CN113109226B - 一种雪粒子浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雪粒子浓度测量装置及测量方法，该装置包括测量支架以及设置在测量支架上的设备箱和传感器，所述传感器用于采集风速值和风压值；所述设备箱中设有控制电路板和电源模块；所述控制电路板包括控制器以及与控制器连接的传输模块；所述控制器连接传感器。所述控制器用于根据风速值和风压值计算雪粒子浓度。该方法基于本装置进行实施，通过采集大量的风速值和风压值，计算参照空气浓度，通过实时采集的风速值和风压值计算混合气体浓度，利用参照空气浓度和混合气体浓度差值得出雪粒子浓度，结构简单，易于实施，测量装置野外极端环境适应能力强，能够保持长期稳定运行。

Description

一种雪粒子浓度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及气象观测技术领域，尤其涉及一种雪粒子浓度测量装置及测量方法。

背景技术

风吹雪是指地面上的积雪在风的作用下，再次进入空中运动并降落的现象，风吹雪是我国北方频发的三大雪害之一。随着我国中西部地区基础设施逐步完善，越来越多的公路、铁路穿越风吹雪路段。对空气雪粒子浓度变化进行监测是掌握和评估风吹雪灾害最直接的手段。

目前，国内所用雪粒子浓度测量设备大都为进口产品，其测试原理是基于高精度声压传感器的粒子通量测试系统，存在设备昂贵，量程有限的不足。也有人曾提出基于图像处理技术的雪粒子浓度分析系统，但无法解决系统受环境采光条件影响，或在野外极端条件下数据不准确，甚至无法正常工作的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种雪粒子浓度测量装置及测量方法，利用该装置简单的结构实现无雪和风吹雪状态下的风速和风压数据采集，利用该测量方法，可以直接计算得出雪粒子密度，降低成本，减少了其他外界条件的影响，易于实施，计算精度高。

为了实现上述目的，本发明的一种雪粒子浓度测量装置，包括：测量支架以及设置在测量支架上的设备箱和传感器，所述传感器用于采集风速值和风压值；所述设备箱中设有控制电路板和电源模块；所述控制电路板包括控制器以及与控制器连接的传输模块；所述控制器连接传感器；所述控制器用于根据风速值和风压值计算雪粒子浓度。

优选的，所述传感器通过线缆连接至设备箱中的控制器；所述传感器包括风速传感器和风压传感器。

在上述任意一项实施例中优选的，所述测量支架包括测杆、T型连杆和传感器横杆，所述侧杆顶部通过转轴与T型连杆相接，所述T型连杆的横轴一端安装定向尾翼，另一侧与传感器横杆相连，所述传感器通过螺丝固定在传感器横杆上。

在上述任意一项实施例中优选的，所述侧杆底部通过底座埋设在地面上；所述底座为混凝土浇筑而成。

在上述任意一项实施例中优选的，所述电源模块包括储能电池，所述控制器与储能电池连接。

在上述任意一项实施例中优选的，所述侧杆的中上部设有电池板支架，所述电池板支架上设置太阳能电池板，所述太阳能电池板连接储能电池。

在上述任意一项实施例中优选的，所述侧杆的中上部设有设备箱支架，所述设备箱支架上安装设备箱。

在上述任意一项实施例中优选的，包括：在无雪时，大量采集风速、风压测量值，计算参照空气密度值；获取风吹雪状态下传感器采集到的风速、风压测量值，计算风吹雪状态下的混合空气密度值；对得出的混合空气密度值与当前风速对应的参照空气密度值进行差值计算，得出雪粒子浓度。

在上述任意一项实施例中优选的，根据如下公式计算无雪或风吹雪状态下的空气密度值：

根据如下公式计算雪粒子浓度值：

σ_s＝σ₁-σ₀

其中，P表示风压值，v表示风速值，σ₁为风吹雪状态下的空气密度值；σ₀为参照空气密度值。

在上述任意一项实施例中优选的，大量采集风速、风压测量值，以风速值的平方作为平面直角坐标系中的横轴，风压值的二倍作为纵坐标，进行曲线拟合，绘制参照空气密度分布曲线；根据风吹雪状态下检测到的风速值的平方和风压值的2倍作为监测点的横坐标和纵坐标，确定该监测点在平面直角坐标系中的位置，计算测量点与原点连线与横轴所成夹角的正切值，作为混合空气密度值；在参照空气密度分布曲线中根据风吹雪状态下检测到的风速的平方值查找该曲线中对应的参考点，根据参考点坐标，计算参考点与原点连线与横轴所成夹角的正切值，作为参照空气密度值。

