JP4744441B2 - 大気水象を検出するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気水象を検出する測定装置に関連する、請求項１のプレアンブルに記載の方法に関する。
本発明は、大気水象を検出するセンサに関連して使用される機器にも関する。

本発明が関係する方法は、その様々な形態（特に水、雪、及び雹）の降水を測定するセンサに関わり、それらセンサは、大気水象が検出器表面をたたくときに作り出す機械的な衝撃を検出することに基づいている。この方法は、検出装置の表面を直接たたく大気水象を測定するセンサと、漏斗様の収集器を装備し、その収集器から滴として出る水を測定するセンサの両方に対して適切である。センサによってもたらされる情報は、降水の量、降水の強さ、降水の形、降水の運動エネルギ、又は大気水象によって作り出される衝撃から計算することができるその他いくつかの数量とすることができる。

検出器表面を直接たたく大気水象を検出するセンサ及び方法が、例えば本申請者による以前の特許申請（フィンランド国特許申請第２００１１８７６号）に開示されている。同様の原理で動作する降水センサが、ＥＰ特許公開第０４２２５５３Ｂ１号及びドイツ国特許申請第ＤＥ４４３４４３２Ａ１号にも開示されている。収集器を装備したバージョンも、本申請者による以前の申請（フィンランド国特許申請第２００１１８７５号）に開示されている。

上述の申請に述べられているセンサは、その利用を限定しているある欠点を有する。第１のものは、センサの電力消費に関する。降水は、幹線電気が容易に利用可能ではないいくつかの場所で測定されるのが一般的である。したがって電気式の測定装置の場合、乾電池、蓄電池、又は蓄電池と太陽電池の組合せが電源として使用されるのが普通であり、したがって機器の製造及び運転コストの観点から電力消費は実質上最低限に抑えられなければならない。前記出版物に記載のセンサは、感知要素と、センサの信号を増幅し、出力信号を生成するのに必要な信号処理を行う関連の電子装置から形成されている。それ自体受動であることもできる感知要素（例えば圧電性の要素）を通して、全時間降水による滴の可能性及び電力の消費に対して待機状態にある測定用の電子装置にスイッチが入る。したがって前記に開示された解決策は、電力消費の面から最適ではない。

周知の解決策の他の欠点は、検出器表面をたたく大気水象より他の要因による機械的な衝突及び振動に起因する外乱である。センサの支持構造を通して環境から伝えられる振動、又は風に起因する振動は、十分に強い場合には検出回路をトリガすることができ、大気水象として擬似的に記録される機械的な外乱につながる。
フィンランド国特許申請第２００１１８７６号 ＥＰ特許公開第０４２２５５３Ｂ１号 ドイツ国特許申請第ＤＥ４４３４４３２Ａ１号 フィンランド国特許申請第２００１１８７５号 特許申請第ＦＩ２００１１８７６号

本発明は、前記に開示された先端技術の欠陥を除去し、この目的のために大気水象を検出するセンサに関連する完全に新しいタイプの方法及び機器を創り出そうとするものである。

本発明は、個々の大気水象各々に対する測定動作のために励起される装置に基づく。本発明の第２の好ましい実施形態によれば大気水象の衝突に関係のない信号は測定信号からフィルタされる。このような信号は、構造を通ってきた振動であり、風による振動現象である。

より具体的には、本発明による方法は、請求項１の特徴部分に述べられている内容を特徴としている。
一方、本発明による機器は、請求項１０の特徴部分に述べられている内容を特徴としている。
本発明によって多くの利点が得られる。

測定機器の電力消費は、機器が測定期間中、非常に短い時限でのみ電力を消費するので、非常に少なくすることができる。したがって可能な補助装備、例えばデータ通信に関する電子回路は、利用可能な電源から最大の容量を受け取る。

本発明による方式での電力消費の削減は、構成部品による動作時間の累積がより少なくなるので機器をより信頼できるようにもする。

一方、擬似信号フィルタ方法は、擬似測定の場合の回数が減少するので測定精度を増加させる。
下記に、例証を用いて、また添付図面を参照して本発明を検証する。

本発明による方法では、測定用電子装置を２つの部分に分割することによってセンサの電力消費を最小にしており、図１によれば、
全時間スイッチが入っている検出回路１、
常態ではいわゆる節電モードでスイッチが切られたままの状態にあり、必要時にのみ励起されて測定を行う処理回路２に分かれている。

検出回路１は、できるだけ少ない電力を消費するように設計されており、実際のセンサ６、同じブロック５に統合されている増幅器及びフィルタ、並びにコンパレータ３で構成されている。大気水象が検出要素６を打つと、それが信号を創り出し、ブロック５がその信号を増幅し、おそらく大気水象を表現する信号として一般的な周波数範囲に帯域幅フィルタし、それをコンパレータ３の閾値と比較する。フィルタ動作は、常に擬似的な信号の属性に従って高又は低域フィルタ動作にもなれることは勿論である。閾値が超えられると、回路３がプロセッサ回路２のために励起信号を創り出し、その励起信号がプロセッサ回路を起動する。処理回路２は、検出された大気水象を測定するが、その回路を励起した大気水象に続くものから測定を始める。新たな大気水象が特定の所定期間（例えば１０秒）検出されないと処理回路は節電状態に戻る。

