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VON DER REGIERUNG
UNTERSTÜTZTE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde mit einer Unterstützung durch die Regierung unter
der Förderungsnummer
DTFA01-98-C-00031 von der Federal Aviation Administration gemacht.
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ERFINDUNGSFELD
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Die
Erfindung betrifft meteorologische Messinstrumente und insbesondere
ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung für die Echtzeit-Feststellung
und Quantifizierung von Niederschlag, der die Erdoberfläche an einem
bestimmten Punkt erreicht.
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PROBLEM
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Regenmessgeräte und Schneemessgeräte sind
gewöhnliche
Einrichtungen zum Quantifizieren des Niederschlags bzw. des winterlichen Äquivalents zu
einem Niederschlag, der die Erdoberfläche erreicht. Es wurden verschiedene
Typen von Regen- und Schneemessgeräten entwickelt, um den Niederschlag
und sein winterliches Äquivalent
zu quantifizieren. Ein Beispiel für ein Niederschlagsmessgerät verwendet
einen Behälter,
der den frei fallenden Niederschlag für die spätere Messung sammelt. Bei einem
winterlichen Niederschlag bzw. Schnee wird der Schnee in einem Behälter gesammelt,
der Chemikalien zum Schmelzen des Schnees zu einer flüssigen Form
enthält.
In einem anderen Beispiel für
ein Niederschlagsmessgerät
wird der Regen bzw. Schnee in einem Behälter gesammelt, wobei das Messgerät bei Ansammlung
einer messbaren Menge unter dem Gewicht des geschmolzenen Schnees
kippt und die Flüssigkeit
in einen Sammelbehälter
gießt.
Das Gewicht der gesammelten Probe wird zu einer entsprechenden Tiefenmessung
gewandelt, um die Gesamtansammlung des Niederschlags und die Niederschlagsrate über die
Zeit zu schätzen.
In beiden Beispielen fällt
der Niederschlag idealerweise mit der gleichen Rate und mit derselben
Menge in den Sammelbehälter,
wie er in der unmittelbaren Nachbarschaft des Messgeräts fallen
würde.
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Ein
Problem bei diesen Messgeräten
besteht jedoch darin, dass die Gesamtgenauigkeit des Messgeräts auf mechanische
Auflösungen
der Akkumulation begrenzt ist. Deshalb wird ein leichter Schnee- oder
Regenfall unter Umständen überhaupt
nicht festgestellt, weil die Flüssigkeit
aus dem Messgerät verdunstet,
bevor sie festgestellt wird oder eine messbare Ansammlungsmenge
zustande kommt. Ein weiteres mit diesen Messgeräten verbundenes Problem besteht
darin, dass keine Echtzeit-Ansammlung aufgezeichnet werden kann.
Auch bei schweren Regenfällen
ist eine Zeitverzögerung
von einigen wenigen Minuten bis hin zu dreißig Minuten oder mehr gegeben,
bevor eine messbare Probenmenge gesammelt wurde.
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Um
diese Probleme zu korrigieren, wurden neuartige Messgeräte wie das
in dem US-Patent
5,744,711 beschriebene
entwickelt, um eine Feststellung und Messung von Regenfällen in
Echtzeit vorzusehen. Diese Messgeräte verwenden ein Paar von Wärmeplatten,
die in einem zylindrischen Rohr untergebracht sind. Eine erste Wärme- bzw.
Sensorplatte ist horizontal in dem Rohr positioniert, um den Niederschlag
zu sammeln. Eine zweite Wärme-
bzw. Bezugsplatte ist vertikal unter der ersten Wärmeplatte positioniert,
um diese vor einem Kontakt mit dem Niederschlag zu schützen, wobei
sie jedoch denselben Lufttemperaturbedingungen ausgesetzt ist. Das
Paar von Wärmeplatten
wird jeweils individuell geheizt und bei einer im wesentlichen konstanten
Temperatur während
eines Niederschlags gehalten. Die Differenz des Stroms, der verwendet
wird, um die einzelnen Wärmeplatten
bei der im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten, wird quantifiziert
und zu der Niederschlagsrate gewandelt. Ein in dem Rohr unter den
Wärmeplatten
positionierter Ventilator zieht Luft durch das Rohr, um zu verhindern,
dass sich eine konvektierende Heizsäule am oberen Ende des Rohrs
entwickelt.
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Ein
erstes Problem bei diesem Messgerät besteht in der Ungenauigkeit
der Datenerfassung, die durch Sonnenstrahlung verursacht wird. Während niederschlagsfreier
Perioden heizen auf die obere Wärmeplatte
einfallende Sonnenstrahlen die Platte auf, sodass die Leistung fluktuiert,
die erforderlich ist, um die Temperatur im wesentlichen konstant zu
halten. Diese Leistungsfluktuationen verursachen ein Rauschen und
andere Ungenauigkeiten bei der Messung von Niederschlägen.
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Ein
zweites Problem bei diesem Messgerät besteht darin, den Niederschlag
aufzufangen und ein Abfließen
desselben von der oberen Wärmeplatte
zu verhindern, bevor er schmilzt bzw. verdunstet und dadurch die
Leistungsfluktuation verursacht. Dies ist insbesondere kritisch
bei verwehten Niederschlägen, wenn
der Wind den Niederschlag mit einem Winkel in das System führt.
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Ein
drittes Problem bei diesem Messgerät besteht darin, dass es groß und sperrig
ist und dedizierte mechanische Komponenten wie etwa einen Ventilator,
einen Ventilatormotor und ein Rohr benötigt, wodurch die Kosten erhöht werden
und eine regelmäßige Wartung
erforderlich gemacht wird. Weiterhin ist es für Messungen an entfernten Positionen vorteilhaft,
wenn so wenig Einrichtungen wie möglich mitgetragen werden müssen. Dies
ist insbesondere bei Positionen der Fall, die nur per Hubschrauber oder
Geländefahrzeuge
erreichbar sind.
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Ein
viertes Problem bei diesem Messgerät besteht darin, dass nicht
zwischen einem verwehten Niederschlag und einem normalen Niederschlag
unterschieden werden kann. Bei einem verwehten Niederschlag wird
Niederschlag wie etwa Schnee, der bereits auf die Erdoberfläche gefallen
ist, aufgrund von windigen Bedingungen zu verschiedenen Positionen
geblasen. Bei einem normalen Niederschlag fällt der Niederschlag zum ersten
Mal auf die Erdoberfläche.
Ein normaler Niederschlag kann bei im wesentlichen windstillen oder
windigen Bedingungen auftreten.
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Aus
diesen Gründen
besteht ein Bedarf für ein
Niederschlagsmesssystem, das die Sonnenstrahlung berücksichtigt,
zwischen verschiedenen Niederschlagsarten unterscheidet, kompakt
ist und verhindert, dass der Niederschlag das System wieder verlässt, bevor
er schmilzt und verdunstet.
