DE3005055A1

DE3005055A1 - BUILT-IN DEVICE FOR MEASURING SNOW

Info

Publication number: DE3005055A1
Application number: DE19803005055
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof. Dr.-Ing. 3000 Hannover Fritzsche
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-02-11
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1982-10-07
Also published as: FR2475732A1

Description

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198ο ο2 ο7 EINBAUGERÄT ZUR SCHNEEMESSUNG198ο ο2 ο7 BUILT-IN DEVICE FOR SNOW MEASUREMENT

Beschreibungdescription

Schnee-Lawinen-Vorhersage ist eine sehr schwere Aufgabe. Es ist ein alter Wunsch der Lawinenwarndienste und der für die Lawinensperre von Straßen Verantwortlichen, Schneemessungen direkt am Lawinenabgangsort durchzuführen. Bisher war die einzige Möglichkeit, dort mechanische Schneepegel aufzustellen, die mit Fernrohren beobachtet wurden. Dies ist bei unsichtigem Wetter, wie bei Schneefall, was bei Lawinengefahr häufig eintritt, sowie bei Nacht nicht möglich. Für Aufgaben der Hydrologie ist es bekannt, die kosmische Strahlung unter der Schneedecke zu messen und sie ist mit bekannten Werten oder mit einem Meßgerät außerhalb des Schnees zu vergleichen. Für die Meldung mußten daneben Maste aufgestellt werden, was den Naturschutzverantwortlichen mißfällt, denn viele Einzugsgebiete von Speicherkraftwerken z.B. sind dem Naturschutz unterworfen. Es wurde bereits vorgeschlagen, kurze elektromagnetische Impulse zu verwenden, cTte von Geräten eingebaut im Lawinenhang auszusenden und über Sampling Einrichtungen wieder zu empfangen, die höchstfrequenten Impulse in eine Niederfrequenz zu verwandeln und dann anzuzeigen. Diese Systeme haben einen Nachteil. Eine Neuschneeoberfläche hat keine scharfe Begrenzung gegen die Luft im elektromagnetischen Sinne und ist deshalb schwer zu erkennen, also eine genaue Höhe kann erst dann, wenn eine feste Kruste sich gebildet hat, gemessen werden. Deshalb ist es zunächst von besonderer Bedeutung ein integrales Meßverfahren zu verwenden, das die Masse (Wasserwert) der Schneedecke am Ort des möglichen Lawinenabgangs mißt. Es ist erfindungsgemäß von besonderer Bedeutung, direkt von dem im Lawinenhang eingebauten Gerät, das völlig im Boden verschwunden ist, die Signale zu übertragen. Eine Verkabelung im Gebirge ist ohnedies schwer. Darüberhinaus ist in typischen Lawinenhängen, die meist aus Schotterkegeln bestehen oder sonst steinschlaggefährdet sind, oder aber auch im Sommer durch Wildbäche ausgespült werden können, ist das Kabelverlegen besonders problematisch. Deswegen kommt auch eine Fernspeisung der Geräte praktisch nicht in Frage, sie müssen batteriegespeist sein und von sich heraus senden. Da herausragende Teile, wie Antennen von Lawinen oder von Steinschlag beschädigt Snow avalanche forecasting is a very difficult task. It's an old one Desires of the avalanche warning services and the avalanche barrier of roads Those responsible to carry out snow measurements directly at the avalanche departure point. So far the only possibility was to set up mechanical snow levels there, which were observed with telescopes. This is with the invisible Weather, such as snowfall, which often occurs when there is a risk of avalanches, and not possible at night. For tasks of hydrology it is known that the to measure cosmic radiation under the snow cover and compare it with known values or with a measuring device outside the snow. For the message had to be erected next to it, what the nature conservation officers Displeased, because many catchment areas of storage power plants, for example, are subject to nature conservation. It has already been suggested brief To use electromagnetic impulses, cTte of devices built into the avalanche slope to send out and to receive again via sampling devices, to convert the highest frequency impulses into a low frequency and then to display. These systems have one disadvantage. Has a fresh snow surface no sharp limit to the air in the electromagnetic sense and is therefore difficult to recognize, so an exact height can only be achieved if a solid crust has formed can be measured. Therefore, it is first of all of particular importance to use an integral measuring method that the Measures the mass (water value) of the snowpack at the location of the possible avalanche. It is of particular importance according to the invention, directly from the one on the avalanche slope built-in device that has completely disappeared into the ground to transmit the signals. Cabling in the mountains is difficult anyway. Furthermore is in typical avalanche slopes, which mostly consist of gravel cones or are otherwise at risk of falling rocks, or can be washed out by torrents in summer, laying cables is particularly problematic. This is why remote powering of the devices is practically out of the question; they have to be battery-powered and transmit by themselves. Because protruding parts, such as antennas, were damaged by avalanches or falling rocks

