CN111512187A

CN111512187A - 直接冻结降水检测装置及方法

Info

Publication number: CN111512187A
Application number: CN201880082839.0A
Authority: CN
Inventors: 奥利弗·奥纳盖
Original assignee: Luxembourg Institute of Science and Technology LIST
Current assignee: Luxembourg Institute of Science and Technology LIST
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: LU100589B1; WO2019121805A1; RU2020124151A; CN111512187B; FI3729147T3; CA3086087A1; JP2021508062A; EP3729147A1; US20210349239A1; ES2938754T3; EP3729147B1; US11754751B2; JP7292304B2; KR20200098667A

Abstract

本申请涉及一种冻结降水检测装置(10)，其包括：至少一个第一湿度检测装置(1)，其与倾斜的导热片(3)的上表面(3A)导热接触；至少一个第二湿度检测装置(2)，其与所述倾斜的导热片(3)的下表面(3B)导热接触；至少一个表面温度检测装置(4)，其与所述倾斜的导热片(3)导热接触；至少一个处理器(5)，其被配置为从第一湿度检测装置(1)和从第二湿度检测装置(2)以及从表面温度检测装置(4)接收至少一个第一信号(11；11A、11B、11C)，分析所述第一信号(11；11A、11B、11C)并确定在倾斜的导热片(3)的表面上是否存在冻结降水；至少一个第一设备(7)，用于外部电源继电器，其从处理器(5)接收至少一个第二信号(12)，所述信号(12)指示所述第一设备(7)的推荐动作，所述动作要么允许向至少一个第三设备(8)供电，要么不允许向至少一个第三设备(8)供电；至少一个第二设备(6)，用于供电，其连接到所述处理器(5)以及所述第一设备(7)，其中，用于供电的所述第二设备(6)不主动加热所述导热片(3)，仅当所述表面温度检测装置(4)检测到温度等于或小于确定的阈值，并且第一湿度检测装置(1)和第二湿度检测装置(2)检测到冻结降水的存在时，所述第一设备(7)允许向所述第三设备(8)供电。本发明还涉及用于检测冻结降水的用途和方法。

Description

直接冻结降水检测装置及方法

技术领域

本发明涉及气象学领域，即，以最小的能量需求(在感测装置不需要主动加热的情况下)在冻结降水发生时，检测直接的冻结降水。

背景技术

JP 07151865涉及降雪检测系统。

CN 106526711涉及一种包括监测仪外壳的雨、雪、露水和霜监测仪。

US 8800362涉及一种检测降水的方法。

最接近的技术是JP 07151865，因为它涉及降雪监测的同一领域，并且具有与本发明相同的最多的技术特征。

本发明与最接近的现有技术之间的区别是：

-至少一个第二湿度检测装置，与所述倾斜的导热片的下表面导热接触，

-至少一个处理器，被配置为从第一湿度检测装置和从第二湿度检测装置以及从表面检测装置接收至少一个第一信号，

-仅当所述表面温度检测装置(4)检测到温度等于或小于确定的阈值，并且第一湿度检测装置(1)和第二湿度检测装置(2)检测到冻结降水的存在时，所述第一设备(7)允许向所述第三设备(8)供电，-用于供电的所述第二设备(6)不主动加热感测装置、所述导热片(3)、温度检测装置(4)、湿度检测装置(1)和湿度检测装置(2)。

差异的技术效果是在没有冻结降水时节省电能(请见表1和表2)。检测包括来自温度传感器和两个湿度检测装置(一个安装在倾斜的导热片的上表面，且另一个安装在倾斜的导热片的下表面，可以防止直接降水)的信号的另一个技术效果是，处理器可以分析三个输入信号，并区分直接降水和间接降水与冻结条件或非冻结条件。在JP 07151865中，仅根据所测量的温度向加热器供电，但是不考虑降水状态。

因此，可以认为本发明要解决的客观技术问题是对JP 07151865的装置进行了改进，使得在不必要(即虽然很冷，但未下雪，)时不提供供电信号以便节约能源。

该问题的解决方案是使用第二设备(6)供电，其中，所述第二设备(6)不主动加热导热片(3)，第一湿度检测装置(1)和第二湿度检测装置(2)以及表面温度检测装置(4)位于导热片(3)上。

