PL207819B1 - Zestaw do pomiaru natężenia opadu deszczu oraz sposób pomiaru natężenia opadu deszczu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zestaw do pomiaru natężenia opadu deszczu oraz sposób pomiaru natężenia opadu deszczu.

Wynalazki mogą znaleźć zastosowanie na stacjach meteorologicznych, usytuowanych zarówno na lądzie jak i na wodzie, do prowadzenia ciągłej rejestracji pomiaru natężenia opadu deszczu.

Znane są liczne sposoby pomiaru natężenia opadu deszczu i urządzenia do tego celu służące. Na stacjach meteorologicznych stosowane są przede wszystkim pluwiografy, najczęściej dobowe, które pozwalają na rejestrację wysokości opadu w postaci ciągłej funkcji czasu, a więc na określenie chwilowych natężeń deszczu (Rojek M., Żyromski A. 1994: Agro- i meteorologia i klimatologia, skrypt Akademii Rolniczej we Wrocławiu, nr 393). Przyrząd ten w górnej części posiada otwór wlotowy o powierzchni 200 cm². Woda pochodzą ca z opadów atmosferycznych, wpadająca do tego otworu, jest koncentrowana i spływa rurką do cylindra, w którym znajduje się pływak. Do pływaka przymocowany jest element piszący (piórko lub pisak), dzięki czemu ruch pływaka jest w sposób ciągły rejestrowany na pasku papieru (pasku pluwiogramu) owiniętym dookoła bębna napędzanego mechanizmem zegarowym. Rejestrowany w urządzeniu pluwiogram pozwala na odczytanie zarówno wysokości opadu oraz czasu trwania opadu, a co za tym idzie pozwala na obliczenia jego natężenia.

Nieco innym urządzeniem służącym do zdalnej rejestracji wysokości opadu jest telepluwiograf (Rojek M., Żyromski A. 1994: Agro- i meteorologia i klimatologia, skrypt Akademii Rolniczej we Wrocławiu, nr 393). Jego budowa we wlotowej części jest analogiczna jak w przypadku pluwiografii. Wewnątrz obudowy znajduje się uchylne czółenko, do którego rurką spływa woda opadowa. Po napełnieniu jednej z komór wodą o ściśle określonej ilości (zwykle 1 mm opadu lub też w precyzyjniejszych przyrządach 0,2 lub 0,1 mm), czółenko przechyla się, ustawiając drugą komorę w położeniu umożliwiającym odbiór wody z rurki. Woda wypływająca z przechylonej komory systemem rurek ścieka do naczynia zbiorczego ustawionego na dnie obudowy. Z czółenkiem połączony jest przełącznik, zwykle rtęciowy, który przy każdorazowym przechyleniu się czółenka zamyka obwód elektryczny. Część pomiarowo-nadawcza jest połączona z częścią rejestrująco-sygnalizacyjną. W układzie rejestrującym ruchem ramienia piszącego steruje krzywka, która powoduje skokowy ruch wskazówki ku górze, co 1 mm. Piórko kreśli linię na pasku rejestrującym, nawiniętym podobnie jak w przypadku pluwiografii, na bęben napędzany mechanizmem zegarowym. Ponadto w części rejestrującej znajduje się prosty licznik impulsów, który wskazuje całkowitą wysokość opadu.

Znany jest też spektrometr deszczowy służący do pomiarów natężenia opadu deszczu metodą pośrednią, dzięki określeniu rozkładu wielkości kropel obserwowanego deszczu. Działa on jako rejestrator pędu kropel deszczu o określonych średnicach, np. w przedziale od 0,3 do 5,5 mm. W urządzeniu tym pęd związany z pionowym opadaniem kropel deszczu, spadających na styropianową powierzchnię zbiorczą (obudowę) jest rejestrowany przy pomocy czujnika elektronicznego i przetwarzany następnie na średnicę tychże kropel (Joss J., Waldvogel A. 1967: Ein Spektrograph fur Niederschlagstropfen mit automatischer Auswertung. Pure and Appl. Geophysics 68, s. 240-246; Joss J., Gori EG. 1978: Shape of raindrop size distributions. J. Appl. Meteorology, vol. 17, no. 7, s. 1054-1061).