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werden können, ist eine flache Antennenanordnung notwendig. Die beste Möglichkeit hierzu bieten Schlitze im Deckel, die als Schlitzantennen an und für sich bekannt sind. Man muß in diesem Fall nur auf Breitbandeigenschaften achten, denn die Frequenz verändert sich zwar nicht, aber die Wellenlänge der Antenne ist verschieden, je nach dem, ob sie von Luft bedeckt ist oder vielleicht von nassem Schnee. Es wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Kasten - z.B. mit den Maßen o,7 χ ο,4 χ ο,2 m flach in den Hang, evtl. in eine ausbetonierte Grube einzubauen, möglichst genau da, wo üblicherweise die Lawinen beginnen. Dieser Kasten enthält ein oder vorzugsweise mehrere Anzeigerohre für Neutronen, z.B. Bortriflorid mit einem Mantel von Parafin, evtl. noch andere spezielle Ummantelungen. Mehrere, weil im Gegensatz, zu den bisher bekannt gewordenen Anforderungen der Hydrologie, bei denen eine Messung am Tag schon sehr genau ist, hier bei Lawinengefahr innerhalb weniger Stunden genaue Messungen gewünscht werden. Es müssen deshalb hohe Zä'hlraten angestrebt werden, die entweder in großer Höhe über 2ooo m selbst entstehen oder aber durch eine Mehrfachanordnung von Proben erreicht werden, oder es müssen ungewöhnlich große Röhren verwendet werden. Helium 3 Zählrohre sind ebenfalls verwendbar. Auch unter Neutronenstrahlung fluorezierende Folien mit Photomultipliern können vorteilhafterweise zur Strahlungsanzeige verwendet werden (Maße annähernd Deckelfläche). Die Messung geschieht auf folgende Weise: Es wird die Zahl der auftreffenden Neutronen ev, nach Abbremsung gemessen. Durch die Absorption im Schnee wird die Neutronenzahl im Vergleich mit einer anderen im Umkreis von ca. Io km befindlichen Meßstelle vermindert. Der Eichfaktor zwischen beiden Meßstellen wird vorher bestimmt. Die zweite Vergleichsmeßstelle wird durch ein spitzes Kunststoffdach oder evtl. auch durch Beheizung schneefrei erhalten.a flat antenna arrangement is necessary. The best possibility for this purpose, there are slots in the lid, which are used as slot antennas and are known for themselves. In this case one only has to pay attention to broadband properties, because the frequency does not change, but the wavelength does The antenna differs depending on whether it is covered by air or perhaps by wet snow. It is now proposed according to the invention, a box - e.g. with the dimensions o, 7 χ ο, 4 χ ο, 2 m flat in the Slope, possibly to be built into a concrete pit, as precisely as possible where usually the avalanches begin. This box contains one or preferably several indicator tubes for neutrons, e.g. boron trifloride with a jacket of paraffin, possibly other special coatings. Several because in contrast to the previously known requirements of hydrology, where a measurement during the day is already very precise, in which case accurate measurements within a few hours are required if there is a risk of avalanches. It must therefore high counting rates are aimed for, either in great height above 2,000 m are created by themselves or can be achieved by a multiple arrangement of samples, or unusually large tubes have to be used. Helium 3 counting tubes can also be used. Even under neutron radiation Fluorescent foils with photomultipliers can advantageously be used for Radiation display can be used (dimensions approximate cover area). The measurement is done in the following way: It is the number of hitting neutrons possibly measured after braking. Due to the absorption in the snow, the neutron number is compared with another within a radius of approx. Io km located measuring point reduced. The calibration factor between the two measuring points is determined beforehand. The second comparison measuring point is a pointed plastic roof or possibly kept snow-free by heating.

