FI118980B - Sadeanturi ja menetelmä sateen mittaamiseksi - Google Patents

Description

\

Sadeanturi ja menetelmä sateen mittaamiseksi Ί j 0980

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen sadeanturi.

5 Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä sateen mittaamiseksi.

Keksintöä käytetään sateen intensiteetin ja sademäärän mittaamiseksi.

10 Yleisimmin käytettyjä sadeantureita ovat sadelaskuri-tyyppiset anturit (engl. tipping bucket), joissa on suppilomainen keräin ja sen alla pienitilavuuksinen mitta-astia. Mitta-astia on jäljestetty tyhjentymään automaattisesti aina, kun siihen kertyy tietty määrä vettä, yksinkertaisimmin kiikkulauta-tyyppisellä mekanismilla. Mittarista saadaan pulssi aina mitta-astian tyhjentyessä, jolloin yksi pulssi vastaa tiettyä sademäärää, esim. 0.1 15 mm. Tipping bucket -anturien käyttöön liittyy mm. seuraavanlaisia ongelmia:

Niiden perusongelma on huono resoluutio. Resoluutio määräytyy mitta-astian tilavuuden mukaan. Heikot sateet, joitten kokonaissademäärä jää alle mitta-astian tilavuuden jäävät kokonaan rekisteröimättä.

20

Lisäksi ongelmana on anturin “kuollut aika”. Mitta-astian keikahduksen aikana * : keräimestä tippuva vesi saattaa jäädä mittaamatta. Tästä aiheutuu mittausvirhettä • · : *'* varsinkin sateen intensiteetin ollessa suuri.

• · • · * • * · • * * * ‘ 25 Liikkuvien osien juuttuminen likaantumisen tai esim. anturirakenteisiin päässeiden * ' hyönteisten vuoksi aiheuttaa myös virhettä mittauksessa.

* · • · • · · . Näitä ongelmia on yritetty ratkaista mm. anturirakenteella, jossa ei ole erillistä mitta- • · ... astiaa, vaan vesi poistuu kerääjästä yksittäisinä pisaroina, joitten lukumäärä lasketaan.

• *

30 Laskenta tapahtuu esim. siten, että putoavat pisarat oikosulkevat sähköisen piirin (US

» · · "·* patentti 4520667) tai optisesti (Kansainvälinen patenttihakemus PCT/DK98/00425).

* * • · • · *

Tyypillistä tunnetuille ratkaisuille on, että kerääjä pyritään suunnittelemaan niin, että se • · **.*·: tuottaa mahdollisimman tasakokoisia pisaroita riippumatta olosuhteista ja sateen 118980 2 intensiteetistä. Tällöin pisaroitten lukumäärä on suoraan verrannollinen sademäärään. Haittapuolena on, että keräimen tippoja muodostavan osan rakenteesta tulee mekaanisesti monimutkainen, helposti tukkiutuva ja kallis valmistaa. Mekaanisesti yksinkertaisilla toteutuksilla keräinsuppilosta poistuvan veden pisarakoko vaihtelee 5 sateen intensiteetin mukaan, mistä aiheutuu mittausvirhettä (Stow et. ai., Journal of Atmospheric and Ocenic Technology, voi. 15, pp. 127-135).

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan ongelmat ja aikaansaada aivan uudentyyppinen sadeanturi ja menetelmä sateen mittaamiseksi.

10

Keksintö perustuu siihen, että sadeanturi koostuu suppilomaisesta keräimestä, josta sadevesi poistuu yksittäisinä pisaroina sekä keräimeen toiminnallisesti yhdistetystä anturista, josta saadaan keräimestä poistuvan pisaran kokoon verrannollinen signaali.

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

Keksinnön mukaiselle menetelmälle sateen mittaamiseksi puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 10 tunnusmerkkiosassa.

20

Keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja.

• · * · · ··· # ·· • *·* Mittausmenetelmä mahdollistaa hyvin yksinkertaisen ja halvan mekaanisen rakenteen, • · ·.*.* koska pisarakoon vaihtelu sallitaan. Keräin voi olla esim. suppilo, jossa on suora ’ * 25 poistoputki. Edelleen keräimen likaantuminen tai osittainen tukkiintuminen ei aiheuta ’ * mittausvirhettä, edellyttäen että vesi kuitenkin poistuu poistoputken kautta. Niinpä • * ‘ · · · * vaihtelevasta pisarakoosta johtuva mittausvirhe voidaan eliminoida.

