专利名称：用于检测水汽凝结体的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的与检测水汽凝结体的测量设备相关联的方法。本发明还涉及一种检测水汽凝结体的测量设备。
背景技术：
本发明涉及的方法涉及测量各种形式的降水(尤其是水、雪和雹)的传感器，其基于检测水汽凝结体击打检测器表面时产生的机械冲击，或相应地基于水汽凝结体的远程检测。在远程检测设备中，降水被光学地、声学地、或借助于无线电和/或微波来估计。在这些设备中，波运动与降水有关，并且测量降水的参数基于反射的、衰减的、或散射的波运动来限定。由传感器产生的信息可以是降水量、降水强度、降水类型、水滴尺寸分布、降水的动能、或者可以由水汽凝结体产生的冲击计算的一些其它变量。例如，在申请人较早的美国专利7M9502和7286935中公开了即刻检测击打检测器表面的水汽凝结体的传感器和方法。欧洲专利0422553B1和德国专利申请DE4434432A1 中还公开了以相应的原理操作的降水传感器。例如，申请人自己的美国专利5880836中公开了光学测量方法。尽管根据现有技术的装置给出了相对良好的测量结果，但在天气变化期间和设备被放置在海平面以上不同的海拔时都在结果中发现了不精确性。测量设备的海拔的变化令人惊讶地造成各种测量参数的误差。本发明希望消除以上所述的现有技术中的缺陷，并且为此目的产生一种全新类型的方法和与检测水汽凝结体的传感器相关的装置。
发明内容
本发明基于考虑以下因素不仅仅基于水汽凝结体的冲击或光学检测的常规测量，还基于测量设备在海平面以上的海拔，其原理是进行测量的海拔越高，则带有相同速度的水汽凝结体被估计得越小。根据本发明的优选实施例，至少与降水的测量基本同时地测量大气压力，并且当压力降低时，带有相同速度的水汽凝结体被估计为小于在海平面的大气压力下的水汽凝结体。更具体而言，根据本发明的方法的特征在于权利要求1的特征部分所述。就装置而言，根据本发明的装置的特征在于权利要求6的特征部分所述。借助于本发明能够获得很大的优点。借助于本发明，能够进一步改善测量精度。在最佳情况下，当海平面水平的大气压力改变时也能够改善测量精度。借助于本发明，尤其是位于山区的测量设备的测量精度显著改善。根据本发明的一个优选实施例，压力测量能够持久地结合在测量设备中，在这种情况下，借助于适当的算法，测量设备将进行精确的测量，与其位置的海拔无关。
以下，将借助于示例和参考附图来分析本发明。图1显示了根据现有技术的一个传感器的“分解图”。图加显示了根据现有技术的另一传感器的横截面侧视图。图2b显示了根据图加的解决方案的横截面俯视图。图3图形地显示了在根据现有技术的装置中水滴产生的冲击。图4图形地显示了根据现有技术的校准曲线。图5图形地显示了在根据现有技术的装置中由冰雹产生的冲击。图6显示了根据现有技术的设有风速测量装置的降水传感器。图7图形地显示了根据本发明的用于根据压力来校正降水测量的校正曲线。图8显示了根据本发明的一个测量设备的框图。图9显示了根据本发明的方法的框图。
具体实施例方式在本发明的上下文的描述中将使用以下术语。降水累积量降下的水量在平坦表面上的竖直深度。标准单位是mm。降水强度每单位时间的降水累积量。标准单位是mm/h。水滴尺寸分布在单位体积的空气中的各尺寸的水滴的数量。当测量降水累积量时，测量到的是每单位表面积检测到的水滴的总体积。在根据现有技术测量降水的动能时，如上所述，单个降水水滴的动能之和是E=l/2
2
mv ο根据图1，传感器1包括检测器表面2、检测器3、以及测量电子设备4和计算算法， 其中，水汽凝结体(诸如雨水水滴和/或冰雹)击打在该检测器表面2上，由检测器3检测击打表面2的水滴产生的脉冲，借助于测量电子设备4和计算算法来计算降水强度(mm/h)和降水累积量(mm)。接收降水的表面的检测器表面2是刚性的并且附接到设备本体5。该附接可以是完全刚性的，或借助于0形环或类似的柔性附接件来实现。检测器3通常永久地附接到检测器表面2。利用关于记录的脉冲的数量和/或关于依赖于脉冲的某些特征(诸如幅度或半高全宽，或它们的组合)的数据来进行计算。检测器表面2是平的、铁饼状的或半球状的(球形表面)并且成形为使得水不积聚在其表面上。为了方便检测器3的附接，其在检测器表面2上的附接点可以是平的。检测器的表面积越大，则有越多的水滴击打表面积，则计算的降水量的统计误差将越小。另一方面，当表面积增加时，发生更多数量的撞击，其脉冲重叠，对结果的分析产生干扰。实际上， 已经发现适当的检测器尺寸是20-150cm2。检测器还可以包括若干部件，每个部件连接到其自身检测器。检测器3测量由水滴造成的检测器表面的变形。以下(还包括其它)可以用作检测器3 附接于检测器表面的力或加速度传感器，
