CZ303151B6

CZ303151B6 - Apparatus to measure energy flows at boundary of ground surface and atmosphere

Info

Publication number: CZ303151B6
Application number: CZ20110251A
Authority: CZ
Inventors: Jirka@Vladimír; Zicha@Josef
Original assignee: Enki O.P.S.
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-05-02
Also published as: CZ2011251A3

Abstract

The apparatus to measure energy flows at boundary of ground surface and atmosphere within the measurement area (26) of the present invention consists of a transportable measuring pole (1) provided with means for setting the pole (1) in the measurement area (26), further with a thermal camera (10) and a NET radiometer (12) for monitoring temperature scene within the measurement area (26), and an evaluation and recording unit (30). The apparatus further comprises at least one ground meteorological station (2) arranged within the measurement area (26), and sensors for measuring physical quantities, which are arranged below and/or above the ground and are fastened to the ground meteorological station and/or the measuring pole (1). Preferably, the sensors are selected from the group consisting of an air temperature and relative humidity sensor (16) and a wind velocity and direction sensor (17) wherein the sensors (16, 17) are arranged on the measuring pole (1) in at least two height levels, and the thermal camera (10) is mounted on the pole (1) with a possibility of its vertical movement relative to the ground surface within the measurement area (26). On the top of the measuring pole (1) , there is fastened a horizontal bracket (7) having at its one end a platform (8) provided with means for positionally reproducible bearing of a vertically movable carrier (9) carrying the thermal camera (10), while at the other end thereof, there is fastened the NET radiometer (12).

Description

Zařízeni pro měření energetických toků na rozhraní zemského povrchu a atmosféryEquipment for measuring energy flows at the interface of the Earth's surface and the atmosphere

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká zařízení pro měření energetických toků v přírodě, které umožňuje vytvořit teplotní mapu zkoumaného biotopu o velikosti řádu stovek m² a na základě měření a výpočtů s vysokou pravděpodobností popsat energetické toky na rozhraní zemského povrchu a atmosféry, tj. rozložení a transport energie slunečního záření, dopadajícího na zemský povrch. Zařízení je určeno pro absolutní a komparační měření teplot a především pro posouzení vlivu dopadajícího slunečního záření na jednotlivé typy porostů. Umožňuje porovnat metody a čidla pro měření radiačních teplot, teplot vzduchu nad porosty i teplot povrchů porostu a určit energetické toky v přízemní vrstvě atmosféry. Zařízení slouží ke změření a pochopení fyzikální podstaty dějů, odehrávajících se v přízemní vrstvě atmosféry. Zařízení je především určeno k porovnání rozloís žení teplot a následně energetických toků v rozdílných porostech v rámci biotypu a tím k popsání odezvy porostu na zásahy lidské činnosti.The invention relates to a device for measuring energy fluxes in nature, which makes it possible to create a temperature map of the studied habitat of the order of hundreds of m ² and based on measurements and calculations with high probability to describe energy fluxes on the interface radiation falling on the Earth's surface. The device is designed for absolute and comparative temperature measurement and especially for assessing the impact of incident solar radiation on individual types of stands. It enables to compare methods and sensors for measurement of radiation temperatures, air temperatures above stands and temperatures of stand surfaces and to determine energy flows in the ground layer of the atmosphere. The device is used to measure and understand the physical nature of the events taking place in the ground layer of the atmosphere. The equipment is primarily intended to compare temperature distribution and consequently energy flows in different stands within the biotype and thus to describe the stand's response to human intervention.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Meteorologické podmínky v přízemní vrstvě atmosféry se zjišťují pomocí stacionárních nebo přenosných měřicích stanic, označovaných jako meteostanice. Přenosné meteostanice jsou umístěné zpravidla na betonové základní desce, se kterou je možné je transportovat na místo určení. Tyto meteostanice jsou standardně vybaveny Čidly teploty, vlhkosti, vodních srážek, síly větru, spadu sněhu, intenzity slunečního záření a dalšími, a jsou jednotlivě dálkově propojeny prostředky pro přenos dat s centrálním pracovištěm pro vyhodnocení a další zpracování naměřených hodnot.The meteorological conditions in the ground-level layer of the atmosphere are determined using stationary or portable measuring stations, referred to as weather stations. Portable weather stations are usually placed on a concrete base plate, with which they can be transported to their destination. These weather stations are equipped as standard with sensors of temperature, humidity, rainfall, wind strength, snow fall, sunlight intensity and others, and are individually remotely connected by means of data transmission with central workplace for evaluation and further processing of measured values.

Nevýhoda známých stacionárních i přenosných meteostanic spočívá v tom, že je nelze využít pro systémové zjišťování energetických toků v přízemní vrstvě atmosféry v určité lokalitě, neboť se měří v diskrétních bodech, a ani v případě, že by tyto meteostanice byly propojeny do dostatečně husté měřicí sítě, pokrývající měřenou lokalitu, nebylo by možné z takto vytvořené sítě získat data využitelná pro zjišťování energetických toků. Kromě toho, vybudování dostatečně husté měřicí sítě na každé měřené lokalitě není reálné ze stavebních, právních ani finančních důvodů.The disadvantage of known stationary and portable weather stations is that they cannot be used for systematic detection of energy flows in the ground-level layer of the atmosphere in a given location, as they are measured at discrete points, even if these weather stations are connected to a sufficiently dense measuring network. , covering the measured locality, it would not be possible to obtain data usable for the detection of energy flows from such a network. In addition, building a sufficiently dense metering network at each site is not realistic for construction, legal or financial reasons.

