DE8900782U1 - Device for measuring precipitation - Google Patents
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Description
Hans-Jürgen Dahl
2111 KönigsmoorHans-Jürgen Dahl
2111 Koenigsmoor
Dr. Boris Sevruk
Zürich (Schweiz)Dr. Boris Sevruk
Zurich, Switzerland)
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Niederschlagsmessung, aufweisend einen in einem Gehäuse untergebrachten Sammelbehälter mit Auffangtrichter und Auslauf in ein Zweistellungs-Kippgefäß, welches bei Erreichen einer kalibrierten Niederschlagsmenge umkippt, diese Menge freigibt und einen elektronischen Zählimpuls an einer Auswerveschaltung gibt.The invention relates to a device for measuring precipitation, comprising a collecting container housed in a housing with a collecting funnel and outlet into a two-position tilting container, which tips over when a calibrated amount of precipitation is reached, releases this amount and gives an electronic counting pulse to an ejection circuit.
Obgleich die Niederschlagsmessung eine der ältesten und im Prinzip eine der einfachsten Meßtechniken von Umweltparametern darstellt, ist dennoch eine Reihe von Problemen, die sich bei der Messung herausstellen, nicht zufriedenstellend gelöst worden. Es wird nämlich meist die Tatsache außer Acht gelassen, daß sich ein Niederschlagsteilchen in einem Windfeld bewegt, welches durch die Anwesenheit des Niederschlagsmessers wesentlich beeinflußt wird. Dadurch entsteht ein systematischer Verlust an der gemessenen Niederschlagsmenge. Dieser nimmt mit zunehmender Windgeschwindigkeit zu und ist für Regen kleiner als für Schnee, weil die Schneeteilchen wesentlich leichter als die Regentropfen sind.Although precipitation measurement is one of the oldest and, in principle, one of the simplest techniques for measuring environmental parameters, a number of problems that arise during measurement have not been satisfactorily resolved. The fact that a precipitation particle moves in a wind field that is significantly influenced by the presence of the rain gauge is often ignored. This results in a systematic loss of the measured amount of precipitation. This increases with increasing wind speed and is smaller for rain than for snow because the snow particles are significantly lighter than the raindrops.
Durch die Veränderung der Umgebung, beispielsweise durch Wachstum der Bäume, Abholzung oder Neubauten können die Niederschlagsmeßwerte infolge des veränderten Windfeldes desDue to changes in the environment, for example due to tree growth, deforestation or new construction, the precipitation measurements can be affected by the changed wind field of the
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Meßplatzes auch unerwartet zu- oder abnehmen. Daraus ergeben sich die bekannten "inhomogenen Zeitreihen".measuring point can also increase or decrease unexpectedly. This results in the well-known "inhomogeneous time series".
Obwohl dies seit längerem bekannt ist, wird immer noch so vorgegangen, daß in einem Gefäß Regen oder Schnee gesammelt,
aufbewahrt und zu bestimmten Zeitpunkten gemessen wird. Der Fachmann weiß jedoch, c!aß derartige Meßwerte sehr ungenau
sein können, weil Einflußgrößen wie Wind und Temperatur nicht unmittelbar erfaßt werden können. Dabei ist
bemerkenswert, daß der Wind am oberen Ende des Niederschlagsmessers gemessen wird, weil damit die
Beeinflussung dec Windfeldes durch die unmittelbare Umgebung erfaßt wird. Es ist weiterhin vorstellbar, daß
beispielsweise Schnee bei ungünstiger Windrichtung aus dem Auffangbehälter herausgewirbelt werden kann, so daß eine
viel zu niedrige Niederschlagsmenge ermittelt wird.
