JP5675853B2 - 大気水象を検出するデバイスの検出器表面を較正又は試験するための方法並びに較正及び試験デバイス - Google Patents

Description

本発明は、大気水象を検出する測定デバイスに関連して、請求項１のプリアンブルによる、較正又は試験する方法に関する。

本発明はまた、大気水象を検出するセンサーのための、請求項１０による、較正又は試験装置に関する。

本発明が関連する解決策は、種々の形態（特に水及びひょう）にある水を測定するセンサーに関しており、そのセンサーは、大気水象が検出器表面に衝突するときに生成される機械的インパルスを検出することに基づく。センサーによって生成される情報は、降水量、降水強度、降水タイプ、滴サイズ分布、降水の運動エネルギー、又は大気水象によって生成されるインパルスから計算することができる何らかの他の変数とすることができる。検出器表面に衝突する大気水象を即座に検出するセンサー及び方法は、例えば本出願人の以前の特許の特許文献１に開示されている。

従来技術によれば、測定デバイスの検出器表面は、機械的方法を使用して、換言すれば、標準的なサイズのボール又はレバーストライカーを使用して標準的なインパルスを送ることによって較正される。これらの機械的解決策は、信頼性がなく誤差が生じやすい。

フィンランド特許第１１６４２４号

本発明は、機械的衝撃作用を、短い継続期間でかつ高い強度の電磁パルスで置換することに基づく。

本発明の１つの好ましい実施の形態によれば、電磁パルスはレーザーパルスである。

より具体的には、本発明による、大気水象を検出する測定デバイスの検出器表面を較正するための方法は、請求項１の特徴部で述べられるものによって特徴付けられる。

一方で、本発明による較正装置は、請求項１０の特徴部で述べられるものによって特徴付けられる。

かなりの利点が、本発明によって得られる。

以下では、本発明を、例を用いて、また、添付図面を参照して考察する。

本発明による較正測定デバイスを示す図である。 図１に示す較正測定デバイスとは異なる、本発明による較正測定デバイスを示す図である。 測定デバイスの検出器表面が受ける応力であって、放射パルスによって生成される熱膨張によって生成される応力を示す図である。 本発明の一実施形態による較正デバイスを示す図である。 本発明の第２の実施形態による較正デバイスを示す図である。 本発明による１つの測定信号をグラフで示す図である。

以下は、使用される参照符号及びそれらの関連する用語のリストである。

図１及び図２を見てわかるように、測定デバイス１は、水及びひょう等の大気水象２０を測定することを意図された検出器表面１０を備える。こうした測定デバイスの構成及び動作は、特許文献１の公報に詳細に記載されている。大気水象２０は、検出器表面１０に衝突すると、パルスを誘起し、このパルスは、測定デバイスの検出器３によって検出される。検出器のパルスデータに基づいて、測定電子機器２及び計算アルゴリズム４は、降水強度及び累積降水量を計算する。これに関して、降水強度は、単位時間当たりの降水の蓄積量（ｍｍ／ｈ）を指し、累積降水量は、平坦表面上の水の垂直深さ（ｍｍ）を指す。結果として、測定デバイス１から電気信号５が得られ、電気信号５は、測定される変数を示し、また、実際にはリアルタイムに生成される。

