一种冰雹模拟器的制作方法

本实用新型涉及自动控制领域，特别是涉及一种冰雹模拟器。

背景技术：

降水类天气现象测量仪基本工作原理是发射端产生一束平行光束，接收端带有透镜和光电二极管，将接收到的光信号转换为电信号，平行光束覆盖范围是检测降水粒子的空气样本采样空间。测量原理为：当降水粒子穿越采样空间时将造成接收到的光信号强度减弱，粒子直径与光信号衰减的幅度相关，粒子速度与光信号衰减持续时间相关。降水类天气现象测量仪通过光信号衰减幅度和持续时间按特定的处理算法计算降水粒子的速度和粒径，滤除因浮尘、树叶、羽毛等非降水粒子形成的干扰信号后，判断降水粒子种类，实现降水类天气现象的自动识别。

而对于降水类天气现象测量仪的测试装置，现有技术中的相关装置比较少，最常用的是在一个可控转速的透明原盘上粘贴模拟贴片，用于仿真降水粒子的遮光作用；将所述透明原盘置于激光降水现象观测仪的测试区域中旋转，使得所述模拟贴片达到一定的线速度，由此来起到模拟降水粒子的效果。但是，该装置存在以下缺陷：

(1)在模拟冰雹天气现象时，自然状态下冰雹粒子是3D立体形状，上述模拟贴片是2D平面形状，与实际状态差别较大。考虑到球形冰雹表面光学反射率较高且光信号散射强度也较为强烈，同样直径时，二者对平行光束光强信号的衰减程度不同。根据上述降水类天气现象测量仪基本工作原理，这种现象将增加冰雹粒子直径和速度测量误差。

(2)透明圆盘自身将增加空气样本的光学折射率并降低光学透过率，考虑光学折射现象，发射端平行光束穿过透明圆盘后传输方向将会发生轻微的整体偏移和信号强度减弱，不利于准确测量冰雹粒径。

(3)国内已定型降水类天气现象测量仪发射端平行光束覆盖范围一般约为长200mm，宽30mm，高1.0mm。透明原盘上的模拟贴片须在待测设备采样区旋转，且为保持高速旋转时的稳定性，透明圆盘的直径不能太大。在模拟冰雹下落时，透明圆盘线速度较高，将会造成短时间内模拟冰雹的贴片高频次穿越采样区。自然状态下，冰雹粒子较为稀疏，通常不会在短时间内有大量冰雹粒子穿越狭小平面，上述专利装置中模拟冰雹的贴片高频次穿越降水类天气现象测量仪采样区可能造成观测结果异常。

(4)自然状态下，冰雹粒子下落时穿越降水类天气现象测量仪采样区的位置具有随机性。降水类天气现象测量仪在现有技术中的检测设备上安装完成后，模拟冰雹的贴片只能从固定位置以固定方向穿越采样区，与冰雹粒子随机下落的运动过程差别较大，检测结果的代表性不够全面。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种冰雹模拟器，能够准确的模拟冰雹天气现象的特点，为降水类天气现象测量仪提供更加现实的冰雹天气。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种冰雹模拟器，所述冰雹模拟器包括：

支架，所述支架包括底座和架体，所述架体设置在所述底座上；

冰球发射管，所述冰球发射管安装在所述架体上；

二维程控部，所述二维程控部包括横向移动部和纵向移动部，所述纵向移动部安装在所述底座上，所述横向移动部安装在所述架体上，所述纵向移动部控制所述架体在水平面纵向运动，所述横向移动部控制所述冰球发射管在水平面横向运动；

测量设备安装机架，所述测量设备安装机架安装在所述底座上，位于所述冰球发射管的下方，用于安装降水类天气现象测量仪；

处理器，所述处理器用于接收、存储和显示冰球发射管的坐标位置、冰球发射时间和降水类天气现象测量仪的测量结果。

可选的，所述架体为龙门架。

可选的，所述横向移动部包括横向滚珠丝杠和横向步进电机，控制器控制所述横向步进电机带动所述冰球发射管沿所述横向滚珠丝杠在水平面横向移动。

可选的，所述纵向移动部包括纵向滚珠丝杠和纵向步进电机，控制器控制所述纵向步进电机带动所述架体沿所述纵向滚珠丝杠在水平面纵向移动。

可选的，所述冰雹模拟器还包括支撑横臂，所述冰球发射管通过所述支撑横臂安装在所述横向滚珠丝杠上。

可选的，所述冰雹模拟器还包括冰球输送器和气动发射装置，所述冰球发射管通过三通管道分别与所述冰球输送器和气动发射装置相连通，所述冰球发射管与所述冰球输送器的连通处设置有第一电磁阀门，所述冰球发射管与所述气动发射装置连通处设置有第二电磁阀门。