即使将导致本领域技术人员结合现有技术文献，所得到的装置也将比本发明的装置更早地消耗能量，因为，将引导本领域技术人员使用D1和D2中教导的传感器的主动加热，而在本发明中，感测装置(3)，(1)，(2)和(4)没有主动加热。

仅在确实需要良好运行第三设备(8)(例如雨量计)的情况下，才可以通过操作设备(6)(即电池)来大幅度降低冻结时间期间(其中，大部分时间包括干旱时期(即无直接降水：无雨，无雪，无冰雹)和潮湿降水时期(即无直接降水：无雨，下雪，冰雹))偏远气象站的能耗，即大大增加了第二设备(6)的使用寿命。

在非降水期(干旱期)，本发明的装置将不开启加热器(即，节省能量)，而在冻结降水的时期(潮湿期)，本发明的装置将打开加热器(即需要能量)，见图4。

使用电池作为电源的现有技术中的已知装置会在干旱期继续工作(这导致能量损失)，并因此会消耗电能，直到电池没电(通常在不到24小时内)(如果他们在偏远地区，没有任何人可以在不需要时断开电池的连接)。

例如，在等于或高于4℃的温度下以潮湿的或流体的或液体的降水(即雨或雨夹雪)的情况下，本发明将节省电能(见表1和图4)，而再次，现有技术的装置将继续消耗电力，直到电池耗尽(通常在不到24小时内)。

最接近的现有技术CN 106526711可以检测倾斜片表面上是否存在雪，但不将其与降水过程本身相关联，而本发明能够在发生冻结降水时以及冻结降水停止后(即，在降水停止后足够短的时间)检测冻结降水，从而增加了电池的寿命。迄今为止已知的所有现有发明都集中在雪的存在上，而不是在冻雨或雪的情况下。

现有技术也没有教导将电加热系统用于雨量计。本发明的雨量计的加热要求仅在降水持续到停止后的短时间内才出现。由以前的降水事件引起的任何冰雪的进一步存在对于雨量计的加热都不重要(因为不用为其检测任何东西)。

需要检测的最重要的信息是冻结条件下的降水过程(即过程本身而不是结果状态的检测)。

CN 106526711涉及一种包括监测仪外壳的雨、雪、露水和霜监测仪。监测仪外壳的上端装有雨雪传感器。监测仪外壳的下部装有露水和霜传感器以及温度和湿度传感器。雨雪传感器、温度和湿度传感器以及露水和霜传感器电连接到监测处理器。监测处理器同时接收由雨雪传感器发送的雨雪感测电容值，由温度和湿度传感器检测到的温度和湿度值以及由露水和霜传感器发生的露水和霜感测电容值，并将雨雪感应电容值、温度和湿度值以及露水和霜感应电容值与预设的雨雪感应电容值、温度和湿度值以及露水和霜感应电容值进行比较，以便根据比较结果判断目前的降雨、降雪、露水或霜天气现象。雨、雪、露水、霜监测仪可以实时监测降雨、降雪、露水、霜四种天气现象，记录天气现象的开始、持续时间和结束时间，监测灵敏度高，且雨、雪、露水和霜监测仪使用方便。

在CN 106526711中，霜传感器被保护免受壳体中的外部条件的影响，并且存在通风措施以接收空气温度，因为它们想要检测由于空气温度条件而引起的霜，而在本发明中，第二湿度检测装置与倾斜的导热片的下表面导热接触。

通过这种措施，由于传导(通过材料的热流)和辐射(太阳、天空或其他辐射源)引起的热传递被最小化到可忽略的数量(可以说是“已消除”)。CN 106526711中仅需要对流来检测霜冻状况：请见权利要求1：“...霜传感器设置在监测壳体的下部...监测壳体的下部设有气体流通孔，以确保霜传感器周围的气体自由流动...”

