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Dokumentenidentifikation DE4440389A1 15.05.1996
Titel Kombinationssensor zur Erfassung atmosphärischer Größen insbesondere zur Diagnose von Vereisungs- und Windbelastung technischer Objekte
Anmelder Werner, Julius, Pof. Dr., 48159 Münster, DE
Erfinder Werner, Julius, Pof. Dr., 48159 Münster, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Münich, Rösler, Steinmann, 80689 München
DE-Anmeldedatum 11.11.1994
DE-Aktenzeichen 4440389
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse G01W 1/00
IPC-Nebenklasse G01N 27/22   G01P 5/02   G01P 13/02   
Zusammenfassung Beschrieben wird ein Sensor zur Erfassung von atmosphärischen Größen, insbesondere zur Belastungsmessung von technischen Objekten insbesondere von Hochspannungs-Freileitungen und/oder Windkraftanlagen sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Eis- und Windbelastung technischer Objekte.
Die Erfindung zeichnet sich durch die Kombination mindestens eines zur Umgebung mindestens teilweise offenen Kondensators für die Bestimmung des Aggregatzustandes des Dielektrikums in diesem Kondensator und Mitteln zur Auslenkungsmessung mindestens eines beweglichen Teiles des Sensors zur Bestimmung der Windstärke und/oder Windrichtung aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
- Messung der Kapazität von mindestens einem ersten Kondensator, der wenigstens zum Teil offen zur Umgebung ist, zur Bestimmung der Eisbelastung,
- Messung der Auslenkung eines windempfindlichen Teiles des Sensors, womit die Windstärke bzw. die Windrichtung bestimmt wird,
- Vergleich der ermittelten Kapazität aus mindestens dem ersten Kondensator mit der Auslenkung auf Übereinstimmung der ermittelten Windrichtungen, und
- Wiederholung der Messungen, um aus der Varianz der Windstärken die Böigkeit des Windes zu bestimmen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Erfassung atmosphärischer Größen, insbesondere zur Belastungsmessung von technischen Objekten, insbesondere von technischen Bauwerken wie z. B. Hochspannungs-Freileitungen, Windkraftanlagen, Sendemasten, Brückenbauwerke, Kräne und sonstige Verlade-/Montage-Vorrichtungen, Radarstationen der Flugsicherung, Anlagen insbesondere der chemischen Industrie usw. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Bestimmung der Eis- und Windbelastung von technischen Objekten.

Winterliche Vereisungen, speziell die Vereisungen gespannter Seile, können in Verbindung mit böigem Starkwind zu kritischen Zuständen entsprechender technischer Bauwerke wie z. B. Brücken, Sendemasten, Hochspannungs- Freileitungen oder Windkraftanlagen führen. Gerade bei Hochspannungs-Freileitungen kommt es bei bestimmten Voraussetzungen zu dem sogenannten "Seiltanzen". Dieses führt eventuell zu Kurzschlußschäden.

In der Druckschrift "Konzeption eines Frühwarnsystems zum Seiltanzen an Hochspannungsleitungen" von N. Allnoch, C. Jürdens, H.-C. Müller und J. Werner in Elektrizitätswirtschaft, 1993, S. 468-476 wird ein Versuch beschrieben, die in einigen Wetterstationen gemessenen meteorologischen Daten derart auszuwerten, daß eine Frühwarnung bei Seiltanzgefahr von Hochspannungsfreileitungen möglich ist. Dieses Frühwarnsystem ist allerdings nicht sicher, da die relevanten meteorologischen Daten nicht direkt an den Hochspannungstrassen gewonnen werden.

Durch Laboruntersuchungen ist festgestellt worden, daß sich die Vertikalschwingungen eines Rohre s durch Rückkopplung dann aufschaukeln, wenn dieses Rohr einen elliptischen Querschnitt hat und ein turbulenter Luftstrom beaufschlagt wird. Die Kombination von Vertikal- und Drehschwingungen, die nicht bei Rohren mit einem kreisförmigen Querschnitt auftreten sondern bevorzugt bei Rohren mit elliptischem Querschnitt, führen zu der genannten Rückkopplung.

