CN113204060A - 一种自供电分布式天气预报装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自供电分布式天气预报装置，包括雨量计量装置、风力计量装置和信号处理模块；雨量计量装置包括外壳、引水漏斗和两个以上条形电极，条形电极平行设置于外壳内侧壁上，引水漏斗罩收集雨水并引流到外壳上，当雨水流过外壳时，雨水与外壳摩擦带电，条形电极之间产生电压并将电压信号和电能传输到信号处理模块；风力计量装置包括支撑体、电极阵列和保护层，当风吹过保护层时，风与保护层摩擦带电，电极阵列与地之间产生电压并将电压信号和电能传输到信号处理模块；信号处理模块包括能量存储单元和信号传输单元，信号处理模块包括能量存储单元和信号传输单元。该装置有利于实时测量雨量和多方向的风力，且能进行自供电，应用范围广。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种自供电分布式天气预报装置。
背景技术
降雨量及风速是重要的气象要素，其无论是对气象监测还是人们日常生活都会产生重大的影响。目前常见的雨量计包括翻斗式、虹吸式、称重式，其时间间隔在1小时到24小时不等，不能实现一段持续时间内的实时记录。同时，传统的雨量计都需要外部电源提供能量，偏远地区及大量的电池更换或充电充满了挑战。另一方面，风速计常采用风杯风速计，在风力的作用下，风杯绕轴转动，其转速正比于风速，其不适用于多个方向的速度风量测量，也不可避免的面临供电问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自供电分布式天气预报装置，该装置有利于实时测量雨量和多方向的风力，且能进行自供电，应用范围广。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自供电分布式天气预报装置，包括雨量计量装置、风力计量装置、能量存储模块、信号处理模块和信号传输单元；所述雨量计量装置包括外壳、引水漏斗和两个以上条形电极，所述两个以上条形电极平行设置于外壳内侧壁上，所述引水漏斗罩设于外壳外侧，用于收集雨水并引流到外壳上，当雨水流过外壳时，雨水与外壳摩擦带电，条形电极之间产生电压，电压信号传输到信号处理模块，同时电能传递到能量存储模块；所述风力计量装置设置于雨量计量装置上侧，包括从内到外依次设置的支撑体、电极阵列和保护层，电极阵列接地，当风吹过保护层时，风与保护层摩擦带电，电极阵列和地之间产生电压，电压信号传输到信号处理模块，同时电能传递到能量存储模块；所述能量存储模块用于存储雨水和风产生的电能并为信号处理模块和信号传输单元供电，所述信号传输单元将信号处理模块处理后的雨量、风力和风向信息通过无线网络上传至上位系统。
进一步地，所述能量存储模块主要由能量管理电路和储能单元组成，所述信号处理模块主要由放大电路、滤波电路和转换电路组成。
进一步地，所述外壳为半球形、半椭球形或多面体形结构，所述外壳由绝缘材料构成，外壳具有疏水性外表面，厚度为0.01mm-1mm。
进一步地，所述引水漏斗包括上下连接在一起的收集部和引流部，所述收集部开口向上，用于收集各个方向单位时间单位体积内的雨水，所述引流部的形状结构与外壳相适应，并罩设于外壳外侧，以将收集到的雨水引流到外壳上。
进一步地，所述条形电极为环状条形电极，各环状条形电极同心设置于外壳内侧壁上，各环状条形电极之间的间隔为1mm-50mm，雨水流过外壳时，外壳和雨水带上不同电荷，在相邻两个电极之间产生电压，电压的大小和频率与雨水流速成正比，根据电压大小和频率可以计算出降雨量。
进一步地，所述风力计量装置的支撑体为圆柱体结构，所述电极阵列和保护层依次设置于支撑体的外周部，所述电极阵列和保护层相接触的表面具有凹凸起伏结构，以提高发电效率。
进一步地，所述电极阵列的各电极沿周向间隔、均匀布设于支撑体外周部，两个相邻电极之间的夹角不大于45度。
进一步地，所述电极阵列的电极材料的选择范围包括石墨、石墨烯、碳纳米管、金、银、铝、铂、铜、镍以及有机导电材料；所述支撑体由绝缘材料构成，所述保护层由绝缘材料构成，绝缘材料的选择范围包括聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂，所述保护层的厚度为0.01mm-1mm。
