CN104237976A - 一种翻斗触发超声波雨量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种翻斗触发超声波雨量计，它包括承雨器、漏斗、翻斗、磁钢、干簧管、船斗、进水管、计量筒、超声波水位测量控制器、电动阀门、出水管、底座支架和外桶。承雨器承接天然降雨，汇入经漏斗流入翻斗，翻斗翻转倾倒雨水经船斗至进水管和电动阀门流入计量筒，超声波水位测量控制器测量计量筒内的水位高度，并换算为雨量输出，当计量筒内的水位达到一定高度即10mm降雨量，超声波水位测量控制器关闭进水阀门阻止雨水进入计量筒，同时打开排水阀门，将计量筒内的雨水经出水管排出，排水完毕再关闭排水阀门，打开进水阀门，降雨量流入计量筒进行计量，如此循环计量，实现降雨量准确测量。

Description

一种翻斗触发超声波雨量计

 

技术领域

本发明属于水文、气象测量器具技术领域，特别是涉及用于精确测量天然降雨量的一种翻斗触发超声波雨量计。

 

背景技术

现有用于自动化雨量监测的翻斗雨量计的分辨率与精度是矛盾的，即1mm分辨率的翻斗雨量计误差较大，而0.1mm分辨率的翻斗雨量计因雨强变化而产生更大的测量误差，达±20%。

长期以来，水文、气象部门使用的雨量计为雨量器、虹吸式雨量计或翻斗雨量计。因雨量器、虹吸式雨量计不适用于雨量监测自动化，所以，翻斗雨量计得到广泛使用。翻斗雨量计的翻斗容量有0.1mm、0.2mm、0.5mm和1mm四种，2006年之前，国家水文部门和气象部门均使用0.1mm的雨量计，尽管0.1mm雨量计分辨率较高，但其动态精度却不高，降雨强度在0.1～8mm/min变化时，其误差在+10%～-25%之间变化，不能满足规范要求。2006年，水文部门修订规范时，按年降雨总量分区选用雨量计：

1、需要控制雨日地区分布变化的雨量站应记至0.1mm；

2、蒸发站的记录精度应与蒸发观测的记录精度相匹配，一般记至0.1mm；

3、不需要雨日资料的雨量站，可记至0.2mm；多年平均降水量大于800mm地区，可记至0.5mm；多年平均降水量大于400mm、小于800mm地区，如果汛期雨强特别大，且降水量占全年60％以上，亦可记至0.5mm。

气象部门至今要求使用0.1mm雨量计观测降雨量，水文部门也要求使用雨量器人工观测日降雨总量，精确到0.1mm。

郑州市气象部门使用的超声波雨量仪由上、下两大部分组成：上部分由承水器、特制漏斗、超声波测距探头、人工换桶控制开关、外接电缆组成；下部分为储水桶，储存降雨量。该设计的储水桶与上部分的承水器直径相同，水位观测精度不能达到0.1mm的要求，另一方面储水桶累计降雨量达到500mm时需要人工换桶倒水，不利于长期稳定测量。

河南省气象部门改进了超声波雨量计，增加了超声波水位测量桶，提高了测量精度，但是，使用了两个电磁阀，经常出现故障，又因没有设计降雨感应器，使得超声波水位计在没有下雨时也需要不间断地工作，增大了设备功耗，缩短了使用寿命。

如何克服现有技术的不足已成为当水文、气象器具技术领域中亟待解决的重点难题之一。

 

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翻斗触发超声波雨量计，本发明运用超声波水位原理，通过超声波测量量筒内的水位变化来计量降雨量，大大地提高了野外降雨量测量的精度。

根据本发明提出的一种翻斗触发超声波雨量计，它包括承雨器、漏斗、翻斗、船斗、进水管、计量筒，其中：在同一轴线上自上而下依次设置承雨器、漏斗、翻斗、船斗，该船斗的底端与进水管的一端连接，其特征在于还包括磁钢、干簧管、超声波水位测量控制器、电动阀门、出水管、底座支架和外桶，其中：磁钢设置在翻斗的顶端，干簧管固定在翻斗支架磁钢一侧的上方，进水管的另一端与电动阀门的进口连接，该电动阀门的出口还分别与计量筒和出水管连接，计量筒上设置有超声波水位测量控制器，所述各部件依序设置在底座支架上，所述各部件的外围设置有外桶，该外桶的顶端设置承雨器，外桶的底端与底座支架连接。

