PL B1. Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wrocław,PL BUP 21/04

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01W 1/14 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Deszczomierz i sposób pomiaru ilości opadu deszczu (73) Uprawniony z patentu: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wrocław,PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 21/04 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/09 (72) Twórca(y) wynalazku: Jacek Kawecki,Wrocław,PL Paweł Licznar,Wrocław,PL Janusz Łomotowski,Wrocław,PL (74) Pełnomocnik: Mączka Stanisław, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu PL B1 (57) 1. Deszczomierz posiadający wlot usytuowany w górnej części obudowy, w której znajduje się termostat z grzałką oraz wyposażony w zespół ważący zbiornik na wodę, który ma połączenie ze zbiornikiem zbiorczym, znamienny tym, że elementem ważącym jest zespół zawierający mostek tensometryczny (4) a pomiędzy zbiornikiem wewnętrznym (3) i zbiornikiem zbiorczym (13) usytuowany jest elektrozawór (9), przy czym elektrozawór (9) i mostek tensometryczny (4) połączone są przewodowo przez mikroprocesowy układ sterujący (6) z modułem rejestracji i przetwarzania danych (16) oraz ze źródłem zasilania (15).

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest deszczomierz i sposób pomiaru ilości opadu deszczu. Znane są różnego typu deszczomierze i sposoby pomiaru ilości wody, określane w ciągu jednostki czasu, najczęściej doby, pochodzącej z różnego rodzaju opadów atmosferycznych. Pierwsze wzmianki o sposobach pomiaru ilości spadłego deszczu polegające na zbieraniu wody do zwykłej miski o średnicy około 45 cm były opisane już mniej więcej 400 lat p.n.e. w rękopisie Arthastra, którego autorem jest Hindus Kautilya (Sorbjan Z. 2001: Meteorologia dla każdego. Opowieści, teorie i proste doświadczenia. Wyd. Prószyńska i S-ka, Warszawa.). Regularne pomiary opadów prowadzone tym sposobem wykorzystywano dla planowania zasiewów. Obecnie pomiaru ilości spadłego deszczu dokonuje się najczęściej powszechnie znaną metodą zbierania wody przy pomocy deszczomierzy Hellmanna, które umieszcza się na wysokości 1 m nad poziomem gruntu. Sposób ten jest stosowany w Polsce w zasadzie we wszystkich punktach pomiaru opadów i służy głównie do pomiarów dobowych sum opadów (Rojek M., Żyromski A. 1994: Agroi meterorologia i klimatologia, skrypt Akademii Rolniczej we Wrocławiu, nr 393). Woda, pochodząca z opadów, jest zbierana do deszczomierza, którego górną częścią jest metalowy walec - najczęściej wykonany z mosiądzu o dokładnie wykończonej i ostrej górnej krawędzi - o powierzchni wlotowej 200 cm 2. Następnie woda jest odprowadzana, za pośrednictwem lejka, do zbiornika umieszczonego w podstawie deszczomierza. Zwarta budowa deszczomierza w znacznym stopniu zmniejsza parowanie wody opadowej, zbierającej się w ciągu doby. Niewielkie straty wody są związane tylko ze zwilżeniem lejka. Pomiar taki jest zwykle przeprowadzany raz na dobę, najczęściej o siódmej rano. Dla określenia wielkości opadu woda opadowa ze zbiornika deszczomierza jest przelewana do specjalnej, odpowiednio wyskalowanej w mm warstwy opadu, szklanej menzurki. Odległości pomiędzy podziałkami tej menzurki są tyle razy większe od milimetrów rzeczywistych, ile razy powierzchnia wlotowa deszczomierza jest większa od przekroju wewnętrznego menzurki. Odczytów dokonuje się z dokładnością 0,1 mm. Przy odczytach przyjmuje się kreskę podziałki najbliższą dolnego poziomu menisku wody. W menzurce mieści się jedynie 