CN108318941A - 全自动积雪参数测定仪 - Google Patents

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Abstract

一种全自动积雪参数测定仪属于气象自动化检测设备领域，该仪器从下到上依次由基座、称重层、观测筒和太阳能电板四部分构成；所述基座内安置蓄电池，基座上安装包含步进电机、辅热装置Ⅰ、温度传感器Ⅱ、称重装置和电源开关的称重层；在称重层上安装包含外壳Ⅱ、保温层Ⅱ、升降盘、导轨、导轮、丝杆和保温帷幕的观测筒；所述升降盘外安装有内嵌于导轨的导轮，升降盘内安装有辅热装置Ⅱ、温度传感器Ⅰ、电路总承、红外线温度传感器、红外线距离传感器；所述电路总承由单片机、脉冲发生器、无线传输模块、A/D转换和储存器组成。集多功能于一体，结构简单，实现了自动化检测需求，解决了现有技术成本较高、无法同时多站点区域测量的问题。

Description

全自动积雪参数测定仪
技术领域
本发明属于气象自动化检测设备领域，一种全自动积雪参数测定仪。
背景技术
在气象观测领域中，积雪特性参数的测定是必须完成的技术基础工作，其参数一般包括雪深、雪温、雪密度以及雪水当量。在寒区水土研究、融雪侵蚀和气候环境变化等研究过程中，积雪特性参数被作为一项重要的参数；另外，在实际工程和农业工作的实施过程中，积雪特性参数同样扮演着重要的角色，如建筑房屋由积雪产生的荷重，研究积雪对春墒的影响，研究积雪对农作物及生态系统的影响等等。
常见的积雪深度测量方法包括人工测量和自动测量两种。其中，人工测量是通过观测人员多次将雪尺垂直插入雪中求平均值。而自动测量包括光扫描法、双杆法、单杆法、红外线测距法、超声波测距法和激光测距法。人工测量的时效性差很难长时间连续观测，多采用自动测量。
常见的雪温测定一般通过放置在不同雪层的温度传感器配合采集器来完成数据的采集。随着降雪累计，雪层中间的温度探头需要取出重新再插入不同深度测量不同雪层的温度，该方法工作量极大，不利于长时间在低温环境持续检测。
目前国内外关于大范围积雪密度的测定多通过与积雪时间、积雪深度和上覆压力有关的雪密度函数计算获得。实测雪密度一般包含使用体积量雪器和野外取样称重法两种方式。其中，使用体积量雪器测定时要人工将量雪器垂直插入雪中，用小铲封口后将雪取出倒入量杯，待雪融化后测定其容量。该方法密度精确性高，但步骤繁琐，当雪深超过量雪器高度，则需要反复取样，工作量大。另一种积雪密度测定的方法是野外取样称重法，该方法将具有固定体积的细长取样筒垂直插入雪中，通过弹簧秤等秤雪器得到质量而计算密度，此法提高了野外工作的效率，但细长的筒身设计导致其雪密度测定精度降低，此外，分层密度难以获取。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过红外线距离传感器发射和接受红外线信号来判断雪深，通过可升降盘带动红外线温度传感器发射和接收红外线信号来测量不同深度的雪温，通过称重装置测定的质量来完成对雪密度的测量，通过无线传输模块将测量信息发送给终端计算机，实现了自动化检测需求且集多功能于一身的测量仪器，测量仪器成本较低，便于多台仪器组合使用解决现有技术存在的无法同时多站点区域测量的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种集雪深、雪温和雪密度测量于一体的全自动积雪参数测定仪，其特征在于：在基座16内安装有蓄电池17，基座16上安装有称重层25，所述称重层25由内而外分别由保温层Ⅰ29和外壳Ⅰ30包裹，称重层25内安置有步进电机14、辅热装置Ⅰ15、温度传感器Ⅱ32、称重装置13和电源开关20，其中，称重装置13和电源开关20部分表面暴露在外壳Ⅰ30外；在所述称重层25上固装观测筒26，观测筒26由外壳Ⅱ1、保温层Ⅱ2、升降盘11、导轨3、导轮4、丝杆5和保温帷幕18构成，所述丝杆5与步进电机14转轴固装，带有外螺纹的丝杠5可转动的旋配安装在升降盘11内螺纹孔内，所述升降盘11外安装有可转动的导轮4，导轮4安装在固装于外壳Ⅱ1上的导轨3中，升降盘11从内而外依次由保温层Ⅲ27和外壳Ⅲ28包裹，升降盘11内安装有辅热装置Ⅱ12、温度传感器Ⅰ31、电路总承6、红外线温度传感器7、红外线距离传感器10，在所述红外线温度传感器7和红外线距离传感器10的探头一侧套装有保温块9，自动镜头盖8与保温块9固装且覆盖在探头外，上下两部分保温帷幕18的上下两端分别与外壳Ⅱ1和保温块9、保温块9和外壳Ⅱ1固装，所述电路总承6由单片机21、脉冲发生器33、无线传输模块23、A/D转换22和储存器24组成，所述单片机21分别与电源开关20、辅热装置Ⅰ15、辅热装置Ⅱ12、自动镜头盖8、无线传输模块23、储存器24连通，单片机21通过脉冲发生器33与步进电机14连通，单片机21通过A/D转换22分别与红外线温度传感器7、红外线距离传感器10、温度传感器Ⅰ31、温度传感器Ⅱ32、和称重装置13连通，蓄电池17通过安装在观测筒26上的太阳能电板19充电，并通过电源开关20对上述用电器供电。