Das sogenannte "Seiltanzen" von z. B. Hochspannungs- Freileitungen läßt sich auf diese Weise erklären, wenn berücksichtigt wird, daß sich bei entsprechendem Wind der Eisbeschlag typischerweise auf der Luvseite von den Leitungen befindet.

Eine Vorrichtung zum Feststellen der Vereisung einer Oberfläche eines Gegenstandes ist aus der DE-PS 26 40 349 bekannt. Eine gattungsähnliche Druckschrift ist die DE-PS 32 37 244. Aus diesen Druckschriften ist es bekannt, Kondensatoren zur Bestimmung des Aggregatzustandes von Wasser zwischen den Elektroden der Kondensatoren zu benutzen, um damit beispielsweise Eis zu detektieren. Aus diesen Druckschriften kann allerdings keine Vorrichtung entnommen werden, mit der z. B. die luvseitige Eisbelastung von technischen Objekten in Kombination mit der Windbelastung erfaßt werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Erfassung von meteorologischen Daten insbesondere zur Belastungsmessung von technischen Objekten sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Eis- und Windbelastung von diesen Objekten anzugeben.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Lösung geht davon aus, daß Belastungen von technischen Objekten im wesentlichen dann auftreten, wenn die Objekte zumindest luvseitig vereist sind und gleichzeitig ein mäßiger bis starker Wind herrscht, wobei bei Böigkeit die Objekte noch stärker belastet werden.

Die Kraftwerkswirtschaft benötigt z. B. Vorschläge zur Installation eines speziellen Meßnetzes im Bereich besonders "Seiltanz"-gefährdeter Hochspannungsleitungstrassen, dessen gewonnene Informationen z. B. per Datenfernübertragung das Entstehen von kritischen Zuständen, wie z. B. luvseitige Eisbelastung mit böigem Wind, rechtzeitig erkennen lassen. Um Kurzschlüsse durch "Seiltanzen zu verhindern, könnten dann Lastumverteilungen auf andere Trassen oder ähnliches vorgenommen werden. Die in dem Meßnetz verwendeten Sensoren sollten dabei möglichst wartungsfrei arbeiten.

Käme es bei der Belastung von technischen Bauwerken lediglich auf die kritische Windsituation an, so könnte hier z. B. auch mit Ultraschall-Anemometern wartungsfrei und ohne bewegbare Teile gearbeitet werden. Bei Vereisung hingegen stellt dieser Sensortyp seine Funktion jedoch mehr oder weniger undefiniert ein.

Erfindungsgemäß wird ein Sensor bzw. ein Kombinationssensor vorgesehen, der die Prognose und Indikation von im wesentlichen gleichzeitigen Belastungen bzw. Gefährdungen technischer Objekte insbesondere technischer Bauwerke, durch Eisansatz sowie Starkwind bzw. Böen erlaubt.

Als technische Objekte kommen hier in erster Linie aufragende Stahlkonstruktionen wie z. B. Sendemasten, Brückenbauwerke, Kräne und sonstige Verlade- bzw. Montagevorrichtungen, Radarstationen der Flugsicherung, Windkraftwerke, Anlagen insbesondere der chemischen Industrie und Hochspannungs-Freileitungen in Frage.

Als Belastungen werden insbesondere luvseitige Eisansätze gesehen, die in Verbindung mit Winddruck und Sturmböen kritische Schwingungen verursachen können, wobei es z. B. zu einem Eisabwurf oder zu dem befürchteten "Seiltanzen" kommen kann.

Erfindungsgemäß ist also ein Sensor vorgesehen, mit dem atmosphärische Größen wie luvseitige Eisansätze und Winddruck bestimmt werden können. Dies wird gemäß Anspruch 1 durch die Kombination mindestens eines zur Umgebung mindestens teilweise offenen Kondensators für die Bestimmung des Aggregatzustandes des Dielektrikums in diesem Kondensator und Mitteln zur Auslenkungsmessung mindestens eines beweglichen Teiles des Sensors zur Bestimmung der Windstärke und Windrichtungen ermöglicht.

