CN101295029A - 双桶双虹吸称重雨量计 - Google Patents

Abstract

本发明为用于降水量观测的一种双桶双虹吸称重雨量计。该雨量计包括小承水桶1、称重计2、推管拐3、支撑弹簧4、虹吸管5、大承水桶6、称重计7、虹吸管8、弹簧固定端12、弹簧13、挡管支架14和虹吸管导槽15。其特征在于推管拐3能够随着小承水桶1内雨水的增加和减少而上下浮动，以触发大承水桶6的虹吸过程。雨量计设置有迟滞距离以确保大承水桶和小承水桶不会同时发生虹吸。小承水桶1虹吸之前，降雨量由单位时间内称重计2的计量增量确定。小承水桶1虹吸过程中，降雨量由单位时间内称重计1和称重计2的计量总和的增量决定。本发明结构简单，成本低廉，可靠性高，计量精度高并具有绝对实时性，可广泛应用于水文和气象领域的降水观测。

Description

双桶双虹吸称重雨量计

技术领域

本发明涉及一种用于降水量检测的雨量计，尤其是能够连续不间断高精度检测的具有双桶双虹吸结构特征的新型称重式雨量计。

背景技术

降水观测是气象和水文观测的重要内容，也是很多领域科学研究的焦点。大范围降水的时空分布数据是构成全球降水数据库的重要内容，也是验证全球环流模式的一项重要信息，而区域性降水数据则是分析诊断该区域气候系统变异的基本信息。雨量实时数据是大气科学研究以及台风期间防灾信息的主要来源，其所构成的雨量观测网空间密度，能够为灾害性天气防治、水资源规划，以及常态与季节性的降水特征分析等提供丰富的数据。

降水量是用来衡量降水多少的一个概念，气象观测规范中规定：降水量指从天空中降落到地面上的液态或固态(经融化后)降水，未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，通常以毫米为单位。降水量可以用雨量器来测量，也可以用雨量计来记录雨势的变化和雨量的大小。降雨量测定的仪器主要有雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计、电容式雨量计、超声波雨量计及称重式雨量计等，其中以虹吸式雨量计和翻斗式雨量计最为常见。

雨量器包括雨量筒和雨量杯两部分。雨量筒是一个金属圆筒，分为上下两部分：上部分带有一个漏斗，下部分内装一只储水瓶。降雨时，雨水经过漏斗流到瓶子里。观测时，把瓶里的水倒在特制的雨量杯内(雨量杯的口径和它的数量单位要跟雨量筒的口径保持一定比例)，根据杯上的刻度就可以知道降雨量。冬季降雪时，把漏斗和储水瓶取走，直接用承雪口和储水筒容纳降水。测定降水量时，把储水筒取出带到室内，待筒内的雪融化后，倒在量杯里，再读取降水量数字。雨量器的特点在于测定降水总量，不足之处在于不具有实时性，做不到自动测量。

常见的虹吸式雨量计由承水器、浮子室(包括浮子和虹吸管等)、自记钟、铁制圆筒形外壳等4部分组成。承水器的口部呈圆筒形，底部呈圆椎形(漏斗状)，中间有一个小圆孔，装在圆筒形外壳的顶部。浮子室和自记钟均装在铁皮外壳内，有一金属管与承水器的漏斗相连，使雨水能直接流入浮子室。浮子室内有一浮子，其上固定一金属直杆，直杆的顶端从浮子室伸出。直杆上连接一只自记笔，用以在自记钟钟筒所卷的自记纸上进行记录。其工作原理如下：下雨时，雨水从承水器流入浮子室，浮于室中的水位便逐渐升高，浮子跟着上升，与浮子相连的笔杆也随之上升。在自记钟筒的转动下，笔尖就在以雨量和时间为坐标的自记纸上划出连续的降雨量变化曲线。当浮子室中的水位达到一定高度后，水就通过虹吸管迅速然走，完成一次虹吸过程。此时，浮子下降，笔尖回到起始位置，重新记录雨量。雨水一次次充满浮子室，虹吸管。一次次把水排走，笔尖就一条条地在自记纸上划出线条。一根据这些线条，就可以知道任何一段时间的总雨量和降水强度了。虹吸式雨量计能够实时进行观测和记录降雨量，但是雨强比较小的时候，自然虹吸点附近易发生“滴漏”现象，此外虹吸发生时会因为降雨“流失”造成雨量数据空白，有发明提出了通过自然虹吸点附近强制虹吸消除“滴漏”现象的电子虹吸式雨量计(200710022618.8)，但是对于虹吸期间的雨量数据空白仍没有有效的对策和技术方案。