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LÖSUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert.
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Das
Niederschlagsmesssystem der zu beschreibenden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beseitigt die oben genannten Probleme und
sieht einen Fortschritt gegenüber
dem Stand der Technik vor, indem es ein Heizplatten-Niederschlagsmesssystem
angibt, das die Sonnenstrahlung berücksichtigt, zwischen verwehten
Niederschlägen und
normalen Niederschlägen
unterscheidet und verhindert, dass Niederschlag vor dem Schmelzen
und Verdunsten aus dem System austritt. In dem Kontext der vorliegenden
Anmeldung sind unter Niederschlägen
die während
der Sommer- und während
der Wintermonate auftretenden Niederschläge zu verstehen. Beispiele
für Niederschläge sind
unter anderem Schnee, Dunst, Nebel, Nieselregen, Nebel, Eisregen und
Hagel. Der Niederschlag kann ein verwehter Niederschlag, ein normaler
Niederschlag oder eine Kombination aus einem verwehten Niederschlag
und einem normalen Niederschlag sein.
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Das
Niederschlagsmesssystem einer Ausführungsform umfasst eine obere
Heizplatte, die allgemein horizontal angeordnet ist, um die Aussetzung gegenüber fallendem
Niederschlag zu maximieren, und umfasst wenigstens einen Rand, der
die obere Fläche
zum Erfassen des Niederschlags umschreibt. Eine untere Wärmeplatte
ist direkt unter der oberen Wärmeplatte angeordnet,
um die untere Wärmeplatte
vor einem fallenden Niederschlag zu schützen, wobei die untere Wärmeplatte
aber derselben Lufttemperatur und denselben Windbedingungen ausgesetzt ist
wie die obere Wärmeplatte.
Wenigstens ein Sonnenstrahlungs-Sensor
ist in der Nähe
des Niederschlagsmesssystems vorgesehen, um die direkte und gestreute
Sonnenstrahlung zu messen. Während
eines Niederschlagereignisses werden die obere und die untere Wärmeplatte
bei einer konstanten Temperatur gehalten, wobei eine Energieverbrauchskurve
für jede
Wärmeplatte
quantifiziert wird. Die Energieverbrauchskurven werden in Bezug
auf die durch Sonnenstrahlung bedingte Erwärmung korrigiert, und die Niederschlagsrate
wird anhand der Differenz zwischen den korrigierten Energieverbrauchskurven
für die
obere und die untere Wärmeplatte
gemessen.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Niederschlagsmesssystems ist der wenigstens eine Sonnenstrahlungs-Sensor
durch einen Niederschlag-Ein/Aus-Sensor ersetzt, der das Niederschlagsmesssystem
automatisch zu Beginn eines Niederschlagsereignisses startet und
automatisch am Ende des Ereignisses beendet. In einer weiteren Ausführungsform
wird wenigstens ein weiteres Paar von Heizplatten verwendet, um
das Auftreten eines verwehten Niederschlagsereignisses oder eines
normalen Niederschlagsereignisses zu bestimmen, indem die Differenz
zwischen der die Heizplattenpaare kontaktierenden Niederschlagsmenge
gemessen wird.
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Weiterhin
können
eines oder mehrere der folgenden Merkmale in das vorliegende Niederschlagsmesssystem
aufgenommen werden: 1) ein Stativ, ein Ballon oder eine andere Flugeinrichtung, um
das Niederschlagsmesssystem über
die Erdoberfläche
zu heben; 2) eine Enteisungsvorrichtung, um zu verhindern, dass
sich Eis auf dem Stativ oder anderen Komponenten bildet; und 3)
eine Echtzeiteinstellung der im wesentlichen konstanten Temperatur der
Wärmeplatten
in Übereinstimmung
mit verschiedenen Niederschlagsraten.
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Ein
erster Vorteil der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Betriebstemperatur
des vorliegenden Niederschlagsmesssystems niedriger als bei den
Systemen aus dem Stand der Technik ist, weil der Niederschlag durch
die obere Wärmeplatte
erfasst und eingefangen wird. Dies ermöglicht Kosteneinsparungen und
reduziert die Gefahren, die bei der Handhabung einer erhitzten Einrichtung
entstehen können.
Ein zweiter Vorteil der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie kompakt ist und
keine voluminösen mechanischen
Komponenten umfasst, die verschleißen können oder eine häufige Wartung
benötigen. Ein
dritter Vorteil der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Enteisung des Stativs
oder der anderen Komponenten eine größere Genauigkeit bei der Niederschlagsmessung
gestattet. Ein vierter Vorteil der Aus führungsformen der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass eine Echtzeit-Temperatureinstellung
der Wärmeplatten
Strom spart, eine höhere
Genauigkeit bei der Niederschlagsmessung gestattet und eine Überlast
während
schwerer Niederschlagsereignisse verhindert.
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Aus
dem vorstehenden geht hervor, dass gemäß einem Aspekt der Erfindung
ein Heizplatten-Niederschlagsmesssystem angegeben wird, das umfasst:
eine
obere Wärmeplatte,
die fallenden Niederschlag auffängt
und einen Rand enthält,
um zu verhindern, dass der Niederschlag von der oberen Wärmeplatte herunterrutscht,
bevor der Niederschlag schmilzt,
eine untere Wärmeplatte
unter der oberen Wärmeplatte
in paralleler Beziehung zu der oberen Wärmeplatte, und
eine Sensor-Steuereinrichtung
sowie eine Verarbeitungseinrichtung, die mit der oberen Wärmeplatte und
der unteren Wärmeplatte
verbunden und so ausgeführt
sind, dass sie die obere Wärmeplatte
und die untere Wärmeplatte
auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur halten und eine
Niederschlagsmenge eines Niederschlagsereignisses in Reaktion darauf
bestimmen, dass die obere Wärmeplatte
und die untere Wärmeplatte
auf der im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden.
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Gemäß einem
anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems
angegeben, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Auffangen
von fallendem Niederschlag mit einer oberen Wärmeplatte, die einen Rand enthält, um zu
verhindern, dass der Niederschlag von der oberen Wärmeplatte
herunterrutscht, bevor der Niederschlag schmilzt, wobei eine untere
Wärmeplatte
unter der oberen Wärmeplatte
in paralleler Beziehung zu der oberen Wärmeplatte angeordnet ist, und
Halten
der oberen Wärmeplatte
und der unteren Wärmeplatte
auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur, und
Bestimmen
einer Niederschlagsmenge eines Niederschlagsereignisses in Reaktion
darauf, dass die obere Wärmeplatte
und die untere Wärmeplatte
auf der im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zur
Erläuterung
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beispielhafte Ausführungsformen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschreiben.
