DE2114260A1 - Verfahren zur Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von Regenintensitaeten und Regenspenden - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von Regenintensitäten und Regenspenden.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten Messung von Regenintensitäten und Regenspenden.
• Bei der Bemessung von Abwassertransporteinrichtungen, wie Kanalisationen in offener und geschlossener Bauart, sowie zur Auslegung von Fördereinrichtungen und zur Inhaltsbestimmung von Regenspeicheranlagen richten sich deren Abmessungen nach der abzuführenden oder abgeführten Niederschlagsmenge und deren Zulaufdauer.
• Unter Regenspeicher sind auch solche Einrichtungen zu verstehen, welchen Niederschläge durch Bachläufe zugeführt werden, z.B. Talsperren.
• Die Niederschlagsmenge qO eines Regens, welche in der Zeiteinheit T auf eine beregnete Fläche F niedergeht, beträgt Formel 1 q0 =r T = F . N Die einen Regen kennzeichnende Größe r errechnet sich aus Formel 1 zu Formel 2 r = F . N/T und wird in der Literatur üblich als Regenspende bezeichnet.
• In den vorstehenden Formeln bedeuten: r = Regenspende F = BeregnungsSläche N = Niederschlagshöhe T = Beregnungsdauer.
• Wird eine beregnete Einheitsfläche zu 1,0 ha angenommen, so entfallen auf diese Einheitsfläche lo.ooo ltr. pro l,o mm Niederschlagshöhe, bei einer Regenhöhe von N mrn entsprechend N . 10.000 1o.ooo ltr. pro ha. Ublich wird die Regendauer T in Minuten gemessen, die Regenspende hingegen auf die Zeit in Sekunden bezogen. Hieraus beträgt die Regenspende r = 10.000 T = 16667 N (mm) Formel 3 60 T T (min) Das Verhältnis N kennzeichnet die Heftigkeit, mit welcher der Niederschlag erfolgt und wird auch als Intensität i bezeichnet. Hiermit kann Formel 3 auch geschrieben werden als Formel 4 r = 166,67 . i <sek.,ha ) Wie aus Formel 4 hervorgeht, steht die Regenspende r proportional zur Regenintensität i. Die Intensität i ist die entscheidende Größe für Bemessungen, denn es ist wesentlich, in welcher Zeit T ein Niederschlag N gefallen ist.
• Für den Planenden ist es wichtig zu wissen, von welcher Intensität beobachtete Niederschläge sind oder waren, um hieraus zutreffende Bemessungsgrößen abzuleiten. Bei den bisher gebräuchlichen Verfahren wird lediglich die Niederschlagshöhe N in mm entweder in Auf fanggefäßen gemessen oder mit bekannten Regenmessern nach "Hellmann" registriert.
• Bei den registrierenden Geräten nach "Hellmann" wird nach Fig. 1 die Regenhöhe N in mm in ihrem zeitlichen Ablauf als Kurve (1) der Funktion N = f(T) auf aufgezeichnet.
• Bei diesen Diagrammen nach Fig. 1 ist die Steigung der Kurve zu einem Zeitpunkt Ti ein Maß für die Regenintensität. Es gilt für einen Kurvenpunkt i = tang d #mT (( mm 3 Die Auswertung von Fig. 1 entsprechenden Regenaufzeichnungen nach Regenintensitäten ist außerordentlich mühsam und zeitaufwendig, da die Intensität i während eines Regens häufig wechselt und die untersuchten Intervalle zur Erzielung einer brauchbaren Genauigkeit sehr klein sein müssen. Das wird besonders deutlich, wenn bedacht wird, daß ein Kalenderjahr durchschnittlich bis zu 200 Einzelregen aufweist und ein Regen oft bis zu 30 untersehiedliche Intensitäten aufweisen kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit Regenintensitäten und / oder Regenspenden auf direktem Wege gemessen und kontinuierlich registriert werden können.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das auf eine vorgegebene Beregnungsfläche fallende Wasser einem mit einer Ausflußöffnung versehenen Meßbehälter zugeführt wird, in welchem sich Regenwasser sammelt, dessen Steighöhe z im Meßbehälter zur unmittelbaren Messung der Regenintensität i und / oder der Regenspende r verwendet wird. Regenintensität i und Regenspende r sind dabei proportional zur Wurzel aus der Steighöhe z.