可选的，所述冰球输送器倾斜布置。

可选的，所述冰球发射管出口处设置有红外线发射管和接收管。

可选的，所述冰球发射管的冰球击发位置设置有直径小于冰球直径的橡胶垫圈。

可选的，所述冰球发射管和所述冰球输送器上均安装有制冷器。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供的冰雹模拟器设置了冰球发射管、横向滚珠丝杠、纵向滚珠丝杠、测量设备安装机架、冰球输送器、气动发射装置和制冷器等，横向滚珠丝杠和纵向滚珠丝杠的设置实现了冰球发射管在水平面的任意位置的移动，降水类天气现象测量仪安装在冰球发射管的下方，实现了对发射管发射的冰球参数的检测，处理器将对检测结果进行接收、存储和显示，上述装置的设置，实现了对冰雹天气现象的准确模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的后提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例冰雹模拟器的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动后提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种冰雹模拟器，能够准确的模拟冰雹天气现象的特点，为降水类天气现象测量仪提供更加现实的冰雹天气。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供的版本模拟器包括以下构件：

(1)支架，如图1所示，支架包括方形底座14和龙门架1，方形底底座对称边的两侧安装有纵向滚珠丝杆3用于调整龙门架1的纵向位置。龙门架1中部安装有横向滚珠丝杆5和支撑横臂，用于安装冰球发射管8和调整冰球发射管8横向位置。

(2)冰球发射管8共有5mm、15mm、25mm 3种口径，可以根据我国气象部门对冰雹的划分方法，分别用于发射轻雹、中雹、重雹。

气动发射装置包括空气压缩机6、输气管7和数字压力表11组成，冰球发射管8顶端为密封结构，分别与压缩空气输气管7和倾斜式冰球输送器9通过三通管道连接。冰球发射管8击发冰球位置处的管道内壁安装有直径略微小于待发射冰球直径的橡胶垫圈，防止冰球自行滑落。

冰球发射管8出口处直径端两侧自上向下安装有两只固定距离的红外线发射管和对称位置处两只固定距离的光电接收管，用于测量冰球发射后的初速度。冰球先后经过两只红外发射管时，相应的两只光电接收管会分布产生两个脉冲信号，测量两个脉冲信号之间的时间差t，再根据根据两只红外发射管之间的固定距离S，计算冰雹发射后的初速度V＝S/t。

冰球发射管8中上部位置安装有方形圆孔的半导体制冷器10，控制冰球发射管8的表面温度不高于0℃，减少冰球粒子的融化损耗。

冰球发射管8出口处还安装有光束发射方向竖直向下的红色激光指示器，便于观察冰球发射位置。

(3)倾斜式冰球输送器

倾斜式冰球输送器用于储存待发射冰球，与冰球发射管连接处安装有第一电磁阀门16。第一电磁阀门16受控制器12冰球输送按钮控制。当操作人员按压冰球输送按钮时，第一电磁阀门16自动打开关闭一次，冰球在重力作用下沿管道输送至发射管上部。

为防止冰球融化，倾斜式冰球输送器外部表面安装有半导体制冷器17，用于控制冰球储存位置处的温度不高于0℃。

(4)气动发射装置

气动发射装置包括空气压缩机6、输气管7和数字压力表11组成，与冰球发射管8连接处安装有第二电磁阀门15。空气压缩机向输气管7注入压缩空气，数字压力表11向控制器12实时反馈测量值，当气压达到预设值时，空气压缩机停止工作，等待冰球发射；当气压低于预设值10％以上时，启动空气压缩机，直至气压到达预设值后停机。输气管7和冰球发射管8连接处安装有第一电磁阀门16，受控制器12发射按钮控制。当操作人员按压发射按钮时，第一电磁阀门16打开，压缩空气冲击冰球沿冰球发射管8以一定速度发射。

(5)二维程控部

二维程控部由纵向步进电机2、横向步进电机4、纵向滚珠丝杆3、横向滚珠丝杆5和控制器12组成。控制器12可接收一组手动输入的纵横坐标位置，操作人员确认坐标输入完成后，控制器12控制两台步进电机同时驱动滚珠丝杆带动冰球发射管8运行，到达设定坐标位置后，等待冰球发射。如果设定多组坐标，冰球发射后，二维程控部将冰球发射管8定位到下一组坐标位置后，继续等待发射，直至完成所有输入的坐标位置定位。

