DE60010483T2 - Heizplattenniederschlagsmesseinheit - Google Patents

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John Hallett
Martin Roy RASMUSSEN
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W1/00Meteorology
    • G01W1/14Rainfall or precipitation gauges

Description

  • VON DER REGIERUNG UNTERSTÜTZTE ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde mit einer Unterstützung durch die Regierung unter der Förderungsnummer DTFA01-98-C-00031 von der Federal Aviation Administration gemacht.
  • ERFINDUNGSFELD
  • Die Erfindung betrifft meteorologische Messinstrumente und insbesondere ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung für die Echtzeit-Feststellung und Quantifizierung von Niederschlag, der die Erdoberfläche an einem bestimmten Punkt erreicht.
  • PROBLEM
  • Regenmessgeräte und Schneemessgeräte sind gewöhnliche Einrichtungen zum Quantifizieren des Niederschlags bzw. des winterlichen Äquivalents zu einem Niederschlag, der die Erdoberfläche erreicht. Es wurden verschiedene Typen von Regen- und Schneemessgeräten entwickelt, um den Niederschlag und sein winterliches Äquivalent zu quantifizieren. Ein Beispiel für ein Niederschlagsmessgerät verwendet einen Behälter, der den frei fallenden Niederschlag für die spätere Messung sammelt. Bei einem winterlichen Niederschlag bzw. Schnee wird der Schnee in einem Behälter gesammelt, der Chemikalien zum Schmelzen des Schnees zu einer flüssigen Form enthält. In einem anderen Beispiel für ein Niederschlagsmessgerät wird der Regen bzw. Schnee in einem Behälter gesammelt, wobei das Messgerät bei Ansammlung einer messbaren Menge unter dem Gewicht des geschmolzenen Schnees kippt und die Flüssigkeit in einen Sammelbehälter gießt. Das Gewicht der gesammelten Probe wird zu einer entsprechenden Tiefenmessung gewandelt, um die Gesamtansammlung des Niederschlags und die Niederschlagsrate über die Zeit zu schätzen. In beiden Beispielen fällt der Niederschlag idealerweise mit der gleichen Rate und mit derselben Menge in den Sammelbehälter, wie er in der unmittelbaren Nachbarschaft des Messgeräts fallen würde.
  • Ein Problem bei diesen Messgeräten besteht jedoch darin, dass die Gesamtgenauigkeit des Messgeräts auf mechanische Auflösungen der Akkumulation begrenzt ist. Deshalb wird ein leichter Schnee- oder Regenfall unter Umständen überhaupt nicht festgestellt, weil die Flüssigkeit aus dem Messgerät verdunstet, bevor sie festgestellt wird oder eine messbare Ansammlungsmenge zustande kommt. Ein weiteres mit diesen Messgeräten verbundenes Problem besteht darin, dass keine Echtzeit-Ansammlung aufgezeichnet werden kann. Auch bei schweren Regenfällen ist eine Zeitverzögerung von einigen wenigen Minuten bis hin zu dreißig Minuten oder mehr gegeben, bevor eine messbare Probenmenge gesammelt wurde.
  • Um diese Probleme zu korrigieren, wurden neuartige Messgeräte wie das in dem US-Patent 5,744,711 beschriebene entwickelt, um eine Feststellung und Messung von Regenfällen in Echtzeit vorzusehen. Diese Messgeräte verwenden ein Paar von Wärmeplatten, die in einem zylindrischen Rohr untergebracht sind. Eine erste Wärme- bzw. Sensorplatte ist horizontal in dem Rohr positioniert, um den Niederschlag zu sammeln. Eine zweite Wärme- bzw. Bezugsplatte ist vertikal unter der ersten Wärmeplatte positioniert, um diese vor einem Kontakt mit dem Niederschlag zu schützen, wobei sie jedoch denselben Lufttemperaturbedingungen ausgesetzt ist. Das Paar von Wärmeplatten wird jeweils individuell geheizt und bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur während eines Niederschlags gehalten. Die Differenz des Stroms, der verwendet wird, um die einzelnen Wärmeplatten bei der im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten, wird quantifiziert und zu der Niederschlagsrate gewandelt. Ein in dem Rohr unter den Wärmeplatten positionierter Ventilator zieht Luft durch das Rohr, um zu verhindern, dass sich eine konvektierende Heizsäule am oberen Ende des Rohrs entwickelt.
  • Ein erstes Problem bei diesem Messgerät besteht in der Ungenauigkeit der Datenerfassung, die durch Sonnenstrahlung verursacht wird. Während niederschlagsfreier Perioden heizen auf die obere Wärmeplatte einfallende Sonnenstrahlen die Platte auf, sodass die Leistung fluktuiert, die erforderlich ist, um die Temperatur im wesentlichen konstant zu halten. Diese Leistungsfluktuationen verursachen ein Rauschen und andere Ungenauigkeiten bei der Messung von Niederschlägen.
  • Ein zweites Problem bei diesem Messgerät besteht darin, den Niederschlag aufzufangen und ein Abfließen desselben von der oberen Wärmeplatte zu verhindern, bevor er schmilzt bzw. verdunstet und dadurch die Leistungsfluktuation verursacht. Dies ist insbesondere kritisch bei verwehten Niederschlägen, wenn der Wind den Niederschlag mit einem Winkel in das System führt.
  • Ein drittes Problem bei diesem Messgerät besteht darin, dass es groß und sperrig ist und dedizierte mechanische Komponenten wie etwa einen Ventilator, einen Ventilatormotor und ein Rohr benötigt, wodurch die Kosten erhöht werden und eine regelmäßige Wartung erforderlich gemacht wird. Weiterhin ist es für Messungen an entfernten Positionen vorteilhaft, wenn so wenig Einrichtungen wie möglich mitgetragen werden müssen. Dies ist insbesondere bei Positionen der Fall, die nur per Hubschrauber oder Geländefahrzeuge erreichbar sind.
  • Ein viertes Problem bei diesem Messgerät besteht darin, dass nicht zwischen einem verwehten Niederschlag und einem normalen Niederschlag unterschieden werden kann. Bei einem verwehten Niederschlag wird Niederschlag wie etwa Schnee, der bereits auf die Erdoberfläche gefallen ist, aufgrund von windigen Bedingungen zu verschiedenen Positionen geblasen. Bei einem normalen Niederschlag fällt der Niederschlag zum ersten Mal auf die Erdoberfläche. Ein normaler Niederschlag kann bei im wesentlichen windstillen oder windigen Bedingungen auftreten.
  • Aus diesen Gründen besteht ein Bedarf für ein Niederschlagsmesssystem, das die Sonnenstrahlung berücksichtigt, zwischen verschiedenen Niederschlagsarten unterscheidet, kompakt ist und verhindert, dass der Niederschlag das System wieder verlässt, bevor er schmilzt und verdunstet.
  • LÖSUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert.
  • Das Niederschlagsmesssystem der zu beschreibenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beseitigt die oben genannten Probleme und sieht einen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik vor, indem es ein Heizplatten-Niederschlagsmesssystem angibt, das die Sonnenstrahlung berücksichtigt, zwischen verwehten Niederschlägen und normalen Niederschlägen unterscheidet und verhindert, dass Niederschlag vor dem Schmelzen und Verdunsten aus dem System austritt. In dem Kontext der vorliegenden Anmeldung sind unter Niederschlägen die während der Sommer- und während der Wintermonate auftretenden Niederschläge zu verstehen. Beispiele für Niederschläge sind unter anderem Schnee, Dunst, Nebel, Nieselregen, Nebel, Eisregen und Hagel. Der Niederschlag kann ein verwehter Niederschlag, ein normaler Niederschlag oder eine Kombination aus einem verwehten Niederschlag und einem normalen Niederschlag sein.