Diese Messung der Masse des Schnees soll in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ergänzt werden durch eine Messung des Schichtenaufbaus, damit also ein ähnliches Meßergebnis erzielt wird, wie es beim Graben eines Schneeprofils entsteht. Kürzeste elektromagnetische Einzel impulse von z.B. o,l bis o,6 ns Länge werden durch eine Breitbandrichtantenne, z.B. eine Hornstreifenantenne ausgesendet, senkrecht zur Schneeschicht. Jede Dichteänderung im Schnee, d,h, jede Schicht gibt Reflexionen an eine ähnlich aufgebaute Empfangsantenne, diese Signale kann man sich nun nach der bei Sampling-This measurement of the mass of the snow is intended in a further embodiment of the invention are supplemented by a measurement of the layer structure, so that a measurement result similar to that obtained when digging a snow profile is achieved arises. Shortest electromagnetic single impulses from e.g. o, l to 0.6 ns length is achieved by a broadband directional antenna, e.g. a horn stripe antenna sent out perpendicular to the snow layer. Every change in density in the snow, i.e. every layer, gives reflections to a similar one Receiving antenna, these signals can now be viewed after the sampling

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Oszilloskopen üblichen Technik ansehen. Hierbei wird man nur die Samplingrinrichtung im Gerät einbauen und die dann entstehende Tonfrequenz, die Information über die Schichtung des Schnees über Funk übertragen und dann am Empfangsort auf einen Bildschirm geben oder direkt durch Microcomputer auswerten. Diese Technik gestattet es leider nicht, die oberste Schneeschicht" und damit Neuschnee zu erfassen. Das ist ein besonders wichtiger Grund für die Kombination - sie gestattet dagegen, wenn die Oberfläche hart ist, eine Kontrolle von Abstand und Dichte des Schnees, sqoaß dann mehr Meßwerte ermittelt werden können. Die Kombination des HöhenstrahTungsgerätes mit der Einzel impulsanzeige verbindet die Vorteile beider Systeme. Für das Aussenden der Meßergebnisse, was z.B. alle Stunden erfolgen sollte, ist nur ein uhrengesteuerter Sender notwendig, der eine wirksame Antenne hat. Eine Verkabelung und ein Mast ist unzweckmäßig, außerdem würde die Antenne vereisen. Es soll deshalb eine Schlitzantenne mit ein oder mehreren Schlitzen im Deckel eingebaut werden. Der Schlitz kann mit Isoliermaterial verschlossen werden. Diese Schlitzantenne braucht überhaupt keine isolierende Abdeckung, wenn der Schlitz in Form eines Hohlraumresonators ausgeführt ist. Man kann aber auch den gesamten Innenraum nehmen und dann eine Kunststoffabdeckung für den Schlitz oder Keramik für den Schlitz vorsehen. Die Antenne muß wegen der durch den zeitweise vorhandenen, oder zeitweise nicht vorhandenen Schnee Breitbandeigenschaften haben. Es kann auch durch Mehrfachschlitze eine gewisse Richtung bevorzugt werden. Da in Lawinenhängen auch oft mit Steinschlag zu rechnen ist, ist es besonders wichtig, im Schnee vorhandene beschädigungsfreie Antennen zu haben, die auch infolge der Anordnung möglichst unabhängig von umgebenden Bodenschichten sind. Messungen haben ergeben, daß die Ausstrahlung praktisch nicht verändert wird, wenn die genannten Voraussetzungen erfüllt sind. Die Kombination zweier dieser drei Eigenschaften ist also besonders vorteilhaft, die Hinzunahme der dritten* z.B. Messung der Schichten durch Impulse, erhöht den Wert der Anordnung. Man kann natürlich noch andere Meßeinrichtungen damit kombinieren, z.B. kann man die Dichte in der Nähe und etwas weiter vom Gerät durch je paarweise im Deckel angeordnete Elektroden erfassen, man kann ein Temperaturprofil messen, wobei man elastische Aufhänge für die Thermometer anordnet, daß ein Lawinenabgang diese im Abstand von ca. Io cm angeordneten Temperaturfühler nicht beschädigen kann. Man kann solche Einzelimpulsmessungen und evtl. Doppler-Radarmessungen auch durch Schrägantennen,See common technology with oscilloscopes. Here one only becomes the sampling direction install in the device and then transmit the resulting audio frequency, the information about the layering of the snow via radio and then Enter on a screen at the receiving location or evaluate it directly using a microcomputer. Unfortunately, this technique does not allow the top layer of snow " and thus capture fresh snow. This is a particularly important reason for the combination - on the other hand, if the surface is hard, it allows a check of the distance and density of the snow, then more readings can be determined. The combination of the HöhenstrahTungsgerätes with the Single impulse display combines the advantages of both systems. For sending the measurement results, which should be done every hour, for example, there is only one clock-controlled transmitter necessary, which has an effective antenna. A wiring and a mast is unsuitable, and the antenna would ice up. It should therefore be a slot antenna with one or more slots can be installed in the cover. The slot can be closed with insulating material will. This slot antenna does not need any insulating cover at all if the slot is in the form of a cavity resonator. But you can also take the entire interior and then a plastic cover for the slot or ceramic for the slot. The antenna must because of the temporarily existing, or temporarily not existing snow have broadband properties. It can also be through multiple slots a certain direction are preferred. Since rockfalls can often be expected on avalanche slopes, it is particularly important to use the Snow to have existing damage-free antennae, which also as a result the arrangement are as independent as possible of the surrounding soil layers. Measurements have shown that the radiation practically does not change if the stated requirements are met. The combination of two of these three properties is particularly advantageous, the addition the third * e.g. measuring the layers by means of pulses, increases the value of the arrangement. You can of course also use it with other measuring devices Combine, e.g. you can measure the density in the vicinity and a little further from the device by means of electrodes arranged in pairs in the lid, you can Measure a temperature profile, arranging elastic suspensions for the thermometer, so that an avalanche discharge these at a distance of about Io cm Cannot damage the temperature sensor. Such single pulse measurements can be made and possibly Doppler radar measurements also through angled antennas,