因此，CN 106526711的方法不能用于本发明的目的，因为我们需要看到完整的传热协同作用，包括通过所有连接的材料的传导协同作用以及从太阳到地面以及从地面到天空的辐射。CN 106526711无法在0[℃]到+4[℃]的气温条件下区分冻结的直接降水(雨、雪)和冻结的间接降水(露水)。

通常，偏远的气象站无法访问电网，并且因此其能源消耗非常有限。为了能够准确、定期地测量降水或风，这些站点必须在冬季条件下(例如在冻结、雪、冰雹或冻雨的情况下)管理加热系统。

如果没有加热系统，某些测量将失败：降水测量(雨量计)或使用超声波风速计的风速测量。

当前，没有商业方法可用于加热偏远地区的雨量计。气象传感器的制造商考虑不对远程安装的传感器使用加热，因为它们的能量需求太大，无法使用电池甚至电池太阳能组合供能。这通常导致数据不足或需要大量努力才能在现场获得足够的电能，这根本是不可接受的，无论如何都必须解决。例如，为了在冬季提供足够的能量来加热，太阳能光伏发电系统将需要非常庞大。如果这个大型系统(光伏模块的表面)安装在紧邻附近(directneighborhood)，则会对气象测量产生直接影响，而这不符合这些测量的标准。

由于本发明，通过仅在确实必要时才切换电池供电的加热装置，可以在冬季以最少的能量供应(即仅在下雪、冰雹和冰雪期间)加热远程安装的装置。这样，由于加热系统中的电池已耗尽而导致整个系统的电源故障以及由于不工作(冻结)的装置而导致数据丢失的可能性降到了最低。现在已通过本发明加以弥补长期以来的这种需要。

所选择的每个传感器都可以以较低的能源需求和最少的维护来运行。该系统必须具有鲁棒性(在所有天气条件下)，并且仅需要提供两个运行状态作为输出：“真”(＝发生冻结降水)或“假”(＝其他所有条件)。它可用于其他应用，在这些应用中，了解冻结降水很重要，但操作场所没有“无限”电源。它还可以为内部内置屋顶排水系统(如果不加热就可能被冰损坏)的电加热应用节省大量能量。

发明内容

本发明涉及一种冻结降水检测装置(10)，其包括：至少一个第一湿度检测装置(1)，其与倾斜的导热片(3)的上表面(3A)导热接触；至少一个第二湿度检测装置(2)，其与所述倾斜的导热片(3)的下表面(3B)导热接触；至少一个表面温度检测装置(4)，其与所述倾斜的导热片(3)导热接触；至少一个处理器(5)，其被配置为从第一湿度检测装置(1)和从第二湿度检测装置(2)以及从表面温度检测装置(4)接收至少一个第一信号(11；11A、11B、11C)，分析所述第一信号(11；11A、11B、11C)并确定在倾斜的导热片(3)的表面上是否存在直接冻结降水；至少一个第一设备(7)，用于外部电源继电器，其适于从处理器(5)接收至少一个第二信号(12)，所述信号(12)指示所述第一设备(7)的推荐动作，所述动作要么适于允许向至少一个第三设备(8)(例如，雨量计)供电，要么不允许向至少一个第三设备(8)供电；至少一个第二设备(6)，用于供电，其连接到所述处理器(5)以及所述第一设备(7)，其中，用于供电的所述第二设备(6)不主动加热所述感测装置(导热片(3)、第一湿度检测装置(1)、第二湿度检测装置(2)和表面温度检测装置(4))，仅当所述表面温度检测装置(4)检测到温度等于或小于确定的阈值，并且第一和第二湿度检测装置(1；2)检测到冻结或非冻结(流体)降水的存在时，所述第一设备(7)允许向所述第三设备(8)供电。

优选地，所述确定的阈值小于或等于+4℃，+3℃，+2℃，+1℃，0℃，-1℃，-2℃，-3℃，-4℃的空气(环境)温度，更优选地等于或低于0℃，最优选0℃。

表面温度由表面温度检测装置(4)在倾斜的导热片(3)的表面处测量。表面温度取决于对流(周围空气流动)、净辐射(朝着地面的太阳和朝着天空的地面)和传导(通过薄片的材料)。

优选地，所述确定的阈值可由处理器(5)调节。

优选地，导热片(3)涂有宽范围的光谱辐照敏感涂层。

第一湿度检测装置(1)测量第一信号(即第一值(11A))，第二湿度检测装置(2)测量第二信号(即第二值(11B))，两种信号的区别，即上湿润表面(3A)和下湿润表面(3B)的区别，可以区分是直接降水还是间接降水。

