Instrument to measure snow surface conditions has an infra red lamp and a sensor for reflected rays within a housing with a defined opening

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Korngrösse und der spezifischen Oberfläche von Schnee und ein Gerät hierfür.

[0002] Die wissenschaftliche Erfassung der Schneebeschaffenheit hat zunehmende Bedeutung auf den Gebieten der Lawinenforschung, der Glaziologie, der Meteorologie und Klimatologie sowie des Schneesports, der Schneeproduktion, als auch bei der Entwicklung und dem Testen von Winterreifen (Mobilität) gewonnen.

[0003] Für das Messen der Schneebeschaffenheit sind z.B. folgende Verfahren bekannt:
Messung der Temperatur nach bekannten Verfahren mit Thermometern oder Temperatur-Messfühlern oder berührungslos mit einem Pyrometer
Messung der Feuchtigkeit durch Pressen eines bestimmten Volumens oder mittels sogenannter dielektrischer Messverfahren (Zeitbereichsreflektometrie oder Leitfähigkeitsmessungen)
Messung des Gewichts bzw. des spezifischen Volumens mit bekannten Methoden
Messung der Albedo bzw. des Staubgehalts mit einem Pyrometer
Messung der Korngrösse mittels eines optischen Rasters und einer Lupe
Messung der Korngrösse mittels elektronischer Bildverarbeitung
Messung der Korngrösse durch Sieben
Messung der optischen Remission im spektralen Bereich des nahen Infrarot

[0004] Zur Erstellung von Schichtenfolgen, sogenannten Stratigraphien, und daraus ableitbaren Grössen, wie z.B. der Luftdurchlässigkeit und Wärmeleitfähigkeit, haben sich insbesondere die spezifische Oberfläche und die Korngrösse als ausschlaggebende Grössen erwiesen.

[0005] Darüber hinaus ist kürzlich festgestellt worden (Lukas Bäurle, "Sliding friction of polyethylene on snow and ice", Dissertation an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, Nr. 16517, 2006), einsehbar unter http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?type=diss&nr=16517), dass die spezifische Oberfläche einer der hauptsächlichen Faktoren für die Variabilität der Schneereibung bei Gleitern wie etwa Ski (Skiern), Snowboards, Schlitten oder Ähnlichem ist.

[0006] Die spezifische Oberfläche (Oberfläche der Eispartikel dividiert durch das Eisvolumen) steht in einem direkten mathematischen Zusammenhang zu der Korngrösse (Margret Matzl und Martin Schneebeli, Pre-Print for Journal of Glaciology, accepted 25. August 2006).

[0007] Traditionelle Methoden der Korngrössenbestimmung mittels eines optischen Rasters und einer Lupe sind ungenau.

[0008] Genaue Messungen der spezifischen Oberfläche bzw. der Korngrösse können derzeit durch
mikrotomographische Methoden (Martin Schneebeli und Sergey A. Sokratov in "Hydrological Processes", Hydrol. Process, 18, 3655-3655 (2004), online veröffentlicht in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com). DOI: 10.1002/hyp.5800)
oder durch die Adsorption von Gasen auf dem Eis, insbesondere Methan (Loïc Legagneux, Axel Cabanes und Florent Dominé "Measurement of the specific surface area of 176 snow samples using methane adsorption at 77 K", veröffentlicht am 12. September 2002 in Journal of Geophysical Research, Vol. 107, No. D17, 4335, doi: 10.1029/2001JD001016, 2002)
oder durch spektroskopische Methoden (Thomas H. Painter et al. "Contact spectroscopy for determination of stratigraphy of snow optical grain size", Journal of Glaciology, 2006, zum Zeitpunkt der Anmeldung in Druck befindlich)
sowie durch stereologische Messungen an Anschnitten von Schnee (Margret Matzl, "Quantifying the stratigraphy of snow profiles", Dissertation an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, 2006, einsehbar unter http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?tvpe=diss&nr=16570) durchgeführt werden.

[0009] Eine weitere Methode, die spezifische Oberfläche bzw. die Korngrösse zu bestimmen, basiert auf der sogenannten Remissionseigenschaft von Schnee. Unter Remission versteht man allgemein die Fähigkeit eines Körpers, elektromagnetische Wellen zu absorbieren, transmittieren und reflektieren. Dabei können die Reflexionen sowohl diffus als auch direkt sein. Im Falle von sichtbarem Licht wird, abhängig von der Grösse eines einzelnen Eiskornes, ein bestimmter Anteil des Lichts absorbiert, ein anderer transmittiert und wieder ein anderer (überwiegend diffus) reflektiert. Diese Eigenschaften des Eiskornes stehen jedoch mit dem Staubgehalt bzw. der Albedo des Eiskornes in Zusammenhang. Diese Variable wiederum macht Messungen im spektralen Bereich des sichtbaren Lichts unbestimmt.