Das Dielektrikum, das sich in dem teilweise offenen Kondensator befinden kann, ist z. B. Luft, Wasser oder Eis. Die Kondensatoren zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Dielektrikums, also insbesondere zur Erkennung von Eis, sind einerseits offen, um überhaupt die Möglichkeit zu schaffen, daß Eis bzw. Wasser in den Zwischenraum des Kondensators gelangen kann und um andererseits die Möglichkeit zu schaffen, daß bei entsprechendem Wind etwaiges Wasser, das sich im Kondensator befindet, herausgeblasen wird. Durch geschickte Ausgestaltungen der bzw. des verwendeten Kondensators können auch Wasserbrücken verhindert werden.

Die Windstärke kann durch die Auslenkung eines beweglichen Teiles des Sensors bestimmt werden. Dazu ist gemäß Anspruch 2 eine kapazitive Auslenkungsmessung vorgesehen. Wird gemäß Anspruch 3 mindestens ein Plattenkondensator verwendet, bei dem entweder ein Dielektrikum zwischen die Platten geschoben wird, wobei die Länge des in den Plattenkondensator geschobenen Dielektrikums mit der Windstärke korreliert oder aber mindestens eine Platte eines Plattenkondensators selbst mit dem beweglichen Teil des Sensors verbunden ist, wobei je nach Windstärke der Plattenabstand des Kondensators variiert wird, so wird die Windstärke anhand der sich ändernden Kapazität bzw. Induktivität der Plattenkondensatoren bestimmt.

Werden gemäß Anspruch 4 zwei im wesentlichen senkrecht zueinander orientierte Plattenkondensatoren verwendet, so kann der Sensor auch bei verschiedenen Windrichtungen verwendet werden. Es ist dann sogar gemäß Anspruch 6 möglich, eine ungefähre Windrichtung anzugeben. Um die gewonnenen Meßwerte nicht zu verfälschen, sollten die Kondensatoren derart angeordnet sein, daß möglichst wenig Feuchtigkeit in die Kondensatoren gelangen kann. Dabei wäre eine Einkapselung der Kondensatoren in dem Sensor denkbar. Es erscheint zweckmäßig, als Dielektrikum Luft zu verwenden. Es sind natürlich auch weitere Kondensatoren denkbar, die im wesentlichen einen gleichen Winkelabstand haben. Je mehr Kondensatoren verwendet werden, um so genauer ist es möglich, die Windrichtung anzugeben.

Um die Bestimmung der Windrichtung weiterhin nicht zu verfälschen, sollten die Eigenschwingungen des Sensors oder von Teilen des Sensors, mit denen z. B. die Windstärke gemessen werden kann, gedämpft werden. Dieses geschieht typischerweise durch Verwendung von Dämpfungskörpern, die sich zumindest teilweise in einer Flüssigkeit mit hoher Viskosität befinden.

Um die Aggregatzustände von Dielektrika in Kondensatoren zu bestimmen, die in der Atmosphäre typischerweise auftreten, sind die Dielektrizitätszahlen von Luft, Eis und Wasser von besonderer Bedeutung. Die ungefähren Dielektrizitätszahlen sind jeweils für Luft 1,0, für Eis 3,2 und für Wasser 81,1. Damit ist klar, daß die Kapazität bzw. Impedanz eines Kondensators mit dem Dielektrikum Luft wesentlich anders ist als diejenige von einem gleichen Kondensator mit dem Dielektrikum Eis.

Das Erkennen von Eis als Dielektrikum ist unter anderem auch dadurch möglich, daß die Kapazitätserhöhung bei gleichzeitig böigem Starkwind mit einer Windgeschwindigkeit von z. B. mehr als 10 m/s im wesentlichen luvseitig erfolgt. Deshalb ist es sinnvoll gemäß Anspruch 8, mindestens drei Kondensatoren zur Bestimmung der Aggregatzustände der Dielektrika in den zur Umgebung mindestens teilweise offenen Kondensatoren zu verwenden.

Im Falle einer Wasserbenetzung stellen sich z. B. im wesentlichen dünne Filme ein, die vergleichsweise symmetrisch über den gesamten Sensor verteilt sind. Damit würden sich die Kapazitäten bzw. Impedanzen der verwendeten Kondensatoren gleichmäßig erhöhen. Wird hingegen luvseitig Eis in die Kondensatoren eingebracht, so ändern sich lediglich die Kapazitäten der Kondensatoren, die dem Wind zugewandt sind. Die verwendeten Kondensatoren können also auch dazu verwendet werden, die wesentliche Windrichtung zu bestimmen.