优选地，处理器(5)正在接收第一湿度检测装置(1)的第一信号(11A)和第二湿度检测装置(2)的第二信号(11B)以及表面温度检测装置(4)的第三信号(11C)，并且所述处理器(5)进行以特定数学值结尾的计算，其结果是将信号(12)发送到第一设备(7)以允许打开或关闭所述第一设备(7)并向第三设备(8)供电或不供电。

优选地，至少一个保护壁(13A、13B、13C)围绕倾斜的导热片(3)。

优选地，第三设备(8)是设置有加热系统的雨量计或内部屋顶排水口。

优选地，推荐动作是加热或不加热第三设备(8)。

优选地，所述第二设备(6)包括光伏模块，其确保第二设备(6)保持充电。

优选地，至少一个第一信号(11；11A、11B、11C)由三个不同的信号(11A、11B、11C)组成。

优选地，一旦检测到冻结降水，所述第一设备(7)立即反应。

优选地，降水是冻结或流体(雨)降水。

优选地，冻结降水是直接降水(雪、冻结雨、冰雹)或间接(雾、露水)冻结降水。

本发明还涉及该装置用于加热雨量计的用途。

本发明还涉及该装置用于加热内部屋顶排水口的用途。

本发明还涉及该装置用于警告高速公路车辆驾驶员冻结降水的用途。

本发明还涉及一种用于检测冻结降水的方法，其包括以下连续步骤：

-确定倾斜的导热片(3)的上表面(3A)上的湿度条件，

-确定所述倾斜的导热片(3)的下表面(3B)上的湿度条件，

-确定所述倾斜的导热片(3)上的表面温度，

-经由处理器(5)处理从第一湿度检测装置(1)和从第二湿度检测装置(2)以及从表面温度检测装置(4)接收的至少一个第一信号(11；11A、11B、11C)，

-经由所述处理器(5)分析所述第一信号(11；11A、11B、11C)，

-经由所述处理器(5)确定在倾斜的导热片(3)的表面上是否存在冻结降水，

-将第二信号(12)发送到用于外部电源继电器的第一设备(7)，其从处理器(5)接收所述第二信号(12)，所述信号指示所述第一设备(7)的推荐动作，所述动作要么允许向至少一个第三设备(8)供电，要么不允许向至少一个第三设备(8)供电，

-仅当所述表面温度检测装置(4)检测到小于或等于确定的阈值的温度，并且第一湿度检测装置(1)和第二湿度检测装置(2)检测冻结降水的存在，并且在没有从第二设备(6)的直接主动加热来为所述导热片(3)供电时，允许从所述第一设备(7)向所述第三设备(8)供电。

本发明的处理器(5)连续地读取和记录信号(11A、11B、11C)。

用于电源(电池)的第二设备(6)是所有设备的主要电源。光伏模块(PV模块)可确保电池持续充电。充电控制器将电池保持在安全状态(没有过度充电或深度放电)，并在达到临界状态之前发出警告。处理器(5)或数据记录器/开关设备运行控制算法，该控制算法连续监测和记录信号(11A、11B、11C)的测量值。

如果检测到冻结降水事件，则处理器(5)向第一设备(7)发送接通信号，该接通信号将电池电力接通至设备(8)的电加热系统。在任何其他情况下，电加热均保持与第二设备(6)断开连接。

本发明的原理是将差分湿度检测与表面温度测量相结合。

差分湿度检测是一种尚不适用的方法，因为没有任何理由要这样做。湿度检测器的目的是识别例如汽车挡风玻璃等表面上的湿气发生情况，以便切换雨刮器，识别植物的叶子以便监测生长，识别地面以便检测泄露等。

在本发明中，对湿度的差分测量用于区分直接降水和间接降水。

直接冻结降水(希望检测到的事件以便利用第三设备(8)确保降水测量)被定义为雪、冻雨和冰雹，其可以认为是从天上降向地面的直接降水。在这种情况下，术语“直接”不仅指一种优选的方向，而且还指其起源于上方并朝向地面的所有矢量的组合。

