FI116322B - Sade- ja raeanturi sekä menetelmä sateen mittaamiseksi - Google Patents

Description

! 116322

Sade- ja raeanturi sekä menetelmä sateen mittaamiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen sade-ja raeanturi.

5

Keksinnön kohteena on myös menetelmä sateen mittaamiseksi.

Yleisimmin käytetyt sademittarit voidaan jakaa kahteen ryhmään: 10 1) Keräävät sademittarit, joissa vesi kerätään mitta-astiaan ja mitataan kertynyt vesimäärä punnitsemalla tai pinnankorkeuden perusteella.

2) Sadelaskuri-tyyppiset anturit, joissa on suppilomainen keräin ja sen alla pienitilavuuksinen mitta-astia. Mitta-astia on jäljestetty tyhjentymään 15 automaattisesti aina, kun siihen kertyy tietty määrä vettä (yksinkertaisimmin kiikkulauta-tyyppisellä mekanismilla). Mittarista saadaan pulssi aina kun mitta-astia tyhjenee, jolloin yksi pulssi vastaa tiettyä sademäärää, esim. 0,1 mm.

Näitten anturityyppien käyttöön liittyy mm. seuraavanlaisia ongelmia: 20 - Mitta-astian tyhjennyksestä aiheutuu joko ylimääräistä työtä (manuaalinen , ·. tyhjennys) tai kuollutta aikaa mittaukseen (automaattinen tyhjennys).

; . - Mitta-astiaan tai keräyssuppiloon kertyy helposti roskia, minkä vuoksi ne vaativat * · · .1, ·. säännöllistä puhdistusta.

. ...| 25 - Veden takertuminen mitta-astian reunoihin ja/tai sen haihtuminen keräysastiasta aiheuttavat merkittäviä mittausvirheitä.

- Sadelaskurin liikkuvat osat voivat juuttua likaantumisen tai esim. anturirakenteisiin päässeiden hyönteisten vuoksi.

‘ /· 30 Toimintaperiaatteeltaan erilainen, myös sademäärän mittaukseen soveltuva laite on ns.

* distrometri. Distrometri on mittalaite, joka mittaa sateen pisarakokojakautumaa. Mekaanisessa distrometrissa (ns. Joss-Waldvogel-distrometri) on kartiomainen .:. ilmaisinlevy, joka on joustavasti ripustettu laiterunkoon siten, että siihen osuvat pisarat

, t I

2 116322 poikkeuttavat sitä tasapainoasemastaan. Ilmaisinlevyn liike mitataan induktiivisesti mittauskelan avulla. Pisaroitten iskujen mittauskelaan synnyttämät jännitepulssit rekisteröidään ja niiden sekä empiiristen kalibrointikertoimien perusteella lasketaan yksittäisten pisaroitten massat ja pisarakokojakautuma. Pisarakokojakautumasta voidaan 5 edelleen laskea sateen intensiteetti ja kertynyt sademäärä. Kalleutensa ja monimutkaisuutensa vuoksi mekaanista distrometria ei käytetä yleiskäyttöisenä sademittarina vaan ainoastaan meteorologisessa tutkimuksessa pisarakokojakauman mittaamiseen. Monimutkaisuus aiheutuu pääasiassa mittauskartion joustavasta kiinnityksestä laiterunkoon sekä tämän mekaanisen rakenteen aiheuttamasta hankalasta 10 mittaustavasta voimatakaisinkytkentöineen.

Intemet-sivuilla http://www.sensit.com/rain.htm on kuvattu sateen kineettisen energian mittari. Tässä mittarissa on kaksi pulssilähtöä, joista saadaan: 15 1) sadepartikkelien lukumäärä (Hipaistaan, jos tietty signaalitaso ylittyy) ja 2) sadepartikkelien kineettinen energia, joka saadaan integroimalla pietsoanturin signaalia.

Kumpikin näistä suureista on riippuvainen sekä pisaran massasta että nopeudesta eikä 20 niin ollen kelpaa sellaisenaan sademäärän mittariksi.

Laitteessa itsessään ei ole minkäänlaista älyä vaan se on toteutettu täysin ·,, laitteistokomponenteilla.