10 mm warstwy opadu. W sytuacji, gdy w zbiorniku deszczomierza nazbierało się więcej wody, pomiar powtarza się, aż do całkowitego jego opróżnienia. Powszechnie znane są też metody określania wielkości opadów przy pomocy, podobnych do deszczomierzy Hellmana, przyrządów w wersji samozapisowej, noszących nazwę pluwiografów (Rojek M., Żyromski A. 1994: Agro- i meterorologia i klimatologia. Skrypt Akademii Rolniczej we Wrocławiu, nr 393). Umożliwiają one rejestrację wysokości opadu w postaci ciągłej funkcji czasu. W metodzie tej najczęściej stosowany jest pluwiograf dobowy, który charakteryzuje się dokładnością rejestracji 0,1 mm (działka elementarna dla wysokości opadu na pasku pluwiogramu wynosi 0,1 mm, a dla podziałki czasu - 10 minut). Przyrząd ten podobnie jak deszczomierz Helmana w górnej części jest zaopatrzony w otwór wlotowy o powierzchni 200 cm 2, który jest również umieszczany poziomo na wysokości 1 m nad powierzchnią terenu. Woda pochodząca z opadów atmosferycznych, wpadająca do tego otworu, jest koncentrowana i spływa rurką do cylindra, w którym znajduje się pływak. Do pływaka przymocowany jest za pomocą odpowiedniego ramienia element piszący (piórko lub pisak), dzięki czemu ruch pływaka jest w sposób ciągły rejestrowany na pasku papieru (pluwiogramie) owiniętym dookoła bębna napędzanego mechanizmem zegarowym. Powierzchnia wewnętrzna cylindra, w którym znajduje się pływak jest dziesięciokrotnie mniejsza od powierzchni otworu wlotowego, przez co opadowi o wysokości 1 mm, odpowiada podniesienie pływaka o 1 cm. W przypadku gdy wielkość opadu przekroczy 10 mm, a poziom wody w cylindrze podniesie się do wysokości kolanka lewarowego, następuje samoczynne przelanie się wody do naczynia ustawionego w dolnej części pluwiografu. Piórko wówczas kreśli linię pionową w dół. Natomiast gdy opad trwa dalej, następuje ciąg dalszy jego rejestracji i pływak podnosi się znów ku górze a element piszący kreśli następną krzywą wznoszącą. Jeżeli deszcz nie pada, element piszący kreśli linię poziomą. Zarejestrowany w urządzeniu pluwiogram pozwala na odczytanie zarówno wysokości opadu jaki i jego czasu trwania, a co za tym idzie pozwala na obliczenia jego natężenia. Zmodyfikowaną metodą określania wielkości opadów, w stosunku do wyżej opisanej, jest sposób, w którym stosuje się telepluwiograf (Rojek M., Żyromski A. 1994: Agro- i meterorologia i klimatologia. Skrypt Akademii Rolniczej we Wrocławiu, nr 393). Jego budowa w zakresie górnej wlotowej części jest analogiczna jak w przypadku pluwiografu. Jednakże wewnątrz obudowy znajduje się wywrotne czółenko, do którego rurką spływa wodą opadową. 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),

3 PL B1 3 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, za pomocą izolowanego przewodu, z zespołem rejestrująco-sygnalizacyjnym, który może być usytuowany w znacznej odległości od stanowiska pomiarowego. 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 pluwiografu, na bęben napędzany mechanizmem zegarowym. Ponadto, w części rejestrującej znajduje się prosty licznik impulsów, który wskazuje całkowitą wysokość opadu. Pomimo prowadzenia zapisu na pasku rejestracyjnym zaleca się obserwatorowi notowanie w dzienniku obserwacyjnym czasu rozpoczęcia i zakończenia opadu, co pozwala na przybliżone określenie natężenia opadu. Innym, znanym i zalecanym przez Międzynarodową Organizację Meteorologiczną (WMO) deszczomierzem jest model (Young), którego działanie zespołu rejestrującego oparte jest na zasadzie zwierania impulsatora (kontaktronu) pod