间接降水(不希望用第三设备(8)测量的事件)定义为露水和雾，可以将其视为间接降水，因为描述这些粒子运动的向量可以沿任意方向移动。特别是由于环境空气中水分凝结而产生的露水，无论面向天空还是面向地面，都可以在任意方向的表面上发生。导致表面结露水的只是较冷的表面和较热的环境空气之间的温差。有时水已经在空气中凝结，且产生的小水滴形成雾，雾将面向任何方向的所有表面包围起来。在中欧，间接降水的发生比直接降水的发生更多。不需要使用雨量计进行测量，因为降水量非常小并且低于雨量计的检测极限(通常为0.1[mm/m²])。因此，在这些间接降水事件中，我们不需要雨量计可完全运行，因此不需要主动加热。

该装置将通过湿度信号(11A)和湿度信号(11B)之间的差来消除由于间接降水(露水或雾)引起的湿度信号。

直接冻结降水检测(DFPD)装置：

导热片(3)相对于水平方向以45度至60度之间的角度倾斜，以防止长期的降水堆积在其上。表面的颜色为黑色，以便由于吸收和发射(取决于天空条件的正负)而达到最大净辐照度。在正的净辐照期，降水停止时，雪或冰层可以融化。在晴朗的夜晚，从导热表面向天空的辐射发射会导致表面温度低于环境温度，这类似于测量装置(雨量计)的接收部分。在这种情况下，在导热片的两侧和附接的湿度传感器的两侧都可能发生露水。

在该倾斜表面的每一侧(上侧3A，下侧3B)上都有一个湿度检测传感器，该湿度传感器具有直接的导热接触，并使用导热胶或其他任何固定装置进行安装。这两个传感器需要具有低的热容量和合理的热导率。

另外，在导热片(3)的下表面侧(3B)上安装有表面温度传感器(4)。为了防止向下的部分受到水平移动的降水的影响，在导热片的周围设有保护壁。它们可以由相同或不同的材料制成。

上表面(3A)和下表面(3B)的信号湿度的区别允许区分直接降水和间接降水。如果表面温度等于或低于0℃，则潮湿的表面可能会冻结，或者表面上已经有积雪或冰。发生降水后，表面的坡度应允许一定的停留时间。45度左右的斜率值显示出良好的结果。优选地，该斜面具有在30°和60°之间的角度。

算法正在处理器(也称为控制器)上运行。

附图说明

本发明的附图描述如下：

图1示出：与倾斜的导热片(3)的上表面(3A)导热接触的一个湿度检测装置(1)。围绕倾斜的导热片(3)的一个保护壁(13A)。

图2示出：与倾斜的导热片(3)的上表面(3A)导热接触的一个第一湿度检测装置(1)，以及与所述倾斜的导热片(3)的下表面(3B)导热接触的一个第二湿度检测装置(2)，以及与所述倾斜的导热片(3)导热接触的一个表面温度检测装置(4)。围绕倾斜的导热片(3)的一个保护壁(13A、13B、13C)。

图3示出：与所述倾斜的导热片(3)的下表面(3B)导热接触的一个第二湿度检测装置(2)，以及与所述倾斜的导热片(3)导热接触的一个表面温度检测装置(4)。围绕倾斜的导热片(3)的一个保护壁(13A、13B、13C)。

图4：该图显示了直接冻结降水检测(DFPD)受控加热[kWh]的雨量计测量值(虚线)与虚拟温度受控加热的估计加热能量(点线)。该系统安装在气象站上。由于现场电能的限制，不可能并行运行真正的温度受控加热(甚至不能单独运行)。虚拟加热的估计接通温度等于或小于+4℃。可以看出，在50天的测量周期结束时，DFPD受控加热节省的能量约为10倍(温度受控的估算值为47.3[kWh]，而DFPD受控加热的测量值为5.0[kWh]))。点划线曲线显示了在整个测量期间的累积降水量，最终为130[mm/m²]。可以看出，该测量在冻结降水条件下也起作用。