;··*: 25 Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada aivan uudentyyppinen sadeanturi, jonka avulla ·.··: edellä kuvatut tunnetun tekniikan ongelmat on mahdollista ratkaista.

Keksintö perustuu siihen, että sade ja sen tyyppi ilmaistaan jäykkään, laiterunkoon kiinteästi kiinnitettyyn anturipintaan kytketyn kiihtyvyys- tai voima-anturin avulla. 30 Keksinnön mukainen menetelmä puolestaan perustuu siihen, että voima-anturista saatavan signaalin muotoa arvioidaan kunkin sade- tai raepisaran aiheuttaman t I » : : signaalimuodon osalta ja näin määritetään pisaran tilavuus tai lasketaan pisaroitten lukumäärä aikayksikköä kohti, tai vaihtoehtoisesti ilmaistaan sade raesateeksi.

3 116322

Pisarakohtaisista mittausarvoista tai havaittujen pisaroitten lukumäärästä aikayksikössä määritetään sademäärä ja intensiteetti. Laskenta-algoritmi voidaan toteuttaa käyttäen pelkästään pisaroitten lukumäärätietoa, pelkästään pisarakokoon verrannollisten parametrien informaatiota tai molempia.

5

Pisarakohtaisten mittausarvojen perusteella voidaan määrittää myös pisarakokoj akautuma.

Keksinnön mukaisesti tuulen aiheuttamaa virhettä sademäärässä ja intensiteetissä 10 voidaan koijata erillisellä tuulivirheen koijausalgoritmilla.

Keksinnölle on tyypillistä myös se, että pisaroitten lukumäärän ja/tai pisaran aiheuttaman signaalin yhden tai useamman pisarakoosta riippuvan karakteristisen piirteen avulla muodostetaan havaittujen pisaroitten tilavuuteen verrannollinen signaali 15 parametri, joita summaamalla voidaan laskea sademäärä ja intensiteetti.

Keksinnön yhden edullisen suoritusmuodon mukaisesti laskenta on integroitu mukaan laitteeseen siten, että lähtö on verrannollinen sademäärään/intensiteettiin.

20 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle sadeanturille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

i'·.. Keksinnön mukaiselle menetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty : : ’: patenttivaatimuksen 11 tunnusmerkkiosassa.

·:*: 25 ':'Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukaisessa sadeanturissa ei ole liikkuvia osia. Perusratkaisussa ei ole ·"· tyhjennystä tai puhdistusta vaativaa keräysastiaa tai suppiloa, ei tukkeutuvia osia eikä ’,,,: 30 takertumis- tai haihtumisvirhettä. Mittausperiaate on mekaanisen distrometrin kaltainen, : ': mutta anturi on rakenteeltaan huomattavan yksinkertainen ja edullinen valmistaa.

, · • · 116322 4

Keksinnön mukaisella anturilla on myös se etu, että samalla anturilla voidaan mitata sademäärän lisäksi sateen intensiteetti ja tunnistaa rakeet.

Keksinnön yksi edullinen suoritusmuoto mahdollistaa korjauksen tekemisen tuulen 5 aiheuttamiin mittausvirheisiin.

Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheisiin piirustuksiin viitaten. Kuvio 1 esittää "räj äytyskuvantona" yhtä keksinnön mukaista anturia.

10

Kuvio 2a esittää halkileikattuna sivukuvantona toista keksinnön mukaista anturia.

Kuviossa 2b on esitetty halkileikattuna yläkuvantona kuvion 2a mukaista ratkaisua.

15 Kuvio 3 esittää graafisesti vesipisaran aiheuttamaa impulssia keksinnön mukaisessa laitteistossa.

Kuvio 4 esittää graafisesti keksinnön mukaista kalibrointikäyrästöä.

20 Kuvio 5 esittää graafisesti rakeen aiheuttamaa impulssia keksinnön mukaisessa laitteistossa.

; '. · Kuvio 6 esittää keksinnön mukaista tuulenmittauslaitteistolla varustettua sadeanturia.

