CN101782662B - 具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计，涉及一种水文仪器。它包括承雨口组件、泄水漏斗、翻斗、支架、调倾角装置、调水平装置等。其特征在于：在固定分水板的上方设置双稳态翻板，所述的双稳态翻板由左夹板和右夹板与活动分水板三者连接组成，活动分水板的下端设置分水板轴，分水板轴通过双稳态翻板支承与固定分水板上端连接，双稳态翻板的两侧设置左、右限位杆，左、右限位杆固定在支架上。双稳态翻板的重心在分水板轴心线的上方，活动分水板与固定分水板之间设置拉簧。自动翻板机构能自动改变翻斗翻水延迟角、缩短承水斗降水切换延迟时间，减小翻斗测量误差，进而提高仪器测量精确度。

Description

具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计

技术领域

本发明涉及一种水文仪器，具体涉及一种具有双稳态翻板机构的高精度翻斗式雨量计。

背景技术

公知的翻斗雨量计的构造及技术要求从国家标准GB/T11832-2002《翻斗式雨量计》已知，它包括承雨口组件、泄水漏斗、支架、翻斗、翻斗轴支承、调倾角装置、调水平装置、干簧管、排水漏斗、底座、外筒等。其中翻斗包括左斗、右斗、固定分水板、翻斗轴、两个永磁体、配重柱。翻斗宽度约为15～40mm，泄水漏斗垂直安装在支架顶端的正中心位置上、其中心线与翻斗的轴心垂线相重合，其出水口至翻斗轴之间的高度约为40～60mm，固定分水板的顶端与泄水漏斗出水口之间的高度不大于5mm，翻斗倾角为α的大小与翻斗的容量有关，0.1mm～1mm容量的翻斗其倾角α一般在10°～30°之间，其自身重量均大于10g、小于100g。降水时雨水经承水口组件进入泄水漏斗，沿泄水漏斗垂直向下泄入翻斗中。泄流水柱的直径约为3mm，当翻斗中的水达到约定容量V₀时，翻斗将即刻发生翻转，翻斗上的永磁体便会掠过干簧管，使干簧管输出一个通断开关量信号，随后降水泄入另一个承水斗。当另一个翻斗中水量再次达到约定容量时，翻斗再次翻转，干簧管输出一个信号。依此类推，实现降雨量的测量。

GB/T11832-2002《翻斗式雨量计》标准规定了翻斗式雨量计的准确度检测标准规定，雨强范围在0.4～4mm/min内时，0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm四种分辨力的翻斗式雨量计的测量误差均应≤±4％。

翻斗式雨量计的优点是：构造简单，可靠性高，造价低，输出信号为通断开关量信号，工作时无需外接电源，使用维护方便。翻斗式雨量计发明已经一百余年，至今仍然是世界上采用量最大的一种雨量计，其装备量份额约占到所有雨量计总份额的95％以上。

翻斗式雨量计的测量误差限±4％，远大于其它水文、气象仪器的测量误差。究其原因与其本身的构造、工作原理密切相关。测量误差产生大的原因，从解析翻斗雨量计的构造、原理及其翻水过程可知：翻斗翻水周期可以划分为三个阶段：

第一阶段是翻斗水满后，翻斗从静止位置开始翻转至固定分水板到达泄流水柱直径外边缘降水切换临界位置点W₁所跨越的角度称为翻水延迟角ω_y，对应于固定分水板跨越翻水延迟角ω_y所需的翻水时间称为翻水延迟时间T_y。

第二阶段是固定分水板自降水切换临界位置点W₁跨越泄流水柱迴转至泄流水柱另一侧边缘降水切换临界位置点W₂所迴转的角度称为翻水渡越角ω_d，翻水渡越角ω_d的角度大小等于两个降水切换临界点W₁、W₂之间的泄流水柱的直径约3mm弧长所对应的弧度角量值3.5°，对应于固定分水板跨越翻水延迟角ω_d的时间称为翻水渡越时间T_d。在已知技术中翻水延迟角ω_y的大小与翻斗固有倾角α的大小相关即：ω_y＝α-ω_d/2；在翻水延迟时间段T_y内的降水量ΔV_y全部泄入到本斗中，并且在翻水渡越时间段T_d内仍有一部分降水量ΔV_d依然落入本斗中。

第三阶段是自翻斗固定分水板跨越翻水渡越角ω_d之后的后半个周期内降水才全部落入到另一个承水斗中。从上述过程可知，在T_y、T_d时间段内的降水量ΔV_y、ΔV_d并未被计入到翻斗约定容量V₀之内，该部分降水量ΔV_y、ΔV_d即为翻斗一次翻水的绝对测量误差量值，其计算公式为：

ΔV_y＝Q×T_y，ΔV_d＝Q×T_d，(式中Q为为雨强，单位为mm/min)

