JP2020030175A - 水と氷を分別した降水量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、降水を水と氷を分別して測定できる降水量測定装置を提供することである。【解決手段】本発明の水と氷を分別した降水量測定装置は、降水全量を測定できる降水量測定手段と水か氷を判別可能な水氷分別測定手段と、相補的な分別計算を行う手段を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水と氷を分別した降水量測定装置に関するものである。

特許文献１は、特に水、雪、氷に関して、道路表面状態を検出するデバイスであり、道路表面に光を当て、反射された偏光光を測定している。道路表面を直接測定するのは、特定の箇所を観測する場合は、良い面もあるが、道路の劣化など計時変化も考慮すると、水、雪、氷以外の要素も反射光に影響することを考えると、難しい点がある。又、その位置以外の場所も検出したい要素がある場合は、特定箇所を代表にすることが不都合となる場合がある。道路面を観測する文献としては、非特許文献１があり、この中では、可視光、近赤外線、マイクロ波の各々を使った路面状態の評価が論じられ、特に後者の２つの各々での評価の結果を述べている。路面に見立て白色板をサンプルにして、近赤外線、マイクロ波を夫々当て、反射光を評価している。
その結果、近赤外線では、反射率の角度依存性が高いこと、太陽光の影響が大きいこと、マイクロ波では、水及び氷の有無により路面からの放射率が大きく変化しているという結果が記述してある。白色板をサンプルにしてもなかなか難しいので実際の路面の測定では、評価が難しいことが分かる。尚、この文献では、近赤外線、マイクロ波を同時に相補的に使うことは示されていない。

特表２００６−５２３３３６ 平成２８年度「近赤外線及びマイクロ波を用いた路面状態の評価について」国立研究開発法人土木研究所、国立大学法人北見工業大学 特開２０１３−８８３６９

本願の課題は、降水を水と氷を分別して測定できる降水量測定装置を提供することである。

水と氷を分別した降水量測定装置では、降水全量を測定できる降水量測定手段と水か氷を判別可能な水氷分別測定手段を用い、相補的な分別計算を行う手段により水と氷を分別する。
以下請求項に沿い記述する。
請求項１記載の発明は、水と氷を分別した降水量測定装置であって、
降水量全体の量を測定可能な降水量測定手段と、どれだけが水、又は氷かを分別可能な水氷分別測定手段と、前記降水量測定手段と前記水氷分別測定手段を制御して動作させ、出力結果を相補的に使い、計算し水と氷の量を求める制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の水と氷を分別した降水量測定装置において、
水氷分別測定手段は、水か氷のいずれか一方だけを検知可能とすることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の水と氷を分別した降水量測定装置において、水氷分別測定手段は、マイクロ波を測定媒体として用いたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２又は請求項３記載の水と氷を分別した降水量測定装置において、前記水及び氷の量の計算は、前記降水量測定手段の測定値を降水の全量として、前記水氷分別測定手段の測定値を水又は氷の量として引き算し、他方の量を求めることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の水と氷を分別した降水量測定装置において、前記前記降水量測定手段と前記水氷分別測定手段は、上部及び下部が開いて前記降水が通過可能になっている筐体の側壁に取り付けられていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の水と氷を分別した降水量測定装置において、
前記筐体には、雪又は氷又は雨水の付着を防止する手段を有することを特徴とする。

以上の様に構成されているので、本発明による水と氷を分別した降水量測定装置では、降水を水と氷を分別して測定できるので、極めて好都合である。これにより、雨、雹（又は霰）、その混合体も分かる。

本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置の一実施態様を示す図である。 本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置において水氷比・量の計算の一実施態様を示す図である。 本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置において測定される量的関係の例を説明する図である。 本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置の形状の一実施態様を示す図である。 従来の粒状氷の検知装置を示す図である。

図1は、本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置の一実施態様を示す図である。
本装置の特徴は、降水には、液体の雨と固体の氷とその中間的混在の状態があることを考慮して、水（雨）と氷を分別して量的測定を行うことにあり、そのために、降水量全体の量を測定可能な降水量測定手段と、これだけでは、水か氷かはわからないことから、この内、どれだけが水、又は氷かを分別可能な水氷分別測定手段を備える。これを実現する水氷分別測定手段は、水か氷のいずれか一方だけを検知する特徴を有するか、水か氷を判断できる特徴を持つものである。