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1 zeigt
ein Niederschlagsmesssystem der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer Wärmeplatte der vorliegenden
Erfindung.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
die Betriebsschritte eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden
Erfindung in der Form eines Flussdiagramms.
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6 zeigt
alternative Betriebsschritte eines Niederschlagsmesssystems der
vorliegenden Erfindung in der Form eines Flussdiagramms.
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7 zeigt
alternative Betriebsschritte eines Niederschlagsmesssystems der
vorliegenden Erfindung in der Form eines Flussdiagramms.
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8 zeigt
die Steuerelektronik für
ein Niederschlagsmesssystem der vorliegenden Erfindung in der Form
eines Blockdiagramms.
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9 zeigt
verschiedene Anwendungen einschließlich von am Boden aufgestellten
und in der Luft gehaltenen Anwendungen eines Niederschlagsmesssystems
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Niederschlagsmesssystem – 1–4
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems 100.
Die Hauptkomponenten des Niederschlagsmesssystems 100 sind
eine Sensorelektronik und ein Stativ 112. Die Sensorelektronik
umfasst eine obere Wärmeplatte 101,
eine untere Wärmeplatte 102,
Sensor-Steuereinrichtungen 109, Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118,
einen Lufttemperatursensor 115 und eine entfernte Verarbeitungseinrichtung 110.
Die Wärmeplatten 101 und 102 sind über Klammern 107 und 108 mit
Befestigungspfosten 105 und 106 verbunden. Die
obere Wärmeplatte 101 ist
allgemein horizontal relativ zu der Erdoberfläche 121 positioniert, um
eine maximale Aussetzung an den fallenden Niederschlag vorzusehen.
Wenn jedoch etwa eine Messung auf einer geneigten Oberfläche vorgenommen wird,
sollte die obere Wärmeplatte 101 nicht
horizontal positioniert werden, um die Aussetzung an den fallenden
Niederschlag 117 zu maximieren. Die untere Wärmeplatte 102 ist
direkt unter der oberen Wärmeplatte 101 angeordnet
und derselben zugewandt, sodass die untere Wärmeplatte 102 derselben
Umgebungstemperatur und/oder demselben Luftfluss ausgesetzt ist
und gleichzeitig ein maximaler Schutz vor dem fallenden Niederschlag
vorgesehen wird. Eine Isolation 111 ist zwischen der oberen
Wärmeplatte 101 und
der unteren Wärmeplatte 102 positioniert, um
zu verhindern, dass die durch eine der Wärmeplatten 101 und 102 erzeugte
Wärme die
jeweils andere Wärmeplatte 102 bzw. 101 beeinflusst.
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Der
Sonnenstrahlungs-Sensor 114 ist an der Spitze des Befestigungspfostens 106 mittels
einer Klammer 107 befestigt und stellt die auf die obere Wärmeplatte 101 einfallende
Sonnenstrahlung fest. Der Sonnenstrahlungs-Sensor 118 ist
an einer Position unter der Wärmeplatte 102 an
dem Befestigungspfosten 106 befestigt und stellt die auf
die freiliegende Fläche 119 der
unteren Wärmeplatte 102 einfallende
Sonnenstrahlung fest. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass die
auf die untere Wärmeplatte 102 einfallende
Sonnenstrahlung allgemein durch eine Reflexion vom Boden 121 bedingt
ist, sodass der Sonnenstrahlungs-Sensor 118 nicht
vorgesehen werden muss, wenn keine derartige Reflexion gegeben ist.
In alternativen Ausführungsformen
kann der Sonnenstrahlungs-Sensor 114 an einer anderen Position
vorgesehen sein, wobei er jedoch in der Nähe der oberen Fläche 116 der
oberen Wärmeplatte 101 angeordnet
sein muss, um die Messung der auf die obere Fläche 116 einfallenden
Sonnenstrahlung zu unterstützen.
Entsprechend kann der Sonnenstrahlungs-Sensor 118 an einer anderen
Position vorgesehen sein, wobei er jedoch in der Nähe der freiliegenden
Fläche 119 der
unteren Wärmeplatte 102 angeordnet
sein muss. Der Lufttemperatursensor 115 ist mit dem Befestigungspfosten 105 in
der Nähe
der unteren Wärmeplatte 102 angeordnet.
Alternativ hierzu kann der Lufttemperatursensor 115 an einer
anderen Position in dem Niederschlagsmesssystem vorgesehen sein,
wobei er jedoch ausreichend nahe angeordnet sein muss, um die Messung der
Lufttemperatur durch das Niederschlagsmesssystem 100 zu
unterstützen,
und wobei er andererseits aber auch nicht den Niederschlag 117 auf
die obere Wärmeplatte 101 stören darf.
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Die
Sensor-Steuereinrichtungen 109 umfasst eine Verarbeitungselektronik
für die
Temperatursteuerung der Wärmeplatten 101 und 102.
Die Sensor-Steuereinrichtungen 109 sind mit einer unteren
Wärmeplatte 102,
einer oberen Wärmeplatte 101,
Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118 und einem
Lufttemperatursensor 115 verbunden. Die Sensor-Steuereinrichtungen
sind auch über
eine Kommunikationsverbindung 113 mit einer entfernten Verarbeitungseinrichtung 110 verbunden.
Die Sensor-Steuereinrichtungen können
alternativ hierzu auch innerhalb des Pfostens 102 vorgesehen
sein, operativ mit einem Niederschlags messsystem 100 an
einer entfernten Position verbunden sein oder an einer anderen Position
innerhalb oder in der Nähe des
Niederschlagsmesssystems 100 vorgesehen sein, solange die
Position nicht das Einfallen des Niederschlags 117 auf
die obere Wärmeplatte 101 stört. Dem
Fachmann sollte deutlich sein, dass die Sensorsteuerungen 109 in Übereinstimmung
mit dem Typ des gemessenen Niederschlags kalibriert werden. Zum
Beispiel kann sich die Kalibrierung der Sensor-Steuereinrichtungen 109 unterscheiden,
wenn es sich bei dem Niederschlag 117 um einen Sommerniederschlag
oder um einen Winterniederschlag handelt.
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Die
entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 sammelt Daten von
der oberen Wärmeplatte 101 und der
unteren Wärmeplatte 102 für eine in
Echtzeit oder danach erfolgende Berechnung und Verarbeitung der Niederschlagsrate.
Die entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 kann auch mit
einer Vielzahl von Niederschlagsmesssystemen 100 verbunden
sein. In diesem Fall sammelt die entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 Daten
von den mehreren Niederschlagsmesssystemen für die in Echtzeit oder danach
erfolgende Berechnung und Verarbeitung der Niederschlagsrate.
