ausrichtet, daß diese optimal zur Windrichtung angeordnet ist.
Die Einrichtung 7 besteht im wesentlichen aus einem als Ring ausgebildeten äußeren Rahmen 8, in welchem ein kleines Flügelrad 9 um eine Achse radial zur Achse der Welle 5 frei drehbar gelagert ist. Das Flügelrad 9, welches flugzeugpropellerartig mit schräggestellten Flügelflächen ausgebildet ist, ist mit einem Permanentmagneten versehen, der mit einem auf ein Magnetfeld ansprechenden Sensor 10, beispielsweise mit einem Reed-Kontakt derart zusammenwirkt, daß dieser Sensor 10 eine der Anzahl der Umdrehungen proportionale Impulsfolge liefert. Das vom Sensor 10 gelieferte Signal ist somit proportional zur Windstärke. Der Sensor 10 ist beispielsweise in eine speichenartige Strebe des Rahmens 8 integriert, an der auch das Flügelrad 9 frei drehbar gelagert ist. Das Signal des Sensors 10 wird über einen Schleifkontakt 11 an eine im Gehäuse 3 untergebrachte, beispielsweise batteriebetriebene und einen Mikroprozessor enthaltene Auswert- und Steuerelektronik 11 übertragen. Die beschriebene Einrichtung 7 hat den Vorteil, daß die Kräfte, die auf das Flügelrad 9 wirken, sehr klein sind, zur Lagerung des Flügelrades 9 ein preiswertes Gleitlager verwendet werden kann, und zwar bei geringer Reibung, so daß bereits bei kleinen Windgeschwindigkeiten, beispielsweise bei Windgeschwindigkeiten ab 0,5 m/sec. eine Anzeige möglich ist.
Zur Messung der Windrichtung ist im Gehäuse 3 weiterhin ein Winkelgeber bzw. eine Meßvorrichtung 12 vorgesehen, die unter anderem eine achsgleich und drehfest mit dieser Welle verbundene Meßscheibe 13 aufweist. In dieser Scheibe 13 sind auf mehreren, d. h. bei der dargestellten Ausführungsform auf vier gedachten konzentrischen Kreisen um die Mittelachse der Meßscheibe 13 verteilt optisch abtastbare Markierungen in Form von schlitzförmigen Öffnungen eingebracht, und zwar auf dem äußersten gedachten Kreis eine kreisbogenförmige sich über einen Winkelbereich von 180° erstreckende Öffnung, auf dem daran anschließenden, weiter innen liegenden gedachten Kreis zwei kreisbogenförmige um 180° gegeneinander versetzte und Öffnungen 15, die sich jeweils über einen Winkelbereich von 90° erstrecken, auf dem daran anschließenden, weiter innen liegenden gedachten Kreis vier kreisbogenförmige jeweils um 90° gegeneinander versetzte Öffnungen 16, die sich über einen Winkelbereich von 45° erstrecken, sowie auf dem am weitesten innen liegenden, gedachten Kreis eine schlitzförmige Öffnung 17, die sich ebenfalls über einen Winkelbereich von etwa 180° erstreckt. Die kreisbogenförmigen Schlitze oder Öffnungen 14 – 17 bilden also vier Gruppen von optisch abtastbaren Markierungen und sind von Gruppe zu Gruppe so versetzt angeordnet, daß sich um die Achse der Meßscheibe 13 verteilt sechzehn Winkelbereiche von jeweils 22,5° ergeben, die jeweils eindeutig dadurch definiert sind, daß in jedem Winkelbereich ein typisches, von den anderen Winkelbereichen abweichendes durch die Öffnungen 14 – 17 gebildetes Öffnungsmuster vorliegt.
Da die Öffnungen 14 – 17 Gruppen mit unterschiedlichem radialen Abstand von der Achse der Meßscheibe 13 bilden, ergeben sich die insgesamt sechzehn eindeutig definierten Winkelbereiche, von denen einer in der Figur mit WB angegeben ist. Bei einer anderen Anzahl von Gruppen, beispielsweise bei insgesamt fünf Gruppen ergeben sich dann 32 unterschiedlich und eindeutig definierte Winkelbereiche.