Beim Ablesen der aufgefangenen Niederschlagsmenge ist weiter nicht mehr zu erkennen, ob dieser Niederschlag nun in Form
von Regen oder Schnee aufgefangen wurde und in welcher Weise der Wind die aufgefangene Menge beeinflußt hat.Although this has been known for a long time, the procedure is still to collect rain or snow in a container, store it and measure it at specific times. However, the expert knows that such measurements can be very inaccurate because influencing factors such as wind and temperature cannot be recorded directly. It is noteworthy that the wind is measured at the top of the rain gauge because this records the influence of the immediate environment on the wind field. It is also conceivable that, for example, snow can be whirled out of the collecting container if the wind direction is unfavorable, so that the amount of precipitation determined is far too low.
When reading the amount of precipitation collected, it is no longer possible to determine whether this precipitation was collected in the form of rain or snow and in what way the wind influenced the amount collected.
Eine teilweise Reduktion des Windeinflusses könnte durch Verwendung von Windschutzeinrichtungen und verbesserten Formen des Gehäuses eines Niederschlagsmessers erreicht werden. Fast vollumfänglich verschwindet er bei den im Boden versenkten oder in den kleinen Waldlücken angebrachten Niederschlagsmessern. Diese Art der Installation kann jedoch nicht überall eingesetzt werden. Außerdem sind bodenebene Niederschlagsmesser für Schneemessung und zur chemischen Untersuchung des Niederschlags ungeeignet. Generell bessere Resultate haben spezielle Korrekturverfahren gezeigt. Diese stützen sich auf folgende Größen:A partial reduction in the influence of wind could be achieved by using wind protection devices and improved shapes of the housing of a rain gauge. It disappears almost completely with rain gauges sunk into the ground or installed in small gaps in the forest. However, this type of installation cannot be used everywhere. In addition, ground-level rain gauges are unsuitable for measuring snow and chemically analyzing precipitation. Generally better results have been shown by special correction methods. These are based on the following variables:
die momentane Windgeschwindigkeit in der
Aufstellungshöhe des Niederschlagsmessers
während der Niederschlagsdauer,the current wind speed in the
Installation height of the rain gauge
during the rainfall period,
die momentane Form und Menge des Niederschlages, die Außentemperatur.the current form and amount of precipitation, the outside temperature.
Dabei gilt generell, je kürzer die zeitliche Auflösung der oben erwähnten Größen, desto genauer die Korrektur des windbedingten Verlustes des gemessenen Niederschlages. Bis jetzt wurde kein Niederschlagsmesser entwickelt, der eine simultane Messung aller für die Korrekturen notwendigen Größen ermöglicht. Schließlich ist noch zu berücksichtigen, daß die ermittelten Niederschlagswerte Punktmessungen des Nieder Schlages darstellen und auf relativ große Einzugsgebietsflächen umgerechnet werden missen, so daß sich ein Fehler, der bei der Erfassung der Niederschlagsmenge einschleicht, die schließlich für gewisse Entscheidungen notwendigen Werte überproportional verfälschen kann.In general, the shorter the temporal resolution of the above-mentioned quantities, the more accurate the correction of the wind-related loss of the measured precipitation. To date, no precipitation gauge has been developed that enables simultaneous measurement of all quantities required for the corrections. Finally, it must be taken into account that the precipitation values determined represent point measurements of the precipitation and have to be converted to relatively large catchment areas, so that an error that creeps in when recording the amount of precipitation can disproportionately distort the values ultimately required for certain decisions.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Problem, eine Vorrichtung zur Niederschlagsmessung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Meßvorgang sich selbst eicht und selbsttätig durchgeführt werden kann, mögliche Störgrößen unmittelbar erfaßt und bei der Ausgabe des Meßwertes berücksichtigt werden können.The present invention addresses the problem of designing a device for measuring precipitation of the type mentioned at the outset in such a way that the measuring process is self-calibrating and can be carried out automatically, and possible disturbances can be detected directly and taken into account when outputting the measured value.
