EP4662516A1 - Akustischer niederschlagsensor - Google Patents

Akustischer niederschlagsensor

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Publication number
EP4662516A1
EP4662516A1 EP24704407.6A EP24704407A EP4662516A1 EP 4662516 A1 EP4662516 A1 EP 4662516A1 EP 24704407 A EP24704407 A EP 24704407A EP 4662516 A1 EP4662516 A1 EP 4662516A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
precipitation
acoustic
signal
sensor
designed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24704407.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph SLADECZEK
Sascha Grollmisch
Kevin Hock
Julian GÖTZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4662516A1 publication Critical patent/EP4662516A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/14—Rainfall or precipitation gauges
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/20—Supporting structures directly fixed to an immovable object
    • H02S20/22—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings
    • H02S20/23—Supporting structures directly fixed to an immovable object specially adapted for buildings specially adapted for roof structures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/30—Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an acoustic precipitation sensor and a system comprising one or more acoustic precipitation sensors and a photovoltaic system.
  • an embodiment of the present invention is in the field of precipitation detection.
  • Embodiments relate to an acoustic precipitation sensor, e.g. an acoustic intelligent rain sensor for plate structures or the use of acoustic sensors on photovoltaic modules or other objects, e.g. which contain plate structures for the temporally and spatially high-resolution determination of weather data.
  • Weather data often includes information about temperature, wind speed and/or information about precipitation.
  • Weather data is used, among other things, to set up early warning systems to detect natural disasters.
  • Precipitation sensors in particular can be used to provide the necessary database for the early detection of severe heavy rain.
  • Other possible uses for precipitation sensors include research and/or real-time display of precipitation.
  • the state of the art also includes precipitation radar systems, stationary weather stations, precipitation collection containers for the aggregate determination of the amount of precipitation (distrometers) and optical sensors for glass panes, e.g. windshields or roof windows. None of these additional state-of-the-art variants overcome the disadvantages or combinations of disadvantages explained above.
  • the object of the present invention is to create a concept for a precipitation sensor system that creates an improved compromise between flexibility in terms of installation space and weight as well as functional diversity, cost and energy efficiency.
  • Embodiments of the present invention provide an acoustic precipitation sensor with at least one element that is arranged such that precipitation to be detected impinges on the element, at least one measuring element and a signal processing unit.
  • the element is part of an existing object or existing structure and is designed such that the impinging precipitation generates an acoustic signal.
  • the acoustic signal can have a characteristic vibration pattern that is characteristic of one or more properties of the precipitation.
  • the measuring element is arranged with respect to the element in order to detect the acoustic signal.
  • the signal processing unit is designed to receive and process a measurement signal generated by the measuring element in response to the acoustic signal in order to determine one or more properties of the precipitation based thereon, for example in real time.
  • the special feature is that the sensor is integrated into existing objects with a plate-like structure, such as solar modules, vehicles, window panes...
  • a plate-like structure such as solar modules, vehicles, window panes...
  • An existing plate-like structure of an existing object is thus used as a quasi sensor surface, whereby the object is not primarily designed with the aim of was developed to serve as the sensor surface of the acoustic rain sensor, but essentially serves a different purpose.
  • the properties include one or more of the following:
  • Embodiments of the present invention are based on the knowledge that by using an acoustic precipitation sensor, the functionality of an ombrometer and a distrometer can be combined in just one system that provides the relevant information to draw conclusions about the meteorological properties of precipitation events. In this case, it is advantageously possible to create a classification of the size and number of raindrops.
  • the acoustic precipitation sensor comprises an oscillating element, e.g. a disk, plate, sensor surface or other oscillatable surfaces, e.g. a (plate-shaped) photovoltaic module, and a corresponding measuring element, e.g. one or more microphones and/or vibration sensors for determining a sound signal, such as airborne and/or structure-borne sound.
  • the acoustic signal detected by one or more sensors is then fed to a signal processing system that analyzes the acoustic signal.
  • the received measurement signal or the combined measurement signal can be compared with one or more signal patterns when combining several sensors (several microphones and/or structure-borne sound sensors or a combination of structure-borne and airborne sound sensors), e.g. using an algorithm trained using machine learning.
  • One or more properties of the precipitation can be assigned to the one or more signal patterns, so that one or more properties of the precipitation can be determined based on the comparison. In other words, it is possible to classify the precipitation based on the one or more properties.
  • Embodiments of the present invention have the advantage that the combination of the element onto which the precipitation falls and the measuring element for detecting an acoustic signal enables precipitation properties that were previously not measurable or could only be measured with great effort, such as drop size distribution, number of drops per second/area, etc. to be recorded. Local precipitation detection is possible with low latency and in real time. This also ensures vertical detection and evaluation of weather elements.
  • the sensor system is also inexpensive to manufacture, low-maintenance and energy efficient. Since only one or more sound sensors are added to the normally existing components/surfaces of the device, e.g. in the form of a body or a housing, the sensor system created in this way has advantages in terms of installation space and weight. Surfaces of a PV system or a building (building outer shell) or even a mobile object such as an aircraft can also be used.
  • the signal processing is designed to classify or detect the precipitation based on a time and/or frequency representation or signals, in particular time and/or frequency signals, e.g. a classification of raindrop sizes, number of raindrops in the case of precipitation in a liquid state.
  • time and/or frequency signals e.g. a classification of raindrop sizes, number of raindrops in the case of precipitation in a liquid state.
  • the signal processing unit comprises an analysis algorithm, wherein the analysis algorithm is designed to adapt the evaluation carried out by the signal processing unit to one or more environmental conditions and/or to the location of the precipitation sensor and/or to a mounting position of the measuring element with respect to the element.
  • the analysis algorithm is designed to adapt the evaluation carried out by the signal processing unit to one or more environmental conditions and/or to the location of the precipitation sensor and/or to a mounting position of the measuring element with respect to the element.
  • this comprises one or more microphones which are designed to detect a sound signal, e.g. airborne sound and/or structure-borne sound signal (microphones tend to detect airborne sound airborne sound can also result from structure-borne sound) and/or wherein the measuring element comprises one or more vibration sensors designed to detect a vibration signal and/or a structure-borne sound signal.
  • a sound signal e.g. airborne sound and/or structure-borne sound signal (microphones tend to detect airborne sound airborne sound can also result from structure-borne sound)
  • the measuring element comprises one or more vibration sensors designed to detect a vibration signal and/or a structure-borne sound signal.
  • Both acoustic signals, e.g. in the audible range or in the inaudible range, and structure-borne sound signals are inexpensive, easy and reliable to detect.
  • the sensors can also be arranged on the inside of one element (e.g. integrated into the module or on the edge), it is advantageously possible to protect the sensors from environmental influences, such as precipitation.
  • one element can have a special material or a special geometry or special dimensions in order to generate the acoustic signal in such a way that the one or more properties of the precipitation can be easily determined. Based on these influencing factors, a characteristic vibration pattern is then formed by a corresponding precipitation, so that the properties of the corresponding precipitation can be characterized based on this vibration pattern.
  • Possible shapes are defined by the structure that is already present and is used as an oscillating body and can include, for example, a plate-shaped element (flat plate), a dome shape, key shape, corrugated sheet shape, the shape of a cavity, the shape of a resonance body, a liquid surface, e.g.
  • a body of a vehicle e.g. a land vehicle, aircraft, watercraft or spacecraft
  • Other conceivable implementations are a plate, pane, glass plate, dome, housing surface, outer wall or another oscillatable system.
  • a special embodiment can be the use of a plate-shaped photovoltaic module as an element (other shapes, such as cylindrical PV modules, would also be possible).
  • the use of a roof surface (roof panels or sheet metal) or generally a surface as an oscillating structure would also be conceivable. In this case, it is advantageously possible to use a photovoltaic module or an (arbitrary) surface thereof as an oscillating element and to create an acoustic precipitation sensor by adding a measuring element and signal processing.
  • the existing object or structure that the precipitation sensor uses can comprise a stationary structure, e.g. PV module or outer shell of a building, and/or a mobile structure, e.g. vehicle.
  • a stationary structure e.g. PV module or outer shell of a building
  • a mobile structure e.g. vehicle.
  • the precipitation sensor explained thus enables retrofitting options (Retrofit) for existing systems, such as stationary systems (e.g. PV systems or roof windows) or mobile systems (e.g. vehicle).
  • the element can be arranged in such a way that the precipitation that hits it leaves the element again and is drained away.
  • An oblique arrangement would be conceivable, for example.
  • the element can also be heated in order to melt precipitation in the form of snow and allow it to flow off the element. The precipitation sensor thus automatically frees itself of past precipitation and can thus detect new precipitation again.
  • the element and the measuring element are mounted in a vibration-decoupled manner.
  • a vibration-decoupling element can be provided in the acoustic precipitation sensor, which is arranged between the element and the measuring element.
  • Such vibration-decoupling manages to reduce interference with the signal. This is particularly interesting for airborne sound receivers.
  • the precipitation sensor can have an amplification element that is designed to amplify the acoustic signal generated by the element.
  • the signal processing unit receives the amplified acoustic signal.
  • the signal processing device can also have means for digitizing the measurement signal (amplified acoustic signal or acoustic signal) in order to then process them further as digital signals.
  • precipitation comes in different forms, e.g. in the solid or liquid state, depending on the outside temperature, pressure, etc.
  • the precipitation is preferably a state of matter released from the atmosphere.
  • the acoustic precipitation sensor is designed to detect both solid (frozen) and/or liquid precipitation.
  • the precipitation sensor can also have a plurality of elements, e.g. spatially or locally distributed elements. One or more measuring elements, for example one measuring element per element, can then be provided for this purpose.
  • a distribution of a plurality of acoustic precipitation sensors at several locations, such as in the case of several solar cells, each with an acoustic sensor on several PV modules or buildings would also be conceivable.
  • the advantage is that this creates a sensor network that supplies high-resolution data for improved weather observation and weather forecasting.
  • a photovoltaic module as an oscillating element, it is possible to create a close-meshed network of energy infrastructure that is predestined for the task of sensor technology, which, according to further embodiments, supplies itself with energy and is constantly available.
  • This advantageously enables always-on sensors for weather data for permanent data acquisition.
  • the acoustic precipitation sensor can be designed to be activated permanently or only at defined times or for predetermined periods of time.
  • a system with a plurality of locally distributed, e.g. B. acoustic precipitation sensors arranged on different house roofs.
  • the system also comprises a unit that is connected to all precipitation sensors and aggregates the local events of the signal processing unit of the precipitation sensors and/or improves an analysis algorithm of one or more of the signal processing units of the precipitation sensors.
  • a further embodiment creates a photovoltaic system with at least one plate-shaped photovoltaic module, a measuring element and a signal processing unit. The operation of the measuring element and/or the signal processing unit can advantageously be realized with energy provided by the photovoltaic system.
  • the acoustic precipitation sensor can advantageously be used according to embodiments in order to control these devices, in particular for regulation and protection.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an acoustic rain sensor according to a basic embodiment
  • Fig. 2a is a schematic representation of a rain sensor utilizing an existing dome-shaped structure (e.g., skylight) with optional features according to extended embodiments;
  • an existing dome-shaped structure e.g., skylight
  • FIG. 2b/c schematic representations to illustrate the principle of acoustic decoupling inside the rain sensor according to embodiments
  • Fig. 2d is a schematic representation of an acoustic rain sensor according to an extended embodiment
  • Fig. 3 is a schematic representation of an irrigation system for evaluating a rain sensor according to embodiments
  • Fig. 4 is a schematic diagram to explain the variations in the falling velocity of raindrops as a function of the distance traveled (K. Wang and H. R. Pruppacher. “Acceleration to terminal velocity of cloud and raindrops“. In: Journal of Applied Meteorology 16.3 (1977), pp. 275-280);
  • Fig. 5 is a schematic table explaining measurement data from rain sensors
  • FIG. 6a-d schematic spectrograms explaining the acoustic signals for processing at rain sensors associated with the measurement data from Fig. 5;
  • Fig. 7a-g schematic representations of possible geometries for an element of the rain sensor according to embodiments.
  • Fig. 1 shows an acoustic rain sensor 10 with the two central elements 12 and 14.
  • the element 12 can be an existing element, such as a pane, glass pane, plate, dome, housing surface, outer wall, body surface or another type of vibrating surface, which is arranged in such a way that precipitation 17 to be detected strikes the element 12, wherein the element 12 is designed in such a way that the impinging precipitation 17 generates an acoustic signal 19.
  • the element 14 is a measuring element, such as a microphone or vibration sensor (vibration sensor could be attached directly to the plate structure, i.e. without spatial distance), which is arranged with respect to the element 12 in such a way as to record the acoustic signal 19.