申请公开的雪粒子浓度测量装置，相比于现有技术，至少具有以下优点：

1、本申请实施例中提供的雪粒子浓度测量装置，在测量支架上设置传感器及设备箱，利用传感器采集风速值和风压值，利用设备箱中的控制电路和传输模块，对采集的数据进行处理和远传，结构简单，易于布设，避免光线强度等因素的影响，数据准确，易于实施。

2、本申请实施例中提供的雪粒子浓度测量装置，在测杆顶部通过转轴连接T型连杆，T型连杆的横轴一端安装定向尾翼，另一侧与传感器横杆相连，风速传感器和风压传感器通过螺丝固定在传感器横杆上。在采集风速和风压数据时，根据实时的风向偏转，利用定向尾翼调整方向，确保对风速值和风压值，进行准确采集。

3、本申请实施例中提供的雪粒子浓度测量装置，在测杆底部，通过将底座埋设在地面下方，实现测量支架整体固定，不易翻倒，提高了装置整体的稳定性，易于布设。

4、本申请实施例中提供的雪粒子浓度测量装置，供电电源采用太阳能电池板和储能电池相结合，提供工作电源，适合野外监测环境，降低了能耗需求，提高了使用寿命。

5、本申请实施例中提供的雪粒子浓度测量方法，通过在无雪时，大量采集风速值和风压值，绘制参照空气密度分布曲线，利用该曲线和实时采集到的风速值和风压值，计算雪粒子浓度，方法简单，计算量小，计算结果精确，不会受到其他环境因素影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的测试方法流程图。

图3为本发明的参照空气密度分布曲线示意图。

图中：

1、风速传感器；2、风压传感器；3、线缆；4、太阳能电池板；5、电池板支架；6、底座；7、地面；8、测杆；9、储能电池；10、设备箱；11、控制电路；12、设备箱支架；13、转轴；14、定向尾翼；15、T型连杆；16、传感器横杆。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一方面实施例提供的雪粒子浓度测量装置，包括：测量支架以及设置在测量支架上的设备箱10和传感器，其中，所述传感器包括风速传感器1和风压传感器2。所述设备箱10中设有控制电路11板和电源模块；所述控制电路11板包括控制器以及与控制器连接的传输模块；所述控制器连接传感器。在测量支架上设置传感器及设备箱10，利用传感器采集风速值和风压值，利用设备箱10中的控制电路11和传输模块，对采集的数据进行处理和远传，结构简单，易于布设，避免光线强度等因素的影响，数据准确，易于实施。

如图2所示，根据本装置安装完成后，对雪粒子浓度进行计算，包括如下方法：在无雪时，大量采集风速、风压测量值，计算参照空气密度值；获取风吹雪状态下传感器采集到的风速、风压测量值，计算风吹雪状态下的混合空气密度值；对得出的混合空气密度值与当前风速对应的参照空气密度值进行差值计算，得出雪粒子浓度。

在计算雪粒子浓度时，根据我国建筑结构荷载规范(GB50009)和伯努利方程，已知风压与风速的关系为：

即/>

其中，p为风压(Pa)，v为风速(m/s)，σ为空气密度(kg/m³)。

由上式可知，理论上风压与风速的平方成正比，即空气密度为固定值。现实场景中，空气密度与气压、气温、湿度等环境因素密切相关，并非固定值。为了减少上述环境因素的影响，需要在空气中无雪粒子时，大量采集风速、风压测量值，并对风速、风压测试数据进行曲线拟合，得到参照空气密度分布曲线，即空气密度标定曲线。

当空气中含有雪粒子时，空气密度的增大幅度远大于气压、气温和湿度等环境因素造成的正常空气密度变化。

因此，σ₀表示无雪时，参照空气密度σ₀，风雪条件下，空气密度σ表示为混合空气密度σ₁，σ₁由参照空气密度σ₀和雪粒子浓度σ_s组成，即σ₁＝σ₀+σ_s(2)。

当空气中没有雪粒子时，即σ_s＝0，通过系统自带风速、风压传感器实测求得空气密度σ为σ₀。当空气中有雪粒子时，根据实测风速、风压值，计算所得混合空气密度σ₁为σ₀+σ_s，由(2)可知，此时雪粒子浓度σ_s等于σ₁-σ₀。

在计算σ₀时，如图3所示，平面直角坐标系中横轴为风速值V²，纵轴为风压值2P，坐标原点为0。假设现场发生风吹雪，空气中有雪粒子时实测风速V²与风压2P对应点A，0A与水平轴向的夹角为β，此时空气密度σ₁＝tanβ；根据该实测风速V²查找空气密度标定曲线，确定该实测风速V²在无雪粒子时，对应点B，线段0B与水平轴向的夹角为β。此时参照空气密度σ₀＝tanα，因此雪粒子浓度σ_s＝tanβ-tanα。

