DE102020134382A1

DE102020134382A1 - Vorrichtung zur Niederschlagsmessung

Info

Publication number: DE102020134382A1
Application number: DE102020134382.5A
Authority: DE
Inventors: Elmar Wosnitza
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Niederschlagsmessung, umfassend:- einen Niederschlag-Sammelbehälter (3) zum Aufnehmen von Niederschlag;- ein Füllstandsmessgerät, das dazu eingerichtet ist, Messwerte einer den Füllstand des in dem Niederschlag-Sammelbehälter (3) aufgenommenen Niederschlags repräsentierenden Messgröße zu erfassen; und- eine Messelektronik, die dazu eingerichtet ist, die Messwerte abzuspeichern und/oder aus den Messwerten Werte einer eine Niederschlagsmenge repräsentierenden Größe abzuleiten und abzuspeichern; wobei die Messelektronik eine Kommunikationsschnittstelle (8), insbesondere eine Funkschnittstelle, umfasst und dazu eingerichtet ist, die Messwerte und/oder die aus den Messwerten abgeleiteten Werte über die Kommunikationsschnittstelle (8) an eine übergeordnete Einheit (9) auszugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein System zu Niederschlagsmessung.
Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten der Niederschlagsmessung bekannt. Die bei der Niederschlagsmessung ermittelte Messgröße ist die Niederschlagsmenge oder die Niederschlagsintensität. Die Niederschlagsmenge wird in der Maßeinheit Millimeter (mm) angegeben. Alternativ wird oft auch die Wassermenge in Liter pro Quadratmeter (l/m²) angegeben, wobei 1 mm Niederschlag 1 l/m² entspricht. Die Niederschlagsmenge gibt das Volumen des flüssigen Niederschlags bezogen auf eine Fläche (z.B. einen Querschnitt einer Öffnung eines Niederschlag-Auffangbehälters) in einem bestimmten Messintervall an, das ebenfalls anzugeben ist. Ein übliches Messintervall beträgt z.B. 24 Stunden. Die Niederschlagsintensität entspricht dem Quotienten aus Niederschlagsmenge und Zeit. Sie wird für Regen in der Regel in Millimeter pro Stunde bzw. Liter pro Quadratmeter und Stunde, bei Schnee in Zentimeter pro Stunde angegeben.
Zur Bestimmung der Niederschlagsmenge oder der Niederschlagsintensität wird der Niederschlag häufig für eine punktuelle Messung in einem Messbehälter gesammelt. Eine Methode zu Bestimmung der Niederschlagsmenge besteht in der Volumenmessung des Niederschlags, z.B. mittels eines Niederschlagsmessers oder eines Niederschlagsschreibers nach Hellmann.
Ein typischer Niederschlagsmesser besteht aus einem röhrenförmigen Auffangbehälter mit einer Öffnung, die eine Auffangfläche von 200 cm² aufweist. Der aufgefangene Niederschlag wird in einer Sammelkanne gesammelt. In einem einfachen Niederschlagsmesser wird die Niederschlagsmenge durch Abmessen des in der Sammelkanne gesammelten Volumens mittels eines skalierten Messzylinders bestimmt. Hierzu ist es notwendig, dass eine Bedienperson den Niederschlagsmesser regelmäßig zum Ablesen und Entleeren sowie zur Durchführung sonstiger Wartungsmaßnahmen aufsucht. Dies ist, insbesondere für den Betrieb einer Vielzahl von Niederschlags-Messstellen zur Überwachung des Niederschlags in einem größeren geographischen Gebiet, zeit- und personalaufwändig.
Ein Niederschlagsschreiber nach Hellmann weist ein Auffangteil auf, das ebenfalls eine Öffnung mit einer festgelegten Auffangfläche von 200 cm² besitzt. Weiter weist der Niederschlagsschreiber ein Schwimmergehäuse auf, in das vom Auffangteil weitergeleiteter Niederschlag gelangt, und in dem ein Schwimmer enthalten ist. Der Schwimmer ist über eine Schwimmerstange mit einem Papier-Schreiber verbunden. Ein steigender Füllstand im Schwimmergehäuse hebt den Schwimmer an, derart, dass über die Schwimmerstange mittels des Papier-Schreibers eine Volumenzunahme aufgezeichnet wird. Das Schwimmergehäuse ist selbstentleerend nach dem Heberprinzip ausgestaltet, so dass der Hellmann-Schreiber über längere Zeiträume autark betrieben werden kann. Trotzdem muss ein solches Gerät regelmäßig von einer Bedienperson überprüft und gewartet werden muss. Zum Ablesen der auf dem Schreiber aufgezeichneten Messwerte ist ebenfalls Personaleinsatz erforderlich.
