CN109407182A - 基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：根据总雨量统计期间内的所有斗时长，获得总降雨量；每一所述斗时长通过即时雨量函数获得总雨量统计期间内的每一即时雨量，并通过所有即时雨量获得总降雨量。在不对常规的翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，引入了对翻斗两次翻转的时间间隔的采集，结合翻斗式雨量传感器的特征属性，构建了一套全新的获得精确降雨量的解决方案。本发明实现批量生产制造更为简单，成本更为低廉，普适性更强，能够达到更高的精度的效果，可以适用于绝大多数形态的翻斗式雨量传感器，具有很强的社会效益和推广价值。

Description

基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器

技术领域

本发明涉及雨量传感器领域，尤其涉及一种基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器。

背景技术

翻斗式雨量传感器是一种水文、气象仪器，用以测量自然界降雨量，同时将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要。传统的翻斗式雨量传感器一般只能做到±4％的误差，对于气象的历史记录、数据分析越来越不能满足要求。

对于现有的翻斗式雨量传感器而言，基本均为通过预设的精度(与会导致翻斗翻转的水量正相关)以及翻斗翻转触发的干簧管的开关次数(开关量)来获得最终的总降雨量。如果该种计算方式存在误差，则都是通过误差修正的方式来进行调整，使最终输出的开关量能够尽可能接近理想开关量从而减小误差。

然而，随着当前对降雨数据精度越来越高的要求之下，几乎所有的采用的误差校正方案并不一定能够很妥善地消除误差的影响，甚至可能引入新的误差，如双翻斗的雨量传感器虽然能够消除动态损失(由于降雨是连续的过程，在一侧翻斗在承接雨水达到翻斗力矩阈值开始翻转，至另一侧翻斗开始承接雨水的过程中，有一部分雨水因为没有被翻斗承接从而未纳入翻斗式雨量传感器的计量范围所造成的会导致误差的损失)，但引入了新的随机误差，又或是因加工精度所限，在成本和技术能力的范围内无法实现误差的消除，再或是修正误差的操作过程繁琐，费时费力。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷和不足的问题，本发明采用全新的数据采集和输出方案，在不对翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，具体采用以下技术方案：

一种基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：根据总雨量统计期间内的所有斗时长t，获得总降雨量H；每一所述斗时长t通过即时雨量函数：J(h,t)＝0获得总雨量统计期间内的每一即时雨量h，并通过所有即时雨量h获得总降雨量H；所述即时雨量函数为：

其中，斗时长t为翻斗两次翻转的时间间隔，单位为s，即时雨量h为斗时长t的等效雨强在斗时长t内产生的降雨量，单位为mm，a、b、c为总降雨量H₀下确定的拟合参数。

优选地，包括：承水器、设置在所述承水器下方的漏斗、设置在所述漏斗下方的翻斗、由所述翻斗驱动的磁钢、以及包括干簧管的计数电路模块；所述斗时长t为干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。

优选地，所述即时雨量函数通过斗参数-雨强函数：F(u,y,t)＝0，雨强恒定时成立的关系式：以及即时雨强的定义式获得，所述斗参数-雨强函数为：

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；斗数y为翻斗翻转总次数；总降雨量H₀的单位为mm。

优选地，所述拟合参数a、b、c通过以下方法确定：

在试验环境给定的总降雨量H₀下，设定3个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值在每个平均雨强值下，测出对应的降雨过程中翻斗式雨量传感器的翻斗翻转总次数y值，获得3组不同的数值(u₁,y₁)、(u₂,y₂)、(u₃,y₃)，并带入所述斗参数-雨强函数，由此确定拟合参数a、b、c的值。

优选地，所述拟合参数a、b、c通过以下步骤确定：

步骤S1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定3个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每个平均雨强值下，测出对应的y值，获得3组试验值；

步骤S2：将3组试验值带入所述斗参数-雨强函数，计算获得拟合参数a、b、c的值，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S3：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S1相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每个平均雨强值下，测出对应的开关量z的值，获得3个开关量z；

步骤S4：将3个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得3个修正值，其中：如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束流程，确定拟合参数a、b、c的最终值；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S16；

步骤S5：采用3个所述修正值分别对3组试验值中的y值进行修正，获得修正后的3组试验值；

步骤S6：将所述修正后的3组试验值带入斗参数-雨强函数，计算获得3个拟合参数，并依此重新确定斗参数-雨强函数：F(u,y,t)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤S3。

