CN109239813B - 翻斗式雨量计的多计量特性检定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及翻斗式雨量计的多计量特性检定方法及装置，包括供水系统、称重系统、计数系统和控制系统。供水系统包括蠕动泵(2)和储水筒(11)。蠕动泵(2)的流量即待检定翻斗雨量计(1)的模拟雨强。称重系统包括三台高精度电子天平，分别是总天平(4)、左天平(5)和右天平(6)。计数系统包括计时器(3)和双导线(9)。控制系统包括控制器(7)和通信线(8)。该检定方法及装置能够自动、高效、全面地获取翻斗式雨量计的计量特性包括雨强‑总误差关系、雨强‑左右翻斗误差、计数计时、雨量计校核质量等特性，以便调整雨量计使其更高精度地测量降雨量，为气象学和水文学研究提供高精度的降雨数据。
Description
技术领域
本发明涉及翻斗式雨量计检定方法及装置，尤其是翻斗式雨量计的多计量特性检定方法及装置，属于气象学和水文学技术领域。
背景技景
降雨量是气象学和水文学研究都非常关注的要素。目前常用翻斗式雨量计来测量降雨量，但已有的检定方法或装置只获取单一计量特性，如雨量计雨强-总误差关系，而对左右翻斗误差、计数计时、校核质量(即流入与流出雨量计的雨量差值)等特性没有考虑在内，导致不能全面翻斗雨量计的计量特性，不便于对有问题的翻斗雨量计修正。所以，有必要对翻斗式雨量计的计量特性有全面的掌握，以便调整雨量计使其更高精度地测量降雨量，为气象学和水文学研究提供高精度的降雨数据。
发明内容
本发明解决的技术问题是：如何自动、高效、全面地获取翻斗式雨量计多计量特性。
本发明的目的在于针对上述情况提供翻斗式雨量计的多计量性能检定方法及装置，使气象、水文监测人员以及雨量计生产者能够自动、高效、全面地获取翻斗式雨量计的计量特性，包括翻斗式雨量计的雨强-总误差关系、雨强-左右翻斗误差、计数计时、校核质量等特性。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：翻斗式雨量计的多计量特性检定装置，包括四个系统：供水系统、称重系统、计数系统和控制系统。
所述的供水系统包括蠕动泵(2)和储水筒(11)，二者之间由导水管连接(10)。蠕动泵(2)的流量即待检定翻斗雨量计(1)的模拟雨强。
所述的称重系统包括三台高精度电子天平，分别是总天平(4)、左天平(5)和右天平(6)，它们的量程为3000-4000mL，分辨率0.01g。总天平(4)用于称量向翻斗式雨量计(1)供水量，左天平(5)和右天平(6)分别称量从翻斗式雨量计(1)左翻斗和右翻斗流出的水量。总天平(4)上的储水筒(11)和左天平(5)、右天平(6)上接水筒(10)都需要加带孔的盖，减少蒸发对检定的影响。
所述的计数系统包括计时器(3)和双导线(9)。其中双导线(9)与待检定翻斗式雨量计(1)相连。
所述的控制系统包括控制器(7)和通信线(8)。控制器(7)可以采用笔记本电脑、台式机或单片机；通信线(8)为RS232转USB通讯线，分别上述与一个蠕动泵(2)、三个电子天平(4)(5)(6)和一个计时器(3)相连。控制器(7)可以控制蠕动泵(2)的流量和开关。控制器(7)可以获取三个电子天平(4)(5)(6)的实时质量变化，分析质量变化，可以得到蠕动泵(2)的供水量、从翻斗式雨量计(1)左翻斗和右翻斗流出的水量。控制器(7)可以分析计时器(3)的电平扫描信息，得到雨量计的翻动次数和翻动时间。
本发明提出的翻斗式雨量计计量特性检定方法，包括如下具体步骤：
步骤一，根据待检定翻斗式雨量计的分辨率计算出其理论单斗水量，我国的翻斗式雨量计的标准器口面积S为314.2cm2，对应h＝0.1、0.2、0.5和1mm分辨率的翻斗式雨量计的理论单斗水量分别V0＝3.142、6.284、15.71和31.42cm3。