Již dříve byly pro potřeby meteorologie, kartografie i klasifikace ekologické zátěže využívány prostředky dálkového průzkumu Země (DPZ), především družicové a letecké snímky v různých spektrálních oblastech. Nejnověji se provádí pokusy se snímky pořízenými ze sofistikovaně řiditelných vzducholodí. Existují zavedené postupy na kalibraci získaných fyzikálních veličin z těch40 to podkladů. Vzhledem k výšce oběžné dráhy družic 350 až 750 km jsou jejich detekční soustavy schopné dodávat globální plošná data s rozlišením 30 až 1000 m na pixel. Hustota těchto dat je dostatečná pro postižení chování ekosystémů v regionálním měřítku a jejich popisu na úrovni desítek km². Z letadel jsme schopni dosáhnout rozlišení 0,5 až 2 m na pixel a ze vzducholodi 0,1 až 1 m. Zásadním problémem je vysoká cena služeb specializovaných leteckých společností a tedy i snímků, získaných speciálně upravenými letadly a vzducholoděmi. Nevýhodou řešení využívajících prostředků DPZ je i jejich nízká plošná rozlišovací schopnost ve srovnání s pevnou pozemní stanicí a diskontinuita v čase. Všechna doposud známá řešení vycházejí z měření provedených z pohyblivých nosičů senzorů (družice, letadlo, vzducholoď), které je limitují v čase. Družice je schopna sledovanou lokalitu monitorovat jednou za dva dny, letadlem je možno loka50 litu monitorovat dvakrát až pětkrát za den a vzducholodí přibližně až dvacetkrát. Další nevýhodou těchto zařízení je jejich malá operativnost, nemožnost ovlivnění doby přeletu nad měřeným územím a tudíž nemožné či velmi obtížné zajištění přesné periodicity měření pro zaznamenání dynamiky jevů ve studovaném porostu. Další nevýhodou je závislost na meteorologických podmínkách, které podstatně omezují využitelnost prostředků DPZ, a obtížná interpretace kalibrace pixelu vzhledem k jeho velkému rozměru a tedy značné variabilitě.Previously, remote sensing, especially satellite and aerial images in various spectral areas, were used for meteorology, cartography and environmental burden classification. Most recently, experiments are performed with images taken from sophisticated controllable airships. There are established procedures to calibrate the physical quantities obtained from these 40 substrates. Due to the orbital height of 350 to 750 km, their detection systems are capable of delivering global surface data at a resolution of 30 to 1000 m per pixel. The density of these data is sufficient to cover the behavior of ecosystems on a regional scale and to describe them at tens of km ² . From aircraft we are able to achieve a resolution of 0.5 to 2 m per pixel and from an airship 0.1 to 1 m. The disadvantage of remote sensing solutions is their low surface resolution compared to a fixed ground station and discontinuity over time. All known solutions are based on measurements made from movable sensor carriers (satellite, aircraft, airship), which limit them over time. The satellite is able to monitor the monitored site once every two days, the aircraft can be monitored locally 50 to two times a day and airships approximately twenty times. Another disadvantage of these devices is their low operability, impossibility to influence the crossing time over the measured area and therefore impossible or very difficult to ensure accurate periodicity of measurement to record the dynamics of phenomena in the studied stand. Another disadvantage is the dependence on meteorological conditions, which considerably limit the usability of the remote sensing means and the difficult interpretation of the pixel calibration due to its large size and hence considerable variability.

-1CZ 303151 B6-1GB 303151 B6

Úkolem vynálezu je proto vyvinout a realizovat zařízení pro měření energetických toků na rozhraní zemského povrchu a přízemní vrstvy atmosféry, které odstraní výše uvedené nedostatky, vyznačující se jednak zvýšenou rozlišovací schopností, důležitou pro pochopení mikroklimatických jevů, a časovou souvztažností mezi samotným měřením a výsledky doručenými ke zpracování. Zařízení by se dále mělo vyznačovat nízkými výrobními i provozními náklady a tudíž nízkou cenou snímků a naměřených hodnot.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to develop and implement an energy flow measuring device at the interface between the Earth's surface and the ground-level atmosphere, which removes the above-mentioned deficiencies, characterized by enhanced resolution, important for understanding microclimatic phenomena and temporal correlation. treatment. In addition, the equipment should be characterized by low production and operating costs and hence low cost of images and measured values.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje měřicí zařízení podle vynálezu, využívající transportabilní měřicí stožár s termovizní kamerou a čidly na zjišťování rozdílu mezi radiační teplotou, teplotou povrchů porostu a teplotami vzdušné hmoty (masy) v porostu a nad porostem a umožňující popis dynamiky energetických toků v přízemní vrstvě atmosféry. Čidla pro měření fyzikálních veličin jsou umístěna jednak na transportabilním měřicím stožáru a také na měřené ploše, monitorované termovizní kamerou. Podstata a hlavní výhoda vynálezu spočívá v tom, že zařízení průběžně zaznamenává teplotní scénu měřené oblasti, snímanou svisle, která je ovlivněná změnou směru dopadajícího přímého slunečního záření, způsobenou pohybem Slunce po obloze. Naměřená data jsou doplněna bodovými měřeními na pozemní meteostanici a vizuálními snímky, získanými ze stožáru.The aforementioned disadvantages are largely eliminated by the measuring device according to the invention, using a transportable measuring mast with a thermal imaging camera and sensors to detect the difference between the radiation temperature, stand surface temperature and air mass (mass) temperatures in the stand and above the stand. ground-level atmosphere. Sensors for measuring physical quantities are located on the transportable measuring mast and on the measured area, monitored by a thermal imaging camera. The principle and the main advantage of the invention is that the device continuously records the temperature scene of the measured area, sensed vertically, which is influenced by the change of direction of incident direct solar radiation caused by the movement of the Sun in the sky. The measured data are supplemented with spot measurements on the ground weather station and visual images obtained from the mast.