图5：该图示出了2018年2月在超过10天的降雪条件下两个相同的加热式雨量计的测量结果。点划线曲线显示了雨量计的FPD受控加热的累积降水值[mm/m²]，下方具有相同形状的虚线曲线示出了雨量计的温度受控加热的降水值[mm/m²]。两条曲线具有相似的形状，并且值均在可接受的降雪公差(FPD受控为10.4[mm/m²]，温度受控为9.2[mm/m²])内的相同范围内。小虚线示出了温度受控加热的电量[AH]，其在测量周期结束时结果为281.8[AH]。大虚线示出FPD受控加热的电量，在测量周期结束时为40.8[Ah]。在10天的测量期内，FPD受控系统的能源效率是温度受控系统的7倍。

图6是本发明的装置(10)的示意图，并且示出：与片(3)接触的图2的第一湿度检测装置(1)，图2的第二湿度检测装置(2)和图2的表面温度检测装置(4)。每个检测装置(1；2；4)发送一个信号(11A、11B、11C)，即将三个不同的信号发送到处理器(5)(也称为数据记录器/开关单元)，该处理器(5)对信号(11A、11B、11C)进行分析，并确定倾斜的导热片(3)表面上是否存在冻结降水，用于外部电源继电器的一个第一设备(7)从处理器(5)接收第二信号(12)，所述信号(12)指示所述第一设备(7)的推荐动作，所述动作是允许提供电力或不允许提供电力给第三设备(8)。用于供电(光伏模块为控制器电池充电)的第二设备(6)连接到处理器(5)，且还连接到第一设备(7)(也称为开关电池电源)，仅当所述表面温度检测装置(4)检测到温度等于或小于确定的阈值，并且第一湿度检测装置(1)和第二湿度检测装置(2)检测到降水的存在时，所述第一设备(7)允许向所述第三设备(8)(也称为包含电加热系统的雨量计)供电。

图7是加热式雨量计(第三设备(8))的照片。

图8是加热式雨量计(第三设备(8))的另一张照片。

图9是包含雪的第一类型的非加热式雨量计(第三设备(8))的照片。

图10是包含雪的第二类型的加热式雨量计(第三设备(8))的照片。

具体实施方式

表1：比较表：

与没有本发明的装置的运行中的设备相比，使用本发明的装置的能量节省。

*否(现有技术)：意味着本发明的冻结降水装置未安装在设备上。仅设备(8)(内置有加热装置的雨量计)与直接连接到设备(8)的设备(6)(电池)一起运行。**是：表示已安装本发明的冻结降水装置(10)(即，本发明：已安装图5的设备1至设备8)。

在空气温度介于+1℃和+4℃之间的情况下，现有技术的雨量计(8)一直运行(无能量节省功能，请见第5列“加热时间”)，而由于没有冻结降水(能量节省方式，见第5列)本发明的雨量计(8)(见图5)不运行。

在介于-6℃和0℃之间的空气温度下，现有技术的雨量计(8)一直运行(无能量节省功能，见第5列“加热时间”)，而本发明的雨量计(8)(见图5)仅在冻结降水时间运行(能量节省方式见第5列)。

因此，利用本发明的冻结降水装置(10)，可以节省能量并且可以使用电池供电的系统，其中，电池(6)的寿命大大增加。

能量节省估算：

由于高的能量节省率，本发明允许在偏远地区安装用于雨量计的电池供电的加热系统，并且在电力故障时(由于空的电池)以低的速率操作它们。显然，由于天气状况无法预测，无法安装保证100％故障安全电源的电池供电能源系统。但是，统计天气数据分析可以估算出地面上几乎任何位置的良好平衡的电源系统。表1示出了已安装且可操作的冻结降水系统的加热系统相对于常规温度受控加热系统的能量节省潜力，因为可以订购该系统以进行无限能源供应(电网连接)。所有相关数字都是在中欧的典型安装量估算值。对于更具体的绝对估计，这些数字可以由统计气象数据的分析结果代替。假定与表1相关的观测时间是在深秋、冬季和初春月份，此时可能会出现冻结降水。然而，如果希望的话，本发明的装置可以在整年中保持运行。

