CN106081047A - 一种可定点监测的探空气球 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可定点监测的探空气球，包括充有氢气和氦气的气囊，还包括充气放气组件、侧向推力组件和动力补偿组件、高度传感器和控制器，控制器内集成有GPS定位模块，控制器分别与高度传感器、充气放气组件和动力补偿组件连接。与现有技术相比，本发明的有益效果是：克服了探空气球在升空过程中，球内压力越来越大，容易炸裂的缺陷，在探空气球回收过程中，为探空气球提供补偿动力，防止坠毁，另外，高度传感器可以辅助控制探空气球所在的高度，GPS定位模块可以精确定位探空气球。

Description

一种可定点监测的探空气球

技术领域

本发明属于气象设备领域，涉及一种可定点监测的探空气球。

背景技术

高空气象探测是通过探空气球携带的探空仪进行高空气象数据采集，探空气球通过采用氢气或者氦气作为填充气体；

中国除香港一个气象台站外（进口芬兰vaisala公司AUTOSONDE系统），所有的高空气象探测侧台站，探空气球的充气，均为手工操作。世界上也只有欧美等少数几个发达国家配备了无人高空气象探测站。到目前为止，能研制出大气探测自动充、放气球装置的国家只有芬兰。要实现无人高空气象探测，首先要解决的不仅是探空气球自动充气，同时还有探空气球的自动恒压排气；

探空气球是人类研究平流层的重要工具，在气象学发展和天气预报工作中起到了重要作用；探空气球一般携带各类无线电探空仪或其他电子设备升空，在做到探空气球自动充气的同时，也要做到探空气球的自动排气限高和限速；

因为在大气环境中，特别是高空，其气压大小和气流是及其不稳定的，探空气球内的气体压力也比较高，加上探空气球本身充气后，气囊壁面会比较薄，如果气球在一直上升过程中，不对气球内气压进行调整的话，很容易因为气压变化过大而发生破裂，导致探空仪等贵重电子设备的损坏，甚至会发生无法回收的情况，同时探空气球在释放到空中后，如果通过调整气压对探空气球的浮力进行调整，会发生探空气球一直上升的情况，如果不加以控制，很难保证气球位于最佳的观测高度，同时如果气球一直上升，最后不仅会导致探空气球的破裂，同时因为高空气流速度较快，也很容易发生探空气球的丢失；为了防止上述情况的发生，一般会在探空气球内安装一个与电子高度计联动的泄压阀，对气球的压力进行控制；

ZL201220732719.0中提到了一种可回收的探空气球，其回收防止主要是通过细绳控制其活动范围，虽然通过细绳可以良好的限制探空气球的高度，但也极大的限制了探空气球的活动空间，而且细绳本身比较容易发生断裂或者缠绕，很容易发生探空气球以及相关电子设备的丢失；

ZL200920044465.1中提出了一套探空气球自动回收、自动充气、自动放空的装置，虽然其相比于先前专利文献中的探空气球取消了细绳这个部件，放大了探空气球的活动空间，同时通过一些气球的气压和导向驱动设备和传感器的配合提高了对探空气球的控制能力，但是电子设备本身质量比较大，会给探空气球的负载能力带来一定的考验，同时高空的气温比较低，很难保证这些传感器能否正常工作，一旦传感器发生失灵，还是会导致探空气球的失控、丢失或丢失，给观测站带来一定的维护负担。

现有的探空气球多数只考虑了上升到一定高度后，球内气压过高，需要放气，但是却没有考虑回收时，球内的气压过低，容易坠落。

发明内容

本发明需要解决的问题是针对上述现有技术的没有考虑放气后回收易坠落的不足，而提供一种可以自动放气，且放气后回收时不会坠落的探空气球。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种可定点监测的探空气球，包括充有氢气和氦气的气囊，还包括充气放气组件、侧向推力组件和动力补偿组件、高度传感器和控制器，控制器内集成有GPS定位模块，控制器分别与高度传感器、充气放气组件和动力补偿组件连接；