[0010] Demzufolge hat man sich für die Messung der Remission im spektralen Bereich des nahen Infrarot (NIR) entschieden. Elektromagnetische Wellen aus diesem spektralen Bereich sind nämlich weitgehend unabhängig von Verschmutzungen bzw. den damit zusammenhängenden Reflexionseigenschaften. (Florent Dominé et al. "Correlation between the specific surface area and the short wave infrared (SWIR) reflectance of snow", Juni 2006, online verfügbar unter www.sciencedirect.com Cold Regions Science and Technology 46 (2006) 60-68.)

[0011] Die genannten Methoden können jedoch nicht in situ durchgeführt werden. Es ist vielmehr mit grossem Aufwand verbunden, Schneeproben gekühlt verpackt in ein gekühltes Labor zu transportieren. Spektroskopische Methoden, sofern sie in situ durchgeführt werden können, erfordern ein tragbares, hochauflösendes Spektrometer.

[0012] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit das Finden eines Verfahrens und eines Geräts zur Ausführung dieses Verfahrens, das zuverlässige und genaue Feldmessungen der spezifischen Oberfläche bzw. der Korngrösse von Schnee erlaubt.

[0013] Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand dieser Erfindung, nämlich ein Verfahren und ein In-situ-Messgerät (gemäss den unabhängigen Patentansprüchen), die - auf dem NIR-Remissionsverfahren basierend und zuverlässig - genaue Feldmessungen beispielsweise der spezifischen Oberfläche bzw. der Korngrösse von Schnee ermöglichen.

[0014] Die Erfinder erkannten, dass eine Messung der Reflexion von insbesondere im spektralen Bereich nahen Infrarots liegenden Lichts in ein tragbares Gerät integriert werden muss, wobei diese Messung einen Messwert zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche bzw. der Korngrösse von Schnee gibt. Dabei und im Folgenden soll der Begriff "Reflexion" diffuse und direkte Reflexion mit einschliessen, sofern nicht explizit anders festgestellt.

[0015] Der Bereich des nahen Infrarots (NIR) von 700-1400 nm (insbesondere von 950-1030 nm) wird auch deswegen bevorzugt, weil für diesen Spektralbereich sich das Remissionsvermögen von Schnee nur wenig mit der Wellenlänge ändert.

[0016] Die Methode, mit Hilfe der Reflexion bzw. Absorption von Infrarot-Strahlen eine Substanz in einer anderen zu messen, ist seit Langem bekannt. Am 22.09.1964 ist ein Patent US-3 150 264 erteilt worden, worin eine Vorrichtung zum Messen von Wasser in Papier offenbart ist. Das darin beschriebene Verfahren wird bei der Herstellung von Papier verwendet und basiert auf einem chemischen Nachweis der Wassermoleküle und nicht auf einer Analyse der geometrischen Eigenschaften des Trägermaterials.

[0017] Eine japanische Veröffentlichungsschrift JP-55 062 322 vom 10.05.1980 zeigt eine Vorrichtung zum Messen der diffusen Reflexion von Infrarotstrahlen einer in das Gerät eingeführten Probe, nicht Schnee. Die Messung geschieht spektrophotometrisch in einem geschlossenen System zwischen zwei Parabolspiegeln und optischen Linsen.

[0018] In einer am 28.03.1997 veröffentlichten japanischen Veröffentlichungsschrift JP-9 079 977 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der eine definiert bestimmte Schneemenge mit Infrarot bestrahlt wird. Basierend auf ihrer Reflektivität, wird der Wasserinhalt gemessen. Diese Vorrichtung ist wohl mobil, weil sie die Feuchtigkeit des Schnees während des Schneefalls messen kann. Sie ist jedoch nicht in der Lage, die spezifische Oberfläche oder die Korngrösse von Schnee zu messen.

[0019] Die Lösung der Aufgabe bestand in einer Kalibrierung - mittels bekannter Messverfahren - des Messens der Reflexion einer ausgesuchten Wellenlänge und der Korrelation dieser Messergebnisse zu bestimmten Korngrössen von Schnee sowie der Entwicklung eines zur Ausführung dieses Verfahrens geeigneten Geräts. Die technische Realisierung bestand in der Schaffung eines Geräts, das ausgesuchte Wellenlängen emittiert und mit einem offenen Hohlkörper, dessen offene Seite in Richtung des Schnees ausgerichtet wird. Vorzugsweise wird sie auf die zu untersuchende Schneeoberfläche aufgelegt. Die gemessenen Daten werden erfindungsgemäss in dem Gerät gespeichert, angezeigt oder an eine Zentralstation gesendet.

