DE19614785A1 - Meßsystem zur Erfassung von Niederschlagsmengen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur Erfassung von Niederschlagsmengen. Durch die intensive Nutzung von Wäldern sind viele Berghänge ihres natürlichen Wasserspeichers beraubt, so daß vermehrt Erdrutsche aufgrund größerer Niederschlagsmengen zu beobachten sind. Gleichzeitig ist durch die Ausdehnung der Besiedelung in potentiell gefährdete Gebiete die Gefahr von Personenschäden mit Todesfolge erheblich gestiegen. Deshalb sind Frühwarnsysteme unbedingt erforderlich.

Das notwendige Wissen um den Zusammenhang von topographischen Gegebenheiten, Bodenbeschaffenheit und Wasserführung im Untergrund, das zur Auslösung von Bergrutschen führt, ist vorhanden. Auch ist ein Zusammenhang zwischen Niederschlagsmenge in den betroffenen Gebieten und Wasserführung bekannt. Um ein zuverlässiges Frühwarnsystem aufbauen zu können, gilt es deshalb eine zuverlässige und genaue Messung der Niederschlagsmenge zu erhalten. Die Forderung gilt auch für topographisch schwer zugängliches und erdrutschgefährdetes Gelände.

Meßstationen zur Erfassung der Niederschlagsmengen sind an sich bekannt, bedingen aber meist der manuellen Ablesung und regelmäßigen Wartung in kurzen Zeitabständen, bzw. wenn sie automatisiert sind einer externen Energieversorgung und eines Anschlusses zur Meßdatenübermittelung.

Die vorliegende Erfindung soll diese Schwachpunkte vermeiden. Das erfindungsgemäße Meßsystem muß folgende Eigenschaften aufweisen:

• - Es muß aus mehreren Meßstationen bestehen, da über einen Berghang verteilt je nach Nähe und Lage unterschiedliche Niederschlagsmengen anfallen können.
• - Da die Meßstationen weiträumig verteilt angeordnet sein können, sollen sie autark arbeiten, d. h. sie müssen mit eigener Energieversorgung und einer drahtlosen Übermittlung der Meßdaten ausgestattet sein.
• - Da die Meßstationen auch in topographisch schwieriger Lage und potentiell erdrutschgefährdetem Gelände angeordnet werden müssen, müssen sie wartungsfrei über längere Zeiträume zuverlässig arbeiten; günstig wäre es, sie würden nur in der Trockenperioden einer Wartung bedürfen.
• - Die Meßstationen sollten sehr unterschiedlich anfallende Niederschlagsmengen erfassen können, d. h. sowohl ein hohes Auflösungsvermögen für geringe Mengen als auch eine kontinuierlich arbeitende automatische Entleerung bei hohen Niederschlagswerten aufweisen.
• - Es muß eine zentrale Meßwertsammelstation in ungefährdeter Lage vorhanden sein, um im Ernstfall eines Bergrutsches zuverlässig weiter arbeiten zu können.
• - Die einzelnen Meßstationen müssen kostengünstig herstellbar sein, damit sie auch an besonders kritischen Stellen angeordnet werden können, bei denen mit einem Verlust im Eintrittsfall eines Bergrutsches gerechnet werden muß.

Diese Forderungen werden erfindungsgemäß von dem nachfolgend beschriebenen System gelöst.

Das System gemäß Skizze 1 besteht aus einer je nach topographischer Anforderung unterschiedlichen Anzahl einzelner Meßstationen 2, die ihre erfaßten Meßdaten drahtlos an eine in sicherer Lage angeordnete Zentralstation 1 übermitteln. Die hierzu erforderliche Funkstrecke ist mit an sich bekannten Elementen der drahtlosen Übertragungstechnik aufgebaut.

Die zur Funkübertragung und zur automatischen Arbeitsweise der Meßstation notwendige Energie wird aus natürlichen regenerierbaren Energiequellen mit an sich bekannten Mittel gewonnen. Bei Einsatz in Tropengebieten bietet sich hierzu Solarenergie an. Bei Einsatz in Gebieten mit geringer Sonneneinstrahlung kann auch Windenergie verwendet werden. Zeiten geringer Energiezufuhr müssen mit einem Energiespeicher an sich bekannter Technik, z. B. Akkumulator, überbrückt werden.

Jede einzelne Meßstation hat deshalb einen Aufbau wie in Skizze 2 dargestellt und besteht aus Niederschlagsmeßgerät 3, Steuer- und Meßdatenverarbeitungssystem 4, Energiespeicher 5 und Energiequelle 6.