Podstata zařízení pro měření energetických toků na rozhraní zemského povrchu a atmosféry v měřené oblasti podle vynálezu spočívá v tom, že zařízení sestává z transportabilního měřicího stožáru opatřeného prostředky pro ustavení stožáru v měřené oblasti, a dále opatřeného termovizní kamerou a NET radiometrem pro monitoring teplotní scény měřené oblasti a vyhodnocovací a záznamovou jednotkou. Zařízení dále sestává z alespoň jedné pozemní meteostanice uspořádané v měřené oblasti, přičemž čidla pro měření fyzikálních veličin jsou uspořádána pod zemí a/nebo nad zemí a jsou upevněna k pozemní meteostanici a/nebo ke stožáru.The essence of the device for measuring energy flows at the boundary of the Earth's surface and the atmosphere in the measured area according to the invention consists in that the device consists of a transportable measuring mast provided with means for positioning the mast in the measured area and further equipped with thermovision camera and NET radiometer for monitoring the temperature scene measured area and evaluation and recording unit. The apparatus further comprises at least one ground weather station arranged in the measurement area, wherein the sensors for measuring physical quantities are arranged underground and / or above ground and are fixed to the ground weather station and / or to the mast.

NET radiometr snímá dopadající i odražené záření v infračervené i viditelné spektrální oblasti a teplotu vlastního čidla NET radiometru. Čidlo má aperturu 180°. Termovizní kamerou lze snímat zemský povrch s aperturou 12°, 24°, 45°. Hodnoty jsou důležité pro posouzení vlivu délky expozice a především směru dopadajícího slunečního záření na vyhodnocování družicových snímků v infračervené oblasti. Na stožáru je tak přímo měřena energie dopadající a odražené krátkovlnné složky globálního slunečního záření ve spektrální oblasti 300 až 2800 nm. Součástí měřicí instrumentace stožáru jsou dva snímače tepelného toku v půdě. Na stanici jsou měřeny také dopadající a odražené záření v tepelné oblasti 4500 až 42 000 nm a teplota čidla, ze kterých je počítána efektivní teplota oblohy pro daný region a tlak vzduchu pro stanovení tlaku vodních par.NET radiometer senses incident and reflected radiation in infrared and visible spectral range and temperature of NET sensor itself. The sensor has an aperture of 180 °. The infrared camera can capture the earth's surface with an aperture of 12 °, 24 °, 45 °. The values are important for assessing the effect of exposure duration and especially the direction of incident solar radiation on the evaluation of satellite images in the infrared region. The energy of the incident and reflected short-wave component of global solar radiation in the spectral range 300 to 2800 nm is directly measured on the mast. The measuring instrumentation of the mast includes two heat flow sensors in the soil. The station also measures incident and reflected radiation in the thermal range of 4500 to 42,000 nm and the sensor temperature from which the effective sky temperature for a given region and the air pressure to determine the water vapor pressure are calculated.

Ve výhodném provedení vynálezu jsou čidla pro měření fyzikálních veličin upevněná na stožáru tvořena čidlem teploty a relativní vlhkosti vzduchu a čidlem rychlosti a směru větru, přičemž čidla jsou uspořádána na stožáru alespoň ve dvou výškových úrovních, a termovizní kamera je na stožáru uložena s možností jejího vertikálního pohybu vůči zemskému povrchu v měřené oblasti, aby s ní bylo možno manipulovat v různých výškách nad měřenou oblastí a aby ji bylo možno jednoduše a rychle demontovat.In a preferred embodiment of the invention, the sensors for measuring physical quantities mounted on the mast are a temperature and relative humidity sensor and a wind speed and direction sensor, the sensors being arranged on the mast at at least two height levels, and the thermal imaging camera mounted on the mast with vertical movement in relation to the earth's surface in the measuring area, so that it can be handled at different heights above the measuring area and can be easily and quickly dismantled.

Aby si navzájem nestínily termovizní kamera a NET radiometr, jev dalším výhodném provedení vynálezu na vrcholu stožáru upevněn horizontální krakorec, na jehož jednom konci je platforma opatřená prostředkem pro polohově reprodukovatelné dosednutí vertikálně pohyblivého nosiče nesoucího termovizní kameru, a na jeho druhém konci je upevněn NET radiometr. Reprodukovatelná poloha nosiče a tím i termovizní kamery vůči krakorci a stožáru je velmi důležitá pro přesnost měření. Na nosiči je vedle termovizní kamery s výhodou uspořádán i fotoaparát pro zhotovování vizuálních snímků měřené oblasti.In order not to obscure the thermal imaging camera and the NET radiometer, in another preferred embodiment of the invention, a horizontal cantilever is mounted at the top of the mast, at one end of which a platform is provided with means for positionally reproducible mounting of the vertically movable carrier . The reproducible position of the carrier and hence the thermal imaging camera relative to the cradle and mast is very important for the accuracy of the measurement. In addition to the thermal imaging camera, a camera for taking visual images of the measured area is preferably provided on the carrier.

