JP2016509226A - ラジオゾンデおよび高温で実施される大気測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、方法およびラジオゾンデ（１）に関する。方法によれば、少なくとも、大気の温度および相対湿度がラジオゾンデ（１）によって測定される。本発明によれば、湿度の測定は、測定をより速くするために高い温度の状態で連続的に実施される。高い温度および周囲の気温の両方が同時に測定され、それらの値に基づいて相対湿度が決定される。湿度検知要素は、平面基板上に配置される。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによるラジオゾンデのための方法に関する。

本発明は、さらに、ラジオゾンデに関する。

（探測装置ともよばれる）ラジオゾンデは、ガス気球に取り付けられ、大気のパラメータを測定し、測定した情報を一般的には地上施設に送信する、気象観測装置である。測定または計算されたパラメータには、一般的に、様々な高度における、大気の温度、圧力および湿度、さらには風速および風向が含まれる。

ヘリウムまたは水素が充填された気球によって、ラジオゾンデは大気中を上昇する。気球が大気中を上昇するにつれて圧力は低くなり、それによって気球は膨張する。最終的に気球が破裂して上昇は終わる。

従来技術のラジオゾンデは、リアルタイムで全ての変数を記憶するコンピュータと無線で通信する。

最近のラジオゾンデは、ＧＰＳや人工衛星に基づく航法システムなど、風速および風向を決定する様々な機構を使用することができる。

時には、ラジオゾンデは、気球によって空中に運ばれるのではなく、航空機から投下されることによって展開されることもある。

ラジオゾンデによって測定される主なパラメータのうちの１つは、相対湿度または露点パラメータとしての湿度である。湿度を測定する目的の１つは、雲およびその高度の探知である。従来技術における問題は、測定における湿度測定の応答時間が長いことである。これは、測定プロセスの性質によって強調される。というのも、測定プロセス中の温度範囲が非常に広い（＋４０・・・−８０℃）からである。湿度測定が遅いことで２種類の問題が起こる。第１には、検出された雲の高度が不正確になることであり、第２には、最も薄い雲の構造が検出されないことさえあることである。というのも、湿度すなわち雲の最低レベルと最高レベルは、測定によって検出されないからである。ラジオゾンデによる探測は航空管制で使用される不可欠な気象情報源であるので、これらの不正確さによって、航空交通が危険にさらされることさえある。

本発明は、上述した最先端技術の欠点のうちの少なくともいくつかを無くすこと、そして、そのために、全く新しいタイプのラジオゾンデのための方法およびラジオゾンデを作り出すことを目的とする。

本発明は、ラジオゾンデによる測定段階の間、湿度検知要素を連続的に加熱すること、および平面基板上に湿度検知要素を配置することに基づいている。

本発明の有利な一解決策では、上昇する一般的なラジオゾンデまた下降する投下ゾンデによる測定の間、内部に温度検知器、湿度検知器および加熱要素が主空気流れの方向に対して対称に配置されている湿度検知要素で加熱が実施される。

本発明の有利な一解決策では、加熱は、周囲空気および湿度検知器の両方の正確な温度測定によって制御される、検知器と環境の一定温度差によって制御される。

本発明の有利な一解決策では、加熱は、加熱要素の一定加熱電力によって制御される。

測定中、ラジオゾンデの上昇する動きにより、主空気流れは、典型的には、垂直方向に下降する流れになる。同じことは投下ラジオゾンデにも当てはまり、明白な理由により、投下ラジオゾンデの場合では、空気流れは反対方向になる。

本発明の典型的な一解決策では、湿度検知器は、容量性検知要素である。

より詳細には、本発明による方法は、請求項１の特徴部分に明記される事柄を特徴とする。

本発明による装置は、請求項５の特徴部分に明記される事柄を特徴とする。

本発明を活用することで大きな利点を得ることができる。

加熱により、測定がより速くなり、それによって雲の検出がより正確になる。さらに、感度も向上する。

従来技術の解決策の中には、較正のためまたは凍結防止のために、温度検知器がパルス加熱されるものもあるが、パルス加熱する方法は、連続的に温めることの利点をもたらさない上に、測定の遅れまたは中断を引き起こす。さらに、これらの測定において、制御原理は湿度レベルに基づいている。この従来技術の解決策では、低い湿度レベルにおいて利点が得られない。

湿度検知要素を有利な対称的レイアウトにすれば、湿度検知器の温度をより正確に測定することが可能になる。

以下において、添付の図面を参照して、例を用いて本発明を検討する。

放球装置から放球されたラジオゾンデの概略図である。 本発明によるラジオゾンデの図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。 本発明による代替湿度検知要素の図である。