检测器表面上的压敏膜，诸如压电PVDF塑料膜，或陶瓷压电膜或晶体。在理想情况下，检测器-表面-检测器系统的响应将使得脉冲的幅度和形状不依赖于水滴撞击的位置，即，检测器表面将是均质的。然而，这不是必要的，因为不均质的响应将仅造成测量的随机误差，可以利用足够长的积分时间来消除。可以若干不同的方式来实现降水量和降水强度的计算。最简单的是，仅计算水滴的数量，但如果也使用脉冲的形状中包含的信息(例如，幅度或半高全宽)，则将改善传感器的精度和可靠性。在这种情况下，优选利用数字信号处理和微处理器来实现该计算。图加和图2b显示了与图1所示的传感器1不同的实现方式。传感器1是圆柱形盒，其罩2是略微凸起的金属盘，例如，Imm厚的不锈钢制成，用作检测器表面。罩2在其边缘刚性地附接到盒的本体5，并且在其中间，陶瓷压电元件3通过粘结或焊接而附接到下侧。压电元件是压电陶瓷制成的盘，在其两侧被金属化，以便在盘的相对侧形成两个电极。 在该实施例中，压电元件3用作检测由水滴造成的撞击的力传感器。压电元件3的电极连接到电子放大器4，该电子放大器4位于传感器盒的内部。 由延伸通过传感器盒的底部8的线缆将放大的测量信号传递到执行计算的设备。或者，所有的测量和计算电子设备可以位于传感器盒内部，在这种情况下，输出将是包含降水量和/ 或降水强度数据的数字或模拟测量消息。当降水的水滴击打检测器表面2时，其向检测器表面2施加力，该力传递至压电元件3并且检测在其上产生的电压脉冲。选择顶2的材料和尺寸，使得水滴造成的振动快速地衰减。脉冲形状将类似于图3。从压电元件3获得的电压脉冲被滤波、放大，并且测量与水滴尺寸成比例的期望参数并且保存在执行计算的处理器的存储器中。能够以若干方式从测量的数据计算降水强度和降水量。以下给出两种可能的方法。方法1
以固定的时间步长来执行计算，该步长的长度通常是1-10分钟。在测量周期期间，从检测到的脉冲来测量参数~ (可以是半高全宽(w1/2)、峰-峰电压(vpp)、脉冲数量、或特定于脉冲的一些其它参数、或这些的组合)并存储在处理器的存储器中。在每个周期的结尾，利用以下公式来计算降水累积量的估计值ΔΡ:
A P _ f (m，XijJ …，Xin，X2I，…，X2n，…，Xml，…，Xmn) (l)，
其中，m =在测量周期期间检测到的水滴的数量，η =特定于在计算中使用的脉冲的参数的数量，Xij =由水滴i造成的脉冲的参数j的值。j的值可以是编码的，例如，如下1 =半高全宽(w1/2)，2 =峰-峰电压(Vpp)，3 =脉冲数量，4 =特定于脉冲的一些其它参数， 5 =以上的组合。半高全宽(w1/2)指在正脉冲的中心点处(=l/2*Vmax)的脉冲宽度。函数f描述了实验确定的测量的参数和降水量之间的依赖关系。降水累积量P通过对连续测量周期的降水量求和而获得。如果需要的话，可以通过以下公式来计算测量周期的持续时间上的平均降水强度R
R = ΔΡ/t(2)。如果期望同时测量降水量和降水强度，则该方法特别有用。
方法2
可以实时地进行计算，检测到第一降水水滴时被初始化。测量每个检测到的水滴的参数根据图3，这些参数可以是半高全宽w1/2、峰-峰电压Vpp、峰值电压Vmax、最小电压Vmin、 脉冲数量、或特定于脉冲的一些其它参数、或这些的组合)，并且如下地计算降水累积量P P= XJ[f(Ati, χη,…，xj] (3)
其中，下标i = 1，2，…指的是在测量期间检测到的单个水滴，Ati是检测到的水滴和它之前的水滴之间的时间，函数f描述了实验确定的测量的参数和降水水滴的体积之间的依赖关系。基于脉冲的传感器易于采用该方法实现当降水累积量增加一个设定的步长时， 总是传递一个脉冲。传感器的输出可以是类似于翻斗传感器的脉冲输出，因此其能够直接连接到在更为普遍的气象站中使用的数据收集设备。所描述的传感器和计算方法的精度很大程度上取决于传感器的校准的精度。校准参数，即，包括在公式(1)和(3)中的常数项通过将传感器与实验室或实际操作条件中的精确参照传感器进行比较的实验(例如利用回归分析)来确定。校准数据的例子显示在图4 中。例如，在飞机场，冰雹的检测是重要的。之前已知的冰雹检测器包括板状的金属片和位于其下的扩音器。基于冰雹造成的声音来检测冰雹。