  • Das Niederschlagsmesssystem einer Ausführungsform umfasst eine obere Heizplatte, die allgemein horizontal angeordnet ist, um die Aussetzung gegenüber fallendem Niederschlag zu maximieren, und umfasst wenigstens einen Rand, der die obere Fläche zum Erfassen des Niederschlags umschreibt. Eine untere Wärmeplatte ist direkt unter der oberen Wärmeplatte angeordnet, um die untere Wärmeplatte vor einem fallenden Niederschlag zu schützen, wobei die untere Wärmeplatte aber derselben Lufttemperatur und denselben Windbedingungen ausgesetzt ist wie die obere Wärmeplatte. Wenigstens ein Sonnenstrahlungs-Sensor ist in der Nähe des Niederschlagsmesssystems vorgesehen, um die direkte und gestreute Sonnenstrahlung zu messen. Während eines Niederschlagereignisses werden die obere und die untere Wärmeplatte bei einer konstanten Temperatur gehalten, wobei eine Energieverbrauchskurve für jede Wärmeplatte quantifiziert wird. Die Energieverbrauchskurven werden in Bezug auf die durch Sonnenstrahlung bedingte Erwärmung korrigiert, und die Niederschlagsrate wird anhand der Differenz zwischen den korrigierten Energieverbrauchskurven für die obere und die untere Wärmeplatte gemessen.
  • In einer anderen Ausführungsform des Niederschlagsmesssystems ist der wenigstens eine Sonnenstrahlungs-Sensor durch einen Niederschlag-Ein/Aus-Sensor ersetzt, der das Niederschlagsmesssystem automatisch zu Beginn eines Niederschlagsereignisses startet und automatisch am Ende des Ereignisses beendet. In einer weiteren Ausführungsform wird wenigstens ein weiteres Paar von Heizplatten verwendet, um das Auftreten eines verwehten Niederschlagsereignisses oder eines normalen Niederschlagsereignisses zu bestimmen, indem die Differenz zwischen der die Heizplattenpaare kontaktierenden Niederschlagsmenge gemessen wird.
  • Weiterhin können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in das vorliegende Niederschlagsmesssystem aufgenommen werden: 1) ein Stativ, ein Ballon oder eine andere Flugeinrichtung, um das Niederschlagsmesssystem über die Erdoberfläche zu heben; 2) eine Enteisungsvorrichtung, um zu verhindern, dass sich Eis auf dem Stativ oder anderen Komponenten bildet; und 3) eine Echtzeiteinstellung der im wesentlichen konstanten Temperatur der Wärmeplatten in Übereinstimmung mit verschiedenen Niederschlagsraten.
  • Ein erster Vorteil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Betriebstemperatur des vorliegenden Niederschlagsmesssystems niedriger als bei den Systemen aus dem Stand der Technik ist, weil der Niederschlag durch die obere Wärmeplatte erfasst und eingefangen wird. Dies ermöglicht Kosteneinsparungen und reduziert die Gefahren, die bei der Handhabung einer erhitzten Einrichtung entstehen können. Ein zweiter Vorteil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie kompakt ist und keine voluminösen mechanischen Komponenten umfasst, die verschleißen können oder eine häufige Wartung benötigen. Ein dritter Vorteil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Enteisung des Stativs oder der anderen Komponenten eine größere Genauigkeit bei der Niederschlagsmessung gestattet. Ein vierter Vorteil der Aus führungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Echtzeit-Temperatureinstellung der Wärmeplatten Strom spart, eine höhere Genauigkeit bei der Niederschlagsmessung gestattet und eine Überlast während schwerer Niederschlagsereignisse verhindert.
  • Aus dem vorstehenden geht hervor, dass gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Heizplatten-Niederschlagsmesssystem angegeben wird, das umfasst:
    eine obere Wärmeplatte, die fallenden Niederschlag auffängt und einen Rand enthält, um zu verhindern, dass der Niederschlag von der oberen Wärmeplatte herunterrutscht, bevor der Niederschlag schmilzt,
    eine untere Wärmeplatte unter der oberen Wärmeplatte in paralleler Beziehung zu der oberen Wärmeplatte, und
    eine Sensor-Steuereinrichtung sowie eine Verarbeitungseinrichtung, die mit der oberen Wärmeplatte und der unteren Wärmeplatte verbunden und so ausgeführt sind, dass sie die obere Wärmeplatte und die untere Wärmeplatte auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur halten und eine Niederschlagsmenge eines Niederschlagsereignisses in Reaktion darauf bestimmen, dass die obere Wärmeplatte und die untere Wärmeplatte auf der im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden.
  • Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems angegeben, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    Auffangen von fallendem Niederschlag mit einer oberen Wärmeplatte, die einen Rand enthält, um zu verhindern, dass der Niederschlag von der oberen Wärmeplatte herunterrutscht, bevor der Niederschlag schmilzt, wobei eine untere Wärmeplatte unter der oberen Wärmeplatte in paralleler Beziehung zu der oberen Wärmeplatte angeordnet ist, und
    Halten der oberen Wärmeplatte und der unteren Wärmeplatte auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur, und
    Bestimmen einer Niederschlagsmenge eines Niederschlagsereignisses in Reaktion darauf, dass die obere Wärmeplatte und die untere Wärmeplatte auf der im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beispielhafte Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben.
  • 1 zeigt ein Niederschlagsmesssystem der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Wärmeplatte der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt die Betriebsschritte eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung in der Form eines Flussdiagramms.
  • 6 zeigt alternative Betriebsschritte eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung in der Form eines Flussdiagramms.
  • 7 zeigt alternative Betriebsschritte eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung in der Form eines Flussdiagramms.
  • 8 zeigt die Steuerelektronik für ein Niederschlagsmesssystem der vorliegenden Erfindung in der Form eines Blockdiagramms.
  • 9 zeigt verschiedene Anwendungen einschließlich von am Boden aufgestellten und in der Luft gehaltenen Anwendungen eines Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Niederschlagsmesssystem – 14
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems 100. Die Hauptkomponenten des Niederschlagsmesssystems 100 sind eine Sensorelektronik und ein Stativ 112. Die Sensorelektronik umfasst eine obere Wärmeplatte 101, eine untere Wärmeplatte 102, Sensor-Steuereinrichtungen 109, Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118, einen Lufttemperatursensor 115 und eine entfernte Verarbeitungseinrichtung 110. Die Wärmeplatten 101 und 102 sind über Klammern 107 und 108 mit Befestigungspfosten 105 und 106 verbunden. Die obere Wärmeplatte 101 ist allgemein horizontal relativ zu der Erdoberfläche 121 positioniert, um eine maximale Aussetzung an den fallenden Niederschlag vorzusehen. Wenn jedoch etwa eine Messung auf einer geneigten Oberfläche vorgenommen wird, sollte die obere Wärmeplatte 101 nicht horizontal positioniert werden, um die Aussetzung an den fallenden Niederschlag 117 zu maximieren. Die untere Wärmeplatte 102 ist direkt unter der oberen Wärmeplatte 101 angeordnet und derselben zugewandt, sodass die untere Wärmeplatte 102 derselben Umgebungstemperatur und/oder demselben Luftfluss ausgesetzt ist und gleichzeitig ein maximaler Schutz vor dem fallenden Niederschlag vorgesehen wird. Eine Isolation 111 ist zwischen der oberen Wärmeplatte 101 und der unteren Wärmeplatte 102 positioniert, um zu verhindern, dass die durch eine der Wärmeplatten 101 und 102 erzeugte Wärme die jeweils andere Wärmeplatte 102 bzw. 101 beeinflusst.