• Nach einem Merkmal der Erfindung können die Messwerte der Regenintensität i und / oder der Regenspende r direkt von der Steighöhe z ablesbar sein. Zur Fernübertragung der Steighöhe z sowie der Meßwerte i und /- oder r werden diese erfindungsgemäß mittels eines elektrischen Kondensators in entsprechende elektrische Analoggrößen übergeführt, wobei die elektrische Kapazität des Kondensators von der Steighöhe z des im Meßbehälter befindlichen Regenwassers verändert wird.
• Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß eine den Regen auffangende Beregnungsfläche einer bestimmten Größe über eine Leitung mit dem unteren Teil eines Meßbehälters verbunden ist, dessen Boden eine Ausflußöffnung einer bestimmten &uerschnittsfläche aufweist.
• Die Erfindung sei anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 als Stand der Technik die mit einem "Hellmann- -Regenmesser erhaltene Regenhöhenkurve, bei welcher die Regenhöhe N in mm über der Zeit T in Minuten aufgetragen ist; Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur unmittelbaren Messung von Regenintensitäten und / oder Regenspenden und Fig. 3 auf der linken Bildhälfte die graphische Darstellung der Funktionen i proportional bzw. r proportional und auf der rechten Bildhälfte die metallische Wirkfläche der Fig. 2 in einem in eine Ebene ausgebreiteten Zustand.
• Bei Zuflüssen, welche größer als das Abflußvermögen der Bodenöffnung (4) des Meßbehälters (2) nach Fig. 2 sind, steigt der Flüssigkeitsspiegel im Meßzylinder bis zu einer Beharrungslage oder Steighöhe z an, die ein direktes Maß für die Regenintensität ist, denn für die Beharrungslage des Flüssigkeitsspiegels gilt die Gleichgewichtsbeziehung Formel 5 qzufluß = q abfluß Der Zufluß errechnet sich aus der Beziehung 5a) qzufluß - r . A Der Abfluß errechnet sich für die Bodenöffnung zu 5b) qabfluß Formel 5 geht durch Gleichsetzen von Formeln 5a und über in Formel 6 Mit r = 166,67 i (Formel 4) wird und man erhält für die Regenintensität i damit Formel 7 In den vorstehenden Formeln bedeuten: r = Regenspende A = Auffangfläche = = Formbeiwert der Bodenöffnung (4) f = Fläche der Bodenöffnung (4) g = Gravitationskonstante (9,81 m/s2) K = Beiwert, gebildet aus i = Regenintensität, = gesuchte Größe z = Steighöhe im Meßbehälter (2).
• Am Meßbehälter (2) kann für Ablesezwecke eine Skala (5) angebracht sein, welche eine der Formel 4 oder Formel 7 entsprechende nicht lineare Teilung hat und eine Ablesung 1tr in den Einheiten r( s.ha ) oder i (min) ermöglicht.
• min Bei entfernt liegenden oder schlecht zugänglichen Beobachtungsstationen ist es wünschenswert, wenn die Meßwerte r und i fernübertragbar sind.
• Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal wird daher vorgeschlagen, die Meßwerte r und i in elektrische Analoggrößen zu überführen, welche auf Entfernungen verlustfrei übertragbar sind. Um dies zu erreichen, wird auf den Außenumfang des Meßbehälters (2), welcher vorteilhaft aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff bestehet, eine metallische Wirkfläche (6) aufgebracht, welche mit dem Meßbehälterinhalt (14) unter einer angelegten Meßwechselspannung eines Oszillators (7) einen Kondensator bildet. Die Änderung der Kapazität wird durch die aufgefangene Niederschlagsmenge erzeugt, welche in dem Meßbehälter jeweils unterschiedlich hoch ansteigt.