Bekannt sind auch Niederschlagsmesser, die auf dem Wägeprinzip basieren, indem entweder ein Auffangbehälter mit dem darin gesammelten Niederschlag gewogen wird, oder indem aufgefangener Niederschlag in Form von Tropfen abwechselnd in zwei Wippenschalen einer Kippwaage geleitet wird, derart, dass jeweils eine Schale nach Erreichen ihres maximalen Füllstands durch Kippen der Waage entleert wird, und die Anzahl der Kipp-Bewegungen proportional zur Niederschlagsmenge ist. Die Anzahl der Kippbewegungen bzw. das Gewicht des Auffangbehälters können als Funktion der Zeit erfasst und aufgezeichnet oder gespeichert werden. Das Ablesen der aufgezeichneten Daten oder das Auslesen gespeicherter Daten wird in der Regel von einer Bedienperson durchgeführt, die dazu regelmäßig den Ort der Niederschlagsmessung aufsuchen muss.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Niederschlagsmessung bereitzustellen, die einfach und robust aufgebaut ist, und die gleichzeitig weniger Zeit- und Personalaufwand im regulären Betrieb und zur Wartung erfordert als die im Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung zur Niederschlagsmessung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Niederschlagsmessung, umfasst:

- einen Niederschlag-Sammelbehälter zum Aufnehmen von Niederschlag;
- ein Füllstandsmessgerät, das dazu eingerichtet ist, Messwerte einer den Füllstand des in dem Niederschlag-Sammelbehälter aufgenommenen Niederschlags repräsentierenden Messgröße zu erfassen; und
- eine Messelektronik, die dazu eingerichtet ist, die Messwerte abzuspeichern und/oder aus den Messwerten Werte einer eine Niederschlagsmenge repräsentierenden Größe abzuleiten und abzuspeichern;

Die übergeordnete Einheit, die z.B. eine Datenverarbeitungseinheit, ein Bediengerät oder eine Cloud sein kann, kann räumlich entfernt von der Messelektronik und damit auch räumlich entfernt von der Messstelle, an der die Vorrichtung zur Niederschlagsmessung installiert ist, angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass es zur Erfassung von Messwerten für die weitere Verarbeitung und Auswertung nicht mehr erforderlich ist, dass eine Bedienperson die Vorrichtung aufsuchen muss. Somit ist nicht nur eine Fern-Bedienung oder ein Erfassen der Messwerte einer Messstelle an einer entfernten Datenverarbeitungseinrichtung möglich. Zudem kann die entfernte Datenverarbeitungseinrichtung auch Daten einer Vielzahl von Messstellen, an denen jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung installiert ist, erfassen und somit eine Auswertung und weitergehende Analyse von Niederschlags-Daten, die den Niederschlag in einem größeren geographischen Gebiet repräsentieren, durchführen. Dabei fällt praktisch kein Zeit- oder Personalaufwand für das Sammeln der Messwerte mehr an.
Als eine die Niederschlagsmenge repräsentierende Größe kommt beispielsweise die oben erwähnte Niederschlagsmenge oder die Niederschlagsintensität oder eine sonstige daraus abgeleitete Größe in Frage. Die Messelektronik kann dazu eingerichtet sein, aus den von dem Füllstandsmessgerät zur Verfügung gestellten Messwerten, im Folgenden auch als Füllstands-Messwerte bezeichnet, die Niederschlagsmenge oder die Niederschlagsintensität in ihren jeweiligen Messeinheiten zu ermitteln. Alternativ kann die Messelektronik aber auch lediglich die Füllstands-Messwerte als Rohwerte über die Kommunikationsschnittstelle an die übergeordnete Einheit ausgeben. Diese kann aus den Füllstands-Messwerten dann die entsprechenden Niederschlags-Messgrößen ermitteln. Die Messelektronik kann eine Recheneinheit, z.B. einen Controller oder Prozessor, und einen Speicher umfassen, in dem ein Betriebsprogramm gespeichert ist, das die Recheneinheit ausführen kann, um die hier und im Folgenden beschriebenen Funktionen der Vorrichtung bereitzustellen. Die Messelektronik kann weiter dazu eingerichtet sein, über die Kommunikationsschnittstelle Daten oder Befehle von der übergeordneten Einheit zu empfangen und zu verarbeiten.
Die Messelektronik kann weiter dazu eingerichtet sein, zu den Messwerten und/oder zu aus den Messwerten abgeleiteten Werten mindestens eine Zusatzinformation abzuspeichern und zusammen mit den Messwerten oder den aus den Messwerten abgeleiteten Werten über die Kommunikationsschnittstelle auszugeben. Die mindestens eine Zusatzinformation kann beispielsweise mindestens eine oder mehrere der folgenden Informationen beinhalten: den jeweiligen Messwerten zugeordnete Zeitstempel, eine das Füllstandsmessgerät und/oder den Niederschlag-Sammelbehälter kennzeichnende Information, wie z.B. einen Tag oder eine Identifikations-Nummer, eine den Ort des Niederschlag-Sammelbehälters, also die Messstelle, kennzeichnende Information, oder mindestens einen Messwert eines zusätzlichen Sensors der Vorrichtung.
Die Vorrichtung kann mindestens einen zusätzlichen Sensor aufweisen, wobei der zusätzliche Sensor beispielsweise ein Temperatursensor, ein Drucksensor oder ein pH-Sensor ist, und wobei die Messelektronik der Vorrichtung dazu eingerichtet ist, von dem zusätzlichen Sensor zur Verfügung gestellte Messwerte zu verarbeiten und über die Kommunikationsschnittstelle an die übergeordnete Einheit oder das Bediengerät auszugeben. Beispielsweise kann der zusätzliche Sensor ein Drucksensor sein, der dazu eingerichtet ist, den im Bereich der Vorrichtung herrschenden Luftdruck zu erfassen. Der zusätzliche Sensor kann auch ein pH-Sensor sein, der in den Niederschlag-Sammelbehälter integriert ist, um so den pH-Wert des in dem Sammelbehälter enthaltenen Niederschlags zu messen. Als zusätzlicher Sensor kommt außerdem ein Temperatursensor für die Messung der Umgebungs- und/oder Niederschlagstemperatur in Frage. Mit Hilfe eines oder mehrerer solcher zusätzlicher Sensoren können weitere Informationen über den Niederschlag und/oder weitere Wetter-Daten ermittelt werden.
