一种风消雪质能系数监测装置及监测计算方法与流程

本发明创造属于积雪消融测量技术领域，尤其涉及一种风消雪质能系数监测装置及监测计算方法。

背景技术：

积雪的升华和消融是积雪水文循环中一种特殊的质能输送过程。雪的升华对雪的结构、质能平衡、重分布等有重要影响，目前，对雪升华的研究大多从无关环境条件的质量或能量平衡方程出发，很少考虑控制风速、温度等环境因素来建立雪面升华数值模型并以此模拟不同温度、风速等条件下雪面升华发展过程。特别是，目前国内外对于积雪消融的研究中，很少从恒定风速作用下积雪升华量和融水量的实时数量关系出发，探究分析升华速率随着风速的变化关系及风速对升华发展过程的影响。

技术实现要素：

本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的空缺，提出了一种风消雪质能系数(可简称风消系数)，其包括风消雪质量系数和风消雪能量系数，其中，风消雪质量系数是标示恒定风速下积雪消融过程中不同相态间(固态转化为汽态、液态转化为汽态及固态转化为液态)的质量转换比例的指标，而风消雪能量系数是标示一种量化风速对积雪系统于外界能量交互影响程度的指标，为此，本发明提供一种风消雪质能系数监测装置及监测计算方法，通过测定无风条件下融雪过程的融化量和升华量与设定风速条件下融雪过程的融化量和升华量计算风速对积雪消融过程的影响程度。本发明结构简单，在各种积雪消融环境下工作性能稳定可靠，操作简易方便，实现了节省人工、降低劳动强度的目的。

本发明创造的技术方案是这样实现的：一种风消雪质能系数监测装置由操控台、风扇模块和积雪消融监测器构成，根据实际需要，可配套使用防风罩；所述防风罩上固装有把手，防风罩的下端安装有单向排风口，在防风罩的一侧固装有环境交互层，在环境交互层内固装有迷宫孔道ⅰ，迷宫孔道ⅰ的上下端有环境交互外口，在迷宫孔道ⅰ的中端有环境交互内口；根据实验需求，配套使用防风盖，所述防风盖内有迷宫孔道ⅱ，迷宫孔道ⅱ连通内外环境，防风盖与积雪消融监测器通过螺纹连接，安装有防风盖的积雪消融监测器被称为标测组，未安装防风盖的积雪消融监测器被称为实验组。操控台的电路总承在外壳ⅰ内，在外壳ⅰ上固装有触控屏；在外壳ⅰ内安装有电机ⅰ，电机ⅰ上安装有摇臂，摇臂的一端安装有电机ⅱ，电机ⅱ的另一端安装有外壳ⅱ，在所述外壳ⅱ上固装有格栅，在外壳ⅱ内安装有电机ⅲ，所述电机ⅲ上安装有扇叶轮。积雪消融监测器的悬臂梁重力传感器的一端固定在基台上，所述悬臂梁重力传感器的另一端固定在承台上，在所述承台上安装有重力传感器，重力传感器上安装有承接皿，在所述承台上固装有外壳ⅲ；卡托可置放于外壳ⅲ上，所述卡托固装在雪筒上，雪筒下方螺纹连接有集水漏斗，在雪筒上固装有补光灯，在雪筒内放置有筛网；所述筛网上层的网面安装有弹簧式卡扣，下层的网面与上层的网面由立柱固接，立柱上安装有含水率传感器和温湿度传感器，所述上下层的网面之间填放有模拟特定环境的下垫面材料。电路总承控制所述的一种风消雪质能系数监测装置，电路总承包括单片机、储存器和a/d转换，单片机与触控屏连接，单片机与电机ⅰ、电机ⅱ、电机ⅲ连接，含水率传感器、温湿度传感器、重力传感器与悬臂梁重力传感器均通过a/d转换与单片机连接。