-2CZ 303151 B6-2GB 303151 B6

Z hlediska dosažení konstrukčně jednoduchého, lehkého a přitom dostatečně přesného mechanismu pro zvedání a spouštění nosiče je výhodné, když nosič termovizní kamery i platforma jsou trojúhelníkového tvaru, a nosič je ve vrcholech trojúhelníka upevněn na třech manipulačních lánech, která procházejí otvory ve vrcholem trojúhelníka platformy. Tato manipulační lana jsou dále vedena přes soustavu kladek na opačný konec krakorce, a dálejsou spojena trojúhelníkovým kompenzátorem, z jehož těžiště vychází centrální manipulační lano, kterým je možné ovládat zvedání a spouštění nosiče ručně nebo mechanicky. Nosič termovizní kamery a fotoaparátu lze během několika desítek sekund spustit k operátorovi nebo vytáhnout do pracovní polohy. Tato možnost je využívána pro sběr dat z paměťové karty kamery a při náhlé změně meteorologických podmínek.In order to achieve a constructionally simple, lightweight yet sufficiently precise mechanism for lifting and lowering the carrier, it is preferred that the thermal imager camera carrier and platform are triangular in shape, and the carrier is fixed at the apex of the triangle on three handling lines that pass through the apertures in the apex of the platform. These handling ropes are further guided through a set of pulleys to the opposite end of the cradle, and are connected by a triangular compensator from which the center of the handling cable extends from which the lifting and lowering of the carrier can be controlled manually or mechanically. The infrared camera and camera carrier can be lowered to the operator or pulled into working position within a few tens of seconds. This option is used to collect data from the camera's memory card and suddenly change meteorological conditions.

V dalším konstrukčně výhodném provedení vynálezu je prostředek pro polohově reprodukovatelné dosednutí vertikálně pohyblivého nosiče nesoucího termovizní kameru na platformu tvořen třemi kuličkami uspořádanými na nosiči, které dosedají do třech prismatických drážek na platformě, přičemž manipulační lana z nosiče procházejí středy kuliček a dále otvory v prismatických drážkách platformy na kladky.In another constructionally advantageous embodiment of the invention, the means for positively reproducing the vertically movable carrier carrying the thermal imaging camera to the platform is formed by three balls arranged on the carrier, which abut into three prismatic grooves on the platform. platforms for pulleys.

Pokus se týká pozemní meteostanice, která je součástí zařízení podle vynálezu, pak pozemní meteostanice je s výhodou přenosná, je uspořádána na základové desce, a je opatřena čidly teploty a relativní vlhkosti vzduchu ve výšce 0,3 m nad zemí a 2 m nad zemí, dále čidlem rychlosti a směru větru, Čidlem úhrnu srážek, čidlem teploty půdního profilu, senzorem energetického toku a čidlem objemové vlhkosti půdy.The experiment relates to a terrestrial weather station which is part of the device according to the invention, the terrestrial weather station being preferably portable, arranged on a base plate and provided with temperature and relative humidity sensors at a height of 0.3 m above the ground and 2 m above the ground. the wind speed and direction sensor, rainfall sensor, soil profile temperature sensor, energy flow sensor and soil moisture content sensor.

V dalším výhodném provedení vynálezu je pozemní meteostanice opatřena automatickou záznamovou a řídicí jednotkou s nezávislým zdrojem energie, opatřenou telekomunikačním zařízením pro přenos elektronických dat na vzdálený server.In another preferred embodiment of the invention, the terrestrial weather station is provided with an automatic recording and control unit with an independent power supply, provided with a telecommunication device for transmission of electronic data to a remote server.

Vzhledem k tomu, že stožár je transportovatelný z jedné měřené oblasti do druhé, pak je výhodné, že stožár sestává z alespoň dvou rozebíratelně spojených sekcí vyrobených z uhlíkových kompozitů a spojených přírubami se středícími podložkami, přičemž k přírubám nebo ke středícím podložkám jsou upevněny nosiče čidel pro měření fyzikálních veličin. Stožár tak lze jednoduše transportovat v rozloženém stavu a smontovat až v měřené oblasti. K měření meteorologických dat ve výškovém profiluje využito členění stožáru na sekce. Čidla jsou umístěna na nosičích čidel, které jsou upevněny k přírubám, vloženým mezi jednotlivé sekce. Na každé sekci jsou měřeny teplota a relativní vlhkost v meteorologickém radiačním krytu a rychlost a směr větru.Since the mast is transportable from one measuring area to another, it is preferable that the mast consists of at least two detachably connected sections made of carbon composites and connected by flanges to centering pads, with sensor carriers attached to the flanges or centering pads for measuring physical quantities. The mast can thus be easily transported in the unfolded state and assembled only in the measured area. To measure meteorological data in altitude profile is used division of the tower into sections. The sensors are located on the sensor carriers, which are fixed to the flanges inserted between the individual sections. At each section, the temperature and relative humidity in the meteorological radiation cover and the wind speed and direction are measured.

Vzhledem k potřebné výšce stožáru je problematickým úkolem vztyčení již smontovaného stožáru ajeho ukotvení do stabilní polohy odolávající povětrnostním podmínkám. V dalším výhodném provedení vynálezu je tento úkol vyřešen tak, že spodní část stožáru je prostřednictvím Kardanova kloubu se dvěma stupni volnosti upevněna k základně, a stožár je ukotven v zemi pomocí soustavy nižších kotvicích lan a soustavy vyšších kotvicích lan pro zamezení rotace stožáru kolem podélné osy. Konce kotvicích lan jsou s výhodou upevněny k zemním vrutům, které se rychle instalují ajsou vícenásobně použitelné.Due to the required height of the mast, the problem is to erect the already assembled mast and its anchoring to a stable position resistant to weather conditions. In a further preferred embodiment of the invention, the lower part of the mast is fixed to the base by means of a universal joint with two degrees of freedom, and the mast is anchored in the ground using a lower anchor rope system and a higher anchor rope system to prevent the mast from rotating about the longitudinal axis . The ends of the anchor ropes are preferably fastened to ground screws which are quick to install and reusable.

