Glossar / FAQ / LexikonTHERMACERN(R): Die neue Methode zur Niederschlagsanalyse

Mit THERMACERN(R) bezeichnen wir eine neue Technologie zur Analyse von fest-flüssigem Niederschlag, deren Analyseumfang weit über herkömmliche Eisdetektoren hinausgeht. Die Technologie ermöglicht eine genaue Unterscheidung und Quantifizierung von Niederschlagsereignissen im Übergangsbereich von fester und flüssiger Phase, wie z.B. bei unterkühlten Niederschlägen, Schneeregen, überfrierender Nässe und Blitzeis. Die Neuheit besteht in der systematischen Auswertung der mit den Phasenübergängen einhergehenden Wärmeströmen. Herkömmliche Eisdetektoren verwenden als Messprinzip (nur) die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften von Wasser und Eis oder die Masseänderung durch anhaftendes Eis.

THERMACERN(R), integraler Bestandteil zahlreicher Thies CLIMA Messinstrumente
Die Basiskomponente von THERMACERN(R) ist in zahlreichen Thies Produkten enthalten und aufgrund ihrer blauen Glasoberfläche leicht erkennbar. Im Precipitation Analyzer (5.4107.xx.xxx) haben wir die volle Funktionalität von THERMACERN(R) zum Leben erweckt, in der Wetterstation Compact WSC11 (4.9056.10.000) , WSC Advanced , im ClimaSensor US und Niederschlagswächter sind jeweils ausgewählte Funktionen umgesetzt.

THERMACERN(R) lässt sich aufgrund der blauen Oberfläche leicht erkennen, von links: WSC11 , Clima Sensor US , WSC Advanced , WSC Agrar (neu, in Kürze verfügbar), Precipitation Analyser .

Temperatur- und Frequenzmessung:
Die Sensoroberfläche besteht aus einem wärmeleitenden, keramischen Werkstoff, auf dessen Rückseite Temperatursensoren aufgebracht sind. Zudem ist der Sensor als elektrischer Schwingkreis ausgeführt, wobei die Sensoroberfläche eine von der Benetzung abhängige Kapazität bildet.

Folgende Messprinzipien kommen zur Anwendung:
- Detektion charakteristischer Temperaturspitzen‎‎‎‎, ‎die beim Gefrieren von Wasser aufgrund der freigesetzten Kristallisationswärme entstehen.‎
- Änderung der dielektrischen Eigenschaften von Wasser und Eis‎‎: ‎Diese Eigenschaften dienen zur Unterscheidung von festen und flüssigen Benetzungen der Oberfläche.
- Messung der Sensorkapazität‎: die Sensorkapazität hängt sowohl von der Benetzung der Sensoroberfläche als auch vom benetzenden Wasser- und Eisanteil ab. Mit T‎HERMACERN(R) lassen sich feste und flüssige Benetzungen sicher unterscheiden.‎‎

Mit THERMACERN(R) lassen sich eine Vielzahl von Niederschlagsereignissen und deren Intensität detektieren:
- Unterkühlter Nebel (FZFG)
- Unterkühlter Sprühregen (FZDZ)
- Unterkühlter Regen (FZRA)
- Unterkühlte Gischt (Freezing Spray)
- Black Ice‎
- Sprühregen, Regen, Schneeregen, Graupel, Tau, Raureif

Verhalten unterkühlter Tropfen auf THERMACERN(R) bei Kristallisation (Abbildung links)
Schematische Darstellung des thermischen Zustands kurz nach dem Auftreffen eines (großen) unterkühlten Tropfens auf die THERMACERN(R) Sensorplatte. Im Moment des Aufpralls steigt die Tropfentemperatur aufgrund von Kristallisation schlagartig auf den Gefrierpunkt an. Es bildet sich eine dendritische Kristallstruktur im Tropfen aus, die die Wärmeleitfähigkeit des Tropfens vervierfacht. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit ist der Temperaturgradient innerhalb des Tropfens gering. Der Temperaturgradient zwischen dem 0° warmen Tropfen und der kälteren Sensoroberfläche bildet sich deshalb direkt an der Sensoroberfläche, weshalb der Wärmestrom in das Substrat hoch ist. Es lassen sich deshalb steile, deutlich ‎erkennbaren Temperaturspitzen detektieren. Da ein kristallisierender Tropfen einen lokalen Wärmepunkt bildet, wird der Temperaturanstieg von den Temperatursensoren je nach Abstand des Tropfens zu‎ den Temperatursensoren zeitlich versetzt erfasst. Im Gegensatz dazu wirkt sich ein Temperaturanstieg aufgrund von Sonneneinstrahlung auf alle Sensoren gleichzeitig aus (hier nicht abgebildet).‎‎‎‎‎‎‎‎‎