该检测器的一个缺陷在于其对干扰噪声的敏感性，因此，其主要适用于作为用于主导天气的光学测量设备中的辅助传感器， 如专利US55^224中所公开的。以下描述一种方法，通过该方法，可以更可靠地检测冰雹，并且能够减小干扰噪声的影响。可以对以上描述的降水传感器加入雹检测作为附加特征，或者可以制造单独用于冰雹检测的传感器。冰雹和雨滴之间的区分基于由它们产生的信号是非常不同的。固态物体(诸如冰雹)对检测器表面的撞击是弹性的，因此，与雨滴造成的脉冲相比，首先，脉冲的上升时间更快，其次，其幅度更大。第三个不同在于冰雹的撞击触发顶2的共振频率，在撞击之后，顶2 保持振动。如果将显示于图5中的固体颗粒造成的脉冲与图3中雨滴的脉冲比较，则可以清楚地看到不同。以上描述的降水传感器对通过空气传播的干扰噪声不敏感，不像扩音器，检测器元件不与空气直接接触。因此，冰雹的检测可以基于对某些特性特征的检测一幅度、上升时间、或振动频率一或者它们中的某些组合。如果使用若干特征的组合，则测量的可靠性将增加，并且将减少由干扰噪声造成的错误的检测器。在利用不受保护的传感器实现的降水测量中，风是一种重要的误差源。已经报告过0-30%的误差。误差的大小取决于风速、降水强度和降水类型。已经具有校正由风造成的误差的各种程序。如果降水和风数据从相同的区域测量，则在测量的降水强度中由风造成的误差可以利用适当的校正算法来降低。所有已知系统使用风信息，测量该风信息的位置明显不同于测量降水信息的位置。这是因为风信息通常在高于地面表面几米的高度测量，而降水的测量通常主要发生在地面表面并且至少距离风传感器若干米。因此，校正中使用的风信息不完全对应于降水测量位置处的实际风状况。当前方法也不是实时操作的，但是风信息在事件之后的周期中获得，通常是每月、每周、每天或12小时周期。以下，描述了根据现有技术的方法，其主要基于以下方面
使用风误差校正算法，其采用风数据，该风数据直接从降水传感器的位置测量，或至少在其紧邻区域测量。在该方面，术语紧邻区域意味着与降水传感器的距离小于一米。该距离优选小于30cm，使得风速计能够容易地结合在相同的测量设备整体中， 算法的时间尺度可以自由选择。也可以实时地校正， 该算法适用于所有类型的降水传感器，与这些降水传感器的操作原理无关。校正系数的总体形式如下
k = Rtr/R = f (w, R)(4)
其中，Rtr是实际降水量，k是校正系数，w是风速，R是测量的降水量，f是描述了校正系数对风速和降水强度的依赖关系的实验确定的函数。校正的时间尺度被限定为在公式 (4)中使用来计算变量R和w的时间周期。通过将测量的降水量与系数k相乘获得校正的降水量。可以对不同类型的传感器使用相同的校正程序，但函数f ( ，R)的形式将改变。实际中，采用两个类似的降水传感器以实验方式确定校正系数对降水量R和风速 W的依赖关系，即，函数f (W，R)。其中的一个传感器被尽可能地保护不受到风的影响，使得其测量结果表示没有误差的降水量Rtr。或者，被保护不受到风的影响的独立参照传感器用于测量Rtr。另一个降水传感器被定位为受到风的影响，并且其测量结果R将包括风的误差。测量风速w的风传感器定位在后一降水传感器的紧邻区域。现在，公式(4)中的函数 f(w, R)能够由实验测量信息来确定，例如使用非线性回归方法。根据图6，基于超声测量的风测量系统布置在测量区域周围。在该系统中，典型地具有三个超声收发器9，风速的方向和强度基于在超声收发器9之间行进的时间来确定。该技术在例如美国专利5343744中更详细地公开。因此，在此新方式中，可以实际上在与测量降水的相同区域测量风。在已知的解决方案中，降水传感器定位为靠近地面表面，而风的测量发生在几米的高度，并且因此，与降水测量点较远。因此，本发明的该实施例的特征在于风和降水的测量区域尽可能地彼此靠近，实际中，两个变量在基本上相同的位置测量。替代超声测量，也可以采用其它方法来测量风，例如，采用热方法，其中，当面对风的一侧的测量元件的部件通常最冷时，由元件的不同侧来测量细长的、基本上竖直的元件的温度。除了图1-6中所示的基于检测水汽凝结体的机械冲击的传感器之外，本发明还可以结合光学测量设备应用。在这些光学测量设备中，光学地确定水汽凝结体的速度和尺寸。 光学测量设备还能够区分由雪和雨雪形成的水汽凝结体，由于它们与雨滴和冰雹不同的较慢的速度。根据图7，能够看到，横轴上的压力和海拔数据影响纵轴上的降水收集功能。基于根据本发明的观察来确定该图。从图中可以看到，当从海平面升到3000m的海拔时，降水收集功能的值增加为原来的1. 3倍。图8示出了水汽凝结体测量设备80和大气压力测量设备81的连接。根据本发明，在优选实施例中，降水测量设备80使用大气压力测量设备的大气压力信息来校正降水 fn息ο