进一步地，该装置在监测雨量和风力的同时产生电能，并存储在能量存储单元中，存储的电能为信号处理模块供电，实现自供电天气预报。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种自供电分布式天气预报装置，该装置可以实时测量雨量和多方向的风速风量，同时将风力和降雨的能量转化为电能实现自供电，大大降低了更换电池的人力成本，减小了电池污染，有利于实现天气预报装置在偏远地区及极端区域的布置。
附图说明
图1是本发明实施例的装置结构侧视图。
图2是本发明实施例的装置结构俯视图。
图3是本发明实施例中风力计量装置的结构示意图。
图4是本发明实施例中降雨传感工作原理图。
图5是本发明实施例中风力传感工作原理图。
图6是本发明实施例的电路原理图。
图7是本发明实施例中的风力传感信号示意图。
图中：1-外壳；2-条形电极；3-引水漏斗；4-支撑体；5-电极阵列；6-保护层；7-能量存储模块；8-信号处理模块；9-信号传输单元。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-6所示，本实施例提供了一种自供电分布式天气预报装置，包括雨量计量装置、风力计量装置、能量存储模块7、信号处理模块8和信号传输单元9。所述雨量计量装置包括外壳1、引水漏斗3和两个以上条形电极2，所述两个以上条形2电极平行设置于外壳1内侧壁上，所述引水漏斗3罩设于外壳1外侧，用于收集雨水并引流到外壳上，当雨水流过外壳时，雨水与外壳摩擦带电，条形电极之间产生电压，电压信号传输到信号处理模块8，信号处理模块8根据电压的大小和分布预测风力和风向，同时电能传递到能量存储模块7。所述风力计量装置设置于雨量计量装置上侧，包括从内到外依次设置的支撑体4、电极阵列5和保护层6，电极阵列5接地，当风吹过保护层时，风与保护层摩擦带电，电极阵列和地之间产生电压，电压信号传输到信号处理模块8，同时电能传递到能量存储模块7。所述能量存储模块7主要由能量管理电路和储能单元组成，所述信号处理模块8主要由放大电路、滤波电路和转换电路组成。所述能量存储模块7用于存储雨水和风产生的电能并为信号处理模块8和信号传输单元9供电，所述信号传输单元9将信号处理模块处理后的雨量、风力和风向信息通过无线网络上传至上位系统。
其中，所述外壳1为半球形、半椭球形或多面体形结构，所述外壳1由绝缘材料构成，外壳具有疏水性外表面，厚度为0.01mm-1mm。在本实施例中，外壳为半球形，厚度为0.1mm，外壳直径为10cm。外壳是绝缘材料，雨水落到外壳后摩擦，雨水带正电，绝缘外壳带负电，会形成电场，两个条形电极在电场下的电势不同，电子会在两个电极之间转移。所以雨水和绝缘材料上的电荷没有转移，电子在两个条形之间转移，产生电能。
所述引水漏斗3包括上下连接在一起的收集部和引流部，所述收集部开口向上，用于收集各个方向单位时间单位体积内的雨水，所述引流部的形状结构与外壳相适应，并罩设于外壳外侧，以将收集到的雨水引流到外壳上。
所述条形电极2为环状条形电极，各环状条形电极同心设置于外壳内侧壁上，各环状条形电极之间的间隔为1mm-50mm，雨水流过外壳时，外壳和雨水带上不同电荷，在相邻两个电极之间产生电压，电压的大小和频率与雨水流速成正比，根据电压大小和频率可以计算出降雨量。在本实施例中，具有两个环状条形电极，电极间隔为20mm。雨滴流过外壳，雨水带正电，外壳带负电，会在两个电极之间产生脉冲电压。
所述风力计量装置的支撑体4为圆柱体结构，所述电极阵列5和保护层6依次设置于支撑体的外周部。在本发明的较佳实施例中，所述电极阵列5和保护层6相接触的表面为具有凹凸起伏结构的粗糙表面，以提高发电效率。
所述电极阵列5的各电极沿周向间隔、均匀布设于支撑体外周部，两个相邻电极之间的夹角不大于45度。在本实施例中，风力计量装置高20cm，直径10cm，电极阵列具有8个电极，间隔均布，分别代表东、南、西、北、东南、东北、西南、西北8个方向。
所述电极阵列的电极材料的选择范围包括石墨、石墨烯、碳纳米管、金、银、铝、铂、铜、镍以及有机导电材料等；所述支撑体由绝缘材料构成，所述保护层由绝缘材料构成，绝缘材料的选择范围包括聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂等，所述保护层的厚度为0.01mm-1mm。在本实施例中，电极材料选择耐腐蚀的铂材料，保护层为绝缘材料PDMS，厚度在0.05mm。
风吹过保护层时，接触摩擦使保护层带负电，对应方位的电极和地线之间产生电压信号，电压信号的幅度代表风力大小。
该装置在监测雨量和风力的同时产生电能，并存储在能量存储单元中，存储的电能为信号处理模块供电，实现自供电天气预报。
