JP6569606B2 - 温室屋根の積雪検知方法、装置、及び、これを用いた温室屋根の融雪方法、装置 - Google Patents

Description

本発明は、温室屋根の積雪検知方法、装置、及び、これを用いた温室屋根の融雪方法、装置に係り、特に、降雪地帯に配置される栽培用温室に用いるのに好適な、温室屋根の積雪検知方法、装置、及び、これを用いた温室屋根の融雪方法、装置に関する。

一般に、野菜、果物、花等の植物を栽培する栽培用温室は、太陽光をより多く入れる必要から、図１に例示する如く、できるだけ細い部材で枠組形成される温室フレーム１２を透光性のビニール屋根１４及びビニール側板１６で覆うことで形成され、そして、ビニール屋根１４及びビニール側板１６で覆われる温室１０内は常時、温風暖房機等の暖房装置によって気温管理されている。しかしながら、単棟であれば、ビニール屋根１４上に積もった雪は自然に棟横に落下するが、特に図１に例示したような連棟式（図では３棟式）の温室１０においては、棟間のビニール屋根１４上に積もった雪が落下せずに溜まってしまう。このため、大量降雪時には積雪荷重に耐えられずに温室１０が倒壊する等の問題となっていた。

そこで従来は、温水ボイラ２２を含む融雪装置２０を設け、この温水ボイラ２２から各棟の間の谷部に設けた融雪配管２４に温水を流し、溶けた雪を樋２６で回収するようにしていた。

図において、４２は、暖房装置や融雪装置２０を制御するためのコントローラ４４等が収容されるコンテナハウスである。

前記のような融雪装置を稼動させるためには、積雪を検知する必要があり、例えば、特許文献１には、積雪の重みによる温室の歪みに基いて積雪を検知することが記載されている。

又、温室屋根用ではなく住宅や道路などの一般用ではあるが、（１）ＬＥＤやレーザを大気中に照射したときの光の反射から積雪を検出する光学式の降雪センサが実用化され、（２）電気抵抗や誘電率等の物理量を測定する接触式センサや、（３）レーザ、マイクロ波、超音波反射等を用いた非接触センサや、（４）カメラで撮影した画像処理を用いた積雪センサも考えられている。

特開平５−１２３０６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された温室の歪みを検出する方法は、温室に歪みが生じるまで積雪を検知することができず、検知遅れが問題となる可能性がある。

又、（１）の光学式の降雪センサは、大気を落下中の雪からの反射を検知するため、ほとんど積雪せず自然融雪する少量の雪や雨に近い湿雪などを検知し、正確に実際の積雪が検知できず、また雪が積もる前から融雪装置をオンとし、雪が止み降雪センサがオフになってから積雪を完全に融雪するまでの時間を見込んだ時間後に融雪装置をオフとするため、融雪エネルギーのロスが大きい。

又、（２）の電気抵抗や誘電率を用いる方法は、安価なものも可能であるが、水（雨）と雪との判別が難しく、誤動作の可能性が高いだけでなく、局所的な測定となる。

又、（３）のレーザ、マイクロ波、超音波反射等を用いる方法は、高価で測定範囲が狭い。

又、（４）の画像処理による方法は、広範囲且つ安価であるが、画像処理による誤判断が多く、ソフト開発が必要であり、メンテナンスも必要である等の問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、積雪の有無を安価で正確且つ広範囲に検知できるようにすることを第１の課題とする。

本発明は、又、融雪エネルギーのロスが小さな融雪を可能とすることを第２の課題とする。

本発明は、暖房装置で気温管理されている温室屋根の積雪検知に際して、温室屋根の内面温度を温度センサで測定し、該温度センサで測定した前記温室屋根の内面温度の周波数解析手法による演算結果の１／ｆゆらぎが所定範囲内にあるときに温室屋根上に積雪有りと検知することにより、前記第１の課題を解決したものである。

なお、本発明において温室屋根の内面温度とは、温室屋根の温室側表面温度のことである。

ここで、前記ゆらぎが所定範囲内にあることを、前記温室屋根の内面温度の周波数解析手法による演算結果の周波数０の成分を除く最大振幅値が所定閾値未満であることから検知することができる。

又、前記温度センサを複数の位置に配設し、前記所定範囲内となった温度センサの数が所定数以上となったときに積雪有りと検知することができる。

又、積雪有りを検知する所定数は大きくし、検知後の前記所定数は小さくして、積雪無しを検知しにくくすることができる。

本発明は、又、温室屋根の積雪を融雪するに際して、前記の温室屋根の積雪検知方法で積雪有りを検知したときに融雪を開始し、積雪無しを検知したときに融雪を終了することにより、前記第２の課題を解決したものである。

