CN109143414A - 一种基于红外测距的防冻型雨量计及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于红外测距的防冻型雨量计及控制方法，其外壳内设有盛水器和量筒，盛水器底部设有通向量筒的进水管，进水管上设有第一电磁阀；量筒底部设有排水管，排水管上设有第二电磁阀；盛水器和量筒的底部、进水管和排水管上均设有加热装置，盛水器和量筒内处均设有温度传感器；量筒内还设有泡沫浮板，顶部设有红外测距传感器；还包括控制单元，温度传感器和红外测距传感器将采集到的数据传送给控制单元，控制单元控制加热装置及两个电磁阀的启闭，并将根据红外测距传感器采集的数据得到降雨量信息，发送给监测中心。本发明解决了温度低于0℃时雨水上冻导致的雨量计失效问题，实现降了雨量的远程监测，为地质灾害预防或预警提供了数据支持。

Description

一种基于红外测距的防冻型雨量计及控制方法

技术领域

本发明涉及降雨量监测技术领域，具体为一种基于红外测距的防冻型雨量计及控制方法。

背景技术

降雨测量是针对从天空降落到地面的液态或固态融化后水，我国在区域气候格局属于东亚季风区，山岳地区暴雨十分频繁，暴雨引起的地质灾害不仅对基础设施造成毁灭性打击，更对人民群众的生命安全构成极大的威胁。因此，准确的测量降雨量并实时传递到监测中心显得尤为重要，雨量计是一种气象监测和水文监测用来测量降雨量的仪器，目前我国市面上常见雨量计的有虹吸式雨量计、称重式雨量计、翻斗式雨量计和超声波式雨量计四种。

虹吸式雨量计主要由承水器、浮子室、自记钟和虹吸管等组成。当虹吸式雨量计监测降雨量时，虹吸历时内的降雨并没有进行监测，而是随着虹吸一起排出仪器，引起的测量误差较大；另外虹吸式雨量计需要经常进行人工记录测量以及更换记录纸，容易受地形地势和监测环境的限制，给野外监测带来不便，因此在我国已经基本上被淘汰。

称重式雨量计主要由承水口、量筒、底座组件、称重装置等部件组成。称重装置可以同时监测液态水和固态水，将承水口收集的液态水和固态水汇入量筒，称重装置通过测量量筒质量的变化，计算得出降雨量。现有称重式雨量计虽然可以很好的测量夏季液态降水和冬季以降雪为主的固态降水，但是无法测量以冻雨为代表的粘附性降雨。

翻斗式雨量计主要由承水器、上翻斗、下翻斗、计量翻斗、干簧管和计数翻斗等组成。降雨收集在承水器经上翻斗进入到计量翻斗，当计量翻斗中的降雨量达到设定值后，自动将降雨倒入计数翻斗，计数翻斗会翻转一次，干簧管将监测雨量数据传递给计算机，从而实现降雨量的持续观测。目前，翻斗式雨量计的计量精度由本身的结构决定，无法自动调节，误差较大；另外，翻斗式雨量计无法测量固态降雨或者冻雨。

超声波式雨量计主要由承水器、量筒、超声波传感器、单片机和继电器等组成。降雨经承水器进入量筒，超声波传感器通过朝盛水量筒的液面发射并接收从液面反射的超声波信号，可以准确监测盛水量筒的液面高度变化的信息，将监测的降雨将数据实时传递给监测中心。

固态降雨或冻雨常见于冬季，冻水会粘附在承水口和量筒内壁，虹吸式雨量计、称重式雨量计、翻斗式雨量计和超声波式雨量计在环境温度低于0°时由于上冻会失效，无法达到全天候降雨量的测量；另外这些雨量计由于结构设计的问题，降雨量监测的过程中会出现很多问题，测量误差较大。因此市面上缺少一种监测准确、适应性强的防冻型雨量计。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种既能提高雨量监测的精度，又能解决温度低于0°时雨水上冻导致雨量计失效问题的基于红外测距的防冻型雨量计及控制方法。技术方案如下：

一种基于红外测距的防冻型雨量计，包括外壳，外壳内上部一侧设有顶部开口的盛水器，另一侧下部设有量筒；盛水器顶部开口处设有雨滴传感器，其底部设有通向量筒的进水管，进水管上设有第一电磁阀；量筒内部设有泡沫浮板，其顶部开口上方设有用于测量与泡沫浮板间距离的红外测距传感器，其底部设有向外部排水的排水管，排水管上设有第二电磁阀；所述盛水器和量筒的底部，以及进水管和排水管上均设有加热装置，盛水器和量筒内均设有温度传感器；还包括控制单元，雨滴传感器、温度传感器和红外测距传感器将采集到的数据传送给控制单元，控制单元控制加热装置的启闭，同时分别通过第一继电器和第二继电器控制第一电磁阀和第二电磁阀的启闭，并将根据红外测距传感器采集的数据得到降雨量信息，发送给监测中心。