本发明创造结构新颖、合理、简便，即可同时测定固定时间点的雪深、某深度或平均雪温和某深度或平均雪密度，也可以测定以时间为维度的雪深、雪温、雪密度的变化曲线。该装置功能满足于科研及工程实际所需，实现了自动化作业，操作简易方便，节省操作人员，成本较低，可用于多站点覆盖进行较大尺度的面域测量。
附图说明
图1是全自动积雪参数测定仪纵剖面结构示意图；
图2是升降盘水平剖面结构示意图；
图3是称重层水平剖面结构示意图；
图4是控制电路总承结构示意图；
图中件号说明：
1、外壳Ⅱ、2、保温层Ⅱ、3、导轨、4、导轮、5、丝杆、6、电路总承、7、红外线温度传感器、8、自动镜头盖、9、保温块、10、红外线距离传感器、11、升降盘、12、辅热装置Ⅱ、13、称重装置、14、步进电机、15、辅热装置Ⅰ、16、基座、17、蓄电池、18、保温帷幕、19、太阳能电板、20、电源开关、21、单片机、22、A/D转换、23、无线传输模块、24、储存器、25、称重层、26、观测筒、27、保温层Ⅲ、28、外壳Ⅲ、29、保温层Ⅰ、30、外壳Ⅰ、31、温度传感器Ⅰ、32、温度传感器Ⅱ、33、脉冲发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造实施方案进行详细描述。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以互相结合。一种集雪深、雪温和雪密度测量于一体的全自动积雪参数测定仪，其特征在于：在基座16内安装有蓄电池17，基座16上安装有称重层25，所述称重层25由内而外分别由保温层Ⅰ29和外壳Ⅰ30包裹，称重层25内安置有步进电机14、辅热装置Ⅰ15、温度传感器Ⅱ32、称重装置13和电源开关20，其中，称重装置13和电源开关20部分表面暴露在外壳Ⅰ30外；在所述称重层25上固装观测筒26，观测筒26由外壳Ⅱ1、保温层Ⅱ2、升降盘11、导轨3、导轮4、丝杆5和保温帷幕18构成，所述丝杆5与步进电机14转轴固装，带有外螺纹的丝杠5可转动的旋配安装在升降盘11内螺纹孔内，所述升降盘11外安装有可转动的导轮4，导轮4安装在固装于外壳Ⅱ1上的导轨3中，升降盘11从内而外依次由保温层Ⅲ27和外壳Ⅲ28包裹，升降盘11内安装有辅热装置Ⅱ12、温度传感器Ⅰ31、电路总承6、红外线温度传感器7、红外线距离传感器10，在所述红外线温度传感器7和红外线距离传感器10的探头一侧套装有保温块9，自动镜头盖8与保温块9固装且覆盖在探头外，上下两部分保温帷幕18的上下两端分别与外壳Ⅱ1和保温块9、保温块9和外壳Ⅱ1固装，所述电路总承6由单片机21、脉冲发生器33、无线传输模块23、A/D转换22和储存器24组成，所述单片机21分别与电源开关20、辅热装置Ⅰ15、辅热装置Ⅱ12、自动镜头盖8、无线传输模块23、储存器24连通，单片机21通过脉冲发生器33与步进电机14连通，单片机21通过A/D转换22分别与红外线温度传感器7、红外线距离传感器10、温度传感器Ⅰ31、温度传感器Ⅱ32、和称重装置13连通，蓄电池17通过安装在观测筒26上的太阳能电板19充电，并通过电源开关20对上述用电器供电。
监测使用前需要将基座16埋入地下，使得称重层25上表面与地面基本齐平，太阳能电板19对蓄电池17充能，打开电源开关20。在监测时，由上位机发送指令通过无线传输模块23接收并传递给单片机21执行，或上位机通过有线连接发送指令给单片机21执行，或由单片机21内预设程序定时执行指令。单片机21通过A/D转换控制温度传感器Ⅰ31、温度传感器Ⅱ32工作，测定的温度数据返回到单片机21，若温度数据低于预设阈值，则由单片机21发送指令控制辅热装置Ⅰ15、辅热装置Ⅱ12开始工作，当温度传感器Ⅰ31、温度传感器Ⅱ32测定的温度数据达到预期值后，则由单片机21发送指令使辅热装置Ⅰ15、辅热装置Ⅱ12停止工作。单片机21控制脉冲发生器33驱动步进电机14工作，丝杆5顺时针或逆时针定速转动，在丝杆5外螺纹与升降盘11内螺纹的配合下，升降盘11随着导轮4在导轨3的移动而实现升降功能，升降盘11在上升过程中，单片机21通过A/D转换22控制红外线温度传感器7和红外线距离传感器10工作，红外线温度传感器7将不同高度位置处的温度数据返回到单片机21并储存在储存器24中，当红外线距离传感器10到达雪层顶部无法接收到雪反射回来光，或接收到反射光线的时间间隔超过预设阈值，或接收到反射光线的时间间隔与升降盘11在同时段较低高度所得到的时间间隔有明显差异，则将该高度的前一条数据作为测定的雪深返回单片机21储存在储存器24中，此时，单片机21通过A/D转换启动称重装置13，将测定的数据返回单片机21储存在储存器24中，称重装置13表面积数据为原有已知数据，在测得雪深数据及对应的质量数据后，通过预订程序可计算出相应的雪密度数据，储存在储存器24中。测得的数据由单片机21通过无线传输模块23或有线连接传递到上位机。全自动积雪参数测定仪也可由人工控制或系统自动控制通过以上步骤或重复以上步骤来实现实时监测，形成动态数据。