所述一种风消雪质能系数监测装置，其监测计算方法包括如下步骤：

s1：根据实验设计需求，在筛网间装填试验模拟特定环境的下垫面材料，统一调节各个雪筒中的筛网位置深度，在雪筒里均匀装等量的雪，设定所需风速及补光灯光照强度；

s2：开始试验时，实验组中重力传感器测定承接皿重量，记为a0，实验组中悬臂梁重力传感器测定总重量，记为b初，实验组中含水率传感器测定下垫面中含水率，记为δ0；标测组中含水率传感器、重力传感器及悬臂梁重力传感器同步测定分别记为δ标0、a标0、b标初；

s3：随着实验进行，实验组中实时记录含水率传感器、重力传感器及悬臂梁重力传感器数据，分别记为δi、ai、bi，标测组中含水率传感器、重力传感器及悬臂梁重力传感器同步测定，分别记为δ标i、a标i、b标i，实验组和标测组中的温湿度传感器同步测定温度和湿度；

s4：系统根据预定程序计算，实时计算不同时刻的风消雪质量系数θ和风消雪能量系数η：

m汽化+m升华＝b初-bi

m融水＝ai-a0+(δi-δ0)*v

m标融水＝a标i-a标0+(δ标i-δ标0)*v

m标汽化+m标升华＝b标初-b标i

其中：ai为实验组测定某时刻承接皿及液态水的总重量，a0为实验组测定开始时刻承接皿的重量，bi为实验组测定某时刻悬臂梁重力传感器承受的总重量，b初为实验组测定初始悬臂梁重力传感器承受的总重量，a标i为标测组测定某时刻承接皿及液态水的总重量，a标0为标测组测定开始时刻承接皿的重量，b标i为标测组测定某时刻悬臂梁重力传感器承受的总重量，b标初为标测组测定初始时刻悬臂梁重力传感器承受的总重量，δi为实验组测定某时刻下垫面中的含水率，δ0为实验组测定开始时刻下垫面中的含水率，δ标i为标测组测定某时刻下垫面中的含水率，δ标0为实验组测定开始时刻下垫面中的含水率，v为下垫面体积，φ1为0℃时冰的熔解热，φ3为0℃时冰的升华热，其中，0℃时冰的升华热等于冰的溶解热和融水的汽化热之和。

本发明创造结构新颖、合理、简单，在实验室及野外均可开展相关实验，可调节多种控制因素实现实验测定所需，并避免了反复人工测定带来的劳动力浪费。该装置不但结构简单，作业运行稳定可靠，而且可以极大程度上模拟外界环境对融雪过程的影响，并减少现实环境对模拟实验的扰动，极大程度地降低了对测量结果的影响。该设备从热力学方面考虑风速对于积雪消融过程的影响，并可直接测定衡量其影响程度的指标参数，对于融雪导致的渍涝灾害预测提供了新的参考依据。