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Das
Stativ 112 ermöglicht
es, die obere Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte 102 über die
Erdoberfläche 121 zu
heben. Das Stativ 112 umfasst einen Pfosten 103;
eine Basisplatte 104 und Befestigungspfosten 105 und 106.
Die Befestigungspfosten 105 und 106 sind senkrecht
zu der Basisplatte 104 befestigt. Die Basisplatte 104 ist
mit dem oberen Ende des Pfostens 103 verbunden, und der
Pfosten 103 ist an der Erdoberfläche 121 festgemacht. Das
Stativ 112 kann verschiedene Höhen über der Erdoberfläche aufweist,
um verschiedene Anwendungen des Niederschlagsmesssystems zu unterstützen. Im
Gebirge oder in Regionen mit einem schweren Jahresschneefall kann
der Pfosten 103 zum Beispiel größer vorgesehen werden, um zu
verhindern, dass das Niederschlagsmesssystem 100 unter
tiefem Schnee vergraben wird. Entsprechend kann der Pfosten 103 in
Regionen mit dichter Vegetation und/oder dichtem Blätterdach
größer vorgesehen
werden, damit sich die Wärmeplatten 101 und 102 über die
Vegetation und/oder die Blätter
hinaus erstrecken, um das Auffangen einer maximalen Niederschlagsmenge 117 zu
unterstützen.
Entsprechend kann der Pfosten 103 in einer unfruchtbaren Region
kürzer
vorgesehen werden, da hier keine störende Vegetation vorhanden
ist. In einem weiteren Beispiel kann das Niederschlagsmesssystem 100 überhaupt
keinen Pfosten 103 umfassen, um die Beweglichkeit des Niederschlagsmesssystems 100 zu verbessern.
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Ein
bevorzugtes Merkmal des vorliegenden Niederschlagsmesssystems besteht
darin, dass die Windgeschwindigkeit unter Verwendung der unteren Wärmeplatte
berechnet werden kann, die nicht dem Niederschlag aber der gleichen
Windstärke
ausgesetzt ist. Die Windgeschwindigkeit wird unter Verwendung des
Energieverbrauchs der unteren Wärmeplatte 102 relativ
zu der Lufttemperatur in dem Niederschlagsmesssystem 100 berechnet.
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In
alternativen Ausführungsformen
für extreme
Winterwetterbedingungen umfasst das Niederschlagsmesssystem 100 auch
eine Enteisungsvorrichtung zum Enteisen des Stativs 112 und
der Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118. Insbesondere bildet
sich bei extremen Winterwetterbedingungen Eis auf den Befestigungspfosten 105 und 106,
den Klammern 107 und 108, der Basisplatte 104 und
den Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118. Das
Eis hat einen Einfluss auf die Energie, die erforderlich ist, um
die Wärmeplatten 101 und 102 bei
einer konstanten Temperatur zu halten, auf die Sonnenstrahlungsmessung
und – wie
aus den folgenden Erläuterungen hervorgeht – auf die
Genauigkeit des Niederschlagsmesssystems 100. Die Enteisungsvorrichtung
kann eine beliebige Vorrichtung sein, die verhindert, dass sich
Eis an den Befestigungspfosten 105 und 106, den
Klammern 107 und 108, der Basisplatte 104 und den
Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118 bildet. Beispiele
für eine
Enteisungsvorrichtung sind unter anderem die Anwendung von chemischen
Frostschutzmitteln oder das Vorsehen einer Elektrode bzw. eines
anderen Heizelements, das die Befestigungspfosten 105 und 106,
die Klammern 107 und 108, die Basisplatte 104 und
die Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118 geringfügig erwärmt.
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2 zeigt
ein Beispiel für
die obere Wärmeplatte 101.
Die obere Wärmeplatte 101 umfasst
konzentrische Ränder 200, 201 und 202,
die die obere Fläche 116 umschreiben,
um Niederschlag 117 auf der oberen Wärmeplatte 101 aufzufangen
und zu halten. Die konzentrischen Ränder sind vorgesehen, um zu
verhindern, dass Niederschlag 117 von der oberen Wärmeplatte 101 herunterrutscht,
bevor er schmilzt und/oder verdunstet, wodurch das Niederschlagsmesssystem 100 sehr
empfindlich für
leichte Niederschlagsereignisse gemacht wird, die bei ungefähr 0,25
mm (0,01 Zoll) pro Stunde liegen. Alternative Konfigurationen für die obere
Wärmeplatte 101 sind zum
Beispiel ein einziger konzentrischer Rand um den Durchmesser des
oberen Fläche 116 oder
eine Vielzahl von konzentrischen Rändern, um eine gerippte obere
Fläche 116 zu
bilden.
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Die
untere Wärmeplatte 102 sollte
identisch mit der oberen Wärmeplatte 101 sein,
sodass sich die obere Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte
in einer linearen Beziehung zueinander abkühlen. Dadurch wird die Niederschlagsmessung
und die Windgeschwindigkeitsberechnung vereinfacht, weil auf zusätzliche
Berechnungen zur Kompensation einer nicht-linearen Abkühlungsbeziehung
verzichtet werden kann, die durch geometrisch unterschiedlich geformte
Wärmeplatten
bedingt würden.
In alternativen Ausführungsformen
können
die obere Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte 102 verschiedene
Formen mit unterschiedlicher Geometrie aufweisen, sofern die obere
Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte 102 eine
kreisrunde Form und einen Durchmesser von 15,2 cm (6 Zoll) aufweisen. Die
obere Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte 102 können aus
einem beliebigen leitenden Material wie etwa Aluminium ausgebildet
sein.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung,
nämlich
ein Niederschlagsmesssystem 300. Das Niederschlagsmesssystem 300 ist
mit dem Niederschlagsmesssystem 100 mit der Ausnahme identisch,
dass in dem Niederschlagsmesssystem 300 die Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118 durch
einen Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 ersetzt sind. Der
Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 setzt
den Rauschschwellwert des Niederschlagsmesssystems 300 herunter,
indem er den Beginn eines Niederschlagsereignisses feststellt und das
Niederschlagsmesssystem 300 startet. Der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 stellt
dann das Ende des Niederschlagsereignisses fest und schaltet das Niederschlagsmesssystem 300 aus.
Der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 kann das Niederschlagsmesssystem 300 unmittelbar
auf ein Niederschlagsereignis folgend oder nach Ablauf einer vorbestimmten
Zeitspanne nach dem Ende des Niederschlagsereignisses ausschalten.
Wenn das Niederschlagsmesssystem 300 erst nach einer bestimmten
Zeitspanne nach dem Niederschlagsereignis ausgeschaltet wird, kann
sichergestellt werden, dass das Niederschlagsereignis tatsächlich zu
Ende ist. Dadurch wird verhindert, dass ein Teil eines intermittierenden
Niederschlagsereignisses aufgrund der Systemstarts verpasst wird.