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. α · C. α · C

P 21-5 198ο 02 ο7 die dann Kriechbewegungen anzeigen, besonders, wenn diese ruckartig sind.P 21-5 198ο 02 ο7 which then indicate creeping movements, especially if they are jerky.

Das Gerät sei nun an Hand der Abbildungen beschrieben:The device is now described using the illustrations:

Figur 1 zeigt die einfachste Ausführung. In einem lawinengefährdeten Hang ist ein wasserdichter Kasten 2 so eingegraben oder einbetoniert, daß der Deckel frei bleibt. Darin befindet sich eine Batterie 3, ein Neutronenzählrohr 4 oder eine Szintellationsfolie sowie eine elektronische Auswerteeinrichtung dazu. Ein Sender ( 15 in Fig. 6 ) speist eine Schlitzantenne, die zum Abschluß einen Hohlraumresonator 5 haben kann, oder durch Isoliermaterial verschlossen ist.Figure 1 shows the simplest version. On an avalanche-prone slope a watertight box 2 is buried or concreted in such a way that the lid remains exposed. Inside is a battery 3, a neutron counter tube 4 or a scintillation film and an electronic evaluation device to. A transmitter (15 in Fig. 6) feeds a slot antenna, which can have a cavity resonator 5 at the end, or through insulating material is locked.

Figur 2 zeigt das Gerät von oben (Ansicht des Deckels). Der Schlitz 6 hat im einfachsten Fall eine schmale rechteckige Form,Figure 2 shows the device from above (view of the lid). The slot 6 has in the simplest case a narrow rectangular shape,

Figur 3 zeigt eine breitbandigere Ausführung des Schlitzes.FIG. 3 shows a more broadband embodiment of the slot.

Figur 4 zeigt eine ebenfalls breitbandige Anordnung des Schlitzes, die schmalere Flächen zum Verschließen hat.Figure 4 shows a broadband arrangement of the slot, which has narrower surfaces for closing.

Figur 5 zeigt ebenfalls eine breitbandige Schlitzanordnung, die in der Art der bekannten Spiral flachantennen ausgeführt ist.Figure 5 also shows a broadband slot arrangement, which in the Type of known spiral flat antennas is carried out.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2. Hier ist auch ein unsymmetrischer Anschluß des Antennenkabels im Schlitz durch den Punkt 16 gezeichnet, In der rechten Seite des Kastens 2 ist eineFIG. 6 shows a further embodiment of the invention according to claim 2. There is also an unbalanced connection of the antenna cable in the slot Drawn by point 16, in the right side of box 2 is a

Hornstreifenantenne 7 und eine Schaltung zur Erzeugung küraster elektromagnetischer Impulse von o,l ,.. o,6 nsDaue'r eingetragen. Dies kann in an sich hekannter Weise mit Hilfe von Step-Recovery-Dioden durchgeführt werden. Hinter einer Trennwand 9 ist eine Empfangseinrichtung Io sowie eine weitere Hornstreifenantenne 11 zu sehen. Diese Empfangseinrichtung verarbeitet die empfangenen Impulse nach Art der Sampling Oszilloskope und leitet sie dann evtl. nach Kodierung dem Sender 15 zu.Horn stripe antenna 7 and a circuit for generating küraster electromagnetic Pulses of o, l, .. o, 6 nsDaue'r entered. This can be carried out in a manner known per se with the aid of step recovery diodes. Behind a partition 9 is a receiving device Io and another Horn stripe antenna 11 can be seen. This receiving device processes the received pulses in the manner of a sampling oscilloscope and transmits them then possibly after coding to the transmitter 15.