要約すると、本発明の代表的な器具は、典型的には容量性である、湿度検知器１１であり、温度測定要素１２および加熱要素１３と組み合わせて用いられる。湿度検知器１１の温度は、ラジオゾンデ１にある他の温度検知器１５によって独立して測定される周囲温度よりも数摂氏温度高い温度に保たれる。加熱の制御には、設定された温度差か一定電力のどちらかが用いられる。相対湿度は、以下にある既知の式に従って、周囲空気の温度情報を用いて計算される。

式中、
ＲＨ_ａ＝真の相対湿度
ＲＨ_ｓ＝基板１１上の感湿フィルムと接触している混合物の相対湿度
ｅＷ_ｓ＝温度検知器１２によって測定された基板１１の温度における飽和蒸気圧
ｅＷ_ａ＝温度Ｔ_ａにおける周囲の混合物の飽和蒸気圧
Ｔ_ｓ＝温度検知器１２によって測定された基板１１の温度
Ｔ_ａ＝独立した検知器１５によって測定された周囲温度
である。

図１によれば、ラジオゾンデ１は、コード４によって気球３に取り付けられる。気球３とラジオゾンデ１の組合せを飛揚すると、気流によって水平方向に運ばれる。上層大気中（成層圏）中では、風の渦（すなわち風速または風向の局所的な変化）が小さいので、気球３とラジオゾンデ１は、気流の速度まで水平方向に急速に加速し、風がやむまで推力が引き起こされる。定常風の領域では、気球３とラジオゾンデ１の組合せは、水平面内において周囲空気の動きに非常に正確に追従する。換言すると、気球３とラジオゾンデ１の共通の重力の中心は、おだやかな風のところでは空気と同じように水平方向に動く。垂直方向では、気球の浮力が空気に対する上向きの上昇速度を生む。ラジオゾンデ１は、測定用の電子機器に連結される不可欠な計測器５および計測器１５を含む測定棒（ｂｅａｍ）２と、ラジオゾンデ１内部に、電気通信用の電子機器と、電池のような電源とを備える。今日、ラジオゾンデ１内には、通常、ＧＰＳポジショニング用の電子機器も含まれる。

測定棒２は、測定要素５と測定要素１５とを含み、上昇する気球３によって引き起こされる空気流れ方向１０に対して上方を指す。通常、空気流れ方向１０は、一定ではなく、常に変化しているが、矢印は、平均的な、典型的な流れの方向を十分に示している。図１に見られるように、測定棒はまっすぐ上を指していないが、様々なパラメータの測定のために測定要素５および測定要素１５をより有利な位置に置くために、測定棒を水平方向に対して典型的には約４５度である約０〜９０度に傾けてよい。

図３ａによれば、主空気流れは上から下に向かって矢印１０に従って流入する。図３ａ〜図３ｄの向きは流れの主方向１０に関して全て同じである。湿度検知要素５は、３つの主要な能動要素である湿度検知器１１、温度検知器１２、加熱要素１３、要素１１〜１３をラジオゾンデ１内に配置された検知器用の電子機器に接続するための接点パッド１４を備える。

図３ａでは、湿度検知器１１と温度検知器１２は、湿度検知要素５の垂直中心線１６周りで対称に配置されている。加熱要素１３は、やはりまた、要素５の垂直中心線１６に対して対称、即ち、要素５の底部の中央に水平方向に配置されている。この配置により、加熱の効果が、湿度検知要素１１でも温度検知要素１２でも同じになる。

図３ｂでは、湿度検知器１１と温度検知器１２の間に、空気流れの主方向１０に沿って中心線１６上に垂直方向に加熱要素１３を配置することによって、対称性が実現される。

図３ｃでは、湿度検知器１１と温度検知器１２の間に水平方向に加熱要素１３を配置することによって、対称性が実現される。

図３ｄは、諸要素が非対称に配置されており、加熱要素１３が湿度検知要素５の片側に配置される場合を示している。図３ａ〜図３ｄの全てにおいて、接点パッド１４は、湿度検知要素５の両側に配置されている。

図４ａによれば、接点パッド１４は、湿度検知要素５の片側に配置され得る。

図４ｂによれば、接点パッドは、湿度検知要素５の片側と底部に配置され得る。

図４ｃによれば、湿度検知要素１１は、加熱抵抗体１３によって囲繞される温度検知器によって囲繞され得る。

図３ａ〜図３ｄおよび図４ａ〜図４ｃの実施形態では、要素１１〜１３は、湿度検知要素の同じ面上に配置される。本発明は、要素１１〜１３が互いに重なり合うような多層構造としてでも両面構造としてでも実施可能である。

図５ａおよび図５ｂの実施形態において（図５ａは上面図、図５ｂは側面図である）、図面には、湿度検知要素５についての片面多層構造の解決策が示されている。要素１１〜１３は、湿度検知器１１が上部に配置され、加熱要素１３が底部に配置され、要素１１と要素１３の間に温度検知要素１２が配置されるように互いに重なり合う同じ寸法の層である。