Die Meßvorrichtung 12 besitzt weiterhin vier Leuchtdioden 18 – 21, die an einer Seite der Meßscheibe 13, und zwar bei der dargestellten Ausführungsform oberhalb der Meßscheibe 13 ortsfest, d. h. mit dieser nicht mitdrehend in einer radial zur Meßscheibe verlaufenden Reihe angeordnet sind, und zwar derart, daß jede Leuchtdiode 18 – 21 einer Gruppe von Öffnungen 14 – 17 zugeordnet ist, d.h. sich an der Bewegungsbahn der zugehörigen Öffnungs-Gruppe befindet. An der anderen Seite der Meßscheibe 13 ist ein Lichtleiter 22 vorgesehen, der optisch mit einem Lichtdetektor 23 verbunden ist und über den das Licht der Leuchtdioden 18 – 21 dem beispielsweise von einem Fototransistor gebildeten Lichtsensor 23 zugeführt wird. Die Leuchtdioden 18 – 21 bilden also vier Lichtstrecken zum Abtasten der Öffnungen 14 – 17 mit dem gemeinsamen Lichtsensor 23. Dieser liefert in Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines auf ihn treffenden Lichtsignals ein Sensorsignal an die Auswert- und Steuerelektronik 11.
Zur Ermittlung der jeweiligen Winkelstellung bzw. des jeweiligen Winkelbereichs der aktuellen Windrichtung werden die Leuchtdioden 18 – 21 in Zeitintervallen periodisch angesteuert, und zwar derart, daß in jedem Zeitintervall in einem dortigen Meßzyklus die Leuchtdioden 18 – 21 zeitversetzt jeweils wenigstens einmal zeitlich begrenzt aktiviert werden, so daß in diesem Meßzyklus die Öffnungsgruppen seriell auf das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein einer Öffnung abgetastet werden und hieraus der jeweilige Winkelbereich der Windrichtung bestimmt wird.
Die Lichtschrankeneinheit 24 mit den zeitversetzt aktivierten Leuchtdioden 18 – 21 und dem gemeinsamen Lichtsensor stellt eine besonders zuverlässige, aber auch preiswerte Lösung für die Meßeinrichtung 12 dar. Ein weiterer Vorteil dieser Meßeinrichtung 12 ist auch, daß eine berührungslose und kraft- bzw. momentfreie Ermittlung der Winkelstellung möglich ist. Auch diese trägt dazu bei, daß eine Anzeige bereits bei sehr kleinen Windgeschwindigkeiten, beispielsweise ab 0,5 m/sec. möglich ist.
Die von der Auswert- und Steuerelektronik 11 ermittelten Daten (Windgeschwindigkeit und Windrichtung) werden einem Senderbaustein 25, der ebenfalls in dem Gehäuse 3 untergebracht ist, zur Übertragung an die Anzeige 2 zugeführt.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die einzelnen Dioden 18 – 21 jeweils mit einer unterschiedlichen Frequenz getaktet anzusteuern, und zwar wiederum bevorzugt zeitlich nacheinander, so daß dann aufgrund der unterschiedlichen Frequenz des vom Lichtdetektor 23 gelieferten Signals eine Zuordnung dieses Signals zu der jeweiligen Leuchtdiode 18 – 21 bzw. zu der jeweiligen Öffnungsgruppe möglich ist und somit wiederum aus dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Öffnung an den Öffnungsgruppen der Winkelbereiche bestimmt werden kann.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

1: Wetterstation
2: Anzeigeeinrichtung
3: Gehäuse
4: Befestigungsarm
5: Welle
6: Wetterfahne
7: Einrichtung zur Messung der Windgeschwindigkeit
8: Rahmen
9: Flügelrad
10: Sensor
11: Auswert- und Steuerelektronik
12: Winkelmeßeinrichtung
13: Meßscheibe
14 – 17: kreisbogenförmiger Schlitz
18 – 21: Licht emittierendes Element, beispielsweise Leuchtdiode
22: Lichtleiter
23: Lichtsensor
24: Lichtschrankeneinheit
25: Senderbaustein

Claims

Wetterstation mit wenigstens einem an einem Gehäuse oder Träger (3,4) um eine vertikale Achse (5) drehbar gelagerten, sich in Windrichtung ausrichtenden Element (6) sowie mit einer Messeinrichtung (12), die in Abhängigkeit von der Winkelstellung des sich in Windrichtung ausrichtenden Elementes (6) ein elektrisches Signal liefert, wobei die Messeinrichtung (12) eine opto-elektrische Messeinrichtung mit wenigstens zwei Lichtstrecken (24) ist, von denen jede ein eigenes, Licht emittierendes Element (18, 21) aufweist und zum Abtasten einer zugehörigen Gruppe von Markierungen (14, 17) dient, die um eine Achse einer Blende (13) auf dieser derart angeordnet sind, dass die Markierungen (14, 17) beim Abtasten eine Codierung liefern, die den Winkelbereich der Stellung des sich in Windrichtung ausrichtenden Elementes (6) definiert, wobei die wenigstens eine Blende (13) und die Lichtschrankenanordnung (24) der Stellung des sich in Windrichtung ausrichtenden Elementes (6) entsprechend relativ zueinander um die Achse der Blende (13) schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrecken einen gemeinsamen Lichtdetektor aufweisen, der aus einem für die Lichtstrecken gemeinsamen Lichtsensor (23) und aus einem diesen mit den Lichtstrecken optisch verbindenden Lichtleiter (22) besteht, und dass eine Steuer- und Auswertelektronik (11) vorgesehen ist, die während einer Mess- oder Auswertphase die Licht emittierenden Elemente (18, 21) individuell ansteuert und hieraus die Winkelstellung des sich in Windrichtung ausrichtenden Elementes (6) bestimmt.
Wetterstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen Öffnungen bzw. Schlitze (14, 17) in der Blende sind.
Wetterstation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze kreisbogenförmige Schlitze sind, die jeweils auf gedachten, konzentrisch zueinander und zur vertikalen Achse (5) angeordneten Kreislinien mit unterschiedlichem radialen Abstand von der Achse (5) vorgesehen sind, dass auf einer äußeren Kreislinie ein erster Schlitz (14) vorgesehen ist, der sich über einen Winkelbereich von 180° erstreckt, dass auf einer anschließenden, weiter innen liegenden Kreislinie zwei kreisförmige, um 180° versetzte Schlitze (15) vorgesehen sind, die sich jeweils über einen Winkelbereich von 90° erstrecken, dass auf einer daran anschließenden, weiter innen liegenden Kreislinie vier jeweils um 90° gegeneinander versetzte dritte Schlitze (16) vorgesehen sind, die sich jeweils über einen Winkelbereich von 45° erstrecken, dass auf einer am weitesten innen liegenden Kreislinie ein vierter Schlitz (17) vorgesehen ist, der sich ebenfalls über einen Winkelbereich von 180° erstreckt, und dass die kreisbogenförmigen Schlitze (14 – 17) so gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass sich um die Achse (5) verteilt sechzehn Winkelbereiche von 22,5° ergeben, die jeweils eindeutig durch ein von den übrigen Winkelbereichen abweichendes, durch die Schlitze (14 – 17) gebildetes Öffnungsmuster definiert sind.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß die Blende eine Meßscheibe (13) ist.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht emittierenden Elemente (18, 21) Leuchtdioden sind.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor eine Fotodiode oder ein Fototransistor ist.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sich in Windrichtung ausrichtende Element eine Windfahne (6) ist.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sich in Windrichtung ausrichtende Element (6) an einer Welle (5) befestigt ist, die in dem Gehäuse oder Träger (3, 4) drehbar gelagert ist und an der auch die wenigstens eine Blende (13) vorgesehen ist.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht emittierenden Elemente (18 – 21) durch die Auswert- und Steuerelektronik (11) jeweils in vorgegebenen Zeitintervallen aktiviert werden, und zwar jeweils wenigstens einmal in jedem Zeitintervall während einer Meßphase.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht emittierenden Elemente (18, 21) von der Auswert- und Steuerelektronik während der Meßphase jeweils zeitlich versetzt aktiviert werden.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht emittierenden Elemente (18, 21) während jeder Meßphase wenigstens einmal mit einer unterschiedlichen Frequenz, beispielsweise impulsförmig aktiviert werden.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Blende als Meßscheibe (13) mit mehreren auf konzentrischen Kreisen um die Achse der Meßscheibe vorgesehenen Gruppen von optisch abtastbaren Markierungen (14, 17) die Licht emitterenden Elemente (18 – 21) radial zur Achse der Meßscheibe (13) aufeinander folgend vorgesehen sind.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Blende als Zylinder mit mehreren in Richtung der Zylinderachse gegeneinander versetzten Gruppen von optisch abtastbaren Markierungen (14, 17) die Licht emittierenden Elemente (18 – 21) axial zur Achse der Blende gegeneinander versetzt vorgesehen sind.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor (23) an einem Lichtleiter (22) vorgesehen ist, der mehrere Lichteintrittsbereiche bildet, von denen jeweils wenigstens einer jedem Licht emittierenden Element (18, 21) zugeordnet ist.
Wetterstation nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (22) oder die Lichteintrittsbereiche dieses Lichtleiters auf einer Linie parallel zur Anordnung der Licht emittierenden Elemente (18 – 21) vorgesehen sind.
Wetterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (7) zur Messung der Windstärke mit einem durch den Wind umlaufend angetriebenen Windrad, welches mit einem Sensor zur Erzeugung eines der Windstärke entsprechenden elektrischen Signals zusammenwirkt, wobei das Windrad ein frei drehbares Flügelrad (4) ist.
Wetterstation nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Sensor (10) zur Erzeugung des der Windstärke entsprechenden Signals ein induktiver Sensor (10) ist.