(6)测量设备安装机架

测量设备安装机架13位于龙门架下方，底座中部位置，可同时安装三台降水类天气现象仪。

(7)处理器，包含数据采集处理软件

接收、存储、显示冰球发射管8的坐标位置、冰球发射时间和待测降水类天气现象仪的测量结果。

本实用新型提供的冰雹模拟器的二维程控部X轴行程范围约2000mm，Y轴行程范围约1000mm，定位精度≤1mm。二维传动由步进电机驱动同步轮传动至冰球发射管8移动至设定坐标位置。当接收坐标定位命令后，X/Y方向两台伺服电机同时运行完成定位，以便缩短机械运动时间，减少冰雹在发射管内部的融化损耗。在控制器上运行的系统控制软件可一次性输入多组测试点坐标并在控制器上实时显示冰球发射管8的二维坐标。发射部分可换装3个不同尺寸的发射管，根据我国气象部门轻雹、中雹、重雹的划分方法，分别发射5mm、15mm、25mm粒径的冰雹。其中15mm冰雹的设计发射速度为17.8m/s±5％，25mm冰雹的设计发射速度为23.0m/s±5％。发射管还带有红外线光电测速装置和红色激光指示器，便于监测观察冰雹运行状态。

方形底座由铝合金材料加工而成，长约2.5米，宽约2米，用于安装纵向位移步进电机、纵向滚珠丝杆和龙门架。

龙门架由铝合金材料加工而成，高度约2米，宽度约2米，用于安装横向位移步进电机、横向滚珠丝杆、冰球发射管和倾斜式冰球输送器。

控制器用于冰球发射各项操作步骤指令确认及接收需要定位的一组或多组坐标位置参数。操作指令包括准备发射冰雹指令、冰雹粒径选择指令、发射管安装完成确认指令、冰雹输送指令及冰雹发射指令等。

冰雹模拟器通电后，操作人员打开控制器，选择是否准备发射冰球及冰球粒径，并输入一组或多组冰球发射位置坐标，最多可一次性输入10组坐标。操作人员按照选定的冰球粒径安装对应口径的冰球发射管，并在控制器上选择冰球发射管安装完成确认。控制器收到冰球发射管安装完成的确认指令后，采集数字式压力表测量值，启动空气压缩机，直至输气管中气压到达对应冰球粒径发射前的压力预设值后控制空气压缩停止工作，并同时驱动横向位移步进电机、纵向位移步进电机传动滚珠丝杆带动冰球发射管到达第一组坐标位置，等待冰球发射指令。操作人员在控制器上选择冰球输送按钮，倾斜式冰球输送器电磁阀门打开闭合一次，在重力作用下，输送一粒冰球至冰球发射管。在完成冰球发射管安装、定位、冰球输送后，冰球发射指令可选。当操作人员选择确认冰球发射指令后，输气管第二电磁阀门打开，压缩空气击发冰球发射。发射管红外线测速装置反馈冰球初速度后，第二电磁阀门关闭。若未能接收到红外线测速装置反馈冰球初速度，第二电磁阀门在5s后自动关闭，等待下一次发射。击发完成后，操作人员可选择定位至下一组坐标位置，也可选择在当前坐标位置继续发射下一粒冰球。

控制器上可实时显示需要定位的坐标总组数、已完成定位的数量、待定位的数量、冰球发射管当前坐标、当前冰球击发次数、发射管温度、冰球发射初速度、输气管压力值及各类操作步骤确认按钮。

空气压缩机输出的压缩空气温度较高，再加上冰球在局部位置的高速摩擦，冰球发射后会造成冰球发射管升温，尤其是连续工作时升温较为明显，容易增大冰球颗粒的融化损耗导致粒径变化较多从而影响气动遂发过程中利用空气压力控制冰球发射初速度的准确性。此外，如果需要发射冰球的数量较多，等待时间较长，倾斜式冰球输送器储存的冰球也会融化。因此当设备整机通电后，两处半导体制冷器立即开始工作，维持冰球发射管和倾斜式冰球输送器冰球存储区温度不高于0℃。

降水类天气现象测量仪通过RS232通讯接口与外部工控机(即处理器)连接，输出观测结果。

数据采集处理软件在工控机上运行，可以接收接收、存储、显示控制器输出的冰球发射管的坐标位置、冰球发射时间和待测降水类天气现象仪的测量结果。

本实用新型提供的冰雹模拟器设置了冰球发射管、横向滚珠丝杠、纵向滚珠丝杠、测量设备安装机架、冰球输送器、气动发射装置和制冷器等，横向滚珠丝杠和纵向滚珠丝杠的设置实现了冰球发射管在水平面的任意位置的移动，降水类天气现象测量仪安装在冰球发射管的下方的测量设备安装机架上，实现了对发射管发射的冰球参数的检测，通过上述各构件的设置，实现了对冰雹天气现象的准确模拟。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。