' ‘: 25 Kuvio 7 esittää graafisesti tuulen vaikutusta sademittaukseen.

a » * * * ...* Kuvio 8 esittää graafisesti tuulikoijauksen vaikutusta mittaustuloksiin.

a • * · ♦ ‘ * Keksintö siis kohdistuu sademäärän tai -kertymän, pisarakokojakautuman ja • · · * 30 sadeintensiteetin mittaamiseen. Seuraavassa määritelmät näille suureille: » I · :... · Sademäärä tai -kertymä: 1 · Sataneen vesimäärän vertikaalinen syvyys tasaisella pinnalla. Standardiyksikkö on mm.

5 116522

Sateen intensiteetti:

Sadekertymä aikayksikköä kohti. Standardiyksikkö mm/h.

5 Pisarakokojakautuma:

Kunkin kokoisten pisaroiden lukumäärä tilavuusyksikössä ilmaa.

Kun mitataan sadekertymää, pyritään siis mittaamaan havaittujen pisaroitten yhteenlaskettu tilavuus pinta-alayksikköä kohden.

10

Aiemmin mainitussa tunnetun tekniikan mukaisessa sateen kineettisen energian mittauksessa summataan yksittäisten sadepisaroitten kineettiset energiat E = lA m v2.

Kuvion 1 mukaan anturi 1 koostuu ilmaisinpinnasta 2, johon hydrometeorit kuten 15 sadepisarat ja/tai rakeet osuvat, detektorista 3, jolla havaitaan pintaan 2 osuvien pisaroitten synnyttämät pulssit ja mittauselektroniikasta 4 ja laskenta-algoritmista, joitten avulla lasketaan sateen intensiteetti (mm/h) sekä kumulatiivinen sademäärä (mm).

20 Ilmaisinpinta 2, joka on siis sadetta vastaanottava pinta on jäykkä ja kiinnitetty laiterunkoon 5. Kiinnitys voi olla täysin jäykkä tai toteutettu o-renkaan tai vastaavan . ’: joustavan liitoskappaleen avulla. Detektori 3 on tyypillisesti kiinteästi kiinnitetty • ·.. ilmaisinpintaan 2. Laskenta tapahtuu käyttäen hyväksi tietoa rekisteröityjen pulssien : lukumäärästä ja/tai jostakin pisarakoosta riippuvasta pulssin piirteestä kuten ’ ‘ : 25 amplitudista tai puoliarvoleveydestä, tai näitten yhdistelmästä.

t ',, .· Ilmaisinpinta 2 on tasomainen, lautasmainen tai kupumainen (kalottipinta) ja muotoiltu siten, että vesi ei keräänny sen pinnalle. Detektorin 3 kiinnittämisen helpottamiseksi : sen kiinnityskohta ilmaisinpinnassa 2 voi olla tasomainen. Mitä suurempi ilmaisimen ...* 30 pinta-ala on, sitä enemmän siihen osuu pisaroita ja sitä pienempi on lasketun sademäärän tilastollinen virhe. Toisaalta ilmaisimen pinta-alan kasvaessa tulee yhä : t /· enemmän osumia, joitten pulssit ovat päällekkäisiä, mikä vaikeuttaa tulosten tulkintaa.

6 116322 Käytännössä sopivaksi ilmaisimen kooksi on todettu 20 - 150 cm2. Ilmaisin voi koostua myös useammasta osasta, joista kuhunkin liittyy oma detektorinsa.

Detektori 3 mittaa pisaroiden aiheuttamaa ilmaisinpinnan deformaatiota. Detektorina 3 5 voidaan käyttää mm.

- ilmaisinpintaan kiinnitettyä voima- tai kiihtyvyysanturia, - ilmaisinpinnalla olevaa paineherkkää kalvoa, kuten pietsosähköistä PVDF-muovikalvoa tai keraamista pietsosähköistä kalvoa.

10

Ideaalitapauksessa ilmaisinpinta-detektori-systeemin vaste on sellainen, etteivät pulssin amplitudi ja muoto riipu pisaran osumakohdasta, so. ilmaisinpinta on homogeeninen. Tämä ei ole kuitenkaan välttämätöntä, koska epähomogeeninen vaste aiheuttaa mittaukseen ainoastaan satunnaisvirheen, joka voidaan eliminoida käyttämällä riittävän 15 pitkää integrointiaikaa.

