CN211014688U - 气象测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种气象测试装置，包括氦气球，与氦气球垂直连接的设备系留绳、固定氦气球的第一牵引绳、固定氦气球的第二牵引绳、固定氦气球的第三牵引绳，设备系留绳、第一牵引绳、第二牵引绳以及第三牵引绳与地面固定的一端均与各自地面钢筋水泥锚固桩连接；各个钢筋水泥锚固桩之间设置有地面CO传感器以及地面风速传感器；氦气球与所述设备系留绳连接处设置有GPS模块，所述设备系留绳上设置有至少一组测试组件。与现有技术相比，该装置整体可移动，并且可360°转动，所以可以做到全方位灵活的测试气象信息。

Description

气象测试装置

技术领域

本实用新型涉及气象测试技术领域，具体测试风速风向、CO浓度以及温度。

背景技术

随着科学技术的进步，人类对气象的认识越来越深，能准确的测量天气的温度、湿度、风力、风向等因素，还能预测天气，以供提醒人们注意出行安全。但现有技术的气象检测设备都很专业，价格非常昂贵。

风速不同高度的大小分布，受大气层稳定性、地形形状、表面粗糙度、气候等多种复杂因素影响，不同地域的风速高度分布差异较大。为精确地评估风力自然资源，应根据地形地貌，全方位灵活的测量。

实用新型内容

为此，本实用新型提供一种气象测试装置，该装置可灵活、高效、全方位的测试气象信息。

本实用新型的技术方案如下：

一种气象测试装置，包括氦气球，与所述氦气球垂直连接的设备系留绳、固定所述氦气球的第一牵引绳、固定所述氦气球的第二牵引绳、固定所述氦气球的第三牵引绳；

所述设备系留绳、第一牵引绳、第二牵引绳以及第三牵引绳与地面固定的一端均与各自地面钢筋水泥锚固桩连接；

所述各个钢筋水泥锚固桩之间设置有地面CO传感器以及地面风速传感器；

所述氦气球与所述设备系留绳连接处设置有GPS模块，所述设备系留绳上设置有至少一组测试组件。

可选的，所述设备系留绳上固定安装有铝杆，所述测试组件包括地上CO传感器和风速风向传感器，所述地上CO传感器与所述铝杆的一端固定连接，所述风速风向传感器与所述铝杆的另一端固定连接。

可选的，所述铝杆与所述设备系留绳垂直固定连接，其连接处成十字状。

可选的，所述氦气球与所述设备系留绳连接处还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述GPS模块连接。

可选的，所述各个钢筋水泥锚固桩之间还设置有地面温度传感器。

可选的，所述第一牵引绳、第二牵引绳以及第三牵引绳的地面钢筋水泥锚固桩成等边三角形，所述设备系留绳的地面钢筋水泥锚固桩在所述等边三角形的中心位置。

可选的，所述钢筋水泥锚固桩由预埋钢筋混凝土固定锚固连接钢筋环而成，所述设备系留绳、所述第一牵引绳、第二牵引绳以及第三牵引绳与地面固定的一端均与各自锚固连接钢筋环连接。

可选的，所述GPS模块、地面风速传感器、地面CO传感器、风速风向传感器、地上CO传感器以及温度传感器分别通过RS485接口与数据采集记录模块连接，所述数据采集记录模块通过无线网络传输信息。

可选的，所述设备系留绳、第一牵引绳、第二牵引绳及第三牵引绳均采用直径为5mm的锦丝绳，所述钢筋水泥锚固桩的质量不小于250kg。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、该装置整体可移动，并且可360°转动，所以可以做到全方位灵活的测试气象信息。

2、各个传感器通过RS485接口与数据采集记录模块连接，通过无线网络传输信息，通信方式灵活可靠。

3、该装置到达山坡或者环境恶劣的地方可以很方便的建立起来，人工成本大大降低，进而可高效的完成指定地方的测试工作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型使用单个气球测试风速风向的结构示意图；

图3为本实用新型钢筋水泥锚固桩分布图；

图4为本实用新型钢筋水泥锚固桩内部结构示意图；

图5为本实用新型测试组件安装在设备系留绳的结构示意图；

图6为本实用新型实施例力学模型图；

图7为本实用信息实施例受力分析图；

图8为数据采集记录模块通过RS485接口传输信息示意图；

其中附图标记的含义为：

1-氦气球，2-设备系留绳，3-钢筋水泥锚固桩，4-第一牵引绳，5-第二牵引绳，6-第三牵引绳，7-测试组件，8-地面CO传感器，9-地面风速传感器，10-温度传感器，11-GPS模块，12-钢筋，13-混凝土，14-锚固连接钢筋环，15-铝杆，16-地上CO传感器，17-风速风向传感器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本实用新型整体结构示意图，图2为本实用新型使用单个气球测试风速风向的结构示意图，图3为本实用新型钢筋水泥锚固桩分布图，图4为本实用新型钢筋水泥锚固桩内部结构示意图，图5为本实用新型测试组件安装在设备系留绳的结构示意图。