根据图9，如下地使用校正系数。从降水传感器90收集关于降水量的信息。使用测量算法91来由传感器90的数据形成总降水、水滴尺寸和其单位时间的数量的模型。在方框92中，该模型与压力信息93结合，该压力信息93从测量设备获得，或者作为输入值获得。获得的输出94是由压力信息校正的测量信息。根据本发明的作为压力的函数的校正系数k(p)的一个例子表示如下 k(p) = 1-6. 8*1(Γ4(1013-ρ)-2· 0*1(Γ7*(1013-ρ)2，
其中，P =大气压力D^a]。因此，在图9的解决方案中，元件90、91和92结合在图8的元件80中，并且相应地，压力信息93从图8的元件81获得。本发明适用于结合光学测量设备和基于对水汽凝结体的撞击的检测的应用中，如上所述，以及适用于雷达类型的解决方案中，在雷达类型的解决方案中，借助于无线电和/ 或微波来估计降水。因此，在后者的情况下，电磁辐射与降水相关联，并且基于反射或散射回的辐射来确定降水量。
权利要求
1.一种与检测水汽凝结体的测量设备(1，80)相关联的方法，其中，在所述方法中，借助于水汽凝结体的数量和尺寸来确定降水参数，其特征在于，根据主导大气压力来改变所确定的水汽凝结体的尺寸，使得大气压力越高，则带有相同速度的水汽凝结体被估计得越大。
2.如权利要求1所述的与检测水汽凝结体的测量设备(1，80)相关联的方法，在所述方法中，光学地、声学地、借助于无线电和/或微波、或借助于水汽凝结体造成的冲击(1，2，3) 来测量水汽凝结体的数量和速度，以便确定水汽凝结体的尺寸，并且，借助于水汽凝结体的数量和尺寸来确定降水量，其特征在于，根据主导大气压力来改变所确定的水汽凝结体的尺寸，使得大气压力越高，则带有相同速度的水汽凝结体被估计得越大。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，实时地利用水汽凝结体的测量值来确定大气压力。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，通过将测量位置的海拔数据输入到测量设备而确定大气压力。
5.如权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，在降水量的测量中，校正系数k(p) 被用作作为如下的压力函数的校正系数k(p) = 1-6. 8*1(Γ4(1013-ρ)-2· 0*1(Γ7*(1013-ρ)2，其中，P =大气压力D^a]。
6.一种检测水汽凝结体的测量设备(1，80)，所述设备包括借助于水汽凝结体的数量和尺寸确定降水量的装置，其特征在于，所述设备包括根据主导大气压力来改变所确定的水汽凝结体的尺寸的装置(81)，使得大气压力越高，则带有相同速度的水汽凝结体被估计得越大。
7.如权利要求5所述的检测水汽凝结体的测量设备(1，80)，所述设备包括光学地、声学地、借助于无线电和/或微波、或借助于水汽凝结体造成的冲击来测量水汽凝结体的数量和速度以便确定水汽凝结体的尺寸的装置(1，2，3)，还包括借助于水汽凝结体的数量和尺寸来确定降水量的装置，其特征在于，所述设备包括装置(81)，所述装置(81)改变所确定的水汽凝结体的尺寸，使得大气压力越高，则带有相同速度的水汽凝结体被估计得越大。
8.如权利要求6或7所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括实时地利用水汽凝结体的测量值来确定大气压力的装置。
9.如权利要求6所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括输入和存储装置，借助于所述输入和存储装置能够输入测量位置处的大气压力。
全文摘要
本发明公开了与水汽凝结体测量设备相关联的方法和装置。根据该方法，借助于水汽凝结体的数量和尺寸来确定降水量。根据本发明，根据主导大气压力来改变所确定的水汽凝结体的尺寸，使得大气压力越高，则带有相同速度的水汽凝结体被估计得越大。
文档编号G01W1/14GK102414582SQ201080018068
公开日2012年4月11日 申请日期2010年4月20日 优先权日2009年4月22日
发明者萨尔米 A., 埃洛马 L. 申请人:威易拉有限公司