CN107765349A - 力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗及调节方法 - Google Patents

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叶滋杰
陈建树
林毅鹏
姜忠波
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Abstract

本发明涉及力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗及调节方法：包括带有转轴O的翻斗本体,翻斗本体上左右对称设置有两个翻斗室，所述翻斗室底面为旋转曲面，旋转曲面的旋转轴与翻斗上的转轴O平行，且位于翻斗室上旁侧，本发明结构简单，设置合理，翻斗本体的力矩与其内的水质量呈线性变化，通过调节机构可以很轻易的改变水质量，调节方便，精度高。

Description

力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗及调节方法
技术领域
本发明涉及一种力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗及调节方法。
背景技术
降水量是一种重要的气象要素，降水的观测无论是对于气象、水文、海洋、环境的观测还是对航空、铁路交通的安全都具有重要的意义。雨量计是观测降水量的重要仪器，它的准确度直接关系到所测量数据的可靠性，特别在人工降雨的效果检验和气象科研方面，其测量的准确度显得尤为重要。现有的翻斗式雨量计，其翻斗翻转角度的调节很难呈线性比例对应翻斗内的整水质量，其调节困难，精度差。
传统的雨量测量翻斗，如图1所示，其结构为对称的两个直角三角形，设水的质量为mW1，如下图所示，设PO＝d，∠POG1＝γ，翻转的角度为α，翻斗储水的宽度为t，可以算出，翻斗相对于转轴O的力矩为：
显然，该力矩跟水的质量mW1不是成正比例关系。
从下图所示，设G1O＝r，翻斗的重量为m1g，翻斗关于转轴O的力矩为m1grsinα
翻斗在临界平衡状态的时候，以上力矩相等，也就是：
传统的雨量传感器，上述式子中的r、t、d、γ为固定值，而每一斗水质量的调节，大多是通过两个调节螺丝，让翻转的角度α产生变化。
很显然α的变化与水的质量无法呈正比例关系，所以造成了这样的调节方法是很难调整水的质量。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗及调节方法。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，包括带有转轴O的翻斗本体,翻斗本体上左右对称设置有两个翻斗室，所述翻斗室底面为旋转曲面，旋转曲面的旋转轴与翻斗上的转轴O平行，且位于翻斗室上旁侧。
进一步的，所述转轴O设置在翻斗本体重心下方，转轴O与翻斗本体制成一体或翻斗本体上设置轴套，转轴安装在轴套内。
进一步的，所述翻斗室内底面设置有固定水槽。
进一步的，所述翻斗本体外周设置有与翻转角度限位装置相配合的结构，所述翻转角度限位装置为两个方向可以联动的调节机构。
进一步的，所述调节机构包括一个锥形契块、两个滑块，锥形契块套设在调节螺丝上并与调节螺丝螺纹配合，锥形契块推动两个滑块分别沿着各自轨道运动，滑块上设置有角度限位结构。
进一步的，所述翻斗本体上设置有用来改变翻斗重心的调节螺丝，所述的调节螺丝放置在翻斗本体对称面上的任何位置。
进一步的，两个翻斗室内端相连接，外端的出水口处设置有导流板。
一种雨量测量翻斗的摆幅的调节方法：调节螺杆的转动带动锥形契块移动，锥形契块同时带动两个小滑块的运动，从而改变角度限位结构与翻斗本体的基础位置，以达到通过调节螺杆的转动来改变翻斗的翻动角度，螺杆的转动角度与水质量变化呈线性关系。
一种雨量测量翻斗的调节方法：通过转动调节螺丝，造成螺丝位置的变化，从而使翻斗整体重心的位置发生变化，以达到调节翻斗力矩的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构简单，设置合理，翻斗本体的力矩与其内的水质量呈线性变化，调节方便，精度高。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为现有翻斗的受力分析图；