如图1、图2、图3、图4以及图5所示：

本实用新型的技术方案如下：

一种气象测试装置，包括氦气球1，与所述氦气球1垂直连接的设备系留绳2、固定所述氦气球的第一牵引绳4、固定所述氦气球的第二牵引绳5、固定所述氦气球的第三牵引绳6；

所述设备系留绳2、第一牵引绳4、第二牵引绳5以及第三牵引绳6与地面固定的一端均与各自地面钢筋水泥锚固桩3连接；

所述各个钢筋水泥锚固桩3之间设置有地面CO传感器8以及地面风速传感器9；

所述氦气球1与所述设备系留绳2连接处设置有GPS模块11，所述设备系留绳2上设置有至少一组测试组件7。

其中需要说明的是设备系留绳上设置至少一组测试组件，是按照氦气球的垂直高度和力学分析来确定的。

示例性地，若氦气球高度350m，需搭载测试组件9个，分别位于2m、10m、50m、100m、150m、200m、250m、300m和350m的位置。

可选的，所述设备系留绳2上固定安装有铝杆15，所述测试组件7包括地上CO传感器16和风速风向传感器17，所述地上CO传感器16与所述铝杆15的一端固定连接，所述风速风向传感器17与所述铝杆15的另一端固定连接。

可选的，所述铝杆15与所述设备系留绳2垂直固定连接，其连接处成十字状。

可选的，所述氦气球1与所述设备系留绳2连接处还设置有温度传感器10，所述温度传感器10与所述GPS模块11连接。

可选的，所述各个钢筋水泥锚固桩3之间还设置有地面温度传感器10。

可选的，所述第一牵引绳4、第二牵引绳5以及第三牵引绳6的地面钢筋水泥锚固桩3成等边三角形，所述设备系留绳2的地面钢筋水泥锚固桩3在所述等边三角形的中心位置。

可选的，所述钢筋水泥锚固桩3由预埋钢筋12混凝土13固定锚固连接钢筋环14而成，所述设备系留绳2、所述第一牵引绳4、第二牵引绳5以及第三牵引绳6与地面固定的一端均与各自锚固连接钢筋环14连接。

图8为数据采集记录模块通过RS485接口传输信息示意图，如图8所示：

可选的，所述GPS模块11、地面风速传感器9、地面CO传感器8、风速风向传感器17、地上CO传感器16以及温度传感器10分别通过RS485接口与数据采集记录模块连接，所述数据采集记录模块通过无线网络传输信息。

其中GPS模块、地面风速传感器、地面CO传感器、风速风向传感器、CO传感器以及温度传感器均设置有太阳能电池板，能够供给电源能量传输信息。

气球平台由氦气球、牵引绳、设备系留绳、钢筋水泥锚固桩等组成。氦气球当量直径5m，容积65.42m³，产生浮力约68kgf，氦气球通过三根牵引绳与地面钢筋水泥锚固桩连接，用于气球的固定。在气球高度350m时配锚固桩距离气球地面投影位置90m。气球正下方设置设备系留绳用于测试组件的安装。

气球施放

气球通过三根牵引绳和一根设备系留绳与地面水泥锚固桩进行连接，气球施放高度通过中部设备系留绳进行控制，通过在设备系留上标注长度从而确定气球施放的高度。气球施放时，同时按一定的施放速度控制各绳索的缓慢施放，同时注意中部设备系留绳上的长度标识确定气球的高度，达到预定高度后将4根绳索固定到水泥锚固桩上，完成气球的施放。

受力分析及参数确定

为保证试验安全和相关设计参数的确定，针对6级风载工况下的气球安装平台进行相关力学分析，并给出气球平台安装实施的关键参数。

当气球安装平台安装完成后，气球在浮力和设备系留绳以及各个牵引绳拉力及设备质量力的作用下平衡，此时的力学模型可以简化为图6所示。当气球平台受到风载时，气球将沿气流方向发生移动，此时3根系留绳中至少有1根将会松弛，但该松弛绳索的重力和阻力仍然会传递到气球上。保守计算时，在风载作用下，有两根系留绳发生松弛，主要载荷仅通过一根系留绳传递，此时在AOM平面内对气球进行受力分析如图7所示。

D——气球受到的气动阻力；

FMO——绳MO受到的气动阻力传给气球的分力；

FMC——绳MC受到的气动阻力传给气球的分力；

FMB——绳MB受到的气动阻力传给气球的分力；

GMO——绳MO及其上传感器的重力；

GMB——绳MB的重力；

GMC——绳MC的重力；

L——气球净浮力＝气球浮力-气球自重；

FMA——绳MA对气球的拉力。

根据图6列两个方向的平衡方程有：

D+F_MO+F_MC+F_MB＝F_MA cos(α)

L＝G_MO+G_MC+G_MB+F_MA sin(α)

根据《The Fundamental of Aerodynamic》，圆球的阻力系数随雷诺数变化曲线，对于6级风速(取13.8m/s)，气球的阻力系数取0.4，此时计算气球受到气动阻力为：