从以上解析可以得出结论：已知技术翻斗雨量计的翻斗在翻水过程中必须先渡越翻水延迟角ω_y再渡越翻水渡越角ω_d后才能完成承水斗之间的降水切换任务，因此产生了较大的测量误差，这是已知技术无法克服的缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计，该方案能够保留已知翻斗雨量计的构造简单、可靠性高、造价低、工作时不耗电等优点，增加一个双稳态翻板，有效地减小雨量计的测量误差，提高仪器的测量准确度。

本发明是以如下技术方案实现的：一种具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计包括：底座、外筒、承雨口组件、泄水漏斗、支架、翻斗、排水漏斗和限制翻斗倾斜角度的调倾角装置，还包括调水平装置、和千簧管；所述的翻斗中部设置固定分水板，固定分水板将翻斗分割成相互对称的左斗和右斗，翻斗上还设置配重柱；其特征在于：在固定分水板的上方设置双稳态翻板；所述的双稳态翻板由左夹板、右夹板和活动分水板三者连接组成，活动分水板的下端设置分水板轴；所述的分水板轴通过双稳态翻板支承与固定分水板上端连接；双稳态翻板的两侧设置左限位杆和右限位杆；所述的左、右限位杆上端固定在支架上。

所述的左夹板和右夹板形状尺寸相同，且对称于活动分水板的两侧。

所述的双稳态翻板的重心在分水板轴轴心线的上方。

所述的活动分水板与固定分水板之间设置拉簧。

所述的活动分水板上端制作刃口。

本发明的积极效果是：无论雨量计翻斗的倾角α是10°还是30°，双稳态翻板在翻水过程中，只需跨越约3.5°的翻水渡越角ω_d即可完成承水斗之间的降水切换。而已知技术的翻斗翻水必须先跨越翻水延迟角ω_y后再跨越3.5°的翻水渡越角ω_d才能完成承水斗之间的降水切换。对于0.1～1.0mm的翻斗而言，其逥转角ω_y+ω_d之和的量值为11.75°～31.75°。翻斗一次翻水产生的绝对误差量值远小于已知技术翻斗一次翻水产生的绝对误差量值ΔV_y+ΔV_d。

综上所述，本发明方案保留了已知技术的优点又克服了已知技术的缺点和不足之处，且在不改变外界雨强的条件下以改变翻斗翻水延迟角ω_y、缩短降水切换时间的方法减小了翻斗式雨量计的测量误差、提高了仪器的测量准确度。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的A处局部放大图。

图4是图2的B处局部放大图。

图5是双稳态翻板上拉簧安装示意图。

图中：1、承雨口组件，2、泄水漏斗，3、支架，4、翻斗，4-1、左斗，4-2、右斗，4-3、固定分水板，4-4、翻斗轴，4-5、配重柱，5、翻斗轴支承，6、调倾角装置，7、调水平装置，8、干簧管，9、排水漏斗，10、底座，11、外筒，12、双稳态翻板支承，13、固定销，14、双稳态翻板，14-1、分水板轴，14-2、活动分水板，14-3、左夹板，14-4、右夹板，15、左限位杆，16、右限位杆，17、拉簧。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示：一种具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计包括：底座10、外筒11、承雨口组件1、泄水漏斗2、支架3、翻斗4、排水漏斗9和限制翻斗倾斜角度的调倾角装置6，还包括调水平装置7、和千簧管8；所述的翻斗4中部设置固定分水板4-3，固定分水板4-3将翻斗4分割成相互对称的左斗4-1和右斗4-2，翻斗4上还设置配重柱4-5；其特征在于：在固定分水板4-3的上方设置双稳态翻板14；所述的双稳态翻板14由左夹板14-3、右夹板14-4和活动分水板14-2三者连接组成，活动分水板14-2的下端设置分水板轴14-1；所述的分水板轴14-1通过双稳态翻板支承12与固定分水板4-3上端连接；双稳态翻板14的两侧设置左限位杆15和右限位杆16；所述的左、右限位杆15、16上端固定在支架3上。

所述的左夹板14-3和右夹板14-4形状尺寸相同，且对称于活动分水板14-2的两侧。

所述的活动分水板14-2与固定分水板4-3之间设置拉簧17。本实施例中拉簧17上端安装在在活动分水板14-2下端，且位于分水板轴14-1以上的部位，拉簧17下端安装在固定分水板4-3的上端。

所述的活动分水板14-2上端制作刃口。本实施例中双稳态翻板14顶端锥形刃口位于降水切换临界点位置；左、右夹板14-3、14-4的末端为限位点。

本实施例中固定分水板4-3的高度改变为高于左、右斗4-1、4-2水满时水位高度，且低于泄水漏斗出水口以下10～30mm范围。

本实施例中的工作过程为：当左斗4-1位于静态承水位置时，活动分水板14-2的顶端刃口位于翻水渡越角ω_d与翻水延迟角ω_y相交汇的降水切换临界位置点。在该位置点上双稳态翻板14在自身重力的作用下或在拉簧17牵引力的作用下，始终向左保持摆幅角稳态位置不变，此时的降水一直泄入左斗4-1中。当翻斗水满开始翻水时，双稳态翻板14的活动分水板14-2跟随固定分水板4-3运动，其顶端刃口将无延时的从该临界点位置开始逥转并渡越过翻水渡越角ω_d，完成翻斗承水斗之间的降水切换任务。