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch die Hornstreifenantenne 7 von der Seite gesehen,FIG. 7 shows a section through the horn stripe antenna 7 from the side seen,

16 Figur 8 zeigt die unsymmetrische Anschaltung des Senders 15 an den Schlitz, was die elektrische Widerstandsanpassung verbessert. Elektroden 17 sind auf dem Deckel paarweise angeordnet. Die Veränderung der Kapazität zwischen beiden. Elektroden durch den Schnee gibt ein Maß für Dichte und evtl. Feuchte.16 Figure 8 shows the asymmetrical connection of the transmitter 15 to the slot, which improves the electrical resistance matching. Electrodes 17 are arranged in pairs on the cover. The change in capacity between the two. Electrodes through the snow provide a measure of density and possibly moisture.

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Die Auswertung erfolgt in an sich bekannter Weise durch Messung bei verschiedenen Frequenzen oder durch Bestimmung der komplexen Dielektrizitätskonstante. The evaluation is carried out in a manner known per se by measuring various Frequencies or by determining the complex dielectric constant.

Figur 9 zeigt eine zusätzliche Einrichtung. Die senkrecht nach oben strahlende Hornstreifenantenne 7 ergibt eine Schichtung des Schnees. Man will oft auch ein Kriechen oder Rutschen des Schnees am Hang erkennen. Der Boden 1 ist hier genau wie in Figur 1 als schräg anzunehmen. Er ist nur zur Vereinfachung flach gezeichnet. Ein zusätzliches Paar Hornstreifenantennen 19 wird von einem zusätzlichen Sender 18 mit kürzesten Impulsen beaufschlagt. Die Veränderung des Signalbildes bei einer Empfangseinrichtung, die analog zu der senkrechtstrahlenden Hornstreifenantenne 11, aber diesmal schräg angeordnet ist, gibt ein Maß für die langsame Bewegung des Schnees an der Einrichtung vorbei. Natürlich muß der Kasten mit einem isolierstoffverschlossenen Fenster 2o ausgestattet sein. Dasselbe gilt auch für das Fenster 13 in Figur 6.Figure 9 shows an additional device. The one that radiates vertically upwards Horn stripe antenna 7 results in a layering of the snow. You often want to see that the snow is creeping or sliding on the slope. The floor 1 is to be assumed here, exactly as in FIG. 1, to be oblique. It's just for the sake of simplicity drawn flat. An additional pair of horn stripe antennas 19 is acted upon by an additional transmitter 18 with the shortest pulses. The change in the signal image in a receiving device that is analogous to the vertically radiating horn stripe antenna 11, but this time arranged at an angle is a measure of the slow movement of snow past the facility. Of course, the box must be sealed with an insulating material Window 2o be equipped. The same also applies to the window 13 in FIG. 6.

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Claims

Prof. Dr. Wilfried FRITZSCHE P 21-1

Hamburg 9o

Eissendorferstraße 34 Hamburg, 198o o2 ο 7

BUILT-IN DEVICE FOR SNOW MEASUREMENT Claims

Electronic measuring circuit for measuring the physical properties a snow cover, especially for measuring the absorption of cosmic rays by means of one or more neutrons sensitive Counting devices high counting rate. Characterized in that the circuit with an abundant power source in a watertight, locked box that can be sunk into the bottom of an avalanche slope is installed, the lid of which is provided with a broadband slot antenna.

2.) Summary of an electronic measuring circuit according to claim 1 with one or more electronic measuring circuits for measuring the physical properties of a snow cover, so a) one Circuit for measuring the absorption of cosmic rays by means of / several neutrons of sensitive counting devices with high counting rates, b) a circuit for transmitting the shortest possible electromagnetic Pulses of o, 6 ... o, d ns duration, c) a circuit for capacitance measurement between electrodes, d) a circuit for detecting the measuring currents from temperature sensors, characterized in that the Circuits with an abundant power source built into a watertight, locked box that can be lowered into the bottom of an avalanche slope is, the lid with a broadband slot antenna and on its outer surface with capacitor ^. Electrodes and temperature sensors is provided.

3.) Device according to claim 2 and 3, characterized by the additional Arrangement of antennas that send out the shortest impulses not only vertically but also at an angle to the slope direction.