その中で図の記録ブロック４がコンパレータ３に並列に接続されているより高度化した方法を使用することによって電力消費をさらに削減させることができる。接続の原理は、処理回路２が、励起する大気水象によって既にもたらされた信号を直接或いは記録ブロック４を用いて測定することができるほど急速に励起されることである。メモリ４に記録された信号を測定し、分析した後処理回路２は直ちに節電状態に戻る。

したがって実行は、極めて急速に励起されるプロセッサ２、或いはプロセスがそれらを読み取れるようになるまでメモリ要素３に励起信号の特性値を記録する検出回路１に基づくことができる。信号の特性値は、その最大又は最小値、その半値幅、その立ち上がり時間、周波数、又は大気水象のタイプ及びサイズに依存するその他の特徴とすることができる。したがって記憶回路４は、後に読み取られるように、時間的に所望の特性のための一連の信号を十分に長く記録することができなくてはならない。

異なるタイプの励起に対するセンサの応答を示す図２及び３は、擬似的な信号をフィルタすることの重要性を図示している。図２は水滴により創り出された信号を示し、図３は支持構造を通って伝えられた機械的振動によって創り出された応答を示す。閾値を超えることに基づく単純な検出を使用する場合、より下側の図に示されたものと同様の擬似的な信号が大気水象として記録され、その結果例えば降水の量又は強度を測定するときセンサは高すぎる読みを示す。

問題は、外部構造から検出要素に伝えられる衝突又は振動を減衰させるばね又はゴムパッド等の機械的な構造を使用することによって部分的に解決することができる。しかしこれらの使用も完全な減衰を達成せず、むしろ強い信号は検出要素に伝えられ続け擬似登録の原因になる。機械的な減衰装置の使用は、空気の流れが実際の検出要素に振動を誘発するときに発生する、風に起因する外乱も除去しない。

本発明による方法では、大気水象信号の１つ又は複数の特性に基づいて機械的外乱を処理中に信号からフィルタし、その特性を用いて純正な大気水象信号を擬似信号から識別することができる。フィルタ動作は、検出閾値を超えたパルスから決定される１つ又は複数の特性により行われ、これら特性が予め決められた判断基準と比較され、その判断基準に満たない信号は拒否される。フィルタ動作で使用される特性は、信号の周波数、最大又は最小振幅、立ち上がり又は立ち下がり時間、半値幅、パルスの形状を描くその他いくつかの特徴、或いはこれらいくつかのの組合せとすることができる。

水滴又は雹などの異なる大気水象に対しては、これらが引き起こす信号が互いに相当に違っているので、異なる特性を使用することが適切であることに留意するべきである。したがって外乱のフィルタ動作も降水の形状及びタイプの同定と組み合わせることができることが好ましい。

上述の外乱フィルタ方法を実行する直截な方式は、トリガした後それによって信号のサンプルをディジタル形式で記録するアナログ・ディジタル・コンバータを装備するプロセッサを使用することである。必要なパラメータは記録された信号から計算され、信号は相応して分類される。ただしこの場合、高速Ａ／Ｄコンバータ並びに比較的大きなメモリ及び計算力を装備するプロセッサが必要になり、これが機器の値段及び電力消費の両方を増加させることになる。以下に、それによりより簡単でより安価なプロセッサを使用してフィルタ動作を実行することができる一方法を開示する。

この方法では、まず適切なパラメータがトリガに関連して信号から測定され、ある特定の期間後再度測定される。フィルタ動作で使用される特性は、異なる時間に測定されたパラメータの値を互いに比較することによって形成される。例えばパルスの振幅又は変化率（時間微分）をパラメータとして選定することができる。図２の場合、最大振幅（ａｍａｘ）をトリガ後時間窓１０で測定し、一瞬時間ｄｔ後（例えば３ｍｓ）（ａｄｔ）に時間窓１１で測定することにより特性を形成することができる。一般的に測定された水滴の信号は急速に減衰する。一方擬似信号は、一般的に振動しながらゆっくりと減衰する。したがって比率ａｍａｘ／ａｄｔを特性として使用することができ、信号の受容れ基準を、例えばａｍａｘ／ａｄｔ＞１０と決めることができる。

相応して、信号の変化率がパラメータとして選定された場合、信号の微分をトリガ後及び時間間隔ｄｔ後の両方で測定し、これら微分の比率から特性を形成する。

方法の選択度は、２つを越える測定点を使用することによって改善することができる。例えば振幅をトリガ後及び２ｍｓ後及び３ｍｓ後に測定し、これら振幅の割合を設定された評価基準と比較する。

