„Niederschlagssensor, insbesondere Hagelsensor, und Verfahren zur Detektion eines Niederschiagsteilchens" Die Erfindung betrifft einen Niederschlagssensor, insbesondere Hagelsensor, der einen Pralikörper, einen Wandler zur Registrierung von Schwingungen, die durch Aufschlagen zumindest eines Niederschiagsteilchens auf den Prallkörper hervorgerufen werden, und eine Einrichtung zur Auswertung mittels des Wandlers erzeugter elektrischer Signale umfasst.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion eines Niederschiagsteilchens.

Ein Niederschlagsensor der eingangs genannten Art geht aus der DE 103 30 828 AI der Anmelderin hervor. Der Wandler dieses Niederschlagssensors ist über einen die Schwingungen auf den Wandler übertragenden festen Körper an die Pralipiatte gekoppelt, wobei der feste Körper einen mit der Pralipiatte an deren Rand verbundenen Unterbau der Pralipiatte bildet.

Aus der EP 0 422 551 Bl ist ein Niederschlagssensor bekannt, auf dessen Pralipiatte über einer Klebeschicht ein piezoelektrischer Wandler befestigt ist. Durch Auswertung der von dem Wandler gelieferten elektrischen Signale kann mittels einer Frequenzanaiyse zwischen auftreffenden Regentropfen, Hagelkörnern und

Schneeflocken unterschieden werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Niederschiagssensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der kinetische Energien der Niederschlags- teiichen in einem im Vergleich zu den bekannten Niederschlagssensoren größeren Energieberelch bestimmen kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Auswerteeinrichtung dazu vorgesehen ist, die Signale, die der Wandler in aufeinander folgenden Messzeitintervallen nach dem Aufschlagen erzeugt, separat auszuwerten. In einem ersten, in einem relativ kurzen zeitlichen Abstand von dem Aufschlagen vorgesehenen Messzeitintervall, vorzugsweise in einem zeitlichen Mindestabstand von zumindest 2 ms, lassen sich die Schwingungen messen, die von Niederschlagsteilchen mit einer verhältnismäßig geringen kinetischen Energie hervorgerufen werden und eine Amplitude einer derartigen Größe aufweisen, dass der Wandler daraus Signale erzeugen kann, die die Schwingungen korrekt charakterisieren.

Trifft das Niederschlagsteilchen dagegen mit einer derart großen kinetischen Energie auf, dass eine Schwingung hervorgerufen wird, deren Amplitude während des ersten Messzeitintervalls so groß ist, dass sie außerhalb eines Messbereichs liegt, den der Wandler korrekt auswerten kann, werden die Signale in einem auf das erste Messzeitintervall folgenden zweiten Messzeitintervall, zu welchem die

Schwingungen aufgrund einer Dämpfung geringer geworden sind und innerhalb des Messbereichs des Wandlers liegen, ausgewertet.

In gleicher Weise können zu späteren Zeitpunkten weitere Messzeitintervalle vorgesehen sein, für die die Signale ausgewertet werden, sofern in den jeweils vor- herigen Messzeitintervallen keine Auswertung erfolgen kann, weil die jeweils auftretenden Schwingungen außerhalb des Messbereichs, den der Wandler korrekt auswerten kann, liegen. Zweckmäßigerweise sind die Messzeitintervalle innerhalb von 200 ms, vorzugsweise innerhalb von 150 ms, nach dem Aufschlagen vorgesehen.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Größe der Messzeitintervalle oder/und der zeitliche Abstand der Messzeitintervalle von dem Aufschlagen des Niederschlagsteilchens in Abhängigkeit von Aufbau, Form und Struktur des Prallkörpers festgesetzt.

Vorteilhaft lässt sich durch die Auswertung in den verschiedenen Messzeitintervallen mittels des Wandlers die kinetische Energie in einem großen Energiebereich bestimmen, auch wenn er nur einen verhältnismäßig kleinen Messbereich umfasst, in dem die kinetische Energie unmittelbar aus den erzeugten Signalen korrekt bestimmt werden kann.

Zweckmäßigerweise sind zumindest zwei, bevorzugt zumindest drei, der Messzeitintervalle, die vorzugsweise in zeitlichem Abstand voneinander gebildet sind, vor- gesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Ist vorgesehen, dass der zeitliche Abstand mindestens 5 ms beträgt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung zur Analyse der Amplituden und/oder der Frequenz der Signale eingerichtet. Neben der Ermittlung der kinetischen Energie des Niederschlagsteiichens anhand der Amplitudenanalyse Iässt sich mittels der Frequenzanaiyse ferner eine Dichte und/oder eine Härte des Niederschlagsteiichens, insbesondere des Hagelkorns, ermitteln, weil Niederschlagsteilchen, die eine verhältnismäßig große Dichte oder eine verhältnis- mäßig große Härte aufweisen, Im Vergleich zu Niederschlagsteilchen, die eine geringe Dichte bzw. eine geringe Härte aufweisen, Schwingungen größerer Frequenzen verursachen.