  • An acoustic signal can be, for example, a sound signal, e.g. in the audible range or in the inaudible range (ultrasound, infrasound, etc.), or a structure-borne sound signal.
  • the microphone and/or the vibration sensor records this acoustic signal 19 and converts it into a measurement signal.
  • This measurement signal is then forwarded (directly, amplified or pre-processed) to a signal processing device 16 and evaluated by the same.
  • the evaluation could also be carried out externally, e.g. on a server or in the cloud.
  • one or more properties of the precipitation can be determined based on the measurement signal. According to embodiments, such a determination is possible in real time.
  • the signal processing unit can be designed to compare the received measurement signal with one or more signal patterns.
  • the one or more signal patterns can be assigned to one or more properties.
  • a graphically displayed signal pattern for different precipitation events, ie precipitation with different properties, is shown in Figs. 6a-d. 6a-d show different time frequency diagrams, i.e.
  • the measurement signal can be compared with one or more signal patterns using a Kl algorithm.
  • the signal processing for evaluation has an algorithm trained using machine learning. Based on the comparison, the one or more properties can be determined or the precipitation can be classified in general. Structure for the classification According to embodiments, one or more properties of the precipitation can be combined into classes and assigned to characteristic signal patterns. Machine learning can advantageously be used to determine such a database.
  • the database can be determined and the precipitation sensor 10 can be tested using a sprinkler system 80, as shown in Fig. 3.
  • the irrigation system 80 comprises a water reservoir 81 which simulates precipitation 17'.
  • water is pumped from the collecting basin 82 into the water reservoir 81 by means of a pump 83.
  • the water in the reservoir 81 can generate different droplet forms of precipitation 17' using a drop generator 84.
  • An overflow can also be present.
  • the sensor 10 or the surface of the sensor 12 is provided between the drop generator 84 or the water reservoir 81 and the collecting basin 82. With this device 80 it can be shown that there are differences in the acoustic characteristics of different rain scenarios and that these can be classified using the developed precipitation sensor 10.
  • the water reservoir 81 feeds the drop generator 84.
  • the generation consists of several drops 17'.
  • the drip speed i.e.
  • the water drops 17' fall onto the sensor surface 12 and generate an acoustic signal there through their impact.
  • the water flowing off is then collected by a gutter and directed into the collecting basin 82. This avoids noise caused by water dripping from the edge of the sensor surface. Since the drop generation is based on the principle of the gravitational pressure of the water, a consistently high water column is created in the water reservoir 81 by the pump 83. To do this, the pump 83 continuously pumps water from the collecting basin 82 into the water reservoir 81. The excess water generated there can be pumped away by means of the overflow, which returns the excess water to the collecting basin 82.
  • Fig. 4 shows the variation in the falling speed of raindrops depending on the distance covered (K. Wang and HR Pruppacher. "Acceleration to terminal velocity of cloud and raindrops". In: Journal of Applied Meteorology 16.3 (1977), pp. 275-280). This shows that the length of the falling path of the drops is an important factor. This is determined by the distance between the sensor surface 12 and the drop generator 84. A minimum falling path of 2.5 meters was defined. As can be seen from Fig. 4, this corresponds approximately to the path that an average raindrop (larger than 0.5 mm in diameter) needs to travel to almost reach its final velocity of about 5.8 m/s.
  • precipitation In meteorology, the term precipitation is generally used to describe the release of water from the atmosphere. This can occur in a solid and/or liquid state and can be observed or measured on the ground. A distinction is also made between different types of precipitation. There is falling, whirled up, deposited and settled precipitation. Falling precipitation is caused by the release of water from clouds and is in liquid or solid form. There are basically three reasons for its formation: condensation, sublimation or collision of cloud particles. Types of falling precipitation include rain, freezing rain, snow, sleet or hail.
  • Rain is defined as precipitation in liquid form.
  • the diameter of the raindrops is between 0.5 and a maximum of 5 mm [source: German Weather Service]. In showers, diameters of up to 6 mm can be reached [source: German Weather Service]. Larger drops are of course also possible.
  • the measurement setup described below was used to record the sound or vibration of the noise that the drops generate when they hit the impact surface of the precipitation sensor.
  • This consists of two measuring microphones from Microtech Gefell, the 12AQ preamplifier from GRAS, a measuring interface from HEIM (consisting of the modules PWAC, DIC6B and LMF2FE) and a laptop with the associated recording software Sirecord.
  • a measurement microphone consists of a microphone capsule of type MKS 221 and a microphone amplifier of type MV212. The two microphones were each suspended on the rear and left edge, at a height of 1 meter, at a distance of 50 cm from the center of the impact surface and in the same plane as the inclined impact surface. This corresponds to an effective distance of 1.25 meters.
  • Fig. 5 shows a table with four precipitation intensities (levels 1-4). Each precipitation intensity is defined by means of a drip speed per dripper and a water quantity per 0.01 m 2 .
  • the sensor system can differentiate between the four levels or between more (higher resolution of the precipitation intensities) or fewer levels.
  • the measurement microphones were calibrated using the recording software at 1000 kHz, 94 dß(SPL) and an amplification factor of 20 dB set on the preamplifier.
  • the recording was made at a sampling rate of 96 kHz.
  • the files were converted to .wav format for further processing.
  • the first audio channel is assigned to the microphone on the rear side and the second channel to the microphone on the left side of the impact surface.
  • the drip speed was set manually for each level. To do this, the time interval between two drops was measured for each dropper and corrected until it was within the error tolerance. The drip speed was also defined individually for each level. 11 hours of audio data were recorded for each setting.
  • an image-based recording of precipitation events can alternatively be used as a reference for acoustic recording (expose a defined plate structure to real precipitation events and record the precipitation using standardized procedures (e.g. using reference measuring technology at weather measuring stations)).
  • a spectrogram was created for each measurement stage (Fig. 5) (Fig. 6a-d). This shows the temporal progression of the logarithmically displayed frequency spectrum in a range from 0 to 40 kHz and over a duration of 20 seconds.
  • the impact of a water drop on the impact surface of the precipitation sensor results in a short-term amplitude maximum that extends over the entire frequency range under consideration. This characteristic feature makes it possible to precisely identify the individual impacting drops. Different drop sizes also differ in their general appearance in the spectrogram. Characteristics here include, for example, the temporal decay behavior, the maximum frequency and the maximum sound amplitude.
  • spectrogram of level 1 which represents the lowest drip speed (Fig. 6a).
  • the maxima which occur at a large time interval compared to the other levels, clearly represent the slow dripping of the irrigation system.
  • the frequency band visible in the lower frequency range (0-260 Hz) tends to be due to the noise of the measurement setup and can also be found in the other three spectrograms. If you compare the spectrograms of levels 1-4, you can also observe a correlation between the increasing drip speed and the increasing number of amplitude maxima.
  • the precipitation sensor makes it possible to distinguish between different rain intensities based on the information contained in the spectrograms. It can therefore be said that the rain sensor could meet the requirement explained in the task of enabling conclusions to be drawn about the properties of different precipitation events. In addition, in view of the results, it can be assumed that it should also be possible to use this approach to analyze and classify other types of precipitation, such as snow.
  • Fig. 7a shows a cavity resonator with a dome-shaped surface 12a.
  • a cavity is created inside the cavity resonator. This cavity influences the acoustic signal when it is picked up by the microphone 14.
  • Reflections of different frequencies depend on the geometry of the room. In this respect, this geometry can be used to enable acoustic optimization, e.g. by pre-filtering the frequency spectrum. Another dependency factor is the material thickness, which influences the sensitivity. To take this into account, different dome shapes can be used simultaneously, as shown in Fig. 7b.
  • Both the embodiments from Fig. 7a and the embodiments from Fig. 7b have a curved surface 12b, which advantageously allows the impinging precipitation to run off to the side. This reduces the influence of standing water on the frequency spectrum.
  • the shape also influences interference signals, such as those from wind or splashing water, which overlay the acoustic signal to be evaluated.
  • the surface can also be coated to prevent standing water.
  • FIG. 7g shows a further development of Fig. 7a, namely a cavity resonator with three domes.
  • the cavity resonator the plate of the resonator represents a vibrator, while the raindrop represents the generator.
  • the use of a resonator creates amplification.
  • the resonance chamber influences the frequency behavior. Frequency components that are closer to the natural resonances are passed through less attenuated than those that are further away from the natural frequency. In other words, a mechanical filter is created.
  • resonance amplification can be achieved by specifically adjusting the resonances.
  • the resonance it is possible to adapt the resonance using different materials and/or thicknesses and/or shapes.
  • different materials are used instead of or together with the different thicknesses in order to create different acoustic properties.
  • the different acoustic properties create different acoustic characteristics.
  • the joint consideration allows conclusions to be drawn about the size and quantity of droplets. For example, it should be mentioned that thinner membrane thicknesses are more suitable for the analysis of light rain than thicker ones, while thicker membrane thicknesses are suitable for the analysis of heavy rain because they have higher attenuation and lower sensitivity and/or thus filter out certain frequencies.
  • a high sensitivity would be desirable for such low-intensity weather events, while high sensitivity can be disadvantageous in the case of heavy rain.
  • the embodiment from Fig. 7b with several membranes, here three, with, for example, different material thicknesses and/or different dimensions, etc. represents an advantageous compromise for detecting different weather events with different sensitivities.
  • the surface can also deliberately have a fluid, such as water, which changes the vibration behavior.
  • a fluid such as water
  • a water surface e.g. of a pool, can also be used directly. This means that instead of a solid surface, a fluid can be used, according to embodiments.
  • This causes the effect of volume pulsation. This creates a bubble radius of, for example, 0.15 mm to 15 cm, generating a tonality between 20 Hz and 20,000 Hz.
  • the noise depends on the interfacial tension of the water. Depending on this, certain drop sizes (volumes) and certain fall heights with certain kinetic energy can be easily detected.
  • the water surface as a vibrating membrane also transmits sound very effectively to the air.
  • the fill level or water surface membrane has an influence on side effects, such as the formation of daughter bubbles starting from the main bubble, which can distort the frequency spectrum.
  • the advantage of using such fluidic membranes is that the energy of secondary drops is usually not sufficient to produce a typical sound, so that disturbing noises in the form of splashing water can be eliminated by using a fluid membrane.
  • angles of impact can advantageously be defined in various embodiments, e.g. by means of a corrugated sheet or similar.
  • Fig. 7c and d show the use of corrugated surfaces, such as a micro-corrugated sheet (cf. Fig. 7d).
  • the dome shapes shown in Fig. 7a and 7b can have either a one-dimensional dome (cubic basic shape) as shown in Fig. 7e or a three-dimensional dome as shown in Fig. 7f (cylindrical basic shape).
  • the embodiment of Fig. 7e is simpler to manufacture, while the embodiment of Fig. 7f provides similar impact angles in all directions.
  • the surface and object properties such as the geometric shape, surface size, material type, thickness, thickness progression (in the sense of varying thickness), coating, etc., influence the frequency spectrum and, above all, the amplitude, so that filter effects and/or amplification effects can be achieved.
  • the base area round, square, ...) or the size can also have an influence.
  • These factors can also reduce interference factors such as splash water or wind.
  • a hydrophone for example, is used with fluidic membranes, although conventional microphones are also conceivable (example: fluid film on a roof window that uses a microphone or structure-borne sound receiver to monitor the signal that is transmitted from the water film to the roof window). Sound in water is typically recorded as a near-field signal.
  • the peak is typically above 13.5 kHz or above 12 kHz or above 14 kHz or above 15 kHz).
  • drops on a solid membrane have a peak of about 7 kHz (range from 4.5 to 9.5 kHz or 6 to 8 kHz or 6.6 to 7.4 kHz).
  • the frequency range to be evaluated is strongly dependent on the materials used and the membrane type.
  • signal processing can be carried out in a learning or calibration process (e.g. automated).
  • the evaluation algorithm can also be expanded during operation using machine learning.
  • Fig. 2a shows a sensor 10' with, for example, a dome 12b, e.g. a dome of a roof window, as an oscillating element.
  • This dome can be made of glass, aluminum or plastic or a coated material, for example, and is curved on two sides.
  • a microphone 14m as a signal pickup, which is mounted in a vibration-decoupled manner by a vibration-decoupling element 15s according to embodiments.
  • An insulating material such as insulating wool, can also be provided within this vibration-decoupling element 15s or generally around the microphone 14m. The vibration-decoupling element and the insulating material have the effect of preventing noise.
  • a vibration pickup 14s can also be provided as a measurement signal pickup. This is, for example, mechanically coupled directly to the element 12b.
  • a so-called hydrophone can also be used. One possible use would be, for example, in the arrangement shown in Fig. 2c.
  • a heating coil can be controlled to heat the dome.