图2本发明的一种结构示意图；
图3本发明的另一种结构示意图；
图4为调节螺丝的安装位置示意图；
图5为带有翻转角度条件装置的本发明的结构示意图一；
图6为带有翻转角度条件装置的本发明的结构示意图二；
图7为翻斗室的受力分析图；
图8为带有翻转角度调节的原理分析图一；
图9为带有翻转角度调节的原理分析图二；
图10为翻斗调节螺杆受力分析图；
图11为固定水槽受力分析图。
图中：
1-翻斗室、2-摆杆、3-轴孔、4-角度限位结构、5-导流板、6-拨叉、7-滑块、8-滑轨、9-弹簧、10-调节螺杆、11-固定水槽、12-角度限位柱、13-契块、14-支架、15-支架盖板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图2-5所示，一种力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，包括带有转轴O的翻斗本体,翻斗本体上左右对称设置有两个翻斗室，所述翻斗室底面为旋转曲面，需要说明的是，翻斗室底面为仅为旋转曲面的部分，该旋转曲面的旋转轴位于翻斗室外，围绕该旋转轴构成的回转体,其部分与翻斗本体重合，该重合部分即为翻斗室，旋转曲面的旋转轴与翻斗上的转轴O平行，且位于翻斗室上旁侧。
在本实施例中，所述转轴O设置在翻斗本体重心下方，转轴O与翻斗本体制成一体或翻斗本体上设置轴套，转轴安装在轴套内。
在本实施例中，所述翻斗本体中部向下延伸有摆杆，转轴O设置在摆杆末端，转轴O与摆杆末端制成一体；或摆杆末端设置轴孔，转轴O安装在轴孔内。
在本实施例中，所述翻斗室内底面设置有固定水槽。
在本实施例中，所述翻斗本体外周设置有与翻转角度限位装置相配合的结构，与翻转角度限位装置相配合的结构为设置在翻斗室外周的凸块，翻转角度限位装置为两个方向可以联动的调节机构。
在本实施例中，所述翻斗本体上设置有用来改变翻斗重心的调节螺丝，所述的调节螺丝放置在翻斗本体对称面上的任何位置。
在本实施例中，所述翻斗本体上设置有与上斗连接的结构，与上斗连接的结构为设置在翻斗本体上中部的拨叉或外周设置有齿轮部的弧形板。
在本实施例中，两个翻斗室内端相连接，外端的出水口处设置有导流板。
如图5、6所示，在本实施例中，所述调节机构包括一个锥形契块、两个滑块，锥形契块套设在调节螺丝上并与调节螺丝螺纹配合，锥形契块推动两个滑块分别沿着各自轨道运动，滑块上设置有角度限位结构，角度限位结构为角度限位柱。
在本实施例中，所述翻转角度限位装置为两个方向可以联动的调节机构，所述调节机构包括左右对称设置有两个滑块，两个滑块安装在滑轨上，两个滑块上侧面呈外端高内端低的斜面，所述凸块抵靠斜面，两个滑块上沿平行于滑轨方向设置有旋向相反且同轴心的螺纹孔，所述螺纹孔内穿设有驱动两个滑块相向或相背同步移动的螺杆，螺杆一端设置有旋钮。转动螺杆，带动两个滑块相向或相背同步移动，从而调节翻斗本体下摆时凸块与斜面的接触点，从而限制翻斗本体的翻转角度。
一种雨量测量翻斗的摆幅的调节方法：调节螺杆的转动带动锥形契块移动，锥形契块同时带动两个小滑块的运动，从而改变角度限位结构与翻斗本体的基础位置，以达到通过调节螺杆的转动来改变翻斗的翻动角度，螺杆的转动角度与水质量变化呈线性关系。
一种雨量测量翻斗的调节方法：通过转动调节螺丝，造成螺丝位置的变化，从而使翻斗整体重心的位置发生变化，以达到调节翻斗力矩的作用。
下面是力学分析：以下没有特别的注明，质量的单位为g，长度单位为mm；由图7可以看出，翻斗本体重心为G1，G1O＝r，翻斗的力臂是G1P＝rsinα；则翻斗的力矩M1＝m1grsinα；
设水的质量为mW1，水的重心为GW，翻斗圆心为Q，
令OQ＝R；∠EOQ＝β；
则HE＝Rsinβcosα；EF＝Rcosβsinα
水的力臂HF＝HE-EF＝Rsinβcosα-Rcosβsinα＝Rsin(β-α)；
则水的力矩MW1＝mW1gRsin(β-α)
翻斗在即将翻动的时候，此时翻斗在挡块受到的支撑力为0，我们称这个状态为临界平衡状态。
在临界平衡状态，M1＝MW1
即m1grsinα＝mW1gRsin(β-α)
可以得到：
可以构建如下图8所示的图形，令∠AOC＝α，∠BAC＝β，设AO＝a，AC＝x
在△ABC中，根据正弦定理可以得到
从以上的式子可以看到，水的质量与m1、r、x成正比例关系，也就是可以通过调节以上的三个参数均可以达到线性调节水质量的变化。