充气放气组件包括充放气口、电磁阀、内置压力传感器、外置压力传感器，电磁阀、内置压力传感器和外置压力传感器均与控制器连接，充放气口设于气囊上，充放气口上设有电磁阀，内置压力传感器设于气囊内，外置压力传感器设于气囊外；

动力补偿组件包括电动机和螺旋翼，电动机通过安装架固定在气囊的下方，螺旋翼安装在电动机的驱动轴上，电动机与控制器连接；

侧向推力组件包括，设置在安装架侧面的螺旋桨，螺旋桨的转轴与气囊的纵轴垂直，螺旋桨的数量为4个，均布在安装架的四周，螺旋桨通过电动机提供动力，

所述的控制器，用于接收内置压力传感器和外置压力传感器传送的压力信号和高度传感器反馈的高度信号，并根据内外压差的变化和高度信号控制电磁阀或电动机的打开或关闭。

气囊上覆盖有防护网。

气囊上设有太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板将太阳能转化成电能，并储存于蓄电池中，再由蓄电池为电动机、控制器和电磁阀供电。

螺旋翼由钛合金材料制成。

螺旋翼的直径小于等于气囊的直径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、克服了探空气球在升空过程中，球内压力越来越大，容易炸裂的缺陷，通过控制器、电磁阀、内置压力传感器和外置压力传感器之间相互配合，实现自动排压，能够有效避免气囊因内部气压过大而导致破裂。

2、在探空气球回收过程中，由于放气，浮力逐渐减小，再加上气象数据测量装置的负重，下降的速度会越来越快，存在坠落的危险，内置压力传感器和外置压力传感器将压力信号传送给控制器，内外压差低于预设值时，控制器打开电动机，电动机驱动螺旋翼为探空气球提供补偿动力，防止坠毁。

3、高度传感器可以辅助控制探空气球所在的高度，利于数据的精确采集；

4、GPS定位模块将检测到位置信号反馈给控制器，当探空气球偏离预设目的位置时，电动机驱动相应侧的螺旋桨转动，将探空气球推至预设目的位置；

5、在回收探空气球时GPS定位模块和侧向推力组件相互配合，可以将探空气球移至指定位置附近，方便回收。

附图说明

图1是本发明的探空气球的结构示意图；

其中，1-气囊，2-充放气口，3-电磁阀，4-内置压力传感器，5-外置压力传感器，6-电动机，7-螺旋翼，8-高度传感器，9-侧向推力组件。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种可定点监测的探空气球，包括充有氢气和氦气的气囊，还包括充气放气组件、侧向推力组件和动力补偿组件、高度传感器和控制器，控制器内集成有GPS定位模块，控制器分别与高度传感器、充气放气组件和动力补偿组件连接；

充气放气组件包括充放气口、电磁阀、内置压力传感器、外置压力传感器，电磁阀、内置压力传感器和外置压力传感器均与控制器连接，充放气口设于气囊上，充放气口上设有电磁阀，内置压力传感器设于气囊内，外置压力传感器设于气囊外；

动力补偿组件包括电动机和螺旋翼，电动机通过安装架固定在气囊的下方，螺旋翼安装在电动机的驱动轴上，电动机与控制器连接；

侧向推力组件包括，设置在安装架侧面的螺旋桨，螺旋桨的转轴与气囊的纵轴垂直，螺旋桨的数量为4个，均布在安装架的四周，螺旋桨通过电动机提供动力，

所述的控制器，用于接收内置压力传感器和外置压力传感器传送的压力信号和高度传感器反馈的高度信号，并根据内外压差的变化和高度信号控制电磁阀或电动机的打开或关闭；

使用时包括以下步骤：

一、组装探空气球；

二、打开电磁阀，对气囊充气，充气完成后关闭电磁阀；

三、探空气球升空时，内置压力传感器和外置压力传感器将压力信号传送给控制器，内外压差超过预设值时，控制器打开电磁阀，进行自动排压，内外压差到预设值时，控制器关闭电磁阀；

