CN104237975B - 一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置，它包括翻斗雨量计，其特征在于还包括在翻斗雨量计顶端设置雨强模拟器，翻斗雨量计通过雨量信号线与误差修正器连接，其中：所述雨强模拟器包括量杯体、量杯颈、量杯盖、进气阀、通气管、排水管和排水管堵头，量杯颈和进气阀分别设置在量杯体的上部，通气管设置在量杯体的体壁内槽中并与进气阀连接；误差修正器包括CPU智能控制板、液晶显示屏、翻斗雨量计接口、状态转换接口和脉冲输出接口。本发明能够对0.1mm翻斗雨量计进行测量结果实时修正，其测量误差大幅度降低，如0.1mm翻斗雨量计的测量误差可从目前的±18%减少至±3%，从而大大地提高了野外降雨量的测量精度。

Description

一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置

技术领域

本发明属于水文、气象测量器具技术领域，特别是涉及用于准确地测量野外自然降雨量的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置。

背景技术

大气降水测量是地球水循环监测的重要环节，是水资源利用的重要组成部分，也是气候变化、地质灾害、洪水灾害预警和环境评估等多方面的重要影响因素，业内学者寻求多种方法对降雨量进行精确计量。

雨量计用于监测降雨量，目前市场上有不同类型的雨量计，但翻斗雨量计以其便宜和稳定可靠的特性而得到广泛使用，尽管0.1mm雨量计分辨率高、蒸发误差小，能够正确反映降雨日数，但因自然界降雨强度变化，使0.1mm分辨率的翻斗雨量计误差很大，故又生产了0.2、0.5和1.0mm的翻斗雨量计。2006年之前，水文部门多用虹吸雨量计，要求雨量观测至0.1mm。SL21-2006雨量观测规范中规定不需要雨日资料的雨量站，可使用0.2mm雨量计，多年平均降雨量大于800mm的地区可使用0.5mm雨量计，但是在需要控制雨日地区变化的雨量站必须记至0.1mm。随着遥测雨量站的推广应用和规范的贯彻执行，我国逐步淘汰了虹吸雨量计，但雨量整编的表格中有明确的降雨天数需要计算，而规范对哪些站是需要控制雨日的站没有给出明确规定，以致造成各地区各自为政，降雨天数(日降雨量≥0.1mm为雨天)根本没有意义。SL21-2006是水利行业标准，气象部门一直是使用0.1mm的雨量计。雨量计的误差来源主要是：

1、承水口的公差(形状误差，尽量减小)；2、沾水误差(固有误差，无法减小)；3、安装误差(安装工艺，尽量减小)；4、动作过程误差(不同型号误差变化，0.1mm雨量计可达±18％)；5、蒸发误差(不同型号误差变化)；6、环境影响误差(如风力、位置、高度)。但0.1mm翻斗雨量计的误差来源主要来源于天然降雨变化的雨强，使用大翻斗减少相同降雨量翻斗翻转次数，可以减小雨强对动作过程误差的影响，但降雨天数无法统计，也又增大了蒸发误差，这是翻斗雨量计不可调和的矛盾，如何提高0.1mm雨量计的精度呢？于是水文专家又研究了很多其他类型的雨量计，如超声波雨量计、浮子式雨量计、称重式雨量计、虹吸式雨量计，增加了机构部件带来的结果是造价提高和稳定可靠性降低。

尽管雨量计的形式较多，但翻斗式雨量计仍是目前国内外广泛用于自动化监测的雨量传感器，翻斗式雨量计工作可靠，结构简单，易于把降雨量转换成电信号输出，便于远距离传输，但翻斗式雨量计的测量误差较大。造成测量误差的主要因素是，翻斗在翻转过程中，虽然时间是极其短促的，但总需要一定的时间，在翻转的前半部分，即翻斗从开始翻转到翻斗中间隔板越过中心线的△T时间内，进水漏斗仍然向翻斗内注水，如降雨强度越大，进入的水量也越多，导致仪器自身排水量大于仪器记录值，测量误差偏负；又如降雨强度越小，注入水量也越少，导致仪器记录值大于仪器自身排水量，测量误差偏正。这就会产生随着降雨强度大小不同而产生不同的计量误差。