wpływem przepełnienia zbiorniczka pomiarowego. Charakteryzuje się on dokładnością rejestracji 0,2 mm opadu. Ma on standardową powierzchnię wpadową 200 cm 2 i rozdzielczość 0,1 mm. Jego błąd pomiaru wynosi 2% przy natężeniu opadów do 25 mm h -1 i 3% przy natężeniu do 50 mm h -1. Jego wersja ogrzewana (model 52202) działa skutecznie do temperatury -20 C. Deszczomierz ten może być podłączany do logerów, które pełnią rolę układów rejestrujących, np. logerów Campbella: CR510, CR10X, CR 23X, CR 5000, pozwalających na cyfrowy zapis wyników obserwacji. Istotą wynalazku jest deszczomierz, którego elementem ważącym jest zespół zawierający mostek tensometryczny i który pomiędzy zbiornikiem wewnętrznym a zbiornikiem zbiorczym ma usytuowany elektrozawór. Elektrozawór i mostek tensometryczny są połączone przewodowo, przez mikroprocesowy układ sterujący, z modułem rejestracji i przetwarzania danych oraz ze źródłem zasilania. Korzystnie jest, gdy elektrozawór zamocowany jest na ujściu zbiornika wewnętrznego i usytuowany jest nad wylewką, która elastycznym przewodem połączona jest ze zbiornikiem zewnętrznym. Sposób, według wynalazku, polega na tym, że rejestrację zmian warstwy opadu deszczu określa się mostkiem tensometrycznym, który przekazuje sygnał pomiarowy do modułu rejestracji i przetwarzania danych. W tym module rejestruje się rzeczywisty czas trwania opadów atmosferycznych i zmiany masy zbiornika wewnętrznego wypełnianego, zmienną w czasie, ilością wody do niego dopływającej w czasie trwania opadów atmosferycznych oraz okresowe jego opróżnianie. Napełnianie i opróżnianie zbiornika kontroluje się zaprogramowanym mikroprocesorowym układem sterującym. Korzystnie jest, gdy rejestrację zmian warstwy opadu deszczu prowadzi się przy jednoczesnej kontroli temperatury powietrza wewnątrz obudowy. Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na schematycznym rysunku, w przekroju pionowym. Deszczomierz posiada hermetyczną obudowę 2, która w górnej części ma umocowany cylindryczny wlot 1, będący walcem o zaostrzonej górnej krawędzi. Wlot 1, który jest na stałe umocowany w górnej części obudowy 2, w dolnej części zakończony jest lejkiem 7. Pod wlotem 1 usytuowany jest zbiornik wewnętrzny 3 na wodę, mający w dolnej części ujście 8, z elektrozaworem 9, obok którego umieszczony jest termostat z grzałką 10. Zbiornik wewnętrzny 3 zamocowany jest na belce 5, wyposażonej w mostek tensometryczny 4, której drugi koniec jest przytwierdzony do obudowy 2. Belka 5 z mostkiem tensometrycznym 4 jest elementem ważącym zbiornik wewnętrzny 3. Pod elektrozaworem 9, na dnie obudowy 2, osadzona jest lejkowa wylewka 11, przechodząca przez dolną część obudowy 2. Wylewka 11 połączona jest elastycznym przewodem 12 odprowadzającym wodę do zbiornika zbiorczego 13, ustawionego na powierzchni terenu. Wewnątrz obudowy 2 umocowany jest też mikroprocesorowy układ sterujący 6, który połączony jest izolowanymi przewodami z mostkiem tensometrycznym 4, elektrozaworem 9, termostatem z grzałką 10 i - z usytuowanymi na zewnątrz obudowy 2 - modułem rejestracji i przetwarzania danych 16 oraz ze źródłem zasilania 15. Ponadto, ze źródłem zasilania 15, za pomocą izolowanych przewodów, połączone są także: termostat z grzałką 10, mostek tensometryczny 4 i elektrozawór 9. Obudowa 2 deszczomierza jest zamocowana na trójnogu 14, który utwierdza się na powierzchni terenu. Zastosowanie w deszczomierzu, według wynalazku, belki 5, wyposażonej w mostek tensometryczny 4, pozwala na ciągłe prowadzenie pomiarów opadów atmosferycznych, których przyrost warstwy w czasie określa się na bieżąco, w sposób pośredni, na podstawie stałego pomiaru przyrostu masy wody gromadzącej się w zbiorniku wewnętrznym 3, przy wykorzystaniu mikroprocesorowego

