Akustische Messung von Niederschlag durch Schwingungen von Regentropfen
Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT in Ilmenau und die Pan Acoustics GmbH aus Wolfenbüttel haben eine innovative, wartungsarme Sensorik zur lokalen Erfassung von Niederschlag entwickelt und erfolgreich getestet. Ziel ist es, die Messung von Regenmengen durch die Analyse von Schwingungen an Oberflächen, beispielsweise Photovoltaikmodulen, zu ermöglichen.
Funktionsprinzip und Entwicklung
Wenn Regentropfen auf eine Oberfläche treffen, erzeugen sie mechanische Schwingungen. Diese werden von Körperschallsensoren erfasst und mittels Machine-Learning-Modellen ausgewertet, um die Niederschlagsintensität zu bestimmen. Die Sensoren zeichnen sich durch einen energieeffizienten Betrieb und den Verzicht auf bewegliche Bauteile aus, was ihre Langlebigkeit und Wartungsarmut erhöht.
Im Rahmen des Forschungsprojekts „lokalRAIN“ wurden die Messsysteme zunächst im Labor unter einem Regensimulator sowie anschließend unter realen Wetterbedingungen an verschiedenen Standorten erprobt. Dort wurden die akustischen Messdaten mit Referenzwerten abgeglichen, um die Algorithmen zu trainieren und zu validieren.
Praxisnahe Anwendung und Vernetzung
- Die Auswertung der Sensordaten erfolgt lokal auf energieeffizienten Mikrocontrollern, wodurch nur komprimierte Ergebnisse per Funk übertragen werden müssen.
- Pan Acoustics entwickelte eine eigene Hard- und Softwarelösung für die Funkübertragung, mit Reichweiten von bis zu 4 km in städtischen und über 35 km in ländlichen Gebieten.
- Die gesammelten Daten verschiedener Messpunkte werden in einer zentralen Infrastruktur des Fraunhofer IDMT zusammengeführt und analysiert.
Ergebnisse und Genauigkeit
Die Messungen zeigen, dass die Niederschlagsintensität anhand der Schwingungen von Photovoltaikmodulen zuverlässig ermittelt werden kann. Im Bereich von 2 bis 5 mm Niederschlag pro Stunde lag die mittlere absolute Abweichung bei 1,88 mm/h, was der Genauigkeitsklasse C der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) entspricht. Diese Klasse erlaubt eine maximale Abweichung von 2 mm/h.
Der wissenschaftliche Leiter des Projekts, Jakob Bergner, betont, dass die Machbarkeit insbesondere für leichten Regen nachgewiesen wurde. Weitere Daten zu Starkregenereignissen sollen erhoben werden, um das Verfahren für unterschiedliche Bedingungen zu optimieren.
Zukünftige Anwendungen und Pilotprojekte
Das Fraunhofer IDMT sucht derzeit Praxispartner, um die Sensorik in weiteren Pilotinstallationen unter verschiedenen Einsatzbedingungen zu testen und weiterzuentwickeln. Ziel ist es, ein dichtes Messnetz zu etablieren, das lokale Niederschlagsunterschiede besser erfasst, besonders bei Starkregenereignissen, die räumlich stark variieren können.
Mögliche Anwendungsbereiche umfassen:
- Integration in digitale Stadtmodelle (Urban Digital Twins) zur räumlichen Visualisierung von Niederschlagsdaten
- Unterstützung kommunaler Leitstellen und Infrastrukturbetreiber bei der schnellen Lagebewertung und Maßnahmenplanung
- Planung und Risikobewertung von Entwässerungssystemen und Überschwemmungsschutz
- Basis für Risikoanalysen und Schadensbewertungen in der Versicherungswirtschaft
- Ergänzung von Wettervorhersagemodellen durch zusätzliche lokale Messdaten
- Bedarfsgerechte Bewässerung in der Landwirtschaft, insbesondere im Bereich Agri-Photovoltaik
Weiterentwicklung und Serienreife
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei höheren Niederschlagsintensitäten werden weitere Datenerhebungen und Analysen durchgeführt. Parallel dazu sind zusätzliche Pilotinstallationen geplant, um die Praxistauglichkeit unter verschiedenen Bedingungen zu demonstrieren. Erste Interessensbekundungen liegen bereits von kommunalen Infrastrukturbetreibern und Feuerwehren vor.
Für die Serienfertigung werden Sensorgehäuse und Elektronik weiter optimiert, die Qualitätssicherung erweitert und die Voraussetzungen für eine CE-Kennzeichnung geschaffen.
Informationen zum Forschungsprojekt „lokalRAIN“
Das Projekt „lokalRAIN – Lokale Regenmessung mit Akustischer Sensorik in IoT-Netzwerken“ wurde von Oktober 2024 bis Juni 2026 durchgeführt. Partner waren das Fraunhofer IDMT und die Pan Acoustics GmbH. Die Finanzierung erfolgte im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Förderkennzeichen KK5048507RL4.
Über die Pan Acoustics GmbH
Die Pan Acoustics GmbH mit Sitz in Wolfenbüttel entwickelt seit über 20 Jahren digitale, vernetzte Lautsprechersysteme „Made in Germany“. Die Produkte finden Anwendung in Bereichen wie Evakuierung, Konferenztechnik und Medientechnik. Das Unternehmen legt besonderen Wert auf Klangqualität, Zuverlässigkeit, intelligente Technologien und nachhaltige Produktion. Kunden aus Kultur, Bildung, Industrie und öffentlichen Einrichtungen weltweit nutzen die Lösungen von Pan Acoustics.
Kontakt
Jakob Bergner
E-Mail: jakob.bergner@idmt.fraunhofer.de
Weiterführende Informationen
Pressemitteilung Fraunhofer IDMT zur akustischen Niederschlagsmessung