如图7所示，当东南风吹过风力计量装置时，八个电极中只有代表东和南的两个电极会产生电压，其它六个电极没有电压信号，根据出现信号的方位推测风向；电压信号的幅度对应风力的大小，风力越大电压越大。
当下雨时，雨水通过开口的引水漏斗先收集后流向雨水计量装置，雨水流过防水外壳时，防水外壳带负电，随着雨滴的流动，两个电极之间产生电压信号，电压信号的频率与雨滴流速也就是雨量正相关，雨量越大频率越高。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，包括雨量计量装置、风力计量装置、能量存储模块、信号处理模块和信号传输单元；所述雨量计量装置包括外壳、引水漏斗和两个以上条形电极，所述两个以上条形电极平行设置于外壳内侧壁上，所述引水漏斗罩设于外壳外侧，用于收集雨水并引流到外壳上，当雨水流过外壳时，雨水与外壳摩擦带电，条形电极之间产生电压，电压信号传输到信号处理模块，同时电能传递到能量存储模块；所述风力计量装置设置于雨量计量装置上侧，包括从内到外依次设置的支撑体、电极阵列和保护层，电极阵列接地，当风吹过保护层时，风与保护层摩擦带电，电极阵列和地之间产生电压，电压信号传输到信号处理模块，同时电能传递到能量存储模块；所述能量存储模块用于存储雨水和风产生的电能并为信号处理模块和信号传输单元供电，所述信号传输单元将信号处理模块处理后的雨量、风力和风向信息通过无线网络上传至上位系统。
2.根据权利要求1所述的一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，所述能量存储模块主要由能量管理电路和储能单元组成，所述信号处理模块主要由放大电路、滤波电路和转换电路组成。
3.根据权利要求1所述的一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，所述外壳为半球形、半椭球形或多面体形结构，所述外壳由绝缘材料构成，外壳具有疏水性外表面，厚度为0.01mm-1mm。
4.根据权利要求1所述的一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，所述引水漏斗包括上下连接在一起的收集部和引流部，所述收集部开口向上，用于收集各个方向单位时间单位体积内的雨水，所述引流部的形状结构与外壳相适应，并罩设于外壳外侧，以将收集到的雨水引流到外壳上。
5.根据权利要求1所述的一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，所述条形电极为环状条形电极，各环状条形电极同心设置于外壳内侧壁上，各环状条形电极之间的间隔为1mm-50mm，雨水流过外壳时，外壳和雨水带上不同电荷，在相邻两个电极之间产生电压，电压的大小和频率与雨水流速成正比，根据电压大小和频率可以计算出降雨量。
6.根据权利要求1所述的一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，所述风力计量装置的支撑体为圆柱体结构，所述电极阵列和保护层依次设置于支撑体的外周部，所述电极阵列和保护层相接触的表面具有凹凸起伏结构，以提高发电效率。
7.根据权利要求6所述的一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，所述电极阵列的各电极沿周向间隔、均匀布设于支撑体外周部，两个相邻电极之间的夹角不大于45度。
8.根据权利要求7所述的一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，所述电极阵列的电极材料的选择范围包括石墨、石墨烯、碳纳米管、金、银、铝、铂、铜、镍以及有机导电材料；所述支撑体由绝缘材料构成，所述保护层由绝缘材料构成，绝缘材料的选择范围包括聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂，所述保护层的厚度为0.01mm-1mm。
9.根据权利要求1所述的一种自供电分布式天气预报装置，其特征在于，该装置在监测雨量和风力的同时产生电能，并存储在能量存储单元中，存储的电能为信号处理模块供电，实现自供电天气预报。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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