Die zentrale Erfassungsstation kann wegen ihrer Lage an eine normale Energieversorgung angeschlossen werden.

Das Steuer- und Meßdatenverarbeitungssystem übernimmt die Steuerung der gesamten Einheit, d. h. Überprüfung des Energiepegels der Energiespeichereinheit 5 mit notwendiger Sperrung der Energiezufuhr bzw. Warnmeldung an die Zentralstation 1 bei Abfall unter eine Minimalgrenze und drohendem Ausfall der Station.

Ein wesentlicher Teil der Erfindung liegt in der Gestaltung des Niederschlagsmeßgerätes 3. Wegen der schlechten Zugänglichkeit sind regelmäßige Überprüfungen und Wartungen nur in größeren Zeitabständen möglich. Deshalb muß dieses Gerät absolut autark und zuverlässig auch unter erschwerten Wetterungsbedingungen arbeiten, und darf wegen der begrenzten Energiezufuhr in Schlechtwetterperioden nur einen geringen Energieverbrauch aufweisen.

Da vor allem in Tropengebieten mit Algenbildung und Fäulnis im gesammelten Wasser zu rechnen ist, scheiden Füllstandsmeßverfahren mit mechanisch bewegten Teilen wie Schwimmer usw. aus. Da auch mit wechselnden Verschmutzungsgraden des Regenwassers durch Staub oder Pollenflug zurechnen ist, sind auch Meßverfahren mit Erfassung des statischen Druckes der Wassersäule nicht als zuverlässig genug zu betrachten.

Aus diesem Grunde ist eine Erfassung der Niederschlagsmenge mit einem berührungslos arbeitenden Meßverfahren auf Basis von an sich bekannten temperaturabhängigen PTC-Widerständen vorzusehen, die an dem Füllstandsmeßrohr angebracht sind.

Mit diesen Meßelementen wird die Füllstandshöhe im Meßrohr überwacht. Die Aktivierung der Meßelemente erfolgt zyklisch in Zeitabständen, die von der Prozessoreinheit definiert werden.

Ist die maximale Füllstandshöhe erreicht oder ein hinreichend großes Zeitintervall überschritten, wird ein automatischer Entleerungsvorgang durch die Prozessoreinheit eingeleitet. Durch die vor und nach der Entleerung gemessene Regenmenge pro Zeiteinheit wird in der Prozessoreinheit eine Fortschreibung des Trends für die Zeit der Entleerung ermittelt und somit eine ununterbrochene Erfassung der Niederschlagsmenge sichergestellt, siehe Skizze 5.

Das Niederschlagsmeßgerät als wesentlicher Punkt der Erfindung ist als beispielhafte Ausführung in Skizze 3 oder mit einer anderen Kolbenform in Skizze 4 dargestellt.

Einen Regensammeltrichter 7 mit einem siebartigen Rückhalteschutz in konvexer Form zur Vermeidung des Eindringen′s von groben Schmutzteilchen z. B. Laub oder Insekten in das Füllstandsrohr 8.

Das Füllstandsrohr 8 ist in regelmäßigen Abständen mit den Meßelementen 9 ausgestattet, die den jeweiligen Füllstand 10 erfassen.

Den unteren Abschluß des Füllstandrohres 8 bildet die Entleerungseinheit die aus einem Gehäuse 11 mit einem über einen bistabilen Hubmagneten 12 betätigten und in Gleitführung 15 laufenden Kolben 13 besteht, der gegen eine Dichtung 14 arbeitet.

Durch diese leicht zu betätigenden Teile ist ein geringer Energiebedarf bei einer gleichzeitigen schnellen Entleerung sichergestellt. Durch die geschützte Lage der beweglichen Teile ist das Risiko von Ausfall durch Verschmutzung gering gehalten.

Die Verwendung handelsüblicher Elemente garantiert geringe Kosten für die Meßeinheit.

Das Steuer- und Meßdatenverarbeitungssystem besteht aus einer Prozessoreinheit 16 und einer Datenübertragungseinheit 17, die in einem gemeinsamen feuchtigkeitssicherem Gehäuse aus Edelstahl untergebracht sind. Auch hierfür werden vorzugsweise marktgängige Elemente eingesetzt, z. B. für die Datenübertragungseinheit eine Funkstrecke aus an sich bekannte Technik.