步骤二，根据需要模拟雨强I＝0.4、1、2、4、6mm/min等，计算出蠕动泵的流量Q＝I*31.42mL/min，控制器(7)向蠕动泵(2)发送指令，设置其输出流量为Q。
步骤三，根据模拟降雨总量10mm的要求，对应h＝0.1、0.2、0.5和1mm分辨率的翻斗式雨量计的翻动次数N分别是100、50、20和10次。控制器(7)向计数器(3)发送指令，设置其目标次数为N。
步骤四，开始检定前，控制器(7)向三个电子天平发送指令，获取总天平(4)的初始质量MT1，并将左天平(5)和右天平(6)去皮。
步骤五，控制器(7)选择第1个模拟雨强I1＝0.1mm/min，开启蠕动泵(2)，并实时采集三个电子天平(4)(5)(6)的实时质量变化以及计数器(3)的所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间。
步骤六，当计数器(3)显示的翻动次数达到N时，控制器(7)立即关闭蠕动泵(2)。等待20秒，停止采集并保存三个电子天平(4)(5)(6)的实时质量和计数器(3)的所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间。
步骤七，控制器(7)根据总天平初始和结束时的读数，可计算得到注入总水量MT、根据左天平(5)和右天平(6)的结束的计数得出左斗流出的水量ML和右斗流出的水量MR。计算校核质量ΔM＝MT-ML-MR，如果ΔM大于1.0g，说明率定操作较差，需要重复步骤四至步骤六；如果ΔM小于1.0g，说明整个模拟降雨过程中没有水量损失，率定质量较高，可计算计算总误差ET＝(0.1*N*S*h-MT)/MT*100％，左斗误差EL＝(0.1*N*S*h/2–ML)/ML*100％,右斗误差ER＝(0.1*N*S*h/2–MR)/MR*100％
步骤八，重复步骤四至步骤七，做三次，获取第一个模拟雨强下的三个总误差ET、左斗误差EL和右斗误差ER。
步骤九，控制器(7)选择模拟的其他雨强I＝1、2、4、6mm/min，重复步骤四至步骤八，得到翻斗式雨量计总的、左斗和右斗的雨强-计量误差关系。
步骤十，控制器(7)解析总天平的质量变化数据，可得到蠕动泵(2)的实际流量，如果与设置流量Q相近，说明蠕动泵(2)供水流量准确，否则需要对蠕动泵(2)进行标定。
步骤十一，控制器(7)解析左天平(5)和右天平(6)的阶步式质量变化数据，可得以到左、右斗每翻动一次的质量。
步骤十二，控制器(7)解析计数器(3)所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间数据，相邻翻动次数的时间差。
步骤十三，对比翻斗式雨量计的左、右斗流出的水量ML和MR，如果二者接近，说明二者达到较好的平衡；如果二者的差值较大，说明二者不平衡，需要调节翻斗的控制旋钮，重复步骤四至步骤九，得到翻斗式雨量计总的、左斗和右斗的雨强-计量误差关系。
有益效果：
与现有翻斗雨量计检定方法比较，能够更全面高精度的获取翻斗雨量计的计量特性，包括不同雨强下的总误差、左误差、右误差；总的、左斗和右斗的雨强-计量误差关系；相邻翻动次数的时间差；校核质量等。
根据左误差、右误差可以更容易的调整翻斗雨量计的旋钮，使左、右斗达到平衡。
根据总的雨强-计量误差关系，可以订正实际降雨过程的计量误差，得到更高精度的降雨数据。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的实施例图。图A为JDZ02、JDZ05和JDZ10型雨量计检定结果采用线性函数雨强-计量误差关系；图B为JDZ02、JDZ05和JDZ10型雨量计检定结果采用幂函数拟合雨强-计量误差关系；图C为JDZ02、JDZ05和JDZ10型雨量计检定结果采用二次项函数拟合雨强-计量误差关系。
图3是不同雨强下左右翻斗流出水量过程