本発明は、又、暖房装置で気温管理されている温室屋根の積雪検知装置であって、温室屋根の内面温度を測定する温度センサと、該温度センサで測定した前記温室屋根の内面温度の周波数解析手法による演算結果の１／ｆゆらぎが所定範囲内にあるときに温室屋根上に積雪有りと検知する手段と、を備えたことを特徴とする温室屋根の積雪検知装置により、前記第１の課題を解決したものである。

本発明は、又、温室屋根の積雪を融雪するための融雪手段と、前記の温室屋根の積雪検知装置で積雪有りを検知したときに前記融雪手段による融雪を開始し、積雪無しを検知したときに前記融雪手段による融雪を終了するコントローラと、を備えたことを特徴とする温室屋根の融雪装置により、前記第２の課題を解決したものである。

本発明によれば、積雪の有無を安価で正確且つ広範囲に検知することが可能となる。従って、積雪による温室の倒壊等を確実に防止して、降雪地帯における温室の設置が可能となる。

本発明の適用対象である栽培用温室の一例を示す斜視図 温度センサとしてのシート型熱電対の例を示す正面図 温度センサの配設位置の例を示す図１の平面図 同じく配設状態の例を示す樋２６近傍の断面図 温室屋根中央の屋根内面温度変化測定結果を示す図 温室屋根内面温度のＦＦＴスペクトル解析結果の例を示す図 本発明の実施形態における積雪検出処理の手順を示す流れ図 同じく２Ｄスペクトルを示す図 同じくＦＦＴ演算結果を示す図 同じく擬似信号処理結果を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

まず、本発明の原理を説明する。

本発明の原理を確認するため、図２に示すような、例えば１辺が２５ｍｍの正方形状で厚さが０．２ｍｍのＳＵＳ薄膜で熱電対素子を被覆したシート型熱電対でなる温度センサ４０を、図３に例示する如く、温室の各部分に配置して、ビニール屋根１４の内面温度Ｔｒ、室内温度Ｔｉ、樋下温度Ｔｇ、屋外温度Ｔｏを測定した。内面温度Ｔｒの後の数字２、３、４、５は屋根番号を示し、添字ａは樋中央部、添字ｂは樋端部を示す。図３において、３４、３６は各棟に配設された大型及び小型の温風暖房機である。

ここで、前記ビニール屋根１４の内面温度Ｔｒを測定するための温度センサ４０は、屋根全面に配置してもよいが、図４の例では、樋２６近くに配設した。

温室１０のビニール屋根１４の屋根番号５中央の内面温度Ｔｒ５ａの温度変化の測定結果を図５に示す。図から明らかなように、積雪時には温度変動が低下することがわかる。

図６に、温室屋根内面温度のＦＦＴスペクトル解析結果の例を示す。積雪が無い状態では、日射や風等の屋外の環境変化により温度変化に１／ｆゆらぎが発生して、両対数プロットの傾きが−１になっているが、積雪が有る状態では、雪のシールド効果により風や日射が遮られるため、ゆらぎが減少していることがわかる。本発明はこのような知見に基いてなされたものである。

本発明の実施形態は、図３に示した如く、Ｔｒ２ａ、Ｔｒ２ｂ、Ｔｒ３ａ、Ｔｒ３ｂ、Ｔｒ４ａ、Ｔｒ４ｂ、Ｔｒ５ａ、Ｔｒ５ｂの８点の温度センサをビニール屋根１４の温室側表面に配設し、その測定結果に応じて、図１に示したコンテナハウス４２中に配設したコントローラ４４で融雪装置２０を制御した。

具体的には、図７に示す如く、まずステップ１００で各点の温度Ｔｐをサンプリング時間Δｔ＝１〜５秒で測定し、ステップ１１０で温度測定点ｐ＝１〜８についてそれぞれサンプリング数ｎｆ＝５１２でＦＦＴ演算処理し、周波数０Ｈｚの振幅（直流成分）を除くその点の最大振幅値ｍｆがＦＦＴ最大振幅閾値Ｍｓ（例えば２０）（温度に換算すると２０／５１２／２＝０．０７８℃）未満であれば、検出信号数ＮをＮ＋１にカウントアップした。

サンプリング５秒の場合のＦＦＴの２Ｄスペクトルを図８に示す。ここで、サンプリング５秒としたのは、サンプリング数ｎｆ＝５１２の場合、サンプリング３０秒では遅れ時間が４時間以上となったためである。サンプリング数ｎｆは１２８以上であればＦＦＴ解析が可能であったが、サンプリング数が多いほど振幅のばらつきの少なくなる一方、時間分解能が悪くなるためｎｆ＝５１２が最適であった。サンプリングは１〜５秒が最適であり、この場合の遅れ時間は約９分〜４２分で許容範囲である。