Sademäärän ja intensiteetin laskenta rekisteröidyistä pulsseista voidaan toteuttaa usealla eri tavalla. Yksinkertaisimmillaan lasketaan vain pisaroiden lukumäärää, mutta anturin tarkkuus ja luotedavuus paranee jos käytetään hyväksi myös pulssien muotoon (esim. 20 amplitudi tai puoliarvoleveys) sisältyvä informaatio. Tällöin laskenta on edullista toteuttaa käyttäen digitaalista signaalinkäsittelyä ja mikroprosessoria.

'* Kuvioissa 2a ja 2b on esitetty kuviolle 1 vaihtoehtoinen anturin 1 toteutus. Anturi 1 on I · ‘ · ’ sylinterimäinen rasia, jonka kansi 2 on ilmaisinpintana toimiva, loivasti kupera pyöreä * . I · · 25 metallikiekko, esim. 1 mm paksuista ruostumatonta terästä. Kansi 2 on liitetty reunoistaan jäykästi rasian runkoon 5 ja keskelle sitä, sen alapuolelle on kiinnitetty liimaamalla tai juottamalla keraaminen pietsoelemendi 3. Pietsolemendi on pietsosähköisestä keraamista valmistettu kiekko, joka on metalloitu molemmin puolin » · · · I · siten, että muodostuu kaksi elektrodia kiekon vastakkaisille puolille. Tässä 30 sovelluksessa pietsoelemendi 3 toimii pisaroiden osumia havaitsevana voima-anturina.

> » * > » · » » * I · 116322 7

Pietsoelementin 3 elektrodit on kytketty elektroniseen vahvistimeen 4, joka on sijoitettu anturirasian sisään. Vahvistettu mittaussignaali viedään anturirasian pohjan 8 läpi kulkevalla kaapelilla laskentaa hoitavalle laitteelle. Vaihtoehtoisesti koko mittaus- ja laskentaelektroniikka voi olla sijoitettu anturirasian sisään, jolloin lähtönä on 5 sademäärä- ja/tai intensiteettitiedon sisältävä digitaalinen tai analoginen mittausviesti.

Osuessaan ilmaisinpintaan 2 sadepisara kohdistaa siihen voiman, joka välittyy edelleen pietsoelementtiin 3 ja havaitaan sen yli syntyvänä jännitepulssina. Kuvun 2 materiaali ja dimensiot on valittu siten, että vesipisaran aiheuttama värähtely vaimenee nopeasti. 10 Pulssimuoto on tällöin kuvion 3 kaltainen.

Pietsoelementiltä 3 saatavat jännitepulssit suodatetaan, vahvistetaan ja halutut pisarakokoon verrannolliset parametrit mitataan ja tallennetaan laskentaa tekevän prosessorin muistiin.

15

Sateen intensiteetti ja sademäärä voidaan laskea mittausdatasta usealla tavalla. Seuraavassa esitetään kaksi mahdollista menetelmää.

20 Menetelmä 1:

Laskentaa tehdään käyttäen kiinteää aika-askelta, jonka pituus on tyypillisesti 1-10 minuuttia. Mittausjakson aikana havaituista pulsseista mitataan parameterit Xj (voi olla V puoliarvoleveys (w>/2), huipusta huippuun-jännite (Vpp), pulssien lukumäärä tai muu I * · » 25 pulssille ominainen parametri tai niiden yhdistelmä) ja talletetaan prosessorin muistiin. Kunkin jakson lopussa lasketaan estimaatti sen aikana kertyneelle sademäärälle ΔΡ • * ’ käyttäen lauseketta ... ΔΡ — f (m, X11, ... , Xln, X21, ··· > X2n? ·· Xmh ··· j ^mn) 30 Y./ 0), ··/’ missä

t I I

116322 8 m = mittausjaksossa havaittujen pisaroitten lukumäärä n = laskennassa käytettyjen pulssille ominaisten parametrien lukumäärä

Xij = pisaran i aiheuttaman pulssin parametrin j arvo. j:n arvot voidaan koodata esim. 5 seuraavasti: l=puoliarvoleveys (wyO, 2=huipusta huippuun-jännite (Vpp), 3=pulssien lukumäärää, 4=muu pulssille ominaista parametri, 5=yhdistelmä edellisistä. Puoliarvoleveys Wy2 tarkoittaa pulssin leveyttä positiivisen pulssin keskikohdalla (= '/21Vmax).