Das Füllstandsmessgerät kann ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, ein kapazitives Füllstandsmessgerät, ein Ultraschall-Messgerät, einen auf Messung des hydrostatischen Drucks des in dem Niederschlag-Sammelbehälter enthaltenen Niederschlags basierenden Füllstandssensor oder eine Waage umfassen. Der Vorteil Radar-basierter Messverfahren besteht darin, dass die entsprechenden Messgeräte robust und wartungsarm sind, und dass sie den Füllstand quasi kontinuierlich messen können. Der Begriff Radar bezieht sich hier auf Radar-Signale mit Frequenzen zwischen 0,03 GHz und 300 GHz. Die beiden gängigsten Messprinzipien sind das Puls-Laufzeit-Prinzip sowie das FMCW-Prinzip (Frequency Modulated Continuous Wave). Diese Messprinzipien sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise in „Radar Level Measurement: The User's Guide, Peter Devine, Vega Controls, 2000“ näher beschrieben. Vorteilhaft ist eine Frequenz von mindestens 6 GHz, wodurch eine kompakte Ausgestaltung des Füllstandsmessgeräts ermöglicht wird.
Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät kann in einem oberen Bereich, d.h. oberhalb des maximalen Pegels des Niederschlags, in oder an dem Niederschlag-Sammelbehälter angeordnet sein. Ein auf einer Wägung basierendes Füllstandsmessgerät kann in einem unteren Bereich des Niederschlag-Sammelbehälters angeordnet sein, um die Masse des in dem Sammelbehälter aufgenommenen Niederschlags zu messen. Ein auf der Messung des hydrostatischen Drucks des Niederschlags in dem Sammelbehälter basierender Füllstandssensor kann fluidisch mit dem Niederschlag-Sammelbehälter verbunden sein.
Die Vorrichtung kann optional einen GPS-Empfänger aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Ortsinformation, z.B. in Form von Ortsdaten (GPS), an die Messelektronik auszugeben, wobei die Messelektronik dazu eingerichtet ist, die Ortsinformation zu verarbeiten. Sie kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Ortsinformation zu den Messwerten oder den daraus abgeleiteten Werten zu speichern. Zusätzlich oder alternativ kann die Messelektronik dazu eingerichtet sein, die Ortsinformation als Zusatzinformation mit den Messwerten oder den daraus abgeleiteten Werten über die Kommunikationsschnittstelle auszugeben. Weist die Vorrichtung keinen eigenen GPS-Empfänger auf, kann sie eine Ortsinformation, insbesondere Ortsdaten, in einem Speicher der Vorrichtung umfassen. Diese Ortsinformation kann durch eine Bedienperson eingegeben worden sein. Durch Ausgabe der Ortsinformation als Zusatzinformation mit den Messwerten kann ein Empfänger, z.B. die oben genannte übergeordnete Einheit, die Messwerte anhand der Ortsinformation einer bestimmten Messstelle zuordnen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, um örtliche Niederschlagsverteilungen zu ermitteln oder um Wetter- oder Hochwasservorhersagen zu ermitteln.
Die Kommunikationsschnittstelle kann eine Funkschnittstelle sein, die zur Kommunikation mit der übergeordneten Einheit nach einem Mobilfunk-Standard oder nach einem Internet-Protokoll ausgestaltet ist.
Die übergeordnete Einheit kann beispielsweise als Server ausgestaltet sein. Der Server kann ein lokal an der Messstelle, an der die Vorrichtung installiert ist, oder entfernt von der Messstelle angeordneter Rechner oder ein tragbares Bediengerät sein, der bzw. das über ein Mobilfunknetz, über Internet oder Intranet, oder drahtlos, z.B. über Funk, beispielsweise nach einem Bluetooth-Standard, mit der Messelektronik der Vorrichtung kommunizieren kann. Der Server kann auch ein Zentralrechner sein, der über Intranet oder Internet oder über ein Mobilfunknetz mit der Messelektronik der Vorrichtung kommunizieren kann. Der Server kann auch Bestandteil einer Cloud sein.
Die Vorrichtung kann vorteilhaft energieautark ausgestaltet sein. Hierzu kann sie einen Energiespeicher, z.B. eine integrierte Batterie oder einen integrierten Akkumulator, aufweisen. Optional kann die Vorrichtung ein Solarpanel aufweisen, das dazu eingerichtet ist, den Akkumulator zu laden. Dies ermöglicht es, die Vorrichtung an nahezu beliebigen Orten zur Wetterbeobachtung einzusetzen, ohne auf vorhandene Infrastruktur zur Energieversorgung angewiesen zu sein.
Die Messfrequenz des Füllstands-Messgeräts kann, insbesondere variabel, einstellbar sein. Da der Energieverbrauch der Vorrichtung auch von der Messfrequenz, d.h. der Anzahl der in einem bestimmten Zeitintervall erfassten Messwerte, abhängt, ist es vorteilhaft, die Messfrequenz einstellbar zu gestalten. Vorteilhaft ist die Messfrequenz anhand eines über die Kommunikationsschnittstelle von der Messelektronik empfangenen Befehls oder anhand einer über die Kommunikationsschnittstelle empfangenen Information von der Messelektronik automatisiert einstellbar. Die Messfrequenz kann z.B. von einer Bedienperson in ein Bedientool eingegeben werden, das in diesem Fall als übergeordnete Einheit die Messfrequenz über die Kommunikationsschnittstelle der Messelektronik an die Messelektronik ausgibt. Vorteilhaft ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, mit der vorgegebenen Messfrequenz Messwerte des Füllstandsmessgeräts zu erfassen und diese und/oder daraus abgeleitete Werte, z.B. Werte der oben erwähnten, eine Niederschlagsmenge repräsentierenden Größe, zu speichern. Falls die Vorrichtung wie weiter oben erwähnt einen oder mehrere zusätzliche Sensoren aufweist, kann sie weiter dazu eingerichtet sein, mit der vorgegebenen Messfrequenz oder einer davon abweichenden, ebenfalls vorgebbaren zweiten Messfrequenz Messwerte der zusätzlichen Sensoren zu erfassen und zu speichern. Zu den Messwerten kann sie jeweils einen Zeitpunkt, z.B. einen Zeitstempel, abspeichern.
