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Die
Erfindung betrifft einen Niederschlagssensor, insbesondere Hagelsensor,
mit einer Prallplatte und einem Wandler zur Registrierung beim Aufschlagen
von Niederschlagsteilchen auf die Prallplatte erzeugter Schwingungen,
wobei der Wandler im Abstand von der Prallplatte angeordnet und über einen
die Schwingungen auf den Wandler übertragenden festen Körper an
die Prallplatte gekoppelt ist.
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Aus
der
EP 0 422 553 B1 ist
ein Niederschlagssensor bekannt, dessen Prallplatte einen Durchmesser
von 1 bis 5 cm hat und mit Hilfe einer Klebeschicht auf einem piezoelektrischen
Wandler befestigt ist. Durch Auswertung, insbesondere Frequenzanalyse,
der vom Wandler gelieferten elektrischen Signale kann zwischen auftreffenden
Regentropfen, Hagelkörnern
und Schneeflocken unterschieden werden.
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Ein
Niederschlagssensor der eingangs erwähnten Art geht aus der
DE 40 11 416 A1 hervor.
Als Prallplatte dient eine an ihrem Rand eingefasste Membran, welche
die Öffnung
eines pfannenartigen Gehäuses überspannt.
An ihrer Unterseite liegt gegen die Membran ein mechanisches Übertragungselement
an, welches auf die Membran ausgeübten Druck auf einen piezoelektrischen
Wandler überträgt, welcher
auf der Bodenfläche
des Gehäuses
angeordnet ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Niederschlagssensor,
insbesondere Hagelsensor, der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welcher
genauere quantitative Untersuchungen des Niederschlags als bekannte
derartige Sensoren erlaubt.
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Der
diese Aufgabe lösende
Niederschlagssensor nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der die Schwingungen auf den Wandler übertragende feste Körper einen
mit der Prallplatte an deren Rand verbundenen Unterbau der Prallplatte bildet.
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Durch
die erfindungsgemäße Übertragung
in der Prallplatte durch Niederschlagsteilchen erzeugter Schwingungen
zum Wandler ausschließlich über den Plattenrand
lässt sich
ein Wandlersignal erzeugen, dessen Größe vom Auftreffort der Niederschlagsteilchens
auf der Prallplatte weitgehend unabhängig ist. Unter weiter unten
genannten Bedingungen hängt die
Größe des Wandlersignals
dann nur von der Größe der Niederschlagsteilchen
ab. Somit kann neben der Anzahl in einem Beobachtungszeitraum auf
die Fläche
der Prallplatte auftreffender Niederschlagsteilchen auch deren Größe bestimmt
und z.B. die Größenverteilung
von Hagelkörnern
am Standort des Sensors ermittelt werden.
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Vorzugsweise
liegt die Prallplatte über
ihrem gesamten Umfang mit einem Randbereich gegen den Unterbau an
oder geht einstückig
in den Unterbau über.
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Während z.B.
Kegel- oder Halbkugelformen als Unterbau denkbar sind, ist der Unterbau
in der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in der Form eines zur Prallplatte offenen Kastens
oder einer zur Prallplatte offenen Schale ausgebildet.
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Zweckmäßig ist
der Wandler, bei senkrechter Projektion auf die Prallplatte, in
der Mitte der Prallplatte angeordnet. Bei dieser Anordnung ergibt
sich die größtmögliche Unabhängigkeit
der Höhe
des Wandlersignals vom Auftreffort des Niederschlagteilchens auf
der Prallplatte.
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Der
Wandler ist vorzugsweise plattenförmig. Insbesondere handelt
es sich um einen piezo-elektrischen Wandler, der mit seiner ebenen
Plattenfläche gegen
eine ebene Fläche
des Unterbaus anliegt und z.B. mit dem Unterbau verklebt ist. Vorzugsweise
ist der Wandler an eine der Prallplatte zugewandte Oberfläche des
Unterbaus gekoppelt, vorzugsweise an den Boden des Kastens bzw.
der Schale.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein zusätzlicher
Wandler vorgesehen. Ein Niederschlagsteilchen erzeugt daher mehrere Wandlersignale,
wobei sich durch Auswertung dieser, in einer bestimmten zeitlichen
Folge auftretender Wandlersignale die Auflösung des Sensors steigern lässt.
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Vorzugsweise
ist der wenigstens eine zusätzliche
Wandler an die Unterseite der Prallplatte in deren Mitte gekoppelt.