进一步的，所述控制单元包括数据接收模块、数据处理模块、数据存储模块、数据转化模块、信号发射模块和指令发送模块；数据接收模块接收雨滴传感器采集到的是否降雨的信息、红外测距传感器采集的量筒内部液面的高度变化信息及温度传感器采集的温度信息，并将其发送给数据处理模块；数据处理模块对监测的液面高度进行计算处理得到不同时刻的降雨量大小，并将其发从给数据存储模块；指令发送模块根据雨滴传感器采集的信息，向第一继电器和第二继电器发送通断指令，根据温度传感器采集的温度信息或雨滴传感器采集到的是否降雨的信息，向加热装置发送启闭指令；数据存储模块存储监测降雨量数据；数据转化模块将存储的降雨量数据转化为电信号由信号发射模块发送给监测中心。

更进一步的，所述盛水器顶部设有滤网，所述滤网为网格状钛合金材质；所述雨滴传感器固定于滤网上。

更进一步的，所述盛水器和量筒底部的加热装置上还设有加热柱；所述进水管和排水管上的加热装置为热阻丝。

更进一步的，所述外壳底部设有支撑板，支撑板上设有用于固定雨量计的地脚螺栓。

更进一步的，所述盛水器、进水管、量筒和排水管内表面均设置疏水涂层。

更进一步的，所述进水管插入到量筒底部。

一种基于红外测距的防冻型雨量计的控制方法，包括：

a)控制雨滴传感器处于常开状态，当监测到降雨时，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，使雨水由盛水器，经进水管进入量筒；

b)监测到降雨时，同时打开控制温度传感器，当监测到环境温度低于0℃时，打开加热装置对盛水器、量筒、进水管和排水管加热，使温度保持在0-4℃；

c)通过红外测距传感器监测液面上泡沫浮板的高度变化，并将采集到的数据处理后得到不同时刻的降雨量大小，并发送给监测中心；

d)当量筒内液面上升到预定高度或液面停止上升时，关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，将量筒中的雨水由排水管排出，并记录一次排水计数并将其传递给监测中心。

e)当监测到降雨停止时或环境温度高于4℃时，关闭加热装置。

本发明的有益效果是：本发明采用加热装置对盛水器和量筒水管等进行加热，并保持恒温状态，解决了温度低于0℃时雨水上冻导致的雨量计失效问题，不仅能实时监测雨量大小，而且还可以将数据实时传递至监测中心，实现降雨量的远程监测，为地质灾害预防或预警提供数据支持。

附图说明

图1 为本发明一种基于红外测距的防冻型雨量计结构示意图。

图2为本发明控制电路盒结构示意图。

图中：1-外壳；2-盛水器；3-滤网；4-温度传感器；5-加热柱；6-第一加热装置；7-第一电磁阀；8-进水管；9-第一继电器；10-量筒；11-红外测距传感器；12-控制单元；13-泡沫浮板；14-第二电磁阀；15-第二继电器；16-排水管；17-第二加热装置；18-信号传输线；19-蓄电池；20-内燃发电机；21-支撑板；22-地脚螺栓；23-数据接收模块；24-数据处理模块；25-数据存储模块；26-数据转化模块；27-信号发射模块；28-监测中心。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种基于红外测距的防冻型雨量计，包括外壳1，外壳1内上部一侧设有顶部开口的盛水器2，另一侧下部设有量筒10；盛水器2顶部开口处设有雨滴传感器，其底部设有通向量筒10的进水管8，进水管8上设有第一电磁阀7；量筒10内部设有泡沫浮板13，其顶部开口上方设有用于测量与泡沫浮板13间距离的红外测距传感器11，其底部设有向外部排水的排水管16，排水管16上设有第二电磁阀14；所述盛水器2和量筒10的底部，以及进水管8和排水管16上均设有加热装置，盛水器2和量筒10内均设有温度传感器4；还包括控制单元12，雨滴传感器、温度传感器4和红外测距传感器11将采集到的数据传送给控制单元12，控制单元12控制加热装置的启闭，同时分别通过第一继电器9和第二继电器15控制第一电磁阀7和第二电磁阀14的启闭，并将根据红外测距传感器11采集的数据得到降雨量信息，发送给监测中心28。

如图2所示，所述控制单元12包括数据接收模块23、数据处理模块24、数据存储模块25、数据转化模块26、信号发射模块27和指令发送模块；数据接收模块23接收雨滴传感器采集到的是否降雨的信息、红外测距传感器11采集的量筒10内部液面的高度变化信息及温度传感器4采集的温度信息，并将其发送给数据处理模块24；数据处理模块24对监测的液面高度进行计算处理得到不同时刻的降雨量大小，并将其发从给数据存储模块25；指令发送模块根据雨滴传感器采集的信息，向第一继电器9和第二继电器15发送通断指令，根据温度传感器4采集的温度信息或雨滴传感器采集到的是否降雨的信息，向加热装置发送启闭指令；数据存储模块25存储监测降雨量数据；数据转化模块26将存储的降雨量数据转化为电信号由信号发射模块27发送给监测中心28。