基于以上本发明所述的一种翻斗触发超声波雨量计的使用方法，其特征在于包括如下依次循环往复的具体步骤：

步骤一，自然降水经承雨器流经翻斗漏斗至翻斗，装满水的翻斗傾转时，翻斗上的磁钢扫过干簧管触发超声波水位测量控制器进入工作状态，该超声波水位测量控制器测量计量筒内的水位，如水位上升1个数量单位，则超声波水位测量控制器向外输出1个脉冲信号，代表0.1mm降雨量；

步骤二，如果步骤一所述水位测量值未上升至1个数量单位，则超声波水位测量控制器进入休眠值守省电状态；

步骤三，当所述水位测量值达到设定的水位上限值时，则超声波水位测量控制器控制电动阀门动作关闭进水并打开排水，等待直至计量筒内水排干，然后超声波水位测量控制器控制电动阀门动作关闭排水并打开进水，积留在船斗内的雨水经进水管和电动阀门流入计量桶；超声波水位测量控制器继续测量水位，在发送脉冲信号后进入休眠值守省电状态。

本发明的测量原理是：本发明的超声波水位测量控制器处于休眠状态，承雨器收集的雨量流入漏斗至翻斗，达到0.1mm降雨量时，翻斗（容量3.14ml）翻转，降雨量流入计量筒，翻斗翻转时，其上的磁钢扫过干簧管使干簧管接通再断开，触发唤醒超声波水位测量控制器测量计量筒内的水位，与上次测量值比较，累计差值超过1.0mm立即输出一个开关量信号，之后又进入休眠状态；周而复始，实现对野外降雨量的高精度测量。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：

第一，本发明的超声波水位测量控制器精确测量计量筒内的水位，并通过电动阀门控制计量筒内雨水流入和排出，排水时先关闭计量筒入流阀门，降雨量暂时积留在船斗中，待计量筒排水完毕再行计量，没有雨水流失，从而精确测量到完整的降雨量。

第二，本发明采用超声波高精度测量水位的方法测量降雨量，使雨量测量精度不受降雨强度大小的影响，当测量分辨率为0.1mm、降雨强度在0.1～8mm/min变化时，其误差在±3%之内。

第三，本发明的超声波水位测量控制器处于节能休眠状态，翻斗翻转唤醒超声波水位测量控制器工作，测量完毕进入休眠状态，其工作时的功耗为33mA，历时5秒，休眠时功耗为1mA；按每年降雨量1000mm计，工作1万次，历时5万秒，与全年3153.6万秒相比，其占空比为1：630，从而实现省电的目的，可在野外长期使用。

 

附图说明

图1为本发明提出的一种翻斗触发超声波雨量计的结构剖面示意图。

图2为本发明提出的超声波水位测量控制器的结构示意图。

 

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，本发明提出的一种翻斗触发超声波雨量计，它包括承雨器（1）、漏斗（2）、翻斗（3）、磁钢（4）、干簧管（5）、船斗（6）、进水管（7）、计量筒（8）、超声波水位测量控制器（9）、电动阀门（10）、出水管（11）、底座支架（12）和外桶（13），其中：在同一轴线上自上而下依次设置承雨器（1）、漏斗（2）、翻斗（3）和船斗（6），所述船斗（6）的底端与进水管（7）的一端连接，磁钢（4）设置在翻斗（3）的顶端，干簧管（5）固定在翻斗支架（11）磁钢（4）一侧的上方，进水管（7）的另一端与电动阀门（10）的进口连接，该电动阀门（10）的出口还分别与计量筒（8）和出水管（11）连接，计量筒（8）上设置有超声波水位测量控制器（9），所述各部件依序设置在底座支架（12）上，所述各部件的外围设置有外桶（13），该外桶（13）的顶端设置承雨器（1），外桶（13）的底端与底座支架（12）连接。