• Durch eine besondere Formgebung der Wirkfläche (6) wird erreicht; dat der funkionelle Zusammenhang von r = f bzw. i = f(z) linearisiert wird. Es ist jedoch auch möglich, daß- nur die unterschiedlichen Steighöhen z in eine elektrische Analoggröße überführt werden. Die zugehörigen Werte r und i müssen dann aus Tabellen oder Kurven ermittelt werden.
• Zur Fernübertragung der Meßwerte r, i oder z wird der Oszillator (7) mit einem kapazitiven Transmitter (8) verbunden, an welchen Anzeige- und sonstige Auswertgeräte (lo), (11) und (12) anschließbar sind. Da die Werte r und i funktionell mit der Steighöhe z verknüpft sind, wird die Begrenzungsfunktion der Wirkfläche (6) aus der 1. Funktionsableitung der Formel 7 gewonnen. Diese Begrenzungsfunktion errechnet sich hieraus zu Formel 8 und stellt eine semiquadratische Hyperbel (13) dar, die in Fig. ), rechte Bildhälfte, wiedergegeben ist.
• Für den Wert z = Null liefert die Funktion nach Formel 8 den Wert i'=rc. Da der Umfang des Meßbehälters, z.B. eines Meßzylinders mit &m Durchmesser D, endlich begrenzt ist, wird vorteilhaft im unteren Meßbereich ein Flächenausgleich (9) nach Fig. 3 vorgenommen.
• Die Messung beginnt dann ab der Steighöhe zO und läßt als unteren Meßwert imin - zu.
• Wenn nur die Steighöhe z übertragen werden soll, besitzt die metallische Wirkfläche eine gleichbleibende Breite über die gesamte Meßhöhe.
• Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal wird vorgeschlagen, die Meßvorrichtung derart über einem "Hellmannschen Regenhöhenmesser lt anzuordnen, daß diesem die Abflüsse aus dem Meßbehälter (2) zufließen. Auf diese Weise werden im oberen Teil der Vorrichtung die Regenspende r bzw. Intensität i erhalten und im unteren Teil die Niederschlagshöhen N gemessen. In diesem Falle müßte die Größe der Auffangfläche A 200 cm betragen.
• Um eine absolut sichere Aussage über die Zusammenhänge von Regenintensität, Niederschlagsmenge und Abflußmenge zu erhalten, ist eine synchrone Messung dieser verschiedenen Größen von Vorteil. Nach einem erfindungsgemäßen Merkmal wird daher vorgeschlagen, elektrische Analogwerte dieser Meßgrößen synchron auf einer gemeinsamen Schreibstreifenanlage (Mehrfarbenschreiber) zu registrieren. Eine Auswertung der Meßwerte liefert dann genaue Aussagen über die Regendichte und das Abflußverhalten eines beregneten Gebietes.
• Auf die Erzeugung eines elektrischen Analogwertes in Abf lußkanälen mittels kapazitiver Methode wird auf die dem Deutschen Patentamt vorliegende Patentanmeldung P 20 60 568.9 vom 9.12.1970 verwiesen.

Claims (17)

1. Ansprüche

   Verfahren zur unmittelbaren Messung von Regenintensitäten und Regenspenden, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das auf eine vorgegebene Beregnungsfläche fallende Wasser einem mit einer Ausflußöffnung versehenen Meßbehälter zugeführt wird, in welchem sich Regenwasser sammelt, dessen Steighöhe (z) im Meßbehälter zur unmittelbaren Messung der Regenintensität (i) und/oder der Regenspende (r) verwendet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß Regenintensität (i) und Regenspende (r) proportional zur Wurzel aus der Steighöhe (z) sind 5.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Meßwerte der Regenintensität (i) und/oder der Regenspende (r) direkt von der Steighöhe (z) ablesbar sind.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Fernübertragung der Steighöhe (z) sowie der Meßwerte (i) und/oder r diese mittels eines elektrischen Kondensators in entsprechende elektrische Analoggrößen übergeführt werden, wobei die elektrische Kapazität des Kondensators von der Steighöhe (z) des im Meßbehälter befindlichen Regenwassers verändert wird.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß eine den Regen auffangende Beregnungsfläche ()) der Größe (A) über eine Leitung mit dem unteren Teil eines Meßbehälters (2) verbunden ist, dessen Boden eine Ausflußöffnung (4) der Querschnittsfläche (f) aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n nz e i c hn e t, daß zur unmittelbaren Ablesung der Regenintensität (i) und/oder Regenspende (r) aus der Steighöhe (z) der im Meßbehälter (2) befindlichen Niederschlagsflüssigkeit (14) am Meßbehälter (2), der vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoff besteht, mindestens eine Skala (5) angeordnet ist, deren Skalenteilung nicht linear ist, sondern der Funktion entspricht.