优选地，在使用的过程中，可通过执行步骤S1-步骤S6，重新确定拟合参数a、b、c的值。

优选地，所述计数电路模块带有时钟电路；所述斗时长t通过干簧管相邻两次被触发的时间间隔获得，并通过设置在所述计数电路模块中的时钟电路提供的时钟信号计算准确值。

优选地，所述总降雨量H通过计算监控终端接收到翻斗式雨量传感器输出的开关量的个数获得，所述开关量通过即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得；所述开关量通过即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε相除获得或通过即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε相除后进行累加获得。

优选地，所述试验环境通过雨量校准仪提供。

优选地，所述计数电路模块带有USB接口；在确定拟合参数a、b、c的过程中，上位机通过USB接口与计数电路模块连接。

本发明及其优选方案颠覆了现有通过翻斗式雨量传感器获得并输出降雨量数据的方法，且做到了在精度越高的情况下，误差越小的打破常规的效果，在不对常规的翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，引入了对翻斗两次翻转的时间间隔的采集，结合翻斗式雨量传感器的特征属性，构建了一套全新的获得精确降雨量的解决方案。该种方法完全超脱了现有技术中对翻斗式雨量传感器的误差分析和消除的方法论。相比于现有技术方案，本发明实现批量生产制造更为简单，成本更为低廉，普适性更强，能够达到更高的精度的效果，可以适用于绝大多数形态的翻斗式雨量传感器，具有很强的社会效益和推广价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例1实现所需的基本构成单元和模块示意图；

图2为本发明实施例1具体结构剖视示意图；

图3为本发明实施例1具体结构立体爆炸图；

图4为本发明实施例1计数摆动机构立体示意图；

图5为本发明实施例1计数电路模块电路原理图1；

图6为本发明实施例1计数电路模块电路原理图2；

图7为本发明实施例1计数电路模块电路原理图3；

图8为本发明实施例2实现所需的基本构成单元和模块示意图；

图9为适用于本发明实施例的第一种雨量校准仪结构示意图；

图10为适用于本发明实施例的第二种雨量校准仪结构示意图；

图11为本发明实施例获得的h-t相关性的坐标图；

图12为本发明实施例获得的y-u相关性的坐标图；

图中：1-承雨器；2-支架；3-漏斗；4-翻斗；5-计数摆动机构；6-计数电路模块；7-调节螺杆；8-磁钢；21-翻斗限位件；22-计数摆动机构限位件；41-翻斗转轴；42-左斗室；43-右斗室；51-计数摆动机构转轴；52-突出部；53-让位部；54-指针部；61-干簧管；62-输出端子；63-计数电路模块支架；64-电池；65-时钟电路；66-主控芯片；67-编程调试接口；68-指示灯电路；69-光电耦合器；610-抗静电防护电路；611-USB接口；612-电源电路；613-电源退耦滤波电路；100-外壳；200-底座。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举2个实施例，并配合附图，作详细说明如下：

本发明的基本要旨在于：对翻斗两次翻转的时间间隔(斗时长t)进行采集，结合翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征，直接获得精确的总降雨量H。其中，翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征是翻斗式雨量传感器的特征属性中的一种。翻斗式雨量传感器的特征属性是基于特定的翻斗式雨量传感器而存在的，可用于描述该翻斗式雨量传感器区别于其他翻斗式雨量传感器的特性，如：其左右翻斗承接多少雨水会发生翻转的特征、从开始翻转到结束翻转达到稳定状态需要多少时长的特征、在特定总雨量和特定恒定雨强下的总斗数的特征等等，而翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征即为翻斗式雨量传感器根据斗时长t能够获得并确定的特征属性的统称。也就是说，基于本发明方案，可以直接在确定了特定的翻斗式雨量传感器(包括洞悉其特征属性)之后，在降雨场景当中，只需要测量其斗时长t，即可获得精确的总降雨量H。

在本发明中，翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征最后通过即时雨量函数J(h,t)＝0表征，通过即时雨量h即可获得总降雨量H。