翻斗式雨量计在降雨时由上方的承雨口承接降水，经引水管导入翻斗，当降雨量达到雨量计的翻斗容量时，翻斗翻转，带动磁钢翻转，触发干簧管开关，产生一个脉冲信号送入数据采集器，采集器接受脉冲信号，进行累计，如此不断重复，从而达到连续、长期的测量、记录降水过程的目的。翻斗式雨量计的不足之处在于当雨量较大时，降水冲击力会导致翻斗提前翻转，从而造成记录量偏大，而且降雨越强，误差越大。安装调试时桶体歪斜有可能造成左右翻斗的翻转量不一致，从而产生调试产生的人为误差。此外，翻斗内的泥沙如不能及时清除，也会影响翻斗的计量误差。

雷达式雨量计通过发射机产生高频脉冲，由天线集成无线电波束，按一定方向间隙地发射出去。天线不断旋转，波束扫过空间遇到目标时一部分反射回来，由被天线接受。从而根据电波往返时间、天线方位等确定目标的距离、方位和高度。雷达雨量计观测的雨量通常是上空1～4km左右的空间雨滴粒子群，这种粒子群在整个降雨过程中降到地面同时又有新的粒子群生成，因此，能够通过上空目标体积的雷达发射因子来推算地面降雨强度。影响雷达雨量计观测精度的因素较多，因而误差较大，通常只能定性地反映降雨强度。

电容式雨量计在承水桶内设置有两个极板，降水过程发生时，极板之间的水体增加，电容也会因此发生改变。电容式雨量计原理和结构都很简单，而且反应灵敏，但稳定性较差，当环境温度、湿度改变，或者环境电场发生改变时，都会引起电容参数的漂移，造成不准确。就降水过程而言，温度是个独立也是相对稳定的被测量，而两极板之间的湿度却受其他因素(大气压强、温度、气流)的影响。当湿度发生改变时，极板之间介质的介电常数发生变化，电容量也随之变化。

超声雨量计通过超声原理测量承水桶内的液位，称重式雨量计通过重量计量获取降雨量数据，两者精度均较高，但其雨量记录的实时性是相对的，承水桶内水满后，排水期间的降雨量检测不具有绝对实时性。

上述雨量计，除虹吸雨量计和雷达雨量计外，其致命的缺点还在于排水过程均需要依赖电磁阀，由于电磁阀故障率相对较高，因而雨量计的可靠性也会显著下降。此外，驱动电磁阀所需要的功率较大，这对于野外放置的雨量计也是不合适的。

发明内容

技术问题：本发明的目的针对现有雨量计排水期间雨量记录不具有绝对实时性、排水需要电磁阀及功耗较大等问题，提供一种双桶双虹吸称重式雨量计，该雨量计综合了虹吸雨量计不需要电磁阀的虹吸排水优点和称重雨量计精度较高的优点，并采用双桶双虹吸结构，可有效解决现有雨量计虹吸和排水期间不能实时记录雨量的问题。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用级联的上下位放置的双桶双虹吸结构，每个承水桶体下方均置有称重传感器，以获取该桶体和承水桶内雨水的总重量。没有虹吸现象发生时，单位时间内降水量等于上方承水桶内雨水的增量，有虹吸发生时，单位时间内降水量等于上方和下方两个承水桶内雨水总的增量。

本发明最为显著的技术特征在于，为避免两个桶同时发生虹吸导致的计量误差，采用了特殊的机械结构，以确保双桶不能同时发生虹吸过程。

有益效果：本发明双桶双虹吸雨量计可以很好地克服现有雨量计在实际使用中存在的排水期间雨量计量、不具有绝对实时性、排水需要电磁阀及排水功耗较大等困难，从而为降雨量计量提供一个新型的高精度高可靠性的雨量计。

本发明为原创性、具有自主知识产权的创新产品，具有广阔的市场前景，目前国内外均无双桶双虹吸雨量计产品及专利成果。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。其中有小承水桶1、小桶称重计2、推管拐3、支撑弹簧4、虹吸管5、大承水桶6、大桶称重计7和虹吸管8。图中9为小承水桶1虹吸水位，10为大承水桶虹吸水位，11为推管拐3作用下大承水桶不发生虹吸的最高水位，16为虹吸管处于D位置时的虹吸水位。