  • such sensor values such as temperature information or other sensor values
  • These one or more signals can be used as a further input signal in the evaluation by means of Kl.
  • the acoustic sensor shown here also has a data processing device 16. This is supplied with power from outside, for example, and can transmit the sensor data externally using a data cable or a WLAN module or radio module 16f. Encryption with the public and/or private key to the receiver or server would be possible.
  • Fig. 2b shows another form of a precipitation sensor 10".
  • an oscillating element 12c e.g. in plate form
  • An acoustic sensor 14 is connected to the membrane 12c via damping elements 15s.
  • the sensor 14 is arranged below the membrane 12c, which offers good protection against moisture.
  • the surface shape of the membrane 12c it should be noted that lateral drops are difficult to detect.
  • the dome shape shown in Fig. 2a and 2d offers both good properties for moisture protection and good detectability of lateral drops.
  • Fig. 2d shows a simplification of the embodiment from Fig. 2a.
  • the dome-shaped membrane 12b creates a cavity which is further closed off by a damping element 15s.
  • the sound sensor 14 is located inside, e.g. centrally.
  • the dome 12b has, for example, a constant radius over 180 degrees, so that rain from the side can be detected and lateral protection from wind is also ensured.
  • Fig. 2c shows another possible arrangement of the membrane 12c in combination with a measurement signal sensor 14, which is arranged above here and determines the acoustic signals reflected from the surface of the membrane 12c.
  • This structure is inexpensive and simple and can be used as a retrofit.
  • the disadvantage of a plate-shaped structure, especially in a horizontal arrangement, is that the spraying up of the impacting drops may also detect a renewed impact.
  • the advantage is that good sensitivity can be achieved with a flat membrane 12c, as the rigidity is lower. If the membrane 12c is at an angle, it can also be ensured that the water runs off.
  • the membrane can also be designed in several parts, so that several elements vibrate.
  • One or more sound sensors per membrane or per arrangement comprising several membrane elements would be conceivable.
  • An angled surface in particular e.g. B. 10 degrees, allows the impinging water to be removed quickly and the dirt that influences the acoustic signal to be largely removed again through self-cleaning.
  • the lotus effect or a hydrophobic coating support these two effects according to further embodiments.
  • the aim here is to optimize the use of the Cassie-Baxter state.
  • the wetting of solid surfaces is influenced by the surface structure or the surface roughness. In the Cassie state, the drop is on the tips of the surface structure, whereby air can be trapped between the drop and the surface. This effect can be used specifically to design the surface so that it has hydrophobic properties.
  • the Wenzel state describes the opposite effect that occurs in the Cassie state.
  • the water drop "interlocks" with the rough surface structure and thus ensures a hydrophilic effect.
  • the surface area influences the signal and in particular the signal strength. If the surface is too small, amplification by means of an amplifier can be used. Preferably, a linear amplification over the entire frequency response is desired. According to embodiments, a non-linear amplification or filtering to highlight different frequency parts can of course also be used.
  • an optimization of the sensitivity or selective sensitivity can be achieved through various factors, such as the material surfaces of the vibrating element, the surface shape of the vibrating element, the surface coating and/or the targeted use of a surface film through water. This can also be achieved additionally or additionally through technical means, such as filters or reinforcement elements.
  • the shape and/or inclination of the vibrating element also has an influence, as this promotes or prevents the water from running off.
  • the application also influences the geometry, nature and shape of the precipitation sensor. Two specific examples are explained below: the rain sensor as it was used under laboratory conditions and a rain sensor integrated into a photovoltaic module.
  • the rain sensor 10' from Fig. 3 is explained, which is used to determine learning data.
  • different drop combinations are used to determine acoustic signals associated with the drop combinations as a precipitation event.
  • the acoustic signals generated here are recorded as a frequency and amplitude spectrum.
  • the size, length and kinetic energy of the water drops have an influence on the signal, which can be simulated as follows.
  • a plate-shaped sensor can be used in a photovoltaic system.
  • the photovoltaic system or the plate-shaped surface represents the vibrating element. Due to its geometric shape as a plate structure, a PV module is susceptible to the formation of vibration patterns that could be caused by rain or wind.
  • the recorded weather data would help to improve meteorological weather models and forecasts. Precision agriculture could benefit from this by optimizing yields through resource-efficient irrigation against the backdrop of a resilient water supply.
  • the more precise spatial and temporal weather data can be used not only to protect critical infrastructures, but also to deploy emergency services more specifically and thus save lives and limbs even better in an emergency through appropriate measures. According to implementation examples, an aggregation of multiple local units to implement a more extensive network is possible.
  • the approach according to the exemplary embodiments is based on the use of inexpensive, energy-efficient, acoustic sensors on solar panels in the completely new application area of determining high-resolution weather data to strengthen energy sovereignty and to better understand climate change.
  • the use in photovoltaic systems is particularly advantageous because an increased expansion of photovoltaic systems is expected in the coming years and a very good sensor network for weather measurement can be set up.
  • Photovoltaic systems can also use the sensor information directly, e.g. for a forecast of the expected amount of energy.
  • Another embodiment relates to a mobile device with a corresponding sensor.
  • the sensor is advantageous in terms of installation space and weight, so that even small, lightweight devices can use such sensors and serve to determine weather data.
  • a large number of objects have free surfaces that can serve as vibrating elements, so that the weather sensor can be completed by adding a sound pickup.
  • the material of the surfaces, the surface texture, etc. have an influence that must be taken into account.
  • the determination of precipitation data or the general classification can be carried out using different training data according to embodiments.
  • the training data is preferably determined using the sensor or a comparable sensor and assigned to different precipitation events or properties of the precipitation. This leads to the improvement of meteorological weather models and forecasts using the recorded weather data. It should be noted that recorded measurement data can be used by correlation to measure other parameters, such as fine dust pollution (condensation nuclei) or cloud height, impact of/on wind turbines.
  • the plate structures can be susceptible to the formation of vibration patterns caused by rain and wind, e.g. PV modules or roof windows.
  • a (vibro)acoustic sensor e.g. as a pressure and/or pressure gradient receiver
  • an intelligent signal analysis algorithm possibly with machine learning
  • signal analysis can optionally be adapted to the local sensor.
  • the system can be expanded in conjunction with additional sensors, e.g. temperature, air pressure, wind speed.
  • the measuring element can be arranged above (on the side of the precipitation) or below (on the side facing away from the precipitation or on the side protected from precipitation).
  • the surface i.e. for example the top glass surface of the PV mode or the laminated PV module itself, can typically be used as the vibrating surface.
  • recorded weather data can be used to control other devices, such as closing roof windows, regulating and protecting PV systems.
  • other devices such as closing roof windows, regulating and protecting PV systems.
  • storms can lead to spontaneous outages when photovoltaic systems are in operation.
  • the risk for energy networks and network operators can be reduced through permanent weather monitoring.
  • aspects have been described in connection with a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device can also be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware apparatus, such as a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the key method steps may be performed by such an apparatus.
  • embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software.
  • the implementation may be performed using a digital storage medium, for example a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory, a hard disk or other magnetic or optical storage on which electronically readable control signals are stored that can interact or cooperate with a programmable computer system such that the respective method is carried out. Therefore, the digital storage medium may be computer readable.
  • Some embodiments according to the invention thus comprise a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is carried out.
  • embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product is run on a computer.
  • the program code can, for example, also be stored on a machine-readable medium.
  • an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further embodiment of the methods according to the invention is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded.
  • a further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals which represents the computer program for carrying out one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals can be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
  • a further embodiment comprises a processing device, for example a computer or a programmable logic device, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.
  • a processing device for example a computer or a programmable logic device, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.
  • a further embodiment comprises a computer on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is installed.
  • a further embodiment according to the invention comprises a device or a system which is designed to transmit a computer program for carrying out at least one of the methods described herein to a receiver.
  • the transmission can be carried out, for example, electronically, wirelessly or optically.
  • the receiver can be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device.
  • the device or the system can, for example, comprise a file server for transmitting the computer program to the receiver.
  • a programmable logic device e.g., a field programmable gate array, an FPGA
  • a field-programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein.
  • the methods are performed by any hardware device. This may be general-purpose hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the method such as an ASIC.

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Abstract

Akustischer Niederschlagsensor (10) mit zumindest einem Element (12), das derart angeordnet ist, dass ein zu erfassender Niederschlag auf das Element (12) auftrifft, wobei das Element (12) derart ausgebildet ist, dass der auftreffende Niederschlag ein akustisches Signal erzeugt, und zumindest einem Messelement (14), das bezüglich des Elements (12) angeordnet ist, um das akustische Signal zu erfassen; einer Signalverarbeitungseinheit (16), die ausgebildet ist, ein von dem Messelement (14) in Reaktion auf das akustische Signal erzeugtes Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten, um basierend darauf eine oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags, beispielsweise in Echtzeit zu bestimmen.

Description

Akustischer Niederschlagsensor
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen akustischen Niederschlagsensor sowie ein System umfassend ein oder mehrere akustische Niederschlagsensoren und eine Photovoltaikanlage. Im Allgemeinen liegt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf dem Gebiet der Erfassung von Niederschlag. Ausführungsbeispiele betreffen einen akustischen Niederschlagsensor, z. B. einen akustischen intelligenten Regensensor für Plattenstrukturen oder die Nutzung von akustischen Sensoren an Pho- tovoltaik-Modulen oder anderen Objekten, z. B. die Plattenstrukturen beinhalten für die zeitliche und räumlich hochaufgelöste Bestimmung von Wetterdaten.
Wetterdaten umfassen häufig Informationen über die Temperatur, Wind-geschwindigkeit und/oder eine Information über einen Niederschlag. Wetterdaten dienen unter anderem zum Aufbau von Frühwarnsystemen zur Erkennung von Naturkatastrophen. Gerade Niederschlagsensoren können dazu eingesetzt werden, um bei einer Früherkennung von unwetterartigem Starkregen die notwendige Datenbasis zu liefern. Weitere denkbare Einsatzgebiete von Niederschlagsensoren sind die Erforschung und/oder die Echtzeitdarstellung des Niederschlags.
Herkömmliche Niederschlagsmesser (sog. Ombrometer) sind nur in der Lage, die Niederschlagsmenge, aber nicht deren Art zu bestimmen. Zur Bestimmung dieser ist zusätzlich ein Niederschlagsmengenmesser (sog. Distrometer) vonnöten. Beide Messsysteme sind, aufgrund ihrer oft großen Bauform und ihres hohen Gewichts und hohen Energieverbrauchs, meist ungeeignet, um auf mobilen Geräten installiert zu werden. Ferner sind solche Messsystem ungeeignet, um in flache oder ach gekapselte Elemente, wie PV-Modulen integriert zu werden.
Ferner gibt es akustischen Regensensoren (z.B. Vaisala RAINCAP® Technology | Vaisala oder Rain sensor RHD (sommer.at)), die ein spezielles exponiertes Element, wie z.B. eine Halbkugel als separate "Sensoroberfläche" aufweisen. In solcher Sensor ist allerdings inkompatibel zu Anwendungen wie PV-Modulen. Der Sensor müsste oberhalb der Struktur angebracht werden und ändern damit die entsprechende Struktur. Bei PV-Modulen wird der entsprechende Bereich verdeckt und führt zu Verlusten in der Leistungsaufnahme. Aktuelle Niederschlagsensoren weisen also neben Größe und Bauraum auch Nachteile hinsichtlich Funktionsbreite auf. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Im Stand der Technik gibt es neben den oben erläuterten Niederschlagsensoren auch noch Niederschlagsradaranlagen, stationäre Wetterstationen, Niederschlagsauffangbehältnisse zur aggregierten Ermittlung der Niederschlagsmenge (Distrometer) sowie optische Sensoren für Glasscheiben, z. B. Windschutzscheiben oder Dachflächenfenster. All diese zusätzlichen Stand-der-Technik-Varianten überwinden auch nicht die oben erläuterten Nachteile oder Kombinationen der Nachteile.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept für eine Niederschlagssensorik zu schaffen, die einen verbesserten Kompromiss aus Flexibilität hinsichtlich Bauraum und Gewicht sowie Funktionsvielfalt, Kosten- und Energieeffizienz schafft.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen akustischen Niederschlagsensor mit zumindest einem Element, das derart angeordnet ist, dass ein zu erfassender Niederschlag auf das Element auftrifft, zumindest einem Messelement sowie einer Signalverarbeitungseinheit. Das Element ist Teil eines bestehenden Objekts oder bestehenden Struktur und derart ausgebildet, dass der auftreffende Niederschlag ein akustisches Signal erzeugt. Beispielsweise kann das akustische Signal ein charakteristisches Schwingungsmuster aufweisen, das charakteristisch für ein oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags ist. Das Messelement ist bezüglich des Elements angeordnet, um das akustische Signal zu erfassen. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, ein von dem Messelement in Reaktion auf das akustische Signal erzeugtes Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten, um basierend darauf eine oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags beispielsweise in Echtzeit zu bestimmen.