表1涉及利用电加热式雨量计上的直接冻结降水检测(DFPD)装置的操作的能量节省潜力的表格估计。

第1列示出的是摄氏温度。

第2列表示雨量计是否配备有冻结降水检测装置(是)或(否)。

第3列示出了存在第1列温度值时相对于观察到的时间段的降水期。

第4列示出了存在第1列温度值时相对于观察到的时间段的无降水期。

第5列示出了与第1列中的温度值(对于两个系统为是和否)以及(仅在安装了DFPD的情况下，第2列为“是”)在第3列的这段时间内检测到的冻结降水相关的加热时间。

第6列示出了假设的加热系统的占空比。该值表示加热系统相对于第1列中的温度值的开启时间。对于特定的加热系统，应将这些值替换为特定的数字(可以由制造商提供)。

第7列示出了与第5列中的加热时间和第6列中的占空比相关的相对能量需求。

第8列示出了相对于常规的仅温度受控系统(空箱)安装了可操作的冻结降水系统的加热系统的相对能量节省。

恢复能量节省估算。显然，没有冻结降水的时间越长，节省的能量就越高。取决于观察的时间段和该时间段内降水时间的比例，节省的能量可以是100％或0％。例如，与传统的温度受控系统相比，在0℃左右的恒定空气温度下一天24小时连续降水不会带来任何能量节省效果，因此能量节省等于0％。如果第二天没有任何降水且气温相同，则能量节省率将达到50％左右。本发明提供的这种能量节省使得有可能将第三设备(8)(即电池供电的加热雨量计)安装在偏远地区。

表2：比较表。

在包括本发明的设备1至设备8的装置与仅包括设备8的装置之间的工作或不工作测量的比较。

*否：表示本发明的冻结降水装置未安装在设备上。未安装设备1至设备7。仅设备(8)(雨量计)可单独运行。

**是：表示已安装本发明的冻结降水装置(10)(即，本发明：已安装图5的设备1至设备8)。

表2示出了加热式雨量计(8)与非加热式雨量计(8)之间的差异，雨量计是否接收到冻结降水，以及它们是否在同一位置运行。

在等于或低于0℃的周围空气温度下，非加热式雨量计(8)由于冻结而不能工作，而本发明的加热式雨量计(8)由于被加热而运转良好，并因此冻雨(雪，冰雹)将其物理状态改变成液体降水，其可以由雨量计(8)测量。

在包括在+1℃至+4℃之间的环境温度下，非加热式雨量计(8)在降水的冻结条件下不运行，而在降水的流体/液体条件下(雨)则正常运行，而由于本发明的加热式雨量计(8)一直被加热，因此一直运转良好，并且因此，冻结的降水物(雪)将其物理状态改变为液体降水物，可以通过雨量计(8)进行测量。

在等于或高于+5℃的环境空气温度下，非加热式雨量计(8)的运行与本发明的加热式雨量计(8)一样好，因为可以通过雨量计(8)来测量液体的降水(雨)。

应当理解，为清楚起见在单独的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合来提供。

在真实室外条件下在两个不同地点运行的直接冻结降水检测(DFPD)系统的功能证明示例：

在现场应用(卢森堡Roodt-EII的气象站)和LIST的测试站点(卢森堡的Belvaux站点)，采用我们的直接冻结降水检测(FPD)系统的主动加热式雨量计的测量结果如图4和图5所示。

图4示出了在卢森堡Roodt-EII的气象站进行的测量。Roodt-EII远程站点上的这一特殊应用是我们发明的主要推动力：一种故障安全的冻结降水检测方法，与普通的被动式气象传感器相比，其能量需求非常小。

图5示出了在卢森堡Belvaux的卢森堡科学技术学院(LIST)站点进行的测量：两个相同的加热式雨量计彼此相邻安装。

一个雨量计的加热控制是通过通常的温度控制系统完成的；另一个由我们的直接冻结降水检测(DFPD)系统控制。在该应用中，由于某些特定原因，无法以最佳方式安装DFPD感测装置(3)，(1)，(2)和(4)。但是，与通常的温度受控加热相比，可以证明DFPD受控加热的功能和效率。两个系统的电源都连接到电网。因此，两个系统都可以并行运行而不受电能的限制(例如在没有电网连接的偏远地区)。