降水を受取る検出器表面１０は、硬質であり、測定デバイスのデバイス本体に取付けられる。取付け具は、完全に硬質とすることもできるし、Ｏリング又は対応する可撓性接続ピースを使用して実現することもできる。検出器３は、通常、検出器表面１０に固定される。計算は、登録されたパルス数か、振幅若しくは半値幅等のパルスの何らかの滴サイズ依存の特徴か、又は、それらの組合せに関する情報を利用することによって行われる。検出器表面１０は、平面状、円盤状、又はドーム状（キャップ表面）であり、水がその表面に集まらないように形作られる。検出器１０の表面積が大きいほど、より多くの滴２０が表面に衝突し、計算された降水量の統計的誤差が小さくなる。一方、検出器表面１０の面積が増加すると、より多くの衝突が起こるため、パルスが互いにオーバラップし、結果を解釈することがより難しくなる。実際には、検出器１０に適したサイズは、２０ｃｍ^２〜１５０ｃｍ^２であることが示されている。検出器１０はまた、幾つかの部品からなることができ、幾つかの部品のそれぞれに、滴２０によって生じる検出器表面１０の変形を測定する、それ自身の検出器３が取付けられる。検出器３として、例えば検出器表面１０に取付けられた力及び加速度センサー、検出器表面上の圧電ＰＶＤＦプラスチック膜等の圧力感応性膜、又はセラミック圧電膜を使用することが可能である。理想的には、検出器−表面−検出器−システムの応答は、パルスの振幅及び形状が滴２０の衝撃の場所に依存しないようになっている。すなわち、検出器表面は均質である。しかし、これは必須ではない。その理由は、不均質応答は、測定にランダム誤差しかもたらさず、ランダム誤差は、十分な長さの積分時間を用いることによって低減することができるためである。しかし、一般に、検出器３は、検出器表面上で検出器３によって検出される負荷から得られる情報を解析のために機械的に送信することができるようになっていなければならない。そのため、検出器３は、正確には、この意味で好ましい圧電膜並びに力センサー及び加速度センサーである。例えば、ピエゾ素子の場合、その電極は、検出器ケーシングの内部に配置される電子増幅器に接続することができる。雨滴２０又は他の大気水象が検出器表面１０に衝突すると、力が検出器表面１０に作用し、その力が、圧電素子３に転送され、圧電素子３にわたって誘起される電圧パルスが検出される。増幅された測定信号５、この場合電圧パルスは、例えば検出器ケーシングの底部を通って延びるケーブルを通じて、更なる処理のために転送することができる。

図３を見てわかるように、高いエネルギーの短いレーザーパルス１１は、検出器表面１０に送られると、急速な熱膨張によって機械的インパルス１２を誘起することになり、機械的インパルス１２の大きさは、検出器表面のピエゾセンサーによって測定することができる。

図４を見てわかるように、本発明による較正装置は、較正されるデバイスにインパルスを送る手段と、これによって生じる応答を測定する手段とを備える。一実施形態によれば、較正装置は、インパルスを生成する遠隔制御式パルスレーザー４３であって、電磁放射の所望のパルスを生成することができる、遠隔制御式パルスレーザー４３と、放射を収束させる手段とを含む。適したレーザー源は、例えば、１０６４ｎｍの波長、約５ｎｓのパルス継続期間、及び約４００ｍＪのパルスエネルギーを有するＮｄ−Ｙａｇタイプのパルスレーザーとすることができる。この種の多くのレーザー装置は、大量に市販されている。レーザーポイントは、ビームが検出器表面を損傷しないような電力密度を有するように選択されなければならない。

パルスレーザー４３は、収束手段を用いて、放射、すなわちレーザービームを、較正される測定デバイス１、特に測定デバイス１の検出器表面１０に送信するように構成される。こうした収束手段は、例えばパルスレーザー４３から到達する放射を測定デバイス１に向けて送るように構成されるプリズム４１とすることができる。一実施形態によれば、パルスレーザー４３の放射を測定デバイス１の検出器表面１０上に収束させるレンズ４０は、プリズム４１と測定デバイス１との間に取り付けられる。さらに、測定デバイス１は、好ましくは、別個のパーキングレベル４６の上部に取り付けられ、そのレベル上で、測定デバイス１は、特定のポイントを照射するために正確に移動することができる。パーキングレベル４６は、好ましくは、２方向に水平に移動できるいわゆるＸ−Ｙ平面である。

そのため、較正装置はまた、測定デバイス１の応答を測定する手段を備える。一実施形態によれば、応答を測定する手段は、エネルギー計４２及びエネルギー計４２に接続されたオシロスコープ４５を備え、オシロスコープ４５は更に、コンピューター４４に接続される。エネルギー計４２は、図４に示すように、プリズム４１を用いて、パルスレーザー４３によって送信される放射を測定するように構成される。必要である場合、エネルギー計４２はまた、エネルギー計４２が検出する放射に基づいてオシロスコープ４５にトリガー信号を送出するために使用することができる。一方、オシロスコープ４５は、測定デバイス１に接続され、パルスレーザー４３の放射によって生じる測定情報を測定デバイス１から受信するように構成される。オシロスコープは、測定デバイス１の測定情報を測定し、必要である場合、エネルギー計４２のトリガー信号にその測定情報をリンクする。最後に、オシロスコープ４５は、トリガー信号、すなわち特定のインパルスに割当てられた測定結果を、測定結果が解析されるコンピューター４４に送信する。コンピューター４４は、測定信号を解析するＬａｂＶＩＥＷプログラム等の信号処理プログラムを装備する。オシロスコープ４５の代わりに、ブロック４５は、トリガーパルス及び測定デバイス１からのその応答から組合せ信号を形成するものであれば、任意のデータ処理ユニット、その他いずれのものであってもよい。レーザー４３は、おおよそ一定の大きさのパルスを生成することができ、さらに、それらの強度は、デバイス４５を使用して確定することができるため、測定デバイス１は、デバイス４５から受信される応答に基づいて較正することができる。