Znane są także opto-spekro-pluwiometry wykonujące analogiczne pomiary, jak wspomniano powyżej, ale na bazie analizy zjawisk optycznych (Salles C, Poesen J., Borselli L. 1999: Measurement of Simulated Drop Size Distribution with an Optical Spectro Pluviometer: Sample Size Considerations. Earth Surf. Process Landforms 24, s. 545 - 556; Stow C.D., Jones K. 1981: A Self-Evaluating Disdrometer for the Measurement of Raindrop Size and Charge at the Ground. J. Appl. Meteorology, vol. 20, no. 10, s. 1160-1176). Ideą działania tych przyrządów jest analiza przesłonięcia równoległej wiązki światła przez krople deszczu podczas ich opadania.

Niektóre spośród opto-spektro-pluwiometrów pozwalają, oprócz pomiaru średnicy kropel deszczu, na jednoczesne określenie prędkości ich opadania (Hauser D., Amayenc P., Nutten B., Waldteufel P. 1984: A New Optical Instrument for Simultaneous Measurement of Raindrop Diameter and Fall Speed Distributions. J. Atmospheric and Oceanic Technology).

Znane są także urządzenia służące do pomiaru pędu lub energii kinetycznej kropli deszczu, nazywane impaktometrami. Urządzeniem takim jest sonda energii kinetycznej deszczu. Jej podstawowym elementem jest ceramiczny piezoelektryczny dysk. Krople deszczu uderzające w ten dysk, generują impulsy elektryczne, które są zliczane i na ich podstawie określana jest całkowita energia kinetyczna dla zadanego czasu pomiaru (Madden L.V., Wilson L.L., Ntahimpera N. 1998: Calibration and Evaluation of an Electronic Sensor for Rainfall Kinetic Energy. Phytopathology, vol. 88, no. 9).

PL 207 819 B1

Inny znany impaktometr także bazuje na wykorzystaniu piezoelektrycznego czujnika siły dla określania wielkości energii kinetycznej deszczu spadającego na powierzchnię zbiorczą przyrządu. Krople deszczu uderzające w powierzchnię zbiorczą, w sposób sztywny połączoną z czujnikiem piezoelektrycznym, powodują powstawanie siły nacisku. Siła ta w czujniku siły generuje impulsy elektryczne, które są analizowane i sumowane przez układ mikroprocesorowy, który przetwarza je na wartość energii kinetycznej deszczu dla zadanego okresu cyklu pomiarowego. Impaktometr ten był stosowany do badań wpływu opadów deszczu na erozję gleb oraz do ustalenia związku pomiędzy energią kinetyczną a natężeniem deszczu (Battista P., Benincasa F., Duce P., Materassi A. 1994: Design and Construction of a Microprocessor Impactometer. Materiały konferencji: Land Use and Soil Degradation, MEDALUS in Sardenia, Sassari, Włochy, 25 maj, 1994).

Dotychczasowe wyniki badań przeprowadzonych przy użyciu zarówno spektrometrów deszczowych jak i impaktometrów potwierdziły istnienie, wcześniej jedynie teoretycznie wyprowadzonej, ścisłej zależności pomiędzy wielkością energii kinetycznej lub też pędem kropel deszczu a natężeniem, dla określonego czasu trwania lub określonej warstwy opadu. Istnienie ścisłej zależności pomiędzy wielkością pędu kropel deszczu, rejestrowanych przy użyciu czujnika piezoelektrycznego a natężeniem opadu zostało praktycznie wykorzystane do konstrukcji piezoelektrycznego deszczomierza przeznaczonego do instalacji na bojach pływających, pozwalającego na pomiary natężenia deszczu na morzu w warunkach uniemożliwiających stosowanie klasycznych przyrządów. (Forster J., Gust G., Stole S., 2004: A piezoelectrical rain gauge for application on buoys. J. Atmospheric and Oceanic Technology, s. 179 - 193).