  • Der Sonnenstrahlungs-Sensor 114 ist an der Spitze des Befestigungspfostens 106 mittels einer Klammer 107 befestigt und stellt die auf die obere Wärmeplatte 101 einfallende Sonnenstrahlung fest. Der Sonnenstrahlungs-Sensor 118 ist an einer Position unter der Wärmeplatte 102 an dem Befestigungspfosten 106 befestigt und stellt die auf die freiliegende Fläche 119 der unteren Wärmeplatte 102 einfallende Sonnenstrahlung fest. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass die auf die untere Wärmeplatte 102 einfallende Sonnenstrahlung allgemein durch eine Reflexion vom Boden 121 bedingt ist, sodass der Sonnenstrahlungs-Sensor 118 nicht vorgesehen werden muss, wenn keine derartige Reflexion gegeben ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Sonnenstrahlungs-Sensor 114 an einer anderen Position vorgesehen sein, wobei er jedoch in der Nähe der oberen Fläche 116 der oberen Wärmeplatte 101 angeordnet sein muss, um die Messung der auf die obere Fläche 116 einfallenden Sonnenstrahlung zu unterstützen. Entsprechend kann der Sonnenstrahlungs-Sensor 118 an einer anderen Position vorgesehen sein, wobei er jedoch in der Nähe der freiliegenden Fläche 119 der unteren Wärmeplatte 102 angeordnet sein muss. Der Lufttemperatursensor 115 ist mit dem Befestigungspfosten 105 in der Nähe der unteren Wärmeplatte 102 angeordnet. Alternativ hierzu kann der Lufttemperatursensor 115 an einer anderen Position in dem Niederschlagsmesssystem vorgesehen sein, wobei er jedoch ausreichend nahe angeordnet sein muss, um die Messung der Lufttemperatur durch das Niederschlagsmesssystem 100 zu unterstützen, und wobei er andererseits aber auch nicht den Niederschlag 117 auf die obere Wärmeplatte 101 stören darf.
  • Die Sensor-Steuereinrichtungen 109 umfasst eine Verarbeitungselektronik für die Temperatursteuerung der Wärmeplatten 101 und 102. Die Sensor-Steuereinrichtungen 109 sind mit einer unteren Wärmeplatte 102, einer oberen Wärmeplatte 101, Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118 und einem Lufttemperatursensor 115 verbunden. Die Sensor-Steuereinrichtungen sind auch über eine Kommunikationsverbindung 113 mit einer entfernten Verarbeitungseinrichtung 110 verbunden. Die Sensor-Steuereinrichtungen können alternativ hierzu auch innerhalb des Pfostens 102 vorgesehen sein, operativ mit einem Niederschlags messsystem 100 an einer entfernten Position verbunden sein oder an einer anderen Position innerhalb oder in der Nähe des Niederschlagsmesssystems 100 vorgesehen sein, solange die Position nicht das Einfallen des Niederschlags 117 auf die obere Wärmeplatte 101 stört. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass die Sensorsteuerungen 109 in Übereinstimmung mit dem Typ des gemessenen Niederschlags kalibriert werden. Zum Beispiel kann sich die Kalibrierung der Sensor-Steuereinrichtungen 109 unterscheiden, wenn es sich bei dem Niederschlag 117 um einen Sommerniederschlag oder um einen Winterniederschlag handelt.
  • Die entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 sammelt Daten von der oberen Wärmeplatte 101 und der unteren Wärmeplatte 102 für eine in Echtzeit oder danach erfolgende Berechnung und Verarbeitung der Niederschlagsrate. Die entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 kann auch mit einer Vielzahl von Niederschlagsmesssystemen 100 verbunden sein. In diesem Fall sammelt die entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 Daten von den mehreren Niederschlagsmesssystemen für die in Echtzeit oder danach erfolgende Berechnung und Verarbeitung der Niederschlagsrate.
  • Das Stativ 112 ermöglicht es, die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte 102 über die Erdoberfläche 121 zu heben. Das Stativ 112 umfasst einen Pfosten 103; eine Basisplatte 104 und Befestigungspfosten 105 und 106. Die Befestigungspfosten 105 und 106 sind senkrecht zu der Basisplatte 104 befestigt. Die Basisplatte 104 ist mit dem oberen Ende des Pfostens 103 verbunden, und der Pfosten 103 ist an der Erdoberfläche 121 festgemacht. Das Stativ 112 kann verschiedene Höhen über der Erdoberfläche aufweist, um verschiedene Anwendungen des Niederschlagsmesssystems zu unterstützen. Im Gebirge oder in Regionen mit einem schweren Jahresschneefall kann der Pfosten 103 zum Beispiel größer vorgesehen werden, um zu verhindern, dass das Niederschlagsmesssystem 100 unter tiefem Schnee vergraben wird. Entsprechend kann der Pfosten 103 in Regionen mit dichter Vegetation und/oder dichtem Blätterdach größer vorgesehen werden, damit sich die Wärmeplatten 101 und 102 über die Vegetation und/oder die Blätter hinaus erstrecken, um das Auffangen einer maximalen Niederschlagsmenge 117 zu unterstützen. Entsprechend kann der Pfosten 103 in einer unfruchtbaren Region kürzer vorgesehen werden, da hier keine störende Vegetation vorhanden ist. In einem weiteren Beispiel kann das Niederschlagsmesssystem 100 überhaupt keinen Pfosten 103 umfassen, um die Beweglichkeit des Niederschlagsmesssystems 100 zu verbessern.
  • Ein bevorzugtes Merkmal des vorliegenden Niederschlagsmesssystems besteht darin, dass die Windgeschwindigkeit unter Verwendung der unteren Wärmeplatte berechnet werden kann, die nicht dem Niederschlag aber der gleichen Windstärke ausgesetzt ist. Die Windgeschwindigkeit wird unter Verwendung des Energieverbrauchs der unteren Wärmeplatte 102 relativ zu der Lufttemperatur in dem Niederschlagsmesssystem 100 berechnet.
  • In alternativen Ausführungsformen für extreme Winterwetterbedingungen umfasst das Niederschlagsmesssystem 100 auch eine Enteisungsvorrichtung zum Enteisen des Stativs 112 und der Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118. Insbesondere bildet sich bei extremen Winterwetterbedingungen Eis auf den Befestigungspfosten 105 und 106, den Klammern 107 und 108, der Basisplatte 104 und den Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118. Das Eis hat einen Einfluss auf die Energie, die erforderlich ist, um die Wärmeplatten 101 und 102 bei einer konstanten Temperatur zu halten, auf die Sonnenstrahlungsmessung und – wie aus den folgenden Erläuterungen hervorgeht – auf die Genauigkeit des Niederschlagsmesssystems 100. Die Enteisungsvorrichtung kann eine beliebige Vorrichtung sein, die verhindert, dass sich Eis an den Befestigungspfosten 105 und 106, den Klammern 107 und 108, der Basisplatte 104 und den Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118 bildet. Beispiele für eine Enteisungsvorrichtung sind unter anderem die Anwendung von chemischen Frostschutzmitteln oder das Vorsehen einer Elektrode bzw. eines anderen Heizelements, das die Befestigungspfosten 105 und 106, die Klammern 107 und 108, die Basisplatte 104 und die Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118 geringfügig erwärmt.