10 Funktio f kuvaa kokeellisesti määritettyä riippuvuutta mitattujen parametrien ja sademäärän välillä.

Kumulatiivinen sademäärä P saadaan summaamalla peräkkäisten mittausjaksojen sademäärät. Sateen keskimääräinen intensiteetti mittausjakson aikana R voidaan 15 tarvittaessa laskea lausekkeesta R = ΔΡ /1 (2).

Tämä menetelmä on erityisen käyttökelpoinen silloin, kun halutaan mitata 20 samanaikaisesti sekä sademäärää että intensiteettiä.

': Menetelmä 2: • 1 1 ; ; ·. Laskenta tehdään reaaliaikaisesti siten, että se käynnistyy kun ensimmäinen sadepisara • '" 25 havaitaan. Kustakin havaitusta pisarasta mitataan parameterit xj (voi kuvion 3 mukaisesti olla puoliarvoleveys w>/„ huipusta huippuun-jännite Vpp, huippujännite Vmax, ; : minimijännite Vmin, pulssien lukumäärä tai muu pulssille ominainen parametri tai niiden yhdistelmä) ja lasketaan kumulatiivista sademäärää P seuraavasti: 30 P = Σϊ [f (Ätj, Xn,..., xin)] (3), I · r · 1 »

» · I

I t » I 1 1 • · 116322 9 missä indeksi i = 1,2,... viittaa mittauksen aikana havaittuihin yksittäisiin pisaroihin, Atj on aika havaitun ja sitä edeltäneen pisaran välillä, ja funktio f kuvaa kokeellisesti määritettyä riippuvuutta mitattujen parametrien ja sadepisaran tilavuuden välillä.

5 Tätä menetelmää käyttäen voidaan helposti toteuttaa pulssilähtöinen anturi: aina kun kumulatiivinen sademäärä on kasvanut asetetun askeleen verran lähetetään yksi pulssi. Anturin lähtö on tällöin tipping bucket - anturien kaltainen pulssilähtö ja siten suoraan liitettävissä yleisimpiin sääasemissa käytettyihin tiedonkeruulaitteisiin.

10 Kuvatun anturin ja laskentamenetelmän tarkkuus riippuu oleellisesti anturin kalibroinnin tarkkuudesta. Kalibrointiparametrit, so. lausekkeisiin (1) ja (3) sisältyvät vakiotermit määritetään kokeellisesti vertaamalla anturia tarkkaan referenssianturiin laboratorio- tai todellisissa käyttöolosuhteissa esim. regressioanalyysiä käyttäen. Esimerkki kalibrointidatasta on esitetty kuviossa 4.

15

Rakeitten havainnointi on tärkeää mm. lentokentillä. Ennestään tunnettu on raedetektori, joka koostuu lautasmaisesta metallilevystä ja sen alle sijoitetusta mikrofonista. Rakeet tunnistetaan niiden aiheuttaman äänen perusteella. Detektorin haittapuolena on herkkyys häiriöäänille, minkä vuoksi se soveltuu lähinnä täydentäväksi anturiksi * · • · * 20 optisiin vallitsevan sään mittalaitteisiin, kuten on esitetty patentissa US5528224.

Seuraavassa kuvataan menetelmä, jolla rakeitten tunnistus voidaan tehdä * · , luotettavammin ja vähentää häiriöäänten vaikutusta. Rakeen tunnistus voidaan liittää .., lisäpiirteenä edellä kuvattuun sadeanturiin, tai voidaan tehdä pelkästään rakeitten 25 detektointiin tarkoitettu anturi.