[0020] Die auf Seite 3, Zeilen 12-15 erwähnte spektroskopische Methode zur Bestimmung der Korngrösse von Schnee verwendet im Unterschied zu der erfindungsgemässen Methode einerseits ein Spektrometer und andererseits darüber hinaus eine Halogenleuchte mit einer spektral breitbandigen Beleuchtung.

[0021] Bei der vorliegenden Erfindung wird der Schnee nicht spektral analysiert, sondern erfindungsgemäss wird als Beleuchtungsquelle eine Licht emittierende Diode verwendet, die spektral schmalbandig im nahen Infrarot emittiert. Der Empfänger wiederum besteht aus einer spektral breitbandigen Fotodiode, die weiterhin erfindungsgemäss mit einer bandpassspezifischen Filterung sowie einer spezifischen Elektronik für das Infrarot-Licht der LED aufgrund der erfindungsgemässen Anordnung und Auswahl eine besonders hohe Empfindlichkeit aufweist.

[0022] Durch die erfindungsgemässe Anordnung der Infrarot-LED und der entsprechenden Fotodiode in dem Hohlkörper und dem Ausrichten dieses mit einer Öffnung versehenen Hohlkörpers in Richtung des Schnees, vorzugsweise durch Auflegen auf eine zu untersuchende Schneeoberfläche, wird die Korngrösse des Schnees in Abhängigkeit der Remissionseigenschaften der Schneeoberfläche gemessen.

[0023] Der offene Hohlkörper kann rund oder oval bzw. ellipsoid ausgestaltet sein, gemeinsam ist möglichen Ausgestaltungsvarianten, dass sie eine offene Seite aufweisen.

[0024] Die Innenseite des offenen Hohlkörpers ist hierfür mit einer Beschichtung versehen, die zeitbeständig ist und ein im Wesentlichen temperaturunabhängiges hohes Reflexionsvermögen aufweist. Das Reflexionsvermögung der Beschichtung ist bevorzugt isotrop und/oder im spektralen Bereich zwischen 700 und 1400 nm annähernd wellenlängenunabhängig und/oder in einem Bereich zwischen -40 und +50 Grad Celsius annähernd temperaturunabhängig.

[0025] Das Messsignal der Fotodiode wird an eine Elektronikeinheit weitergeleitet, wie im Folgenden beispielhaft beschrieben. Diese Elektronikeinheit besteht erfindungsgemäss aus einem Lock-in-Verstärker, einem Analog-Digital-Wandler und einem Mikrokontroller. Der Mikrokontroller wiederum versorgt vorzugsweise bidirektional einen Speicher zum Speichern der gemessenen Werte, er steuert ein Display für die Anzeige der gemessenen Werte und nimmt Steuerungsbefehle einer Tastatur entgegen. Die Tastatur ist vorzugsweise spritzwassergeschützt ausgestaltet.

[0026] Des Weiteren ist der Mikrokontroller erfindungsgemäss mit einer vorzugsweise integrierten Kommunikationseinrichtung versehen, die via einer eingebauten Funkantenne die gemessenen Werte an eine Zentralstation weiterleitet, die sich an einem anderen Ort befindet.

[0027] Weiterhin erfindungsgemäss ist eine Erfassung der GPS-Positionsdaten und deren Kopplung an das Funksignal, sodass jedem gemessenen Remissions-Wert eine exakte Messposition zugeordnet wird und im Bedarfsfall mitgesendet wird.

[0028] Das erfindungsgemässe Verfahren ist geeignet zur Erstellung eines Streckenprofils, beispielsweise einer Skirennstrecke, indem eine Vielzahl von Messungen unter Miterfassung der Positionsdaten vor Ort durchführbar ist.

[0029] Vorzugsweise ist das erfindungsgemässe Messgerät auch mit einem weiteren Sensor für eine Temperaturmessung ausgestattet, mit dem beispielsweise die Umgebungstemperatur des Schnees bzw. der Luft gemessen wird.

[0030] Das erfindungsgemässe Messgerät ist zur Durchführung von In-situ-Messungen tragbar ausgestaltet. Das Gehäuse ist vorzugsweise spritzwassergeschützt ausgestaltet und beinhaltet eine eigene Stromversorgung. Eine bevorzugte Ausgestaltung einer Stromversorgung besteht aus einem Akku, der mittels einer Photozelle, aber auch extern versorgt werden kann.