Werden, wie in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Amplitudenanalyse und die Frequenzanalyse miteinander kombiniert, Iässt sich die kinetische Energie noch präziser ermittein. Wird die Frequenz zur Bestimmung der kinetischen Energie miteinbezogen, Iässt sich berücksichtigen, dass Niederschlagsfeilchen, insbesondere Hagelkörner, unterschiedlicher Dichten oder Härten auf verschiedene Weise mit dem Prallkörper wechselwirken. So findet beim Aufschlagen eines Niederschlagsteiichens einer verhältnismäßig geringen Dichte oder Härte, beispielsweise eines Hagelkorns mit großer Porosität, ein Stoß mit dem Prallkörper statt, der zu einer Verformung des Niederschiagteilchens führt, die die einen größeren plastischen Anteil aufweist als wenn mit derselben kinetischen Energie ein Niederschlagsfeilchen mit im Vergleich größerer Dichte oder Härte, beispielsweise ein Hagelkorn ohne Porosität, auf den Prallkörper aufschlägt. Dies hat zur Folge, dass beim Vergleich von Niederschlagsfeilchen gleicher kinetischer Energie, die unterschiedliche Härten oder Dichten aufweisen, beim Aufschlagen des Niederschlagsteiichens der geringeren Dichte oder Härte ein Signal verursacht wird, das eine kleinere Amplitude und eine kleinere Frequenz aufweist als das Signal, das von dem Niederschiagsteiichen der größeren Dichte oder Härte verursacht wird.

Zweckmäßigerweise Ist darüber hinaus vorgesehen, dass mitteis der Auswerteeinrichtung eine Zählung der auf den Prailkörper auftreffender Niederschlagsfeilchen durchgeführt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Auswerteeinrichtung einen Filter auf, der vorzugsweise dazu eingerichtet ist, niedrige Frequenzen zu unterdrücken, um Signalverfälschungen durch Nachschwingungen zu vermeiden. Ferner lassen sich Fehlmessungen herausfiltern, die auftreten können, wenn mehrere der Niederschlagsteilchen in zu kurzen zeitlichen Abständen nacheinander auf den Prallkörper auftreffen. Zweckmäßigerweise ist der Wandler an eine Seite des Prallkörpers gekoppelt, die von einer Prallfläche des Prallkörpers, auf welche die Niederschlagsteilchen aufschlagen, abgewandt ist. Während es vorstellbare wäre, den Wandler unmittelbar an dem Prallkörper anzuordnen, ist er in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung über einen die Schwingungen auf den Wandler über- tragenden festen Körper, der fest mit dem Prallkörper verbunden ist, an den Prallkörper gekoppelt, wobei der feste Körper vorzugsweise als Dämpfer für eine Übertragung der Schwingungen auf den Wandler wirkt.

Der feste Körper hält den Wandler zweckmäßigerweise in einem Abstand, vorzugsweise von mindestens 5 mm, von dem Prallkörper.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Prallkörper durch eine Prallplatte gebildet. Der Wandler ist vorzugsweise bei senkrechter Projektion auf die Prallplatte in der Mitte der Prallplatte angeordnet. Bei dieser Anordnung ergibt sich die größtmögliche Unabhängigkeit der Größe des Signals von einem Ort, an dem das Niederschlagsteilchen auf der Prallplatte auftritt.

Der Wandler selbst ist zweckmäßigerweise ebenfalls plattenförmig. Bevorzugt handelt es sich um einen piezoelektrischen Wandler, der mit seiner ebenen Plattenfläche gegen eine ebene Fläche des Prallkörpers oder des festen Körpers anliegt und vorzugsweise damit verklebt ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Niederschlagssensor eine Haltevorrichtung, welche die Prallplatte geneigt zur Horizontalen hält. Aufschlagende Niederschlagsteilchen werden daher zur Seite abgelenkt und Schmelzwasser oder Regenwasser läuft ständig ab. Die Oberfläche der Prallplatte ist zweckmäßigerweise möglichst glatt, so dass Eisteilchen von ihr abrutschen können. So kann es nur im geringen Maße zu Verfälschungen der auszuwertenden Signale durch Eis oder Wasser auf der Prallplatte kommen. Als vorteilhaftes Material zur Herstellung des Prallkörpers sowie des festen Körpers hat sich insbesondere Polycarbonat erwiesen. Der erfindungsgemäße Niederschlagssensor bzw. das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft nutzen, um ein Potential zur Schädigung zu bestimmen, das ein oder mehrere der Niederschlagsteilchen durch Aufschlagen, insbesondere auf ein Gebäude oder einen anderen Gegenstand, beispielsweise ein Fahrzeug, hat bzw. haben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den beiliegenden Zeichnungen, die sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehen, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Niederschlagssensor in verschiedenen

