Дистанционная лазерная снегомерная рейка
DISTANCE-BEARING LASER SNOW RACK

Область техники
Изобретение относится к гидрометеорологическим приборам, в частности, к технике для измерения высоты снежного покрова. Может применяться в области метеорологии и гляциологии, в частности в лавиноведении, для получения оперативных данных о изменении высоты снежного покрова, температурного режима, а также о структурных изменениях внутри снежной толщи. Дистанционная лазерная снегомерная рейка предназначена для использования как в системе автоматических метеостанций, так и в качестве самостоятельного инструмента для наблюдения за состоянием снежного покрова.
Уровень техники
2
В настоящее время общая площадь, занятая снежным покровом и льдом на Земле, составляет около 100 млн км. Для освоения такого рода районов необходимо знать характеристики снежного покрова, залегающего в этих местах значительную часть года. Наблюдения за состоянием снежного покрова в настоящее время производятся на наземной гидрометеорологической сети станций и постов с использованием ручных трудоемких методов, а данные измерений современных аэрокосмических средств, как показывает практика, имеют значительные погрешности и требуют коррекции по результатам наземных измерений.
Традиционными и самыми массовыми инструментами для наблюдения за снежным покровом и его формированием являются простейшие приборы, разработанные в первой половине XX в. Для измерения высоты снежного покрова, изучения динамики его формирования и таяния на наземной наблюдательной сети Росгидромета используются снегомерные рейки. Для ежедневных наблюдений применяются постоянные, фиксировано установленные рейки типа М-103М, а для маршрутных снегомерных съемок -переносные рейки типа М-104М. Для измерения количества осадков в пересчете на водный эквивалент применяется осадкомер Третьякова O-1, а плотность снега определяется при помощи весового снегомера ВС-43. Простота конструкции, дешевизна изготовления и отсутствие необходимости в электропитании выгодно отличают указанные средства измерений от современных приборов, однако полное отсутствие возможности автоматизации измерений и сравнительно низкая точность ограничивают их применение для решения задач настоящего времени. Задача автоматизации процесса метеонаблюдений требует создания автономных приборов, позволяющих в автоматическом режиме осуществлять мониторинг состояния снежного покрова с обеспечением удаленного съема результатов в режиме реального времени. Поэтому задача автоматического измерения высоты снежного покрова становится все более актуальной в последнее время. Хорошо известные приборы с ультразвуковыми или индуктивными электромагнитными датчиками не предназначены для работы в условиях свежевыпавшего снега из-за его низкой плотности и, следовательно, отсутствия четкой границы по плотности между снегом и воздухом. По этой причине ультразвуковые и индуктивные снегомеры могут применяться только при замерах на плотных (спрессованных) слоях снега. При этом возможности инфракрасных датчиков выглядят недооцененными. К сожалению, очень широко распространенные в строительстве дешевые лазерные дальномеры не могут использоваться для регулярных измерений высоты снега. Проблемы у этих приборов появляются во время снегопадов, из-за чего возникают неизбежные ошибки измерений. Причина таких ошибок заключена в физическом принципе работы лазерного измерителя, применяемого в строительстве и основанного на генерации коротких импульсов и измерении времени задержки отраженного светового импульса для определения расстояния (Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976 г.).
В качестве аналогов заявитель может указать:
патент на изобретение №316057 (1971 г.) «датчик высоты снежного покрова». Датчик выполнен в виде вертикально устанавливаемой рейки. Дистанционные датчики температуры размещены по длине реки на известном равном расстоянии друг от друга. Каждый термометр соединен с регистратором метеорологической автоматической станции. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения. Большое количество проводов от каждого датчика температуры увеличивает паразитную теплопередачу между датчиками на рейке, ухудшающую точностные характеристики. Кроме того, рейка с датчиками температуры является громоздкой, ее значительные габариты оказывают влияние на естественный снежный покров как за счет образования «наддувов» и «выветриваний», а также за счет оттаивания снега около рейки из-за ее нагрева солнцем, и, как следствие, влияют на достоверность измерений.
Патент на изобретение РФ №2542598 (01.08.2013 г.). Датчик высоты снежного покрова содержит вертикально установленную рейку, на которой размещены на известном равном расстоянии друг от друга датчики температуры и регистратор. Рейка выполнена в виде трехпроводной печатной платы с припаянными к ней высокоточными цифровыми термометрами и размещена в белой термоусадочной трубке, при этом печатная плата по однопроводному интерфейсу соединена с регистратором, который, в свою очередь, при помощи USB кабеля соединен с компьютером, в котором установлена программа расчета высоты снежного покрова. Датчик высоты снежного покрова позволяет контролировать температуру снега и толщину снежного покрова. Недостатками являются: низкая прочность конструкции и невозможность ее оперативной установки на горных склонах, и низкая точность, обусловленная особенностями интерпретации показаний термометров в высоту снежного покрова.