为了减小降雨强度变化对计量翻斗的影响，上海气象仪器厂提出了双翻斗雨量计，在其上层再加装一层翻斗，即双层翻斗雨量计，上层翻斗翻转流入到下层计量翻斗的降雨强度被均化为4mm/min，而与外界实际降雨强度无关，所以其测量精度得到了提高，这也是采用双翻斗结构的主要目的。

但由于上层翻斗与计量翻斗的翻转存在着一个岔开数的问题，如当上层翻斗翻转后，倒出的水量恰好够满足计量翻斗的翻转条件，此时，在计量翻斗翻转过程中，可能就没有4mm/min雨量注入，造成计量翻斗的计量误差。

为了提高降雨量的测量精度，开发出更多的测量降雨量的仪器，现有的徐州伟思的浮子式雨量计、浙江华云的容栅式雨量计、美国哈希的称重式雨量计、郑州市气象局超声式雨量计等产品都是通过电子仪器测量水体的体积或重量来推算降雨量的，以避免使用翻斗受变化雨强的影响，这样不但增加了成本，还降低了雨量计的整体稳定可靠性。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置，本发明能够对0.1mm翻斗雨量计进行测量结果实时修正，其测量误差大幅度降低，测量精准度大幅度提高。

根据本发明提出的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置，它包括翻斗雨量计，其特征在于还包括在翻斗雨量计顶端设置雨强模拟器，翻斗雨量计通过雨量信号线与误差修正器连接，其中：所述雨强模拟器包括量杯体、量杯颈、量杯盖、进气阀、通气管、排水管和排水管堵头，量杯颈和进气阀分别设置在量杯体的上部，通气管设置在量杯体的体壁内槽中并与进气阀连接；误差修正器包括CPU智能控制板、液晶显示屏、翻斗雨量计接口、状态转换接口和脉冲输出接口，液晶显示屏为误差修正器的显示界面，状态转换接口控制误差修正器的工作状态，脉冲输出接口向外输出经误差修正器修正后的脉冲信号。

基于上述本发明提出的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置的使用方法，其特征在于包括如下具体步骤：

步骤一，在翻斗雨量计顶部设置雨强模拟器，同时翻斗雨量计通过雨量信号线与误差修正器的翻斗雨量计接口连接；

步骤二，雨强模拟器只在率定误差修正器的模型参数时使用，误差修正器监测雨强模拟器的降雨量，计算翻斗雨量计的误差，精确分析得出翻斗雨量计误差模型的参数；

步骤三，误差修正器在线工作，实时监测翻斗雨量计的信号，计算降雨强度和模型推算误差修正降雨量，并将经模型修正后的高精度雨量信息输出至外部设备。

本发明的工作原理是：本发明巧妙地将翻斗雨量计与雨强模拟器和雨强模拟器和误差修正器组成一体，以便能够监测翻斗动作，对翻斗雨量计测量的降雨量误差进行自动修正，以输出准确的降雨量；其中，雨强模拟器只在率定误差修正器的模型参数时使用，误差修正器需要雨强模拟器给出不同强度稳定的降雨量，误差修正器监测雨强模拟器的降雨量，计算翻斗雨量计的误差，经精确分析得出翻斗雨量计误差模型的参数。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明的雨强模拟器能够在一定体积的水量下，按照设定的模拟雨强均匀流出，产生固定间隔的翻斗脉冲输出。二是本发明的误差修正器能够根据翻斗雨量计的翻斗间隔计算雨强和误差修正器内已率定的模型参数自动修正翻斗雨量计的误差，并用脉冲信号方式输出修正后的降雨量。三是本发明克服了因人工使用量杯来校准翻斗大小的倒水率定时不能准确控制雨强，造成无法准确完成率定工作的难题。本发明适用于对0.1mm翻斗雨量计进行测量结果实时修正，其测量误差大幅度降低，可将0.1mm翻斗雨量计的测量误差可从目前的±18％减少至±3％，使得测量精准度大幅度提高。