图2是推管拐3向下推动虹吸管8使大承水桶提前发生虹吸的结构示意图。其中有推管拐3、虹吸管8、弹簧固定端12、弹簧13、挡管支架14和虹吸管导槽15。图中A为推管拐3接触到虹吸管8的位置，B为虹吸管8从推管拐3下方滑出的位置，C为小承水桶1作用下推管拐3达到的下限位置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

图1为本发明提供的双桶双虹吸雨量计的原理示意图，图2是推管拐3向下推动虹吸管8使大承水桶提前发生虹吸的结构示意图。在结构上本发明由小承水桶1、称重计2、推管拐3、支撑弹簧4、虹吸管5、大承水桶6、称重计7、虹吸管8、弹簧固定端12、弹簧13、挡管支架14和虹吸管导槽15组成。

图1中，小承水桶1置于称重计2上方并与称重计2相连，称重计2称得的重量为小承水桶1和其内部雨水的总重量，虹吸管5一端与小承水桶1相连，另一端位于大承水桶6上方并与大承水桶相连，推管拐3位于称重计2下方并与称重计2的底座固定在一起，小承水桶1、称重计2、虹吸管5和推管拐3作为一个整体置于支撑弹簧4上，支撑弹簧4的另一端固定在整个雨量计装置的底座上，随着小承水桶1内雨水的增加，支撑弹簧4被压缩，推管拐3会因此而下行，9为小承水桶1发生虹吸现象时的水位，与推管拐3能达到的下限位置C相对应。10为大承水桶发生虹吸现象时的水位，11为推管拐3作用下大承水桶不发生虹吸的最高水位，推管拐3向下推动虹吸管8的时候，大承水桶5雨水如果超过该水位，则会发生虹吸现象，从而将大承水桶内的雨水排空。图2中A为推管拐3刚开始接触到虹吸管8的位置，也是虹吸管8的上限位置，B为虹吸管8从推管拐3下方滑出的位置，也是虹吸管8的下限位置，A和B之间的距离h₀是虹吸管的行程范围，C为承水桶1作用下推管拐3达到的下限位置，B和C之间的距离h₁是大承水桶5虹吸和小承水桶1虹吸之间的迟滞距离，该迟滞距离内无论大承水桶6还是小承水桶1均不会发生虹吸现象，迟滞距离可以确保大承水桶6和小承水桶1同时发生虹吸，从而导致雨量计量误差。

降雨过程发生时，雨水首先通过图1上方的漏斗型承雨口(图中虚线)承接降水，经引水管导入小承水桶1，小承水桶下方的称重计2会实时地对当前的小承水桶及其内部的雨水的总重量进行计量，在小承水桶内的雨水不足以触发虹吸现象之前，一定时间内称重计2称得的重量增量即为该时间段内的降雨量。

随着降雨过程的延续，小承水桶内1的雨水不断增加，小承水桶1、称重计2和下方的推管拐的总重量也不断增加，并因此克服支撑弹簧4的支撑力下行，当小承水桶内雨水足够多时，推管拐3将下行到图2中的位置A并接触到大承水桶6的虹吸管8，开始推动虹吸管8凸起的部位下行。虹吸管8是一个弹性很好的柔性软管，推管拐对虹吸管8的推动不会把力量传递到大承水桶上，所以不会导致称重计7的计量误差。

推管拐3推动虹吸管8下行到达位置B的过程中，如果大承水桶内的水位在(不发生虹吸的最高)水位11上方，则会触发一次虹吸过程，从而将大承水桶内的雨水排空。无论大承水桶虹吸过程是否发生，推管拐3到达位置B后，虹吸管8都会在弹簧13的作用下快速上行至位置D，并停留在D处。

随着小承水桶1内雨水的进一步增多，推管拐3将继续下行至位置C，此时，小承水桶1内水位将达到虹吸水位9，从而触发一次虹吸过程，将小承水桶1内的雨水排空。

推管拐3从位置B下行至位置C的距离为迟滞距离。为确保小承水桶6和小承水桶1不会同时发生虹吸过程，该迟滞距离h₁应大于最强降雨时小承水桶1的下行速度V乘以大承水桶6的虹吸过程消耗的时间t。