Das Niederschlagsmesssystem 300 ist also nur während tatsächlicher
Niederschlagsereignisse aktiv, wodurch falsche Messergebnisse aufgrund
von Sonnenstrahlung und/oder Wind beseitigt werden. Ein bevorzugtes
Merkmal dieser Ausführungsform
sieht vor, dass der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 den
Stromverbrauch des Niederschlagsmesssystems 300 reduziert,
da das Niederschlagsmesssystem 300 nur während eines Niederschlagsereignisses
eingeschaltet wird und nach Beendigung des Niederschlagsereignisses ausgeschaltet
wird.
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4 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung,
nämlich
das Niederschlagsmesssystem 400. Der Fachmann kann zahlreiche andere
Konfigurationen für
die zuvor beschriebene Erfindung entwickeln. Dem Fachmann sollte
außerdem
deutlich sein, wie die im Folgenden beschriebenen Merkmale mit den
zuvor beschriebenen kombiniert werden können.
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Das
Niederschlagsmesssystem 400 umfasst ein Niederschlagsmesssystem 100 und
ein zweites Niederschlagsmesssystem 411, die über einen
Arm 404 mit dem Pfosten 103 verbunden sind. Alternativ hierzu
kann das Niederschlagsmesssystem 411 auf geeignete Weise
mit dem Pfosten 103 oder mit einem eigenen Pfosten verbunden
sein, sofern es dem Niederschlag 117 ausgesetzt bleibt.
Das zweite Niederschlagsmesssystem 411 umfasst eine zweite
obere Wärmeplatte 401,
eine zweite untere Wärmeplatte 402,
Klammern 408 und 409, Befestigungspfosten 406 und 407,
einen Sonnenstrahlungs-Sensor 410 und eine Basisplatte 405.
Die Wärmeplatten 401 und 402,
die Basisplatte 405, die Befestigungspfosten 406 und 407,
der Sonnenstrahlungs-Sensor 410 und die Klammern 408 und 409 sind
alle jeweils mit den Wärmeplatten 101, 102,
der Basisplatte 104, den Befestigungspfosten 105 und 106,
dem Sonnenstrahlungs-Sensor 114 und den Klammern 107 und 108 identisch.
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Das
Niederschlagsmesssystem 400 bietet dieselben Funktionen
wie das Niederschlagsmesssystem 100, wobei es zusätzlich noch
ein verwehten Niederschlagsereignis von einem normalen Niederschlagsereignis
unterscheiden kann. Ein wichtiger Aspekt dieser Ausführungsform
ist die Höhendifferenz
zwischen den Niederschlagsmesssystemen 100 und 411.
Eines der Niederschlagsmesssysteme 100 und 411 sollte
wesentlich höher
als das jeweils andere Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 positioniert
werden, sodass es nicht durch einen Niederschlag erreicht werden
kann, der bereits niedergegangen ist, aber durch windige Bedingungen
verweht wird. Das höhere
der Niederschlagsmesssysteme 100 bzw. 411 kann
also nur durch normal fallenden Niederschlag erreicht werden. Das
jeweils andere Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 sollte
an einer niedrigeren Höhe
positioniert werden, sodass sowohl normal fallender Niederschlag
als auch bereits niedergegangener, aber aufgrund von windigen Bedingungen
verwehter Niederschlag das untere Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 erreichen kann.
Unter Verwendung dieser Konfiguration kann zwischen einem verwehten
Niederschlagsereignis und einem normalen Niederschlagsereignis unterschieden
werden, indem der an den jeweiligen Niederschlagsmesssystemen 100 und 411 gemessene Niederschlag
verglichen wird. Wenn beide Niederschlagsmesssysteme 100 und 411 im
wesentlichen dieselbe Niederschlagsmenge messen, dann kann daraus
geschlossen werden, dass es sich bei dem Niederschlagsereignis ausschließlich um
ein normales Niederschlagsereignis handelt. Wenn kein Niederschlag
an dem höheren
Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 festgestellt
wird, dann kann daraus geschlossen werden, dass es sich nur um ein
verwehtes Niederschlagsereignis handelt. Wenn an beiden Niederschlagsmesssystemen 100 bzw. 411 ein Niederschlagsereignis
festgestellt wird, aber wesentlich mehr Niederschlag an dem niedrigeren
Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 gemessen
wird, dann kann daraus geschlossen werden, dass es sich bei dem
Niederschlagsereignis um eine Kombination aus einem normalen und
einem verwehten Niederschlagsereignis handelt.
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Dem
Fachmann sollte deutlich sein, dass zahlreiche Höhendifferenzen zwischen den
Niederschlagsmesssystemen 100 und 411 vorgesehen
werden können.
Zum Beispiel kann das Niederschlagsmesssystem 100 bei einer
Höhe von
30,5 Metern (100 Fuß)
relativ zu der Erdoberfläche 121 vorgesehen
werden, während
das Niederschlagsmesssystem 411 bei einer Höhe von 9,1
Metern (30 Fuß)
relativ zu der Erdoberfläche 121 vorgesehen
wird. In einem anderen Beispiel kann das Niederschlagsmesssystem 100 bei
einer Höhe
von 15,2 Metern (50 Fuß) relativ
zu der Erdoberfläche
vorgesehen werden, während
das Niederschlagsmesssystem 411 bei einer Höhe von 1,5
Metern (5 Fuß)
relativ zu der Erdoberfläche
vorgesehen wird.
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Es
ist außerdem
zu beachten, dass das Niederschlagsmesssystem 100 durch
das Niederschlagsmesssystem 300 ersetzt werden kann, das einen
Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 umfasst. In diesem Fall
kann das Niederschlagsmesssystem 411 Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 oder 118 oder
einen Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 umfassen. Die Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 oder 118 und der
Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 sind jedoch nicht erforderlich,
weil der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 an dem Niederschlagsmesssystem 300 verwendet
werden kann, um das Ein- bzw. Ausschalten des gesamten Niederschlagsmesssystems 400 zu
steuern.
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In
anderen Ausführungsformen
können
eine Vielzahl von Niederschlagsmesssystemen 411 mit dem
Pfosten 103 verbunden sein, um die Messgenauigkeit zu verbessern.
Entsprechend können eine
Vielzahl von Niederschlagsmesssystemen 400 an einer Vielzahl
von Positionen verwendet werden und jeweils eigene Sensor-Steuereinrichtungen
und entfernte Verarbeitungseinrichtungen umfassen bzw. mit den Sensor-Steuereinrichtungen 109 und
der entfernten Verarbeitungseinrichtung 110 verbunden sein.