在本发明中，对于即时雨量h的定义为：斗时长t的等效雨强在斗时长t内产生的降雨量。其中对于“等效雨强”：

我们考虑，在自然降雨的环境中，设当时间点为x的时候，其雨强为R(x)，则有于是，斗时长t内的精确降雨量可以表示为：

基于翻斗式雨量传感器的根本设计原理，单凭翻斗式雨量传感器的测量，根本不可能获得斗时长t内的雨量变化情况，从而无法利用此积分式获得精确解。然而，由于斗时长t内的精确降雨量的客观存在性，根据积分中值定理：一定存在一个确定的雨强值满足虽然该雨强值也不可获得，但我们便因此得到了“等效雨强”的原始含义。

在本发明中，将“等效雨强”定义为，在雨强恒定的条件下，对于确定的翻斗式雨量传感器，获得的每一斗时长值唯一对应的雨强值，从而获得了计算斗时长t内的降雨量的根本性基础。这意味着在确定了即时雨量函数的构成形式之后，即可以直接通过斗时长t近似地求得每个斗时长t内的降雨量，从而实现直接获得总降雨量H的目的。

由于自然界中实际降雨的雨强即使在一个斗时长内也基本不可能是一个恒定值，因此，通过整个降雨统计期间内的所有即时雨量h累加获得总降雨量H实质上是一种类似积分的近似运算，然而根据这一特点，我们可知，当翻斗式雨量传感器的精度越高时，同样雨强下的斗时长t将越短，根据常识，在越短时间内，自然降雨的雨强变化自然越不明显，则通过整个降雨统计期间内的所有即时雨量h累加获得总降雨量H的近似计算误差也就越小。这种特性，与现有的通过翻斗式雨量传感器计算降雨量的方案截然相反，且显著更优，相当于直接获得了实现超高精度降雨量数据获取的技术路径。

同时，基于以上对即时雨量h的定义，虽然最直接的设计方案应当是争取获得斗时长t的等效雨强，然而一方面非常高恒定性的雨强在试验环境中难以获得，另一方面，难以获得恒定雨强的精确数值。因此，本发明方案在翻斗式雨量传感器特征参量以及参量之间相关性的构建方面，由于通过一般的降雨试验，斗数y、斗时长t以及平均雨强值是可以精确测量的量，此时，虽然无法给出精确的恒定雨强值，但本发明通过围绕斗数y的试验，并对试验值进行反复校准的方式，达到获得精确斗参数-雨强函数，从而导出精确的即时雨量函数的目的。

需要特别说明的是，本发明方案的实现过程并不依赖于某种特定结构的翻斗式雨量传感器，其对作为数据测量的物质基础的翻斗式雨量传感器装置的要求仅在于：能够获取t值(一般的翻斗式雨量传感器的t值都可以通过测量干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔获得)，以及即时雨量h和斗时长t之间具备确定的、具有一定可描述的规律的相关性，即具备h-t相关的特征属性(如一些为了消除动态损失产生误差的设置有上下两个翻斗的翻斗式雨量传感器，由于其装置本身的结构特点，其输出的t值与即时雨量h或其等效雨强不具备确定的相关性，故不在本发明方案的可适用范围内)。因此，在通常情况下可以理解为任何不同的斗时长t能够反映即时雨量h变化的翻斗式雨量传感器(其一般情况下可以认为是随着实时雨强增大，t呈减小趋势，且只带有一个翻斗的翻斗式雨量传感器)均可以作为本发明方法的装置基础。本发明提供的以下实施例的具体结构或电路构造并不作为对本发明方法的适用范围的限制，仅作为一种方便于本领域技术人员更好地理解本发明方案的一个具体实现的案例。

如图1所示，在本发明的第一个实施例中，出于兼容现有的翻斗式雨量传感器与一般设置在气象站的监控终端对接和数据交互方式的考量，将基本运算单元放在翻斗式雨量传感器本地。本实施例对常规的翻斗式雨量传感器中只具备产生干簧管61开闭的计数脉冲功能的计数电路模块电路进行改进，在计数电路模块电路中增加了作为本地获取t值的时钟电路65，以及作为数据运算和存储核心的主控芯片66。主控芯片66根据t值进行运算后产生能够精确计算降雨量的开关量，并通过输出端子62传输至监控终端。