Ganz analog können zur Optimierung des Energieverbrauchs der Vorrichtung Zeitpunkte, zu denen die Messelektronik über die Kommunikationsschnittstelle Daten an die übergeordnete Einheit überträgt, vorgebbar sein. Eine solche Vorgabe kann beispielsweise darin bestehen, dass die Kommunikationsschnittstelle nur nach einer Anfrage der übergeordneten Einheit Daten an die übergeordnete Einheit überträgt. Alternativ können für die Messelektronik Übertragungszeitpunkte bzw. eine bestimmte Übertragungsrate, zu denen seit dem letzten Übertragungszeitpunkt gespeicherte Informationen, wie z.B. gespeicherte Messwerte oder gespeicherte aus den Messwerten abgeleitete Werte und gegebenenfalls eine oder mehrere der oben genannten Zusatzinformationen oder Messwerte zusätzlicher Sensoren, an die übergeordnete Einheit übertragen werden, fest oder variabel vorgegeben sein.
Vorteilhaft kann der Niederschlag-Sammelbehälter selbstentleerend ausgestaltet sein. Somit kann die Vorrichtung auch über längere Standzeiten ohne Eingriff einer Bedienperson Niederschlagsmessungen durchführen. Die Selbstentleerung kann beispielsweise auf dem Heberprinzip basieren, wobei eine Flüssigkeitsleitung in eine Mündungsstelle im bodennahen Bereich des Niederschlag-Sammelbehälters mündet und sich aus dem Niederschlag-Sammelbehälter heraus über einen Scheitelpunkt bis zu einem Punkt erstreckt, der tiefer gelegen ist als der Boden des Niederschlag-Sammelbehälters.
Die Vorrichtung kann zusätzlich einen Niederschlag-Auffangbehälter aufweisen, der eine zum Auffangen von Niederschlag nach oben ausrichtbare Öffnung und einen der ersten Öffnung gegenüberliegenden Bodenbereich aufweist, wobei im Bodenbereich des Niederschlag-Auffangbehälters eine zweite Öffnung angeordnet ist, die fluidisch mit dem Niederschlag-Sammelbehälter verbunden ist. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft zur Verwendung mit einem Radar-basierten Füllstandsmessgerät. In diesem Fall kann der Niederschlag-Sammelbehälter eine nach oben ausrichtbare Öffnung aufweisen, wobei das Füllstandsmessgerät im Bereich der Öffnung, z.B. genau über der Öffnung, angeordnet ist, und eine Antenne des Füllstandsmessgeräts auf die Öffnung ausgerichtet ist. Grundsätzlich kann der Niederschlag-Sammelbehälter auch nach oben hin durch einen Deckel oder eine Behälterwand aus einem dielektrischen Material, z.B. aus einem Polymer, verschlossen sein, da eine radarbasierte Füllstandsmessung auch durch eine solche Wand oder einen Deckel hindurch möglich ist. Hier besteht jedoch die Gefahr der Kondensatbildung, die die Genauigkeit der Messung beeinflussen kann.
Die Erfindung beinhaltet auch ein System umfassend mindestens eine an einer Messstelle angeordnete Vorrichtung nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen, und eine übergeordnete Einheit, die dazu eingerichtet ist, Füllstands-Messwerte oder daraus abgeleitete Werte von der mindestens einen Vorrichtung zu empfangen und zu verarbeiten.
Die übergeordnete Einheit kann einen Server umfassen, der die empfangenen Daten speichert und einer Software, z.B. einer Web- oder Cloud-Anwendung, zur Verfügung stellt.
Wie bereits erwähnt, kann der Server ein lokal an der Messstelle oder entfernt von der Messstelle angeordneter Rechner oder ein tragbares Bediengerät sein, der bzw. das über ein Mobilfunknetz, über Internet oder Intranet, oder über Funk, z.B. nach einem Bluetooth-Standard, mit der Messelektronik der Vorrichtung über deren Kommunikationsschnittstelle kommunizieren kann. Der Server kann auch ein Zentralrechner sein, der über Intranet oder Internet oder über ein Mobilfunknetz mit der Messelektronik der Vorrichtung kommunizieren kann. Der Server kann auch Bestandteil einer Cloud sein.
Die übergeordnete Einheit, beispielsweise der erwähnte Server, kann dazu eingerichtet sein, die Messwerte oder die daraus abgeleiteten Werte von der Kommunikationsschnittstelle der Vorrichtung zu erhalten und diese zusammen mit einer Zusatzinformation, z.B. einer Kennung der Messstelle oder einer Ortsinformation der Vorrichtung, zu sammeln, zu speichern und für Datenanalysen weiter zu verwerten. Die Speicherung kann in einer zentralen oder in der Cloud verteilten Datenbank erfolgen. Der Server und/oder die Datenbank können dazu eingerichtet sein, die gespeicherten Daten einer Software, z.B. einer Web- oder Cloud-Applikation, zur Anzeige und ggfs. zur weiteren Datenanalyse zur Verfügung zu stellen. Diese Software kann auf dem Bediengerät, dem Server oder auf einem weiteren Gerät, z.B. einem weiteren Server oder einem PC oder in einer Cloud, deren Bestandteil der Server sein kann, ausgeführt werden. Dies ermöglicht die Verknüpfung von Niederschlags-Messwerten und Ortsinformationen sowie eventuell erfasster Zusatz-Messdaten von verschiedenen Messstellen, an denen jeweils mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Niederschlagsmessung installiert ist.