Die mehrfachen Niederschlagsmesssysteme 411 oder 400 verbessern
die Genauigkeit bei der Messung von Niederschlagsraten, der Unterscheidung
zwischen verwehten und normalen Niederschlagsereignissen und bei
der Berechnung der Windgeschwindigkeit, wenn mehrere Datensätze erfasst
werden.
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Betriebsschritte und Steuerung – 5–8
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5 zeigt
die Betriebsschritte eines Niederschlagsmesssystems in der Form
eines Flussdiagramms. Das System beginnt in Schritt 500 und schreitet
zu der Systeminitialisierung von Schritt 502 fort. Die
Systeminitialisierung 502 umfast unter anderem das Aufheizen
einer oberen Wärmeplatte 101 und
einer unteren Wärmeplatte 102 auf
eine vorbestimmte Betriebstemperatur sowie das Kalibrieren der oberen
Wärmeplatte 101 mit
der unteren Wärmeplatte 102.
Die optimale Betriebstemperatur für die obere Wärmeplatte 101 ist
allgemein unter dem lokalen Siedepunkt von Wasser, jedoch ausreichend heiß, um den
Niederschlag 117 im wesentlichen unmittelbar – d.h. innerhalb
von 5 bis 10 Sekunden – verdunsten
zu lassen. Alternativ hierzu kann die Betriebstemperatur in einigen
Fällen über dem
lokalen Siedepunkt von Wasser liegen, etwa während schwerer Niederschlagsereignisse.
die Betriebstemperatur kann in Abhängigkeit von kritischen Betriebsbedingungen
programmiert und eingestellt werden, wozu zum Beispiel die Niederschlagsrate,
die Umgebungstemperatur, die Feuchtigkeit und die Niederschlagsmenge
gehören.
Zum Beispiel verdunsten kleine Niederschläge schneller als mit derselben Rate
fallende große
Niederschläge,
sodass die Betriebstemperaturen bei kleinen Niederschlägen niedriger
sein können.
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Wenn
die obere Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte 102 eine
optimale Betriebstemperatur für
die vorliegenden Bedingungen aufweisen, beginnt ein kontinuierlicher
Zyklus für
beide Wärmeplatten 101 und 102.
Die Temperatur der oberen Wärmeplatte 102 wird
in Schritt 504 getestet. Wenn in Schritt 505 entscheiden
wird, dass die Temperatur über
oder unter einer idealen vorbestimmten Temperatureinstellung ist,
wird der Strom zu der oberen Wärmeplatte 101 in
Schritt 506 entsprechend eingestellt, um die ideale vorbestimmte
Temperatur zu halten, wobei die Verarbeitung dann zu Schritt 512 fortschreitet.
Wenn in Schritt 505 entschieden wird, dass die Temperatur
bei der idealen vorbestimmten Einstellung ist, dann schreitet die
Verarbeitung zu Schritt 512 fort.
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Im
wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess der Schritte 504, 505 und 506 wird die
Temperatur der unteren Wärmeplatte 102 in Schritt 509 getestet.
Wenn in Schritt 510 entschieden wird, dass die Temperatur über oder
unter der idealen vorbestimmten Temperatureinstellung ist, wird
der Strom zu der unteren Wärmeplatte 102 in
Schritt 511 dementsprechend eingestellt, um die ideale
vorbestimmte Temperatur zu halten, wobei dann zu Schritt 512 fortgeschritten
wird. Wenn in Schritt 510 entschieden wird, dass die Temperatur
bei der idealen vorbestimmten Temperatur ist, dann schreitet die Verarbeitung
zu Schritt 512 fort.
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Im
wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess der Schritte 504, 505, 506, 509, 510 und 511 wird
in Schritt 507 die Lufttemperatur gemessen und wird in
Schritt 517 die auf die obere Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte 102 einfallende
Sonnenstrahlung gemessen. Die Lufttemperatur und die Sonnenstrahlung
werden in Schritt 508 mit einem Zeitstempel in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet.
Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass die Lufttemperatur auf einer
kontinuierlichen Basis oder mit vorbestimmten Zeitintervallen während der
Prozessschritte 504, 505, 506, 509, 510 und 511 in
Schritt 507 getestet und in Schritt 508 aufgezeichnet
werden kann. Dem Fachmann sollte außerdem deutlich sein, dass
die Schritte zum Steuern der Temperatur anstatt einer Steuerung
des Stroms zu der unteren Wärmeplatte 102 und
der oberen Wärmeplatte 101 alternativ
auch eine Steuerung der Spannung vorsehen können, sodass eine konstante
Leistungseinstellung für
die untere Wärmeplatte 102 und/oder
die obere Wärmeplatte 101 erreicht
wird.
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Im
wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess zum Testen
der Temperatur der Wärmeplatten
und dem Prozess zum Testen der Lufttemperatur werden die durch die
obere Wärmeplatte 101 und
durch die Wärmeplatte 201 gezogenen Strommengen
in Schritt 512 verglichen. Wenn ein Niederfall 117 auf
die obere Wärmeplatte 101 fällt, schmilzt
oder verdunstet der Niederschlag 117 im wesentlichen unmittelbar
und kühlt
dadurch die obere Fläche 116 der
oberen Wärmeplatte 101.
Die untere Wärmeplatte 102 ist
mit Ausnahme des Niederschlags 117 denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt
wie die obere Wärmeplatte 101.
Deshalb ist bei Abwesenheit einer Sonnenstrahlung die Differenz
zwischen dem Energieverbrauch der oberen Wärmeplatte 101 und
dem Energieverbrauch der unteren Wärmeplatte 102 direkt
proportional zu der auf die obere Wärmeplatte 101 fallenden
Niederschlagsrate. Weil weiterhin die einzelnen schmelzenden oder verdunstenden
Niederschlagspartikeln in Abhängigkeit
von dem Niederschlagstyp wie etwa Schnee, Nieselregen oder Regen
eine unterschiedlichen Energieverbrauch verursachen, können die
verschiedenen Niederschlagstypen durch einen Vergleich der entsprechenden
Energieverbrauchskurven unterschieden werden.
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Der
Energieverbrauch der oberen Wärmeplatte 101 und
der unteren Wärmeplatte 102 sowie die
Differenz des Energieverbrauchs werden in Schritt 513 in
den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet und zeitgestempelt.
In Schritt 514 wendet sich der entfernte Prozessor 110 periodisch an
die lokale Verarbeitungseinrichtung in den Sensor-Steuereinrichtungen 109,
um Niederschlagsdaten, Lufttemperaturdaten und Sonnenstrahlungsdaten
für die
weitere Verarbeitung und Aufzeichnung zusammen mit den Daten von
anderen Niederschlagsmesssystemen abzufragen.
