CN101813793A - 一种数控式雨量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控式雨量计，包括用于承接雨水的承水器，与承水器连通的测试筒，设置在测试筒内、用于测量水位信息的传感器；传感器上端连接有测试杆，以及绕接有牵引绳索的滑轮，牵引绳索两端分别与测试杆上下端连接，由牵引绳索带动测试杆升降；步进电机同轴连接滑轮，带动滑轮转动；中心处理器，通过两根电缆与步进电机和传感器相连，以获取传感器测得的雨水水位信息，并对其进行处理、存储和显示，以及根据所测雨水水位信息控制步进电机。本发明利用单片机数控技术扩大量程，将分辨率提高到1‰，精确度误差提高到±1‰，实现不论雨量大小都能高精度的测量出实际降雨量，为气象、水文雨量测量提供方便。

Description

一种数控式雨量计

技术领域

本发明涉及气象、水文雨量测量，更具体地，涉及到一种数控式雨量计，用于实现高精度、大量程的雨量测量。

背景技术

目前全国范围的水文、气象雨量的测量普遍使用“翻斗式雨量计”，翻斗式雨量计历史悠久，属于解放前国外引进技术，数十年来虽有改进，基本原理及结构依旧，翻斗雨量计仅适用于中小雨量测量，微小雨量达不到翻斗重量翻斗不翻，雨量不计，大雨及暴雨测量精度较差，据专业人士评估其精度只达到60％，而且需要每年定期进行鉴定及维修，雨量测量是气象、水文要素，时隔60～70年之久，在当今科学应用技术高度发展时，还在普遍使用精度低、量程窄的翻斗雨量计实属不合理，所以，推出以现代科学应用技术实现的数控式雨量计，来替代翻斗雨量计，成为一项急需的任务。

发明内容

(一)要解决的技术问题

设计一种数控式雨量计，实现扩大量程、提高测量精确度、免除定期鉴定、维修，降低成本。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种数控式雨量计，将雨水模拟量，直接转换为数字量，以数控中心处理器单片机进行系统数据控制与测量，实现扩大量程以及较高的精确度及分辨率。所述数控式雨量计包括：承水器，设置为漏斗状，用于承接雨水；

测试筒，通过通水管与所述承水器连通，用于将所承接雨水导入测试筒内进行测量，所述测试筒的面积与承水器上端开口面积按比例设置，使自然降水量在测试筒内的上升动态扩大整数倍用于测量使用；

传感器，设置在所述测试筒内，用于测量测试筒内的水位模拟/数据转换，其上端连接有带动其随雨水量升降的测试杆；

滑轮，其上绕接有牵引绳索，牵引绳索一端与测试杆下端连接，另一端与测试杆上端连接，通过滑轮的转动由牵引绳索带动测试杆升降；

步进电机，与所述滑轮同轴连接，带动滑轮做步进/步退转动；

中心处理器，通过步进电机驱动电缆与所述步进电机相连，通过逻辑信号电缆与所述传感器相连，用于获取所述传感器测得的雨水水位逻辑信息，并对其进行处理、存储和显示，以及根据所测雨水水位信息控制步进电机执行驱动。

其中，所述通水管与测试筒之间设置有进排水三通电动阀，用于控制测试筒内被测雨水的进出，以使进水时，通水管与测试筒之间连通，排水时，测试筒与排水口连通。

其中，所述传感器下端并列设置有传感器第一探头和传感器第二探头，两个探头之间的高度差设置为2mm，所述传感器的两个探头用于浸入测试筒的被测雨水中，探测被测雨水的水位逻辑信息。

其中，所述中心处理器上设置有数码显示屏，所述数码显示屏设置有百、十、个、分四位LED数码显示，所述百、十两位为十进制累加计数，所述个、分两位为可逆计数，个位与分位LED数码管之间设置有小数点标示，用于直接显示实际被测雨水量。