下面具体对本实施例中主控芯片66采用的数据处理和计算方法乃至其产生的过程进行详细的说明。

(1)获得y-u相关性特征

基于对即时雨量h的定义，虽然最直接的设计方案应当是争取获得斗时长t的等效雨强，然而一方面非常高恒定性的雨强在试验环境中难以获得，另一方面，难以获得恒定雨强的精确数值。因此，本发明方案在翻斗式雨量传感器特征参量以及参量之间相关性的构建方面，由于通过一般的降雨试验，斗数y是可以精确测量的量，此时，虽然无法给出精确的恒定雨强值，导致直接的u-t相关性难以获得，但可以尝试通过平均雨强值来替代，由于平均雨强值与斗数y的相关性较为显著，因此，本实施例从y-u相关性出发，获得翻斗式雨量传感器的特征属性。

在本实施例中，y-u相关性通过以下方法构建：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定多个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗参数-雨强函数：

F(u,y,t)＝0；

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；斗数y为翻斗翻转总次数。

以上构建斗参数-雨强函数的目的在于，在可以确定的总降雨量H₀的前提条件下，控制总降雨量保持不变，通过改变雨强大小进行试验，此时斗数y和测试给出的平均雨强值将具备显著的相关性，本实施例将通过斗参数-雨强函数建立这种相关性的数学表达。该斗参数-雨强函数的含义在于，作为翻斗式雨量传感器的一种特征属性，其表征了：在总降雨量为确定值H₀时，斗数y、斗时长t以及斗时长t的等效雨强u具备确定的关联性。在用其表达y-u的相关性时，只要雨强的变化率不大(近似恒定)时，平均雨强值可以近似地看做斗时长t的等效雨强u，并可以通过恒定雨强下成立的关系式：消去斗时长t，从而构建获得y-u相关性特征。

其中，在本实施例中，获得可以确定的总降雨量H₀总降雨量的方式既可以通过如图9所示的雨量校准仪中的标准球的容积给定，也可以采用如图10所示的在翻斗式雨量传感器的下方设置带有称重计的用于承接翻斗排出水的容器测定。

雨量大小的调节一般通过调节阀门(如出水电磁阀)进行。实现本实施例的方案时无需知晓雨强的具体数值，通常地，也不要求提供的雨强在模拟降雨的过程中必须完全恒定(但为了控制误差，应当尽可能地恒定，这一点上达到控制如图9所示的雨量校准仪中的出水电磁阀的状态在模拟降雨的过程中状态保持不变即可)，因此满足本实施例方案的试验条件只需要一般的雨量校准仪及其配套的设备即可完成。

而如图10所示的雨量校准仪设计方案可以作为本实施例中提供恒定雨强的试验装置，其包含有一个储水容器，在测试的时候，水泵一直对储水容器注水，注水的流量大于出水的流量，多余的水从溢水口流出，那么出水口与储水容器最高水位之间的高度差保持不变，这样对于恒定的出水通孔面积，其流量是稳定的，也就意味着雨强是恒定的，再通过步进电机和流量控制阀即可精确控制和调整输出雨强的大小。

在本实施例中，通过的离散点的分布和形态，以拟合为目的构建满足以下条件的斗数-斗时长函数：

在内满足：连续，y≤D，且当u_α＜u_β时有y_α≥y_β，其中，u_max为雨强极值，理想开关量为通过斗参数-雨强函数确定的函数。

该斗参数-雨强函数可以通过预设包括3个拟合参数的函数解析式预构建(拟合参数数量越多，拟合效果越精确，但一般计算量也越大)，该预构建的解析式形式一般根据大量试验值的分布所构成的图像进行拟合获得，由于采用类似构造和原理的翻斗式雨量传感器的试验值的分布一般具有共通的特征和规律，因此该预构建的函数解析式对于同一种类型的翻斗式雨量传感器均通用。如图12所示，该曲线即为本实施例所采用的翻斗式雨量传感器y-u相关性曲线的坐标图，预构建的斗参数-雨强函数即可以基于对该种曲线的拟合。

之后，在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定3个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值获得3组不同的试验值(u₁,y₁)、(u₂,y₂)、……(u_n,y_n)。将获得3组试验值带入斗参数-雨强函数式中，由此确定3个拟合参数的值，当试验提供的雨强越恒定，则确定的拟合参数的值越精确。

从而完成斗参数-雨强函数的解析式的确定。

根据以上提供的构建方法，在本实施例中，利用本实施提供的翻斗式雨量传感器，根据大量试验获得的形如图12所示的试验数据，将斗参数-雨强函数预构建成为以下形式(双曲函数)：