附图说明

图1是本发明提出的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置的装配方式示意图。

图2是本发明提出的雨强模拟器的结构剖面示意图。

图3是本发明提出的误差修正器的结构示意图。

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的详细说明。

结合图1图2和图3，本发明提出的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置，它包括翻斗雨量计，其特征在于还包括在翻斗雨量计顶端设置雨强模拟器，翻斗雨量计通过雨量信号线与误差修正器连接，其中：所述雨强模拟器包括量杯体(1)、量杯颈(2)、量杯盖(3)、进气阀(4)、通气管(5)、排水管(6)和排水管堵头(7)，量杯颈(2)和进气阀(4)分别设置在量杯体(1)的上部，量杯颈(2)和进气阀(4)在量杯体(1)上部的设置方式为焊接或螺接，通气管(5)设置在量杯体(1)的体壁内槽中并与进气阀(4)连接；误差修正器包括CPU智能控制板(8)、液晶显示屏(9)、翻斗雨量计接口(11)、状态转换接口(12)和脉冲输出接口(10)，液晶显示屏(9)为误差修正器的显示界面，状态转换接口(12)控制误差修正器的工作状态，脉冲输出接口(10)向外输出经误差修正器修正后的脉冲信号。

本发明具体设计和装配要求的实施例：

本发明所述的雨强模拟器的量杯体(1)为圆形，直径80～100mm、体积314mL(相对于10mm降雨量)或628mL(相对于20mm降雨量)，量杯颈(2)为一内径20mm圆管，其上标有314mL或628mL刻度线，能精确地计量雨强模拟器内的水量，量杯盖(3)与量杯颈(2)盖紧后需密封；进气阀(4)设有可旋转部件，该转动旋转部件可控制进气量；通气管(5)将进气阀(4)的空气排放到密封的量杯体(1)内；根据进气阀(4)的进气量大小，排水管(6)均匀排出量杯体(1)内的水量。

因排水管(6)的流量与进气阀(4)的进气量大小有关，进气阀(4)的进气量与进气阀(4)内的进气孔面积和进气流量有关，进气流量与出气口和排水口的高差有关，所以将通气管(5)的出气口设置在量杯体(1)的底部。

在管道流量计算时，尽管排水管(6)的长度较短，但其管径很小，因此要考虑因粘性摩擦水体流动中沿流程克服内摩擦力所消耗的能量，统一用管道流量系数μ_C表示，自由出流计算公式如下：

$Q={\mathrm{\μ}}_{C}A\sqrt{2g{H}_0},$

式中：Q为排水管流量；μ_C为自由出流流量系数；A为排水管面积；H₀为作用水头；g为重力加速度。

当顶部进气时，出气口和排水口的高差为量杯体(1)内的水面与排水口的高差，放水过程中，量杯体(1)内的水面不断下降，量杯体(1)内的水面与排水口的高差即作用水头H₀不断减小，排水管(6)的流量也随着量杯内的水面降低从大到小变化，造成模拟的降雨强度不是稳定值。

当进气口放在量杯的底部时，则情况截然不同，出气口和排水口的高差为固定值，放水过程中，尽管量杯内的水面不断下降，出气口和排水口的高差不变，出气口的排气流量稳定，排水管(6)的流量均匀，不随着量杯体(1)内的水面降低变化，模拟的降雨强度稳定不变。

本发明的具体操作实施过程是：

1、准备工作：

本发明所述的翻斗雨量计、雨强模拟器和误差修正器准备就绪；

先将翻斗雨量计外壳卸下，然后将误差修正器的雨量信号线连接到翻斗雨量计的干簧管输出端子上；再将误差修正器的电源线连接到DC12V的蓄电池上；

在翻斗雨量计顶部设置雨强模拟器，关闭雨强模拟器的进气阀(4)，排水管堵头(7)堵住排水管(6)，打开雨量模拟器的量杯盖(3)，装水到量杯颈(2)的刻度线为标准重量，再盖上量杯盖(3)密封量杯，去除排水管堵头(7)，此时量杯内为负压不漏水，平稳放在翻斗雨量计的漏斗上，如图1所示。

2、率定工作：

加上率定状态转换接口(12)使误差修正器处于率定状态，液晶显示屏(9)上显示误差修正器内已保存的2个修正参数，第一行为A，默认值为0.053，第二行为B，默认值为-0.016；

打开雨强模拟器的进气阀(4)调整到0.5位置，表示选择模拟雨强为0.5mm/min，此时，雨强模拟器的量杯体(1)中的清水以15.7mL/Min的流量流出，清水至翻斗雨量计，当翻斗动作，这时误差修正器上显示检测到的翻斗数与检测过程的用时，单位为秒；约20分钟后量瓶内的水流完，误差修正器也会自动停止，这时其上第一行显示该次检测到的实际翻斗数，第二行显示模拟降雨历时(秒)和实际翻斗数与理论翻斗数的误差，据此可知降雨强度X1和误差Y1；