本实施例中，所述盛水器2顶部设有滤网3，所述滤网3为网格状钛合金材质，能适应从正常降雨到不同程度酸雨的测量。所述盛水器2、进水管8、量筒10和排水管16内表面均设置疏水涂层，能够减少水流阻力，防止降雨粘附装置的内表面，提高雨量监测精度。

本实施例的盛水器2和量筒10底部的加热装置上还设有加热柱5；所述进水管8和排水管16上的加热装置为热阻丝。盛水器2和量筒10的直径均为200mm，所述加热柱5的直径均为30mm，所述圆形泡沫浮板13的直径为150mm且两侧分别设置直径35mm的圆孔，所述进水管8的弧度为145°。进水管8插到离量筒10底部2cm处，雨水通过盛水器、进水管进入到量筒底部，液面波动小，红外测距传感器对于微弱的雨水引起量筒内部泡沫浮板的高度变化也能精确监测，与超声波式雨量计、称重式雨量计和翻斗式雨量计相比，提高雨量监测的精度。

本实施例的外壳1底部设有支撑板21，支撑板21上设有用于固定雨量计的4个地脚螺栓22。本实施方式中的温度传感器4的型号为DS18B20，所述温度传感器4自动感应盛水器2和量筒10内部的环境温度，当环境温度降低时，启动第一加热装置6对加热柱5加热、第二加热装置17对进水管8和排水管16加热并保持恒温状态。即当环境温度低于0℃并降雨时，第一加热装置6对加热柱5加热、第二加热装置17对进水管8和排水管16加热，保持盛水器2、进水管8、量筒10和排水管16温度处于0-4℃。

本实施方式中的红外测距传感器11的型号为GP2Y0E03，红外测距传感器11通过朝量筒10的液面发射并接收从液面反射的红外线，根据红外线从发出到接收的时间以及红外线的传播速度可以计算圆形泡沫浮板13到红外测距传感器11的距离，红外测距传感器11通过信号传输线18传递给控制电路盒12，控制电路盒计算出不同时刻的降雨量并将数据实时传递给监测中心28。

其控制方法如下：

a)控制雨滴传感器处于常开状态，当监测到降雨时，打开第一电磁阀9，关闭第二电磁阀15，使雨水由盛水器2，经进水管8进入量筒10；

b)监测到降雨时，同时打开控制温度传感器4，当监测到环境温度低于0℃时，打开加热装置对盛水器2、量筒10、进水管8和排水管16加热，使温度保持在0-4℃；

c)通过红外测距传感器11监测液面上泡沫浮板13的高度变化，并将采集到的数据处理后得到不同时刻的降雨量大小，并发送给监测中心28；

d)当量筒10内液面上升到预定高度或液面停止上升时，关闭第一电磁阀9，打开第二电磁阀15，将量筒10中的雨水由排水管16排出，并记录一次排水计数并将其传递给监测中心28。

e)当监测到降雨停止时或环境温度高于4℃时，关闭加热装置

在具体使用时，温度传感器4始终处于常开状态，当环境温度低于0℃时，第一加热装置6对加热柱5加热、第二加热装置17对进水管8和排水管16加热，保持盛水器2、进水管8、量筒10和排水管16的温度处于0-4℃；当开始降雨时，第一电磁阀9打开，第二电磁阀15关闭，降雨从盛水器2上的网格状滤网3进入，经过进水管8进入量筒10底部，随着量筒10的水位不断升高，量筒10内部液面漂浮着圆形泡沫浮板13高度也逐渐升高，量筒10顶部设置的红外测距传感器11通过朝量筒10的液面发射并接收从液面反射的红外线，根据红外线从发出到接收的时间以及红外线的传播速度可以监测液面圆形泡沫浮板13的高度变化，红外测距传感器11再通过信号传输线18将监测的降雨量实时传递给控制电路盒12；控制电路盒12包括数据接收模块23、数据处理模块24、数据存储模块25、数据转化模块26、信号发射模块27；所述数据接收模块23与红外测距传感器11连接，接收红外测距传感器11监测量筒10内部液面的高度变化信息；所述数据处理模块24与数据接收模块23连接，对监测的液面高度进行计算处理得到不同时刻的降雨量大小；所述数据存储模块25与数据处理模块24连接，存储监测降雨量大小的数据；所述数据转化模块26与数据存储模块25，将存储的降雨量大小的数据转化为电信号；所述信号发射模块27与数据转化模块26连接，将电信号远程传递给监测中心28；进水管8和排水管16分别设有第一电磁阀7、第二电磁阀14，第一电磁阀7、第二电磁阀14通过信号传输线18分别与第一继电器9、第二继电器15连接，当量筒10的液面与加热柱5顶部平行时或降雨停止，通过第一继电器9关闭第一电磁阀7，第二继电器15打开第二电磁阀14，将量筒10中的雨水迅速排出，控制电路盒12记录一次排水计数并将其传递给监测中心28。