♦ t t * .*·’ Rakeitten ja vesipisaroitten erottaminen perustuu siihen, että niiden aiheuttamat 11 > signaalit ovat hyvin erilaisia. Kiinteän kappaleen kuten rakeen törmäys ilmaisinpintaan • · *,,, on kimmoisa, jolloin ensinnäkin pulssin nousuaika on nopeampi ja toiseksi sen 30 amplitudi suurempi verrattuna vesipisaran aiheuttamaan pulssiin. Kolmas ero on se, että .1 rakeen törmäys herättää kuvun 2 resonanssitaajuudet ja kupu 2 jää värähtelemään ’>·· törmäyksen jälkeen. Erot ovat selvästi havaittavissa kun verrataan kuviossa 5 esitettyä kiinteän partikkelin aiheuttamaa pulssia kuvion 3 vesipisaran pulssiin.

ίο 116322

Edellä kuvattu sadeanturi ei ole herkkä ilman kautta tuleville häiriöäänille, koska ilmaisinelementti ei kytkeydy suoraan ilmaan, toisin kuin mikrofoni.

5 Rakeen tunnistus voi siten perustua jonkin karakteristisen piirteen - amplitudin, nousuajan tai värähtelytaajuuden - tai näitten yhdistelmän havaitsemiseen. Mittauksen luotettavuus kasvaa ja häiriöäänten aiheuttamat väärät havainnot minimoituvat, kun käytetään usean piirteen yhdistelmää.

10 Tuuli on merkittävä virhelähde sademittauksissa, jotka on toteutettu suojaamattomilla antureilla. Aina 0-30% virheitä on raportoitu. Virheen suuruus on riippuvainen tuulen nopeudesta, sateen intensiteetistä ja sateen tyypistä.

Erilaisia tuulen aiheuttaman virheen koijausmenettelytapoja on esitetty. Mikäli sade ja 15 tuulidata mitataan samalta alueelta, tuulen aiheuttamaa virhettä mitattuun sateen intensiteettiin voidaan vähentää käyttämällä sopivaa koqausalgoritmia.

Kaikki tunnetut jäijestelmät käyttävät tuuli-informaatiota, joka on mitattu selvästi eri paikasta kuin sade-informaatio. Tämä on seurausta siitä, tuuli-informaatio mitataan 20 tyypillisesti muutaman metrin korkeudelta maan pinnasta kun taas sateen mittaus tyypillisesti tapahtuu olennaisesti maan pinnan tasalla ja ainakin useiden metrien päässä ' tuulianturista. Niinpä kolauksessa käytetty tuuli-informaatio ei täysin vastaa sateen • · · mittauspaikan todellisia tuuliolosuhteita. Nykyiset menetelmät eivät myöskään toimi : :reaaliaikaisesti, vaan tuulikorjaustieto saadaan periodeittain jälkikäteen, tyypillisesti ' ’ * 25 kuukauden, viikon, päivän tai 12 tunnin periodeissa.

* t 9 ’...' Seuraavassa kuvataankin keksinnön mukainen menetelmä, jolla voidaan poistaa edellä kuvatut tunnetun tekniikan puutteet. Menetelmä perustuu pääasiallisesti seuraaviin seikkoihin: ’·;* 30 v * - Käytetään tuulivirheen koqausalgoritmia, joka hyödyntää tuulitietoa, joka on • · * *. · *' mitattu suoraan sade-anturin kohdalta tai ainakin sen välittömästä läheisyydestä.

Välittömällä läheisyydellä tarkoitetaan tässä yhteydessä yhtä metriä lyhyempää * · * 116322 π matkaa sadeanturista. Edullisesti välimatka on alle 30 cm, jolloin tuulimittari voidaan helposti integroida samaan mittalaitekokonaisuuteen.

- Algoritmin aikaskaala voidaan valita vapaasti. Myös reaaliaikainen koijaus on mahdollinen.

5 - Algoritmi sopii kaikille sadeanturityypeille riippumatta niiden toimintaperiaatteesta.

