DE2114260C3 - Vorrichtung zur Messung von Regenintensitäten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Regenintensitäten mit einer dem Regen ausgesetzten Auffangfläche, mit einem eine Abflußöffnung aufweisenden Meßbehälter zur Aufnahme des auf die Auffangfläche fallenden Regenwassers, und Einrichtungen zur Ermittlung der Regenintensität aus der Steighöhe des Regenwassers im Meßbehälter.

Durch die US-PS 22 51 352 ist eine Vorrichtung zur Messung von Regenintensitäten bekannt, bei der das auf eine vorgegebene Beregnungsfläche fallende Wasser einen mit einer Ausflußöffnung versehenen Meßbehälter zugeführt wird. Der Meßbehälter hat über die Höhe seiner Seitenwandung mit in Richtung nach oben verminderten Abständen gleich bemessene Auslaßöff- do nungen. Gemessen wird die jeweilige, im Meßbehälter vorhandene Wassermenge als Gewicht, das nach dem Wägeprinzip auf ein Schreibgerät übertragen wird. Es handelt sich nicht um eine unmittelbare Bestimmung der Regenintensität aus der Steighöhe. Auch sind durch die Anwendung der übereinander angeordneten Ausilußöffnungen nur sprungweise Messungen möglich, die nicht zu einer genauen Messung führen.

Aus der CH-PS 3 46 710 ist eine Einrichtung zur Messung und Registrierung der als Niederschlagsintensität definierten minütlichen Niederschlagshöhe bzw. -menge bekannt. Dabei gelangt der von einem Trichter autgefangene Niederschlag zunächst in ein Stapelgefäß, sodann durch ein der Füllung und Entleerung dienendes Kolbenventilsystem in ein Schwimmgefäß. Die Registrierung des sich der Niederschlagsintensität entsprechend einstellenden Wasserstandes im Schwimmergefäß erfolgt mittels eines Schwimmers, auf dessen Führungsstab ein Schreibschlitten ruht, der seinerseits von einer Arretiervorrichtung in beliebiger Stellung fixiert oder freigegeben werden kann. Das Kolbenventil und die Arretiervorrichtung des Schreibers werden von einem Synchronmotor mit einer Kurvenscheibe und einem Auslenkhebel 00 betätigt, daß durch eine jeweils über eine Minute sich erstreckende Arbeitsphase eine treppenartige Aufzeichnung der Niederschlagsintensifäten mit rechtwinkligen Koordinaten resultiert. Die aufwendige Einrichtung gestattet nicht die unmittelbare Messung der Regenintensitäten aus der Steighöhe.

Die DL-PS 21 978 beschreibt eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchflußmessung mit der Maßgabe, daß zwei ganz oder teilweise durchsichtige Gefäße übereinander angeordnet und durch eine Düse zur Stauung der Flüssigkeit sowie durch ein Luftdruckausgleichsrohr verbunden sind und das eine Gefäß mit einer Skala versehen ist. Zur Messung der Regenintensität aus der Steighöhe ist die bekannte Vorrichtung nicht ausgelegt.

Schließlich ist es bekannt, die Füllstandshöhe eines Behälters kapazitiv zu messen, vergl. Grave, Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen, Akad, Verlagsges. Leipzig 1962, S. 260-266.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, einfache und sichere Vorrichtungen zu schaffen, mit der eine unmittelbare Messung der Regenintensität aus der Steighöhe und die Fernübertragung der Meßwerte möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Messung von Regenintensitäten, mit einer dem Regen ausgesetzten Auffangfläche, mit einem eine Abflußöffnung aufweisenden Meßbehälter zur Aufnahme des auf die Auffangfläche fallenden Regenwassers, und Einrichtungen zur Ermittlung der Regenintensität aus der Steighöhe des Regenwassers im Meßbehälter, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Einrichtung zur Ermittlung der Regenintenbität einen Kondensator umfassen, dessen eine Elektrode vom Regenwasser im Meßbehälter und dessen andere Elektrode von einem auf der Außenseite des Meßbehälters angebrachten metallischen Belag gebildet ist, dessen Breite zur Oberseite des Meßbehälters hin gemäß der reziproken Wurzel aus der Steighöhe abnimmt.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß das Verhältnis der Auffangfläche zur Querschnittsfläche der Abflußöffnung zwecks Einstellung des Auflösungsvermögens einstellbar ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 als Stand der Technik die mit einem gebräuchlichen Regenmesser erhaltene Regenhöhenkurvc, bei welcher die Regenhöhe N in mm über der Zeit Tin Minuten aufgetragen ist,

F i g. 2 eine Vorrichtung zur unmittelbaren Messung

von Regenintensitäten und/oder Regenspenden und

Tig. 3 auf der linken Bildhälfte die graphische Darstellung der in der Beschreibung definierten Funktionen / proportional \z bzw. r proportional | ζ und auf der rechten Bildhälfte die metallische Wirkfläche der Fig. 2 in einem in eine Ebene ausgebreiteten Zustand.