Erreicht wird dies dadurch, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art am Gehäuse angeordnet sind:This is achieved by arranging the following on the housing of a device of the type mentioned above:
mindestens ein Sensor für die Erfassung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung,at least one sensor for detecting wind speed and direction,
mindestens ein optischer Sensor für die Erfassung der Form und der Struktur des Niederschlages undat least one optical sensor for detecting the shape and structure of the precipitation and
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mindestens ein Feuchtesensor für die Erfassung der Feuchte bzw. des Haftwassers im Trichter, undat least one moisture sensor for detecting the moisture or water in the hopper, and
mindestens eine Temperaturmeßeinrichtung oder ein Sense · für die Erfassung der Außentemperatur, wobei die Auswerteschaltung, die von den Sensoren abgegebenen elektrischen Impulse auswertet und anzeigt.at least one temperature measuring device or a sense for detecting the outside temperature, whereby the evaluation circuit evaluates and displays the electrical impulses emitted by the sensors.
Mit Hilfe der Sensoren können die einzelnen Störgrößen erfaßt und angezeigt werden, sie körnen darüber hinaus auch ausgewertet werden, um die schließlich ausgegebenen Werte zu korrigieren.With the help of the sensors, the individual disturbance variables can be recorded and displayed; they can also be evaluated in order to correct the values ultimately output.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Kippgefäß mit Hilfe eines Spannbandes gelagert.According to a further preferred embodiment of the invention, the tilting vessel is stored with the aid of a tensioning strap.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist die Lagerung des Zweistellungskippgefäßes so ausgeführt, daß über ein Feinwäge-Meßsystem das momentane Gewicht desAccording to a further embodiment of the device, the bearing of the two-position tilting vessel is designed in such a way that the current weight of the
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die sich nach Niederschlagsende noch im Kippgefäß befindliche Restmenge gezogen weiden, sowie eine Aussage über den Verschmutzungsgrad des Kippgefäßes getroffen werden. Hierduch ist es möglich, einen Selbsteichungsvorgang durchzuführen und die Meßergebnisse entsprechend zu korrigieren.the amount of water remaining in the tipping vessel after the precipitation has stopped can be determined, and a statement can be made about the degree of contamination of the tipping vessel. This makes it possible to carry out a self-calibration process and to correct the measurement results accordingly.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht der Auffangtrichter aus Keramik oder ist mit einer Keramikschicht versehen worden. Dadurch können einserseits die sogenannten Benetzungsverluste gering gehalten werden und darüber hinaus ist auch eine gute termische Isolierung des Auffangtrichters möglich, so daßAccording to a further embodiment of the device according to the invention, the collecting funnel is made of ceramic or has been provided with a ceramic layer. This allows the so-called wetting losses to be kept low and, in addition, good thermal insulation of the collecting funnel is possible, so that
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bislang hieraus resulitierende Meßfehler zum größten Teil entfallen.The measurement errors resulting from this have largely been eliminated.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind im Innenteil des Auffangtrichters Feuchtesensoren angebracht. Diese Sensoren haben die Aufgabe, die Benetzung im Innenteil des Auffangrichters zu kontrollieren und hierdurch eine Aussage über die Haftwasserverluste zu treffen und die Meßergebnisse bü korrigieren. De5weiteren ist über sJ ;;s Korrelationsmessung im Zusammenhang mit den Meßwerten des Feinwäge-Meßsystems eine Aussage über das Vorhandensein der Einflußgröße "Kondensat" zu treffen.According to a further embodiment of the device, moisture sensors are fitted in the inner part of the collecting funnel. These sensors have the task of monitoring the wetting in the inner part of the collecting funnel and thereby making a statement about the adhesive water losses and correcting the measurement results. Furthermore, a statement can be made about the presence of the influencing variable "condensate" via sJ ; ;s correlation measurement in connection with the measured values of the precision weighing measuring system.