Korj auskertoimen yleinen muoto on 10 k = Rtr/R = f(w,R) (4) jossa Rtr on todellinen sateen määrä, k koqauskerroin, w tuulen nopeus, R mitattu sateen määrä ja f kokeellisesti määritetty funktio, joka kuvaa koq auskertoimen riippuvuutta tuulen nopeudesta ja sateen intensiteetistä. Korjauksen aikaskaala 15 määritellään sillä ajanjaksolla, jota käytetään suureiden R ja w laskemiseen kaavassa (4).

Korjattu sademäärä saadaan kertomalla mitattu sademäärä kertoimella k.. Samaa korjausmenettelyä voidaan käyttää erilaisille anturityypeille, joskin funktion f(w,R) 20 muoto vaihtelee.

Käytännössä koq auskertoimen riippuvuus sademäärästä R ja tuulen nopeudesta w, so. funktio f(w,R) määritetään kokeellisesti käyttäen kahta samankaltaista sadeanturia. Näistä toinen on suojattu tuulelta mahdollisimman hyvin, jolloin sen mittaustulos rl»·· 25 edustaa tuulivirheetöntä sademäärää Rtr. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää Rtr:n , t » * · mittaamiseen erillistä tuulelta suojattua vertailuanturia. Toinen sadeanturi on sijoitettu tuulelle alttiiksi ja sen mittaustulos R sisältää tuulivirheen. Jälkimmäisen sadeanturin . välittömään läheisyyteen on sijoitettu tuulianturi, jolla mitataan tuulen nopeus w.

* ·

Kaavan (4) funktio f(w,R) voidaan nyt määrittää esimerkiksi käyttäen epälineaarista 30 regressiomentelmää kokemusperäisestä mittaustiedosta.

11«

Kuvion 6 mukaisesti mittausalueen ympärille järjestetään ultraäänimittaukseen perustuva tuulenmittausjärjestelmä. Järjestelmässä on tyypillisesti kolme » · » 116522 12 ultraäänilähetin-vastaanotinta 9 ja tuulen nopeuden suunta ja voimakkuus määritetään ultraääni-lähetin-vastaanottimien 9 välisten kulkuaikojen perusteella. Tätä tekniikkaa on tarkemmin kuvattu mm. US-patentissa 5,343,744. Näin tällä uudella tavalla tuuli voidaan mitata käytännössä samalla alueella sateen mittauksen kanssa. Tunnetuissa 5 ratkaisuissa sadeanturi sijoitetaan lähelle maan pintaa kun taas tuulenmittaus tapahtuu useiden metrien korkeudessa ja näin kaukana sateen mittauspaikasta. Keksinnön tälle suoritusmuodolle on siis tunnusomaista tuulen ja sateen mittausalueen sijoittaminen mahdollisimman lähelle toisiaan, käytännössä molempien suureiden mittaamiseen olennaisesti samasta paikasta. Tuulen mittaamiseen voidaan käyttää ultraäänimittauksen 10 sijasta muitakin menetelmiä kuten esimerkiksi termisiä menetelmiä, joissa mitataan pitkänomaisten, oleellisen vertikaalisten elementtien lämpötilaa näiden eri puolilla, jolloin tuulen tulosuunnan puoleinen osa mittauselementissä on tyypillisesti viilein.

Kuviossa 7 on esitetty koqauskerroinkäyrät eri tuulennopeusluokille. Jokainen datapiste 15 edustaa sademäärää, joka on kerätty 10 minuutin mittausjakson aikana. Korjauskäyrät on sovitettu kokemusperäiseen tietoon käyttäen epälineaarista regressiomenetelmää.

Kuviossa 8 on esitetty korjatut ja korjaamattomat kertyneet sademääräarvot kahdelle sadeanturille 10-päiväisen mittausperiodin ajalta. Anturit olivat samanlaisia, mutta 20 toinen oli asennettu kahden metrin korkeudelle alttiiksi tuulelle, toinen taas maan pinnan tasolle tuulelta suojattuun paikkaan. Kahden metrin korkeuteen sijoitetulle ;,: anturille aiheutui tuulen vaikutuksesta systemaattinen mitattua sademäärää vähentävä ; ’·* virhe maan pinnalle sijoitettuun anturiin nähden. Niinpä ylemmälle sijoitetun anturin lukemaa tuli korjata. Niinpä esitetyllä algoritmilla voidaan parantaa maan pinnan ’ ’ ’ 25 yläpuolelle sijoitettujen anturien mittaustarkkuutta.