4 4 PL B1 układu sterującego 6. Układ ten umożliwia rejestrację wyników, w postaci cyfrowej, w pamięci modułu rejestracji i przetwarzania danych 16, kompatybilnym np. z datalogerem lub komputerem PC. Zastosowanie elektrozaworu 9, sterowanego przez mikroprocesorowy układ sterujący 6, umożliwia prowadzenie pomiaru opadu przez dłuższy okres czasu, ponieważ zapewnia on automatyczne opróżnianie zbiornika wewnętrznego 3, chroniąc go przed przepełnieniem gromadzącą się w nim wodą, np. po wysokich opadach i wykroczeniem poza zakres prawidłowego funkcjonowania mostka tensometrycznego 4. Ponadto, zamontowanie wewnątrz obudowy 2 termostatu z grzałką 10 pozwala na użytkowanie deszczomierza, według wynalazku, także w okresach przejściowego występowania spadków temperatur poniżej zera (wiosna, jesień), chroniąc jego konstrukcję przed zniszczeniem, a zwłaszcza przed zamarznięciem wody w elektrozaworze 9. Deszczomierz, według wynalazku, może być instalowany w miejsce klasycznych przyrządów pomiarowych, takich jak np. deszczomierze Hellmana, pluwiografy, telepluwiografy. Dla uzyskiwania precyzyjnych wyników pomiarów, podobnie jak w przypadku wcześniej wspomnianych instrumentów, deszczomierz umieszcza się w miejscu nieosłoniętym, najlepiej na otwartej przestrzeni. Z uwagi na stosunkowo niewielką masę może być przenoszony na niewielkie odległości przez jedną osobę, po wcześniejszym odłączeniu go od źródła zasilania 15 oraz modułu rejestracji i przetwarzania danych 16. W celu rozpoczęcia prowadzenia rejestracji opadów należy ustawić deszczomierz, według wynalazku, we wcześniej obranym miejscu, dobrze osadzić go za pomocą trójnogu 14 w gruncie i wypoziomować. Następnie należy połączyć źródło zasilania 15 z mostkiem tensometrycznym 4, termostatem z grzałką 10 oraz modułem rejestracji i przetwarzania danych 16, co powoduje zainicjowanie pracy mikroprocesorowego układu sterującego 6. Układ ten otwiera na początku elektrozawór 9 dla wstępnego opróżnienie zbiornika wewnętrznego 3. Po krótkim czasie elektrozawór 9 zamknie się, a mikroprocesorowy układ sterujący 6 zacznie dokonywać odczytów sygnałów z mostka tensometrycznego 4 naklejonego na belce 5. Pierwszy odczyt uznaje się za poziom zerowy (tarowanie przyrządu). Później, co ściśle określony odcinek czasu, w sposób cykliczny mikroprocesorowy układ sterujący 6 dokonuje odczytów sygnałów z mostka tensometrycznego 4, które po wstępnej obróbce w jego pamięci są przesyłane w pakietach w postaci cyfrowego zapisu daty i czasu oraz odpowiadającej jemu warstwy opadu, wyrażonej w mm słupa wody, do modułu rejestracji i przetwarzania danych 16. Warstwa deszczu, która została zebrana i skoncentrowana przez wlot 1 oraz zatrzymana w zbiorniku wewnętrznym 3 powoduje ugięcie belki 5 wraz z nalepionym mostkiem tensometrycznym 4 i powstanie w nim sygnału elektrycznego. Sygnał ten jest ściśle proporcjonalny do przyrostu masy wody, a co za tym idzie do przyrostu warstwy opadu w czasie pomiaru. W module rejestracji i przetwarzania danych 16 są gromadzone i zapisywane otrzymywane oraz wstępnie przetworzone dane pomiarowe z mikroprocesorowego układu sterującego 6. Ponadto, w module rejestracji i przetwarzania danych 16 mogą być na bieżąco przetwarzane otrzymywane inne dane, np. możliwe jest obliczanie zbiorczej warstwy opadu, czasu jego trwania i jego całkowitego oraz