Das Besondere ist entsprechend Ausführungsbeispielen also, dass der Sensor in bestehende Objekte, wie Solarmodule, Fahrzeug, Fensterscheibe ... mit plattenähnlicher Struktur integriert wird. Eine vorhandene plattenförmige Struktur eines bestehenden Objektes wird also als quasi Sensoroberfläche genutzt, wobei das Objekt nicht primär mit dem Ziel entwickelt wurde als Sensoroberfläche des akustischer Regensensor zu dienen, sondern im Kern einen anderen Zweck erfüllt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen gehören zu den Eigenschaften ein oder mehrere der folgenden:
• Niederschlagsmenge,
• Niederschlagsrate,
• Niederschlagsart,
• Tropfenform,
• Tropfengröße, Tropfengrößenverteilung
• Tropfengeschwindigkeit, Tropfenanzahl.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung eines akustischen Niederschlagsensors die Funktionalität eines Ombrometers sowie eines Distrometers in nur einem System vereint werden kann, das die relevanten Informationen liefert, um Rückschlüsse auf die meteorologischen Eigenschaften von Niederschlagsereignissen zu schaffen. Hierbei ist es vorteilhafterweise möglich, eine Klassifizierung der Regentropfengröße und der Regentropfenanzahl zu schaffen. Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen umfasst der akustische Niederschlagsensor ein schwingendes Element, z. B. eine Scheibe, Platte, Sensoroberfläche oder andere schwingfähige Flächen, z. B. ein (plattenförmiges) Photovoltaikmodul sowie ein entsprechendes Messelement, z. B. ein oder mehrere Mikrophone und/oder Schwingungsaufnehmer zur Bestimmung eines Schallsignals, wie beispielsweise Luft- und/oder Körperschall. Das mittels ein oder mehreren Sensoren erfasste akustische Signal wird dann einer Signalverarbeitung zugeführt, die das akustische Signal analysiert. Beispielsweise kann das empfangene Messsignal oder das kombinierte Messignal bei Kombination mehrerer Sensoren (mehrere Mikrophonen und/oder Körperschallaufnehmer oder Kombination aus Körper- und Luftschallsensorik) mit ein oder mehreren Signalmustern abgeglichen werden, z. B. unter Verwendung eines mittels maschinellen Lernens trainierten Algorithmus. Den ein oder mehreren Signalmustern können ein oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags zugeordnet sein, so dass ausgehend von dem Abgleich ein oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags bestimmt werden können. Anders ausgedrückt heißt es, dass eine Klassifizierung des Niederschlags anhand der ein oder mehreren Eigenschaften möglich ist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung haben die Vorteile, dass durch die Kombination aus Element, auf das der Niederschlag auftrifft sowie Messelement zum Erfassen eines akustischen Signals bisher nicht oder nur sehr aufwendig messbare Niederschlagseigenschaften, wie z. B. die Tropfengrößenverteilung, Tropfenanzahl pro Sekunde/Fläche usw., erfasst werden können. Die lokale Niederschlagserfassung ist mit geringer Latenz und in Echtzeit möglich. Ferner wird hierdurch eine vertikale Erfassung und Auswertung von Wetterelementen sichergestellt. Die Sensorik ist ferner auch kostengünstig herzustellen, wartungsarm und energieeffizient. Da über die normal vorhandenen Bauteile/Flächen der Vorrichtung z.B. im Sinne einer Karosserie oder eines Gehäuses nur ein oder mehrere Schallaufnehmer hinzukommen, weist die so geschaffene Sensorik Vorteile hinsichtlich Bauraum und Baugewicht auf. Auch können Flächen einer PV Anlage oder eines Gebäudes (Gebäudeaußenhaut) oder auch eines mobilen Objekts wie eines Flugzeuges verwendet werden.
Bezüglich der Signalverarbeitung sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Signalverarbeitung ausgebildet ist, um den Niederschlag basierend auf einer Zeit- und/oder Frequenzdarstellung oder Signalen, insbesondere Zeit- und/oder Frequenzsignalen, zu klassifizieren bzw. zu detektieren, z. B. eine Klassifizierung von Regentropfengrößen, Regentropfenanzahl bei einem Niederschlag in flüssigem Aggregatzustand. An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass das Zeitfrequenzverhalten ein sehr deutliches Signalmuster ausbildet, so dass ausgehend von diesen zwei Dimensionen sehr gut unterschiedliche Eigenschaften des Niederschlags identifizierbar und damit ableitbar sind. Entsprechend Ausführungsbeispielen umfasst die Signalverarbeitungseinheit einen Analysealgorithmus, wobei der Analysealgorithmus ausgebildet ist, um die durch die Signalverarbeitungseinheit durchgeführte Auswertung an ein oder mehrere Umgebungsbedingungen und/oder an den Standort des Niederschlagsensors und/oder an eine Montageposition des Messelements bezüglich des Elements anzupassen. Das ermöglicht vorteilhafterweise, dass so Signalcharakteristika herrührend aus von dem Niederschlag unabhängigen Faktoren mitberücksichtigt werden können und somit die Bestimmung bzw. Klassifizierung des Niederschlags nicht negativ beeinflussen.
Bezüglich des Messelements sei angemerkt, dass dieses entsprechend Ausführungsbeispielen ein oder mehrere Mikrophone umfasst, die ausgebildet sind, ein Schallsignal, z.B. Luftschall- und/oder Körperschallsignal, zu erfassen (Mikrophone nehmen eher Luftschall auf; Luftschall kann aber auch aus Körperschall resultieren) und/oder wobei das Messelement einen oder mehrere Schwingungsaufnehmer umfasst, der ausgebildet ist, ein Schwingungssignal und/oder ein Körperschallsignal zu erfassen. Sowohl akustische Signale, z. B. im hörbaren Bereich oder auch im nicht hörbaren Bereich, als auch Körperschallsignale sind kostengünstig, einfach und zuverlässig zu detektieren. Dadurch, dass die Sensorik z.B. auch auf der Innenseite des einen Elements (bspw. Integration in Modul oder am Rand) angeordnet werden kann, ist es vorteilhafterweise möglich, die Sensorik vor Umgebungseinflüssen, wie z. B. dem Niederschlag, zu schützen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das eine Element ein spezielles Material oder eine spezielle Geometrie oder spezielle Abmessungen aufweisen, um das akustische Signal derart zu erzeugen, dass die ein oder mehreren Eigenschaften des Niederschlags gut bestimmbar sind. Ausgehend von diesen Einflussfaktoren wird dann ein charakteristisches Schwingungsmuster durch einen entsprechenden Niederschlag ausgebildet, so dass die Eigenschaften des entsprechenden Niederschlags anhand dieses Schwingungsmusters charakterisierbar sein können. Mögliche Formen werden durch die sowieso vorhandene Struktur, die als Schwingkörper genutzt wird, definiert und können z.B. ein plattenförmiges Elemente (ebene Platte), eine Kuppelform, Schlüsselform, Wellblechform, die Form eines Hohlraums, die Form eines Resonanzkörpers, eine Flüssigkeitsoberfläche, z. B. Wasser, oder die Form zumindest eines Teils einer Karosserie eines Fahrzeugs (z. B. eines Landfahrzeugs, Luftfahrzeugs, Wasserfahrzeugs oder Raumfahrzeugs), etc. umfassen. Weitere denkbare Implementierungen sind Platte, Scheibe, Glasplatte, Kuppel, Gehäuseoberfläche, Außenwand oder ein anderes schwingungsfähiges System. Ein besonderes Ausführungsbeispiel kann die Verwendung eines z.B. plattenförmigen Photovoltaik-Moduls als Element sein (andere Formen, wie zylindrische PV-Module wären ebenso möglich). Ebenso wäre auch die Verwendung einer Dachfläche (Dachplatten oder Blech) oder allgemein einer Oberfläche als schwingfähige Struktur denkbar. Hierbei ist es vorteilhafterweise möglich, ein Photovoltaik-Modul oder eine (beliebige) Fläche desselben als schwingungsfähiges Element zu verwenden und durch Ergänzung mit einem Messelement und einer Signalverarbeitung einen akustischen Niederschlagsensor zu schaffen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das bestehende Objekt oder die bestehende Struktur, die der Niederschlagssensor nutzt, eine stationäre Struktur, z.B. PV Modul oder Außenhaut eines Bauwerks, und/oder mobile Struktur, z.B. Fahrzeug umfassen. Vorteilhafter Weise wird somit durch den erläuterten Niederschlagssensor eine Nachrüstoptionen (Retrofit) für bestehende Systeme, wie zum Beispiel stationäre Systeme (z.B. PV Anlagen oder Dachflächenfenster) oder mobile System (z.B. Fahrzeug) geschaffen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Element derart angeordnet ausgebildet sein, dass der auftreffende Niederschlag das Element wieder verlässt und abgeleitet wird. Eine schräge Anordnung wäre beispielsweise denkbar. Darüber hinaus kann das Element auch beheizbar sein, um beispielsweise Niederschlag in Form von Schnee abzutauen und vom Element abfließen zu lassen. Somit befreit sich der Niederschlagsensor selbstständig von vergangenem Niederschlag und kann so neuen Niederschlag wieder detektieren.
Entsprechend Ausführungsbeispielen sind das Element sowie das Messelement zueinander schwingungsentkoppelt gelagert. Das heißt also, dass entsprechend Ausführungsbeispielen ein Schwingungsentkopplungselement bei dem akustischen Niederschlagsensor vorgesehen sein kann, das zwischen dem Element und dem Messelement angeordnet ist. Eine derartige Schwingungsentkopplung schafft es, Störeinflüsse auf das Signal zu reduzieren. Das ist insbesondere bei Luftschallempfängern interessant.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Niederschlagsensor ein Verstärkungselement aufweisen, das ausgebildet ist, das von dem Element erzeugte akustische Signal zu verstärken. Die Signalverarbeitungseinheit empfängt entsprechend Ausführungsbeispielen das verstärkte akustische Signal. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Signalverarbeitungseinrichtung auch Mittel zur Digitalisierung des Messsignals (verstärkten akustischen Signals bzw. akustischen Signals) aufweisen, um dann diese als digitale Signale weiterzuverarbeiten.