推管拐3由位置B下行至位置C的过程中，由于大承水桶6已经预先排空，并且虹吸管8已经上行至位置D，而与虹吸管位置D对应的大承水桶虹吸水位为16，所以大承水桶将不会有虹吸过程发生。为确保小承水桶1虹吸过程中，大承水桶6不会触发虹吸过程，不发生虹吸的最高水位11与位置D对应的大承水桶虹吸水位16之间的容积应大于小承水桶的容积，即小承水桶1虹吸过程之后，大承水桶6的水位应低于位置D对应的大承水桶虹吸水位16。

小承水桶1虹吸过程发生之前，降雨量由单位时间内小承水桶1内的雨水增量，即称重计2的计量增量决定。小承水桶1虹吸过程中，降水流入到小承水桶1内的同时，又有雨水流入到大承水桶6内，所以该过程中的降雨量由单位时间内称重计1和称重计2的计量总和的增量决定。

小承水桶1虹吸过程之后，小承水桶1、称重计2和推管拐3在支撑弹簧4的作用下重又回到最上方，并伴随降水过程的继续不断重复上述过程。

上述实施例表明，本发明综合了虹吸雨量计不需要电磁阀的虹吸排水优点和称重雨量计精度较高的优点，并通过采用双桶双虹吸结构，有效解决了现有雨量计虹吸或强制排水期间不能实时记录雨量的问题，降雨量的计量可以做到绝对实时性。

本发明为原创性、具有自主知识产权的创新产品，且结构简单，成本低廉，可靠性高(无电磁阀)，雨量计量精度高并具有绝对实时性，目前国内外均无双桶双虹吸雨量计产品及专利成果。本发明可广泛应用于水文和气象领域的降水观测，具有非常广阔的市场前景，社会效益和经济效益显著。

Claims (8)

1、一种双桶双虹吸称重雨量计，其特征在于该雨量计装置包括小承水桶1、称重计2、推管拐3、支撑弹簧4、虹吸管5、大承水桶6、称重计7、虹吸管8、弹簧固定端12、弹簧13、挡管支架14和虹吸管导槽15。其中，小承水桶1位于称重计2上方并与称重计2相连，虹吸管5一端与小承水桶1相连，另一端位于大承水桶6上方并与大承水桶相连，推管拐3位于称重计2下方并与称重计2的底座固定在一起，小承水桶1、称重计2、虹吸管5和推管拐3作为一个整体置于支撑弹簧4上，支撑弹簧4的另一端固定在整个雨量计装置的底座上；虹吸管8与大承水桶6相连，并作为一个整体置于称重计7上方。

2、根据权利要求1所述的双桶双虹吸称重雨量计装置，其特征在于小承水桶1、称重计2、虹吸管5和推管拐3是作为一个整体置于支撑弹簧4上。支撑弹簧4的另一端固定在整个雨量计装置的底座上，随着小承水桶1内雨水的增加和减少，支撑弹簧4被压缩和释放，小承水桶1、称重计2、虹吸管5和推管拐3作为一个整体能够因此而上下浮动。

3、根据权利要求1所述的双桶双虹吸称重雨量计装置，其特征在于小承水桶1虹吸过程中排放的雨水通过虹吸管5排放到大承水桶6中。

4、根据权利要求1所述的双桶双虹吸称重雨量计装置，其特征在于随着降雨过程的继续，推管拐3由位置A推动虹吸管8向下至位置B的过程中，大承水桶5内雨水如果超过不发生虹吸的最高水位11，则会触发虹吸现象，从而将大承水桶内的雨水排空。

5、根据权利要求1所述的双桶双虹吸称重雨量计装置，其特征在于随着降雨过程的继续，推管拐3由位置B推动虹吸管8向下至位置C的过程中，大承水桶5由于已经预先发生虹吸过程或雨水未超过不发生虹吸的最高水位11，将不会发生虹吸过程。

6、根据权利要求1所述的双桶双虹吸称重雨量计装置，其特征B和C之间的迟滞距离h₁大于最强降雨时小承水桶1的下行速度V乘以大承水桶6虹吸过程消耗的时间t，以避免大承水桶6和小承水桶1同时发生虹吸导致的雨量计量误差。

7、根据权利要求1所述的双桶双虹吸称重雨量计装置，其特征在于小承水桶1虹吸过程发生之前，降雨量由单位时间内小承水桶1内的雨水增量，即称重计2的计量增量决定。

8、根据权利要求1所述的双桶双虹吸称重雨量计装置，其特征在于小承水桶1虹吸过程中，由于降水流入到小承水桶1内的同时，又有雨水流入到大承水桶6内，该过程中的降雨量由单位时间内称重计1和称重计2的计量总和的增量决定。

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