图中：1-翻斗式雨量计；2-蠕动泵；3-计数计时器；4-总天平；5-左天平；6-右天平；7-控制器；8-通信线；9-双导线；10-导水管；11-储水筒；12-接水筒。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案再作进一步详细说明。
实施例：
翻斗式雨量计的多计量特性检定装置，包括四个系统：供水系统、称重系统、计数系统和控制系统。
所述的供水系统包括蠕动泵2和储水筒11，二者之间由导水管连接10。蠕动泵2的流量即待检定翻斗雨量计1的模拟雨强。
所述的称重系统包括三台高精度电子天平，分别是总天平4、左天平5和右天平6，它们的量程为3000-4000mL，分辨率0.01g。总天平4用于称量向翻斗式雨量计1供水量，左天平5和右天平6分别称量从翻斗式雨量计1左翻斗和右翻斗流出的水量。总天平4上的储水筒11和左天平5、右天平6上接水筒10都需要加带孔的盖，减少蒸发对检定的影响。
所述的计数系统包括计时器3和双导线9。其中双导线9与待检定翻斗式雨量计1相连。
所述的控制系统包括控制器7和通信线8。控制器7可以采用笔记本电脑、台式机或单片机；通信线8为RS232转USB通讯线，分别上述与一个蠕动泵2、三个电子天平4、5、6和一个计时器3相连。控制器7可以控制蠕动泵2的流量和开关。控制器7可以获取三个电子天平4、5、6的实时质量变化，分析质量变化，可以得到蠕动泵2的供水量、从翻斗式雨量计1左翻斗和右翻斗流出的水量。控制器7可以分析计时器3的电平扫描信息，得到雨量计的翻动次数和翻动时间。
本发明提出的翻斗式雨量计计量特性检定方法，包括如下具体步骤：
步骤一，根据待检定翻斗式雨量计的分辨率计算出其理论单斗水量，我国的翻斗式雨量计的标准器口面积S为314.2cm2，对应h＝0.1、0.2、0.5和1mm分辨率的翻斗式雨量计的理论单斗水量分别V0＝3.142、6.284、15.71和31.42cm3。
步骤二，根据需要模拟雨强I＝0.4、1、2、4、6mm/min等，计算出蠕动泵的流量Q＝I*31.42mL/min，控制器7向蠕动泵2发送指令，设置其输出流量为Q。
步骤三，根据模拟降雨总量10mm的要求，对应h＝0.1、0.2、0.5和1mm分辨率的翻斗式雨量计的翻动次数N分别是100、50、20和10次。控制器7向计数器3发送指令，设置其目标次数为N。
步骤四，开始检定前，控制器7向三个电子天平发送指令，获取总天平4的初始质量MT1，并将左天平5和右天平6去皮。
步骤五，控制器7选择第1个模拟雨强I1＝0.1mm/min，开启蠕动泵2，并实时采集三个电子天平4、5、6的实时质量变化以及计数器3的所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间。
步骤六，当计数器3显示的翻动次数达到N时，控制器7立即关闭蠕动泵2。等待20秒，停止采集并保存三个电子天平4、5、6的实时质量和计数器3的所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间。
步骤七，控制器7根据总天平初始和结束时的读数，可计算得到注入总水量MT、根据左天平5和右天平6的结束的计数得出左斗流出的水量ML和右斗流出的水量MR。计算校核质量ΔM＝MT-ML-MR，如果ΔM大于1.0g，说明率定操作较差，需要重复步骤四至步骤六；如果ΔM小于1.0g，说明整个模拟降雨过程中没有水量损失，率定质量较高，可计算计算总误差ET＝(0.1*N*S*h-MT)/MT*100％，左斗误差EL＝(0.1*N*S*h/2–ML)/ML*100％,右斗误差ER＝(0.1*N*S*h/2–MR)/MR*100％
步骤八，重复步骤四至步骤七，做三次，获取第一个模拟雨强下的三个总误差ET、左斗误差EL和右斗误差ER。