此后活动分水板14-2跟随固定分水板4-3继续向左翻动、在固定分水板4-3越过泄流水柱后的下半个周期内，活动分水板14-2触碰到左限位杆15的限位端点后，在限位杆反作用力的驱动下，活动分水板14-2开始反向逥转，待翻斗翻水结束、右斗4-2位于承水静态位置时，活动分水板14-2顶端刃口也自动逥转到降水切换临界位置点上，双稳态翻板14在其自身重力或者在其拉簧17向下牵引力的作用下，始终保持最大向右摆幅角稳态位置不变，这时降水一直泄入右斗4-2，当右斗4-2水满开始翻水时，双稳态翻板14将反方向重复上述翻水过程。翻斗翻水时无需再跨越翻水延迟角ω_y、只要跨越翻水渡越角ω_d就能再次完成翻水任务。待右斗4-2翻水结束后，活动分水板14-2的顶端刃口再次恢复到临界渡越点位置。依此类推只要降水不停翻斗翻水一直反复的重复上述过程直至降水结束。

上述过程中双稳态翻板14反方向逥转的推动力，是来源于翻斗4承水斗承接降水所积蓄的势能，该势能在翻水时转变为动能。而翻斗4自身的重量远大于双稳态翻板14的重量，当双稳态翻板14与左、右限位杆15、16端点触碰后，所产生的反作用力足以克服双稳态翻板14的逥转静态阻力使其逥转至反方向最大摆幅角稳态位置。

综上所述，具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计在翻斗翻水过程中，在不消耗外部能源的情况下自动地改变活动分水板的位置，使活动分水板14-2的刃口在翻斗位于静态位置时始终处于降水切换临界点位置，并在下一次翻水过程中有效地缩短降水切换时间，从而减小仪器测量误差，提高仪器测量准确度。

Claims (5)

1.一种具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计，包括：底座(10)、外筒(11)、承雨口组件(1)、泄水漏斗(2)、支架(3)、翻斗(4)、排水漏斗(9)和限制翻斗倾斜角度的调倾角装置(6)，还包括调水平装置(7)、和千簧管(8)；所述的翻斗(4)中部设置固定分水板(4-3)，固定分水板(4-3)将翻斗(4)分割成相互对称的左斗(4-1)和右斗(4-2)，翻斗(4)上还设置配重柱(4-5)；其特征在于：在固定分水板(4-3)的上方设置双稳态翻板(14)；所述的双稳态翻板(14)由左夹板(14-3)、右夹板(14-4)和活动分水板(14-2)三者连接组成，活动分水板(14-2)的下端设置分水板轴(14-1)；所述的分水板轴(14-1)通过双稳态翻板支承(12)与固定分水板(4-3)上端连接；双稳态翻板(14)的两侧设置左限位杆(15)和右限位杆(16)；所述的左、右限位杆(15、16)上端固定在支架(3)上；

当左斗(4-1)位于静态承水位置时，活动分水板(14-2)的顶端刃口位于翻水渡越角ω_d与翻水延迟角ω_y相交汇的降水切换临界位置点；在该位置点上，双稳态翻板(14)在自身重力下或在拉簧(17)牵引力的作用下，始终向左保持摆幅角稳态位置不变，此时的降水一直泄入左斗(4-1)中；当翻斗水满开始翻水时，活动分水板(14-2)跟随固定分水板(4-3)运动，活动分水板(14-2)顶端刃口将无延时的从该临界点位置开始逥转并渡越过翻水渡越角ω_d，完成翻斗承水斗之间的降水切换；此后活动分水板(14-2)跟随固定分水板(4-3)继续向左翻动、在固定分水板(4-3)越过泄流水柱后的下半个周期内，活动分水板(14-2)触碰到左限位杆(15)的限位端点后，在限位杆反作用力的驱动下，活动分水板(14-2)开始反向逥转，待翻斗翻水结束、右斗(4-2)位于承水静态位置时，活动分水板(14-2)顶端刃口也自动逥转到降水切换临界位置点上，双稳态翻板(14)在其自身重力或在拉簧(17)向下牵引力的作用下，始终保持最大向右摆幅角稳态位置不变，这时降水一直泄入右斗(4-2)，当右斗(4-2)水满开始翻水时，双稳态翻板(14)将反方向重复上述翻水过程。

2.根据权利要求1所述的具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计，其特征在于：所述的左夹板(14-3)和右夹板(14-4)形状尺寸相同，且对称于活动分水板(14-2)的两侧。 

3.根据权利要求1所述的具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计，其特征在于：所述的双稳态翻板(14)的重心在分水板轴(14-1)轴心线的上方。

4.根据权利要求1所述的具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计，其特征在于：所述的活动分水板(14-2)与固定分水板(4-3)之间设置拉簧(17)。

5.根据权利要求1所述的具有双稳态翻板机构的翻斗式雨量计，其特征在于：所述的活动分水板(14-2)上端制作刃口。 

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