重复准备工作，再次给雨强模拟器加满清水至标准刻度314mL，置于翻斗雨量计上，该次设定模拟雨强为4.0mm/min，将雨强模拟器的进气阀(4)调整至4.0mm/min位置，开始排水，其过程同上，约25分钟后量瓶内的水流完，误差修正器自动停止，显示该次检测到的实际翻斗数，第二行显示模拟降雨历时(秒)和实际翻斗数与理论翻斗数的误差，据此可知降雨强度X2和误差Y3；

误差修正器根据(X1,Y1)和(X2,Y2)两组数据求解模型Y＝AX+B中的参数A和B，等待约10秒后，显示自动计算的2个修正参数A和B，并将其保存到修正器的存贮器中，即率定工作完成；

修正参数A和B与翻斗形状和翻斗容量有关，A的变化范围：0.03～0.08，B的变化范围：-0.08～0.01。

3、检定工作：

移除率定状态转换接口(12)使误差修正器处于工作检定状态，置误差修正器处于正常工作状态，给雨强模拟器加满标准刻度314mL的水，设定模拟雨强为2mm/min，排水至翻斗雨量计，直至雨强模拟器内的水放完为止，记录误差修正器第一行显示修正后的翻斗数，第二行显示实际翻斗数和两者之间的相对误差；如果修正后的翻斗数在100±4之间(误差±4％)则合格，否则，需再检定一次，如果还不合格，则需重新进行率定工作。

4、正常运行：

移开雨强模拟器，将误差修正器脉冲输出信号线接至外部监测设备上，如遥测终端机RTU等，误差修正器进入正常运行工作状态。

5、率定周期：

本发明适用于区域自动气象站新建站点、日常维修维护、定期巡检、重新启用等翻斗雨量计的现场校准和测试。

区域自动雨量传感器的校准周期一般为1年，每年汛期开始前进行校准。如有以下情况之一时须进行及时校准：

(1)新建站点使用的雨量传感器，重新启用及更换的雨量传感器应进行现场校准；

(2)自动雨量站数据采集器经过维修或更换后；

(3)当发现雨量测量值出现异常时；

(4)特大暴雨过后及每月正常维护时应进行现场校准。

本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本技术领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims (5)

1.一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置，它包括翻斗雨量计，其特征在于还包括在翻斗雨量计顶端设置雨强模拟器，翻斗雨量计通过雨量信号线与误差修正器连接，其中：所述雨强模拟器包括量杯体(1)、量杯颈(2)、量杯盖(3)、进气阀(4)、通气管(5)、排水管(6)和排水管堵头(7)，量杯颈(2)和进气阀(4)分别设置在量杯体(1)的上部，通气管(5)设置在量杯体(1)的体壁内槽中并与进气阀(4)连接；误差修正器包括CPU智能控制板(8)、液晶显示屏(9)、翻斗雨量计接口(11)、状态转换接口(12)和脉冲输出接口(10)，液晶显示屏(9)为误差修正器的显示界面，状态转换接口(12)控制误差修正器处于工作状态或率定状态，脉冲输出接口(10)向外输出经误差修正器修正后的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置，其特征在于通气管(5)的出气口设置在量杯体(1)的底部。

3.根据权利要求1所述的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置，其特征在于量杯体(1)为圆柱形、直径80～100mm、体积为314mL。

4.根据权利要求1所述的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置，其特征在于量杯体(1)为圆柱形、直径80～100mm、体积为628mL。

5.根据权利要求1所述的一种具有误差修正功能的高分辨率翻斗雨量计装置的使用方法，其特征在于包括如下具体步骤：

步骤一，在翻斗雨量计顶部设置雨强模拟器，同时翻斗雨量计通过雨量信号线与误差修正器的翻斗雨量计接口(11)连接；

步骤二，雨强模拟器只在率定误差修正器的模型参数时使用，误差修正器监测雨强模拟器的降雨量，计算翻斗雨量计的误差，精确分析得出翻斗雨量计误差模型的参数；

步骤三，误差修正器在线工作，实时监测翻斗雨量计的信号，计算降雨强度和模型推算误差修正降雨量，并将经模型修正后的高精度雨量信息输出至外部设备。