结论：

由于DFPD加热控件是被动系统(感测元件无需主动加热)，其可以使用典型的气象站数据记录仪进行操作(需要3个信号输入和一个数字输出通道)。DFPD控件本身对功能的需求仅微不足道。该范围类似于通常连接到数据记录器的其他无源传感器。在实际操作条件下进行的两次室外测试证明，可以显著降低热能需求。连续地，本发明允许在没有常规电力供应(例如电池供电)的偏远地点安装加热系统。即使在现场，可以无限制电供应热的地方，也有必要安装这样的控制系统以节省能源。

Claims

1.一种冻结降水检测装置(10)，包括：

至少一个第一湿度检测装置(1)，与倾斜的导热片(3)的上表面(3A)导热接触，

至少一个第二湿度检测装置(2)，与所述倾斜的导热片(3)的下表面(3B)导热接触，

至少一个表面温度检测装置(4)，与所述倾斜的导热片(3)导热接触，

至少一个处理器(5)，被配置为从所述第一湿度检测装置(1)和从所述第二湿度检测装置(2)以及从所述表面温度检测装置(4)接收至少一个第一信号(11；11A、11B、11C)，分析所述第一信号(11；11A、11B、11C)并确定在所述倾斜的导热片(3)的表面上是否存在冻结降水，

至少一个第一设备(7)，用于外部电源继电器，适于从所述处理器(5)接收至少一个第二信号(12)，所述信号(12)指示所述第一设备(7)的推荐动作，所述动作要么适于允许向至少一个第三设备(8)供电，要么不允许向至少一个第三设备(8)供电，

至少一个第二设备(6)，用于供电，连接到所述处理器(5)以及所述第一设备(7)，

其中，用于供电的所述第二设备(6)不主动加热所述导热片(3)，

仅当所述表面温度检测装置(4)检测到温度等于或小于确定的阈值，并且所述第一湿度检测装置(1)和所述第二湿度检测装置(2)检测到冻结降水的存在时，所述第一设备(7)才允许向所述第三设备(8)供电。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述确定的阈值小于或等于0℃。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述确定的阈值能够由所述处理器(5)调节。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，至少一个保护壁(13A、13B、13C)围绕所述倾斜的导热片(3)。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述导热片(3)涂覆有宽范围的光谱辐照敏感涂层。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第三设备(8)是设置有加热系统的雨量计或内部屋顶排水口。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述推荐动作是加热或不加热所述第三设备(8)。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二设备(6)包括确保所述第二设备(6)保持充电的光伏模块。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，一旦检测到冻结降水，所述第一设备(7)立即反应。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述降水是冻结降水或流体降水。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述冻结降水是直接冻结降水。

12.根据权利要求1至11所述的装置的用途，用于加热雨量计。

13.根据权利要求1至11所述的装置的用途，用于加热内部屋顶排水口。

14.根据权利要求1至11所述的装置的用途，用于警告高速公路车辆驾驶员冻结降水。

15.一种检测冻结降水的方法，包括以下步骤：

确定倾斜的导热片(3)的上表面(3A)上的湿度条件，

确定所述倾斜的导热片(3)的下表面(3B)上的湿度条件，

确定所述倾斜的导热片(3)上的表面温度，

经由处理器(5)处理从第一湿度检测装置(1)和从第二湿度检测装置(2)以及从表面温度检测装置(4)接收的至少一个第一信号(11；11A、11B、11C)，

经由所述处理器(5)分析所述第一信号(11；11A、11B、11C)，

经由所述处理器(5)确定在所述倾斜的导热片(3)的表面上是否存在冻结降水，

将第二信号(12)发送到用于外部电源继电器的第一设备(7)，所述第一设备(7)从所述处理器(5)接收所述第二信号(12)，所述信号指示所述第一设备(7)的推荐动作，所述动作要么允许向至少一个第三设备(8)供电，要么不允许向至少一个第三设备(8)供电，

仅当所述表面温度检测装置(4)检测到小于或等于确定的阈值的温度，并且所述第一湿度检测装置(1)和所述第二湿度检测装置(2)检测到冻结降水的存在，并且没有从第二设备(6)主动加热来为所述导热片(3)供电时，允许从所述第一设备(7)向所述第三设备(8)供电。