Wie zuvor erwähnt, kann die an der Messstelle installierte Vorrichtung dazu eingerichtet sein, eine Ortsinformation oder eine Kennung an die übergeordnete Einheit zu senden. Die Ortsinformation kann beispielsweise mittels eines integrierten GPS-Empfängers der Vorrichtung ermittelt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Ortsinformation aus einer mit den Messwerten von der Vorrichtung übermittelten Kennung der Messstelle oder der Vorrichtung ermittelt wird, indem in einer Datenbank, auf die die übergeordnete Einheit oder die Software bzw. die Zugriff hat, eine Verknüpfung der Kennung der Messstelle bzw. der Vorrichtung mit dem Ort der Messstelle hinterlegt ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die übergeordnete Einheit oder die Software dazu eingerichtet ist, die Ortsinformation aus Telemetriedaten zu ermitteln, z.B. wenn die Kommunikation zwischen der Messelektronik und der übergeordneten Einheit über ein Mobilfunknetz erfolgt.
Das System kann vorteilhaft eine Vielzahl von Vorrichtungen nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen umfassen, wobei die Vorrichtungen an verschiedenen, voneinander räumlich entfernten Messstellen angeordnet sind. Die übergeordnete Einheit kann zur Kommunikation mit allen Vorrichtungen eingerichtet sein, um auf diese Weise die Vorrichtung zu bedienen und/oder Daten der Vorrichtungen bzw. der Messstellen, an denen die Vorrichtungen angeordnet sind, zusammenzuführen und zu analysieren bzw. der erwähnten Software für eine Analyse zur Verfügung zu stellen.
Die Software kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, anhand von von der Vielzahl von Messstellen empfangenen Daten eine räumliche Niederschlagsverteilung zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über einen bestimmten Zeitraum und/oder einen zeitlichen Verlauf einer räumlichen Niederschlagsverteilung zu ermitteln.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten der in den Figuren gezeigten Bauteile. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Messstelle mit einer Vorrichtung für die Niederschlagsmessung;
2 eine schematische Darstellung eines Messmoduls der in 1 dargestellten Vorrichtung;
3 einen Niederschlag-Sammelbehälter der in 1 dargestellten Vorrichtung mit verschiedenen Füllständen; und
4 ein Diagramm einer den Füllstand des in 3 dargestellten Niederschlag-Sammelbehälters repräsentierenden Größe als Funktion der Zeit.

In 1 ist schematisch eine Messstelle mit einer Vorrichtung 1 zur Niederschlagsmessung dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist einen Niederschlag-Auffangbehälter 2 auf, der eine nach oben gerichtete Öffnung mit einem definierten Querschnitt aufweist. Dieser Querschnitt kann beispielsweise 200 cm² betragen, es sind aber auch andere Abmessungen möglich. Der Niederschlag-Auffangbehälter 2 ist mit einem Niederschlag-Sammelbehälter 3 fluidisch verbunden. Im vorliegenden Beispiel ist die fluidische Verbindung durch eine Schlauchleitung 4 hergestellt, deren erstes Ende über den Boden des Niederschlag-Auffangbehälters 2 in diesen mündet und deren zweites Ende mit einer Zuleitung 5 im oberen Bereich des Niederschlag-Sammelbehälters 3 verbunden ist. Das im Niederschlag-Auffangbehälter 2 aufgefangene Wasser gelangt über die Schlauchleitung 4 in den Niederschlag-Sammelbehälter 3 und erreicht dort einen von der Niederschlagsmenge abhängigen Füllstand 6. Der Niederschlag-Sammelbehälter 3 kann z.B. einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Vorrichtung 1 weist zur Messung des Füllstandes 6 ein Messmodul 7 auf, das ein Füllstandsmessgerät mit einem Füllstandsensor umfasst. Im vorliegenden Beispiel ist das Füllstandsmessgerät ein radarbasiertes Messgerät, es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen denkbar, wie weiter oben bereits erwähnt. Das Messmodul 7 ist oben auf den Niederschlag-Sammelbehälter 3 aufgesetzt. Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Niederschlag-Sammelbehälter 3 einen Deckel oder eine stirnseitige, den Sammelbehälter 3 abdeckende Wand aufweist, durch die hindurch das Messmodul 7 den Füllstand 6 misst. Im vorliegenden Beispiel ist der Niederschlag-Sammelbehälter 3 aber nach oben offen, so dass die Antenne des Füllstandsensors gepulste oder kontinuierliche elektromagnetische Strahlung durch die Öffnung unmittelbar in das Innere des Niederschlag-Sammelbehälters 3 einstrahlt. Auf diese Weise werden Störungen aufgrund von im Strahlungsweg auftretendem Kondensat vermieden. Die Füllstandsmesswerte, die mittels des Füllstandsensors erfassbar sind, sind direkt proportional zur von dem Niederschlag-Auffangbehälter 2 aufgefangenen Niederschlagsmenge. In Kenntnis des Öffnungsquerschnitts des Niederschlag-Auffangbehälters 2 lassen sich die Füllstandsmesswerte in Werte der Niederschlagsmenge oder der Niederschlagsintensität umrechnen.
Das Messmodul 7 weist eine Kommunikationsschnittstelle 8 auf, über die es zur Kommunikation mit einer entfernten übergeordneten Einheit 9, z.B. im vorliegenden Beispiel mit einem Server, der Bestandteil einer Cloud sein kann, verbindbar ist. Im vorliegenden Beispiel weist die Vorrichtung 1 weiter einen Zusatzsensor 10 auf, der z.B. ein Drucksensor zur Erfassung eines Luftdrucks in der Umgebung des Niederschlag-Sammelbehälters 3 sein kann. Der Zusatzsensor 10 ist über eine Signalleitung 11 mit dem Messmodul 7 verbunden und dazu eingerichtet, dem Messmodul 7 Messwerte, hier Luftdruck-Messwerte, zur Verfügung zu stellen. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Zusatzsensor dazu eingerichtet sein, Messwerte direkt an die übergeordnete Einheit 9 auszugeben. Alternativ kann die Vorrichtung 1 auch eine Auswerteeinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, Messdaten des Messmoduls 7 und Messdaten des Zusatzsensors 10 zu empfangen und zu verarbeiten und gegebenenfalls an die übergeordnete Einheit 9 auszugeben. Eine Vielzahl weiterer Abwandlungen sind für den Fachmann denkbar, mit denen es möglich wird, Füllstandsmesswerte des Messmoduls 7 und weitere Messwerte des Zusatzsensors 10 zu verknüpfen und gemeinsam für weitergehende Analysen auszuwerten.