Патент на изобретение РФ №2617146. Датчик уровня высоты снежного покрова для оценки лавинной опасности. Датчик, содержащий установленную вертикально цепочку датчиков температуры, соединенную с контроллером для считывания, дополнительно включает радиомодем, например, GSM-модем, антенну, датчики положения (гироскопы, компас), GPS-приемник, блок автономного питания, выходы которых соединены с контроллером, а само устройство монтируют в длинный жесткий пластиковый корпус с острым нижним наконечником, позволяющим устанавливать устройство в снег с помощью вдавливания или вбивания. К недостаткам относится низкая точность подобного устройства, т.к. температурные датчики не совсем корректно передают прирост свежевыпавшего снега, температура которого практически равна температуре воздуха. Также есть вопросы к надежности конструкции, которую авторы собираются вбивать в снег, и надежности передачи информации, т.к. надежность GSM сигнала в горах оставляет желать лучшего.
Раскрытие изобретения:
- наличие конструктивных элементов;
- характеристики элемента и их взаимосвязь.
Задачей заявляемого технического решения является улучшение эксплуатационных характеристик гидрометеорологических приборов предназначенных для наблюдения за состоянием, изменением снежного покрова и для измерения его высоты.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание модульной конструкции, с возможностью оперативно обеспечить высокую точность необходимых измерений.
Сущность изобретения состоит в том, что дистанционная лазерная снегомерная рейка содержит корпус рейки, состоящий из жестко соединенных между собой по-вертикали нескольких модулей, каждый из которых содержит равномерно расположенные пары датчиков, представляющих собой по меньшей мере 16 лазерных светодиодов-фоторезисторов, набор печатных плат расположенных внутри корпуса, по меньшей мере 8 цифровых термометров, соединительные кабеля, выносной блок управления с модулем связи, и с возможностью нескольких выходов подключения, элементы крепления и принимающий компьютер.
При этом:
- предполагается использование удаленного принимающего компьютера с подключенным радиомодулем;
- корпус рейки выполнен углепластиковым, со скругленными углами;
- корпус рейки выполнен в белом цвете;
- задняя крышка корпуса выполнена съемной;
- расположение световых датчиков выполнено на расстоянии от тела рейки;
- корпус светового датчика имеет П-образную форму;
- корпус светового датчика представляет из себя литую из углепластика структуру и является частью общего корпуса рейки.
Краткое описание чертежей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
Рис. 1 - вид нижнего модуля дистанционной лазерной снегомерной рейки.
Осуществление изобретения.
Изобретение относится к гидрометеорологическим приборам, в частности, к технике для измерения высоты снежного покрова. Может применяться в области метеорологии и гляциологии, в частности в лавиноведении, для получения оперативных данных о изменении высоты снежного покрова, температурного режима, а также о структурных изменениях внутри снежной толщи. Дистанционная лазерная снегомерная рейка предназначена для использования как в системе автоматических метеостанций, так и в качестве самостоятельного инструмента для наблюдения за состоянием снежного покрова.
Дистанционная лазерная снегомерная рейка имеет углепластиковый корпус со скругленными углами для придания ему оптимальных аэродинамических свойств, исключающих образования надувов или зон выдувания вокруг рейки. Корпус состоит из жестко соединенных между собой по вертикали нескольких модулей (1). Количество модулей зависит от снежности предполагаемого региона эксплуатации. То есть рейка не единая монолитная конструкция, а сборно-разборная. За счет этого достигается простота транспортировки и монтажа всей конструкции, и дает возможность адаптировать указанный продукт под различные регионы с разной высотой снежного покрова. Все модули в силу особенностей печатных плат (2), расположенных внутри имеют длину 85 см. На схеме рейки обозначен нижний базовый модуль (1) со свободным пространством снизу и анкером (10) для надежного закрепления в грунт, это единственный модуль имеющий в длину 132,5 см. У остальные используемых модулей (не указаны) свободное пространство снизу отсутствует.