7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Querschnitte der Auffangiläche (5), des Meßbehälters (2) und der Ausflußöffnung (4) vorzugsweise rund sind.
8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei gegebenem Durchmesser (D) des Meßbehälters (2) durch eine Veränderung des Verhältnisses der Auffangfläche (3) zur Ausflußöffnung (4) die Auflösung der Meßwerte (i) (r) und der Meßbereich der Steighöhe (z) veränderbar sind.
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf dem Außenumfang des Meßbehälters (2) eine metallische Wirkfläche (6) aufgebracht ist, welche mit dem im Meßbehälter (2) befindlichen Regenwasser (14) unter angelegter Meßwechselspannung einen elektrischen Kondensator bildet.
10. lo. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die metallische Wirkfläche (6) über die ganze Höhe des Meßbehälters (2) eine gleichmäßige Breite hat, so daß die Kapazität des elektrischen Kondensators der Steighöhe (z) des im Meßbehälter (2) befindlichen Regenwassers (14) proportional ist.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die metallische Wirkfläche- (6) an einer Höhenseite eine gekrümmte Begrenzungskurve hat, die eine semiquadratische Hyperbel (13) darstellt der Funktion wobei worin f = Querschnittsfläche der Bodenöffnung (4) Formbeiwert der Bodenöffnung (4) g = Gravitationskonstante (9,81 m/s2) A = Auffangfläche des Regenniederschlages bedeuten, do daß die Kapazität deselektrischen Kondensators der Regenintensität (i) bzw. der Regenspende (r) proportional ist und unmittelbar auf Geräten linearer Teilung zur Anzeige gebracht werden kann.
12. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Werkstoff des Meßbehälters (2) als Dielektrikum des Kondensators aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff mit stabilen dielektrischen Eigenschaften besteht.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die metallische Wirkfläche (6) des Meßbehälters (2) mit einem die Meßwechselspannung des Kondensators erzeugenden Oszillator (7) verbunden ist, wobei die elektrischen Analoggrößen (i) und (r) von einem mit dem Oszillator (7) in Verbindung stehenden Transmitter (8) über größere Entfernungen auf Anzeige- und Auswertgeräte (lo, 11) linearer Teilung übertragen werden.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß durch Zwischenschaltung von Grenzwertgebern Zähleinrichtungen (12) angesteuert sind, welche aie Häufigkeiten von Regenintensitäten (i) oder Regenspenden (r) registrieren.
15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie unmittelbar über einem "Hellmannschen Regenhöhenschreiber" angeordnet ist, wobei der Abfluß aus der Bodenöffnung (4) des Meßbehälters (2) dem Hellmann-Gerät zugeführt wird.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Auffangbehälter des 'tHellmann-Gerätes" aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff besteht und daß der Meßwert der Niederschlagshöhe (N) kapazitiv erzeugt als elektrische Analoggröße auf elektrischen Meßgeräten zur Anzeige gebracht wird.
17. 17. Vorrichtung nach den Ansprechen 15 und 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß kapazitiv erzeugte, elektrische Analogwerte von Regenintensitäts-, Niederschlagshöhen- und Abflußmessungen synchron auf einer gemeinsamen SchreibstreiCenanlage aufgezeichnet sind.

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