本発明の一実施形態によれば、レーザーエネルギー計４２は、レーザーパルスのエネルギーレベルを制御し、必要であれば、パルスエネルギーが設定限界外に出る場合にアラームを送出する。高精度エネルギー計４２を、レーザーパルスによって生じるインパルスのリアルタイム較正のために使用することもできる。これは、レーザーパルスの測定エネルギーといわゆる参照パルスエネルギーとの商を形成することによって行われる。商は、センサーによって受信されるインパルスについての較正係数として使用される。例えば、所望の参照パルスエネルギーが４００ｍＪであり、これが、３００ｍＪのレベルまで落ちる場合、センサーによって検出されるインパルスは、４／３倍に補正されることになる。他の較正モデルを、上述した線形較正の代わりに使用することもできる。

一実施形態によれば、較正される測定デバイス１上にインパルスを収束させる手段は、安全キャビネット４７（図５）に入れられる。安全キャビネット４７は、好ましくは、ハイパワーレーザーパルスが環境内に漏れることを防止するようになっている。安全キャビネット４７は、較正室内で作業する人々を保護するために、測定デバイス１上に収束される放射を安全キャビネット４７内部に閉じ込めるように構成される。そのため、安全キャビネット４７は、レーザーエネルギー計４２と、プリズム４１と、実際の測定デバイス１とを閉囲する。

一実施形態によれば、較正装置は、電力構成要素を冷却する電力及び冷却システム５０を装備する。

図６によれば、レーザートリガー７１は、測定デバイス１において信号７０をもたらし、信号７０から、較正又は試験のために、例えば正の応答７２又は負の応答７５、ピークピーク値７３、又は代替的に、時間窓７４の平均値、公称値、又は周波数応答が測定される。

Claims (9)

1. 大気水象を検出する測定デバイス（１）の前記検出器表面（１０）を較正又は試験するための方法において、
   インパルスが、制御された方法で前記検出器表面（１０）上に収束され、
   前記測定デバイス（１）の前記検出器によって検出される、前記インパルスによって生じる前記応答が測定され、
   前記応答の前記測定値が前記ターゲット値と比較され、前記測定デバイス（１）の前記設定に対する前記必要とされる補正が解析され、
   前記測定デバイス（１）が前記解析に基づいて調整される、
   方法であって、
   短い継続期間の電磁放射パルス（７０）が前記検出器表面（１０）上に収束され、それにより、これが、前記検出器によって検出される前記検出器表面（１０）における熱膨張反応を生じさせることを特徴とする、大気水象を検出する測定デバイスの前記検出器表面を較正又は試験するための方法。
2. 前記放射はコヒーレント放射であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記放射はコヒーレントレーザー放射であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記放射は、レンズ（４０）によって前記検出器表面（１０）上に収束されることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記放射は、プリズム（４１）によって前記検出器表面（１０）に向けて送られることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記放射に基づいて、トリガー信号が、光検出器（４２）によって前記測定デバイス（１）の前記応答測定及び提示手段（４５）に与えられ、前記トリガー信号に基づいて、測定が開始されることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記測定結果は、前記応答測定手段（４５）との電気通信リンクに接続されるコンピューター（４４）を使用して解析されることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
8. 可動パーキングレベル（４６）に取付けられた前記測定デバイス（１）は、前記パーキングレベル（４６）を移動させることによって放射を受信するようにパーキングされることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
9. 放射パルス（７０）のエネルギーが測定され（４２）、前記測定結果が、前記試験又は較正の精度を高めるために使用されることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記載の方法。