Wie oben bereits erläutert, gibt es Niederschlag in unterschiedlichen Formen, z. B. im festen oder flüssigen Aggregatzustand, je nach Außentemperatur, Druck, etc. . Bei dem Niederschlag handelt es sich bevorzugterweise um einen aus der Atmosphäre abgegebenen Aggregatzustand. Der akustische Niederschlagsensor ist ausgebildet, sowohl festen (gefrorenen) und/oder flüssigen Niederschlag zu erfassen. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Niederschlagsensor auch eine Mehrzahl von Elementen, z. B. räumlich bzw. örtlich verteilt angeordnete Elemente, aufweisen. Hierzu können dann ein oder mehrere Messelemente, beispielsweise ein Messelement je Element, vorgesehen sein. Eine Verteilung einer Mehrzahl von akustische Niederschlagsensor an mehreren Orten, wie z.B. im Fall von mehreren Solarzellen mit jeweils einem akustischen Sensor auf mehreren PV-Modulen o- der Gebäuden wäre auch denkbar. Vorteilhaft ist, dass so ein Sensornetzwerk geschaffen wird, das hochaufgelöste Daten zur verbesserten Wetterbeobachtung und Wetterprognose liefert. Somit ist eine kostengünstige, wartungsarme und energieeffiziente Sensorik zur Schaffung eines engmaschigen Sensornetzwerks realisierbar. Bei der Verwendung eines Photovoltaikmoduls als schwingungsfähiges Element ist es möglich, ein engmaschiges Netz der Energieinfrastruktur, welches prädestiniert für die Aufgabe der Sensorik ist, zu schaffen, die sich entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen selbst mit Energie versorgt und ständig verfügbar ist. Das ermöglicht vorteilhafterweise eine Always-on-Sensorik für Wetterdaten zur permanenten Datenerfassung. Somit kann also entsprechend Ausführungsbeispielen der akustische Niederschlagsensor ausgebildet sein, dauerhaft oder nur zu definierten Zeiten oder für vorbestimmte Zeitdauern aktiviert zu werden. Ferner werden menschliche, mechanische und wetterbedingte Messungenauigkeiten durch hohe lokale Sensordichte und intelligente Auswertung reduziert. Insofern wird entsprechend Ausführungsbeispielen ein System mit einer Mehrzahl von örtlich verteilt angeordneten, z. B. auf verschiedenen Hausdächern angeordneten, akustischen Niederschlagsensoren geschaffen. Ferner umfasst das System eine Einheit, die mit allen Niederschlagsensoren verbunden ist und die lokalen Ereignisse der Signalverarbeitungseinheit der Niederschlagsensoren aggregiert und/oder eine Verbesserung eines Analysealgorithmus einer oder mehrerer der Signalverarbeitungseinheiten der Niederschlagsensoren bewirkt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft eine Photovoltaikanlage mit zumindest einem plattenförmigen Photo- voltaikmodul, einem Messelement und einer Signalverarbeitung. Vorteilhafterweise kann der Betrieb des Messelements und/oder der Signalverarbeitungseinheit mit Energie, bereitgestellt durch die Photovoltaikanlage, realisiert sein.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass sowohl bei Photovoltaikanlagen als auch bei anderen Elementen, wie z. B. Dachfenstern, der akustische Niederschlagsensor vorteilhafterweise gemäß Ausführungsbeispielen eingesetzt werden kann, um diese Geräte insbesondere zur Regulierung und zum Schutz zu steuern.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines akustischen Regensensors gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
Fig. 2a eine schematische Darstellung eines Regensensors, der eine vorhandenen Struktur in Kuppelform (z.B. Dachflächenfenster) nutzt, mit optionalen Merkmalen gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
Fig. 2b/c schematische Darstellungen zur Illustration des Prinzips der akustischen Entkopplung im Inneren des Regensensors gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 2d eine schematische Darstellung eines akustischen Regensensors gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Beregnungsanlage zur Beurteilung eines Regensensors gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Variationen der Fallgeschwindigkeit von Regentropfen in Abhängigkeit von der zurückgelegten Distanz (K. Wang und H. R. Pruppacher. ” Acceleration to terminal velocity of cloud and raindrops“. In: Journal of Applied Meteorology 16.3 (1977), S. 275- 280);
Fig. 5 eine schematische Tabelle zur Erläuterung von Messdaten von Regensensoren;
Fig. 6a-d schematische Spektrogramme als Erläuterung der akustischen Signale zur Verarbeitung an Regensensoren zugehörig zu den Messdaten aus Fig. 5; und
Fig. 7a-g schematische Darstellungen von möglichen Geometrien für ein Element des Regensensors gemäß Ausführungsbeispielen.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
Fig. 1 zeigt einen akustischen Regensensor 10 mit den zwei zentralen Elementen 12 und 14. Bei dem Element 12 kann es sich um ein bereits vorhandenes Element, wie z. B. eine Scheibe, Glasscheibe, Platte, Kuppel, Gehäuseoberfläche, Außenwand, Karosseriefläche oder eine andersartige schwingungsfähige Fläche handeln, die derart angeordnet ist, dass ein zu erfassender Niederschlag 17 auf das Element 12 auftrifft, wobei das Element 12 derart ausgebildet ist, dass der auftreffende Niederschlag 17 ein akustisches Signal 19 erzeugt.
Bei dem Element 14 handelt es sich um ein Messelement, wie z. B. ein Mikrophon oder Schwingungsaufnehmer (Schwingungsaufnehmer könnte direkt an Plattenstruktur angebracht sein, d.h. ohne räumlichen Abstand), das bezüglich des Elements 12 derart angeordnet ist, um das akustische Signal 19 zu erfassen. Bei einem akustischen Signal kann es sich z.B. um ein Schallsignal, z. B. im hörbaren Bereich oder im nicht hörbaren Bereich (Ultraschall, Infrasound, etc.), oder um ein Körperschallsignal handeln. Das Mikrophon und/oder der Schwingungsaufnehmer erfasst dieses akustische Signal 19 und wandelt es in ein Messsignal um. Dieses Messsignal wird dann (direkt, verstärkt oder vorverarbeitet) an eine Signalverarbeitungseinrichtung 16 weitergeleitet und von selbiger ausgewertet. Alternativ könnte die Auswertung auch extern, z.B. auf einem Server oder in der Cloud erfolgen.
Bei der Auswertung bzw. Verarbeitung durch die Einheit 16 können basierend auf dem Messsignal ein oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags, wie z. B. eine Niederschlagsmenge, eine Niederschlagsrate, eine Niederschlagsart, eine Tropfenform, eine Tropfengröße, eine Tropfenverteilung, eine Tropfengeschwindigkeit, eine Tropfenzahl, etc. bestimmt werden. Eine derartige Bestimmung ist entsprechend Ausführungsbeispielen in Echtzeit möglich. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet sein, einen Abgleich des empfangenen Messsignal mit ein oder mehreren Signalmustern durchzuführen. Die ein oder mehreren Signalmuster sind ein oder mehreren Eigenschaften zuordenbar. Ein graphisch dargestelltes Signalmuster für unterschiedliche Niederschlagsereignisse, d. h. Niederschläge in unterschiedlichen Eigenschaften, ist in den Fig. 6a-d dargestellt. Die Fig. 6a-d zeigen unterschiedliche Zeitfrequenzdiagramme, d. h. also Spektrogramme, die unterschiedlichen Regenereignissen, wie z. B. mit unterschiedlicher Tropfengeschwindigkeit und unterschiedlicher Wassermenge, zuordenbar sind. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Abgleich des Messsignals mit ein oder mehreren Signalmustern unter Verwendung eines Kl-Algorithmus erfolgen. Insofern weist die Signalverarbeitung zur Auswertung einen mittels maschinellen Lernens trainierten Algorithmus auf. Anhand des Abgleichs sind die ein oder mehreren Eigenschaften bestimmbar bzw. allgemein der Niederschlag klassifizierbar. Aufbau für die Klassifizierung können entsprechend Ausführungsbeispielen ein oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags zu Klassen zusammengefasst werden und charakteristischen Signalmustern zugeordnet werden. Zur Ermittlung derartiger Datenbasis kann vorteilhafterweise maschinelles Lernen verwendet werden. Die Ermittlung der Datenbasis sowie das Testen des Niederschlagsensors 10 ist mittels einer Beregnungsanlage 80, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, möglich.
Die Beregnungsanlage 80 nach Fig. 3 umfasst ein Wasserreservoir 81 , das einen Niederschlag 17‘ simuliert. Hierzu wird Wasser vom Auffangbecken 82 mittels einer Pumpe 83 in das Wasserreservoir 81 gepumpt. Das Wasser in dem Reservoir 81 kann unter Verwendung eines Tropfenerzeugers 84 unterschiedliche Tropenformen des Niederschlags 17‘ erzeugen. Ein Überlauf kann ebenfalls vorhanden sein. Zwischen dem Tropfenerzeuger 84 bzw. dem Wasserreservoir 81 und dem Auffangbecken 82 ist der Sensor 10 bzw. die Oberfläche des Sensors 12 vorgesehen. Mit dieser Vorrichtung 80 kann gezeigt werden, dass es Unterschiede in der akustischen Charakteristik von verschiedenen Regenszenarien gibt und dass diese mithilfe des entwickelten Niederschlagsensors 10 klassifizierbar sind. Das Wasserreservoir 81 speist den Tropfenerzeuger 84. Die Erzeugung besteht aus mehreren Tropfen 17‘. An diesen lässt sich die Tropfgeschwindigkeit (also Tropfenanzahl pro Zeiteinheit) oder Tropenanzahl oder Tropfengröße entsprechend der jeweiligen erzeugten Niederschlagszenarien einstellen. Die Wassertropfen 17‘ fallen auf die Sensoroberfläche 12 und erzeugen dort durch ihr Aufprallen ein akustisches Signal. Danach wird das abfließende Wasser mittels einer Regenrinne aufgefangen und in das Auffangbecken 82 geleitet. So werden Störgeräusche durch von der Kante der Sensoroberfläche abtropfendes Wasser vermieden. Da die Tropfenerzeugung auf dem Prinzip des Schweredrucks des Wassers basiert, wird im Wasserreservoir 81 eine gleichbleibend hohe Wassersäule durch die Pumpe 83 geschaffen. Hierfür pumpt die Pumpe 83 kontinuierlich Wasser vom Auffangbecken 82 in das Wasserreservoir 81. Der dort erzeugte Wasserüberschuss kann mittels des Überlaufs ausgeglichen werden, welcher das übermäßige Wasser wieder in das Auffangbecken 82 zuführt. Verbindungsschlauch zwischen Überlauf und Auffangbecken ist nicht senkrecht, sondern spiralförmig geführt. Dies resultiert in einer reduzierten Fließgeschwindigkeit, wodurch die Fließgeräusche gemindert werden. Fig. 4 zeigt die Variation der Fallgeschwindigkeit von Regentropfen in Abhängigkeit von der zurückgelegten Distanz (K. Wang und H. R. Pruppacher. ” Acceleration to terminal velocity of cloud and raindrops“. In: Journal of Applied Meteorology 16.3 (1977), S. 275- 280)). Dies verdeutlicht, dass ein bedeutender Faktor die Länge des Fallwegs der Tropfen darstellt. Dieser wird durch den Abstand zwischen Sensoroberfläche 12 und dem Tropfenerzeuger 84 bestimmt. Ein Mindestfallweg von 2,5 Meter war definiert. Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, entspricht dieser in etwa dem Weg, den ein durchschnittlicher Regentropfen (größer als 0,5 mm im Durchmesser) braucht, um nahezu seine Endgeschwindigkeit von ungefähr 5,8 m/s zu erreichen.
Zur weiteren Erläuterung der Ergebnisse werden Begriffsdefinitionen nachfolgend eingeführt: Grundsätzlich definiert man in der Meteorologie unter diesem Begriff Niederschlag die Abgabe von Wasser aus der Atmosphäre. Diese kann im festen und/oder flüssigen Aggregatzustand passieren und am Erdboden beobachtet oder gemessen werden. Zudem wird zwischen verschiedenen Niederschlagsarten unterschieden. Es gibt fallende, aufgewirbelte, abgelagerte und abgesetzte Niederschläge. Der fallende Niederschlag entsteht durch das Ausscheiden von Wasser aus Wolken und liegt in flüssiger oder fester Form vor. Grundsätzlich gibt es drei Ursachen für dessen Bildung: Kondensation, Sublimation oder Kollision der Wolkenpartikel. Zu den Arten fallender Niederschläge zählen beispielsweise Regen, Eisregen, Schnee, Graupel oder Hagel.
Regen ist definiert als ein Niederschlag in flüssiger Form. Der Durchmesser der Regentropfen liegt dabei zwischen 0,5 bis maximal 5 mm [Quelle deutscher Wetterdienst], Bei Schauern können auch Durchmesser bis 6 mm erreicht werden [Quelle deutscher Wetterdienst], Auch größere Tropfen wären natürlich möglich.
Zur Aufnahme des Schalls bzw. der Schwingung des Geräuschs, welches die T ropfen beim Aufprallen auf die Auftrefffläche des Niederschlagsensors erzeugen, wurde der im Folgenden beschriebene Messaufbau verwendet. Dieser besteht aus zwei Messmikrophonen von Microtech Gefell, dem Vorverstärker 12AQ von GRAS, einem Messinterface von HEIM (bestehend aus den Modulen PWAC, DIC6B und LMF2FE) und einem Laptop mit der dazugehörigen Aufnahmesoftware Sirecord. Ein Messmikrophon setzt sich aus einer Mikrophonkapsel des Typs MKS 221 und einem Mikrophonverstärker des Typs MV212 zusammen. Die beiden Mikrophone wurden jeweils an der hinteren und linken Kante, in einer Höhe von 1 Meter, mit einem Abstand von 50 cm zum Auftreffflächenmittelpunkt und in einer Ebene mit der schrägen Auftrefffläche aufgehangen. Dies entspricht einem effektiven Abstand von 1 ,25 Meter.
Ausgehend hiervon können Messdaten generiert werden, die beispielsweise in Fig. 5 gezeigt sind. Fig. 5 zeigt eine Tabelle mit vier Niederschlagsintensitäten (Stufe 1-4). Jede Niederschlagsintensität ist mittels einer Tropfgeschwindigkeit pro Tropfer und einer Wassermenge pro 0,01 m2 definiert. Gemäß Ausführungsbeispielen kann des Sensorsystem zwischen den vier Stufen oder auch zwischen mehr (höhere Auflösung der Niederschlagsintensitäten) oder weniger Stufen differenzieren.