Die Steuerung der Meßeinheit wird durch die Prozessoreinheit 16 vorgenommen. Das zugehörige Softwarepaket sowohl für die Prozessoreinheit 16 als auch für die Auswertung der gesammelten Daten innerhalb der Zentralstation 1 ist eine Eigenentwicklung und wird dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend der Anzahl der Meßstationen 2 angepaßt.

Es steht außer Frage, daß die einzelne Meßeinheit 2 auch als autarkes Einzelsystem zur Erfassung der Niederschlagsmengen für meteorologische Zwecke eingesetzt werden kann.

Claims (8)

1. Meßeinrichtung zur Erfassung von Niederschlagsmengen in topographisch schwer zugänglichem und/oder gefährdetem Gelände, dadurch gekennzeichnet:

• - daß das System aus einzelnen über das zu beobachtende Gelände an kritischen Punkten verteilten autark arbeitenden Meßstationen (2) besteht, die mit einer an sicherer und gut zugänglicher Stelle angeordneten Zentralstation kommunizieren.

2. Meßeinrichtung zur Erfassung von Niederschlagsmengen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßstationen (2) mit einem Steuer- und Verarbeitungssystem (4) versehen sind, dessen Prozessoreinheit (16) über ein zugehöriges Rechnerprogramm eine kontinuierliche Funktionsweise gewährleistet, so daß keine Meßfehler durch Überfüllung oder durch notwendige Entleerungsvorgänge entstehen.

3. Meßeinrichtung zur Erfassung von Niederschlagsmengen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßstationen (2) mit einer autarken eigenen Energieversorgungseinheit (6) aus natürlichen Energiequellen gespeist werden und mit einem dazugehörigen Energiespeicher (5) versehen sind.

4. Meßeinrichtung zur Erfassung von Niederschlagsmengen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinheit vorzugsweise mit Kollektoren zur Nutzung von Sonnenenergie oder mit Generatoren zur Nutzung von Windenergie ausgestattet ist.

5. Meßeinrichtung zur Erfassung von Niederschlagsmengen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdatenübertragung an die Zentralstation über eine drahtlose Funkstrecke geschieht und die einzelnen Meßstationen auf nur einer Trägerfrequenz über spezielle Kennungen aufgerufen werden.

6. Meßeinrichtung zur Erfassung von Niederschlagsmengen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßstationen in ihrem mechanischem Aufbau sehr robust und einfach sind, d. h. nur einen in einem Gehäuse (15) gleitenden Kolben (13) mit kegelförmig ausgebildetem Kopf als bewegliches Teil aufweisen, der mittels Dichtungen (14) oder (16) den Sammel- oder Entleerungsvorgang über einen elektrischen bistabilen Hubmagneten (12) steuert.

7. Meßeinrichtung zur Erfassung von Niederschlagsmengen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstandshöhe (10) in dem Meßrohr (8) mittels berührungslos arbeitender PTC-Widerstände erfaßt wird, die in definierten Abständen angeordnet sind.

8. Verfahren zur Erfassung von Niederschlagsmengen in einem Meßsystem nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch ein zugehöriges Rechnerprogramm mit folgenden Funktionen und Programmabläufen:

• - das Programm startet nach Absturz durch äußere Einflüsse, z. B. aufgetretener Unterbrechung der Energiezufuhr, von selbst wieder und ist voll funktionsfähig, ohne die wesentlichen Meßdaten verloren zu haben.
• - das Programm nimmt in regelmäßigen Abständen eine Überprüfung der Funktionsweise des Niederschlagsmeßgerätes (3) vor und meldet eventuelle Störungen an die Zentralstation.
• - das Programm überprüft den Pegelstand des Energiespeichers und meldet bei Unterschreiten eines Grenzwertes die Störung an die Zentralstation.
• - das Programm bewirkt eine Entleerung des Meßgerätes in Abhängigkeit von Füllstand und Zeitdauer.
• - das Programm variiert die Häufigkeit der Abfrage mit der Niederschlagsintensität, gemäß Skizze (5).
• - das Programm ermittelt aus den Meßwerten die Füllstandshöhe und aus aufeinanderfolgenden Daten der Füllstandshöhe berechnet es in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit die Niederschlagsintensität.
• - für den Zeitraum der Entleerung interpoliert das Programm die Niederschlagsmenge, aus den Messungen vor und nach der Entleerung.
• - das Programm übermittelt auf Anfrage die berechneten Meßwerte an die Zentralstation.