Istotnym problemem towarzyszącym pomiarom charakterystyk deszczu przy wykorzystaniu czujników piezoelektrycznych jest ich podatność na zewnętrzne zakłócenia, takie jak: wibracje i fale akustyczne. Podczas badań stwierdzono, że np. grzmoty towarzyszące burzy mogą znacząco zakłócać rejestracje uzyskiwane z deszczomierza piezoelektrycznego.

Istotą wynalazku jest zestaw składający się z co najmniej dwóch identycznych zespołów pomiarowych, z których każdy posiada powierzchnię zbiorczą umocowaną trwale na elektronicznym czujniku siły, którego dolna część osadzona jest w obudowie i połączona jest przewodowo z mikroprocesorowym układem analizującym. Mikroprocesorowe układy analizujące każdego z zespołów pomiarowych połączone są przewodowo ze wspólnym modułem rejestracji i przetwarzania danych oraz ze źródłem zasilania.

Korzystnie jest gdy obudowa każdego z zespołów jest hermetycznie zamknięta i posiada co najmniej trzy nóżki o regulowanej wysokości, a mikroprocesorowy układ analizujący usytuowany jest wewnątrz tej obudowy.

Sposób pomiaru natężenia opadu deszczu, według wynalazku, polega na tym, że dane z pomiaru energii zbiera się z co najmniej dwóch identycznych powierzchni zbiorczych, z których co najmniej jedna usytuowana jest pod zadaszeniem. Wartość średniego natężenia deszczu określa się, wspólnym modułem rejestracji i przetwarzania danych dla poszczególnych cykli pomiarowych, o predefiniowanym czasie trwania, w sposób pośredni, na podstawie odjęcia wyników stałego pomiaru siły wywieranej na powierzchnię zbiorczą usytuowaną pod zadaszeniem od stałego pomiaru siły wywieranej na powierzchnię zbiorczą usytuowanej na otwartej przestrzeni, która kumuluje energię uderzających kropli deszczu oraz zakłócenia wywołane przez zewnętrzne czynniki zakłócające.

Zastosowanie w sposobie, według wynalazku, zestawu bliźniaczych zespołów opartych na elektronicznych czujnikach siły pozwala na ciągłe prowadzenie pomiarów natężenia deszczu, z jednoczesną separacją z nich zakłóceń, wywoływanych przez zewnętrzne czynniki zakłócające, na przykład przez fale akustyczne i wibracje.

Natężenie opadu deszczu określa się na bieżąco dla poszczególnych cykli pomiarowych, o predefiniowanym czasie trwania, w sposób pośredni, na podstawie różnicowania sygnałów płynących z dwóch identycznych zespołów. W pierwszym z nich, ustawionym na otwartej przestrzeni, realizuje się ciągły pomiar siły wywieranej na powierzchnię zbiorczą przez uderzające krople deszczu oraz przez zakłócenia w postaci np. fali akustycznej, za pomocą elektronicznego czujnika siły, przy wykorzystaniu mikroprocesorowego układu analizującego, które jest połączone z rejestracją jego, zmiennych w czasie, wartości w postaci cyfrowej, w pamięci modułu rejestracji i przetwarzania danych.