Ansichten, und

Fig. 2 mittels des Niederschlagssensors nach Fig. 1 ermittelte Messergebnisse, Ein In Flg. 1 dargestellter Niederschlagssensor 1 umfasst eine achteckige Prallplatte 2 aus Polycarbonat, die an einer Halterung 6 festgeschraubt ist, welche die Prall- platte 2 zur Horizontalen geneigt hält. Auf einer Unterseite der Prallplatte 2 ist in senkrechter Projektion auf die PraÜpiatte 2 gesehen in der Mitte der Prallplatte 2 eine ebenfalls aus Polycarbonat gebildete Übertragungsplafte 5 befestigt. Auf der der Prallplatte 2 abgewandten Seite der Übertragungsplatte 5 ist ein platten- förmiger Piezowandler 3 angeordnet, der über hier nicht gezeigte Anschiuss- leitungen mit einer Auswerteeinrichtung 4 verbunden ist, welche Einrichtungen zu Datenfernübertragung aufweisen kann.

Die Auswerfeeinrichtung 4 ist dazu vorgesehen, eine Amplitudenanalyse sowie eine Frequenzanalyse mittels des Wandlers 3 erzeugter Signale durchzuführen. Die Amplitudenanalyse ist derart vorgesehen, dass sich kinetische Energien von Niederschlagsteilchen, die auf die Praliplatte 2 auftreffen, ermittein lassen. Ferner ist die Auswerteeinrichtung 4 zur Bestimmung einer Härte und/oder einer Dichte der auftreffenden Niederschlagsteilchen durch die Frequenzanalyse vorgesehen.

Beim Auftreffen der Niederschlagsfeiichen auf die Prallplatte 2 breiten sich jeweils vom Ort des Aufschiagens im Material der Praliplatte 2 Wellenberge bzw. Weiien- pakete aus, die sich in die Übertragungsplafte 5 und damit hin zu dem Piezowandler 3 fortsetzen.

Trifft ein Hagelkorn eines Durchmessers von 10 mm aus einer Fallhöhe von 1 m auf die Praliplatte 2, erzeugt der Piezowandler 3 aufgrund der hervorgerufenen Schwingung ein Messsignai, das in Fig. 2a gezeigt ist. Das in einem ersten, auf das Aufprallen folgenden Zeitintervall Ml erzeugte Messsignal liegt in einem Messbereich des Piezowandlers 3, in dem aus dem Messsignal korrekt eine kinetische Energie des Niederschlagsteilchens bestimmt werden kann. Mittels der

Amplitudenanalyse wird aus dem Messsignal aus dem Messintervall Ml die kinetische Energie des Hagelkorns ermittelt.

Trifft dagegen ein Hagelkorn eines Hagelkorndurchmessers von 45 mm aus derselben Fallhöhe wie oben genannt auf die Prallplatte 2, wird im Zeitintervall M l ein Messsignal erzeugt, dessen Intensität zur korrekten Ermittlung der kinetischen Energie aus dem Messsignal zu groß ist. In diesem Fall wird zur Ermittlung der kinetischen Energie ein Zeitintervall M2 herangezogen, das zu einem späteren Zeitpunkt beginnt als das Zeitintervall M l und zu dem die Schwingung bereits deutlich abgedämpft worden ist. Das Zeitintervall M2 beginnt zweckmäßiger Weise zumindest 10 ms nach dem Aufschlagen des Niederschlagsteilchens, wobei vorzugsweise zwischen dem Ende des Zeitintervalls Ml und dem Zeitintervall M2 ein zeitlicher Abstand von zumindest 5 ms liegt.

Trifft ein Hagelkorn auf die Prallplatte 2, das eine derart starke Schwingung verursacht, dass auch zu dem Zeitintervall M2 die Intensität der Schwingung zur korrekten Bestimmung der kinetischen Energie zu groß ist, wie hier anhand eines Hagelkorns mit einem Durchmesser von 80 mm bei gleicher Fallhöhe gezeigt, wird die kinetische Energie durch Frequenzanalyse des Signals in einem zeitlich nochmals später angeordneten Zeitintervall M3 ermittelt. Das Zeitintervall M3 endet vorzugsweise innerhalb von 150 ms nach dem Auftreffen des Hagelkorns.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Amplitudenanalyse und die Frequenzanalyse zur Ermittlung der kinetischen Energie kombiniert. Anhand der Informationen über die Dichte oder die Härte des Niederschlagsteilchens, die sich aus der Frequenzanalyse erhalten lassen, wird zur Bestimmung der kinetischen Energie berücksichtigt, dass durch Aufschlagen von Niederschlagsteilchen geringerer Dichte oder Härte ein Signal verursacht wird, das eine kleinere

Amplitude und eine kleinere Frequenz aufweist als ein von Niederschlagsteilchen größerer Dichte oder Härte verursachtes Signal. Dadurch kann die durch die Amplitudenanalyse gewonnene Information über die kinetische Energie weiter präzisiert werden.