Um die Genauigkeit der Bestimmung der Windrichtung zu erhöhen, können gemäß Anspruch 9 auch mehr als drei Kondensatoren verwendet werden. Als optimale Anzahl von Kondensatoren bezüglich Kosten/Nutzen haben sich gemäß Anspruch 10 sechs Kondensatoren ergeben.

Da sich die Dielektrizitätszahlen von z. B. Eis für verschiedene Frequenzen ändern können und auch die allgemein erhältlichen elektronischen Bauelemente bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich gut funktionieren, unterschiedlich viel Energie aufnehmen und auch unterschiedlich teuer sind, ist es sinnvoll, die Kapazität in einem Frequenzbereich zwischen 5 kHz und 50 MHz zu messen.

Das zu bestimmende Dielektrikum besteht natürlich zumindest teilweise aus Luft, Wasser und/oder Eis.

Erfindungsgemäß soll der beanspruchte Sensor zur Messung der luvseitigen Eisbelastung und der Windbelastung von technischen Objekten und insbesondere von Hochspannungs-Freileitungen und/oder Windkraftanlagen verwendet werden. Der erfindungsgemäße Sensor soll natürlich auch zur Frühwarnung bei entsprechender Eis- und Windbelastung verwendet werden. Dabei ergibt die Kombination von Vereisung, Sturm und Böigkeit nach entsprechender Berechnung einen kritischen Parameter. Sobald dieser kritische Parameter überschritten ist, kann eine Frühwarnung stattfinden.

Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Bestimmung der Eis- und Windbelastung von technischen Objekten und insbesondere von Hochspannungs-Freileitungen und/oder Windkraftanlagen mit einem Sensor bzw. Kombinationssensor entsprechend Anspruch 15 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

  • - Die Kapazität von mindestens einem ersten Kondensator, der wenigstens zum Teil offen zur Umgebung ist wird zur Bestimmung der Eisbelastung gemessen;
  • - die Auslenkung mindestens eines windempfindlichen Teiles des Sensors, deren Betrag mit der Windstärke bzw. der Windrichtung korreliert ist, wird gemessen;
  • - die ermittelte Kapazität und die Auslenkung werden auf Übereinstimmung der jeweils ermittelten Windrichtungen verglichen und
  • - die Messungen werden wiederholt, um aus der Varianz der Windstärken die Böigkeit des Windes zu bestimmen.


Die Auslenkungsmessung mindestens eines windempfindlichen Teiles des Sensors, mit der die Windstärke bzw. Windrichtung bestimmt wird kann mit mindestens einem zweiten Kondensator erfolgen, wobei die Auslenkung eine Änderung der Abstände mindestens zweier Kondensatorplatten oder die Änderung der Menge eines Dielektrikums im Kondensator und damit eine Änderung der Kapazität mindestens des zweiten Kondensators hervorruft. Wenn die Auslenkung durch mindestens den zweiten Plattenkondensator gemessen wird, dann werden natürlich die Kapazitäten der ersten und zweiten Kondensatoren auf Übereinstimmung geprüft, d. h. es wird überprüft, ob die Eisbeschlagsseite des Sensors, durch die die vorherrschende Windrichtung bestimmt werden kann, mit der Auslenkungsrichtung zumindest eines beweglichen Teiles des Sensors im wesentlichen übereinstimmt.

Die Kombination der Bestimmung der luvseitigen Eisbelastung mit der Windbelastung ermöglicht eine relativ genaue Bestimmung der Belastung von technischen Objekten. Ist die die Objekte gefährdende Windrichtung durch die Lage der Objekte bekannt, so kann durch die Bestimmung der Windrichtung schon eine Vorabentscheidung über die Gefährdung von Objekten, die in einer gewissen Himmelsrichtung ausgerichtet sind, gegeben werden.