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Wenn
in Schritt 515 entschieden wird, dass die Feststellung
des Energieverbrauchs und die Datenaufzeichnung fortgesetzt werden
sollen, fährt
die Verarbeitung mit Schritt 512 fort. Wenn in Schritt 515 entschieden
wird, dass die Feststellung des Energieverbrauchs und die Datenaufzeichnung
nicht fortgesetzt werden sollen, wird die Verarbeitung in Schritt 516 beendet.
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6 zeigt
alternative Operationsschritte eines Niederschlagsmesssystems in
der Form eines Flussdiagramms. Das System entscheidet in Schritt 600,
ob der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 ein Niederschlagsereignis
feststellt. Wenn in Schritt 600 kein Niederschlagsereignis
festgestellt wird, wartet der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor in Schritt 604,
wobei dann in Schritt 600 wiederum entschieden wird, ob
ein Niederschlagsereignis festgestellt wird. Wenn in Schritt 600 ein
Niederschlagsereignis festgestellt wird, startet der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor in
Verbindung mit der Verarbeitungseinrichtung in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 das
Niederschlagsmesssystem 100 und schreitet zu der Systeminitialisierung
in Schritt 602 fort. Die Systeminitialisierung 602 umfasst
unter anderem ein Erhitzen der oberen Wärmeplatte 101 und
der unteren Wärmeplatte 102 auf
eine vorbestimmte Betriebstemperatur sowie das Kalibrieren der oberen
Wärmeplatte 101 mit
der unteren Wärmeplatte 102.
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Wenn
die obere Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte 102 auf
einer optimalen Betriebstemperatur für die vorliegenden Bedingungen
sind, beginnt ein kontinuierlicher Zyklus für beide Wärmeplatten 101 und 102.
Die Temperatur der oberen Wärmeplatte 101 wird
in Schritt 605 getestet. Wenn in Schritt 606 entschieden
wird, dass die Temperatur über
oder unter einer idealen vorbestimmten Temperatureinstellung ist,
wird der Strom zu der oberen Wärmeplatte 101 in
Schritt 607 dementsprechend eingestellt, um die ideale
vorbestimmte Temperatur zu erhalten, wobei die Verarbeitung dann
mit Schritt 611 fortfährt.
Wenn in Schritt 606 entschieden wird, dass die Temperatur
bei der idealen vorbestimmten Einstellung ist, dann schreitet die
Verarbeitung mit Schritt 611 fort.
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Im
wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess der Schritte 605, 606 und 607 wird in
Schritt 608 die Temperatur der unteren Wärmeplatte 102 getestet.
Wenn in Schritt 609 entschieden wird, dass die Temperatur über oder
unter der idealen vorbestimmten Temperatureinstellung ist, wird
der Strom zu der unteren Wärmeplatte 102 in
Schritt 610 dementsprechend eingestellt, um die ideale
vorbestimmte Temperatur zu halten, wobei die Verarbeitung dann mit
Schritt 611 fortfährt.
Wenn in Schritt 609 entschieden wird, das die Temperatur
bei der idealen vorbestimmten Einstellung ist, dann schreitet die
Verarbeitung mit Schritt 611 fort. Im wesentlichen gleichzeitig
zu dem kontinuierlichen Prozess der Schritte 605, 606, 607, 608, 609 und 610 wird
in Schritt 616 die Lufttemperatur gemessen und in Schritt 617 mit
einem Zeitstempel in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet.
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Im
wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess zum Resten
der Temperatur der Wärmeplatten
und zum Testen der Lufttemperatur werden die durch die obere Wärme platte 101 und durch
die untere Wärmeplatte 102 gezogenen
Strommengen in Schritt 611 verglichen. Wenn ein Niederschlag 117 auf
die obere Wärmeplatte 101 fällt, werden
in Schritt 612 der Energieverbrauch der oberen Wärmeplatte 101 und
der unteren Wärmeplatte 102 sowie
die Differenz des Energieverbrauchs in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet
und zeitgestempelt. In Schritt 613 wendet sich die entfernte
Verarbeitungseinrichtung 110 periodisch an die lokale Verarbeitungseinrichtung
in den Sensor-Steuereinrichtungen 109, um die Niederschlagsdaten
und die Lufttemperaturdaten für
die weitere Verarbeitung und Aufzeichnung gemeinsam mit den Daten
von den anderen Niederschlagsmesssystemen abzurufen.
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Wenn
das Niederschlagsereignis in Schritt 614 andauert, fährt die
Verarbeitung mit Schritt 611 fort. Wenn das Niederschlagsereignis
in Schritt 614 beendet ist, schaltet der Ein/Aus-Sensor 301 in
Verbindung mit dem Mikroprozessor in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 das
Niederschlagsmesssystem aus, wobei die Verarbeitung in Schritt 615 beendet
wird. Vorzugsweise wird in dieser Ausführungsform das Rauschen von
der Sonnenstrahlung im wesentlichen beseitigt, weil das Niederschlagsmesssystem
nur während
eines Niederschlagsereignisses aktiviert wird.
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7 zeigt
alternative Betriebsschritte für die
Niederschlagsmesssysteme von 5 in der Form
eines Flussdiagramms. Das System beginnt in Schritt 500 und
schreitet über
die Schritte 501–511 zu dem
Schritt 711 fort. Im wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen
Prozess zum Testen der Temperatur der Wärmeplatten und dem Prozess
zum Testen der Lufttemperatur werden in Schritt 702 der durch
die obere Wärmeplatte 101 und
durch die untere Wärmeplatte 02 gezogene
Strom verglichen. Der Energieverbrauch für die obere Wärmeplatte 101 und
die untere Wärmeplatte 102 sowie
die Differenz des Energieverbrauchs werden in Schritt 703 mit
einem Zeitstempel in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet.
In Schritt 704 wendet sich die entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 periodisch
an die lokale Verarbeitungseinrichtung in den Sensor-Steuereinrichtungen 109,
um die Niederschlagsdaten, die Lufttemperaturdaten und die Sonnenstrahlungsdaten
für die
weitere Verarbeitung und Aufzeichnung zusammen mit den Daten von
anderen Niederschlagsmesssystemen abzurufen. Wenn in Schritt 706 entschieden
wird, dass die Feststellung des Energieverbrauchs und die Datenaufzeichnung fortgesetzt
werden sollen, schreitet die Verarbeitung zu Schritt 707 fort.
Wenn in Schritt 704 entschieden wird, dass die Niederschlagsrate
abgenommen hat, dann wird in Schritt 708 die im wesentlichen
konstante Temperatur der Wärmeplatten 101 und 102 in
Entsprechung zu der abgenommenen Niederschlagsrate verringert. Wenn
in Schritt 707 entschieden wird, dass die Niederschlagsrate
nicht zugenommen oder abgenommen hat, dann schreitet die Verarbeitung
zu Schritt 702 fort. Wenn in Schritt 706 entschieden wird,
dass die Feststellung des Energieverbrauchs und die Datenaufzeichnung
nicht fortgesetzt werden sollen, dann wird in Schritt 705 die
Verarbeitung beendet.