[0031] Für möglichst zuverlässige Messungen ist man auf glatte Schneeoberflächen angewiesen. Dieses ist durch die dem Fachmann bekannte komplexe bidirektionale Reflektivität des Schnees bedingt. Demzufolge sieht eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Messgeräts eine Auflagefläche vor, die einerseits durch ihre Materialbeschaffenheit verhindert, dass störende Reflexionen von ausserhalb des Bereichs der Messöffnung in den offenen Hohlkörper eintreten können, andererseits jedoch mit scharfkantigen Profilrillen ausgestattet ist. Dadurch kann durch ein Hin-und-Her-Bewegen des Messgeräts auf der Schneeoberfläche eine glatte Schneeoberfläche erzeugt werden.

[0032] Die Messöffnung, d.h. die offene Unterseite des offenen Hohlkörpers, hat eine definierte, d.h. unveränderbare Grösse. Eine weiterhin bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Messgeräts ist jedoch mit einer Blende versehen, die eine variable Messöffnung gewährleistet. Die gegebenenfalls vollständig schliessbare Blende dient dabei auch zum Schutz des Hohlkörpers bei Nichtgebrauch des Messgeräts.

[0033] Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Figuren und in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

[0034] Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.

[0035] Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert.

[0036] Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.

[0037] Es zeigen dabei

[0038] In Fig. 1 ist eine Schneeoberfläche 1 symbolisch dargestellt. Dem Prinzip der erfindungsgemässen Messung der Reflexionseigenschaften in Abhängigkeit der Schneekorngrösse folgend, ist ein Hohlkörper-Gehäuse 4 mit einer hohlförmigen Hohlkörper-Oberfläche 5 auf den Schnee 1 aufgelegt. Die Infrarot-LED 3 bestrahlt mit einem symbolisch dargestellten Infrarot-Strahl 14 die Schneeoberfläche 1. Der Begriff Strahl soll auch den Begriff Strahlenbündel umfassen. Der Messsensor 6 misst die Reflexion der Schneeoberfläche 1 mit einem wiederum nur symbolisch dargestellten Messstrahl 15. Damit der Messsensor 6 nicht direkt die Strahlung der Infrarot-LED 3 misst, ist in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Blende 22 zum Abschatten gegen direkte Einstrahlung von Infrarot-Licht der Infrarot-Lichtquelle 3 auf den Messsensor 6 angeordnet. Nicht dargestellt sind mögliche zusätzliche Blenden oder andere Abschattungen zur Verhinderung von direkten Reflexionen auf den Messsensor 6. Ausserdem kann auch der Messsensor 6 mit einer weiteren Blende oder einer speziellen Richtstrahlcharakteristik ausgestattet sein.

[0039] Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Messvorrichtung 2 auf einer Schneeoberfläche 1. Die Messvorrichtung 2 liegt hierbei mit einer Auflagefläche 23 auf, die mit einer Messöffnung 8 ausgestattet ist. Zwischen der Messöffnung 8 und dem Hohlkörper-Gehäuse 4 ist ein Filter 7 angeordnet. Das Hohlkörper-Gehäuse 4 ist, so wie in Fig. 1 dargestellt, in die Messvorrichtung 2 integriert. Der Messsensor 6 ist mit Verbindung 9 mit einer Elektronikeinheit 10 verbunden. Diese wiederum ist mit weiteren Verbindungen 11 mit einer an der Oberseite der Messvorrichtung 2 angeordneten Anzeige 12 und einer Tastatur 13 verbunden. Die Verbindungen 9 und 11 können Kabelleitungen oder auch kabellose Verbindungen, z.B. Bluetooth-Verbindungen, sein.

[0040] In Fig. 3 ist die Elektronikeinheit 10 aus Fig. 2schematisch dargestellt. Die Infrarot-Lichtquelle 3 strahlt über den Schnee indirekt diffus auf den Messsensor 6. Dieser leitet sein Empfangssignal an einen Lock-in-Verstärker 16, dessen analoger Wert mittels eines Analog-Digital-Wandlers 17 in einen digitalen Wert umgewandelt wird. Dieser Wert wird an einen Mikrokontroller 18 weitergegeben, welcher einerseits bidirektional mit einem Speicher 19 verbunden ist. Andererseits ist der Mikrokontroller 18 mit einer Anzeige 12 und einer Tastatur 13 verbunden. Des Weiteren steuert der Mikrokontroller 18 eine Kommunikationseinrichtung 20 mit einer Antenne 21 an.

Bezugszeichenliste

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