' · ··* Keksinnön mukaisen ratkaisun täydentäminen keräävällä sademittarilla lisää keksinnön käyttökelpoisuutta. Järjestelmä voi käsittää kaksi samanlaista anturia, joista toisen päällä olisi keräävä suppilo. Suppilolla varustettu anturi antaisi mittausinformaatiota 30 myös heikoilla sateilla. Tätä järjestelyä voitaisiin käyttää myös diagnostiikkaan, jolloin v * esimerkiksi suppilolla varustetun anturin tukkeutuminen näkyisi tämän anturin '. · · ‘ pienempänä sademääränä kovemmilla sadeintensiteeteillä.

• ' * 5 13 116322

Suppilo on mahdollista tehdä myös lämmitettäväksi. Erityisesti lumisateen tapauksessa lämmitetyn suppilon käsittävä keräävä mittari antaisi myös tällöin tiedon sademäärästä ja lumisateen vesiarvosta.

» « . I #

Claims (16)

116322

1. Sadeanturi (1) sateen ominaisuuksien mittaamiseksi, joka anturi (1) käsittää 5. rungon (5), - runkoon (5) yhdistetyn, olennaisen jäykän hydrometeoreja vastaanottavan pinnan (2), - ilmaisuelimet (3) hydrometeorien aiheuttamien impulssien muuttamiseksi sähköiseksi signaaliksi, 10 tunnettu siitä, että - hydrometeorit vastaanottava pinta (2) on liitetty reunoistaan jäykästi runkoon (5) ja pinta (2) on ainakin osittain kupera, ja 15. ilmaisuelimet (3) on kiinteästi kytketty hydrometeoreja vastaanottavaan pintaan (2).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että sadetta vastaanotta- ;*. van pinnan välittömään läheisyyteen on sijoitettu tuulenmittausjäijestelmä (9). 20

3. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että tuu- •: lenmittausjärjestelmässä antureita (9) on kolme.

: 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että anturit 25 (9) ovat ultraääniantureita, joiden avulla äänen kulkuaikaviive on mitattavissa. • t

· '...· 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että tuu- .* \. lianturit (9) ovat termisiä tuuliantureita. . 30

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että sadetta . ’ * *. vastaanottava pinta (2) on kalottipinta. 116322

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että sadetta vastaanottavan pinnan (2) yläosa on tasomainen.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että sadetta 5 vastaanottavan pinnan (2) yläpuolelle on sijoitettu keräysyksikkö, esimerkiksi suppilo.

9. Sadeanturijärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää kaksi jonkin edellisen vaatimuksen mukaista anturia, joissa toinen on varustettu keräävällä suppilolla.

10. Vaatimuksen 9 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että keräävä suppilo on lämmi tetty.

11. Menetelmä sateen ominaisuuksien mittaamiseksi, jossa menetelmässä 15. mitataan hydrometeorikohtaisesti sadetta, - muodostetaan hydrometeorikohtaisesti mitatusta tiedosta sadetta kuvaavaa informaatiota, . ·. tunnettu siitä, että 1 · 20 - sadetta mitataan käyttäen hydrometeorien iskujen aiheuttamaa ilmaisinpinnan r * elastista deformaatiota t : - yksittäisten signaalien informaation perusteella päätellään ovatko havaitut hyd- 25 rometeorit rakeita.

*... · 12. Vaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että deformaatiota mittaava : anturi (3) on yhdistetty välittömästi ilmaisinpintaan (2). , 30

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että . ·. tuulta mitataan ainakin olennaisesti samassa paikassa sateen mittauksen kanssa. 116322

14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuulta mitataan ultraäänimenetelmällä.

15. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuul-5 ta mitataan termisellä menetelmällä.

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sadetta mitataan myös toisella anturilla, joka on varustettu keräävällä suppilolla, ja mittaustulos muodostetaan yhdistämällä molempien anturien lukemat. 10 116322