其中，所述数码显示屏的计量单位为毫米。

其中，所述测试杆上设置有升降稳定滑轮，用于使测试杆稳定导向随雨水水位升降。

其中，所述测试杆设置为空心管，使逻辑信号电缆由其中心穿过与传感器相连。

其中，所述雨量计还设置有接地线，其上端连接中心处理器的电路地电位，下端与测试筒连接，使被测水体带电路地电位。

其中，所述中心处理器采用单片机系统作为中心处理控制系统，对接收到的雨水量逻辑信息进行处理，进行数据存储、显示，以及根据所处理的数据信息控制步进电机的步进/步退操作。

其中，所述中心处理器设置有标准数据输出接口，可外接外部存储或显示设备，通过所述输出接口将雨水测量过程及实时水位数据传送至外部存储或显示设备。

(三)有益效果

本发明提供的数控式雨量计充分利用单片机数控技术，扩大了量程，将分辨率提高到1‰，精确度误差提高到±1‰，实现由微雨量至大到暴雨均可测量，为气象、水文雨量测量提供一种高精度的测试仪器。

附图说明

图1是本发明数控式雨量计的结构示意图；

图2是本发明数控式雨量计模/数变换传感器产生的逻辑状态示意图。

其中：1：承水器；2：通水管道；3、进排水三通电动阀芯；4：进排水三通电动阀；5：传感器；5a：传感器第一探头；5b：传感器第二探头；6：中心处理器；7：步进电机；8：滑轮；9：牵引绳索；10：测试杆；11：升降稳定滑轮；12：逻辑信号电缆；13：步进电机驱动电缆；14：接地线；15：测试筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例提供的数控式雨量计，按照雨量计国家标准尺寸设置承水器1，承水器1的开口端内径设置为200mm，以承水器开口端面积缩小10倍设置雨水测试筒15的面积(即测试筒面积与承水器开口端面积比为1∶10)，自然雨水降至承水器，承水器接收雨水，通过通水管道2将雨水导入测试筒15内，测试筒水位上升动态较自然雨量扩大10倍，在通水管2与测试筒15之间安装了进排水三通电动阀4，控制测试筒15进水及排水，进排水三通电动阀4的三端开口为A、B、C，当由承水器1向测试筒15内进水时，电动阀的阀芯3关闭C口，A口和B口导通，即通水管2和测试筒15导通，承水器1所接的雨水导入测试筒15内；当测试筒15向外排水时，电动阀的阀芯3关闭A口，C口和B口导通，即测试筒15和排水口导通，使测试筒15内的雨水排出。由于承水器1和测试筒15的相关比例设置，测试筒的水位以十倍于自然雨水动态量上升，即在测量过程中，将实际降雨量的水位动态扩大了10倍，由此提高测试分辨率及精确度，也就是说，1毫米自然雨水相当于注入测试筒10毫米雨水量，由模拟/数字变换传感器5感应水位升降，当水位上升时，传感器5的两个探头5a和5b探测到水位的逻辑状态信号，通过逻辑信号电缆12传送至中心处理器6，中心处理器6对逻辑信号进行处理，将水位信息实时显示在数码显示屏上，并根据水位的上升数据控制步进电机7做步进驱动，由此带动滑轮8转动，滑轮8与升降稳定滑轮11配合使绕接在滑轮8上的牵引绳索9带动测试杆10随水位上升；当水位下降时，步进电机7做步退驱动，使得测试杆10随水位下降，随着水位的升降，上述雨水水位测量和控制部分的运动依次循环。