Pro překonání tzv. mrtvého bodu při zvedání je výhodné, že stožár je opatřen zvedacím lanem, jehož jeden konec je upevněn ve střední části stožáru a druhý konec je upevněn v horní části stožáru, přičemž zvedací lano tvořící smyčku je vedeno přes podpůrnou kladkovou konstrukci a pevné kladky na diferenciální kladku spojenou s navijákem uspořádaným na základně.To overcome the so-called lifting point, it is advantageous that the mast is provided with a hoisting rope, one end of which is fixed in the central part of the mast and the other end fixed in the upper part of the mast. a pulley for a differential pulley coupled to a winch arranged on the base.

Nakonec je výhodné, že naviják je dvoububnový, a diferenciální kladka je spojena s vyrovnávací kladkou pres kterou je vedeno lano na oba bubny navijáku.Finally, it is preferred that the winch is a two-drum winch, and the differential pulley is connected to a compensating pulley through which the rope is guided to both winch drums.

Výhody zařízení podle vynálezu spočívají v tom, že je vhodné k měření energetických toků na rozhraní zemského povrchu a přízemní vrstvy atmosféry bez nedostatků které provázely dosudThe advantages of the device according to the invention are that it is suitable for measuring energy flows at the boundary of the Earth's surface and the ground layer of the atmosphere without the shortcomings that have

-3CZ 303151 B6 známá zařízení. Zařízení se vyznačuje zvýšenou rozlišovací schopností, důležitou pro pochopení mikroklimatických jevů, a časovou souvztažností mezi samotným měřením a výsledky doručenými ke zpracování. Zařízení se dále vyznačuje nízkými výrobními i provozními náklady a tudíž nízkou cenou snímků a naměřených hodnot.-3GB 303151 B6 known devices. The device is characterized by increased resolution, important for understanding microclimatic phenomena, and temporal correlation between the measurement itself and the results delivered for processing. The device is further characterized by low production and operating costs and hence low cost of images and measured values.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Vynález bude blíže osvětlen na výkresech, na nichž znázorňují obr. 1 celkový schematický pohled na vztyčený stožár bez kotvicích lan s detailem řezu v oblasti spojení dvou sekcí stožáru, a na pozemní meteostanici při měření v měřené oblasti, obr. 2. schematický pohled na krakorec stožáru s manipulačními lany, s nosičem kamery dosedajícím na platformu a s trojúhelníkovým kompenzátorem, obr, 3 řez detailu prostředku pro polohově reprodukovatelné dosednutí vertikálně pohyblivého nosiče kamery na platformu, obr. 4 schematický pohled na vztyčený stožár s kotvícími lany a zvedacím lanem, obr. 5 schematický pohled na stožár v počáteční fázi zvedání pres podpůrnou kladkovou konstrukci.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall schematic view of an erected mast without anchoring ropes with detail of the cut in the region of joining two sections of the mast, and of a ground weather station when measured in the measured area; FIG. Fig. 3 is a sectional view of a detail of a device for positively reproducible mounting of a vertically movable camera carrier to a platform, Fig. 4 a schematic view of an erected mast with anchoring ropes and a hoisting rope, Fig. 5 schematic view of the mast in the initial phase of lifting through the support pulley structure.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Hlavní součástí realizovaného zařízení je transportabilní rozebíratelný stožár I sestavený ze čtyř sekcí 3 vyrobených z uhlíkového kompozitu, Každá sekce 3 je tvořena trubkou o světlosti 230 mm a délce 7800 mm, která je na obou koncích opatřena zesílenými přírubami 4 pro spojení čtyřmi svorníky se závitem. Mezi jednotlivými sekcemi 3 jsou vloženy středící podložky 5 tvořící integrální díly s přírubami 4, které slouží k urychlení montážních prací a jako držáky pro nosiče 6 čidel, na kterých jsou umístěny čidlo 16 teploty a relativní vlhkosti vzduchu a čidlo 17 rychlosti a směru větru ve výškách 7,8, 15,6, 23,4 a 31,2m. Na spodní sekci 3 je umístěna vyhodnocovací a záznamová jednotka 30 ve vodotěsné elektroinstalační skříni 31 a půdní radiometr 18.The main part of the realized device is a transportable dismountable mast I made of four sections 3 made of carbon composite. Each section 3 consists of a pipe with a diameter of 230 mm and a length of 7800 mm, which is provided at both ends with reinforced flanges 4 for four threaded bolts. Between the sections 3 are inserted centering pads 5 forming integral parts with flanges 4, which serve to accelerate assembly work and as holders for sensor carriers 6 on which the temperature and relative humidity sensor 16 and the wind speed and direction sensor 17 are located. 7.8, 15.6, 23.4 and 31.2m. On the bottom section 3 there is placed an evaluation and recording unit 30 in a watertight wiring box 31 and a soil radiometer 18.