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Auffangtrichter stufenweise beheizt, so daß in dem Auffangbehälter eintretender Niederschlag schichtweise geschmolzen werden kann, was ebenfalls zur Genauigkeit des ermittelten Nachschlagswertes beiträgt. Bevorzugterweise kann die Heizung automatisch geregelt oder gesteuert werden, wobei wiederum die ermittelten Werte der Außentemperatur der Form und Struktur des Niederschlages und der Windrichtung und Windyeschwindiykeit berücksichtigt werden kcr.r.en.According to a further embodiment, the collecting funnel is heated in stages so that precipitation entering the collecting container can be melted layer by layer, which also contributes to the accuracy of the determined reference value. Preferably, the heating can be regulated or controlled automatically, whereby the determined values of the outside temperature, the shape and structure of the precipitation and the wind direction and speed can be taken into account.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entleert das Kippgefäß die aufgefangene Niederschlagsmenge wechselweise in zwei Flüssigkeitssammelbehälter, die ihrerseits auf einer Waage angeordnet sind. Hierdurch ist eine weitere Kontrollmessung der Wippenfüllung und Selbsteichung über einen bestimmten Zeitabschnitt möglich, in dem über diesem Zeitabschnitt die eingegebene Menge ausgewogen wird. Dadurch ist eine Korrelationsmessung zwischen Wippenfüllung und der Kontrollmessung selbst möglich, was wiederum zur Verbesserung der Meßgenauigkeit beiträgt.According to a further embodiment of the invention, the tilting vessel empties the collected precipitation alternately into two liquid collection containers, which in turn are arranged on a scale. This enables a further control measurement of the rocker filling and self-calibration over a certain period of time, in which the entered amount is weighed over this period of time. This enables a correlation measurement between the rocker filling and the control measurement itself, which in turn contributes to improving the measurement accuracy.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindurj können alle wasserführenden Komponenten der Vorrichtung aus solchem Material ausgebildet werden, daß nicht nur eiro Niederschlagsmessung, sondern darüber hinaus auch eine chemische Analyse des Meßgutes möglich ist.According to a further embodiment of the invention, all water-conducting components of the device can be made of such material that not only precipitation measurement but also a chemical analysis of the measured material is possible.
Es liegt auf drr Hand, daß durch das Zusammenlegen der Meßeinrichtungen für Wind, Temperatur, Form und Struktur desIt is obvious that by combining the measuring devices for wind, temperature, shape and structure of the
Niederschlages geschaffen worden ist, die vollautomatisch und selbsteichend arbeiten kann. Darüber hinaus können alle Störfaktoren angezeigt und registriert und die Meßwerte des Niederschlages mit Hilfe eines gepigneten Programms (Software) automatisch korrigiert werden, weil alle für die Korrektur notwendigen Größen simultan gemessen werden. Die stufenweise Schaltung der Heizungsringe ermöglicht eine Senkung der Verdunstungsverluste und die keramische Oberfläche der Innenwände des Auffangtrichters sorgt für geringere Benetzungsverluste. Durch eine kontinuierliche Messung der Feuchte im Trichter mit gleichzeitiger Korrektur der Werte für Verdunstungs- und Benetzur.gsverluste mittels nf er»i-ar»hänrlön D r*<~*m~ precipitation has been created that can work fully automatically and self-calibrating. In addition, all interference factors can be displayed and recorded and the measured values of the precipitation can be automatically corrected with the help of a piggned program (software), because all the values required for the correction are measured simultaneously. The step-by-step switching of the heating rings enables a reduction in evaporation losses and the ceramic surface of the inner walls of the collecting funnel ensures lower wetting losses. By continuously measuring the moisture in the funnel with simultaneous correction of the values for evaporation and wetting losses using nf er»i-ar»hänrlön D r*<~*m~
Verlustarten minimiert werden. Denkbar ist beispielsweise, daß die ermittelten Meßwerte in Abhängigkeit von der Zeit in der Auswerteschaltung gesammelt werden und von dort aus mit üblichen Einrichtungen abgefragt werden können.types of loss are minimized. It is conceivable, for example, that the measured values determined are collected in the evaluation circuit as a function of time and can be queried from there using conventional equipment.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Diese zeigt eine Längsquerschnittsansicht durch eine Vorrichtung zur Niederschlagsmessung gemäß der Erfindung.The invention is explained below by way of example with reference to the drawing. This shows a longitudinal cross-sectional view through a device for measuring precipitation according to the invention.