代替の方法は、トリガの瞬間から始めて、それが初期値に関して予め決められた値に達するまで特定の信号パラメータを測定し、そのかかった時間を特性として使用する。この場合、例えば信号の振幅がその最大値の１０分の１に落ちるまでどの程度少ない時間がかかるか測定する。

風に起因する外乱の場合、前記で開示した方法では全ての状況で誤謬のない動作を保証しない。風によって検出要素内に創り出された擬似信号は一般的に連続的な暗騒音であり、その強度は風の速度及び風の息（ｇｕｓｔｉｎｅｓｓ）によって変化する。風の速度が高いとひいては擬似信号が連続してトリガ・レベルを超えることがあり、その結果処理回路の容量が超えられほとんどの純正な大気水象信号が検出されないままになる。

トリガ・レベルを非常に高く設定して最も強い風に起因する外乱でもそれを超えないようにすることによって風による外乱を除去することができる。しかしこの場合大きな滴を検出することだけが可能であり、特に小雨の場合でほとんどの降水が小さな滴の形態になるとき測定の精度は損なわれる。

本発明によるより高度化した方法では、順応可能なトリガ・レベルが使用される。この場合プロセッサは、風速が増加するにつれてトリガ閾値を増加させ、風による外乱の振幅が常にトリガ閾値の下にとどまるようにする。風速は、別個の風センサか降水センサに組み込まれたものを使用して測定することができる。最高の測定精度は、風によって調整されるトリガ閾値を、特許申請第ＦＩ２００１１８７６号で開示された降水センサの風によるエラーのリアルタイム修正に関連して使用する場合に達成される。

本発明による一システムのブロック図である。 大気水象により、本発明によるそのシステム内に創り出された信号を図表を用いて示す図である。 本発明によるそのシステム内の擬似信号を図表を用いて示す図である。

Claims (10)

1. 大気水象を検出する測定装置に関連する方法であって、
   １つの検出表面に直接落ちる大気水象の機械的衝撃が測定され、
   該測定装置の検出器回路（１）が、１つの衝撃についての１つの閾値を定義するために連続測定を行うのに使用され、
   該測定装置の電力消費を最小にするために、該大気水象を示す該衝撃が該閾値を超えた後にのみ、該測定装置のプロセッサ回路（２）が測定動作のために励起され、
   機械的外乱が、異なる複数の時間点における該衝撃の適切なパラメータの複数の値を互いに比較することで、該プロセッサ回路（２）の処理中に信号からフィルタリングして取り除かれることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、該測定機器の該プロセッサ回路（２）が、測定の直後に不活性状態に戻されることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、パルス固有の測定データが、該測定装置の検出器回路（１）に記録され、それによって該プロセッサ回路（２）が励起後測定データを読むことができることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法において、該閾値決定後、該パルスの振幅又は変化率等の該衝撃の第１のパラメータが第１の時間窓（１０）内で測定され、同一種類のパラメータが、後の第２の時間窓（１１）で測定され、擬似信号を除去するために該第１の時間窓のパラメータと第２の時間窓のパラメータが互いに比較されることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、該第１の時間窓（１０）内と該第２の時間窓（１１）内で測定されたパラメータの差の間の割合と、第１の時間窓（１０）と第２の時間窓（１１）の間の時間差が、該擬似信号に対する限界値として創り出されることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法において、該衝撃の振幅又は変化率等の少なくとも１つのパラメータの初期値が測定され、該パラメータが該初期値と関連するあらかじめ定義された値に到達する前に経過した時間が測定され、その時間がフィルタリングに使用されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法において、該測定装置の該検出器回路（１）の該閾値が、風によって引き起こされる擬似信号の振幅が該閾値よりも小さい値に維持されるような方法で、風速に基づいて調整される方法。
8. 大気水象を検出するための測定装置であって、
   検出器部分（１）を含み、該検出器部分（１）は、
   検出器表面に直接当接する大気水象に起因する衝突を検出するための検出要素（６）と、
   該検出要素（６）の出力を増幅するための増幅回路（５）と、
   特定の閾値を超える衝撃の測定をトリガするための限界値回路（３）を含み、該検出器部分（１）は、該衝突の１つの閾値を定義するために連続的な測定を実行するように構成され、該測定装置は、さらに、
   該トリガされた信号を処理するためのプロセッサ部分（２）を含み、該プロセッサ部分（２）は、該測定装置の電力消費を最小化するために、該衝突を示す大気水象信号が該閾値を超えた場合にのみ、測定動作のために活性化されるように構成され、
   該プロセッサ部分（２）が、複数の異なる時間点において該衝突の適切なパラメータの複数の値を互いに比較することで、機械的外乱をフィルタリングして取り除く手段を含むことを特徴とする測定装置。
9. 請求項８に記載の装置において、該測定装置の該プロセッサ部分（２）が、測定後直ちに不活性状態に戻るように構成されていることを特徴とする測定装置。
10. 請求項８又は９に記載の装置において、該検出部分が、該プロセッサ部分が励起後に読むことができる、パルス固有の測定データを記録するためのメモリ手段（４）を含む測定装置。

Images