Der Vergleich der gemessenen Windrichtungen mit den ersten und zweiten Kondensatoren verringert weiterhin eine mögliche Fehlerursache, die z. B. dadurch entstehen kann, daß z. B. Fäkalien von Vögeln auf den ersten Kondensator treffen, der teilweise zur Umgebung offen ist. In einem solchen Fall ist es wahrscheinlich, daß die ermittelten Windrichtungen aus den ersten und zweiten Kondensatoren nicht übereinstimmen.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensorkopf, und

Fig. 2 eine seitliche Ansicht eines Querschnittes eines erfindungsgemäßen Sensors.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder entsprechende Teile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensorkopf, der sechs Kondensatoren aufweist. Jeder Kondensator besteht z. B. aus einer innenliegenden Kondensatorplatte 4 und einem oder zwei außenliegenden Drähten 3. Innerhalb des Sensorkopfes 14 ist Platz für eine zur Messung der jeweiligen Kapazitäten benötigten Elektronik 5.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor 1, der einen Sensorkopf, wie in Fig. 1 gezeigt, und Mittel zur Halterung des Sensorkopfes aufweist.

Der Sensorkopf der in dieser Ausführungsform beschrieben wird, hat Halterungen 13, an denen die Kondensatordrähte 3 befestigt sind. Am Sensorkopf 14 ist eine Kondensatorplatte 6a befestigt. Der Sensorkopf 14 wird selbst durch ein federndes Zentralrohr 9 am Basisflansch 10 befestigt.

Der gesamte Sensor kann beispielsweise an einer Bodenplatte 11 befestigt sein. Sollte der Sensor auf z. B. einen Mast in beispielsweise 10-50 m Höhe angebracht werdend so sind auch weitere Befestigungsmöglichkeiten vorgesehen.

An dem federnden Zentralrohr 9 sind Widerstandskörper 16 angebracht. Die Widerstandskörper 16 befinden sich zum Teil in einem Behältnis 7, das zumindest teilweise mit einer hochviskosen Flüssigkeit wie Öl gefüllt ist. Das Behältnis 7 wird durch ein starres Mantelrohr 8 und einen damit verbundenen Zylinder 17 sowie z. B. einem Kreisring oder offenem Rechteck 18 gebildet. Mit dem starren Mantelrohr 8 ist auch elektrisch isolierend eine Kondensatorplatte 6b verbunden. Die Kondensatorplatte 6a ist im übrigen auch isoliert mit dem Sensorkopf 14 verbunden.

Drückt nun ein Wind 15 gegen den Sensor 1, insbesondere den Sensorkopf 14, so wird der Sensorkopf aufgrund der Verbindung zum federnden Zentralrohr 9 aus der zentralen Lage ausgelenkt. Damit ändert sich der Abstand der Kondensatorplatten 6a und 6b, womit sich auch die Kapazität bzw. die Impedanz des durch die Kondensatorplatten 6a und 6b gebildeten Kondensators ändert. Je stärker nun der Wind ist, um so größer ist die Änderung der Kapazität bzw. Impedanz des Kondensators.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden sowohl luvseitige Eisansätze, als auch seitliche Auslenkung des Sensorkopfes durch Starkwind und Böen kapazitiv gemessen. Etwaige Eigenschwingungen werden durch die Widerstandskörper 16, die sich zumindest teilweise im Öl gefüllten Behältnis 7 befinden, gedämpft. Die sechs Kondensatoren 2, die sich im Sensorkopf 14 befinden, können seitliche Vereisungen des Sensorkopfes 14 dickenproportional als Kapazitätserhöhung messen.

Der Plattenabstand der als Platten fungierenden Drahtpaare 3 und Bleche bzw. Platten 4 beträgt z. B. 6 mm, wovon z. B. 5 mm als Luftspalt außen liegen und durch Eis mehr oder weniger ausgefüllt werden können. Etwaige durch Regentropfen entstehende Wasserbrücken sind bei der gezeigten Geometrie weitgehend ausgeschlossen, da das sich in den Luftspalten ansammelnde Wasser durch Wind weggeblasen wird.