步骤九，控制器7选择模拟的其他雨强I＝1、2、4、6mm/min，重复步骤四至步骤八，得到翻斗式雨量计总的、左斗和右斗的雨强-计量误差关系。
步骤十，控制器7解析总天平的质量变化数据，可得到蠕动泵2的实际流量，如果与设置流量Q相近，说明蠕动泵2供水流量准确，否则需要对蠕动泵2进行标定。
步骤十一，控制器7解析左天平5和右天平6的阶步式质量变化数据，可得以到左、右斗每翻动一次的质量。
步骤十二，控制器7解析计数器3所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间数据，相邻翻动次数的时间差。
步骤十三，对比翻斗式雨量计的左、右斗流出的水量ML和MR，如果二者接近，说明二者达到较好的平衡；如果二者的差值较大，说明二者不平衡，需要调节翻斗的控制旋钮，重复步骤四至步骤九，得到翻斗式雨量计总的、左斗和右斗的雨强-计量误差关系。
根据本发明提供的翻斗式雨量计计量特性检定方法及装置思路设计并组建了新式翻斗式雨量计检定系统。该系统包括以下设备及装置：总天平为1台电子天平(CP4102，OHAUS，USA)；左、右天平为2台电子天平(CP3102，OHAUS，USA)；计数器采用脉冲高平采集器；蠕动泵采用步进式智能蠕动泵(LLS Plus，Kamoer，China)；透明的导水管若干；3个盛水器充当储水筒和接水筒；使用笔记本电脑充当控制机；天平、计数器、蠕动泵通过RS232转USB与控制器进行通讯。为减少水的密度对实验结果造成的影响，实验用水均为去离子水。
组装实验系统后，本实验按照本方法提供的步骤对南京水文自动化研究所开发的JDZ02、JDZ05和JDZ10型雨量计进行检定。具体的实验参数设置见表1和表2。通过检定，得到总的雨强-计量误差关系(图2)，采用线性函数、幂函数和二次函数进行拟合，得出JDZ02、JDZ05和JDZ10型雨强-计量误差关系采用二次项函数拟合，效果较好。根据各个雨强下左右翻斗水量过程线(图3，以JDZ10雨量计为例)，可以很方便地计算出左、右翻斗每翻动一次对应的质量变化。
表1模拟10mm总降雨量下不同分辨率雨量计与翻斗次数关系表
表2模拟10mm降雨下的雨强、流量和历时关系表
Claims (5)
1.一种翻斗式雨量计的多计量特性检定装置，其特征在于：包括四个系统，分别是供水系统、称重系统、计数系统和控制系统；所述的供水系统包括蠕动泵(2)和储水筒(11)；蠕动泵(2)的流量即待检定翻斗雨量计(1)的模拟雨强；所述的称重系统包括三台电子天平，分别是总天平(4)、左天平(5)和右天平(6)；所述的计数系统包括记数计时器(3)和双导线(9)；所述的控制系统包括控制器(7)和通信线(8)，各系统装置之间的位置连接关系如下：两个接水筒(12)坐在左天平(5)和右天平(6)上面，待检定翻斗雨量计(1)在两个接水筒(12)之上，中间由导水管(10)连接；储水筒(11)坐在总天平(4)上，储水筒(11)与待检定翻斗雨量计(1)之间由蠕动泵(2)的导水管(10)连接；待检定翻斗雨量计(1)与记数计时器(3)是通过双导线(9)进行连接；通信线(8)为RS232转USB通讯线，控制器(7)通过通信线(8)分别与一个蠕动泵(2)、总天平(4)、左天平(5)、右天平(6)和一个计时器(3)相连；
所述的翻斗式雨量计检定装置的使用方法步骤如下：
步骤一，根据待检定翻斗式雨量计的分辨率计算出其理论单斗水量，翻斗式雨量计的标准器口面积S为314.2cm2，对应h＝0.1、0.2、0.5和1mm分辨率的翻斗式雨量计的理论单斗水量分别V0＝3.142、6.284、15.71和31.42cm3；
步骤二，根据需要模拟雨强I＝0.4、1、2、4、6mm/min，计算出蠕动泵的流量Q＝I*31.42mL/min，控制器(7)向蠕动泵(2)发送指令，设置其输出流量为Q；