显然，翻斗的质量m1，翻斗的重心与转轴的距离r，斗圆心距离转轴R均为定值，而如果我们设计AO＝a为一个固定值，让翻斗转动角度α后，恰好在C点的位置挡住，也就是设备通过调节AC＝x的长度，来调节翻斗转动的角度α，以达到调整单翻斗水的质量，从上式显然可以发现为一固定值，那么，水的质量mW1与x成正比例关系。
对上面式子两边取微分得到：
如图9所示，竖直滑块带动斜滑块移动，显然：
dx＝sinβdy
∴
可以看出水质量的变化dmW1与螺杆的移动距离dy呈正比例关系。
如图10所示，我们在翻斗的下方增加一个调节螺丝，设其质量为ma，重心为Ga，重心距离转轴为ra，根据平衡方程式可以得到：
我们知道，对于一个成型的设备，m1，r，R，β均为定值，我们让翻转的角度挡块也在一个固定的位置，那么α也是定值，所以，通过调节螺丝的位置，也就是调节ra，就可以调整水的质量mW1
可以看出水质量的变化dmW1与螺杆的移动距离dra呈正比例关系。
翻斗可以根据需要，翻斗的翻斗室内底面可以设置一个任意形状的固定水槽，如下图11所示，翻斗室完全可以分成两部分(旋转曲面部+固定水槽部)，每次注水的时候，固定水槽部始终会先注满，然后水位再往上升高，升高部分为旋转曲面部。固定水槽的水因为结构已经固定，所以每次注水为一个固定值，如果翻转的角度为定值，其相对于转轴O的力矩也为定值，我们设为MWf，
根据前面的
MW＝mW1gRsin(β-α)+MWf
对上式两边取微分，可以得到dMW＝dmW1gRsin(β-α)+dmWf
因为α、β、MWf为常数，所以：dMW＝Rsin(β-α)dmW1g
可见，水的力矩与水的质量呈正比例关系。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，其特征在于：包括带有转轴O的翻斗本体,翻斗本体上左右对称设置有两个翻斗室，所述翻斗室底面为旋转曲面，旋转曲面的旋转轴与翻斗上的转轴O平行，且位于翻斗室上旁侧。
2.根据权利要求1所述的力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗,其特征在于：所述转轴O设置在翻斗本体重心下方，转轴O与翻斗本体制成一体或翻斗本体上设置轴套，转轴安装在轴套内。
3.根据权利要求1所述的力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，其特征在于：所述翻斗室内底面设置有固定水槽。
4.根据权利要求1所述的力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗,其特征在于：所述翻斗本体外周设置有与翻转角度限位装置相配合的结构，所述翻转角度限位装置为两个方向可以联动的调节机构。
5.根据权利要求4所述的力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，其特征在于：所述调节机构包括一个锥形契块、两个滑块，锥形契块套设在调节螺丝上并与调节螺丝螺纹配合，锥形契块推动两个滑块分别沿着各自轨道运动，滑块上设置有角度限位结构。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，其特征在于：所述翻斗本体上设置有用来改变翻斗重心的调节螺丝，所述的调节螺丝放置在翻斗本体对称面上的任何位置。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，其特征在于：两个翻斗室内端相连接，外端的出水口处设置有导流板。
8.一种雨量测量翻斗的摆幅的调节方法，采用如权利要求5所述的力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，其特征在于：调节螺杆的转动带动锥形契块移动，锥形契块同时带动两个小滑块的运动，从而改变角度限位结构与翻斗本体的基础位置，以达到通过调节螺杆的转动来改变翻斗的翻动角度，螺杆的转动角度与水质量变化呈线性关系。
9.一种雨量测量翻斗的调节方法，采用如权利要求6所述的力矩与水质量呈线性变化的雨量测量翻斗，其特征在于：通过转动调节螺丝，造成螺丝位置的变化，从而使翻斗整体重心的位置发生变化，以达到调节翻斗力矩的作用。
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