附图说明

图1是一种风消雪质能系数监测装置结构示意图；

图2是一种风消雪质能系数监测装置纵剖面示意图；

图3是积雪消融监测器纵剖面示意图；

图4是筛网结构示意图；

图5是积雪消融监测器局部纵剖面示意图；

图6是防风罩结构示意图；

图7是防风罩环境交互层剖面图；

图8是防风盖剖面图；

图9是电路结构示意图。

图中件号说明：

1、操控台；2、风扇模块；3、积雪消融监测器；101、触控屏；102、电路总承；103、外壳ⅰ；104、单片机；105、储存器；106、a/d转换；201、电机ⅰ；202、摇臂；203、电机ⅱ；204、格栅；205、电机ⅲ；206、扇叶轮；207、外壳ⅱ；301、基台；302、悬臂梁重力传感器；303、承台；304、重力传感器；305、承接皿；306、外壳ⅲ；307、集水漏斗；308、卡托；309、雪筒；310、补光灯；311、筛网；312、网面；313、弹簧式卡扣；314、立柱；315、含水率传感器；316、温湿度传感器；401、防风罩；402、把手；403、单向排风口；404、环境交互层；405、环境交互外口；406、环境交互内口；407、迷宫孔道ⅰ；501、防风盖；502、迷宫孔道ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造实施方案进行详细描述。一种风消雪质能系数监测装置，其特征在于：一种风消雪质能系数监测装置由操控台1、风扇模块2和积雪消融监测器3构成，根据实际需要，可配套使用防风罩401；所述防风罩401上固装有把手402，防风罩401的下端安装有单向排风口403，在防风罩401的一侧固装有环境交互层404，在环境交互层404内固装有迷宫孔道ⅰ407，迷宫孔道ⅰ407的上下端有环境交互外口405，在迷宫孔道ⅰ407的中端有环境交互内口406；根据实验需求，配套使用防风盖501，所述防风盖501内有迷宫孔道ⅱ502，迷宫孔道ⅱ502连通内外环境，防风盖501与积雪消融监测器3通过螺纹连接，安装有防风盖501的积雪消融监测器3被称为标测组，未安装防风盖501的积雪消融监测器3被称为实验组。操控台1的电路总承102在外壳ⅰ103内，在外壳ⅰ103上固装有触控屏101；在外壳ⅰ103内安装有电机ⅰ201，电机ⅰ201上安装有摇臂202，摇臂202的一端安装有电机ⅱ203，电机ⅱ203的另一端安装有外壳ⅱ207，在所述外壳ⅱ207的上固装有格栅204，在外壳ⅱ207内安装有电机ⅲ205，所述电机ⅲ205上安装有扇叶轮206。积雪消融监测器3的悬臂梁重力传感器302的一端固定在基台301上，所述悬臂梁重力传感器302的另一端固定在承台303上，在所述承台303上安装有重力传感器304，重力传感器304上安装有承接皿305，在所述承台303上固装有外壳ⅲ306；卡托308可置放于外壳ⅲ306上，所述卡托308固装在雪筒309上，雪筒309下方螺纹连接有集水漏斗307，在雪筒309上固装有补光灯310，在雪筒309内放置有筛网311；所述筛网311的上层网面312安装有弹簧式卡扣313，下层网面312与上层网面312由立柱314固接，立柱314上安装有含水率传感器315和温湿度传感器316，所述上下层网面312之间填放有模拟特定环境的下垫面材料。电路总承102控制所述的一种风消雪质能系数监测装置，电路总承102包括单片机104、储存器105和a/d转换106，单片机104与触控屏101连接，单片机104与电机ⅰ201、电机ⅱ203、电机ⅲ205连接，含水率传感器315、温湿度传感器316、重力传感器304与悬臂梁重力传感器302均通过a/d转换106与单片机104连接。

所述一种风消雪质能系数监测装置，其监测计算方法包括如下步骤：

s1：根据实验设计需求，在筛网311间装填试验模拟特定环境的下垫面材料，统一调节各个雪筒309中的筛网311位置深度，在雪筒309里均匀装等量的雪，设定所需风速及补光灯310光照强度；

s2：开始试验时，实验组中重力传感器304测定承接皿305重量，记为a0，实验组中悬臂梁重力传感器302测定总重量，记为b初，实验组中含水率传感器315测定下垫面中含水率，记为δ0；标测组中含水率传感器315、重力传感器304及悬臂梁重力传感器302同步测定，分别记为δ标0、a标0、b标初；

s3：随着实验进行，实验组中实时记录含水率传感器315、重力传感器304及悬臂梁重力传感器302数据，分别记为δi、ai、bi，标测组中含水率传感器315、重力传感器304及悬臂梁重力传感器302同步测定，分别记为δ标i、a标i、b标i，实验组和标测组中的温湿度传感器同步测定温度和湿度；