Задняя крышка корпуса (не указано) съемная, что упрощает монтаж комплектующих внутрь корпуса и позволяет производить ремонт в случае неисправностей. Корпус должен быть выполнен в белом цвете, для увеличения альбедо, и уменьшения тем самым образования проталин вокруг рейки. Каждый модуль содержит равномерно расположенные пары датчиков, представляющих собой по меньшей мере 16 лазерных светодиодов - фоторезисторов (3). Корпус светового датчика имеет П-образную форму с длиной лапок 5 см. - длина определена эмпирическим путем. Вынос светового датчика (3) на расстояние от тела рейки (1) необходим для корректного заполнения снегом пространства между лазером и фоторезистором, т.к. вблизи рейки неизбежно будет создаваться турбулентное завихрение снега ветровым потоком. Сам корпус датчика представляет из себя литую из углепластика структуру и является частью общего корпуса рейки, что существенно увеличивает прочность датчиков и упрощает монтаж электронных комплектующих. Набор печатных плат (2), находятся внутри корпуса, чем защищены от факторов внешнего воздействия, отвечает за взаимодействие датчиков с управляющим контроллером. В конструкцию корпуса заложены соответствующие отверстия (не указано) для крепления лазерного светодиода-фоторезистора (3) и проводов питания (не указано). Такой подход существенно упрощает сборку датчика и гарантирует полную соосность пары лазер - фоторезистор. Световые датчики установлены на рейке с шагом в 5 см. Температурный датчик (4) выведен в боковой стенке рейки в виде по меньшей мере 8 цифровых термометров, с шагом в 10 см. Так же имеется головной блок рейки (5), включающий в себя управляющую плату с микроконтроллером, передающий радиомодуль с антенной, блок питания при размещении в непосредственной близости от сети напряжения, или солнечную панель с аккумулятором при размещении в удаленных горных районах.
Подсоединение рейки к головному блоку(5) осуществляется при помощи соединительного кабеля (6). Соединительный кабель представляет собой обычную витую пару, по таким проводам подключают интернет или домашние телефоны. По кабелю осуществляется питание реек и передача информации в головной блок, а оттуда на компьютер (7) по радиоканалу. Модульность достигается также и тем, что к одному головному блоку можно подключить до пяти реек. Если мы рассматриваем потенциальное место установки как лавиноопасный склон, то одним таким комплектом можно обслужить до пяти лавинных очагов, не рискуя при этом потерять само головное устройство, т.к. оно выносное и устанавливается в безопасном месте (например, ближайший скальный выступ или гребень горы). Но даже отказ, по каким либо причинам головного блока не приведет к потере данных, т.к. все они передаются на удаленный компьютер (7) по радиоканалу. Такой компьютер может находиться в десятках километров от головного блока. По соединительному кабелю (6) осуществляется питание реек и обмен данными.
Для приема и обработки информации с реек используется компьютер (7) с подключенным принимающим радиомодулем. Установка дистанционной лазерной снегомерной рейки происходит при помощи фундирования свободной части корпуса (8) в грунт на металлический анкер (10), причем свободная часть корпуса присутствует только на нижнем модуле рейки. Для установки дистанционной лазерной снегомерной рейки необходимы растяжки из металлического троса (9) для увеличения прочности и жесткости конструкции (рассчитывается исходя из общего числа модулей рейки).
Работа рейки заключается в последовательном зажигании световых и температурных датчиков. Дискретность определяется пользователем и может составлять от нескольких минут до часов. Программа управления зашита в микроконтроллер в головном блоке (5) и оттуда поступает в каждую конкретную рейку по соединительным кабелям (6). Непосредственно в рейке программу получают печатные платы и начинают в заданной последовательности включать/выключать датчики и передавать полученную информацию обратно в головной блок (5). На удаленный компьютер (7) информация из головного блока (5) доставляется по радиоканалу и представляет собой таблицу формата XLS с показаниями фоторезисторов и термометров. С термометров мы сразу получаем температуру в градусах Цельсия в соответствии с порядковым номером термометра (температурные датчики установлены с шагом 10 см). С фоторезисторов приходит сила регистрируемого ими света в условных единицах от 0 до 900, где 0 является абсолютной темнотой, а 900 максимальной силой света лазерного светодиода. Далее пакет программ, установленный на компьютер (7), интерпретирует полученную фоторезисторами силу света в прирост/усадку снежного покрова в сантиметрах в соответствии с порядковым номером светового датчика (световые датчики установлены с шагом в 5 см) и определяет класс формы кристаллов по слоям.
Преимуществами данного технического решения является высокая точность благодаря работе пары датчиков, где в качестве эмиттора выступает лазерный светодиод, а в качестве ресивера фоторезистор. Таким образом, если рейка находится на дневной поверхности, то лазерный пучок с минимальным рассеиванием доходит до фоторезистора. В случае снегонакопления излучение эмиттера рассеивается кристаллами снега, и фоторезистор регистрирует меньшую силу света, относительно пары на дневной поверхности. Кристаллы различных морфотипов по-разному рассеивают проходящий сквозь них лазерный свет, и при наборе определенного статистического ряда данных в конкретном регионе можно судить о стратиграфии снежной толщи. Определяя по силе света, измеряемой фоторезисторами, форму и размер кристаллов в слое снежной толщи. Также можно определять интегральную плотность снежных слоев, имея эмпирические коэффициенты, выведенные по серии репрезентативных шурфов.
Дополнительно установленные на рейке температурные датчики позволяют получать данные о температуре снежного покрова, что немаловажно при комплексном изучении снежной толщи.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков заявленного изобретения, каждый признак которой необходим, а все вместе они достаточны для решения поставленной задачи и для достижения указанного технического результата.