Es könnte ferner von Vorteil sein, den Eisanfall im MHz-Bereich zu messen, da sich Eis verglichen mit Wasser in diesen Frequenzbereichen völlig von Wasser unterscheidet und somit vom Sensor in Bezug seine dielektrische Eigenschaft gut von Wasser unterschieden werden kann. Um bei der Kapazitätserhöhung durch Eisansatz als Meßeffekt mindestens einen Faktor von 2-3 zu erreichen, was einem Anwachsen von ca. 4 µF bei Luft auf maximal 10 µF bei Eis entspricht, erscheint es zweckmäßig, bei einer Dielektrizitätszahl von 3,2 für Eis zu messen. Dem entsprechen Frequenzen von ungefähr 100 kHz und mehr. Für kleinere Frequenzen wächst die Dielektrizitätszahl von Eis auf bis zu ungefähr 100. Dieses ist bei Frequenzen, die kleiner als 5 kHz sind gegeben. In diesem Fall läßt sich das Dielektrikum Eis nicht mehr ohne weiteres vom Dielektrikum Wasser unterscheiden. Für einen Zwischenbereich einer Frequenz von ungefähr 50 kHz funktioniert die vorgestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors allerdings immer noch gut. Ein Rückgriff auf stromsparende Standard-Baukreise, die bei ca. 58 kHz arbeiten, ist damit möglich.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 werden sechs Kondensatoren zur richtungsabhängigen Vereisungsanalyse und zwei Kondensatoren zur richtungsabhängigen Wind/Böigkeitsanalyse verwendet. Die Elektronik 5, die bequem im Sensorkopf 14 Platz hat, fragt die acht Meßkanäle z. B. im 5-Sekundenrhythmus ab. Die Meßwerte können dann auf einen Logger gespeichert oder fernübertragen werden. Die Kapazitäten liegen je nach Kanal zwischen z. B. 2 und 60 pF.

Da der Sensor auf einem Mast zwischen etwa 10 und 50 m über Grund eingenordet montiert wird, läßt die gewählte sechseckige Ausführung Rückschlüsse auf die Haupt- Vereisungsrichtung und damit auch auf die Windrichtung im Bereich von etwa ±30° zu.

Bei Einordnung zeigt das eine Plattenpaar (z. B. 6a und 6b) des einen Kondensators zur richtungsabhängigen Wind-/Böigkeitsanalyse in Nord-Süd-Richtung, während das dazu senkrecht bzw. im wesentlichen senkrecht angeordnete Plattenpaar des anderen Kondensators in West- Ost-Richtung zeigt. Aus den Kapazitätsänderungen dieser beiden Plattenpaare lassen sich aufgrund des Vorzeichens und des Betrage s der Kapazitätsänderungen bzw. Impedanzänderungen auch Zwischenrichtungen analysieren. Die Software kann die so bestimmten Richtungen mit den unabhängig davon ermittelten Anströmungsrichtungen, die aus den Kapazitätsmessungen der ersten sechs Kondensatoren ermittelt werden, vergleichen und auf Plausibilität prüfen. Der verwendeten Software ist es weiterhin möglich, die Nichtlinearität zwischen den Auslenkungsbeträgen und den Kapazitätsänderungen der Kondensatoren zur richtungsabhängigen Wind- und Böigkeitsanalyse reproduzierbar zu linearisieren. Als Maß für die Windstärke kann der richtungsspezifisch linearisierte Mittelwert der bestimmten Kapazitäten und als Maß für die Böigkeit die Streuung der angezeigten Kapazitäten während eines vorgegebenen Meßzeitraumes genommen werden.

Die Verknüpfung von Vereisungsbeträgen und -richtungen mit den jeweiligen richtungsspezifischen Windgeschwindigkeiten und Windböigkeiten als Maß für die zu erwartenden bzw. vorliegenden Belastungen technischer Objekte wird durch entsprechende Formeln von der Software nach Bestimmung der spezifischen Parameter berechnet. Die bestimmten Belastungs- bzw. Gefährdungsparameter können entweder vor Ort gespeichert und angezeigt werden, beispielsweise durch einen optischen Warnhinweis wie "Vorsicht: EISSCHLAG" oder zu Leitstellen fernübertragen werden. Die Versorgung der Elektronik und die Datenübertragung findet über Anschlußkabel 12 statt.