*..* Keksintöä ryhdytään seuraavassa tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten • · "* 30 suoritusesimerkkien avulla.

* · · * · * • · · • * · • · *"·* Kuvio 1 esittää kaavallisesti yhtä keksinnön mukaista voima-anturiin perustuvaa .,' ·' laitteistoa sateen mittaamiseksi.

• · » * * » lf • · 118980 3

Kuvio 2 esittää kaavallisesti toista keksinnön mukaista kapasitanssimittaukseen perustuvaa laitteistoa sateen mittaamiseksi.

Kuvio 3 esittää lohkokaaviona kolmatta keksinnön mukaista varauksen mittaukseen 5 perustuvaa laitteistoa sateen mittaamiseksi.

Kuvio 4 esittää lohkokaaviona neljättä keksinnön mukaista optiseen mittaukseen perustuvaa laitteistoa sateen mittaamiseksi.

10 Kuvio 5 esittää graafisesti vesipisaran aiheuttamaa impulssia yhdessä keksinnön mukaisessa laitteistossa.

Keksinnön mukainen sadeanturi siis koostuu: 15 1) Esimerkiksi suppilomaisesta keräimestä, josta sadevesi poistuu yksittäisinä pisaroina ja tähän toiminnallisesti yhdistetystä 2) anturista, josta saadaan keräimestä poistuvan pisaran kokoon verrannollinen signaali.

20

Pisaran tilavuuden ja detektorisignaalin välinen riippuvuus määritetään joko . . laboratorio- tai kenttätestein. Sademäärä saadaan tällöin laskemalla detektorisignaaleista » · ♦ • · · "1 1 yksittäisten pisaroitten tilavuudet ja summaamalla nämä. Sateen intensiteetti saadaan • ·

• M

*. , laskemalla kertyneen sademäärän muutos valitun mittausjakson aikana.

• · · .!»: 25 • ·

Pisaroitten laskenta ja tilavuuden mittaus voidaan toteuttaa usealla eri tavalla, käyttäen • .···, esim. pietsosähköistä, kapasitiivista, optista tai pisaran sähköiseen varaamiseen • · ··♦ perustuvaa menetelmää.

• · • · • ·♦ 30 Voima-anturiin perustuva detektointi • · · · » ··

Voima-anturiin, esiemerkiksi pietsosähköiseen detektointiin perustuvan toteutuksen • · • periaate on esitetty kuviossa 1. Keksinnön mukaisesti anturi käsittää keräysastian 1, 9 9 9 "I,1 jossa on poikkileikkaukseltaan laaja keräyspää 2 ja poikkileikkaukseltaan pieni • · ♦ « 118980 4 poistopää 3. Tällainen keräin 1 on tyypillisesti suppilomainen. Keräimen 1 poistopäästä 3 putoavat pisarat osuvat mittalaitteen 4 detektorilevyyn 11, johon on kiinnitetty pietsosähköinen voima-anturi 5. Putoavan pisaran 10 levyyn kohdistama voima riippuu pisaran koosta, jolloin anturin synnyttämän jännitepulssin suuruus on myös 5 verrannollinen pisaran 10 kokoon.

Pietsosähköisen detektoinnin erityisiä etuja ovat ensinnäkin se, että detektoriosa voidaan tehdä täysin suljetuksi, jolloin elektroniikka on suojassa kosteudelta ja lialta. Toiseksi mittauselektroniikan tehonkulutus on helppo minimoida käyttäen prosessoria, 10 jossa on valmiina ns. “sleep-mode” - toiminto. Jos tietyn, prosessorin ohjelmassa asetetun ajan kuluessa keräimestä 1 ei tule pisaroita, prosessori kytkee mittauselektroniikan sleep-moodiin, jossa tehoa kuluu hyvin vähän. Prosessori voidaan herättää kytkemällä sen tiettyyn tuloon jännite. Pietsosähköistä detektointia käytettäessä herätyssignaalina voidaan käyttää detektorin generoimaa jännitepulssia, jolloin 15 mittauselektroniikka siirtyy mittausmoodiin ensimmäisen vesipisaran pudotessa detektorille. Voima-anturina voidaan käyttää myös esimerkiksi kapasitiivista kiihtyvyysanturia, johtavasta muovista toteutettua anturia tai pietsosähköisestä muovista valmistettua anturia. Pisaran tilavuus määritellään laskennallisesti lohkossa 13. Voima-anturi voi esitetyn suoran voimamittauksen sijasta käsittää myös voimaa välittäviä 20 rakenteita esimerkiksi vipurakenteita tai vastaavia.