後者の例としては、画像により水か氷かを判断することがあるが、これは、両者が混在する場合の状態判断が難しく量的把握の誤差が大きい。
そのため、前者の方が好ましい。前者として、水は検出するが、氷は検出しない手段としてマイクロ波が好適である。勿論、水を検出しないで、氷を検出する手段でも使用することができる。降水量測定手段は、赤外線特に近赤外線を使うことができる。これは、水も氷も検出できる。このように、各々だけを使っては、水と氷を分別して測定はできないが、
両者を使うと簡単に、分別測定ができることを図２、図３に示す。

その前に、図１の１−Ａにおいて、水と氷を分別した降水量測定装置１００の基本構成として、降水量全体の量を測定可能な降水量測定手段１１０と水か氷を判別可能な水氷分別測定手段１２０と、両者を制御し、両者の出力から水と氷の比、各量を求める制御器１３０を備える。他に、制御器１３０には、測定データを格納するデータメモリ１３１を備え、制御器１３０からの出力で測定データを表示する表示器１４０、通信又はインターネットなどを介して監視センターや、離れた位置の表示器に表示するための送受信器１５０を備えると好都合である。

１−Ｂには、降水量測定手段１１０と水氷分別測定手段１２０の取りついた、測定部を示す。互いに離間して向き合った側壁１６０Ａ、１６０Ｂは、上と下が開口し、上から測定すべき雨や氷が降り、側壁１６０Ａ、１６０Ｂの間の空間を通過し、下から抜けていく。
反射特性を使うこともできるが、ここでは、吸収特性を使うとして、側壁１６０Ａ側に降水量測定手段１１０の送信器１１１とこれを受ける反対側の、側壁１６０Ａ側には降水量測定手段１１０の受信器１１２が対向して設置されている。上記のように、信号としては、赤外線特に近赤外線である。ほぼ同じ降水状態を測定するためにほぼ同じ位置や周辺において、側壁１６０Ａ側に水氷分別測定手段１２０の送信器１２１とこれを受ける反対側の、側壁１６０Ｂ側には水氷分別測定手段１２０の受信器１２２が対向して設置されている。上記のように、信号としては、マイクロ波である。両者の測定値は、降水の無い状態、降水の状態にたいして量的関係が同じになるように較正されていることは当然である。
測定された信号強度の関係を図３で説明する。

図３は、本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置において測定される量的関係の例を説明する図である。上記の例のように、赤外線特に近赤外線とマイクロ波の吸収特性を用いた場合で説明する。３−Ａには、受信側で測定された受信強度を時間に関して描いてある。降水がない場合は、降水による吸収はないので、最大強度であるが、降水区間は、降水による吸収があるだけ、強度は減衰（低下）する。見えやすくするため、減衰を拡大して描いてあるが、実際には小さいものである。これを最大強度との差分を取って増幅し絶対値を取って正の値で描いたのが３−Ｂに示されている。強度値は降水量に比例するので、前記の較正により、降水量（グラム値）を表すことができる。この事情は、降水量測定手段１１０と水氷分別測定手段１２０も同じである。尚、差分を取る代わりに直流分をコンデンサでカットして変化分のみ増幅してもよい。
１−Ｃでは、降水量測定手段１１０と水氷分別測定手段１２０の測定結果を同じ時間に対して描いてある。降水量が、無、雨、氷雨混合、氷、無と時間的に変わった場合を想定し、３−Ａに対する各測定された強度値を描いてある。降水量測定では、雨、氷雨混合、氷を区別なく測定され減衰量は同じ（但し、同じ量が降っていると仮定）である。
ところが、水氷分別測定手段、ここではマイクロ波を使った場合は、雨では降水量測定手段と同じ減衰量であり、氷では、減衰はない、当然、氷雨混合では、雨の分だけの減衰である事情を示している。
このような事情を考慮すると、両者の結果を相補的に使うと、図２のように水と氷の分別が可能となる。