ステップ１１０終了後、ステップ１２０に進み、検出信号数Ｎがその閾値ＮＬ（例えば２〜６）未満であるときにはステップ１４０に進み、積雪無しと判定して融雪装置２０をオフのままとした。

一方、検出信号数Ｎがその閾値ＮＬ以上となったときにはステップ１５０に進み、積雪有りと判定して融雪装置２０をオンした。

ＦＦＴ演算の結果を図９に、その擬似信号処理結果を図１０に示す。図９の右下は外気温を示し、図１０の右下以外は各点の温度が温度閾値以下となったときに１、そうでないときに０である状態を示している。又、図１０の右下はその合計値（総和）を示している。実施形態では、閾値ＮＬ＝３でオンで、融雪装置が必要ない微量な積雪を検知せず、気温変化による誤動作を抑制することができた。

なお、閾値ＮＬを、積雪有り検出時は小さくしてヒステリシスを設け、積雪開始時は融雪装置２０がオンとなりにくく、ある程度積もってから融雪装置２０がオンとなり、一旦オンとなった後は十分に融雪してから融雪装置２０をオフとすることができる。これは、閾値ＮＬの値を変える代わりに、図７中に破線で示すように時間遅れのステップ１３０を追加してもよい。

本実施形態では、温度センサ４０を８箇所に設けていたので広範囲の測定が可能となる。なお、温度センサ４０の数はこれに限定されず、例えば１個でもよい。１個でヒステリシスを設けたい場合は、検出信号数Ｎの閾値ＮＬでなく、検出回数の閾値を変えたり、温度閾値Ｔｓを変えることができる。

温度センサもシート型熱電対に限定されない。

また周波数解析手法として最も一般的な高速フーリエ変換を用いたが、これに限定されず、最大エントロピー法でも良い。さらに高度な窓関数を追加したものや、あるいはウェーブレット変換を用いた手法でも良い。

１０…温室
１４…ビニール屋根
２０…融雪装置
２２…温水ボイラ
２４…融雪配管
２６…樋
３４、３６…温風暖房機
４０…温度センサ
４４…コントローラ

Claims (10)

1. 暖房装置で気温管理されている温室屋根の積雪検知に際して、
   温室屋根の内面温度を温度センサで測定し、
   該温度センサで測定した前記温室屋根の内面温度の周波数解析手法による演算結果の１／ｆゆらぎが所定範囲内にあるときに温室屋根上に積雪有りと検知することを特徴とする温室屋根の積雪検知方法。
2. 前記ゆらぎが所定範囲内にあることを、前記温室屋根の内面温度の周波数解析手法による演算結果の周波数０の成分を除く最大振幅値が所定閾値未満であることから検知するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の温室屋根の積雪検知方法。
3. 前記温度センサを複数の位置に配設し、前記所定範囲内となった温度センサの数が所定数以上となったときに積雪有りと検知することを特徴とする請求項１又は２に記載の温室屋根の積雪検知方法。
4. 積雪有りを検知する所定数は大きくし、検知後の前記所定数は小さくして、積雪無しを検知しにくくすることを特徴とする請求項３に記載の温室屋根の積雪検知方法。
5. 温室屋根の積雪を融雪するに際して、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の温室屋根の積雪検知方法で積雪有りを検知したときに融雪を開始し、積雪無しを検知したときに融雪を終了することを特徴とする温室屋根の融雪方法。
6. 暖房装置で気温管理されている温室屋根の積雪検知装置であって、
   温室屋根の内面温度を測定する温度センサと、
   該温度センサで測定した前記温室屋根の内面温度の周波数解析手法による演算結果の１／ｆゆらぎが所定範囲内にあるときに温室屋根上に積雪有りと検知する手段と、
   を備えたことを特徴とする温室屋根の積雪検知装置。
7. 前記ゆらぎが所定範囲内にあることを、前記温室屋根の内面温度の周波数解析手法による演算結果の周波数０の成分を除く最大振幅値が所定閾値未満であることから検知するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の温室屋根の積雪検知装置。
8. 前記温度センサが複数の位置に配設され、前記所定範囲内となった温度センサの数が所定数以上となったときに積雪有りと検知するようにされていることを特徴とする請求項６又は７に記載の温室屋根の積雪検知装置。
9. 積雪有りを検知する所定数は大きくされ、検知後の前記所定数は小さくされ、積雪無しを検知しにくくされていることを特徴とする請求項８に記載の温室屋根の積雪検知装置。
10. 温室屋根の積雪を融雪するための融雪手段と、
    請求項６乃至９のいずれかに記載の温室屋根の積雪検知装置で積雪有りを検知したときに前記融雪手段による融雪を開始し、積雪無しを検知したときに前記融雪手段による融雪を終了するコントローラと、
    を備えたことを特徴とする温室屋根の融雪装置。