Titelaufnahme

Titel
Zusammenbau und vorläufige Evaluierung eines low-cost Blitzortungssensors / von Hans-Gottfried Michael Ritzer
VerfasserRitzer, Hans-Gottfried Michael
Begutachter / BegutachterinGawlik, Wolfgang ; Diendorfer, Gerhard
Erschienen2015
UmfangII, 132 S. : Ill., graph. Darst., Kt.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Blitzortung / Blitz / Gewitter
Schlagwörter (EN)Lightning detection / Lightning / Thunderstorm
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-66643 Persistent Identifier (URN)
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Zusammenbau und vorläufige Evaluierung eines low-cost Blitzortungssensors [14.42 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Blitze zählen zu den alltäglichsten, aber auch eindrucksvollsten und faszinierendsten Naturereignissen. Von diesem gewaltigen Naturphänomen in den Bann gezogen, beschäftigten sich im Laufe der Zeit viele Naturwissenschaftler damit, Blitze zu verstehen, sich effektiv vor den Auswirkungen von Blitzeinschlägen zu schützen und Blitze zu orten. Besonders die Blitzortung, das Wissen über die Anzahl, den Zeitpunkt und den Ort, scheint immer wieder die Begeisterung von Wissenschaftlern und Ingenieuren zu wecken. Neben professionellen und kommerziellen Blitzortungssystemen gibt es auch private und nicht-kommerziell betriebene Blitzortungssysteme. Bei allen Blitzortungssystemen stellt sich dabei immer die Frage nach deren Ortungsgenauigkeit und deren Ortungseffektivität, d.h. inwieweit tatsächlich alle Blitzentladungen oder nur ein prozentualer Anteil geortet werden. In dieser Arbeit wurde ein kostengünstiger Blitzortungssensor, entwickelt und betrieben von Blitzortung.org, zusammengebaut und auf seine Leistungsfähigkeit getestet. Blitzortung.org ist eine via Internet vernetzte Gruppe privater Personen, die ein nicht-kommerzielles Blitzortungssystem betreibt. Der betreffende Sensor kann nicht als fertiges Produkt erworben werden. Die als Bausatz angebotenen Teile müssen von den Teilnehmern dieses Ortungsnetzwerks selbst zusammengebaut werden. In einem ersten Schritt wurden also alle zum Bau des Sensors notwendigen Bauteile und Komponenten beschafft, der Sensor aufgebaut und schließlich auf seine grundsätzliche Funktion getestet. Es hat sich gezeigt, dass für den kompletten Aufbau des Sensors schon ein unerwartet hohes Maß an technischem und handwerklichem Geschick erforderlich ist. Nach Vorliegen eines technisch funktionsfähigen Sensors wurden in einem zweiten Schritt die mit dem Sensor aufgezeichneten Blitzdaten mit den Blitzdaten des österreichischen Blitzortungs- und Blitzinformationssystems ALDIS verglichen und analysiert. Da beide Systeme mittels GPS zeitsynchronisiert sind, ist eine direkte und eindeutige Zuordnung der einzelnen Blitzentladungen (Strokes) grundsätzlich möglich. Die dazu notwendigen Softwarewerkzeuge (z.B. Mitlesen und Konvertieren der Sensormeldungen) wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Der Sensor erfasste zwar Blitze bis zu einer Entfernung von 900 km, lieferte jedoch nur Meldungen für etwa 20% der von ALDIS georteten Blitze. Die Leistungsfähigkeit des Sensors hing natürlich von der Einstellung des Sensors und der Gewitteraktivität (Entfernung und Intensität) ab. Der Sensor arbeitete in einer Entfernung von 50 bis 250km zum Standort am besten. In diesem Entfernungsbereich wurden ca. 60% der von ALDIS georteten Blitze auch vom Testsensor erfasst. Die meisten georteten Blitze waren relativ stromschwach mit einer Stromstärke zwischen 5 und 20 kA. Neben einer direkten Gegenüberstellung der Sensordaten mit den ALDIS Ortungsdaten wurde auch ein erster Vergleich der von Blitzortung.org georteten Entladungen und den von ALDIS georteten Entladungen für einen Gewittertag in Österreich gemacht. Dabei zeigte die graphische Darstellung der gesamten Gewittersituation auf den ersten Blick kaum Unterschiede. Erst beim Vergleich der einzelnen zeitlich korrelierten Entladungen waren deutliche Unterschiede feststellbar. Nur 11% der ALDIS Entladungen konnte eine zeitgleiche Entladung in den Daten von Blitzortung.org zugeordnet werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Lightning discharges are daily phenomena, yet, certainly incredibly powerful and fascinating. Fascinated by this powerful phenomenon, many scientists have engaged in understanding lightning discharges, in lightning protection and in lightning detection, in the course of time. In particular, the detection of lightning discharges, knowing the quantity, knowing the impact time and knowing the source location, seems to arouse the interest of many scientists and engineers again and again. Beside professional and commercial lightning detection systems, there are also private and non-commercial lightning detection systems. For all types of lightning locating systems there is always the question about their location accuracy and their detection efficiency in terms of the percentage of the detected lightning relative to the lightning that occurred in nature. In this thesis a low-cost lightning detection sensor, developed and operated by Blitzortung. org, was assembled, tested and analysed regarding the sensor performance. Blitzortung. org is a private internet community operating a low-cost and non-commercial lightning detection network. The sensor cannot be purchased but needs to be assembled by the members of the community. The main and specific components are offered as a starter kit to the members by the community. In a first step we have organized all necessary components, assembled the sensor and performed initial technical tests of functionality. Obviously, assembling the sensor requires relatively advanced technical and electronic skills, much more than you can expect from a typical layman. After completion of the sensor hardware we have compared and analysed in a second step the sensor reported lightning data with the data of the Austrian lightning detection and information system ALDIS. Both systems are GPS time synchronized and we could search for time matched events based on the GPS timestamp. We have developed tools necessary for this task, such as a tool to readout and convert the data stream sent by the sensor to the central server in hexadecimal format. The detection range of the sensor was up to a distance of 900 km, but only for about 20% of the strokes located by ALDIS we could find a time correlated message delivered by the sensor. However, the sensor performance depends on the gain and threshold settings and the thunderstorm activity (distance of the storm to the sensor and flash rate). Within a distance range of 50 to 250km from the sensor site the sensor reported with best performance and stroke-reports for about 60% of the strokes located by ALDIS were received. Most of the reported strokes were low-current strokes with peak currents between 5 and 20 kA. In addition to the sensor evaluation we have also made a direct comparison of the resulting lightning stroke data provided by Blitzortung.org and ALDIS for one thunderstorm day in Austria. Although the overall lightning activity displayed on a geographical map looked more or less similar for both networks, we observed significant differences in the two data sets when comparing them stroke by stroke. Only for 11% of the ALDIS reported strokes (CG and CC) we could find a time correlated stroke in the Blitzortung.org data set.