进一步优选的，所述传感器通过线缆3连接至设备箱10中的控制器。

所述测量支架包括测杆8、T型连杆15和传感器横杆16，所述侧杆顶部通过转轴13与T型连杆15相接，所述T型连杆15的横轴一端安装定向尾翼14，另一侧与传感器横杆16相连，所述传感器通过螺丝固定在传感器横杆16上。在采集风速和风压数据时，根据实时的风向偏转，利用定向尾翼14调整方向，确保对风速值和风压值，进行准确采集。

所述侧杆底部通过底座6埋设在地面7上。底座6为混凝土浇筑而成。在测杆8底部，通过将底座6埋设在地面7下方，实现测量支架整体固定，不易翻倒，提高了装置整体的稳定性，易于布设。

所述电源模块包括储能电池，所述控制器与储能电池9连接。所述储能电池连接太阳能电池板4；供电电源采用太阳能电池板4和储能电池相结合，提供工作电源，适合野外监测环境，降低了能耗需求，提高了使用寿命。

所述侧杆的一侧中上部设有电池板支架5，所述电池板支架5上设置太阳能电池板4，侧杆另一侧的中上部设有设备箱10支架，所述设备箱10支架上安装设备箱10。通过太阳能电池板4与安装设备箱10相对设置，保证了测量支架的平稳。

所述传输模块为无线通信模块，至少包括LORA通信、GPRS通信、WIFI通信中任意一种。传感器将采集的风速值和风压值，发送至设备箱中的控制器，通过控制器进行滤波或信号放大等处理后，将风速值和风压值换算为雪粒子浓度，利用无线通信模块实现测量数据传输至远端监控计算机中，实现了对雪粒子的现场测量和记录，有利于实时掌握风吹雪的情况下，避免风吹雪对基础设施造成严重灾害。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种雪粒子浓度测量装置，其特征在于，包括：测量支架以及设置在测量支架上的设备箱和传感器，所述传感器用于采集风速值和风压值；所述设备箱中设有控制电路板和电源模块；所述控制电路板包括控制器以及与控制器连接的传输模块；所述控制器连接传感器；所述控制器用于根据风速值和风压值计算雪粒子浓度；

所述计算雪粒子浓度包括如下方法：

在无雪时，大量采集风速、风压测量值，计算参照空气密度值；

获取风吹雪状态下传感器采集到的风速、风压测量值，计算风吹雪状态下的混合空气密度值；对得出的混合空气密度值与当前风速对应的参照空气密度值进行差值计算，得出雪粒子浓度；

其中，混合空气密度值和参照空气密度值采用如下方法计算得出：

大量采集风速、风压测量值，以风速值的平方作为平面直角坐标系中的横轴，风压值的二倍作为纵坐标，进行曲线拟合，绘制参照空气密度分布曲线；

根据风吹雪状态下检测到的风速值的平方和风压值的2倍作为监测点的横坐标和纵坐标，确定该监测点在平面直角坐标系中的位置，计算测量点与原点连线与横轴所成夹角的正切值，作为混合空气密度值；

在参照空气密度分布曲线中根据风吹雪状态下检测到的风速的平方值查找该曲线中对应的参考点，根据参考点坐标，计算参考点与原点连线与横轴所成夹角的正切值，作为参照空气密度值。

2.根据权利要求1所述的雪粒子浓度测量装置，其特征在于，所述传感器通过线缆连接至设备箱中的控制器；所述传感器包括风速传感器和风压传感器。

3.根据权利要求1所述的雪粒子浓度测量装置，其特征在于，所述测量支架包括侧杆、T型连杆和传感器横杆，所述侧杆顶部通过转轴与T型连杆相接，所述T型连杆的横轴一端安装定向尾翼，另一侧与传感器横杆相连，所述传感器通过螺丝固定在传感器横杆上。

4.根据权利要求3所述的雪粒子浓度测量装置，其特征在于，所述侧杆底部通过底座埋设在地面上；所述底座为混凝土浇筑而成。

5.根据权利要求3所述的雪粒子浓度测量装置，其特征在于，所述电源模块包括储能电池，所述控制器与储能电池连接。

6.根据权利要求5所述的雪粒子浓度测量装置，其特征在于，所述侧杆的中上部设有电池板支架，所述电池板支架上设置太阳能电池板，所述太阳能电池板连接储能电池。

7.根据权利要求3所述的雪粒子浓度测量装置，其特征在于，所述侧杆的中上部设有设备箱支架，所述设备箱支架上安装设备箱。

8.根据权利要求1所述的雪粒子浓度测量方法，其特征在于，根据如下公式计算无雪或风吹雪状态下的空气密度值：

根据如下公式计算雪粒子浓度值：

σ_s＝σ₁-σ₀

其中，P表示风压值，v表示风速值，σ₁为风吹雪状态下的空气密度值；σ₀为参照空气密度值。

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