其中，a、b、c为拟合参数。

通过如图9所示装置对翻斗式雨量传感器在H₀＝10mm的场景下进行试验获得了以下三组数据：

小雨：y：119；

中雨：y：113；

大雨：y：108；

将以上数据带入：

解得：

从而确定了斗参数-雨强函数的解析式的具体形式。

根据以上确定的斗参数-雨强函数，雨强恒定时成立的关系式：以及即时雨强的定义式获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；其中，即时雨量h的单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm；斗时长t的单位为s。

根据即时雨量函数，在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，直接根据斗时长t的值，可以获得即时雨量h。构建完成的h-t相关性一般形如图11中的曲线所示。

在本实施例中，根据由此可以直接获得即时雨量函数的具体表达形式：

其中，a、b、c为拟合参数。

对于如何通过该即时雨量h，直接获得总雨量统计期间内的总降雨量H，翻斗式雨量传感器直接输出每一计算获得的即时雨量h或一次降雨期间内的总降雨量H是最理想的方式，本实施例为了与现有的降水量采集系统兼容，通过将即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε进行除运算，提供了两种从计数电路模块计算获得的重新定义的开关量的技术实现路径：

其一在于：通过即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε相除获得，即在总雨量统计期间内，计数电路模块在一个预设的周期内将即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε进行相除的运算，并将获得的除数与上一周期的尾数求和，之后将该和值的整数部分转换为相同个数的计量信号作为开关量z进行周期性的批量输出，小数部分作为本周期的尾数。

其二在于：通过即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε相除后进行累加获得，即在总雨量统计期间内，计数电路模块将每一即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε进行相除的运算，取整数部分作为开关量z输出，对小数部分进行累加，并将累加值的整数部分转换为相同个数的开关量z输出，同时保留累加值的小数部分参与下一次累加。

通过以上两种路径均可以精确地将本地计算获得的即时雨量h通过兼容现有监控终端降雨量获取和计算的方式，使得监控终端能够以此得到准确的总降雨量H。本实施例提供由本地向监控终端发送的数据信号虽然也是开关量的形式，但现有技术方案产生的开关量完全是基于干簧管61的计数信号，而本实施例方案的开关量产生机制则如上所述，完全不同。

此外，在本实施例当中，我们可以发现，虽然本实施例的相关性特征构建的理论基础都是基于恒定雨强，由于可以采用非恒定雨强的测试试验方案，其试验值一般都是在非恒定雨强下测出的，必然导致最终确定的即时雨量函数的不精确性(在实际的场景中，即使通过如图10所述的雨量校准仪进行试验，也很难获得真正完全恒定的雨强)。因此，为进一步提高以上本实施例所获得即时雨量函数的精度，考虑到在拟合法的构建方案当中拟合参数与试验值具备的相关性，在此提供一种专用于通过连续函数构建即时雨量函数的方案的优选校准方案：

在实现本发明方法的过程当中，通过如图9所示的雨量校准仪，提供降雨场景的模拟，并通过可执行本发明方法所编译程序的上位机通过USB接口611与本发明提供的翻斗式雨量传感器连接，用于采集输出的开关量、斗数等参量，以及更新参量等数据交互。该上位机的功能也可内嵌于雨量校准仪当中。

在试验值与相关性模型之间的吻合性存在偏差的情况下，本校准方法考虑采用对试验值当中的斗数y进行校准的方法，精确的确定拟合参数a、b、c的值，具体包括以下步骤：

步骤S1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定3个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对翻斗式雨量传感器进行测试，在每个平均雨强值下，测出对应的y值，获得3组试验值；

步骤S2：将3组试验值带入斗参数-雨强函数，计算获得拟合参数a、b、c的值，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S3：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S1相同的试验条件对翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每个平均雨强值下，测出对应的开关量z的值，获得3个开关量z；

步骤S4：将3个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得3个修正值，其中：如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束流程，确定拟合参数a、b、c的最终值；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S16；

步骤S5：采用3个修正值分别对3组试验值中的y值进行修正，获得修正后的3组试验值；

步骤S6：将修正后的3组试验值带入斗参数-雨强函数，计算获得3个拟合参数，并依此重新确定斗参数-雨强函数：F(u,y,t)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤S3。

通过以上步骤，以输出的开关量的误差表征试验值与预构建函数模型的不吻合性，并通过开关量误差产生修正值，并以该修正值反过来对试验值当中的斗数进行修正调整，并通过循环修正，逐步逼近理想状态。