步骤三，根据模拟降雨总量10mm的要求，对应h＝0.1、0.2、0.5和1mm分辨率的翻斗式雨量计的翻动次数N分别是100、50、20和10次，控制器(7)向记数计时器(3)发送指令，设置其目标次数为N；
步骤四，开始检定前，控制器(7)向总天平(4)、左天平(5)、右天平(6)发送指令，获取总天平(4)的初始质量MT1，并将左天平(5)和右天平(6)去皮；
步骤五，控制器(7)选择第1个模拟雨强I1＝0.1mm/min，开启蠕动泵(2)，并实时采集总天平(4)、左天平(5)、右天平(6)的实时质量变化以及记数计时器(3)的所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间；
步骤六，当记数计时器(3)显示的翻动次数达到N时，控制器(7)立即关闭蠕动泵(2)，等待20秒，停止采集并保存总天平(4)、左天平(5)、右天平(6)的实时质量和记数计时器器(3)的所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间；
步骤七，控制器(7)根据总天平初始和结束时的读数，可计算得到注入总水量MT、根据左天平(5)和右天平(6)的结束的计数得出左斗流出的水量ML和右斗流出的水量MR，计算校核质量ΔM＝MT-ML-MR，如果ΔM大于1.0g，说明率定操作较差，需要重复步骤四至步骤六；如果ΔM小于1.0g，说明整个模拟降雨过程中没有水量损失，率定质量较高，可计算总误差ET＝(0.1*N*S*h-MT)/MT*100％，左斗误差EL＝(0.1*N*S*h/2–ML)/ML*100％,右斗误差ER＝(0.1*N*S*h/2–MR)/MR*100％；
步骤八，重复步骤四至步骤七，做三次，获取第一个模拟雨强下的三个总误差ET、左斗误差EL和右斗误差ER；
步骤九，控制器(7)选择模拟的其他雨强I＝1、2、4、6mm/min，重复步骤四至步骤八，得到翻斗式雨量计总的、左斗和右斗的雨强-计量误差关系；
步骤十，控制器(7)解析总天平的质量变化数据，可得到蠕动泵(2)的实际流量，如果与设置流量Q相近，说明蠕动泵(2)供水流量准确，否则需要对蠕动泵(2)进行标定；
步骤十一，控制器(7)解析左天平(5)和右天平(6)的阶步式质量变化数据，可得以到左、右斗每翻动一次的质量；
步骤十二，控制器(7)解析记数计时器(3)所获取雨量计的翻动次数及对应的翻动时间数据，相邻翻动次数的时间差；
步骤十三，对比翻斗式雨量计的左、右斗流出的水量ML和MR，如果二者接近，说明二者达到较好的平衡；如果二者的差值较大，说明二者不平衡，需要调节翻斗的控制旋钮，重复步骤四至步骤九，得到翻斗式雨量计总的、左斗和右斗的雨强-计量误差关系。
2.根据权利要求1所述的翻斗式雨量计的多计量特性检定装置，其特征在于：所述的总天平(4)、左天平(5)和右天平(6)，它们的量程为3000-5000mL，分辨率0.01g；总天平(4)用于称量向翻斗式雨量计(1)供水量，左天平(5)和右天平(6)分别称量从翻斗式雨量计(1)左翻斗和右翻斗流出的水量；总天平(4)上的储水筒(11)和左天平(5)、右天平(6)上接水筒(12)都需要加带孔的盖，减少蒸发对检定的影响。
3.根据权利要求1所述的翻斗式雨量计的多计量特性检定装置，其特征在于：所述控制器(7)可以控制蠕动泵(2)的流量和开关。
4.根据权利要求1所述的翻斗式雨量计的多计量特性检定装置，其特征在于：控制器(7)可以获取总天平(4)、左天平(5)、右天平(6)实时质量变化，分析质量变化，可以得到蠕动泵(2)的供水量、从翻斗式雨量计(1)左翻斗和右翻斗流出的水量，并计算出校核质量。
5.根据权利要求1所述的翻斗式雨量计的多计量特性检定装置，其特征在于：控制器(7)可以分析记数计时器(3)的电平扫描信息，得到雨量计的翻动次数和翻动时间。
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