Zaletą wynalazku jest to, że pomiary mogą być prowadzone automatycznie przez dłuższy okres czasu, gdyż na zespołach zestawu nie dochodzi do gromadzenia się wody. Woda pochodząca z opadu deszczu odbija się w postaci rozbryzgu lub też spływa, bądź to z zadaszenia, bądź ze specjalnie uformowanej krzywizny powierzchni zbiorczej, a następnie po ściankach zewnętrznych odpowiednio

PL 207 819 B1 uformowanej hermetycznej obudowy ścieka na powierzchnię terenu. Obudowy przyrządów chronią mikroprocesorowe układy analizujące przed wpływem czynników meteorologicznych i jednocześnie dociążają swoją masą przyrządy, zapewniając ich odpowiednią stabilność.

Z uwagi na niewielką masę oraz bardzo małe gabaryty, zestaw według wynalazku, mo że być przenoszony przez jedną osobę.

Zestaw oraz sposób według wynalazku, w przykładach realizacji jest bliżej objaśniony w oparciu o schematyczny rysunek, w widoku z przodu.

P r z y k ł a d. Zestaw składa się z dwóch identycznych zespołów, z których jeden jest ustawiony pod zadaszeniem 8 chroniącym go przed uderzeniami kropel deszczu, a drugi jest wyeksponowany na działanie kropel deszczu. Każdy zespół posiada powierzchnię zbiorczą 1 osadzoną na elektronicznym czujniku siły 2, który przewodowo połączony jest z mikroprocesorowym układem analizującym 4 umieszczonym w hermetycznej obudowie 3. Elektroniczny czujnik siły 2 w swojej dolnej części jest w sposób trwały utwierdzony w obudowie 3, tak że jego dolna część znajduje się w jej wnętrzu. We wnętrzu hermetycznej obudowy 3, w dolnej jej części, jest zainstalowany mikroprocesorowy układ analizujący 4. Mikroprocesorowe układy analizujące 4 obu zespołów podłączone, także za pomocą izolowanych przewodów, ze znajdującym się na zewnątrz, wspólnym dla obu zespołów, modułem rejestracji i przetwarzania danych 6 oraz źródłem zasilania 7. Hermetyczne obudowy 3 posiadają po trzy nóżki 5 o regulowanych wysokościach.

P r z y k ł a d. Pomiaru natężenia opadu deszczu dokonuje się w ten sposób, ż e dane do pomiaru zbiera się z dwóch identycznych powierzchni zbiorczych 1, z których jedna usytuowana jest pod zadaszeniem 8 a druga na otwartej przestrzeni. Wartość średniego natężenia deszczu określa się na bieżąco dla poszczególnych cykli pomiarowych o predefiniowanym czasie trwania, w sposób pośredni, na podstawie różnicowania sygnałów płynących z dwóch identycznych zespołów. W pierwszym z nich, ustawionym na otwartej przestrzeni, realizuje się ciągły pomiar siły wywieranej na powierzchnię zbiorczą 1 przez uderzające krople deszczu oraz przez zakłócenia, w postaci np. fali akustycznej, za pomocą elektronicznego czujnika siły 2, przy wykorzystaniu mikroprocesorowego układu analizującego 4. W drugim zespole, zlokalizowanym pod zadaszeniem 8, realizuje się cią g ł y pomiar sił y wywieranej na powierzchnię zbiorczą 1 jedynie przez zakłócenia np. w postaci wspomnianej fali akustycznej, za pomocą elektronicznego czujnika siły 2, przy wykorzystaniu mikroprocesorowego układu analizującego 4. Uzyskane wartości łączy się z rejestracją jego zmiennych w czasie wartości, w postaci cyfrowej, w pamię ci moduł u rejestracji i przetwarzania danych 6. W module rejestracji i przetwarzania danych 6 sygnały płynące z zespołu pierwszego i drugiego są wzajemnie odejmowane, przez co uzyskuje się rzeczywiste wartości natężenia deszczu.

Sposób pomiaru natężenia deszczu, według wynalazku, może być stosowany, w miejsce klasycznych sposobów pomiaru natężenia deszczu, na stacjach meteorologicznych na lądzie, zastępując klasyczne przyrządy pomiarowe, bądź też na wodzie, np. na okrętach lub bojach pływających.