在本方法中，修正值可以采用求差值或求比例系数的方式产生，如在理想开关量D为100，且其允许的误差为1％，即所确定的误差范围为99-101的情况下，如果某次试验输出的开关量z为97，则通过求差法，修正值可以是：+3(97+3＝100)，接下来可以对对应的试验值中的斗数进行+3的调整；通过求比例系数法，则修正值可以是：1.03(100/97＝1.03)，接下来可以对对应的试验值中的斗数进行乘1.03的调整。

在之后的运算当中，如果某次试验输出的开关量z落在99-101的范围，也就是说|z-D|≤1，则，直接确定修正值为0，当所有试验组对应的修正值均为0时，即结束修正流程，将最后一次计算对应的参数值和即时雨量函数最终确定下来。

以上优选的校准方法不仅可用于翻斗式雨量传感器使用之前的特征函数模型的校准，使通过非恒定雨强试验确定的即时雨量函数也能够保证与真实情况足够吻合的精确性，同样也可以适用于翻斗式雨量传感器在长期使用的过程中进行的误差校准和调整，其只需要通过常规的雨量校准仪提供测试环境，并且只需通过校准重新确定特征函数模型中的(拟合)参数值即可，能够大大提升校准操作的便捷性和效率。

为了更进一步阐述本实施例方法的可行的具体实现机制，以下结合图1-图7对本实施例提供的一种具体的可行装置进行具体的说明：

在装置结构方面，如图2、图3所示，本实施例整体装置作为一典型的具备单个翻斗的翻斗式雨量传感器，包括：设置在支架2上方的承水器1、设置在支架2顶部的漏斗32、设置在漏斗3下方的翻斗4、设置在翻斗4下方的计数摆动机构5、以及包括干簧管61的计数电路模块6。

翻斗4通过翻斗转轴41与支架2构成铰接；计数摆动机构5通过计数摆动机构转轴51与支架2构成铰接；翻斗转轴41和计数摆动机构转轴51设置在翻斗4的左斗室42和右斗室43的对称面上。

如图2所示，本实施例装置整体安装在外壳100和底座200构成的壳体当中，计数电路模块6设置于支架2的旁侧，其配置有输出端子62和电池61，并整体组装在计数电路模块支架63上。

如图4所示，本实施例提供的计数摆动机构5包括分别沿左斗室42和右斗室43延伸方向伸出的突出部52、包绕翻斗转轴41的让位部53，以及固定有磁钢8的指针部54；指针部54的摆动最高点与设置在支架2侧壁上的干簧管61等高(略低于干簧管61也是可行的方案，只需要保证当指针部54处于摆动最高点时，干簧管61的常开触点闭合，当指针部54偏离最高点时，干簧管61的常开触点打开即可)；磁钢8设置在计数摆动机构5的对称面上。

翻斗4和计数摆动机构5的两侧摆动范围各由两个限位件限制，包括两个形如圆柱状突起的翻斗限位件21和两个形如圆柱状突起的计数摆动机构限位件2222；限位件的作用是控制翻斗4和计数摆动机构5摆动的最大范围，使其每一次翻转的路径可控。

此外，计数摆动机构5的形态还需要满足：翻斗4朝两侧摆动所经路径在计数摆动机构5处于摆动允许范围之内的任何角度时，均与计数摆动机构5的突出部52相交，以保证翻斗4的每一次翻转摆动能够对应地驱动计数摆动机构5发生摆动，从而使磁钢8发生能够触发干簧管61的摆动，完成一次计数。

同时，翻斗4的重心应高于翻斗转轴41；计数摆动机构5的重心应高于计数摆动机构转轴51，以避免磁钢8在干簧管61附近反复摆动而使干簧管61的状态变化无法被触发。

以上构件除了包括常规翻斗式雨量传感器的最基本必要构件之外，主要对由干簧管61(磁簧开关)和磁钢8构成的计数组件进行了调整。本实施例方案将磁钢8设置在与翻斗4在结构上分离的计数摆动机构5上，从而消除了当磁钢8与干簧管61靠近时产生的磁力对装置整体力矩造成影响从而产生的误差。该计数摆动机构5在翻斗4发生翻转，当前承雨一侧翻斗4室下坠的过程中，由对应的一侧突出部52与该翻斗4室的底部发生作用，利用翻斗4室下坠的动能驱动计数摆动机构5发生摆动，从而使设置在指针部54的磁钢8摆动并通过与干簧管61的近点，能够在不影响翻斗4本身力矩的情况下完成一次磁簧开关的触发。