Bei der Bemessung von Abwassertransporteinrichtungen, wie Kanalisation in offener und geschlossener Bauart, sowie zur Auslegung von Fördereinrichtungen und zur Inhaltsbestimmung von Regenspeicheranlagen richten sich deren Abmessungen nach der abzuführenden oder abgeführten Niederschlagsmenge und deren Zulaufdauer.

Unter Regenspeicher sind auch solche Einrichtungen zu verstehen, welchen Niederschläge durch Bachläufe zugeführt werden, z. B. Talsperren.

Die Niederschlagsmenge q₀ eines Regens, welche in der Zeiteinheit T auf eine beregnete Fläche F niedergeht, beträgt

waren, um hieraus zutreffende Bemessungsgrößen abzuleiten. Bei den bisher gebräuchlichen Verfahrer wird lediglich die Niederschlagshöhe /Vin mm entweder in Auffanggefäßen gemessen oder mit bekannten Regenmessern registriert. Bei den registrierenden Geräten wird nach Fig. 1 die Regenhöhe N in mm in ihrem zeitlichen Ablauf als Kurve (1) der Funktion N= [(T) auf Papierstreifen aufgezeichnet.

Bei diesen Diagrammen nach F i g. 1 ist die Steigerung der Kurve zu einem Zeitpunkt T, ein Maß für die Regenintensität. Es gilt für einen Kurvenpunkt

Formel

_o = r- T=F-N

Die einen Regen kennzeichnende Größe /'errechnet sich aus Formel 1 zu

Formel 2

und wird in der Literatur üblich als Regenspende bezeichnet. In der vorstehenden Formel bedeutet:

Formel 3

JOOOC
60

(mm)
'min)

Das Verhältnis -ψ kennzeichnet die Heftigkeit, mit

welcher der Niederschlag erfolgt und wird auch als Intensität / bezeichnet. Hiermit kann Formel 3 auch geschrieben werden als

Formel 4

/· = 1.66,67 - f

sek. ha

Wie aus Formel 4 hervorgeht, steht die Regenspende r proportional zur Regenintensität /. Die Intensität /ist die entscheidende Größe für Bemessungen, denn es ist wesentlich, in welcher Zeit T ein Niederschlag N gefallen ist.

Für den Planenden ist es wichtig zu wissen, von welcher Intensität beobachtete Niederschläge sind oder ί = tang \ =

I iV (mm)
VT (min)'

r = Regenspende ^

F — 3eregnungsfläche

N = Niederschlagshöhe

T = Beregnungsdauer

Wird eine beregnete Einheitsfläche zu 1,0 ha angenommen, so entfallen auf diese Einheitff'äche 10 000 Itr. pro 1,0 mm Niederschlagshöhe, bei einer Regenhöhe von /V mm entsprechend N ■ 10 000 Itr. pro ha. Üblich wird die Regendauer T in Minuten gemessen, die Regenspende hingegen auf die Zeit in Sekunden bezogen. Hieraus beträgt die Regenspende

Die Auswertung von Fig. 1 entsprechenden Regenaufzeichnungen nach Regenintensitäten ist außerordentlich mühsam und zeitlich sehr aufwendig, da die Intensität /während eines Regens häufig wechsel! und die untersuchten Intervalle zur Erzielung einer brauchbaren Genauigkeit sehr klein sein müssen. Das wird besonders deutlich, wenn bedacht wird, daß ein Kalenderjahr durchschnittlich bis zu 200 Einzelregen aufweist und ein Regen oft bis zu 30 unterschiedliche Intensitäten aufweisen kann.

Bei Zuflüssen, welche größer als das Abflußvermögen der Bodenöffnung (4) des Meßbehälters (2) nach F i g. 2 sind, steigt der Flüssigkeitsspiegel im Meßzylinder zu einer Beharrungslage oder Steighöhe ζ an, die ein direktes Maß für die Regenintensität ist, denn für die Beharrunglage des Flüssigkeitsspiegels gilt die Gleichgewichtsbeziehung

Formel 5 Der Zufluß errechnet sich aus der Beziehung

5a) q^riuß= r ■ A

Der Abfluß errechnet sich für die Bodenöffnung zu
5b) q_aMm

nuß=μ ■ f ■ i/2 · g ■ ζ

Formel 5 geht durch Gleichsetzen von Forme! 5a und 5b über in
■Formel 6

/■■ A= μ ■ f ■

-•=166,67 · /(Formel4)

A ■ 166,67 ■ \= μ ■ f ■ \/2 ■ g ■ ζ
und man erhält für die Regenintensität /damit

55 Formel 7 In den vorstehenden Formeln bedeutet:

r =

A =

μ =

f =

g =

Regenspende

Auffangfläche

Formbeiwert der Bodenöffnung (4)

Fläche der Bodenöffnung (4)

Gravitationskonstante (9,81 m/s²)

I/2 ^: κ

K = Beiwert,gebildet aus

/<■/■■

· Γ6667

/ = Regenintensität = gesuchte Größe
ζ = Steighöhe im Meßbehälter (2).