Der Niederschlag-Sammelbehälter 3 ist im vorliegenden Beispiel selbstentleerend ausgestaltet. Hierzu weist der Sammelbehälter 3 eine durch die Seitenwandung des Niederschlag-Sammelbehälters 3 geführte Schlauchleitung 12 auf, deren erstes Ende im Inneren des Niederschlag-Sammelbehälters 3 angeordnet ist. Die Schlauchleitung 12 ist aus dem Niederschlag-Sammelbehälter 3 über einen Scheitelpunkt herausgeführt und endet an einem Punkt, der unterhalb des Bodens des Niederschlag-Sammelbehälters 3 angeordnet ist. Erreicht der Füllstand 6 im Sammelbehälter den Scheitelpunkt der Schlauchleitung 12, entleert sich der Niederschlag-Sammelbehälter 3 so weit, bis der Füllstand 6 das erste Ende der Schlauchleitung 12 erreicht. Dies ist auch in 3 nochmals veranschaulicht.
In 2 ist schematisch das Messmodul 7 im Detail dargestellt. Das Messmodul 7 weist ein an dem Niederschlag-Sammelbehälter 3 anbringbares Gehäuse auf, in dem eine Füllstands-Sensoreinheit 13 mit einer Antenne 14 zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung in Richtung des Pegels der im Niederschlag-Sammelbehälter 3 aufgenommenen Flüssigkeit untergebracht sind. Weiter weist das Messmodul 7 eine Messelektronik auf, die eine Recheneinheit 15, einen Speicher 16 und die bereits erwähnte Kommunikationsschnittstelle 8 umfasst. In dem Speicher 16 kann eine Betriebssoftware abgelegt sein, die von der Recheneinheit 15 zum Betrieb des Messmoduls 7 einschließlich der Erfassung von Messwerten, der Einstellung einer Messrate oder Messfrequenz und der Kommunikation mit der übergeordneten Einheit 9 ausführbar ist. Die Messelektronik ist dazu eingerichtet, mittels der Füllstands-Sensoreinheit 13 ermittelte Füllstands-Messwerte oder daraus abgeleitete Werte, wie zum Beispiel Werte der Niederschlagsmenge oder Niederschlagsintensität zu ermitteln und die Messwerte bzw. die abgeleiteten Werte zu speichern.
Das Messmodul 7 umfasst im hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Zusatzsensoren, nämlich einen Temperatursensor 17 und einen Lagesensor 18. Die Messsignale der Sensoren 17, 18 können der Recheneinheit 5 zur Steuerung der Funktion des Messmoduls 7 oder zur Überwachung des ordnungsgemäßen Betriebs dienen. Anhand des Signals des Lagesensors 18 lässt sich beispielsweise erkennen, ob die Antenne 14 korrekt ausgerichtet ist. Dies lässt Rückschlüsse auf die Plausibilität der mittels der Füllstands-Sensoreinheit 13 ermittelten Füllstands- bzw. Niederschlags-Messwerte zu. Die Temperaturmesswerte des Temperatursensors 17 können ebenfalls zur Überwachung der Plausibilität der Niederschlags- oder Füllstands-Messwerte dienen. Die Messelektronik kann auch dazu eingerichtet sein, die Temperaturdaten zusammen mit den Füllstands-Messwerten zu speichern.
Weiter besitzt die Messelektronik einen weiteren Signaleingang 19, der mit einem externen Zusatzsensor 10, z.B. dem in 1 dargestellten Drucksensor, verbunden werden kann, so dass die Messelektronik bzw. die Recheneinheit 15 Messwerte oder Messignale des externen Zusatzsensors 10 erfassen, speichern und ggfs. weiterverarbeiten kann.
Zur Energieversorgung des Messmoduls 7 weist dieses einen, vorzugsweise wieder aufladbaren, Energiespeicher 20 auf.
Die Kommunikationsschnittstelle 8 der Messelektronik ist im hier beschriebenen Beispiel eine Funkschnittstelle. Die Recheneinheit 15 ist dazu eingerichtet, in dem Speicher 16 abgelegte Messwerte und/oder daraus abgeleitete Werte und/oder Messwerte der Zusatzsensoren 17, 18, 10 über die Kommunikationsschnittstelle 8 an die übergeordnete Einheit 9 zu übermitteln.
Die Kommunikationsschnittstelle 8 kann zur uni- oder bi-direktionalen Kommunikation mit der übergeordneten Einheit 9 nach einem Kommunikationsstandard eingerichtet sein, z.B. nach einem Standard der Prozessindustrie, z.B. 4... 20 mA, Profibus, HART, wireless-Hart oder anderen, insbesondere auch proprietäre Kommunikationsstandards. Die Kommunikationsschnittstelle 8 kann aber auch für die Kommunikation mit der übergeordneten Einheit 9 nach einem Ethernet-Standard, einem Bluetooth-Standard, einem Mobilfunk-Standard (GMS, GPRS, 4G bzw. LTE, 5G) oder einem Low Power Wide Area Network-Protokoll, z.B. NB-loT (Narrowband loT), eingerichtet sein. Besonders vorteilhaft ist für die Niederschlagsmessung eine Kommunikation über das Mobilfunknetz, da dieses mittlerweile breit verfügbar ist und somit Messorte im Wesentlichen ohne Rücksicht auf eine vorhandene Kommunikations-Infrastruktur ausgewählt werden können.