Bezugszeichenliste

1 Sensor

2 Kondensator zur richtungsabhängigen Vereisungsanalyse

3 Draht bzw. Drahtpaar

4 Platte bzw. Blech

5 Elektronik

6a Kondensatorplatte

6b Kondensatorplatte - 6a und 6b zeigen einen von zwei Kondensatoren zur richtungsabhängigen Wind- und Böigkeitsanalyse

7 Behältnis

8 starres Mantelrohr

9 federndes Zentralrohr

10 Basisflansch

11 Bodenplatte

12 Anschlußkabel für die Stromversorgung und Datenübertragung

13 Halterung für den Draht bzw. das Drahtpaar 3

14 Sensorkopf

15 Wind

16 Widerstandskörper

17 Zylinder

18 Kreisring


Anspruch[de]
  1. 1. Sensor zur Erfassung von atmosphärischen Größen insbesondere zur Belastungsmessung von technischen Objekten insbesondere von Hochspannungs-Freileitungen und/oder Windkraftanlagen, gekennzeichnet durch die Kombination mindestens eines zur Umgebung mindestens teilweise offenen Kondensators für die Bestimmung des Aggregatzustandes des Dielektrikums in diesem Kondensator und Mitteln zur Auslenkungsmessung mindestens eines beweglichen Teiles des Sensors zur Bestimmung der Windstärke und/oder Windrichtung.
  2. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkungsmessung kapazitiv erfolgt.
  3. 3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Plattenkondensator verwendet wird.
  4. 4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im wesentlichen senkrecht zueinander orientierte Plattenkondensatoren verwendet werden.
  5. 5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum Luft verwendet wird.
  6. 6. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Plattenkondensatoren zur windrichtungsspezifischen horizontalen Auslenkungsmessung verwendet werden.
  7. 7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die Eigenschwingungen des Sensors oder von Teilen des Sensors dämpfen.
  8. 8. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 3 Kondensatoren zur Bestimmung der Aggregatzustände der Dielektrika in den zur Umgebung mindestens teilweise offenen Kondensatoren verwendet werden.
  9. 9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 4 und 8 Kondensatoren verwendet werden.
  10. 10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß 6 Kondensatoren zur Bestimmung der Aggregatzustände der Dielektrika in den Kondensatoren verwendet werden.
  11. 11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsmessungen bei Frequenzen durchgeführt werden, die zwischen 5 kHz und 50 MHz liegen.
  12. 12. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bestimmende Dielektrikum Luft, Wasser und/oder Eis ist oder mindestens teilweise aus diesen Bestandteilen besteht.
  13. 13. Verwendung mindestens eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Messung der luvseitigen Eisbelastung und der Windbelastung von technischen Objekten und insbesondere von Hochspannungs-Freileitungen und/oder Windkraftanlagen.
  14. 14. Verwendung des Sensors nach Anspruch 13 zur Frühwarnung bei entsprechender Eis- und Windbelastung.
  15. 15. Verfahren zur Bestimmung der Eis- und Windbelastung von technischen Objekten und insbesondere von Hochspannungs-Freileitungen und/oder Windkraftanlagen mit einem Sensor bzw. Kombinationssensor, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    1. - Messung der Kapazität von mindestens einem ersten Kondensator, der wenigstens zum Teil offen zur Umgebung ist, zur Bestimmung der Eisbelastung,
    2. - Messung der Auslenkung mindestens eines windempfindlichen Teiles des Sensors, womit die Windstärke bzw. die Windrichtung bestimmt wird,
    3. - Vergleich der ermittelten Kapazität aus mindestens dem ersten Kondensator mit der Auslenkung auf Übereinstimmung der ermittelten Windrichtungen, und
    4. - Wiederholung der Messungen, um aus der Varianz der Windstärken die Böigkeit des Windes zu bestimmen.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des windempfindlichen Teiles des Sensors eine Änderung der Abstände mindestens zweier Kondensatorplatten oder die Änderung der Menge eines in den Kondensator einführbaren Dielektrikums und damit eine Änderung der Kapazität mindestens eines zweiten Kondensators hervorruft.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Kapazitäten der ersten und zweiten Kondensatoren zur Überprüfung der Übereinstimmung der ermittelten Windrichtungen genutzt werden.






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