Dessen Signal kann zur Zählung
auftreffender Niederschlagsteilchen dienen, während das Signal des erstgenannten
Wandlers ausgewertet wird, um die Größe der Niederschlagsteilchen
zu ermitteln.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eine Halteeinrichtung
vorgesehen, welche die Prallplatte geneigt zu Horizontalen hält. Aufprallende
Hagelkörner
werden daher zur Seite abgelenkt. Schmelzwasser oder Regenwasser
läuft ständig ab.
Die Oberfläche
der Prallplatte ist möglichst glatt,
so dass Eisteilchen von ihr abrutschen können. So kann es nur in geringem
Maße zu
Verfälschungen der
auszuwertenden Signale durch Eis oder Wasser auf der Prallplatte
kommen.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann eine Auswerteinrichtung
vorgesehen sein, welche neben einer Teilchenzählung und Signalauswertung
zwecks Ermittlung der Teilchengröße eine
Frequenzanalyse der Wandlersignale vornimmt. Eine solche Frequenzanalyse
kann z.B. darüber
Aufschluss geben, dass es sich bei registrierten Hagelkörnern nicht
um homogene Eisteilchen handelt. In solchen Fällen kann die Bestimmung der
Teilchengröße unterbleiben
bzw. ein ermittelter Wert der Teilchengröße verworfen werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Auswerteinrichtung
einen Filter auf. Vorzugsweise unterdrückt der Filter niedrige Frequenzen,
um Signalverfälschungen
durch Nachschwingen auszuschalten.
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Die
Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden,
sich auf diese Ausführungsbeispiele
beziehenden Zeichnungen näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel
für einen
Hagelsensor nach der Erfindung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel
für einen
Hagelsensor nach der Erfindung,
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3 den Hagelsensor von 2 mit einer Halteeinrichtung,
und
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4 von einem Hagelsensor
gemäß 1 bis 3 erzeugte Wandlersignale.
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Ein
im wesentlichen aus wetter- und UV-beständigem Kunststoff, wie z.B.
Polytetrafluorethylen oder Polysterol, gefertigter Hagelsensor weist
eine rechteckige Prallplatte 1 und einen mit der Prallplatte 1 verbindbaren
Unterbau 2 in Form eines zu der Prallplatte offenen, flachen
Kastens auf.
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In
dem betreffenden Ausführungsbeispiel
liegen die Seitenlängen
der rechteckigen Prallplatte 1 bei etwa 50cm. Die Seitenlängen könnten auch
größer oder
kleiner sein. Die Plattendicke beträgt 10 mm. Der kastenförmige Unterbau 2 weist
eine Bodenwand 3 und Seitenwände 4 gleicher Dicke
auf.
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Umlaufend
um den Rand der Prallplatte 1 sind Bohrungen 5 gebildet,
deren Anordnung deckungsgleich zu Gewindebohrungen 6 in
den Seitenwänden 4 des
Unterbaus 2 ist. Unter Verwendung der zahlreichen Bohrungen 5 und 6 lässt sich
die Prallplatte 1 mit dem Unterbau 2 verschrauben,
wobei die Prallplatte 1 über ihren gesamten Umfang mit
einem Randbereich gegen die jeweiligen Randflächen der Seitenwände 4 derart
fest anliegt, dass durch die Anlagefläche hindurch eine Ausbreitung
von Wellen im Bereich der Schallfrequenzen erfolgen kann.
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An
die plattenförmige
Bodenwand 3 und die Prallplatte 1 ist jeweils
in Plattenmitte ein plattenförmiger
Piezo-Wandler 7 bzw. 8 angekoppelt, wobei der
Wandler 7 auf der Plattenoberseite und der Wandler 8 auf
der Plattenunterseite angeordnet ist und jeweils mit einer ebenen
Fläche
gegen die betreffende Plattenoberfläche anliegt. Der Wandler kann mit
der Plattenoberfläche
verklebt sein.
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Anschlussleitungen 9 bzw. 10 der
Piezo-Wandler 7 und 8 führen zu einer BNC-Buchse 12 bzw. 13 in
einer der Seitenwände 4 des
Unterbaus 2, wobei die Anschlussleitungen 9, 10 innenseitig
mit den Buchsen 12, 13 über BNC-Stecker 11 verbindbar sind.
An die als Doppelbuchsen ausgebildeten Buchsen 12 und 13 ist
eine in 1 nicht gezeigte
Auswerteinrichtung anschließbar,
welche von den Wandlern 7, 8 erzeugte elektrische
Signale empfängt.