本发明所述的一种翻斗触发超声波雨量计的进一步优选方案是：

本发明的超声波水位测量控制器（9）包括翻斗脉冲信号输入接口、雨量脉冲信号输出接口、DC12V电源输入接口、控制电动阀门电源接口、超声波收发探头和液晶显示屏等在内的器件，如图2所示，以及由脉冲信号输入电路、超声波水位测量电路、脉冲信号输出电路和控制电动阀门电路组成。

本发明的电动阀门（10）为三通电动球阀。

本发明所述计量筒（8）的内径为63.25mm，计量筒（8）与承雨器（1）的口径之比为1：10，计量筒（8）的高度为180mm、水位限高100mm、超声波盲区80mm；所述计量筒（8）的材质为卫生级不锈钢。

以下结合本发明提出的一种翻斗触发超声波雨量计的具体实施过程来进一步说明本发明的实施例。

本发明的承雨器（1）采用200mm的大口径，用于收集雨水并汇入直径为61.4mm不锈钢计量筒（8）内，计量筒（8）的底面积与承雨器（1）口面积比为1：10.6，即是指0.1mm降雨量流入计量筒（8）内水位升高1.0mm；计量筒（8）顶部设置的超声波水位测量控制器（9）能够精确测量计量筒（8）内的水位，超声波水位测量精度为0.1mm；降雨装满翻斗（3）使翻斗（3）失衡转动，降水流入计量筒（8），由超声波水位控制器（9）测量计量筒（8）内水位，水位每增高1.0mm，超声波水位测量控制器（9）向外输出1个脉冲信号，当计量筒（8）内的水位升高到106mm，相当于10mm降雨量时，超声波水位测量控制器（9）关闭进水阀门，阻止排水时段内的降雨被排出，精确测量计量筒（8）内的水位后再打开排水阀门排出计量筒（8）内的雨水，排水完毕关闭排水阀门，打开进水阀门，积留在船斗（6）内的雨水流入计量筒（8）内计量；整个排水过程历时36秒，按最强降雨8mm/min计算，排水过程36秒内最大可能积留在进水阀门前船斗（6）内的降雨量为4.8mm，即进水阀门前船斗（6）的储留容积为150.7ml；在测量过程中，没有任何雨水流失，从而实现降雨量的精密监测。

以下对本发明的具体使用方法作进一步的说明：

本发明提出的一种翻斗触发超声波雨量计的使用方法，包括如下依次循环往复的具体步骤：

步骤一，自然降水经承雨器（1）流经翻斗漏斗（2）至翻斗（3），装满水的翻斗（3）傾转时，翻斗（3）上的磁钢（4）扫过干簧管（5）触发超声波水位测量控制器（9）进入工作状态，该超声波水位测量控制器（9）测量计量筒（8）内的水位，如水位上升1个数量单位，则超声波水位测量控制器（9）向外输出1个脉冲信号，代表0.1mm降雨量；

步骤二，如果步骤一所述水位测量值未上升至1个数量单位，则超声波水位测量控制器（9）进入休眠值守省电状态；

步骤三，当所述水位测量值达到设定的水位上限值时，则超声波水位测量控制器（9）控制电动阀门（10）动作关闭进水并打开排水，等待直至计量筒（8）内水排干，然后超声波水位测量控制器（9）控制电动阀门（10）动作关闭排水并打开进水，积留在船斗（6）内的雨水经进水管（7）和电动阀门（10）流入计量桶（8）；超声波水位测量控制器（9）继续测量水位，在发送脉冲信号后进入休眠值守省电状态。

本发明提出的一种翻斗触发超声波雨量计使用方法的特别说明如下：

一是降雨强度大小是随机出现的，为了实时监测降雨量，超声波水位测量控制器（9）需要连续工作，功耗较大；雨量计安装在野外，使用蓄电池供电，要求功耗低。因此，本发明设计了翻斗触发超声波水位测量控制器（9）上电工作，不降雨时，超声波水位测量控制器（9）处于省电休眠状态，大大降低了翻斗触发超声波雨量计的功耗。

二是承雨器1收集自然降雨量经漏斗（2）流入翻斗（3），当降雨增多，翻斗（3）装满失衡翻转，翻斗（3）内的雨水经进水管（7）流入计量筒（8），磁钢（4）扫过干簧管（5）触发干簧管闭合信号给超声波水位测量控制器（9）进行水位测量，经体积换算得到精确的降雨量；计量筒（8）内的水位每上升1.0mm，超声波水位测量控制器（9）向外输出1个脉冲信号后进入休眠状态，如此循环往复，直到计量筒（8）装满10mm降雨量则开始排水。