Stožár Ije svou patou uložen do Kardanova kloubu 13, kterýje spojen s pevnou základnou 14 ve tvaru kříže, která je zakotvena do půdy zemními vruty 25. Pata stožáru resp. jeho první (spodní) sekce 3 je spojena s volným koncem podélné části základny 14 Kardanovým kloubem 13. Osy Kardanova kloubu 13 jsou orientovány tak, aby bylo možné vztyčení stožáru 1 kolem první vodorovné osy a aby byly respektovány možné výkyvy stožáru 1 kolem druhé svislé osy. Kardanův kloub 13 vylučuje rotaci kolem podélné osy stožáru 1, což je nezbytné z hlediska udržení směrové stability termovizní kamery 10 a fotoaparátu 11. Pevná základna 14 tvoří kompaktní silový funkční celek, jehož součástí jsou kromě uchycení stožáru 1 přes Kardanův kloub 13 také dvoububnový naviják 24 s el. pohonem, kterým je stožár 1 vztyčen pomocí zvedacího lana 22. Pro počáteční fázi zvedání jek základně 14 upevněna podpůrná kladková konstrukce 15 pro překonání mrtvého bodu při počáteční vodorovné poloze stožáru 1.The mast I is mounted with its heel in the Kardan joint 13, which is connected to a solid base 14 in the shape of a cross, which is anchored in the soil by ground screws 25. The mast of the mast resp. its first (lower) section 3 is connected to the free end of the longitudinal part of the base 14 by a cardan joint 13. The axes of the cardan joint 13 are oriented so that the mast 1 can be erected around the first horizontal axis and . The cardan joint 13 eliminates rotation about the longitudinal axis of the mast 1, which is necessary in order to maintain the directional stability of the thermal imaging camera 10 and the camera 11. The rigid base 14 forms a compact power unit including a two-drum winch 24 s el. A support pulley structure 15 is fastened to the base 14 for the initial phase of lifting to the base 14 for overcoming a dead point at the initial horizontal position of the mast 1.

Zdvih stožáru 1 se provádí pomocí zdvihacího lana 22, jehož konce jsou připojeny k přírubám 4 ve střední části stožáru 1 a v horní části stožáru L Tahová síla, vyvozená dvoububnovým navijákem 24 je na toto lano 22 přenášena diferenciální kladkou 27, která je zabezpečí rovnost sil působících na vrcholku a uprostřed stožáru 1, a pevnými kladkami 44. Aby bylo dosaženo stejné úrovně bezpečnostní kotvení i u těchto lan, je použito ještě jednoho nezobrazeného nezávislého pojistného lana napjatého mezi druhou přírubou 4 (ve výšce 7800 mm) a zadním koncem základny 14. Pro zabezpečení rovnosti sil působících na oba bubny navijáku 24 je použito vyrovnávací kladky 28.The mast is lifted by means of a hoisting rope 22, the ends of which are connected to flanges 4 in the middle of the mast 1 and at the top of the mast L The tensile force exerted by the double drum winch 24 is transmitted to the rope 22 by a differential pulley 27 acting on the top and center of the mast 1, and with fixed pulleys 44. In order to achieve the same level of safety anchorage for these ropes, one more, not shown, independent safety rope tensioned between the second flange 4 (at 7800 mm) and the rear end of the base 14 is used. A leveling pulley 28 is used to ensure equal forces on both reel drums.

Na vrcholu stožáru ije upevněn krakorec 7 s vyložením 3m, na jehož konci je umístěna platforma 8 zkonstruovaná tak, aby nosič 9 termovizní kamery 10 a fotoaparátu H byl při opakovaném spouštění a zdvihání kamery jednoznačně orientován vůči stožáru 1 a krákore i 7, a aby tato poloha byla přesně reprodukovatelná. Ke konstrukci krakorce 7 je použito tří trubek z uhlíkového kompozitu, v zadní části Al jeklových profilů a soustavy předepnutých lanek. Krakorec 7 je jištěnAt the top of the mast 1 is a cantilever 7 with a 3m projection, at the end of which is a platform 8 designed so that the carrier 9 of the thermal imaging camera 10 and the camera 11 are unequivocally oriented towards the mast 1 and the horn 7 the position was exactly reproducible. Three carbon composite tubes are used to construct the cradle 7, at the rear of the Al profile sections and a set of pre-stressed cables. Bracket 7 is secured

-4CZ 303151 B6 stabilizačním lanem 2L Na krakorci 7 je umístěn NET radiometr 12 tak, aby nebyla stíněna jeho čidla. S ohledem na cenu termovizní kamery 10 je nezbytně nutné, aby obsluha, zejména v případě nestandardní povětrnostní situace, měla možnost spustit nosič 9 kamery s termovizní kamerou 10 a fotoaparátem JJ. během několika desítek sekund na zem.On the cradle 7, a NET radiometer 12 is placed so that its sensors are not shielded. In view of the cost of the thermal imaging camera 10, it is essential that the operator, especially in the event of a non-standard weather situation, be able to lower the camera carrier 9 with the thermal imaging camera 10 and the camera 11. within a few tens of seconds to the ground.