chwilowego natężenia. Czas trwania cyklu pomiarowego, w zależności od potrzeb użytkownika, ustawia się w programie sterującym mikroprocesorowego układu sterującego 6. Sterujący układ mikroprocesorowy 6 stale monitoruje poziom sygnałów płynących z mostka tensometrycznego 4. W przypadku dużej wartości tego sygnału, świadczącego o znacznym wygięciu się belki 5 z powodu dużej masy zgromadzonej w zbiorniku wewnętrznym 3 wody, mikroprocesorowy układ sterujący 6 otwiera elektrozawór 9. Po zadanym czasie mikroprocesorowy układ sterujący 6 sprawdza poziom sygnału płynącego z mostka tensometrycznego 4. W przypadku, gdy jest on wciąż stosunkowo wysoki, co oznacza, że ze zbiornika wewnętrznego 3 nie odpłynęła całość wody, cała operacja jest powtarzana. Woda wypływająca przez otwarty elektrozawór 9 jest odprowadzana poza obudowę 2 przy pomocy wylewki 11 i elastycznego przewodu 12 oraz deponowana w podstawianym zbiorniku zbiorczym 13. Zgromadzona w zbiorniku zbiorczym 13 objętość wody może służyć obsłudze do zgrubnej oceny poprawności działania deszczomierza. W przypadku spadku temperatury powietrza poniżej 0 C wewnątrz obudowy 2, znajdujący się w niej termostat z grzałką 10 włącza automatycznie element grzewczy. Element ten ogrzewa wnętrze deszczomierza, chroniąc jego części przed uszkodzeniem przez zamarzającą wodę. Praca elementu grzewczego jest wstrzymywana przez termostat po osiągnięciu dodatniej temperatury powietrza wewnątrz obudowy 2. Czas rozpoczęcia i zakończenia cyklu grzewczego jest zapisywany w pamięci modułu rejestracji i przetwarzania danych 16. Zakończenie pomiarów odbywa się przez aktywację odpowiedniej komendy w mikroprocesorowym układzie sterującym 6 lub też przez odłączenie źródła zasilania 15.

5 PL B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Deszczomierz posiadający wlot usytuowany w górnej części obudowy, w której znajduje się termostat z grzałką oraz wyposażony w zespół ważący zbiornik na wodę, który ma połączenie ze zbiornikiem zbiorczym, znamienny tym, że elementem ważącym jest zespół zawierający mostek tensometryczny (4) a pomiędzy zbiornikiem wewnętrznym (3) i zbiornikiem zbiorczym (13) usytuowany jest elektrozawór (9), przy czym elektrozawór (9) i mostek tensometryczny (4) połączone są przewodowo przez mikroprocesowy układ sterujący (6) z modułem rejestracji i przetwarzania danych (16) oraz ze źródłem zasilania (15). 2. Deszczomierz, według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrozawór (9) zamocowany jest na ujściu (8) zbiornika wewnętrznego (3) i usytuowany jest nad wylewką (11), która elastycznym przewodem (12) połączona jest ze zbiornikiem zewnętrznym (13). 3. Sposób pomiaru ilości opadu deszczu, w którym ilość opadu określa się metodą wagową w sposób ciągły, znamienny tym, że rejestrację zmian warstwy opadu deszczu określa się mostkiem tensometrycznym (4) przekazującym sygnały do modułu rejestracji i przetwarzania danych (16) oraz rejestruje się rzeczywisty czas trwania opadów atmosferycznych i zmiany masy zbiornika wewnętrznego (3) wypełnianego zmienną w czasie ilością wody do niego dopływającej podczas trwania opadów atmosferycznych i okresowe jego opróżnianie, przy czym napełnianie i opróżnianie zbiornika wewnętrznego (3) kontroluje się zaprogramowanym mikroprocesorowym układem sterującym (6). 4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że rejestrację zmian warstwy opadu deszczu prowadzi się przy jednoczesnej kontroli temperatury powietrza wewnątrz obudowy (2). Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.