  • 2 zeigt ein Beispiel für die obere Wärmeplatte 101. Die obere Wärmeplatte 101 umfasst konzentrische Ränder 200, 201 und 202, die die obere Fläche 116 umschreiben, um Niederschlag 117 auf der oberen Wärmeplatte 101 aufzufangen und zu halten. Die konzentrischen Ränder sind vorgesehen, um zu verhindern, dass Niederschlag 117 von der oberen Wärmeplatte 101 herunterrutscht, bevor er schmilzt und/oder verdunstet, wodurch das Niederschlagsmesssystem 100 sehr empfindlich für leichte Niederschlagsereignisse gemacht wird, die bei ungefähr 0,25 mm (0,01 Zoll) pro Stunde liegen. Alternative Konfigurationen für die obere Wärmeplatte 101 sind zum Beispiel ein einziger konzentrischer Rand um den Durchmesser des oberen Fläche 116 oder eine Vielzahl von konzentrischen Rändern, um eine gerippte obere Fläche 116 zu bilden.
  • Die untere Wärmeplatte 102 sollte identisch mit der oberen Wärmeplatte 101 sein, sodass sich die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte in einer linearen Beziehung zueinander abkühlen. Dadurch wird die Niederschlagsmessung und die Windgeschwindigkeitsberechnung vereinfacht, weil auf zusätzliche Berechnungen zur Kompensation einer nicht-linearen Abkühlungsbeziehung verzichtet werden kann, die durch geometrisch unterschiedlich geformte Wärmeplatten bedingt würden. In alternativen Ausführungsformen können die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte 102 verschiedene Formen mit unterschiedlicher Geometrie aufweisen, sofern die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte 102 eine kreisrunde Form und einen Durchmesser von 15,2 cm (6 Zoll) aufweisen. Die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte 102 können aus einem beliebigen leitenden Material wie etwa Aluminium ausgebildet sein.
  • 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung, nämlich ein Niederschlagsmesssystem 300. Das Niederschlagsmesssystem 300 ist mit dem Niederschlagsmesssystem 100 mit der Ausnahme identisch, dass in dem Niederschlagsmesssystem 300 die Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 und 118 durch einen Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 ersetzt sind. Der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 setzt den Rauschschwellwert des Niederschlagsmesssystems 300 herunter, indem er den Beginn eines Niederschlagsereignisses feststellt und das Niederschlagsmesssystem 300 startet. Der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 stellt dann das Ende des Niederschlagsereignisses fest und schaltet das Niederschlagsmesssystem 300 aus. Der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 kann das Niederschlagsmesssystem 300 unmittelbar auf ein Niederschlagsereignis folgend oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Ende des Niederschlagsereignisses ausschalten. Wenn das Niederschlagsmesssystem 300 erst nach einer bestimmten Zeitspanne nach dem Niederschlagsereignis ausgeschaltet wird, kann sichergestellt werden, dass das Niederschlagsereignis tatsächlich zu Ende ist. Dadurch wird verhindert, dass ein Teil eines intermittierenden Niederschlagsereignisses aufgrund der Systemstarts verpasst wird. Das Niederschlagsmesssystem 300 ist also nur während tatsächlicher Niederschlagsereignisse aktiv, wodurch falsche Messergebnisse aufgrund von Sonnenstrahlung und/oder Wind beseitigt werden. Ein bevorzugtes Merkmal dieser Ausführungsform sieht vor, dass der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 den Stromverbrauch des Niederschlagsmesssystems 300 reduziert, da das Niederschlagsmesssystem 300 nur während eines Niederschlagsereignisses eingeschaltet wird und nach Beendigung des Niederschlagsereignisses ausgeschaltet wird.
  • 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems der vorliegenden Erfindung, nämlich das Niederschlagsmesssystem 400. Der Fachmann kann zahlreiche andere Konfigurationen für die zuvor beschriebene Erfindung entwickeln. Dem Fachmann sollte außerdem deutlich sein, wie die im Folgenden beschriebenen Merkmale mit den zuvor beschriebenen kombiniert werden können.
  • Das Niederschlagsmesssystem 400 umfasst ein Niederschlagsmesssystem 100 und ein zweites Niederschlagsmesssystem 411, die über einen Arm 404 mit dem Pfosten 103 verbunden sind. Alternativ hierzu kann das Niederschlagsmesssystem 411 auf geeignete Weise mit dem Pfosten 103 oder mit einem eigenen Pfosten verbunden sein, sofern es dem Niederschlag 117 ausgesetzt bleibt. Das zweite Niederschlagsmesssystem 411 umfasst eine zweite obere Wärmeplatte 401, eine zweite untere Wärmeplatte 402, Klammern 408 und 409, Befestigungspfosten 406 und 407, einen Sonnenstrahlungs-Sensor 410 und eine Basisplatte 405. Die Wärmeplatten 401 und 402, die Basisplatte 405, die Befestigungspfosten 406 und 407, der Sonnenstrahlungs-Sensor 410 und die Klammern 408 und 409 sind alle jeweils mit den Wärmeplatten 101, 102, der Basisplatte 104, den Befestigungspfosten 105 und 106, dem Sonnenstrahlungs-Sensor 114 und den Klammern 107 und 108 identisch.
  • Das Niederschlagsmesssystem 400 bietet dieselben Funktionen wie das Niederschlagsmesssystem 100, wobei es zusätzlich noch ein verwehten Niederschlagsereignis von einem normalen Niederschlagsereignis unterscheiden kann. Ein wichtiger Aspekt dieser Ausführungsform ist die Höhendifferenz zwischen den Niederschlagsmesssystemen 100 und 411. Eines der Niederschlagsmesssysteme 100 und 411 sollte wesentlich höher als das jeweils andere Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 positioniert werden, sodass es nicht durch einen Niederschlag erreicht werden kann, der bereits niedergegangen ist, aber durch windige Bedingungen verweht wird. Das höhere der Niederschlagsmesssysteme 100 bzw. 411 kann also nur durch normal fallenden Niederschlag erreicht werden. Das jeweils andere Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 sollte an einer niedrigeren Höhe positioniert werden, sodass sowohl normal fallender Niederschlag als auch bereits niedergegangener, aber aufgrund von windigen Bedingungen verwehter Niederschlag das untere Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 erreichen kann. Unter Verwendung dieser Konfiguration kann zwischen einem verwehten Niederschlagsereignis und einem normalen Niederschlagsereignis unterschieden werden, indem der an den jeweiligen Niederschlagsmesssystemen 100 und 411 gemessene Niederschlag verglichen wird. Wenn beide Niederschlagsmesssysteme 100 und 411 im wesentlichen dieselbe Niederschlagsmenge messen, dann kann daraus geschlossen werden, dass es sich bei dem Niederschlagsereignis ausschließlich um ein normales Niederschlagsereignis handelt. Wenn kein Niederschlag an dem höheren Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 festgestellt wird, dann kann daraus geschlossen werden, dass es sich nur um ein verwehtes Niederschlagsereignis handelt. Wenn an beiden Niederschlagsmesssystemen 100 bzw. 411 ein Niederschlagsereignis festgestellt wird, aber wesentlich mehr Niederschlag an dem niedrigeren Niederschlagsmesssystem 100 bzw. 411 gemessen wird, dann kann daraus geschlossen werden, dass es sich bei dem Niederschlagsereignis um eine Kombination aus einem normalen und einem verwehten Niederschlagsereignis handelt.
  • Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass zahlreiche Höhendifferenzen zwischen den Niederschlagsmesssystemen 100 und 411 vorgesehen werden können. Zum Beispiel kann das Niederschlagsmesssystem 100 bei einer Höhe von 30,5 Metern (100 Fuß) relativ zu der Erdoberfläche 121 vorgesehen werden, während das Niederschlagsmesssystem 411 bei einer Höhe von 9,1 Metern (30 Fuß) relativ zu der Erdoberfläche 121 vorgesehen wird. In einem anderen Beispiel kann das Niederschlagsmesssystem 100 bei einer Höhe von 15,2 Metern (50 Fuß) relativ zu der Erdoberfläche vorgesehen werden, während das Niederschlagsmesssystem 411 bei einer Höhe von 1,5 Metern (5 Fuß) relativ zu der Erdoberfläche vorgesehen wird.
  • Es ist außerdem zu beachten, dass das Niederschlagsmesssystem 100 durch das Niederschlagsmesssystem 300 ersetzt werden kann, das einen Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 umfasst. In diesem Fall kann das Niederschlagsmesssystem 411 Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 oder 118 oder einen Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 umfassen. Die Sonnenstrahlungs-Sensoren 114 oder 118 und der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 sind jedoch nicht erforderlich, weil der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 an dem Niederschlagsmesssystem 300 verwendet werden kann, um das Ein- bzw. Ausschalten des gesamten Niederschlagsmesssystems 400 zu steuern.
  • In anderen Ausführungsformen können eine Vielzahl von Niederschlagsmesssystemen 411 mit dem Pfosten 103 verbunden sein, um die Messgenauigkeit zu verbessern. Entsprechend können eine Vielzahl von Niederschlagsmesssystemen 400 an einer Vielzahl von Positionen verwendet werden und jeweils eigene Sensor-Steuereinrichtungen und entfernte Verarbeitungseinrichtungen umfassen bzw. mit den Sensor-Steuereinrichtungen 109 und der entfernten Verarbeitungseinrichtung 110 verbunden sein. Die mehrfachen Niederschlagsmesssysteme 411 oder 400 verbessern die Genauigkeit bei der Messung von Niederschlagsraten, der Unterscheidung zwischen verwehten und normalen Niederschlagsereignissen und bei der Berechnung der Windgeschwindigkeit, wenn mehrere Datensätze erfasst werden.
  • Betriebsschritte und Steuerung – 58
  • 5 zeigt die Betriebsschritte eines Niederschlagsmesssystems in der Form eines Flussdiagramms. Das System beginnt in Schritt 500 und schreitet zu der Systeminitialisierung von Schritt 502 fort. Die Systeminitialisierung 502 umfast unter anderem das Aufheizen einer oberen Wärmeplatte 101 und einer unteren Wärmeplatte 102 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur sowie das Kalibrieren der oberen Wärmeplatte 101 mit der unteren Wärmeplatte 102. Die optimale Betriebstemperatur für die obere Wärmeplatte 101 ist allgemein unter dem lokalen Siedepunkt von Wasser, jedoch ausreichend heiß, um den Niederschlag 117 im wesentlichen unmittelbar – d.h. innerhalb von 5 bis 10 Sekunden – verdunsten zu lassen. Alternativ hierzu kann die Betriebstemperatur in einigen Fällen über dem lokalen Siedepunkt von Wasser liegen, etwa während schwerer Niederschlagsereignisse. die Betriebstemperatur kann in Abhängigkeit von kritischen Betriebsbedingungen programmiert und eingestellt werden, wozu zum Beispiel die Niederschlagsrate, die Umgebungstemperatur, die Feuchtigkeit und die Niederschlagsmenge gehören. Zum Beispiel verdunsten kleine Niederschläge schneller als mit derselben Rate fallende große Niederschläge, sodass die Betriebstemperaturen bei kleinen Niederschlägen niedriger sein können.
  • Wenn die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte 102 eine optimale Betriebstemperatur für die vorliegenden Bedingungen aufweisen, beginnt ein kontinuierlicher Zyklus für beide Wärmeplatten 101 und 102. Die Temperatur der oberen Wärmeplatte 102 wird in Schritt 504 getestet. Wenn in Schritt 505 entscheiden wird, dass die Temperatur über oder unter einer idealen vorbestimmten Temperatureinstellung ist, wird der Strom zu der oberen Wärmeplatte 101 in Schritt 506 entsprechend eingestellt, um die ideale vorbestimmte Temperatur zu halten, wobei die Verarbeitung dann zu Schritt 512 fortschreitet. Wenn in Schritt 505 entschieden wird, dass die Temperatur bei der idealen vorbestimmten Einstellung ist, dann schreitet die Verarbeitung zu Schritt 512 fort.
  • Im wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess der Schritte 504, 505 und 506 wird die Temperatur der unteren Wärmeplatte 102 in Schritt 509 getestet. Wenn in Schritt 510 entschieden wird, dass die Temperatur über oder unter der idealen vorbestimmten Temperatureinstellung ist, wird der Strom zu der unteren Wärmeplatte 102 in Schritt 511 dementsprechend eingestellt, um die ideale vorbestimmte Temperatur zu halten, wobei dann zu Schritt 512 fortgeschritten wird. Wenn in Schritt 510 entschieden wird, dass die Temperatur bei der idealen vorbestimmten Temperatur ist, dann schreitet die Verarbeitung zu Schritt 512 fort.
  • Im wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess der Schritte 504, 505, 506, 509, 510 und 511 wird in Schritt 507 die Lufttemperatur gemessen und wird in Schritt 517 die auf die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte 102 einfallende Sonnenstrahlung gemessen. Die Lufttemperatur und die Sonnenstrahlung werden in Schritt 508 mit einem Zeitstempel in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass die Lufttemperatur auf einer kontinuierlichen Basis oder mit vorbestimmten Zeitintervallen während der Prozessschritte 504, 505, 506, 509, 510 und 511 in Schritt 507 getestet und in Schritt 508 aufgezeichnet werden kann. Dem Fachmann sollte außerdem deutlich sein, dass die Schritte zum Steuern der Temperatur anstatt einer Steuerung des Stroms zu der unteren Wärmeplatte 102 und der oberen Wärmeplatte 101 alternativ auch eine Steuerung der Spannung vorsehen können, sodass eine konstante Leistungseinstellung für die untere Wärmeplatte 102 und/oder die obere Wärmeplatte 101 erreicht wird.