Vor jeder Messdatenerhebung erfolgte eine Kalibrierung der Messmikrophone mittels der Aufnahmesoftware bei 1000 kHz, 94 dß(SPL) und einem, am Vorverstärker eingestellten Verstärkungsfaktor von 20 dB. Die Aufnahme erfolgte mit einer Abtastrate von 96 kHz. Die Dateien wurden zur weiteren Verarbeitung in das Format .wav überführt. Der erste Audiokanal ist dabei dem Mikrophon an der hinteren Seite und der zweite Kanal dem Mikrophon an der linken Seite der Auftrefffläche zugeordnet. Bei jeder Stufe wurde die Tropfgeschwindigkeit per Hand eingestellt. Dazu wurde bei jedem Tropfer der zeitliche Abstand zwischen zwei Tropfen gemessen und so lange korrigiert, bis er in der Fehlertoleranz lag. Die Tropfgeschwindigkeit wurde zudem für jede Stufe einzeln definiert. Pro Einstellung wurden jeweils 11 Stunden Audiodaten aufgenommen. Diese sollen im Rahmen des internen Forschungsprojekts später als Trainingsdatensatz für einen maschinenbasierten Lernalgorithmus dienen. Zur Generierung und Annotation der Datensätze, z. B. durch Beregnungsanlage mit definierter Durchflussmenge und kontrollierte Tropfengröße, vgl. Fig. 3 kann alternative eine bildbasierte Erfassung von Niederschlagsereignissen als Referenz zur akustischen Erfassung verwendet werden (Definierte Plattenstruktur realen Niederschlagereignissen aussetzen und mit standardisierten Verfahren den Niederschlag erfassen (bspw. mittels Referenzmesstechnik an Wettermessstationen) abgleichen).
Zur Auswertung der Ergebnisse wurde für jede Messstufe (Fig. 5) ein Spektrogramm erstellt (Fig. 6a-d). Dieses zeigt jeweils den zeitlichen Verlauf des logarithmisch dargestellten Frequenzspektrums in einem Bereich von 0 bis 40 kHz und über eine Dauer von 20 Sekunden. Wie in den einzelnen Spektrogrammen zu erkennen, äußert sich das Auftreffen eines Wassertropfens auf die Auftrefffläche des Niederschlagsensors in einem kurzzeitigem Amplitudenmaximum, das sich über den gesamten betrachteten Frequenzbereich erstreckt. Dieses charakteristische Merkmal ermöglicht es, die einzelnen auftreffenden Tropfen genau zu identifizieren. Verschiedenen Tropfengrößen unterscheiden sich zudem in ihrem allgemeinen Erscheinungsbild im Spektrogramm. Merkmale sind hier beispielsweise das zeitliche Abklingverhalten, die maximale Frequenz und die maximale Schallamplitude.
Folgendes lässt sich am Spektrogramm der Stufe 1 zeigen, welches die niedrigste Tropfgeschwindigkeit darstellt (Fig. 6a). Die im Vergleich zu den anderen Stufen, mit zeitlich großem Abstand auftretenden Maxima repräsentieren deutlich das langsame Tropfen der Beregnungsanlage. Das im unteren Frequenzbereich (0-260 Hz) sichtbare Frequenzband liegt tendenziell im Rauschen des Messaufbaus begründet und lässt sich auch in den anderen drei Spektrogrammen wiederfinden. Vergleicht man die Spektrogramme der Stufen 1-4 kann man zudem eine Korrelation zwischen der ansteigenden Tropfgeschwindigkeit und der zunehmenden Anzahl an Amplitudenmaxima beobachten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es mithilfe des Niederschlagsensors möglich ist, aufgrund der in den Spektrogrammen enthaltenen Informationen, zwischen verschiedenen Regenintensitäten zu unterscheiden. Somit lässt sich sagen, dass der Regensensor, die in der Aufgabenstellung erläuterte Anforderung, Rückschlüsse auf die Eigenschaften verschiedener Niederschlagsereignisse zu ermöglichen, erfüllen könnte. Darüber hinaus lässt sich in Anbetracht der Ergebnisse die Annahme treffen, dass es grundsätzlich auch möglich sein sollte, mit diesem Ansatz noch weitere Niederschlagsarten wie z.B. Schnee zu analysieren und klassifizieren.
Zudem wäre es denkbar, unterschiedliche Formen (z.B. kuppelförmig) und Materialien (z.B. Kunststoff oder Aluminium) bezüglich der Sensoroberfläche zu variieren, da sich einzelne Ausführungen besonders gut für spezielle Niederschlagsarten eignen.
Bezug nehmend auf Fig. 7a-g werden unterschiedliche Oberflächenstrukturen bzw. Geometrien des Elements, auf das der Niederschlag trifft, mit deren Vor- und Nachteilen sowie den bevorzugten Anwendungen diskutiert. Fig. 7a zeigt einen Hohlraumresonator mit einer kuppelförmigen Oberfläche 12a. Im Inneren des Hohlraumresonators wird ein Hohlraum geschaffen. Dieser Hohlraum hat Einfluss auf das akustische Signal bei der Aufnahme durch das Mikrophon 14. Reflexionen verschiedener Frequenzen sind von der Raumgeometrie abhängig. Insofern kann über diese Geometrie eine akustische Optimierung, z. B. durch Vorfiltern des Frequenzspektrums, ermöglicht werden. Ein weiterer Abhängigkeitsfaktor ist die Materialdicke, die Einfluss auf die Sensiti- vität hat. Um dem Rechnung zu tragen, können unterschiedliche Kuppelformen gleichzeitig verwendet werden, wie in Fig. 7b gezeigt ist.
Sowohl die Ausführungsbeispiele aus Fig. 7a als auch die Ausführungsbeispiele aus Fig. 7b haben eine gewölbte Oberfläche 12b, die vorteilhafterweise ermöglicht, dass der auftreffende Niederschlag seitlich ablaufen kann. So wird der Einfluss von stehendem Wasser auf das Frequenzspektrum reduziert. Auch hat die Form Einfluss auf Störsignale, wie z. B. ausgehend von Wind oder Spritzwasser, die das auszuwertende akustische Signal überlagern. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Oberfläche auch beschichtet sein, um hier stehendes Wasser zu verhindern.
Eine hydrophobe Beschichtung und/oder ein Lotusblüteneffekt wären denkbar, um Niederschlagsableitung zu erhöhen. Gerade für schwer zu detektierenden niedrigen Niederschlag kann so die Sensitivität erhöht werden. In Fig. 7g ist eine Weiterentwicklung aus Fig. 7a gezeigt, nämlich ein Hohlraumresonator mit drei Kuppeln. Zur Erläuterung des Hohlraumresonators: Die Platte des Resonators stellt einen Vibrator dar, während der Regentropfen den Generator darstellt. Durch die Verwendung eines Resonators wird eine Amplifikation geschaffen. Der Resonanzraum hat Einfluss auf das Frequenzverhalten. Frequenzteile, die näher bei den Eigenresonanzen liegen, werden weniger geschwächt durchgelassen als die, die weiter von der Eigenfrequenz entfernt sind. In anderen Worten wird ein mechanischer Filter geschaffen. Beispielsweise kann durch gezielte Anpassung der Resonanzen eine Resonanzverstärkung erreicht werden.
Eine Anpassung der Resonanz ist entsprechend Ausführungsbeispielen über verschiedene Materialien und/oder Dicken und/oder Formen denkbar. Beispielsweise werden unterschiedliche Materialien statt oder zusammen mit den unterschiedlichen Dicken verwendet, um unterschiedliche akustische Eigenschaften auszubilden. Durch die unterschiedlichen akustischen Eigenschaften werden unterschiedliche akustische Kennlinien ausgebildet. Die gemeinsame Betrachtung lässt Rückschlüsse auf Tropfengröße und -menge zu. Beispielsweise sei erwähnt, dass dünnere Membrandicken zur Analyse von schwachem Regen besser geeignet sind als dickere, während dickere Membrandicken zur Analyse von starkem Regen geeignet sind, da sie höhere Dämpfungen und geringere Sensitivität aufweisen und/oder so ein Herausfiltern von bestimmten Frequenzen bewirken.
Insgesamt sei anzumerken, dass je bei solchen Wetterereignissen mit niedriger Intensität eine hohe Sensitivität wünschenswert wäre, während bei Starkregen die hohe Sensitivität ggf. nachteilig sein kann. Entsprechend Ausführungsbeispielen wäre es auch denkbar, unterschiedliche Sensoren oder Sensorausprägungen in Kombination zu verwenden, um unterschiedliche Regenereignisse selektiert voneinander zu bestimmen. Insofern stellt das Ausführungsbeispiel aus Fig. 7b mit mehreren Membranen, hier drei, mit beispielsweise mit verschiedenen Materialdicken und/oder unterschiedlichen Abmessungen, etc. einen vorteilhaften Kompromiss dar, um unterschiedliche Wetterereignisse mit unterschiedlicher Sensitivität zu detektieren.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Oberfläche auch gezielt ein Fluid, wie z. B. ein Wasser, aufweisen, das das Schwingungsverhalten ändert. Auch kann direkt eine Wasseroberfläche z.B. eines Pools genutzt werden. D.h. dass statt einer festen Oberfläche also entsprechend Ausführungsbeispielen ein Fluid verwendet werden kann. Das bewirkt den Effekt der Volumenpulsation. Hierbei entsteht ein Blasenradius von beispielsweise 0,15 mm bis 15 cm und erzeugt so eine T onalität zwischen 20 Hz und 20000 Hz. Die Geräusche sind abhängig von der Grenzflächenspannung des Wassers. In Abhängigkeit davon können bestimmte Tropfengrößen (Volumen) und bestimmte Fallhöhen mit bestimmter kinetischen Energie gut detektiert werden. Die Wasseroberfläche als schwingende Membran überträgt Schall sehr effektiv auch auf die Luft. Die Füllhöhe bzw. Wasserflächenmembran hat einen Einfluss auf Nebeneffekte, wie z. B. das Bilden von Tochterblasen ausgehend von der Hauptblase, die zu einer Verfälschung des Frequenzspektrums führen können. Vorteilhaft bei der Verwendung derartiger fluidischer Membrane ist, dass die Energie von Sekundärtropfen im Regelfall nicht ausreicht, um einen typischen Klang zu erzeugen, so dass durch die Verwendung einer Fluidmembran Störgeräusche in Form von Spritzwasser eliminierbar sind.
Weiter sei angemerkt, dass der Aufprallwinkel und damit auch die Form einen signifikanten Einfluss auf das Verhalten hat. Insofern können vorteilhafterweise ein oder mehrere Aufprallwinkel gern. Ausführungsbeispielen festgelegt werden, z.B. durch ein Wellblech oder ähnlich. Fig. 7c und d zeigen die Verwendung von wellenförmigen Oberflächen, wie z. B. ein Mikrowellblech (vgl. Fig. 7d).
Die in Fig. 7a und 7b gezeigten Kuppelformen können sowohl eine eindimensionale Kuppel (kubische Grundform) wie in Fig. 7e dargestellt oder auch eine dreidimensionale Kuppel wie in Fig. 7f (zylindrische Grundform) dargestellt aufweisen. Die Ausführungsform aus Fig. 7e ist einfacher in der Herstellung, während die Ausführungsform aus Fig. 7f in alle Richtungen ähnliche Aufprallwinkel zur Verfügung stellt.
Im Ergebnis heißt das also, dass die Oberflächen- und Objekteigenschaften, wie z. B. die Geometrieform, Flächengröße, Materialart, Dicke, Dickenverlauf (im Sinne variierender Dicke), Beschichtung, etc., Einfluss auf das Frequenzspektrum und vor allem die Amplitude haben, so dass Filtereffekte und/oder Verstärkungseffekte hierdurch erzielt werden können. Auch kann die Grundfläche (rund, quadratische, ...) oder die Größe einen Einfluss haben. Auch können durch diese Faktoren Störfaktoren wie Spritzwasser oder Wind reduziert werden. Gerade bei fluidischen Membranen wird ein bspw. Hydrophon verwendet, wobei auch konventionale Mikrophone denkbar wären (Ausführungsbeispiel: Fluidfilm auf Dachflächenfenster, dass mit Mikrophon oder Körperschallempfänger das Signal überwacht, das vom Wasserfilm auf das Dachfenster übertragen wird). Der Schall im Wasser wird typischerweise als Nahfeldsignal erfasst. Im Meer hat sich gezeigt, dass der Peak typischerweise über 13,5 kHz oder über 12kHz oder über 14kHz oder über 15kHz) liegt. Im Gegensatz dazu weisen Tropfen auf eine feste Membran einen Peak von ca. 7 kHz (Bereich von 4,5 bis 9,5 kHz oder 6 bis 8 kHz oder 6,6 bis 7,4kHz) auf. Insofern ist der auszuwertende Frequenzbereich stark abhängig von den verwendeten Materialien und dem Membrantyp.