步进电机7设置为每步进、步退一步为7.5度步距角，即360度÷7.5度＝＝48，即步进电机每步进或步退48步刚好旋转一周，设计滑轮直径：48÷3.1416-0.6(牵引绳索直径)＝＝15.28-0.6(牵引绳索直径)＝＝14.68，即步进电机7每步进或步退一步测试杆上升或下降1毫米。传感器5工作时其探头5a和5b产生的逻辑状态示意图如图2所示。传感器具有两个探头，传感器第一探头5a和传感器第二探头5b，两者并行设置在传感器5下端，其高低相距2毫米，如水位上升到使传感器第二探头5b接触水位，传感器第一探头5a在水外，也即是传感器第二探头5b侵入水位1毫米，传感器第一探头5a在水上1毫米，如图2中a逻辑状态所示：逻辑为0 1，此逻辑信号传入中心处理器的单片机系统，被设定为“平衡”状态，此时数码显示管的显示信息不变；如水位继续上升至传感器第一探头5a侵入水中，如图2中b逻辑状态所示：逻辑为0 0，数码显示管雨水量相应增加，单片机驱动步进电机7正向步进旋转一步，相应带动传感器5测试杆10上升1毫米，使传感器第一探头5a脱离水位，逻辑状态又恢复至a所示，处于0 1，恢复平衡，步进电机7静止不动；如水位下降，使传感器第二探头5b脱离水面，如图2中c逻辑状态所示：逻辑为1 1，单片机驱动步进电机7反转步退一步，测试杆10下降1毫米，重新如a逻辑状态所示，如若水位量连续上升，连续处于b逻辑状态，则步进电机7则连续正向步进，测试杆10连续跟随水位上升，直至达到逻辑状态a；水位若连续下降，则步进电机7连续反向步退，使测试杆10跟随水位下降，直至达到逻辑状态a。

步进电机7每步进一步，测试杆10上升1毫米，数字显示为0.1，也就是测试筒1毫米水位＝＝自然雨水0.1毫米，当水位升至9.9+1＝＝10.0既测试筒100毫米＝＝自然10毫米雨水，此时单片机发出一个脉冲信号启动三通电动阀4的阀芯3，由原来通水管2与测试筒15的A-B相通改为测试筒15与外部排水口的B-C相通，关闭承水器1向测试筒15进水，测试筒15与排水口相通，电动阀4由进水状态变为排水状态，此时传感器5跟随水位下降至0 0水位，单片机显示器后两位数字即个、分位9.9作减法运算，直至减到0 0，显示器为10.0，同时单片机发出驱动电动阀4的信号，使阀芯3旋转恢复至通水管2与测试筒15的A-B相通的状态，继续将雨水注入测试筒15进行水位测量，10毫米水量记录于单片机内存中，当第二次测量个位与分位由0.0累加计数至19.9+1＝＝20.0时三通电动阀4旋转，测试筒排水水位下降，步进电机7反向步退，测试杆10跟随水位下降，显示器个、分两位数字作减法运算，至20.0，十位数的2不退回，再次水位上升至29.9+1＝＝30.0，测试筒每满100毫米即单片机内存加10毫米雨量记录，单片机计数器总容999.9毫米，近1米雨水量，同时数据由SR-232标准接口将测试过程雨水位量传输出。

在本实施例中，以数控式雨量计的一次计量过程为例描述其工作程序。降雨时雨水滴入承水器1，通过通水管2、开通进排水三通电动阀的A-B连通使雨水注入测试筒15，此时水面开始上升到1毫米以上，接触传感器第一探头5a，逻辑状态变为0 0，单片机接收到逻辑信号立即驱动步进电机7带动测试杆10及传感器5上升一步，如降雨量大，水位继续上升，则步进电机7连续步进，单片机精确记录上升步数，即水位上升的毫米数，如水位上升至100毫米(即10毫米自然降雨量)，此时，整个雨量计完成以下动作：a、单片机控制进排水三通电动阀4的阀芯3换向使B-C连通以排放出测试筒15内的雨水；在排水时间内，数据接口对外闭锁，不发送数据；b、水位快速下降，两个探头5a和5b脱离水面，逻辑状态处于1 1，单片机驱动步进电机7迅速步退，两个探头5a和5b快速跟随水位下降；c、数码显示屏的个、分两位数字跟随水位下降精确作减法运算显示下降水位数值，直到测试筒15内雨水排完、传感器第一探头5a脱离水面，逻辑状态变为1 0，数码显示管的个、分两位计数为0.0；十位的计数1不退回，待下次测试累加；d、单片机驱动进排水三通电动阀4的阀芯3换向，使A-B连通，关闭排水，开通进水，进行下次测试；测试筒15水容量只有100毫米，一旦水位达100毫米就执行以上程序，一次程序为自然降雨10毫米雨量，雨量计最大可计量999.9毫米(接近1米)，通常情况下降雨量不会一次达到1米，所以该雨量计满足实际需要。