Die übergeordnete Einheit 9 weist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel einen Server auf, der Bestandteil einer Cloud ist. Möglich ist aber auch, dass der Server lediglich ein einzelner Zentralrechner ist, der nicht in eine Cloud-Infrastruktur eingebunden ist. Die Messelektronik des Messmoduls 7 überträgt an den Server in vorgegebenen Zeitintervallen oder jeweils auf Anfrage der übergeordneten Einheit 9 die im Speicher abgelegten Messdaten der Füllstandsmessung und gegebenenfalls weitere Werte und/oder Messwerte der Zusatzsensoren. Die weiteren Werte können beispielsweise den Messdaten zugeordnete Zeitstempel beinhalten. Optional kann die Messelektronik außerdem dazu eingerichtet sein, zusammen mit den Messdaten eine Kennung der Messstelle und/oder eine Ortsinformation zu übertragen. Der Server der übergeordneten Einheit 9 ist dazu eingerichtet, die über die Kommunikationsschnittstelle 8 erhaltenen Daten weiter zu verarbeiten. Er kann dazu eingerichtet sein, die Daten zusammen mit einer Kennung der Messstelle oder einer Ortsinformation der Vorrichtung und/oder Zeitstempeln, die den Zeitpunkt der jeweiligen Messung repräsentieren, zu sammeln, zu speichern und für Datenanalysen weiter zu verwerten. Die Speicherung kann in einer zentralen oder in der Cloud verteilten Datenbank erfolgen. Der Server und/oder die Datenbank können dazu eingerichtet sein, die gespeicherten Daten einer Software, z.B. einer Web- oder Cloud-Applikation, zur Anzeige und ggfs. zur weiteren Datenanalyse zur Verfügung zu stellen. Diese Software kann auf dem Bediengerät, dem Server oder auf einem weiteren Gerät, z.B. einem weiteren Server oder einem PC oder in einer Cloud, deren Bestandteil der Server sein kann, ausgeführt werden.
Überträgt die Messelektronik des Messmoduls 7 lediglich Füllstandsmesswerte, kann die Software dazu eingerichtet sein, aus den Füllstandsmesswerten Werte der entsprechenden Niederschlagsmenge oder Niederschlagsintensität zu berechnen. Die dafür notwendigen zusätzlichen Informationen, insbesondere der Öffnungsquerschnitt des Niederschlag-Auffangbehälters 2 und/oder Kalibrierfaktoren, sind hierzu in der Software oder in der Datenbank hinterlegt. Weiter kann die Software dazu eingerichtet sein, eine mit den Messwerten erhaltene Ortsinformation oder Zeitstempel auszuwerten, um eine weitergehende Analyse, z.B. eine Kartendarstellung der Niederschlagswerte oder eine Analyse eines zeitlichen Verlaufs des Niederschlags oder eine Hochwasser-Vorhersage zu erstellen. In diese Analyse können auch gegebenenfalls von dem Messmodul 7 an die übergeordnete Einheit 9 übertragene Daten von Zusatzsensoren eingehen.
Wie weiter oben erwähnt, kann die übergeordnete Einheit 9 mit einer Vielzahl von gleichartigen Vorrichtungen wie der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 zur Kommunikation verbunden sein, um die Daten einer Vielzahl von räumlich verteilten Messstellen zu erfassen und zu analysieren.
Um möglichst energiesparend zu arbeiten, kann die Messelektronik der Vorrichtung dazu eingerichtet sein, die Messfrequenz (Anzahl der Messungen pro Zeiteinheit) der Füllstands-Sensoreinheit 13 anzupassen. Die Messfrequenz kann zum Beispiel durch eine Vorgabe der übergeordneten Einheit 9 festgelegt werden, indem die übergeordnete Einheit 9 die Vorgabe über die Kommunikationsschnittstelle 8 an die Messelektronik überträgt. Die übergeordnete Einheit 9 kann anhand von Wetterprognose-Daten z.B. die Messfrequenz erhöhen, wenn am Ort der Vorrichtung Regen zu erwarten ist, und in anderen Zeiträumen, in denen nicht mit Niederschlag zu rechnen ist, die Messfrequenz senken. Es ist auch möglich, anhand von Messwerten der Zusatzsensoren 10, 17, 18 der Vorrichtung die Messfrequenz adaptiv zu variieren. Zum Beispiel kann die Messfrequenz bei hohem Luftdruck, der mittels des Drucksensors 10 erfasst wird, gesenkt, bei tiefem Luftdruck dagegen erhöht werden.