Claims (2)

1.一种全自动积雪参数测定仪，其特征在于：在基座(16)内安装有蓄电池(17)，基座(16)上安装有称重层(25)，所述称重层(25)由内而外分别由保温层Ⅰ(29)和外壳Ⅰ(30)包裹，称重层(25)内安置有步进电机(14)、辅热装置Ⅰ(15)、温度传感器Ⅱ(32)、称重装置(13)和电源开关(20)，其中，称重装置(13)和电源开关(20)部分表面暴露在外壳Ⅰ(30)外；在所述称重层(25)上固装观测筒(26)，观测筒(26)由外壳Ⅱ(1)、保温层Ⅱ(2)、升降盘(11)、导轨(3)、导轮(4)、丝杆(5)和保温帷幕(18)构成，所述丝杆(5)与步进电机(14)转轴固装，带有外螺纹的丝杠(5)可转动的旋配安装在升降盘(11)内螺纹孔内，所述升降盘(11)外安装有可转动的导轮(4)，导轮(4)安装在固装于外壳Ⅱ(1)上的导轨(3)中，升降盘(11)从内而外依次由保温层Ⅲ(27)和外壳Ⅲ(28)包裹，升降盘(11)内安装有辅热装置Ⅱ(12)、温度传感器Ⅰ(31)、电路总承(6)、红外线温度传感器(7)、红外线距离传感器(10)，在所述红外线温度传感器(7)和红外线距离传感器(10)的探头一侧套装有保温块(9)，自动镜头盖(8)与保温块(9)固装且覆盖在探头外，上下两部分保温帷幕(18)的上下两端分别与外壳Ⅱ(1)和保温块(9)、保温块(9)和外壳Ⅱ(1)固装。
2.根据权利要求1所述的所述一种全自动积雪参数测定仪，其特征在于：所述电路总承(6)由单片机(21)、脉冲发生器(33)、无线传输模块(23)、A/D转换(22)和储存器(24)组成，所述单片机(21)分别与电源开关(20)、辅热装置Ⅰ(15)、辅热装置Ⅱ(12)、自动镜头盖(8)、无线传输模块(23)、储存器(24)连通，单片机(21)通过脉冲发生器(33)与步进电机(14)连通，单片机(21)通过A/D转换(22)分别与红外线温度传感器(7)、红外线距离传感器(10)、温度传感器Ⅰ(31)、温度传感器Ⅱ(32)、和称重装置(13)连通，蓄电池(17)通过安装在观测筒(26)上的太阳能电板(19)充电，并通过电源开关(20)对上述用电器供电。
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