四、探空气球升空过程中，高度传感器将检测到的探空气球的高度信号反馈给控制器，控制器根据预设的高度值打开电磁阀，进行放气，使探空气球停留在该高度，不再上升，

五、GPS定位模块将检测到位置信号反馈给控制器，当探空气球偏离预设目的位置时，电动机驱动相应侧的螺旋桨转动，将探空气球推至预设目的位置；

六、探空气球回收时，打开电磁阀进行放气，内置压力传感器和外置压力传感器将压力信号传送给控制器，内外压差低于预设值时，控制器打开电动机，电动机驱动螺旋翼为探空气球提供补偿动力，

七、通过GPS定位模块提供的探空气球的精确位置找回探空气球。

气囊上覆盖有防护网。

气囊上设有太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板将太阳能转化成电能，并储存于蓄电池中，再由蓄电池为电动机、控制器和电磁阀供电。

螺旋翼由钛合金材料制成。

螺旋翼的直径小于等于气囊的直径。

使用时：

探空气球在升空过程中，球内压力越来越大，容易炸裂的缺陷，内置压力传感器和外置压力传感器将压力信号传送给控制器，内外压差超过预设值时，控制器打开电磁阀，实现自动排压，内外压差到预设值时，控制器关闭电磁阀，能够有效避免气囊因内部气压过大而导致破裂。

探空气球升空过程中，高度传感器将检测到的探空气球的高度信号反馈给控制器，控制器根据预设的高度值打开电磁阀，进行放气，使探空气球停留在该高度，不再上升。

高空中风很大，探空气球在上升过程中很容易被吹离目的位置，偏离后无法检测目的位置的气象数据，GPS定位模块将检测到位置信号反馈给控制器，当探空气球偏离预设目的位置时，电动机驱动相应侧的螺旋桨转动，将探空气球推至预设目的位置，在回收探空气球时GPS定位模块和侧向推力组件相互配合，可以将探空气球移至指定位置附近，方便回收。

探空气球在回收过程中，由于放气，浮力逐渐减小，再加上气象数据测量装置的负重，所以在下降的过程中，下降的速度会越来越快，存在坠落的危险，内置压力传感器和外置压力传感器将压力信号传送给控制器，内外压差低于预设值时，控制器打开电动机，电动机驱动螺旋翼为探空气球提供补偿动力，防止坠毁。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种可定点监测的探空气球，包括充有氢气和氦气的气囊，其特征在于：还包括充气放气组件、侧向推力组件和动力补偿组件、高度传感器和控制器，控制器内集成有GPS定位模块，控制器分别与高度传感器、充气放气组件和动力补偿组件连接；

充气放气组件包括充放气口、电磁阀、内置压力传感器、外置压力传感器，电磁阀、内置压力传感器和外置压力传感器均与控制器连接，充放气口设于气囊上，充放气口上设有电磁阀，内置压力传感器设于气囊内，外置压力传感器设于气囊外；

动力补偿组件包括电动机和螺旋翼，电动机通过安装架固定在气囊的下方，螺旋翼安装在电动机的驱动轴上，电动机与控制器连接；

侧向推力组件包括，设置在安装架侧面的螺旋桨，螺旋桨的转轴与气囊的纵轴垂直，螺旋桨的数量为4个，均布在安装架的四周，螺旋桨通过电动机提供动力，

所述的控制器，用于接收内置压力传感器和外置压力传感器传送的压力信号和高度传感器反馈的高度信号，并根据内外压差的变化和高度信号控制电磁阀或电动机的打开或关闭。

2.根据权利要求1所述的可定点监测的探空气球，其特征在于：气囊上覆盖有防护网。

3.根据权利要求1所述的可定点监测的探空气球，其特征在于：气囊上设有太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板将太阳能转化成电能，并储存于蓄电池中，再由蓄电池为电动机、控制器和电磁阀供电。

4.根据权利要求1所述的可定点监测的探空气球，其特征在于：螺旋翼由钛合金材料制成。

5.根据权利要求1所述的可定点监测的探空气球，其特征在于：螺旋翼的直径小于等于气囊的直径。