In der Zeichnung ist mit 20 ein Sammelbehälter bezeichnet, in dessen Inneren ein Auffangtrichter 3 mit einem Auslauf 24 und einem Kippgefäß 25 untergebracht sind. Der NiederschlagIn the drawing, 20 indicates a collecting container, inside which a collecting funnel 3 with an outlet 24 and a tipping vessel 25 are housed. The precipitation
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gelangt durch eine oben am Behälter 20 angebrachte Öffnung 22 in den Auffangtrichter 3. Der Sammelbehälter 20 ist auf einem Standfuß 21 angebracht.enters the collecting funnel 3 through an opening 22 at the top of the container 20. The collecting container 20 is mounted on a base 21.
Im oberen Bereich des Behälters 20 ist eine Mehrzahl von Sensoren für die Erfassung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung angeordnet. Mit 2, 23 und mit 27 sind drei Heizringe bezeichnet, welche an dem Auffangtrichter 3 angebracht sind. Im Inneren des Auffangtrichters 3 sind zur Kontrolle der Benetzung Feuchtesensoren 11 angebracht.A number of sensors for detecting the wind speed and wind direction are arranged in the upper area of the container 20. Three heating rings are designated 2, 23 and 27, which are attached to the collecting funnel 3. Humidity sensors 11 are installed inside the collecting funnel 3 to monitor wetting.
Das Kippgefäß 25 ist über ein Spannband 4 gelagert. Die Lagerung mechanischer Bauteile mit Hilfe von Spannbändern ist an und für sich bekannt. Die kontinuierliche Kontrolle des Kippgefäßes 25 erfolgt über ein unterhalb angebrachtes Wägesystem.The tilting vessel 25 is supported by a tensioning strap 4. The storage of mechanical components using tensioning straps is known per se. The continuous monitoring of the tilting vessel 25 is carried out by a weighing system mounted underneath.
Mit 5 und 6 sind Sensoren für die Erfassung der Form und Struktur des Niederschlags sowie der Temperatur bezeichnet, die entsprechenden Impulse, die diese Sensoren erzeugen, lassen erkennen, ob der Niederschlag in Form von Regen oder Schnee oder einem Gemisch von beidem anfällt.Sensors 5 and 6 are used to record the shape and structure of the precipitation as well as the temperature. The corresponding pulses that these sensors generate indicate whether the precipitation is in the form of rain or snow or a mixture of both.
Unterhalb des Kippgefäßtes 25 befinden sich auf einem Waagebalken einer Waage 8 zwei zusätzliche Flüssigkeitssammelbehälter 7.Below the tilting vessel 25, two additional liquid collection containers 7 are located on a balance beam of a scale 8.
Mit 9 sind optische Darstellungen oder Anzeigen bezeichnet, während 10 eine Einrichtung bezeichnet, die der Ausrichtungs-Kontrolle des Sammelbehälters 20 dient.9 denotes optical representations or displays, while 10 denotes a device that serves to control the alignment of the collecting container 20.
Mit 30 ist eine Auswerteschaltung bezeichnet, welche mit den Sensoren 1, 5, 6 und 11, aber auch mit der Waage 8 sowie dem Wägesystem 12 elektrisch verbunden ist. Die Ausgänge der Auswerteschaltung können entweder angezeigt werden (Anzeigen30 designates an evaluation circuit which is electrically connected to the sensors 1, 5, 6 and 11, but also to the scale 8 and the weighing system 12. The outputs of the evaluation circuit can either be displayed (displays
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9) und sie können zur Erzielung eines korrigierten Meßergebnisses herangezogen werden.9) and they can be used to obtain a corrected measurement result.
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Cited By (3)
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