: Pisaran tilavuuden määritys tapahtuu seuraavasti. Osuessaan detektorilevyyn 11 • · : **' sadepisara kohdistaa siihen voiman, joka välittyy edelleen voima-anturiin 5 ja havaitaan • « sen lähdössä jännitepulssina. Pulssimuoto rekisteröidään ja siitä mitataan yksi tai ’ ’ 25 useampi pisaran tilavuuteen verrannollinen parametri. Soveltuvia parametreja ovat esim.

• « · · · | * pulssin huipusta-huippuun jännite (Vpp), maksimi- tai minimijännite tai pulssin • · '···' puoliarvoleveys (wl4). Tyypillinen pulssimuoto ja siitä määritetyt parametrit on esitetty , kuviossa 5.

• * • · · • · *’* 30 Joissain tapauksissa detektorin vasteeseen vaikuttavat myös muut tekijät kuin pisaran ··· # · · V * koko, esimerkiksi lämpötila. Nämä voidaan tarvittaessa mitata erillisillä antureilla ja ··· • · * · · · * ottaa laskentaan mukaan lisäparametreinä.

··· ···· • · :. * · · Pisaran tilavuus lasketaan nyt käyttäen lauseketta 5 118980 V = f{pl,...pn, ql,...qm) missä V on pisaran tilavuus, ρΐ,.ρη ovat pisarakoosta riippuvien mittausparametrien 5 arvot ja ql...qm tarvittavien lisäparametrien kuten lämpötilan arvot. Funktio f kuvaa näitten välistä riippuvuutta, joka on määritetty kokeellisesti joko laboratorio- tai kenttätestein.

Kapasitiivinen detektointi 10

Detektorin periaate on esitetty kuviossa 2. Keräimen 1 poistoputki 3 on valmistettu johtavasta materiaalista, ja sen alapuolelle on sijoitettu halkaisijaltaan suurempi johtava rengas 12. Detektori mittaa poistoputken 3 ja alemman renkaan 12 välistä kapasitanssia. Koska sadevesi on aina jossakin määrin johtavaa, muodostaa poistoputken suulle 15 muodostuva pisara kapasitanssimittauksen kannalta johtavan elektrodin. Tästä johtuen pisaran kasvaessa kasvaa myös poistoputken 3 ja ulkorenkaan 12 välinen kapasitanssi, kunnes pisara 10 putoaa ja kapasitanssi palaa takaisin alkuarvoonsa. Pisaran 10 pudotessa tapahtuva kapasitanssin muutos on verrannollinen pisaran 10 kokoon ja sitä voidaan käyttää detektorin lähtösignaalina. Pisaran tilavuus määritellään laskennallisesti 20 lohkossa 13.

;a| · Sähköiseen varaukseen perustuva detektointi • · • · • · · * • · V.: Mittausperiaate ja eräs mittauselektroniikan toteutustapa on esitetty kuviossa 3.

*·**· 25 Keräimestä 1 putoaville pisaroille 10 annetaan DC-jännitteen avulla sähkövaraus.

Pisaran saaman varauksen suuruus riippuu pisaran 10 pinta-alasta ja siten myös sen »»· tilavuudesta. Pisara 10 putoaa alapuolella olevan johtavan elektrodin 14 päälle, joka on kytketty varausherkän vahvistimen 15 tuloon. Mittauspiirin lähdöstä saadaan pisaran varaukseen verrannollinen signaali; kuvion tapauksessa purske, jossa pulssien • · *;·* 30 lukumäärä riippuu pisaran varauksesta. Varauksen mittaus voidaan toteuttaa myös ··· V · muilla tavoin. Varauksen perusteella pisaran tilavuus määritetään lohkossa 13.

·»· • · • * • · · ·:· Optinen detektointi • · · · • · * ♦ · • · · * · 118980 6

Detektointi voi tapahtua myös kuvion 4 mukaisesti optisesti esim. siten, että putoava pisara katkaisee optisen yksikön 9 valolähteeltä 11 valodiodille 12 tai vastaavalle kulkevan valonsäteen. Mitä suurempi on pisaran halkaisija, sitä kauemman aikaa valonsäde on katkaistuna; tämän ajan pituutta voidaan käyttää detektorin 5 lähtösignaalina. Optisen signaalin perusteella pisaran 10 tilavuus määritetään lohkossa 13.