s4：系统根据预定程序计算，实时计算不同时刻的风消雪质量系数θ和风消雪能量系数η：

m汽化+m升华＝b初-bi

m融水＝ai-a0+(δi-δ0)*v

m标融水＝a标i-a标0+(δ标i-δ标0)*v

m标汽化+m标升华＝b标初-b标i

其中：ai为实验组测定某时刻承接皿305及液态水的总重量，a0为实验组测定开始时刻承接皿305的重量，bi为实验组测定某时刻悬臂梁重力传感器302承受的总重量，b初为实验组测定初始悬臂梁重力传感器302承受的总重量，a标i为标测组测定某时刻承接皿305及液态水的总重量，a标0为标测组测定开始时刻承接皿305的重量，b标i为标测组测定某时刻悬臂梁重力传感器302承受的总重量，b标初为标测组测定初始时刻悬臂梁重力传感器302承受的总重量，δi为实验组测定某时刻下垫面中的含水率，δ0为实验组测定开始时刻下垫面中的含水率，δ标i为标测组测定某时刻下垫面中的含水率，δ标0为实验组测定开始时刻下垫面中的含水率，v为下垫面体积。

开展实验时，根据实验设计，在筛网311间装填试验模拟特定环境的下垫面材料，统一调节各个雪筒309中的筛网311位置深度，在雪筒309里均匀装等量的雪，通过触控屏101设定实验环境所需模拟的风速及补光灯310的光照强度，给标测组的积雪消融监测器3安装防风盖501，通过触控屏101控制所述一种风消雪质能系数监测装置开始工作，单片机104控制电机ⅰ201、电机ⅱ203、电机ⅲ205协调工作，调整风扇模块2提供所需风向和风速，单片机104通过a/d转换106控制含水率传感器315、温湿度传感器316、重力传感器304和悬臂梁重力传感器302工作，实验组中含水率传感器315测定实验组下垫面的含水率，记为δ0，实验组中重力传感器304测定承接皿305重量，记为a0，实验组中悬臂梁重力传感器302测定总重量，记为b初，标测组中含水率传感器315、重力传感器304及悬臂梁重力传感器302同步测定，分别记为δ标0、a标0、b标初，实验组和标测组中的温湿度传感器同步测定温度和湿度，上述数据通过单片机104写入储存器105中。随着实验进行，单片机104通过a/d转换106控制含水率传感器315、重力传感器304和悬臂梁重力传感器302工作，实验组中实时记录含水率传感器315、重力传感器304及悬臂梁重力传感器302数据，分别记为δi、ai、bi，标测组中含水率传感器315、重力传感器304及悬臂梁重力传感器302同步测定，分别记为δ标i、a标i、b标i，数据通过单片机104根据预定程序计算，实时计算不同时刻的风消雪质量系数θ和风消雪能量系数η。同时，实验组和标测组中的温湿度传感器同步测定温度和湿度。

m汽化+m升华＝b初-bi

m融水＝ai-a0+(δi-δ0)*v

m标融水＝a标i-a标0+(δ标i-δ标0)*v

m标汽化+m标升华＝b标初-b标i

其中：ai为实验组测定某时刻承接皿305及液态水的总重量，a0为实验组测定开始时刻承接皿305的重量，bi为实验组测定某时刻悬臂梁重力传感器302承受的总重量，b初为实验组测定初始悬臂梁重力传感器302承受的总重量，a标i为标测组测定某时刻承接皿305及液态水的总重量，a标0为标测组测定开始时刻承接皿305的重量，b标i为标测组测定某时刻悬臂梁重力传感器302承受的总重量，b标初为标测组测定初始时刻悬臂梁重力传感器302承受的总重量，δi为实验组测定某时刻下垫面中的含水率，δ0为实验组测定开始时刻下垫面中的含水率，δ标i为标测组测定某时刻下垫面中的含水率，δ标0为实验组测定开始时刻下垫面中的含水率，v为下垫面体积。

计算得到的不同时刻的风消雪质量系数θ和风消雪能量系数η写入储存器105中，可根据需求以横轴为时间，纵轴为风消雪质量系数θ(或风消雪能量系数η)绘制不同时刻下风消雪质量系数θ(或风消雪能量系数η)的变换，此外，可将同步测定的温度和湿度作为第二纵轴加入坐标轴，方便分析多变量之间的响应。

本领域技术人员应当知晓，上述具体实施例或具体实施方式仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。