Claims (8)

1.一种基于红外测距的防冻型雨量计，其特征在于，包括外壳（1），外壳（1）内上部一侧设有顶部开口的盛水器（2），另一侧下部设有量筒（10）；盛水器（2）顶部开口处设有雨滴传感器，其底部设有通向量筒（10）的进水管（8），进水管（8）上设有第一电磁阀（7）；量筒（10）内部设有泡沫浮板（13），其顶部开口上方设有用于测量与泡沫浮板（13）间距离的红外测距传感器（11），其底部设有向外部排水的排水管（16），排水管（16）上设有第二电磁阀（14）；所述盛水器（2）和量筒（10）的底部，以及进水管（8）和排水管（16）上均设有加热装置，盛水器（2）和量筒（10）内均设有温度传感器（4）；还包括控制单元（12），雨滴传感器、温度传感器（4）和红外测距传感器（11）将采集到的数据传送给控制单元（12），控制单元（12）控制加热装置的启闭，同时分别通过第一继电器（9）和第二继电器（15）控制第一电磁阀（7）和第二电磁阀（14）的启闭，并将根据红外测距传感器（11）采集的数据得到降雨量信息，发送给监测中心（28）。

2.根据权利要求1所述的基于红外测距的防冻型雨量计，其特征在于，所述控制单元（12）包括数据接收模块（23）、数据处理模块（24）、数据存储模块（25）、数据转化模块（26）、信号发射模块（27）和指令发送模块；数据接收模块（23）接收雨滴传感器采集到的是否降雨的信息、红外测距传感器（11）采集的量筒（10）内部液面的高度变化信息及温度传感器（4）采集的温度信息，并将其发送给数据处理模块（24）；数据处理模块（24）对监测的液面高度进行计算处理得到不同时刻的降雨量大小，并将其发从给数据存储模块（25）；指令发送模块根据雨滴传感器采集的信息，向第一继电器（9）和第二继电器（15）发送通断指令，根据温度传感器（4）采集的温度信息或雨滴传感器采集到的是否降雨的信息，向加热装置发送启闭指令；数据存储模块（25）存储监测降雨量数据；数据转化模块（26）将存储的降雨量数据转化为电信号由信号发射模块（27）发送给监测中心（28）。

3.根据权利要求1所述的基于红外测距的防冻型雨量计，其特征在于，所述盛水器（2）顶部设有滤网（3），所述滤网（3）为网格状钛合金材质；所述雨滴传感器固定于滤网（3）上。

4.根据权利要求1所述的基于红外测距的防冻型雨量计，其特征在于，所述盛水器（2）和量筒（10）底部的加热装置上还设有加热柱（5）；所述进水管（8）和排水管（16）上的加热装置为热阻丝。

5.根据权利要求1所述的基于红外测距的防冻型雨量计，其特征在于，所述外壳（1）底部设有支撑板（21），支撑板（21）上设有用于固定雨量计的地脚螺栓（22）。

6.根据权利要求1所述的基于红外测距的防冻型雨量计，其特征在于，所述进水管（8）插入到量筒（10）底部。

7.根据权利要求1所述的基于红外测距的防冻型雨量计，其特征在于，所述盛水器（2）、进水管（8）、量筒（10）和排水管（16）内表面均设置疏水涂层。

8.一种如权利要求1所述的基于红外测距的防冻型雨量计的控制方法，其特征在于，包括：

a）控制雨滴传感器处于常开状态，当监测到降雨时，打开第一电磁阀（9），关闭第二电磁阀（15），使雨水由盛水器（2），经进水管（8）进入量筒（10）；

b)监测到降雨时，同时打开控制温度传感器（4），当监测到环境温度低于0℃时，打开加热装置对盛水器（2）、量筒（10）、进水管（8）和排水管（16）加热，使温度保持在0-4℃；

c)通过红外测距传感器（11）监测液面上泡沫浮板（13）的高度变化，并将采集到的数据处理后得到不同时刻的降雨量大小，并发送给监测中心（28）；

d)当量筒（10）内液面上升到预定高度或液面停止上升时，关闭第一电磁阀（9），打开第二电磁阀（15），将量筒（10）中的雨水由排水管（16）排出，并记录一次排水计数并将其传递给监测中心（28）；

e)当监测到降雨停止时或环境温度高于4℃时，关闭加热装置。