Nach F i g. 2 ist am Meßbehälter (2) für Ablesezwecke eine Skala (5) angebracht, welche eine der Formel 4 oder Formel 7 entsprechende nichtlineare Teilung hat Formel 8

dz

K ■ —- =

fi

und eine Ablesung in den Einheiten r ( j oder /

(5) ermöglicht.

Bei entfernt liegenden oder schlecht zugänglichen Beobachtungsstationen ist es wünschenswert, wenn die Meßwerte r und / fernübertragbar sind. Dazu wurden die Meßwerte r und / in elektrische Analoggrößen überführt, welche auf Entfernungen verlustfrei übertragbar sind. Um dies zu erreichen, ist auf den Außenumfang des Meßbehälter (2), der vorteilhaft aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff besteht, eine metallische Wirkfläche (6) angebracht, die mit einem Meßbehälterinhalt (14) unter einer angelegten Meßwechselspannung eines Oszillators (7) einen Kondensator bildet. Die Änderung der Kapazität wird durch die aufgefangene Niederschlagsmenge erzeugt, welche in dem Meßbehälter jeweils unterschiedlich hoch ansteigt.

Durch eine besondere Formgebung der Wirkfläche

(6) wird erreicht, daß der funktionelle Zusammenhang von r= f(z)bzw. /= /(z^linearisiert wird.

Zur Fernübertragung der Meßwerte r, i oder ζ wird der Oszillator (7) mit einem kapazitiven Sender (8) verbunden, an welchen Anzeige- und sonstige Auswertgeräte (10), (11) und (12), anschließbar sind. Da die Werte rund /funktionell mit der Steighöhe ζ verknüpft sind, wird die Begrenzungsfunktion der Wirkfläche (6) aus der 1. Funktionsableitung der Formel 7 gewonnen. Diese Begrenzungsfunktion errechnet sich hieraus zu

und stellt eine semiquadratische Hyperbel (13) dar, die in F i g. 3, rechte Bildhälfte, wiedergegeben ist. Für den Wert Z=NuII liefert die Funktion nach Formel 8 den Wert /'=00. Da der Umfang des Meßbehälters, wie z. B. eines Meßzylinders mit dem Durchmesser D, endlich begrenzt ist, wird vorteilhaft im unteren Meßbereich ein Flächenausgleich (9) nach Fig.3 vorgenommen. Die Messung beginnt dann ab der Steighöhe zss und läßt als unteren Meßwert

'min = ' ■ J

dz = K ■:

Die Meßvorrichtung ist vorteilhaft so über einem bekannten Regenhöhenmesser angeordnet, daß diesem die Abflüsse aus dem Mleßbehälter (2) zufließen. Auf diese Weise werden im oberen Teil der Vorrichtung die Regenspende rbzw. Intensität /erhalten und im unteren Teil die Niederschlagshöhen Nbzw. die Regenergiebigkeit gemessen.

Um eine absolut sichere Aussage über die Zusammenhänge von Regenintensitäten, Niederschlagsmenge und Abflußmenge zu erhalten, ist eine synchrone Messung dieser verschiedenen Größen von Vorteil. Dies wird erreicht durch die Maßnahme, elektrische Analogwerte dieser Meßgrößen synchron auf einer gemeinsamer Schreibstreifenanlage (Mehrfarbenschreiber) zu registrieren. Eine Auswertung der Meßwerte liefert dam genaue Aussagen über die Regendichte und da: Abflußverhalten eines beregneten Gebietes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung von Regenintensitäten, mit einer dem Regen ausgesetzten Auffangfläehe, mit einem eine Abflußöffnung aufweisenden Meßbehälter zur Aufnahme des auf die Auffangfläche fallenden Regenwassers, und Einrichtungen zur Ermittlung der Regenintensität aus der Steighöhe des Regenwassers im Meßbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ermittlung der Regenintensität einen Kondensator umfassen, dessen eine Elektrode vom Regenwasser (14) im Meßbehälter (2) und dessen andere Elektrode von einem auf der Außenseite des Meßbehälters angebrachten metallischen Belag (6) gebildet ist, dessen Breite zur Oberseite des Meßbehälters (2) hin gemäß der reziproken Wurzel aus der Steighöhe (z) abnimmt.

.'!. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Auffangfläche (3) zur Querschnittsfläche der Abflußöffnung (4) zwecks Einstellung des Auflösungsvermögens einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Dielektrikum des Kondensators bildende Meßbehälter (2) aus Kunststoffbesteht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator mit einer Hochfrequenzquelle (7) verbunden ist, und daß Einrichtungen (8, 10) zur Registrierung von dem Kapazitätswert entsprechenden elektrischen Ausgangsgrößen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Grenzwertgeber und Zähleinrichtungen (12) enthaltende Auswerteschaltungen zur Ermittlung der Häufigkeit von bestimmten Regenintensitäten vergesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Fernübertragung der Meßwerte vorgesehen sind.