図２は、本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置において水氷比・量の計算の一実施態様を示す図である。
降水量測定手段１１０と水氷分別測定手段１２０の測定結果が、各々、ＭグラムとＮグラムだったとして、Ｍ＝１００、Ｎ＝０（全量氷）、２０（水２０）、１００（水１００）場合の数値を記述した。Ｒ氷／全量％とｒ水／全量％の値を示す。
Ｒ＝（Ｍ−Ｎ）／Ｍ
ｒ＝Ｎ／Ｍ
で簡単に求められる。 例えば、Ｍ＝３０でＮ＝５では、水は５であり、氷は２５となる。

図４は、本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置の形状の一実施態様を示す図である。
ここでは、降水量測定手段１１０と水氷分別測定手段１２０の部分を示す。側壁１６０Ａ、１６０Ｂの間の空間は、ここを上の開口から下の開口へ降水が落下していく。前記のように、側壁１６０Ａ、１６０Ｂには、図では示されていないが、降水量測定手段１１０と水氷分別測定手段１２０の送受信部が対向して据えつけられている。又、側壁１６０Ａ、１６０Ｂを備えた各空間には、必要な回路が実装されている。４−Ａでは、側壁１６０Ａ、１６０Ｂの上にある上庇１７０が傾斜していない場合を示す。上庇１７０を付けた理由は、直接降水が送受信部につかない様にしているためである。勿論、その代わりに、側壁１６０Ａ、１６０Ｂから引き込ませて送受信部を較正することもできる。その場合には凹みの下側に雪が付くなどの弊害をなくすため、信号に対する透明体で覆い、撥水処理や加温などで雨や雪が付かない処理を施すことが望ましい。上庇１７０のあるなしに関わらず、降水量測定手段１１０と水氷分別測定手段１２０の部分には、降水の付かない又は蒸発させる手段があるとのは好都合である。４−Ｂでは、上庇１７０が傾斜していて水、雪、氷などの降水が落ちやすい形状にしたものを示している。

尚、降水量測定手段１１０と水氷分別測定手段１２０に用いるものとして、赤外線特に近赤外線とマイクロ波を述べたが、その例としては、多くの文献に見ることができる。
例えば、
赤外線特に近赤外線の領域で、水の吸収がある波長１４１２、１４４５、１９４０ｎｍ付近。
マイクロ波では、１ＧＨz−３００ＧＨz、特に水の吸収がある周波数２．４−２．５、２４．５、１９０、３２０ＧＨz。
が好ましい。

以上のように本発明にかかる水と氷を分別した降水量測定装置は、水と氷を分別して測定できるので、産業上利用して極めて好都合である。

１００ 降水量測定装置
１１０ 降水量測定手段
１１１、１２１ 送信器
１１２、１２２ 受信器
１２０ 水氷分別測定手段
１３０ 制御器
１３１ データメモリ
１４０ 表示器
１５０ 送受信器
１６０Ａ、１６０Ｂ 側壁
１７０ 上庇

Claims (6)

1. 降水量全体の量を測定可能な降水量測定手段と、どれだけが水、又は氷かを分別可能な水氷分別測定手段と、前記降水量測定手段と前記水氷分別測定手段を制御して動作させ、出力結果を相補的に使い、計算し水と氷の量を求める制御手段とを備えることを特徴とする水と氷を分別した降水量測定装置。
2. 水氷分別測定手段は、水か氷のいずれか一方だけを検知可能とすることを特徴とする請求項１記載の水と氷を分別した降水量測定装置。
3. 水氷分別測定手段は、マイクロ波を測定媒体として用いたことを特徴とする請求項２記載の水と氷を分別した降水量測定装置。
4. 前記水及び氷の量の計算は、前記降水量測定手段の測定値を降水の全量として、前記水氷分別測定手段の測定値を水又は氷の量として引き算し、他方の量を求めることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の水と氷を分別した降水量測定装置。
5. 前記前記降水量測定手段と前記水氷分別測定手段は、上部及び下部が開いて前記降水が通過可能になっている筐体の側壁に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の水と氷を分別した降水量測定装置。
6. 前記筐体には、雪又は氷又は雨水の付着を防止する手段を有することを特徴とする請求項５記載の水と氷を分別した降水量測定装置。

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