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Ein
bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Ausführungsform besteht in der Echtzeit-Leistungssteuerung
für die
Wärmeplatten 101 und 102.
Vorzugsweise gestattet die Echtzeit-Leistungssteuerung für die Wärmeplatten 101 und 102 eine
größere Genauigkeit
bei der Niederschlagsmessung, indem die im wesentlichen konstante
Temperatur in Übereinstimmung
mit verschiedenen Niederschlagsraten eingestellt wird. Weiterhin
spart die Echtzeit-Leistungssteuerung
Leistung, indem die Leistung während
leichterer Niederschlagsereignisse reduziert wird.
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8 zeigt
die Steuerelektronik für
das Niederschlagsmesssystem in der Form eines Blockdiagramms. Das
Niederschlagsmesssystem wird mit einer Wechselspannung von 110 V
oder alternativ hierzu bei entfernten Operationen mit einer Gleichspannung
von 12 V betrieben. In beiden Fällen
sieht die Spannungsquelle 800 mit einer entsprechenden
Erdung 801 die Leistung für das gesamte System vor.
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Die
obere Wärmeplatte 101 ist
in einer Schleife mit einem Thermistor 802 zum Testen der Temperatur
und einer Verstärkungssteuereinrichtung 803 zum
bedarfsmäßigen Einstellen
des Stroms zu der oberen Wärmeplatte 101 verbunden.
Alternativ hierzu kann die Temperatur der oberen Wärmeplatte 101 gemessen
werden, indem der Widerstand des Heizelements in der oberen Wärmeplatte
festgestellt wird. Der Mikroprozessor 804 vergleicht und
zeitstempelt die Daten zu dem durch die obere Wärmeplatte 101 gezogenen
Strom und sendet die Daten zu einer entfernten Verarbeitungseinrichtung 805,
um die abschließende
Berechnung der Niederschlagsrate durchzuführen. Entsprechend ist die
untere Wärmeplatte 102 in
einer Schleife mit einem Thermistor 806 zum Testen der
Temperatur und einer Verstärkungssteuereinrichtung 807 zum
bedarfsmäßigen Einstellen
des Stroms zu der unteren Wärmeplatte 102 verbunden.
Der Mikroprozessor 804 vergleicht und zeitstempelt die
Daten zu dem durch die untere Wärmeplatte 102 gezogenen
Strom und sendet die Daten zu der entfernten Verarbeitungseinrichtung 805,
um die abschließende
Berechnung der Niederschlagsrate durchzuführen. Ein Temperatursensor 810 ist
mit dem Mikroprozessor 804 verbunden. Der Mikroprozessor 804 überwacht
den Temperatursensor 810, zeitstempelt die Daten zu der
Lufttemperatur und sendet die Daten zu der entfernten Verarbeitungseinrichtung 805,
um die Windgeschwindigkeit zu berechnen.
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In
Ausführungsformen
mit Sonnenstrahlungs-Sensoren sind die Sonnenstrahlungs-Sensoren 808 mit
dem Mikroprozessor 804 verbunden. Der Mikroprozessor 804 vergleicht
und zeitstempelt die Daten zu der Sonnenstrahlung und sendet die
Daten zu der entfernten Verarbeitungseinrichtung 805, um die
Niederschlagsdaten unter Berücksichtigung
der Sonnenstrahlung anzupassen und die abschließende Berechnung der Niederschlagsrate
durchzuführen.
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In
Ausführungsformen
mit einem Niederschlag-Ein/Aus-Sensor ist ein Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 809 mit
dem Mikroprozessor 804 verbunden. Der Mikroprozessor 804 überwacht den
Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 809 auf den Beginn eines Niederschlagsereignisses
und startet das Niederschlagsmesssystem am Beginn des Niederschlagsereignisses.
Der Mikroprozessor 804 überwacht
dann den Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 809 auf das Ende eines
Niederschlagsereignisses und schaltet das Niederschlagsmesssystem
am Ende des Niederschlagsereignisses ab.
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Anwendungen – 9
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9 zeigt
auf dem Boden installierte und in der Luft fliegende Anordnungen
für ein
Heizplatten-Niederschlagsmesssystem 900 der vorliegenden Erfindung.
Während
des Betriebs in auf dem Boden installierten Anordnungen kann das
Heizplatten-Niederschlagsmesssystem 900 auf dem Stativ 901,
auf einem Dach 902 oder direkt auf der Erdoberfläche 121 ruhen.
Alternativ hierzu kann das Heizplatten-Niederschlagsmesssystem 900 in
einer in der Luft fliegenden Anordnung unter Verwendung eines Ballons
oder einer anderen Flugeinrichtung zu verschiedenen Höhen gehoben
werden. Es ist zu beachten, dass in Abhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen
zum Zeitpunkt der Messung unter Umständen verschiedene Schritte
ausgeführt
werden müssen,
um den Ballon 904 bzw. die Flugeinrichtung während der
Messung zu stabilisieren.
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Die
oben beschriebenen Elemente können Befehle
umfassen, die auf Speichermedien gespeichert sind. Diese Befehle
können
dann durch die Verarbeitungseinrichtungen abgerufen und ausgeführt werden.
Beispiele für
derartige Befehle sind Software, Programmcode und Firmware. Einige
Beispiele für
Speichermedien sind Speichereinrichtungen, Bänder, Platten, ICs und Server.
Die Befehle sind operativ, wenn sie durch die Verarbeitungseinrichtungen
ausgeführt
werden, um die Verarbeitungseinrichtungen in Übereinstimmung mit der Erfindung
zu betreiben. Unter "Verarbeitungseinrichtung" ist hier eine einzelne
Verarbeitungseinrichtung oder eine Gruppe von zusammenwirkenden
Verarbeitungseinrichtungen zu verstehen. Beispiele für Verarbeitungseinrichtungen
sind ICs und logische Schaltungen. Der Fachmann sollte mit Befehlen,
Verarbeitungseinrichtungen und Speichermedien vertraut sein.
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Es
wurde ein Heizplatten-Niederschlagsmesssystem zum Messen von Niederschlagsraten beschrieben,
das die zuvor genannten Aufgaben, Ziele und Vorteile erfüllt. Das
Heizplatten-Niederschlagsmesssystem
wurde in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen beschrieben, wobei
jedoch deutlich sein sollte, dass durch den Fachmann viele Alternativen,
Modifikationen und Variationen vorgesehen werden können, ohne
dass dadurch der durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindungsumfang
verlassen wird.