在该数控式雨量计装置中，所述单片机系统设置有标准数据输出接口，可外接外部存储或显示设备，通过所述输出接口将雨量测量过程存储及实时雨量数据传送至外部存储或显示设备。在同一被测雨量的区域内，可以使用多个雨量计，以实现测量的准确，数控式雨量计可通过有线或无线装置，将降雨量测量过程及结果传送至水文、气象站进行进一步异地分析操作，实现整个雨量测量自动化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种数控式雨量计，其特征在于，包括：

承水器(1)，设置为漏斗状，用于承接雨水；

测试筒(15)，通过通水管(2)与所述承水器(1)连通，用于将所承接雨水导入测试筒(15)内进行测量，所述测试筒(15)的面积与承水器(1)上端开口面积按比例设置，使自然降水量在测试筒(15)内的上升动态扩大整数倍用于测量使用；

传感器(5)，设置在所述测试筒(15)内，用于测量测试筒(15)内的水位模拟/数据转换，其上端连接有带动其随雨水量升降的测试杆(10)；

滑轮(8)，其上绕接有牵引绳索(9)，牵引绳索(9)一端与测试杆(10)下端连接，另一端与测试杆(10)上端连接，通过滑轮(8)的转动由牵引绳索(9)带动测试杆(10)升降；

步进电机(7)，与所述滑轮(8)同轴连接，带动滑轮(8)做步进/步退转动；

中心处理器(6)，通过步进电机驱动电缆(13)与所述步进电机(7)相连，通过逻辑信号电缆(12)与所述传感器(5)相连，用于获取所述传感器(5)测得的雨水水位逻辑信息，并对其进行处理、存储和显示，以及根据所测雨水水位信息控制步进电机(7)执行驱动。

2.如权利要求1所述的数控式雨量计，其特征在于，所述通水管(2)与测试筒(15)之间设置有进排水三通电动阀(4)，用于控制测试筒(15)内被测雨水的进出，以使进水时，通水管(2)与测试筒(15)之间连通，排水时，测试筒(15)与排水口连通。

3.如权利要求1所述的数控式雨量计，其特征在于，所述传感器(5)下端并列设置有传感器第一探头(5a)和传感器第二探头(5b)，两个探头之间的高度差设置为2mm，所述传感器的两个探头用于浸入测试筒(15)的被测雨水中，探测被测雨水的水位逻辑信息。

4.如权利要求1所述的数控式雨量计，其特征在于，所述中心处理器(6)上设置有数码显示屏，所述数码显示屏设置有百、十、个、分四位LED数码显示，所述百、十两位为十进制累加计数，所述个、分两位为可逆计数，个位与分位LED数码管之间设置有小数点标示，用于直接显示实际被测雨水量。

5.如权利要求4所述的数控式雨量计，其特征在于，所述数码显示屏的计量单位为毫米。

6.如权利要求1所述的数控式雨量计，其特征在于，所述测试杆(10)上设置有升降稳定滑轮(11)，用于使测试杆(10)稳定导向随雨水水位升降。

7.如权利要求1所述的数控式雨量计，其特征在于，所述测试杆(10)设置为空心管，使逻辑信号电缆(12)由其中心穿过与传感器(5)相连。

8.如权利要求1所述的数控式雨量计，其特征在于，所述雨量计还设置有接地线(14)，其上端连接中心处理器的电路地电位，下端与测试筒连接，使被测水体带电路地电位。

9.如权利要求1所述的数控式雨量计，其特征在于，所述中心处理器(6)采用单片机系统作为中心处理控制系统，对接收到的雨水量逻辑信息进行处理，进行数据存储、显示，以及根据所处理的数据信息控制步进电机(7)的步进/步退操作。

10.如权利要求1所述的数控式雨量计，其特征在于，所述中心处理器(6)设置有标准数据输出接口，可外接外部存储或显示设备，通过所述输出接口将雨水测量过程及实时水位数据传送至外部存储或显示设备。

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