All diese Einflussfaktoren können bei der Signalverarbeitung berücksichtigt werden. Je nach verwendeten schwingfähigen Element kann die Signalverarbeitung in einen Anlernoder Kalibriervorgang (z.B. automatisiert) durchführen. Auch kann während des Betriebs mittels maschinellen Lernens der Auswertealgorithmus erweitert werden.
Fig. 2a zeigt einen Sensor 10‘ mit beispielsweise einer Kuppel 12b z.B. einer Kuppel eines Dachflächenfensters, als schwingendes Element. Diese Kuppel kann beispielsweise aus Glas, Aluminium oder Plastik oder auch einem beschichteten Material bestehen und ist zweiseitig gewölbt. Im Inneren der Kuppel befindet sich als Signalaufnehmer ein Mikrophon 14m, das entsprechend Ausführungsbeispielen schwingungsentkoppelt durch ein Schwingungsentkopplungselement 15s gelagert ist. Innerhalb dieses Schwingungsentkopplungselements 15s bzw. allgemein um das Mikrophon 14m herum kann auch noch ein Dämmmaterial, wie z. B. eine Dämmwolle, vorgesehen sein. Das Schwingungsentkopplungselement sowie das Dämmmaterial hat den Effekt, Störgeräusche zu verhindern. Additiv oder alternativ kann als Messsignalaufnehmer auch ein Schwingungsaufnehmer 14s vorgesehen sein. Dieser ist beispielsweise direkt mit dem Element 12b mechanisch gekoppelt. Alternativ zum Mikrophon kann auch ein sogenanntes Hydrophon eingesetzt werden. Ein möglicher Einsatz wäre z. B. bei der Anordnung aus Fig. 2c
Über die zwei diskutierten Sensoren hinaus können auch noch weitere Sensoren, wie z. B. die Temperatursensoren 15t1 und 15t2, vorgesehen sein. 15t1 befindet sich an der Kuppel und misst somit die Außentemperatur, während 15t2 sich im Inneren der Kuppel befindet. Ausgehend von den T emperaturen, z. B. ausgehend von der T emperaturdifferenz zwischen den zwei Sensorsignalen 15t1 und 15t2, kann eine Heizspirale zur Beheizung der Kuppel gesteuert werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen können auch solche Sensorwerte, wie z.B. Temperarturinformation oder andere Sensorwerte, zur Auswertung, z.B. zur Anpassung der Signalverarbeitung verwendet werden. Diese ein oder mehreren Signale können als weiteres Eingangssignal bei der Auswertung mittels Kl herangezogen werden.
Darüber hinaus weist der hier dargestellte akustische Sensor auch eine Datenverarbeitungsvorrichtung 16 auf. Diese wird beispielsweise von extern mit Strom versorgt und kann die Sensordaten mittels eines Datenkabels oder auch mittels eines WLAN-Moduls bzw. Funkmoduls 16f nach extern übermitteln. Eine Verschlüsselung mit dem öffentlichen und/oder privaten Schlüssel zum Empfänger bzw. Server wäre möglich.
Fig. 2b zeigt eine weitere Form eines Niederschlagsensors 10“. Hier ist ein schwingungsfähiges Element 12c, z. B. in Plattenform, dargestellt. Über Dämpfungselemente 15s ist ein akustischer Sensor 14 mit der Membran 12c verbunden. Wie hier dargestellt, ist der Sensor 14 unterhalb der Membran 12c angeordnet, was einen guten Nässeschutz bietet. Bezüglich der Flächenform der Membran 12c sei angemerkt, dass seitliche Tropfen schwer detektier- bar sind. Die in Fig. 2a und 2d dargestellte Kuppelform bietet, auch wenn sie komplexer ist, sowohl gute Eigenschaften für Nässeschutz als auch eine gute Detektierbarkeit von seitlichen Tropfen.
In Fig. 2d wird eine Vereinfachung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2a dargestellt. Die kuppelförmige Membran 12b schafft einen Hohlraum, der ferner durch ein Dämpfungselement 15s abgeschlossen wird. Im Inneren befindet sich der Schallaufnehmer 14, z. B. zentral. Die Kuppel 12b hat beispielsweise einen konstanten Radius über 180 Grad, so dass seitlicher Regen detektierbar ist und auch seitlicher Schutz vor Wind sichergestellt wird.
Fig. 2c zeigt eine weitere mögliche Anordnung der Membran 12c in Kombination mit einem Messsignalaufnehmer 14, der hier oberhalb angeordnet ist und die akustischen Signale reflektierend von der Oberfläche der Membran 12c ermittelt. Dieser Aufbau ist kostengünstig und einfach und kann als Retrofit eingesetzt werden. Nachteilig ist bei einer plattenförmigen Struktur, gerade in waagrechter Anordnung, dass durch das Hochspritzen der auftreffenden Tropfen ein erneutes Auftreffen ggf. mitdetektiert wird. Vorteilhaft ist, dass durch eine flache Membran 12c eine gute Sensitivität erreicht werden kann, da die Steifigkeit geringer ist. Bei schrägstehender Membran 12c kann auch ein Ablaufen des Wassers sichergestellt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Membran auch mehrteilig ausgeführt sein kann, so dass mehrere Elemente schwingen. Ein oder mehrere Schallaufnehmer je Membran bzw. je Anordnung umfassend mehrere Membranelemente wäre denkbar. Gerade eine gewinkelte Oberfläche, z. B. 10 Grad, ermöglicht, das auftreffende Wasser schnell zu entfernen und hier auch den Schmutz, der Einfluss auf das akustische Signal hat, weitgehend durch Selbstreinigung wieder zu entfernen. Lotuseffekt oder eine hydrophobe Beschichtung unterstützen entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen diese zwei Effekte. Hierbei gilt es, eine Optimierung zur Ausnutzung des Cassie-Baxter-Zustands. Die Benetzung von Festkörperoberflächen wird von der Oberflächenstruktur, bzw. der Oberflächenrauheit beeinflusst. Im Cassie-Zustand befindet sich der Tropfen auf den Spitzen der Oberflächenstruktur, wobei zwischen dem Tropfen und der Oberfläche Luft eingeschlossen sein kann. Dieser Effekt kann gezielt eingesetzt werden, um die Oberfläche so zu gestalten, dass diese hydrophobe Eigenschaften besitzt. Der Wenzel-Zustand beschreibt den gegenteiligen Effekt, welcher beim Cassie-Zustand auftritt. Im Wenzel Zustand "verzahnt" sich der Wassertropfen mit der rauen Oberflächenstruktur und sorgt somit für einen hydrophilen Effekt. (Quelle: Christian Dorrer and Jürgen Rühe. "Condensation and Wetting Transitions on Microstructured Ultrahydrophobic Surfaces", In: Langmuir 23.7 (2007), S. 3820-3824) Die Oberflächengröße hat Einfluss auf das Signal und insbesondere die Signalstärke. Wenn die Oberfläche zu klein ist, kann eine Verstärkung mittels Amplifikator verwendet werden. Bevorzugterweise wird eine lineare Verstärkung über den gesamten Frequenzgang gewünscht. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann natürlich auch eine nichtlineare Verstärkung oder auch eine Filterung zur Herausstellung von unterschiedlichen Frequenzteilen verwendet werden. Durch eine derartige Filterung kann eine Optimierung bezüglich bestimmten Niederschlagsereignissen, wie z. B. Tropfengrößen und damit auch eine Selektivität erreicht werden. Das heißt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen durch den Einsatz von Filtern und/oder Amplifikatoren und/oder durch die Wahl der Resonanzfrequenz des schwingenden Elements eine Anpassung an bestimmte Niederschlagsereignisse möglich ist. Somit wäre es also denkbar, den akustischen Niederschlagsensor insbesondere für schwache Niederschlagsereignisse mit geringer Wassermenge und/oder geringen Auftreffgeschwindigkeiten und/oder kleinen Tropfengrößen zu optimieren.
Zusammenfassend ist also festzustellen, dass durch unterschiedliche Faktoren, wie z. B. die Materialoberflächen des schwingenden Elements, die Oberflächenform des schwingenden Elements, die Oberflächenbeschichtung und/oder die gezielte Verwendung eines Oberflächenfilms durch Wasser, eine Optimierung der Sensitivität bzw. selektiven Sensiti- vität erreicht werden kann. Dies kann ebenfalls oder additiv durch technische Mittel, wie z. B. Filter oder Verstärkungselemente, erzielt werden. Die Form und/oder Neigung des schwingenden Elements hat ebenfalls Einfluss, da hierdurch das Ablaufen des Wassers begünstigt oder verhindert wird.
Auch die Anwendung hat Einfluss auf die Geometrie, Beschaffenheit und Form des Niederschlagsensors. Nachfolgend werden zwei konkrete Ausführungsbeispiele erläutert, nämlich einmal der Regensensor, wie er unter Laborbedingungen eingesetzt wurde und einmal ein Regensensor als Integration in ein Photovoltaikmodul.
Ausgehend von der oben erläuterten Beregnungsanlage wird der Regensensor 10‘ aus Fig. 3 erläutert, der zur Ermittlung von Lerndaten dient. Mithilfe der Beregnungsanlage aus Fig. 3 werden unterschiedliche Tropfenkombinationen eingesetzt, um akustische Signale zugeordnet zu den Tropenkombinationen als Niederschlagsereignis zu bestimmen. Die hier entstehenden akustischen Signale werden als Frequenz- und Amplitudenspektrum aufgenommen. Tropfengröße, Länge und kinetische Energie der Wassertropfen haben einen Einfluss auf das Signal, die, wie folgt, simulierbar sind.
Hierdurch ist eine Klassifikation der Tropfen in Tropfengröße (Unterteilung in verschiedene Durchmesserbreiten), Tropfenanzahl der verschiedenen Tropfendurchmesser und/oder Aufprallenergie/Geschwindigkeit möglich. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere der Abstand zwischen Endtropfer und Sensoroberfläche einen signifikanten Einfluss hat, wie bereits anhand von Fig. 4 erläutert wurde. Hintergrund ist, dass die Tropfhöhe einen Einfluss auf die Endgeschwindigkeit hat. Ausgehend von dieser Erkenntnis kann ein plattenförmiger Sensor in einer Photovoltaikanlage verwendet werden. Die Photovoltaikanlage beziehungsweise die plattenförmige Oberfläche stellt hierbei das schwingungsfähige Element dar. Durch ihre geometrische Form als Plattenstruktur ist ein PV-Modul anfällig zur Ausbildung von Schwingungsmustern, die durch Regen oder Wind hervorgerufen werden könnten. Bilden sich diese Muster in geeigneter Weise aus, ist es denkbar, dass durch einen (vibro)akustischen Sensor kombiniert mit einer intelligenten Signalanalysealgorithmik, ein vollkommen neuartiges, selbstversorgendes und ständig verfügbares System zur Wetterdatenerfassungen realisiert werden kann. Gelingt eine valide Datenauswertung, besteht die Vision in der Aggregation multipler Einheiten zur Umsetzung eines weiterreichenden Netzwerks, welches erstmalig hochaufgelöste Wetterdaten in Echtzeit erfassen kann.
Extreme Wetterlagen gelten als das größte Risiko zum Betrieb von Photovoltaikanlagen und können im schlimmsten Fall zu Spontanausfällen führen. Um das Risiko für die Energienetze und Netzbetreiber so gering wie möglich zu halten, ist zur Sicherung der Energiesouveränität ein permanentes Wettermonitoring notwendig.
Darüber hinaus würden die erfassten Wetterdaten zur Verbesserung von meteorologischen Wettermodellierungen und -prognosen beitragen. Profitieren könnte hiervon die Präzisionslandwirtschaft, indem Erträge durch ressourceneffiziente Bewässerung optimieren werden vor dem Hintergrund einer resilienten Wasserversorgung. Auch in Sinne des Bevölkerungsund Katastrophenschutzes können die präziseren räumlichen und zeitlichen Wetterdaten nicht nur zum Schutz kritischer Infrastrukturen genutzt werden, sondern auch um Einsatzkräfte zielgerichteter einzusetzen und damit im Ernstfall durch geeignete Maßnahmen noch besser Leib und Leben zu retten. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist eine Aggregation multipler lokaler Einheiten zur Umsetzung eines weiterreichenden Netzwerks möglich.