3 zeigt vier Darstellungen des in 1 gezeigten Sammelbehälters 3 mit verschiedenen Füllständen A, B, C, D. In 4 ist der Verlauf der mittels des Messmoduls 7 erfassten Füllstandsmesswerte als Funktion der Zeit während einer Niederschlags-Phase dargestellt. Im unteren Teil des Diagramms ist der zeitliche Verlauf der Niederschlagsmenge in l/m² pro 30 min dargestellt. Im oberen Teil des Diagramms sind die Füllstandsmesswerte in % mit Bezug auf den maximalen Füllstand im Niederschlag-Sammelbehälter 3 vor der Selbstentleerung angegeben. Die Zeitwerte auf der Abszisse sind in Tagen angegeben. Die Buchstaben A, B, C und D im Diagramm der 4 entsprechen den in 3 dargestellten Füllständen A, B, C und D. Man erkennt den über die Zeit im Verlauf des Niederschlags-Ereignisses ansteigenden Füllstand und den Zeitpunkt der Selbstentleerung des Behälters an den mit A und D markierten Punkten im Verlauf der Füllstandsmesswerte. Dauert der Niederschlag nach der Selbstentleerung an, werden die in der Folge der Selbstentleerung gemessenen Füllstandsmesswerte zum maximalen Füllstand vor der Selbstentleerung hinzu addiert um die gesamte Niederschlagsmenge zu berechnen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Niederschlagsmessung
2: Niederschlag-Auffangbehälter
3: Niederschlag-Sammelbehälter
4: Verbindungsleitung
5: Zuleitung
6: Füllstand
7: Messmodul
8: Kommunikationsschnittstelle
9: Übergeordnete Einheit (Cloud)
10: Zusatzsensor
11: Signalleitung
12: Schlauchleitung
13: Füllstands-Sensoreinheit
14: Antenne
15: Recheneinheit
16: Speicher
17: Temperatursensor
18: Lagesensor
19: Signaleingang
20: Energiespeicher

Claims

Vorrichtung (1) zur Niederschlagsmessung, umfassend: - einen Niederschlag-Sammelbehälter (3) zum Aufnehmen von Niederschlag; - ein Füllstandsmessgerät, das dazu eingerichtet ist, Messwerte einer den Füllstand des in dem Niederschlag-Sammelbehälter (3) aufgenommenen Niederschlags repräsentierenden Messgröße zu erfassen; und - eine Messelektronik, die dazu eingerichtet ist, die Messwerte abzuspeichern und/oder aus den Messwerten Werte einer eine Niederschlagsmenge repräsentierenden Größe abzuleiten und abzuspeichern; dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronik eine Kommunikationsschnittstelle (8), insbesondere eine Funkschnittstelle, umfasst und dazu eingerichtet ist, die Messwerte und/oder die aus den Messwerten abgeleiteten Werte über die Kommunikationsschnittstelle (8) an eine übergeordnete Einheit (9) auszugeben.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Messelektronik weiter dazu eingerichtet ist, zu den Messwerten und/oder aus den Messwerten abgeleiteten Werten mindestens eine Zusatzinformation abzuspeichern und zusammen mit den Messwerten oder den aus den Messwerten abgeleiteten Werten über die Kommunikationsschnittstelle auszugeben.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine Zusatzinformation mindestens eine oder mehrere der folgenden Informationen beinhaltet: einen Zeitstempel, eine das Füllstandsmessgerät und/oder den Niederschlag-Sammelbehälter kennzeichnende Information, eine den Ort des Niederschlag-Sammelbehälters kennzeichnende Information, oder einen Messwert eines zusätzlichen Sensors der Vorrichtung.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung mindestens einen zusätzlichen Sensor (10), insbesondere einen Temperatursensor, einen Drucksensor oder einen pH-Sensor, aufweist, und wobei die Messelektronik dazu eingerichtet ist, von dem zusätzlichen Sensor (10) zur Verfügung gestellte Messwerte zu verarbeiten und über die Kommunikationsschnittstelle (8) an die übergeordnete Einheit (9) auszugeben.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Füllstandsmessgerät ein radarbasiertes Füllstandsmessgerät, ein kapazitives Füllstandsmessgerät, ein Ultraschall-Messgerät, ein auf Messung des hydrostatischen Drucks des in dem Niederschlag-Sammelbehälter enthaltenen Niederschlags basierender Füllstandssensor oder eine Waage umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend einen GPS-Empfänger, der dazu eingerichtet ist, eine Ortsinformation an die Messelektronik auszugeben, wobei die Messelektronik dazu eingerichtet ist, die Ortsinformation zu verarbeiten und zu den Messwerten oder den daraus abgeleiteten Werten zu speichern und/oder die Ortsinformation mit den Messwerten oder den daraus abgeleiteten Werten über die Kommunikationsschnittstelle auszugeben.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kommunikationsschnittstelle (8) eine Funkschnittstelle ist, die zur Kommunikation mit der übergeordneten Einheit (9) nach einem Mobilfunk-Standard oder nach einem Internet-Protokoll ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Messfrequenz des Füllstandsmessgeräts, insbesondere variabel, einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Niederschlag-Sammelbehälter (3) selbstentleerend ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter umfassend einen Niederschlag-Auffangbehälter (3), der eine zum Auffangen von Niederschlag nach oben ausrichtbare Öffnung aufweist, und der einen der ersten Öffnung gegenüberliegenden Bodenbereich aufweist, wobei im Bodenbereich des Niederschlag-Auffangbehälters eine zweite Öffnung angeordnet ist, die fluidisch mit dem Niederschlag-Sammelbehälter (3) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei das Füllstandsmessgerät ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät ist, und wobei der Niderschlags-Sammelbehälter (3) eine nach oben ausrichtbare Öffnung aufweist, und wobei das Füllstandsmessgerät im Bereich der Öffnung angeordnet ist, und eine Antenne des Füllstandsmessgeräts auf die Öffnung ausgerichtet ist.
System umfassend mindestens eine an einer Messstelle angeordnete Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, und eine übergeordnete Einheit (9), die dazu eingerichtet ist, Füllstands-Messwerte oder daraus abgeleitete Werte von der mindestens einen Vorrichtung (1) zu empfangen und zu verarbeiten.
System nach Anspruch 12, wobei die übergeordnete Einheit (9) einen Server umfasst, der die empfangenen Daten speichert und einer Software, z.B. einer Web- oder Cloud-Anwendung, zur Verfügung stellt.
System nach Anspruch 12 oder 13, weiter umfassend eine Vielzahl von Vorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorrichtungen (1) an verschiedenen, voneinander räumlich entfernten Messstellen angeordnet sind.
System nach einem der Anspruch 13 oder 14, wobei die Software dazu eingerichtet ist, anhand von von der Vielzahl von Vorrichtungen (1) empfangenen Daten eine räumliche Niederschlagsverteilung zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über einen bestimmten Zeitraum und/oder einen zeitlichen Verlauf einer räumlichen Niederschlagsverteilung zu ermitteln.