需要说明的是，在通常形态的翻斗式雨量传感器当中，磁钢8只需满足于跟随翻斗4的摆动并能够控制干簧管61的开闭完成翻斗摆动的计数即可，其并非一定要如本实施例的装置方案所述，必须设置在计数摆动机构5乃至其指针部54上，而只需满足磁钢8摆动至某一特征点时，能够触发干簧管61的常开触点闭合，而在偏离该特征点时，干簧管61的常开触点打开的条件即可，当然，为配合磁钢8的具体设置方位，干簧管61的具体设置方式也可以灵活作出调整。

作为优选，本实施例中，翻斗4还配置了垂直于翻斗转轴41的可以调节重心的调节螺杆7，根据公开号为C3107765349A的中国专利的记载，该调节螺杆7可以线性调节翻斗4和调节螺杆7构成的组合体的重心。且翻斗4的承雨面为圆柱面。在该种优选结构下，调节螺杆7应当设置在指针部54的内侧，以保证磁钢8与干簧管61之间的间距不会过大而导致干簧管61始终无法被触发。

在装置电路方面，如图5-图7所示，作为控制、存储和运算核心的主控芯片66采用SMT32L051C8，其分别与时钟电路65、编程调试接口67、干簧管61、指示灯电路68、光电耦合器69、电源电路612、抗静电防护电路613以及USB接口611连接。

其中，干簧管61作为翻斗式雨量传感器的计数元件，其构成的磁簧开关计数电路与翻斗式雨量传感器中由翻斗4的摆动驱动的磁钢8相配合，每当翻斗4翻转至预设的位置时，磁钢8与干簧管61的间距将达到最近，从而因磁钢8磁场的作用导致干簧管61的常开开关闭合导通，而当磁钢8继续运动，稍微远离干簧管61时，其对干簧管61的磁场影响减弱，则干簧管61的常开开关断开。由此产生的干簧管61开闭的脉冲即可作为翻斗翻转次数的计数依据。

作为本实施例实现重要构件的时钟电路65由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容构成，其设置的目的在于用于测量和测量干簧管61相邻两次被触发的时间间隔(斗时长)。

主控芯片66在获取更为精确降雨数据的过程中承担数据存储和运算的工作，一方面可以通过预设的即时雨量函数和斗时长计算获得即时雨量，再通过即时雨量的累加及与翻斗式雨量传感器的精度的除运算获得输出的开关量。

在本实施例中，传送至降水量监控终端的开关量经光电耦合器69从输出端子62输出。该种输出方式也可考虑替换为无线信号传输的方式，从而无需通过具体的线路来传输翻斗式雨量传感器输出的开关量。

为了更好地实现主控芯片66的精确计算的效果，本实施例提供了能够直接与雨量校准仪或上位机进行数据交互的USB接口611，以实现雨量传感器输出数据的采集或参数更新，以及可以下载获得精确校准程序的编程调试接口67，本实施例方法所转化成的程序语言及其对应的参数值即可以通过该端口下载至本地或进行更新。其中，USB接口611与主控芯片66之间设置有抗静电防护电路610以确保电路系统的整体安全性。

本实施例的电源电路612为1.8V电源稳压电路，由一个8000毫安电池64供电，同时还设置有电源退耦滤波电路613增强电源的稳定性。大容量电池配合可选用一些低功耗芯片和器件，可以保证本实施例装置在不充电的情况下工作足够长的时间(数年)。

本实施例还提供了指示灯电路68，用于指示电源的电量状态。

相比之下，在本发明的第二个实施例当中，由于其设计思路是基于现有的翻斗式雨量传感器装置的考量，其并不要求该翻斗式雨量传感器装置需要具备如第一个实施例图5-图7所示的特殊设计的计数电路模块，其基本装置条件只需满足如图8所示的现有的翻斗式雨量传感器具备的基本结构即可。