D＝0.5×1.225×13.8²×3.14×2.5²×0.4N＝915.66N

根据《飞机设计手册》第6册第七章中垂直于来流的不同长细比圆杆的阻力系数，对于本实施例中的设备系留绳以及牵引绳，直径为5mm时，其长细比大于4000，如表1所示，因此C_DC取1.2，当气球高度200m时MA、MB、MC与气流夹角分别为19.3°、9.5°、9.5°，当气球高度350m时MA、MB、MC与气流夹角分别为14.4°7.2°、7.2°

表1

由此计算当气球高度200m时，气流作用在各绳索上的气动阻力在气球上的分力为：

F_MB＝F_MC＝0.5×1.225×13.8²×0.005×211×1.2×0.96N×0.5＝70.89N

F_MO＝0.5×1.225×13.8²×0.005×200×1.2×0.5N＝69.98N

F_MA＝0.5×1.225×13.8²×0.005×211×1.2×0.9×0.5N＝66.45N

当气球高度350m时，气流作用在各绳索上的气动阻力在气球上的分力为：

F_MB＝F_MC＝0.5×1.225×13.8²×0.005×361×1.2×0.97×0.5N＝122.58N

F_MO＝0.5×1.225×13.8²×0.005×350×1.2×0.5N＝122.47N

F_MA＝0.5×1.225×13.8²×0.005×361×1.2×0.92×0.5N＝116.22N

使用单个气球测试风速风向，同时测试地面的CO浓度，气球高度200m，需要搭载9个风速风向传感器，传感器重量为0.5kg每件，锦丝绳的线密度取12g/m，此时各部件重力为：

G_MB＝G_MC＝0.012*9.8*211N＝24.81N

G_MO＝0.012*9.8*200+9*0.5*9.8N＝67.62N

氦气球的净浮力取68kgf＝666.4N，联立以上各式计算气球高度200m时，F_MC＝1255.90N，气球高度350m时F_MC＝1376.60N。

如果绳索直径取6mm，则在气球高度200m时，F_MC＝11465.23N，气球高度350m时F_MC＝1445.37N。

综上所述，当牵引绳直径为5mm时，应保证绳索承重能力大于1376.60N，当牵引绳直径为6mm时，应保证绳索承重能力大于1445.37N。保守考虑，锚固桩的拉脱力应不小于2000N。本次试验选用直径为5mm的锦丝绳，承载能力不低于2500N，水泥锚固桩质量不小于250kg。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种气象测试装置，其特征在于：包括氦气球，与所述氦气球垂直连接的设备系留绳、固定所述氦气球的第一牵引绳、固定所述氦气球的第二牵引绳、固定所述氦气球的第三牵引绳；

所述设备系留绳、第一牵引绳、第二牵引绳以及第三牵引绳与地面固定的一端均与各自地面钢筋水泥锚固桩连接；

所述各个钢筋水泥锚固桩之间设置有地面CO传感器以及地面风速传感器；

所述氦气球与所述设备系留绳连接处设置有GPS模块，所述设备系留绳上设置有至少一组测试组件。

2.根据权利要求1所述的气象测试装置，其特征在于：所述设备系留绳上固定安装有铝杆，所述测试组件包括地上CO传感器和风速风向传感器，所述地上CO传感器与所述铝杆的一端固定连接，所述风速风向传感器与所述铝杆的另一端固定连接。

3.根据权利要求2所述的气象测试装置，其特征在于：所述铝杆与所述设备系留绳垂直固定连接，其连接处成十字状。

4.根据权利要求3所述的气象测试装置，其特征在于：所述氦气球与所述设备系留绳连接处还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述GPS模块连接。

5.根据权利要求4所述的气象测试装置，其特征在于：所述各个钢筋水泥锚固桩之间还设置有地面温度传感器。

6.根据权利要求5所述的气象测试装置，其特征在于：所述第一牵引绳、第二牵引绳以及第三牵引绳的地面钢筋水泥锚固桩成等边三角形，所述设备系留绳的地面钢筋水泥锚固桩在所述等边三角形的中心位置。

7.根据权利要求6所述的气象测试装置，其特征在于：所述钢筋水泥锚固桩由预埋钢筋混凝土固定锚固连接钢筋环而成，所述设备系留绳、所述第一牵引绳、第二牵引绳以及第三牵引绳与地面固定的一端均与各自锚固连接钢筋环连接。

8.根据权利要求7所述的气象测试装置，其特征在于：所述GPS模块、地面风速传感器、地面CO传感器、风速风向传感器、地上CO传感器以及温度传感器分别通过RS485接口与数据采集记录模块连接，所述数据采集记录模块通过无线网络传输信息。

9.根据权利要求8所述的气象测试装置，其特征在于：所述设备系留绳、第一牵引绳、第二牵引绳及第三牵引绳均采用直径为5mm的锦丝绳，所述钢筋水泥锚固桩的质量不小于250kg。

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