Der Ansatz gemäß Ausführungsbeispielen basiert auf der Verwendung von kostengünstigen, energieeffizienten, akustischen Sensoren an Solarplatten im vollkommen neuen Anwendungsgebiet der Bestimmung hochaufgelöster Wetterdaten zur Stärkung von Energiesouveränität und zum besseren Verständnis des Klimawandels. Gerade der Einsatz in Photovoltaikanlagen ist deshalb vorteilhaft, da in den kommenden Jahren mit einem verstärkten Ausbau von Photovoltaikanlagen zu rechnen ist und so ein sehr gutes Sensornetzwerk zur Wettermessung aufgebaut werden kann. Auch können Photovoltaikanlagen die Sensorinformation direkt verwenden, z. B. für einen Forecast der zu erwartenden Energiemenge. Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine mobile Vorrichtung mit einem entsprechenden Sensor. Der Sensor ist, wie oben bereits erläutert, vorteilhaft hinsichtlich Bauraum und Baugewicht, so dass selbst kleine, leichte Vorrichtungen solche Sensoren einsetzen können und zur Wetterdatenermittlung dienen. Eine Vielzahl von Objekten haben freie Oberflächen, die als schwingungsfähiges Element dienen können, so dass durch Ergänzung mittels eines Schallabnehmers der Wettersensor komplettiert werden kann. Das Material der Oberflächen, die Oberflächenbeschaffenheit etc. haben Einfluss, der zu berücksichtigen ist.
Da die Oberflächen häufig unterschiedlich sind, kann entsprechend Ausführungsbeispielen die Ermittlung von Niederschlagsdaten, beziehungsweise die allgemeine Klassifikation anhand von unterschiedlichen Trainingsdaten erfolgen. Die Trainingsdaten werden bevorzugterweise mit dem Sensor beziehungsweise einem vergleichbaren Sensor ermittelt und unterschiedlichen Niederschlagsereignissen beziehungsweise Eigenschaften des Niederschlags zugeordnet. Das führt zur Verbesserung von meteorologischen Wettermodellierungen und -prognosen durch die erfassten Wetterdaten. Es sei angemerkt, dass erfasste Messdaten durch Korrelation zur Messung anderer Parameter genutzt werden können, wie bspw. Feinstaubbelastung (Kondensationskeime) oder Wolkenhöhe, Auswirkung von/auf Windkraftanlagen.
Zur Klassifikation: Wie oben bereits erläutert, können unterschiedliche Eigenschaften des Niederschlags, wie zum Beispiel die gesamte Anzahl der Regentropfen, die Niederschlagsrate usw. detektiert werden. Die kinetische Energie, das heißt also die Niederschlagsgeschwindigkeit und/oder Tropfengröße, hat einen Einfluss auf die Amplitude des Messsignals. Der T ropfendurchmesser hat einerseits einen Einfluss auf die Amplitude und andererseits einen Einfluss auf das Frequenzspektrum. Somit ist durch eine ganzheitliche Auswertung typischerweise nicht nur ein, sondern mehrere Eigenschaften des Niederschlags bestimmbar. Durch diese Klassifikation ist also Niederschlagsart und/oder Zusammensetzung detailliert auswertbar. Auch ist eine örtliche und zeitliche Auflösung bei der Messung und Vorhersage für Niederschlag verbesserbar.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann also die Plattenstrukturen anfällig zur Ausbildung von Schwingungsmustern, die durch Regen und Wind hervorgerufen werden, z.B. PV- Modul oder Dachfenster sein. Entsprechend Ausführungsbeispielen wird zur Erfassung des Luft- und / oder Körperschalls ein (vibro)akustischen Sensor (bspw. als Druck- und/oder Druckgradientenempfänger) und/oder Schwingungsaufnehmer, der direkt an Platte angebracht und mit einer intelligenten Signalanalysealgorithmik (ggf. mit maschinellem Lernen) zur Bestimmung von Niederschlagsart, Niederschlagsmenge, Windstärke und weiterer Wettereigenschaften kombiniert. Zur Verbesserung der Genauigkeit kann Signalanalyse an lokalen Sensor optional angepasst werden. In Verbindung mit zusätzlichen Sensoren, z.B. Temperatur, Luftdruck, Windgeschwindigkeit ist beispielsweise das System erweiterbar.
Sowohl bei PV-Analgen als auch bei den anderen Flächen kann das Messelement oberhalb (auf Seite des Niederschlags) oder unterhalb (auf der dem Niederschlag abgewandten Seite bzw. vom Niederschlag geschützten Seite) angeordnet sein.
Zum PV Modul sei angemerkt, dass typischerweise als schwingende Fläche die Oberfläche, d.h. zum Beispiel die oberste Glasfläche des PV Modus oder das laminierte PV Modul selber verwendet werden kann.
Ferner können erfasste Wetterdaten zur Steuerung anderen Geräten genutzt werden, wie bspw. Dachfenster schließen, Regulierung und Schutz von PV-Anlagen. Unwetter können bei Betrieb von Photovoltaikanlagen im schlimmsten Fall zu Spontanausfällen führen. Durch permanentes Wettermonitoring ist das Risiko für Energienetze beziehungsweise der Netzbetreiber verringerbar.
Technische Anwendungsgebiete für die oben erläuterte Sensorik sind
- Photovoltaikanlage / -module
- Dachfenster und Fensterscheiben
- Karosserie und Fensterscheiben von Land-, Luft-, Wasser- und Raum-Fahrzeugen
- (Industrielle) Flachdächer, wie bspw. Wellblechdächer
- Landwirtschaftliche Bewässerungsmanagement
- Windkraftanlage
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eine Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart Zusammenwirken können oder Zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen- lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch, per Funk oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei- Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hard- ware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Vari- ationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
1. Akustischer Niederschlagsensor (10), mit zumindest einem Element (12), das Teil eines bestehenden Objekts oder einer besehenden Struktur ist und das derart angeordnet ist, dass ein zu erfassender Niederschlag auf das Element (12) auftrifft, wobei das Element (12) derart ausgebildet ist, dass der auftreffende Niederschlag ein akustisches Signal erzeugt, und zumindest einem Messelement (14), das bezüglich des Elements (12) angeordnet ist, um das akustische Signal zu erfassen; einer Signalverarbeitungseinheit (16), die ausgebildet ist, ein von dem Messelement (14) in Reaktion auf das akustische Signal erzeugtes Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten, um basierend darauf eine oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags, beispielsweise in Echtzeit, zu bestimmen.
2. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß Anspruch 1 , wobei die Signalverarbeitungseinheit (16) ausgebildet ist, durch Auswertung mittels eines durch maschinellen Lernens trainierten Algorithmus, der einen Abgleich des empfangenen Messsignals mit ein oder mehreren Signalmustern durchführt, und/oder durch Abgleich des empfangenen Messsignals mit ein oder mehreren Signalmustern, denen die eine oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags zugeordnet sind, die ein oder mehreren Eigenschaften des Niederschlags zu bestimmen und/oder den Niederschlag anhand der ein oder mehreren Eigenschaften des Niederschlags zu klassifizieren; und/oder wobei die Auswertung (des Messsignals, der Rohdaten oder extrahierten Merkmale) auf einem Server oder Cloud-basiert erfolgt.
3. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß Anspruch 1 oder 2; wobei die Signalverarbeitungseinheit (16) ausgebildet ist, um den Niederschlag basierend auf einer Zeit- und/oder Frequenzdarstellungen oder Signalen, insbesondere Zeit- und/oder Frequenzsignal zu klassifizieren und/oder detektieren; und/oder wobei die Signalverarbeitungseinheit (16) ausgebildet ist; anhand ein oder mehrerer Muster von Merkmalen und/oder Merkmalskombinationen die ein oder mehreren Eigenschaften zu bestimmen; und/oder wobei die Signalverarbeitungseinheit (16) ausgebildet ist, Merkmalsextraktion, insbesondere in Form einer Zeit-Frequenz-Transformation oder einer Transformation in anderer vordefinierter Merkmale, durchzuführen; und/oder wobei die Signalverarbeitungseinheit (16) ausgebildet ist, Zeitdaten als Eingabe für ein ML Modell bereitzustellen.
4. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die ein oder mehreren Eigenschaften aus einer Gruppe stammen, die folgende umfasst:
• Niederschlagsmenge,
• Niederschlagsrate,
• Niederschlagsart,
• Tropfenform,
• Tropfengröße, Tropfengrößenverteilung
• Tropfengeschwindigkeit, Tropfenanzahl.
5. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Signalverarbeitungseinheit (16) einen Analysealgorithmus umfasst, wobei der Analysealgorithmus ausgebildet ist, um die durch die Signalverarbeitungseinheit (16) durchgeführte Auswertung an eine oder mehrere Umgebungsbedingungen und/oder an den Standort des Niederschlagsensors und/oder an eine Montageposition des Messelements (14) bezüglich des Elements anzupassen.
6. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Element (12) Teil einer Karosserie eines Fahrzeugs, Teil eines Flugzeuges oder Teil eines Objekts oder Gebäudes umfasst; und/oder wobei das zumindest eine Element (12) eine Platte, Scheibe, Glasscheibe, Windschutzscheibe, Kuppel, Gehäuseoberfläche, Außenwand und/oder andersartige schwinofähioe Fläche aufweist: und/oder wobei das Element (12) ein Photovoltaik-Modul ist.
7. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messelement(14) ein oder mehrere Mikrophone umfasst, die ausgebildet sind, ein Schallsignal erfassen, oder wobei das Messelement(14) ein oder mehrere Sensoren umfasst, die ausgebildet sind, um ein Körperschallsignal zu erfassen und/oder wobei das Messelement (14) einen Schwingungsaufnehmer umfasst, der ausgebildet ist, um eine Schwingungssignal oder einen Körperschallsignal zu erfassen.
8. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Material und/oder eine Geometrie und/oder eine Abmessung des Elements (12) gewählt sind, um das akustisches Signal derart zu erzeugen, dass die eine oder mehreren Eigenschaften des Niederschlags bestimmt werden können; und/oder wobei das akustische Signal ein charakteristisches Schwingungsmuster aufweist, das charakteristisch für die ein oder mehreren Eigenschaften des Niederschlags ist.
9. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Element (12) derart angeordnet oder ausgebildet ist, dass auf der auftreffende Niederschlag das Element (12) verlässt; und/oder bei dem das Element (12) beheizbar ist.
10. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Element (12) wie folgt ausgebildet ist: kuppelförmig, schüsselförmig, wellblechförmig, in Form eines Hohlraums, in Form eines Resonanzkörpers, als ebene Platte.
11. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Element (12) als Flüssigkeitsoberfläche oder Fläche mit einem Flüssigkeitsfilm ausgebildet ist oder wobei das das Element (12) mit einem Flüssigkeitsfilm bedeckt ist.
12. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Element (12) und das Messelement (14) schwingungsentkoppelt zueinander angeordnet sind; und/oder das ein Schwingungsentkoppelungselement aufweist, das zwischen dem Element (12) und dem Messelement (14) angeordnet ist.
13. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Verstärkungselement, das ausgebildet ist, das von dem Element (12) erzeugte akustische Signal zu verstärken, wobei die Signalverarbeitungseinheit (16) das verstärkte akustische Signal empfängt.
14. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zu erfassende Niederschlag das aus der Atmosphäre abgegebene Wasser im festen und/oder flüssigem Aggregatzustand umfasst.
15. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl von Elementen (12), die z.B. räumlich bzw. örtlich verteilt angeordnet sind.
16. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der dauerhaft oder nur zu definierten Zeiten oder für vordefinite Zeitdauern aktiv ist.
17. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der ausgebildet ist, um ein oder mehrere weitere Geräte zu unterstützen, insbesondere zur Regulierung und zum Schutz einer Photovoltaikanlage oder eines Dachfensters.
18. Akustischer Niederschlagsensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das bestehende Objekt oder die besehende Struktur eine stationäre Struktur und/oder mobile Struktur umfasst.
19. System, mit einer Mehrzahl von örtlich verteilt angeordneten, z.B. auf verschiedenen Hausdächern, akustischer Niederschlagsensoren (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und einer Einheit, die mit allen Niederschlagsensoren verbunden ist und die lokalen Ergebnisse der Signalverarbeitungseinheiten (16) der Niederschlagsensoren aggregiert und/oder eine Verbesserung eines Analysealgorithmus einer oder mehrerer der Signalverarbeitungseinheiten der Niederschlagsensoren bewirkt.
20. Photovoltaikanlage, mit zumindest einem Photovoltaik-Modul, zumindest einem Messelement (14), das bezüglich des Elements angeordnet ist, um das akustische Signal zu erfassen; einer Signalverarbeitungseinheit (16), die ausgebildet ist, ein von dem Messelement (14) in Reaktion auf das akustische Signal erzeugtes Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten, um basierend darauf eine oder mehrere Eigenschaften des Niederschlags, beispielsweise in Echtzeit zu bestimmen.
21. Photovoltaikanlage gemäß Anspruch 20, bei der die Energie für den Betrieb des Messelements (14) und/oder der Signalverarbeitungseinheit (16) durch die Photovoltaikanlage bereitgestellt wird.
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