Reprodukovatelné dosednutí výsuvného nosiče 9 do pracovní polohy na platformu 8 je zabezpečeno tak, že nosič 9 je vybaven třemi kuličkami 42, které dosedají do třech prismatických drážek 43 na platformě 8. Nerezová manipulační lana 23 výsuvného nosiče 9 kamery 10 procházejí středy kuliček 42 a dále otvory 32 v prismatických drážkách 43 na kladky 33, které je směrují io přes další kladky 33 ke kladkám 33 na zadním konci krakorce 7. K vyrovnání délkových rozdílů a možnosti výměny manipulačních lan 23 jsou konce lan 23 upevněny v kuličkách 42 pomocí stavěčích šroubů 44. Tímto způsobem je zaručeno jednoznačné a trvalé přiřazení korespondujících kuliček 42 a prizmatických drážek 43, takže po každé manipulaci se dostane výsuvný nosič kamery JO a fotoaparátu JJ. do správné polohy na krakorci 7.The reproducible engagement of the withdrawable carrier 9 in the working position on the platform 8 is ensured by the support 9 having three balls 42 that abut three prismatic grooves 43 on the platform 8. The stainless steel handling ropes 23 of the withdrawable carrier 9 of the camera 10 pass through the centers of the balls 42 and holes 32 in the prismatic grooves 43 for the pulleys 33, which direct them over the other pulleys 33 to the pulleys 33 at the rear end of the cradle 7. To compensate for length differences and the possibility of replacing the handling ropes 23, the rope ends 23 are fixed in balls 42 by adjusting screws 44. In this way the unambiguous and permanent assignment of the corresponding balls 42 and prismatic grooves 43 is guaranteed, so that after each manipulation, the telescopic carrier of the camera 10 and the camera 11 are reached. to the correct position on the cantilever 7.

Pro zabezpečení kvalitního dosednutí nosiče 9 kamery 10 do prizmatických drážek 43 na krakorci 7 je nutné, aby byly kompenzovány silové poměry v jednotlivých manipulačních lánech 23 výsuvného nosiče 9 kamery 10 a tím kompenzována délková nerovnost ve všech třech větvích těchto lan 23. Řešením je trojúhelníkový kompenzátor 29. který je ve svém těžišti připojen kjedi20 němu centrálnímu manipulačnímu lanu 23' nosiče 9 kamery 10, které je ovládáno obsluhou ručně ze země, případně může být navíjeno mechanicky.In order to ensure a good fit of the camera carrier 9 to the prismatic grooves 43 on the cantilever 7, it is necessary to compensate the force conditions in the individual handling lines 23 of the telescopic carrier 9 and thereby compensate for the longitudinal unevenness in all three branches of these ropes 23. 29, which at its center of gravity is connected to a single central handling rope 23 'of the camera carrier 9, which is manually operated by the operator from the ground, or can be wound mechanically.

Stabilita vztyčeného stožáru 1 je zajištěna dvěma nezávislými soustavami lan. První soustava nižších kotvicích lan 19 je ke stožáru I připojena v polovině jeho výšky, druhá soustava vyšších kotvicích lan 20 je upevněna pod krakorcem 7. Každá soustava je tvořena pěticí ocelových lan 19, 20 o průměru 6,3 mm, která jsou upevněna ke přírubám 4. K ukotvení lan 19, 20 k zemi je použito vícenásobné použitelných zemních vrutů 25. Stejné zemní vruty 25 kotví k zemi i základnu J_4.The stability of the erected mast 1 is ensured by two independent sets of ropes. The first set of lower anchor ropes 19 is connected to the mast 1 at half of its height, the second set of higher anchor ropes 20 is mounted under the cradle 7. Each system consists of five steel ropes 19, 20 with a diameter of 6.3 mm, which are fixed to the flanges. 4. A plurality of usable ground screws 25 are used to anchor the ropes 19, 20 to the ground. The same ground screws 25 are anchored to the ground and the base 14.

Součástí měřicího zařízení podle vynálezu je i přenosná pozemní meteostanice 2 umístěná v měřené oblasti 26. Přenosná pozemní meteostanice 2 je uspořádána na základové desce 38. a je opatřena čidly 16 teploty a relativní vlhkosti vzduchu ve výšce 0,3 m nad zemí a 2 m nad zemí, dále čidlem 17 rychlosti a směru větru, čidlem 34 úhrnu srážek, čidlem 35 teploty půdního profilu, senzorem 37 energetického toku a čidlem 36 objemové vlhkosti půdy. Meteostanice 2 je dále opatřena automatickou záznamovou a řídicí jednotkou 39 s nezávislým zdrojem energie 40, a s telekomunikačním zařízením pro přenos elektronických dat na vzdálený server. Záznamová a řídicí jednotka 39 v sobě zahrnuje univerzální datalogger, telemetrickou stanici s vestavným GSM/GPRS modulem, programovatelný řídicí automat aje připojena solární fotovoltaický panel, využívající sluneční záření. Jednotka 39 umožňuje kontinuální celoroční záznam a přenos dat na server, odkud jsou data dostupná všem uživatelům.A portable terrestrial weather station 2 located in the measuring area 26 is a part of the measuring device according to the invention. The portable terrestrial weather station 2 is arranged on a base plate 38 and is provided with temperature and relative humidity sensors 16 at a height of 0.3 m above the ground and 2 m above the ground speed sensor 17, the rainfall sensor 34, the soil profile temperature sensor 35, the energy flow sensor 37 and the soil moisture content sensor 36. The weather station 2 is further provided with an automatic recording and control unit 39 with an independent power source 40, and with a telecommunications device for transmitting electronic data to a remote server. The recording and control unit 39 includes a universal data logger, a telemetry station with a built-in GSM / GPRS module, a programmable controller and a solar photovoltaic panel using solar radiation. The unit 39 enables continuous year-round recording and transmission of data to the server, where the data is available to all users.