  • Im wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess zum Testen der Temperatur der Wärmeplatten und dem Prozess zum Testen der Lufttemperatur werden die durch die obere Wärmeplatte 101 und durch die Wärmeplatte 201 gezogenen Strommengen in Schritt 512 verglichen. Wenn ein Niederfall 117 auf die obere Wärmeplatte 101 fällt, schmilzt oder verdunstet der Niederschlag 117 im wesentlichen unmittelbar und kühlt dadurch die obere Fläche 116 der oberen Wärmeplatte 101. Die untere Wärmeplatte 102 ist mit Ausnahme des Niederschlags 117 denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt wie die obere Wärmeplatte 101. Deshalb ist bei Abwesenheit einer Sonnenstrahlung die Differenz zwischen dem Energieverbrauch der oberen Wärmeplatte 101 und dem Energieverbrauch der unteren Wärmeplatte 102 direkt proportional zu der auf die obere Wärmeplatte 101 fallenden Niederschlagsrate. Weil weiterhin die einzelnen schmelzenden oder verdunstenden Niederschlagspartikeln in Abhängigkeit von dem Niederschlagstyp wie etwa Schnee, Nieselregen oder Regen eine unterschiedlichen Energieverbrauch verursachen, können die verschiedenen Niederschlagstypen durch einen Vergleich der entsprechenden Energieverbrauchskurven unterschieden werden.
  • Der Energieverbrauch der oberen Wärmeplatte 101 und der unteren Wärmeplatte 102 sowie die Differenz des Energieverbrauchs werden in Schritt 513 in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet und zeitgestempelt. In Schritt 514 wendet sich der entfernte Prozessor 110 periodisch an die lokale Verarbeitungseinrichtung in den Sensor-Steuereinrichtungen 109, um Niederschlagsdaten, Lufttemperaturdaten und Sonnenstrahlungsdaten für die weitere Verarbeitung und Aufzeichnung zusammen mit den Daten von anderen Niederschlagsmesssystemen abzufragen.
  • Wenn in Schritt 515 entschieden wird, dass die Feststellung des Energieverbrauchs und die Datenaufzeichnung fortgesetzt werden sollen, fährt die Verarbeitung mit Schritt 512 fort. Wenn in Schritt 515 entschieden wird, dass die Feststellung des Energieverbrauchs und die Datenaufzeichnung nicht fortgesetzt werden sollen, wird die Verarbeitung in Schritt 516 beendet.
  • 6 zeigt alternative Operationsschritte eines Niederschlagsmesssystems in der Form eines Flussdiagramms. Das System entscheidet in Schritt 600, ob der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 301 ein Niederschlagsereignis feststellt. Wenn in Schritt 600 kein Niederschlagsereignis festgestellt wird, wartet der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor in Schritt 604, wobei dann in Schritt 600 wiederum entschieden wird, ob ein Niederschlagsereignis festgestellt wird. Wenn in Schritt 600 ein Niederschlagsereignis festgestellt wird, startet der Niederschlag-Ein/Aus-Sensor in Verbindung mit der Verarbeitungseinrichtung in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 das Niederschlagsmesssystem 100 und schreitet zu der Systeminitialisierung in Schritt 602 fort. Die Systeminitialisierung 602 umfasst unter anderem ein Erhitzen der oberen Wärmeplatte 101 und der unteren Wärmeplatte 102 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur sowie das Kalibrieren der oberen Wärmeplatte 101 mit der unteren Wärmeplatte 102.
  • Wenn die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte 102 auf einer optimalen Betriebstemperatur für die vorliegenden Bedingungen sind, beginnt ein kontinuierlicher Zyklus für beide Wärmeplatten 101 und 102. Die Temperatur der oberen Wärmeplatte 101 wird in Schritt 605 getestet. Wenn in Schritt 606 entschieden wird, dass die Temperatur über oder unter einer idealen vorbestimmten Temperatureinstellung ist, wird der Strom zu der oberen Wärmeplatte 101 in Schritt 607 dementsprechend eingestellt, um die ideale vorbestimmte Temperatur zu erhalten, wobei die Verarbeitung dann mit Schritt 611 fortfährt. Wenn in Schritt 606 entschieden wird, dass die Temperatur bei der idealen vorbestimmten Einstellung ist, dann schreitet die Verarbeitung mit Schritt 611 fort.
  • Im wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess der Schritte 605, 606 und 607 wird in Schritt 608 die Temperatur der unteren Wärmeplatte 102 getestet. Wenn in Schritt 609 entschieden wird, dass die Temperatur über oder unter der idealen vorbestimmten Temperatureinstellung ist, wird der Strom zu der unteren Wärmeplatte 102 in Schritt 610 dementsprechend eingestellt, um die ideale vorbestimmte Temperatur zu halten, wobei die Verarbeitung dann mit Schritt 611 fortfährt. Wenn in Schritt 609 entschieden wird, das die Temperatur bei der idealen vorbestimmten Einstellung ist, dann schreitet die Verarbeitung mit Schritt 611 fort. Im wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess der Schritte 605, 606, 607, 608, 609 und 610 wird in Schritt 616 die Lufttemperatur gemessen und in Schritt 617 mit einem Zeitstempel in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet.
  • Im wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess zum Resten der Temperatur der Wärmeplatten und zum Testen der Lufttemperatur werden die durch die obere Wärme platte 101 und durch die untere Wärmeplatte 102 gezogenen Strommengen in Schritt 611 verglichen. Wenn ein Niederschlag 117 auf die obere Wärmeplatte 101 fällt, werden in Schritt 612 der Energieverbrauch der oberen Wärmeplatte 101 und der unteren Wärmeplatte 102 sowie die Differenz des Energieverbrauchs in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet und zeitgestempelt. In Schritt 613 wendet sich die entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 periodisch an die lokale Verarbeitungseinrichtung in den Sensor-Steuereinrichtungen 109, um die Niederschlagsdaten und die Lufttemperaturdaten für die weitere Verarbeitung und Aufzeichnung gemeinsam mit den Daten von den anderen Niederschlagsmesssystemen abzurufen.
  • Wenn das Niederschlagsereignis in Schritt 614 andauert, fährt die Verarbeitung mit Schritt 611 fort. Wenn das Niederschlagsereignis in Schritt 614 beendet ist, schaltet der Ein/Aus-Sensor 301 in Verbindung mit dem Mikroprozessor in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 das Niederschlagsmesssystem aus, wobei die Verarbeitung in Schritt 615 beendet wird. Vorzugsweise wird in dieser Ausführungsform das Rauschen von der Sonnenstrahlung im wesentlichen beseitigt, weil das Niederschlagsmesssystem nur während eines Niederschlagsereignisses aktiviert wird.
  • 7 zeigt alternative Betriebsschritte für die Niederschlagsmesssysteme von 5 in der Form eines Flussdiagramms. Das System beginnt in Schritt 500 und schreitet über die Schritte 501511 zu dem Schritt 711 fort. Im wesentlichen gleichzeitig zu dem kontinuierlichen Prozess zum Testen der Temperatur der Wärmeplatten und dem Prozess zum Testen der Lufttemperatur werden in Schritt 702 der durch die obere Wärmeplatte 101 und durch die untere Wärmeplatte 02 gezogene Strom verglichen. Der Energieverbrauch für die obere Wärmeplatte 101 und die untere Wärmeplatte 102 sowie die Differenz des Energieverbrauchs werden in Schritt 703 mit einem Zeitstempel in den Sensor-Steuereinrichtungen 109 aufgezeichnet. In Schritt 704 wendet sich die entfernte Verarbeitungseinrichtung 110 periodisch an die lokale Verarbeitungseinrichtung in den Sensor-Steuereinrichtungen 109, um die Niederschlagsdaten, die Lufttemperaturdaten und die Sonnenstrahlungsdaten für die weitere Verarbeitung und Aufzeichnung zusammen mit den Daten von anderen Niederschlagsmesssystemen abzurufen. Wenn in Schritt 706 entschieden wird, dass die Feststellung des Energieverbrauchs und die Datenaufzeichnung fortgesetzt werden sollen, schreitet die Verarbeitung zu Schritt 707 fort. Wenn in Schritt 704 entschieden wird, dass die Niederschlagsrate abgenommen hat, dann wird in Schritt 708 die im wesentlichen konstante Temperatur der Wärmeplatten 101 und 102 in Entsprechung zu der abgenommenen Niederschlagsrate verringert. Wenn in Schritt 707 entschieden wird, dass die Niederschlagsrate nicht zugenommen oder abgenommen hat, dann schreitet die Verarbeitung zu Schritt 702 fort. Wenn in Schritt 706 entschieden wird, dass die Feststellung des Energieverbrauchs und die Datenaufzeichnung nicht fortgesetzt werden sollen, dann wird in Schritt 705 die Verarbeitung beendet.
  • Ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Ausführungsform besteht in der Echtzeit-Leistungssteuerung für die Wärmeplatten 101 und 102. Vorzugsweise gestattet die Echtzeit-Leistungssteuerung für die Wärmeplatten 101 und 102 eine größere Genauigkeit bei der Niederschlagsmessung, indem die im wesentlichen konstante Temperatur in Übereinstimmung mit verschiedenen Niederschlagsraten eingestellt wird. Weiterhin spart die Echtzeit-Leistungssteuerung Leistung, indem die Leistung während leichterer Niederschlagsereignisse reduziert wird.
  • 8 zeigt die Steuerelektronik für das Niederschlagsmesssystem in der Form eines Blockdiagramms. Das Niederschlagsmesssystem wird mit einer Wechselspannung von 110 V oder alternativ hierzu bei entfernten Operationen mit einer Gleichspannung von 12 V betrieben. In beiden Fällen sieht die Spannungsquelle 800 mit einer entsprechenden Erdung 801 die Leistung für das gesamte System vor.
  • Die obere Wärmeplatte 101 ist in einer Schleife mit einem Thermistor 802 zum Testen der Temperatur und einer Verstärkungssteuereinrichtung 803 zum bedarfsmäßigen Einstellen des Stroms zu der oberen Wärmeplatte 101 verbunden. Alternativ hierzu kann die Temperatur der oberen Wärmeplatte 101 gemessen werden, indem der Widerstand des Heizelements in der oberen Wärmeplatte festgestellt wird. Der Mikroprozessor 804 vergleicht und zeitstempelt die Daten zu dem durch die obere Wärmeplatte 101 gezogenen Strom und sendet die Daten zu einer entfernten Verarbeitungseinrichtung 805, um die abschließende Berechnung der Niederschlagsrate durchzuführen. Entsprechend ist die untere Wärmeplatte 102 in einer Schleife mit einem Thermistor 806 zum Testen der Temperatur und einer Verstärkungssteuereinrichtung 807 zum bedarfsmäßigen Einstellen des Stroms zu der unteren Wärmeplatte 102 verbunden. Der Mikroprozessor 804 vergleicht und zeitstempelt die Daten zu dem durch die untere Wärmeplatte 102 gezogenen Strom und sendet die Daten zu der entfernten Verarbeitungseinrichtung 805, um die abschließende Berechnung der Niederschlagsrate durchzuführen. Ein Temperatursensor 810 ist mit dem Mikroprozessor 804 verbunden. Der Mikroprozessor 804 überwacht den Temperatursensor 810, zeitstempelt die Daten zu der Lufttemperatur und sendet die Daten zu der entfernten Verarbeitungseinrichtung 805, um die Windgeschwindigkeit zu berechnen.
  • In Ausführungsformen mit Sonnenstrahlungs-Sensoren sind die Sonnenstrahlungs-Sensoren 808 mit dem Mikroprozessor 804 verbunden. Der Mikroprozessor 804 vergleicht und zeitstempelt die Daten zu der Sonnenstrahlung und sendet die Daten zu der entfernten Verarbeitungseinrichtung 805, um die Niederschlagsdaten unter Berücksichtigung der Sonnenstrahlung anzupassen und die abschließende Berechnung der Niederschlagsrate durchzuführen.
  • In Ausführungsformen mit einem Niederschlag-Ein/Aus-Sensor ist ein Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 809 mit dem Mikroprozessor 804 verbunden. Der Mikroprozessor 804 überwacht den Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 809 auf den Beginn eines Niederschlagsereignisses und startet das Niederschlagsmesssystem am Beginn des Niederschlagsereignisses. Der Mikroprozessor 804 überwacht dann den Niederschlag-Ein/Aus-Sensor 809 auf das Ende eines Niederschlagsereignisses und schaltet das Niederschlagsmesssystem am Ende des Niederschlagsereignisses ab.
  • Anwendungen – 9
  • 9 zeigt auf dem Boden installierte und in der Luft fliegende Anordnungen für ein Heizplatten-Niederschlagsmesssystem 900 der vorliegenden Erfindung. Während des Betriebs in auf dem Boden installierten Anordnungen kann das Heizplatten-Niederschlagsmesssystem 900 auf dem Stativ 901, auf einem Dach 902 oder direkt auf der Erdoberfläche 121 ruhen. Alternativ hierzu kann das Heizplatten-Niederschlagsmesssystem 900 in einer in der Luft fliegenden Anordnung unter Verwendung eines Ballons oder einer anderen Flugeinrichtung zu verschiedenen Höhen gehoben werden. Es ist zu beachten, dass in Abhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen zum Zeitpunkt der Messung unter Umständen verschiedene Schritte ausgeführt werden müssen, um den Ballon 904 bzw. die Flugeinrichtung während der Messung zu stabilisieren.
  • Die oben beschriebenen Elemente können Befehle umfassen, die auf Speichermedien gespeichert sind. Diese Befehle können dann durch die Verarbeitungseinrichtungen abgerufen und ausgeführt werden. Beispiele für derartige Befehle sind Software, Programmcode und Firmware. Einige Beispiele für Speichermedien sind Speichereinrichtungen, Bänder, Platten, ICs und Server. Die Befehle sind operativ, wenn sie durch die Verarbeitungseinrichtungen ausgeführt werden, um die Verarbeitungseinrichtungen in Übereinstimmung mit der Erfindung zu betreiben. Unter "Verarbeitungseinrichtung" ist hier eine einzelne Verarbeitungseinrichtung oder eine Gruppe von zusammenwirkenden Verarbeitungseinrichtungen zu verstehen. Beispiele für Verarbeitungseinrichtungen sind ICs und logische Schaltungen. Der Fachmann sollte mit Befehlen, Verarbeitungseinrichtungen und Speichermedien vertraut sein.
  • Es wurde ein Heizplatten-Niederschlagsmesssystem zum Messen von Niederschlagsraten beschrieben, das die zuvor genannten Aufgaben, Ziele und Vorteile erfüllt. Das Heizplatten-Niederschlagsmesssystem wurde in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen beschrieben, wobei jedoch deutlich sein sollte, dass durch den Fachmann viele Alternativen, Modifikationen und Variationen vorgesehen werden können, ohne dass dadurch der durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird.