図６ａ〜図６ｃの実施形態において（図６ａは上面図、図６ｂは側面図、図６ｃは底面図である）、図面には両面湿度検知要素５が示されている。この場合、加熱要素１３は基板１７の後面に配置され、基板１７の反対側には湿度検知器１１と温度検知器１２が、一般的に、構造の上部に湿度検知器１１が来るように互いに重なり合って配置される。

図７ａ〜図７ｃの実施形態において（図７ａは上面図、図７ｂは側面図、図７ｃは底面図である）、図面には両面湿度検知要素５が示されている。この場合、加熱要素１３は、図６ａ〜図６ｃと同じように基板１７の後面に配置され、基板１７の反対側には、湿度検知器１１と温度検知器１２が構造５の中心線１６について両側に対称に配置される。

測定中、ラジオゾンデ１が大気中を上昇する間、大気の少なくとも温度および相対湿度がラジオゾンデ１によって測定される。湿度の測定は高温の状態で連続的に実施され、高い温度および周囲の大気温度の両方が同時に測定され、これらの値に基づいて相対湿度が決定される。

典型的には、ラジオゾンデ１の位置も、例えば、ＧＰＳ装置と圧力検知器を一緒に用いて測定される。

一定電力を用いて、または設定された温度差により湿度検知器１１を加熱するのではなく、本発明による解決策は加熱アルゴリズム（ｈｅａｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）のおだやかな変化を可能にする。換言すると、測定の間に電力が変化することができるか、温度差が変化することができる。この代替形態を使用すると、加熱の変化は、明確に、測定されるべき湿度パラメータの時間的変化よりも遅くなる（例えば１／１０）。

湿度検知要素５は典型的には平坦であり、いくつかの有利な実施形態では片面である。

１ ラジオゾンデ、ゾンデ
２ 測定棒
３ 気球
４ 気球コード
５ 湿度検知要素
１０ 主流方向
１１ 容量性湿度検知器
１２ 温度検知器、第２の温度検知器
１３ 加熱要素（典型的には抵抗体）
１４ 接点パッド
１５ 第１の温度検知器のような他の検知器
１６ 湿度検知要素の中心線
１７ 湿度検知要素５の基板

Claims (10)

1. 少なくとも大気の温度および相対湿度がラジオゾンデ（１）によって測定される、ラジオゾンデ（１）のための方法であって、
   湿度の測定は高い温度の状態で連続的に実施され、前記高い温度および周囲空気の温度の両方が同時に測定され、それらの値に基づいて相対湿度が決定されることと、
   湿度検知要素（５）は平面基板（１７）上に配置されることとを特徴とする方法。
2. 前記高い温度は、湿度検知器（１１）と周囲空気との温度差が一定になるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記高い温度は、前記湿度検知器（１１）にもたらされる一定の加熱電力によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記高い温度は、湿度の測定をより速くさせるために形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 大気温度を測定する第１の温度検知器（１５）と、
   湿度検知器（１１）と、
   前記湿度検知器（１１）と熱的に密に関係するように配置される加熱要素（１３）と、
   湿度検知要素（５）を形成するための第２の温度検知器（１２）とを備えるラジオゾンデ（１）であって、
   ラジオゾンデ（１）は、測定が完了するまでの間、前記湿度検知器（１１）が周囲空気の温度に対して高い温度の状態にあるように、前記加熱要素（１３）に供給される電力を制御する手段を含み、
   前記湿度検知要素（５）は平面基板（１７）上に形成されることを特徴とする、ラジオゾンデ。
6. 前記湿度検知器（１１）と前記周囲空気との温度差を一定に維持することによって加熱電力を制御する手段を含むことを特徴とする、請求項５に記載のラジオゾンデ。
7. 前記湿度検知器（１１）にもたらされる一定加熱電力によって前記高い温度を形成する手段を含むことを特徴とする、請求項５に記載のラジオゾンデ。
8. 前記湿度検知器（１１）にもたらされる、緩やかに変化することができる加熱電力によって前記高い温度を形成する手段を含むことを特徴とする、請求項５に記載のラジオゾンデ。
9. 相対湿度の測定に関連する測定要素（５、１１、１２、１３）が、前記湿度検知器の温度測定を可能な限り正確にするために、空気流れ（１０）に対して対称に配置されることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか１項に記載のラジオゾンデ。
10. 前記測定要素（１１、１２、１３）が、前記湿度検知要素（５）の垂直中心線（１６）周りで対称に配置されることを特徴とする、請求項５〜９のいずれか１項に記載のラジオゾンデ。

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