Anschlussbuchsen könnten
statt in der Seitenwand auch in der Bodenwand vorgesehen sein.
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Abweichend
von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
für einen
Hagelsensor könnte die
Bodenplatte 3 des Unterbaus 2 nach oben gekehrt
sein, wobei die Bodenplatte dann als Prallplatte dient, während die
Seitenwände 4 zusammen
mit der Platte 1 den Unterbau bilden.
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Fig. 2 und 3 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
Hagelsensor. Eine kreisförmige
Prallplatte 1a ist am Rand über ihren gesamten Umfang mit
dem Öffnungs rand
eines flachen, schalenförmigen
Unterbaus verbunden, z.B. verklebt oder verschweißt. An den
Schalenboden ist außen,
in senkrechter Projektion auf die Prallplatte 1a in deren Mitte,
ein Piezo-Wandler 7a angekoppelt.
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3 zeigt den Hagelsensor
von 2 verbunden mit einer
Halterung 14, welche unterschiedlich hohe Halteschenkel 15 und 16 aufweist,
so dass die Prallplatte 1a zur Horizontalen geneigt ist.
Eine ähnliche
Halterung ließe
sich für
den Hagelsensor von 1 verwenden.
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Das
Bezugszeichen 17 in 3 weist
auf ein Schutzgehäuse
für den
Piezo-Wandler 7a hin. Anschlussleitungen 9a des
Piezo-Wandlers stehen in Verbindung mit einer Auswerteinrichtung 18,
welche Einrichtungen zur Datenfernübertragung aufweisen kann.
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Beim
Auftreffen von Hagelkörnern
auf die Prallplatte 1 bzw. 1a entstehen knallartige
Geräusche.
Diesen kurzandauernden Geräuschen
entsprechend breitet sich jeweils vom Auftreffort des Hagelkorns
auf der Prallplatte im Material der Prallplatte ein Wellenberg bzw.
Wellenpaket aus. Bei genügend
fester Ankopplung der Prallplatte an den Unterbau setzt sich diese
Ausbreitung in das feste Material des Unterbaus hinein fort. Entsprechend
den unterschiedlichen Laufwegen des Wellenpakets im festen Material reagiert
der Wandler 7 gegenüber
dem Wandler 8 zeitverzögert.
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In 4 betrifft eine mit 19 bezeichnete
Kurve ein Wandlersignal S(t) des Wandlers 8, eine Kurve 20 ein
um Δt zeitverzögert einsetzendes,
durch das gleiche Wellenpaket erzeugtes Wandlersignal S(t) des Wandlers 7.
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Während beim
Wandler 8 die Höhe
des Signals S(t) zu einem Zeitpunkt t oder dessen Maximalhöhe sowohl
von der Größe des Hagelkorns
als auch der Entfernung seines Auftreffortes vom Wandler abhängt und
somit kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Korngröße und Signalhöhe besteht,
ist das Signal des Wandlers 7 vom Auftreffort des Hagelkorns
weitgehend unabhängig,
so dass anhand der Signalhöhe
oder eines Integrals über
das Signal oder über
dessen Hüllkurve
auf die Größe des Hagelkorns geschlossen
werden kann.
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Letzteres
gilt unter der Voraussetzung, dass es sich bei den Hagelkörnern um
kugelförmige,
homogene Eisstücke
gleicher Dichte handelt, die ihre maximale Fallgeschwindigkeit,
bei der Gewicht und Luftwiderstand einander aufheben, erreicht haben. Diese
Voraussetzung ist in vielen Fällen
wenigstens näherungsweise
erfüllt.
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Auch
bedarf es einer möglichst
eis- und wasserfreien Prallfläche,
die daher zweckmäßig zur
Horizontalen geneigt ist, so dass Eisstücke zur Seite abprallen bzw.
abrutschen und Schmelzwasser abfließt.
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Zur
Auswertung der Wandlersignale kann eine computergestützte Messwerterfassungseinrichtung
verwendet werden, welche die ankommenden Signale zählt, digitalisiert,
ggf. filtert und eine Frequenzanalyse durchführt und Korngrößen ermittelt, z.B.
aus gespeicherten Zusammenhängen
zwischen Korngrößen und
Wandlersignalen.
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Eine
solche Auswertung lässt
sich in der Auswerteinheit 18 unter Verdichtung der Messdaten durchführen, wobei
verdichtete Daten dann zu einer Zentrale übertragen zu werden, die mit
einer Vielzahl von Niederschlagssensoren in Verbindung steht.