W celu rozpoczę cia prowadzenia rejestracji opadów deszczu najpierw ustawia się zestawy, według wynalazku, we wcześniej obranym miejscu, najlepiej na utwardzonej powierzchni i poziomuje za pomocą regulowanych nóżek 5. Jeden z przyrządów przykrywa się zadaszeniem 8. Następnie podłącza się zestawy do źródła zasilania 7 oraz modułu rejestracji i przetwarzania danych 6, co powoduje zainicjowanie pracy mikroprocesorowych układów analizujących 4. Mikroprocesorowe układy analizujące 4 odczytują i cyklicznie sumują impulsy płynące z elektronicznych czujników siły 2. Otrzymane w kolejnych cyklach pomiarowych sumaryczne wartości, dla usunięcia zakłóceń, są przesyłane do, wspólnego dla obu zespołów, modułu rejestracji i przetwarzania danych 6, gdzie są odejmowane od siebie, a następnie przeliczane na odpowiadające im natężenia opadu i zapisywane w postaci cyfrowej np. na dysku twardym, w przypadku komputera lub w pamięci datalogera, wraz z odpowiadającą im datą i czasem pomiaru. W przypadku zastosowania komputera klasy PC jako modułu rejestracji i przetwarzania danych 6 otrzymywane pakiety danych mogą być ponadto na bieżąco przetwarzane w celu uzyskania odpowiednich danych, np. możliwe jest obliczenie całkowitej warstwy deszczu, czasu jego trwania oraz jego średniego natężenia. Czas trwania cyklu pomiarowego jest zależny od użytkownika i możliwy do ustawienia w programie sterującym, mikroprocesorowych układów analizujących 4. Zakończenie pomiarów odbywa się przez odłączenie przyrządów od źródła zasilania 7.

Claims (4)

1. Zestaw do pomiaru natężenia opadu deszczu posiadający powierzchnie zbiorcze zamocowane na czujnikach połączonych przewodowo z rejestratorem oraz ze źródłem zasilania, znamienny tym, że składa się z co najmniej dwóch identycznych zespołów pomiarowych, z których każdy posiada powierzchnię zbiorczą (1) umocowaną trwale na elektronicznym czujniku siły (2), którego dolna część, osadzona w obudowie (3), połączona jest przewodowo z mikroprocesorowym układem analizującym (4), przy czym mikroprocesorowe układy analizujące (4) każdego z zespołów połączone są przewodowo ze wspólnym modułem rejestracji i przetwarzania danych (6) oraz ze źródłem zasilania (7).

2. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (3) jest hermetycznie zamknięta i posiada co najmniej trzy nóżki (5) o regulowanej wysokości.

3. Zestaw według zastrz. 1, znamienny tym, że mikroprocesorowy układ analizujący (4), usytuowany jest wewnątrz obudowy (3).

4. Sposób pomiaru natężenia opadu deszczu, w którym pomiar energii kumulowanych na powierzchniach zbiorczych mierzy się elektronicznymi czujnikami siły i mikroprocesorowymi układami analizującymi, znamienny tym, że dane z pomiaru energii zbiera się z co najmniej dwóch identycznych powierzchni zbiorczych (1), z których co najmniej jedna usytuowana jest pod zadaszeniem (8), po czym wartość średniego natężenia deszczu określa się wspólnym modułem rejestracji i przetwarzania danych (6) dla poszczególnych cykli pomiarowych, o predefiniowanym czasie trwania, w sposób pośredni, na podstawie odjęcia wyników stałego pomiaru siły wywieranej na powierzchnię zbiorczą (1) usytuowaną pod zadaszeniem (8) od stałego pomiaru siły wywieranej na powierzchnię zbiorczą (1) usytuowanej na otwartej przestrzeni, która kumuluje energię uderzających kropli deszczu oraz zakłócenia wywołane przez zewnętrzne czynniki zakłócające.