三是当计量筒（8）内的水量增至314ml，相当于10mm降雨量时，超声波水位测量控制器（9）控制电动阀门（10）关闭进水阀门并打开排水阀门，计量筒（8）内的雨水经出水管（11）排出，排水过程中超声波水位测量控制器（9）在线测量计量筒（8）内水位下降过程，当计量筒（8）排水完毕再关闭电动阀门（10）的排水阀门并打开进水阀门，排水过程积留在船斗（6）中的降雨量经进水管（7）流入计量筒（8），超声波水位测量控制器（9）进行水位测量，并根据水位增幅向外输出N个脉冲信号后进入休眠省电状态。

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 (6)

1.一种翻斗触发超声波雨量计，它包括承雨器（1）、漏斗（2）、翻斗（3）、翻斗支架（14）、船斗（6）、进水管（7）、计量筒（8），其中：在同一轴线上自上而下依次设置承雨器（1）、漏斗（2）、翻斗（3）、船斗（6），该船斗（6）的底端与进水管（7）的一端连接，其特征在于还包括磁钢（4）、干簧管（5）、超声波水位测量控制器（9）、电动阀门（10）、出水管（11）、底座支架（12）和外桶（13），其中：磁钢（4）设置在翻斗（3）的顶端，干簧管（5）固定在翻斗支架（11）磁钢（4）一侧的上方，进水管（7）的另一端与电动阀门（10）的进口连接，该电动阀门（10）的出口还分别与计量筒（8）和出水管（11）连接，计量筒（8）上设置有超声波水位测量控制器（9），所述各部件依序设置在底座支架（12）上，所述各部件的外围设置有外桶（13），该外桶（13）的顶端设置承雨器（1），外桶（13）的底端与底座支架（12）连接。

2.根据权利要求1所述的一种翻斗触发超声波雨量计，其特征在于超声波水位测量控制器（9）包括翻斗脉冲信号输入接口、雨量脉冲信号输出接口、DC12V电源输入接口、控制电动阀门电源接口、超声波收发探头和液晶显示屏等在内的器件，以及脉冲信号输入电路、超声波水位测量电路、脉冲信号输出电路和控制电动阀门电路组成。

3.根据权利要求1所述的一种翻斗触发超声波雨量计，其特征在于电动阀门（10）为三通电动球阀。

4.根据权利要求1所述的一种翻斗触发超声波雨量计，其特征在于计量筒（8）的内径为63.25mm，计量筒（8）与承雨器（1）的口径之比为1：10，计量筒（8）的高度为180mm、水位限高100mm、超声波盲区80mm。

5.根据权利要求1或4所述的一种翻斗触发超声波雨量计，其特征在于计量筒（8）的材质为卫生级不锈钢。

6.基于权利要求1所述的一种翻斗触发超声波雨量计的使用方法，其特征在于包括如下依次循环往复的具体步骤：

步骤一，自然降水经承雨器（1）流经漏斗（2）至翻斗（3），装满水的翻斗（3）傾转时，翻斗（3）上的磁钢（4）扫过干簧管（5）触发超声波水位测量控制器（9）进入工作状态，该超声波水位测量控制器（9）测量计量筒（8）内的水位，如水位上升1个数量单位，则超声波水位测量控制器（9）向外输出1个脉冲信号，代表0.1mm降雨量；

步骤二，如果步骤一所述水位测量值未上升至1个数量单位，则超声波水位测量控制器（9）进入休眠值守省电状态；

步骤三，当所述水位测量值达到设定的水位上限值时，则超声波水位测量控制器（9）控制电动阀门（10）动作关闭进水并打开排水，等待直至计量筒（8）内水排干，然后超声波水位测量控制器（9）控制电动阀门（10）动作关闭排水并打开进水，积留在船斗（6）内的雨水经进水管（7）和电动阀门（10）流入计量桶（8）；超声波水位测量控制器（9）继续测量水位，在发送脉冲信号后进入休眠值守省电状态。