Claims (20)

  1. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100), das umfasst: eine obere Wärmeplatte (101), die fallenden Niederschlag auffängt und einen Rand (200) enthält, um zu verhindern, dass der Niederschlag von der oberen Wärmeplatte (101) herunterrutscht, bevor der Niederschlag schmilzt; eine untere Wärmeplatte (102) unter der oberen Wärmeplatte (101) in paralleler Beziehung zu der oberen Wärmeplatte (101); und eine Sensor-Steuereinrichtung sowie eine Verarbeitungseinrichtung (109, 110), die mit der oberen Wärmeplatte (101) und der unteren Wärmeplatte (102) verbunden und so ausgeführt sind, dass sie die obere Wärmeplatte (101) und die untere Wärmeplatte (102) auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur halten und eine Niederschlagsmenge eines Niederschlagsereignisses in Reaktion darauf bestimmen, dass die obere Wärmeplatte (101) und die untere Wärmeplatte (102) auf der im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden.
  2. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Sensor-Steuereinrichtung und die Verarbeitungseinrichtung (109, 110) so ausgeführt sind, dass sie den Energieverbrauch der oberen Wärmeplatte (101) und den Energieverbrauch der unteren Wärmeplatte (102) quantifizieren und die Niederschlagsmenge in Reaktion auf den Energieverbrauch der oberen Wärmeplatte (101) und den Energieverbrauch der unteren Wärmeplatte (102) bestimmen.
  3. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Sensor-Steuereinrichtung und die Verarbeitungseinrichtung (109, 110) so ausgeführt sind, dass sie die im Wesentlichen konstante Temperatur in Reaktion auf eine Zunahme der Niederschlagsmenge erhöhen und die im Wesentlichen konstante Temperatur in Reaktion auf eine Abnahme der Niederschlagsmenge verringern.
  4. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Sonnenstrahlungs-Sensor (114) umfasst, der mit der Sensor-Steuereinrichtung und der Verarbeitungseinrichtung (109, 110) verbunden und so ausgeführt ist, dass er Sonnenstrahlung erfasst, die mit der oberen Wärmeplatte (101) in Kontakt kommt, und wobei die Sensor-Steuereinrichtung sowie die Verarbeitungseinrichtung (109, 110) so ausgeführt sind, dass sie die Niederschlagsmenge in Reaktion auf die Sonnenstrahlung bestimmen, die mit der oberen Wärmeplatte (101) in Kontakt kommt.
  5. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Lufttemperatursensor (115) umfasst, der mit der Sensor-Steuereinrichtung und der Verarbeitungseinrichtung (109, 110) verbunden und so ausgeführt ist, dass er die Lufttemperatur in der Nähe des Heizplatten-Niederschlagsmesssystems (100) misst, und wobei die Sensor-Steuereinrichtung sowie die Verarbeitungseinrichtung (109, 110) so ausgeführt sind, dass sie den Energieverbrauch der unteren Wärmeplatte (102) quantifizieren und die Windgeschwindigkeit in Reaktion auf die durch die untere Wärmeplatte (102) verbrauchte Energie und die Lufttemperatur berechnen.
  6. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Niederschlags-Anfang/Ende-Sensor (301) umfasst, der mit der Sensor-Steuereinrichtung und der Verarbeitungseinrichtung (109, 110) verbunden und so ausgeführt ist, dass er einen Anfang des Niederschlagsereignisses erfasst und das Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) während des Niederschlagsereignisses anschaltet und ein Ende des Niederschlagsereignisses erfasst und das Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach dem Niederschlagsereignis anschaltet.
  7. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Sensor-Steuereinrichtung und die Verarbeitungseinrichtung (109, 110) so ausgeführt sind, dass sie zwischen einem Niederschlagsereignis mit Wind und einem normalen Niederschlagsereignis in Reaktion auf die Niederschlagsmenge und eine andere Niederschlagsmenge für eine andere Gruppe von Wärmeplatten unterscheiden, die in einer anderen Höhe angeordnet sind als die obere Wärmeplatte (101) und die untere Wärmeplatte (102).
  8. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Sensor-Steuereinrichtung und die Verarbeitungseinrichtung (109, 110) so ausgeführt sind, dass sie Energieverbrauchskurven für die obere Wärmeplatte (101) und die untere Wärmeplatte (102) quantifizieren.
  9. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Enteisungsvorrichtung umfasst.
  10. Heizplatten-Niederschlagsmesssystem (100) nach Anspruch 1, das des Weiteren Isolierung (111) zwischen der oberen Wärmeplatte (101) und der unteren Wärmeplatte (102) umfasst.
  11. Verfahren zum Betreiben eines Heizplatten-Niederschlagsmesssystems (100), wobei das Verfahren umfasst: Auffangen von fallendem Niederschlag mit einer oberen Wärmeplatte (101), die einen Rand (200) enthält, um zu verhindern, dass der Niederschlag von der oberen Wärmeplatte (101) herunterrutscht, bevor der Niederschlag schmilzt, wobei eine untere Wärmeplatte (102) unter der oberen Wärmeplatte (101) in paralleler Beziehung zu der oberen Wärmeplatte (101) angeordnet ist; und Halten der oberen Wärmeplatte (101) und der unteren Wärmeplatte (102) auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur; und Bestimmen einer Niederschlagsmenge eines Niederschlagsereignisses in Reaktion darauf, dass die obere Wärmeplatte (101) und die untere Wärmeplatte (102) auf der im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen der Niederschlagsmenge das Quantifizieren des Energieverbrauchs der oberen Wärmeplatte (101) und des Energieverbrauchs der unteren Wärmeplatte (102) umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren das Erhöhen der im Wesentlichen konstanten Temperatur in Reaktion auf eine Zunahme der Niederschlagsmenge und das Verringern der im Wesentlichen konstanten Temperatur in Reaktion auf eine Abnahme der Niederschlagsmenge umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren das Erfassen von Sonnenstrahlung umfasst, die mit der oberen Wärmeplatte (101) in Kontakt kommt, und wobei das Bestimmen der Niederschlagsmenge das Bestimmen der Niederschlagsmenge in Reaktion auf die Sonnenstrahlung umfasst, die mit der oberen Wärmeplatte (101) in Kontakt kommt.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren das Messen der Lufttemperatur in der Nähe des Heizplatten-Niederschlagmesssystems (100), das Quantifizieren des Energieverbrauchs der unteren Wärmeplatte (102) und das Berechnen der Windgeschwindigkeit in Reaktion auf die durch die untere Wärmeplatte (102) verbrauchte Energie und die Lufttemperatur umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren das Erfassen eines Anfangs des Niederschlagsereignisses, das Anschalten des Heizplatten-Niederschlagsmesssystems (100) während des Niederschlagsereignisses, das Erfassen eines Endes des Niederschlagsereignisses und das Abschalten des Heizplatten-Niederschlagsmesssystems (100) nach dem Niederschlagsereignis umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren das Unterscheiden zwischen einem Niederschlagsereignis mit Wind und einem normalen Niederschlagsereignis in Reaktion auf die Niederschlagsmenge und eine andere Niederschlagsmenge für eine andere Gruppe von Wärmeplatten, die in einer anderen Höhe angeordnet sind als die obere Wärmeplatte (101) und die untere Wärmeplatte (102), umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen der Niederschlagsmenge das Quantifizieren von Energieverbrauchskurven für die obere Wärmeplatte (101) und die untere Wärmeplatte (102) umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren das Enteisen des Heizplatten-Niederschlagsmesssystems (100) umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren das Bereitstellen von Isolierung (111) zwischen der oberen Wärmeplatte (101) und der unteren Wärmeplatte (102) umfasst.
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