K měření meteorologických dat ve výškovém profilu je využito Členění stožáru 3 na sekce. Na každé sekci 3 je měřena teplota a relativní vlhkost v meteorologickém radiačním krytu a rychlost a směr větru. NET radiometr 12 snímá dopadající i odražené záření v infračervené i viditelné spektrální oblasti a teplotu vlastního čidla. Čidlo má aperturu 180°. Termovizní kamerou JO lze snímat zemský povrch s aperturou 12°, 24°, 45°. Na stožáru JJe tak přímo měřena energie dopadající a odražené krátkovlnné složky globálního slunečního záření ve spektrální oblasti 300 až 2800 nm a také dopadající a odražené záření v tepelné oblasti 4500 až 42 000 nm a teplota čidla, ze kterých je počítána efektivní teplota oblohy pro daný region a tlak vzduchu pro stanovení tlaku so vodních par.For the measurement of meteorological data in the altitude profile, the division of the mast 3 into sections is used. At each section 3, the temperature and relative humidity in the meteorological radiation housing and the wind speed and direction are measured. The NET radiometer 12 senses both incident and reflected radiation in the infrared and visible spectral regions and the temperature of the sensor itself. The sensor has an aperture of 180 °. The thermal infrared camera JO can capture the earth's surface with an aperture of 12 °, 24 °, 45 °. The energy of the incident and reflected shortwave component of global solar radiation in the spectral range 300 to 2800 nm as well as the incident and reflected radiation in the thermal region 4500 to 42 000 nm and the sensor temperature from which the effective sky temperature for the region is calculated and air pressure to determine the water vapor pressure.

-5CZ 303151 B6-5GB 303151 B6

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení podle vynálezu lze využít pro měření energetických toků na rozhraní zemského povrchu a přízemní vrstvy atmosféry, zejména pro výzkumné účely s cílem poznání mikroklimatických jevů v měřené oblasti.The device according to the invention can be used for measurement of energy flows at the boundary of the Earth's surface and the ground layer of the atmosphere, especially for research purposes with the aim to identify microclimatic phenomena in the measured area.

Claims

PATENT CLAIMS

An apparatus for measuring energy flows at a boundary of the Earth's surface and the atmosphere in a measuring area (26), comprising sensors for measuring physical quantities connected to an evaluation unit for processing the measured values of these quantities, characterized in that it consists of a transportable measuring mast (1) provided with means for aligning the mast (1) in the measured area (26), and further equipped with a thermal imaging camera (10) and a NET radiometer (12) for monitoring the temperature scene of the measured area (26) and evaluation and recording unit (30); a ground weather station (2) disposed in the measurement area (26), wherein the sensors for measuring physical quantities are arranged underground and / or above ground and are fixed to the ground weather station (2) and / or to the mast (1).

Device according to claim 1, characterized in that the sensors for measuring physical quantities mounted on the mast (1) comprise a temperature and relative humidity sensor (16) and a wind speed and direction sensor (17), the sensors (16, 17) are arranged on the mast (1) at at least two height levels, and the thermal imaging camera (10) is mounted on the mast (1) with the possibility of its vertical movement relative to the earth surface in the measured area (26).

Device according to claim 2, characterized in that a horizontal cantilever (7) is fixed at the top of the mast (1), at one end of which a platform (8) is provided with means for positionally reproducible abutment of a vertically movable carrier (9) carrying a thermal imaging camera. (10), and a NET radiometer (12) is mounted at its other end.

Device according to claim 3, characterized in that a camera (11) is arranged next to the thermal imaging camera (10) on the carrier (9).

Device according to claim 3 or 4, characterized in that the infrared camera carrier (9) and the platform (8) are triangular in shape, and the carrier (9) is fixed at the vertices of the triangle on three handling ropes (23), which extend through the apertures (32) at the apexes of the platform triangle (8), are further guided through a set of rollers (33) to the opposite end of the cradle (7), and further connected by a triangular compensator (9). ') ·

Apparatus according to claim 5, characterized in that the means for positively reproducing the vertically movable support (9) supporting the thermal imaging camera (10) onto the platform (8) is formed by three balls (42) arranged on the support (9) which abut into three prismatic grooves (43) on the platform (8), wherein the handling ropes (23) from the carrier (9) pass through the centers of the balls (42) and through the openings (32) in the prismatic grooves (43) of the platform (8) ).

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the ground weather station (2) is portable, is arranged on the base plate (38) and is provided with sensors (16) of temperature and relative humidity at a height of 0.3 m above ground and 2 m above the ground, followed by a speed sensor (17)

The wind direction sensor (34), the soil profile temperature sensor (35), the energy flow sensor (37) and the soil moisture content sensor (36).

Device according to claim 7, characterized in that the ground weather station (2) is provided with an automatic recording and control unit (39) with an independent power supply (40), provided with a telecommunication device for transmitting electronic data to a remote server.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the mast (1) consists of at least two detachably connected sections (3) made of carbon composites 10 and connected by flanges (4) to centering washers (5), and to the flanges ( 4) or sensor carriers (6) for measuring physical quantities are attached to the centering pads (5).

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the lower part of the mast (1) is fixed to the base by means of a two-degree Kardan joint (13) and the mast is anchored to the ground by a system of lower anchor ropes (19) and higher anchor rope assemblies (20) to prevent the mast (1) from rotating about the longitudinal axis.

Device according to claim 10, characterized in that the ends of the anchor ropes (19, 20) are fastened to ground screws (25).

Device according to one of claims 10all, characterized in that the mast (1) is provided with a hoisting rope (22), one end of which is fixed in the central part of the mast (1) and the other end fixed in the upper part of the mast (1). wherein the loop forming hoisting rope (22) is guided through the support pulley structure (15) and the fixed pulleys (41) to a differential pulley (27) coupled to a winch (24) arranged on the base (14).

Device according to claim 12, characterized in that the winch (24) is a two-drum winch and the differential roller (27) is connected to a compensating roller (28) through which a rope is guided to the two winch drums (24),