Elektroaktiivisella muovilla tarkoitetaan tässä hakemuksessa muovia, jonka johonkin sähköiseen ominaisuuteen tähän kohdistuvat muuttuvat voimat vaikuttavat. Tällaisia 10 sähköisiä ominaisuuksia ovat johtavuus, ominaiskapasitanssi jne.

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

15 • a a • · a • aa · • » • a • aa • a a • a a • · · • a a • · • · • a· • « • a a a a

Claims (17)

1189;8 O

1. Sadeanturi, joka käsittää - esimerkiksi suppilomaisen sateenkeräysastian (1), jossa on keräyspää (2) sateen 5 keräämistä varten ja keräyspäätä poikkileikkaukseltaan pienempi poistopää (3) sateen johtamiseksi mitattavaksi, sekä - poistopään (3) läheisyyteen sijoitetun mittalaitteen (4) sademäärän mittaamiseksi, tunnettu siitä, että 10. mittalaite käsittää välineet (4,13) yksittäisen pisaran tilavuuden määrittämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että mittalaite (4) käsittää pisaran putoamisreitille sovitetun voima-anturin (5), jonka avulla putoavan pisaran tilavuus voidaan määrittää.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että voima-anturi 15 on pietsoanturi.

• · • · · ;· · 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että voima-anturi * · • on kapasitiivinen kiihtyvyysanturi.

• · · • ♦ · • · • 5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että voima-anturi on elektroaktiivisesta muovista tai pietsosähköisestä muovista valmistettu anturi. • · • · • M

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sadeanturi. tunnettu siitä, että mittalaite käsittää «· “1 • · · '' pisaran putoamisreitille sovitetun kapasitiivisen anturin (6), jonka avulla putoavan • · *·;·' pisaran tilavuuteen verrannollinen kapasitanssi voidaan määrittää ja anturi lisäksi • · *.2: käsittää välineet (13) pisaran tilavuuden määrittämiseksi mitatun kapasitanssin avulla. • · * · · • · · ··1 · · 2 • e • · · 118980

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että mittalaite käsittää välineet (7) pisaran varaamiseksi sähkövarauksella sekä mittavälineet (8) pisaran varauksen mittaamiseksi ja lisäksi laskentavälineet (13) pisaran massan määrittämiseksi mitatun varauksen perusteella.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sadeanturi, jossa on optiset välineet (9) sademäärän mittaamiseksi, tunnettu siitä, että anturi käsittää lisäksi välineet (13) pisaran tilavuuden määrittämiseksi optisesta signaalista.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen sadeanturi, tunnettu siitä, että keräävä suppilo on lämmitetty.

10. Menetelmä sateen mittaamiseksi, jossa menetelmässä - sadevettä kerätään sellaisen, esimerkiksi suppilomaisen sateenkeräysastian (1) avulla, jossa on keräyspää (2) sateen keräämistä varten ja keräyspäätä poikkileikkaukseltaan pienempi poistopää (3) sateen johtamiseksi mitattavaksi, ja 15. sademäärää mitataan poistopään (3) läheisyyteen sijoitetun mittalaitteen (4) avulla, • · t : : tunnettu siitä, että ··· · 5 ·· • • ·· :V: - kunkin poistopäästä (3) lähteneen sadepisaran tilavuus määritetään mittauksen *ί**ί aikana. • ·

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan putoavan pisaran aiheuttamaa voimaa pisaran tilavuuden määrittämiseksi. t· t

· * ·· :***: 12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että voima- .·* : anturina käytetään pietsoanturia.

• ·· • · • · . 13. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että voima- e · " • * · ϊ·! ϊ 25 anturi on kapasitiivinen kiihtyvyysanturi. ·" · • · ··· 118980

14. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että voima-anturi on johtavasta muovista tai pietsosähköisestä muovista valmistettu anturi.

15. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään putoavan pisaran tilavuuteen verrannollinen kapasitanssi josta määritetään pisaran 5 tilavuus.

16. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että varataan putoava pisara sähkövarauksella ja mitataan putoavan pisaran varaus josta edelleen määritetään pisaran tilavuus.

17. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että pisaran tilavuus 10 määritetään optisella menetelmällä. • · 1 ♦ · ♦ · • · • ·· • · ♦ · · • · · • · • · « · • · · • · • · »·1 • e « · • ·· ♦ • · · • 1 e · ··· • · • · · • ·· * · • • · « · · ♦ · · ··· · · 1 • · • · • •e 118980 ίο