Verhalten unterkühlter Tropfen auf THERMACERN(R) ohne Kristallisation (Abbildung rechts)
Schematische Darstellung des thermischen Zustands, wenn ein kleiner unterkühlter Tropfen auf die Sensorplatte trifft. Bei gefrierendem Nieselregen (FZDZ) oder gefrierendem Nebel (FZFG) kommt es nicht zur Kristallisation, wenn die kinetische Energie des Tropfens beim Auftreffen auf die Oberfläche zu gering ist. Die Tropfen bleiben unterkühlt auf der Sensoroberfläche stehen. Da keine Kristallisationswärme freigesetzt wird, kommt es zu keinem Wärmestrom in das Substrat, es treten keine Temperaturspitzen auf. Da es jederzeit zur Kristallisation kommen kann, ist die Gefahr, die von (zunächst) nicht-kristallisierenden unterkühlten Flüssigkeiten ausgeht genauso groß wie die von sofort kristallisierenden Niederschlägen. Mit THERMACERN(R) lässt sich auch nicht-kristallisiertes unterkühltes Wasser nachweisen. Denn die dielektrischen Eigenschaft entspricht in diesem Fall nicht der von Eis sondern unverändert der von Wasser, obwohl die Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt.

Verhalten unterkühlter Tropfen auf THERMACERN(R), mit (Abb. links) und ohne Kristallisation (Abb. rechts).

Die Anwendungsbereiche von THERMACERN(R) sind vielfältig und umfassen:
- Gebäudeleittechnik
- Flughäfen, ermöglicht vollständige automatische METAR-Codierung durch die Erkennung von unterkühltem Niederschlag (FZFG, FZDZ, FZRA) und anderen gefährlichen Phasenwechseln, wichtige Daten für die Berechnung der Holdover-Zeit auf Flughäfen
- Schifffahrt, Erkennung von Freezing Spray in Salzwasser- und Süßwasser-Situationen auf See
- Energie: Rechtzeitige Vereisungswarnung ermöglicht den Schutz von Windkraftanlagen und Stromtrassen vor strukturellen Schäden.
- Straßenverkehr: Sichere Verkehrswege - THERMACERN(R) ermöglicht die rechtzeitige Warnung vor Vereisungsgefahren auf Straßen und Brücken, insbesondere bei Blitzeis.
- Meteorologische Netze‎‎
- Div. industrielle Applikationen: Prozesstechnische Maschinen und Anlagen beispielsweise in der Chemie- und Prozessindustrie oder agrartechnisches Equipment

Im Gegensatz zu herkömmlichen Eisdetektoren
bietet THERMACERN(R) eine präzisere Analyse und Unterscheidung von Niederschlagsereignissen, einschließlich unterkühlter Niederschläge. Durch die genaue Erfassung von Benetzungsphasen und Phasenänderungen bietet THERMACERN(R) ein völlig neues Analysewerkzeug zur Bewertung von Wetterphänomenen.

Als Thies-Produkt wie auch als industrielle Komponente mit Design-In Support
THERMACERN(R) ist eine innovative Technologie, die sowohl in hauseigenen Produkten wie auch als Komponente in Produkten industrieller Drittanwender verfügbar ist. Durch die Integration von THERMACERN(R) in unsere hauseigenen Produkte bieten wir unseren Kunden eine kompakte Niederschlagsanalysefunktion, die bei minimaler Leistungsaufnahme umfassende und zuverlässige Ergebnisse liefert. Wir bieten THERMACERN(R) zudem als Komponente mit Design-in Support für industrielle Anwendungen an. Einsatzgebiete von THERMACERN(R) sind prozesstechnische Maschinen und Anlagen beispielsweise in der Chemie- und Prozessindustrie oder agrartechnisches Equipment. Anwendern bietet sich auf diese Weise die Chance, Geräte in kurzer Zeit mit umfassender Funktionalität zu Benetzungszuständen, Phasenzuständen und Phasenübergängen aufzuwerten.


Produkte mit THERMACERN(R): Thies CLIMA Niederschlagsmessgeräte, Kombigeräte und Wetterstationen:
WSC 11
Clima Sensor US
Precipitation Analyzer
NEU: WSC Advanced & WSC Agrar

als Merkmal unterkühlter Niederschläge

K3T1 = Temperaturmessstelle 1 unter Keramik 3.
K3T2 = Temperaturmessstelle 2 unter Keramik 3.
T_ext = Außentemperatur bzw. Lufttemperatur
Freq 3 = Frequenz von Keramik 3

In der Keramik sind Spikes an der Temperaturmessstelle 3 und 2 erkennbar (gelbe und orangene Kurve).