在本实施例中，将斗时长t的值的获取，乃至根据即时雨量函数计算总降雨量的任务执行放在监控终端处，位于本地的翻斗式雨量传感器的干簧管每次开闭产生的电子信号均实时传输至监控终端即可。此时监控终端可以通过相邻两个电子信号的时间间隔还原出对应翻斗式雨量传感器的斗时长，再通过以上实施例提供的方法进行计算。(当然，即时雨量函数的确定还是必须在本地进行，只是确定后的特征函数可以放在监控终端进行根据斗时长求总降雨量的运算)

该种实现思路的优势在于可以在基本不对现有降雨量采集点的翻斗式雨量传感器的硬件本身进行改动的情况下(不适用于前述双翻斗式雨量传感器)，只需在本地对翻斗式雨量传感器进行测试试验，完成即时雨量函数的构建即可。

不过相应地，通过该种方案，需要对现有的监控终端进行改造，需要增加测算精确时间，以及进行求解运算的相应装置或运算程序。

最后，还需要特别说明的是，虽然以上提供的2个实施例在对斗时长(翻斗两次翻转的时间间隔)的采集方案上均通过干簧管61和磁钢8的组合转换为：采集干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。但在本发明的方案中，斗时长的获取方式并不为干簧管61和磁钢8这一特定的装置组合所限，通过红外传感器、接触式传感器等多种其他原理类似的接近开关或接触开关的方案均同样能够获取斗时长，在以上提供的2个实施例中采用干簧管61和磁钢8的方案仅因为该种方案是当前翻斗式雨量传感器的常用方案，因不需要额外的供电，其使用效果更为优越而已。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：根据总雨量统计期间内的所有斗时长t，获得总降雨量H；每一所述斗时长t通过即时雨量函数：J(h,t)＝0获得总雨量统计期间内的每一即时雨量h，并通过所有即时雨量h获得总降雨量H；所述即时雨量函数为：

其中，斗时长t为翻斗两次翻转的时间间隔，单位为s，即时雨量h为斗时长t的等效雨强在斗时长t内产生的降雨量，单位为mm，a、b、c为总降雨量H₀下确定的拟合参数。

2.根据权利要求1所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：包括：承水器、设置在所述承水器下方的漏斗、设置在所述漏斗下方的翻斗、由所述翻斗驱动的磁钢、以及包括干簧管的计数电路模块；所述斗时长t为干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。

3.根据权利要求2所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述即时雨量函数通过斗参数-雨强函数：F(u,y,t)＝0，雨强恒定时成立的关系式：以及即时雨强的定义式获得，所述斗参数-雨强函数为：

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；斗数y为翻斗翻转总次数；总降雨量H₀的单位为mm。

4.根据权利要求3所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述拟合参数a、b、c通过以下方法确定：

在试验环境给定的总降雨量H₀下，设定3个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值在每个平均雨强值下，测出对应的降雨过程中翻斗式雨量传感器的翻斗翻转总次数y值，获得3组不同的数值(u₁,y₁)、(u₂,y₂)、(u₃,y₃)，并带入所述斗参数-雨强函数，由此确定拟合参数a、b、c的值。

5.根据权利要求3所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述拟合参数a、b、c通过以下步骤确定：

步骤S1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定3个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每个平均雨强值下，测出对应的y值，获得3组试验值；

步骤S2：将3组试验值带入所述斗参数-雨强函数，计算获得拟合参数a、b、c的值，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S3：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S1相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每个平均雨强值下，测出对应的开关量z的值，获得3个开关量z；

步骤S4：将3个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得3个修正值，其中：如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束流程，确定拟合参数a、b、c的最终值；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S16；

步骤S5：采用3个所述修正值分别对3组试验值中的y值进行修正，获得修正后的3组试验值；

步骤S6：将所述修正后的3组试验值带入斗参数-雨强函数，计算获得3个拟合参数，并依此重新确定斗参数-雨强函数：F(u,y,t)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤S3。

6.根据权利要求5所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：在使用的过程中，可通过执行步骤S1-步骤S6，重新确定拟合参数a、b、c的值。

7.根据权利要求2所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述计数电路模块带有时钟电路；所述斗时长t通过干簧管相邻两次被触发的时间间隔获得，并通过设置在所述计数电路模块中的时钟电路提供的时钟信号计算准确值。

8.根据权利要求7所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述总降雨量H通过计算监控终端接收到翻斗式雨量传感器输出的开关量的个数获得，所述开关量通过即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得；所述开关量通过即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε相除获得或通过即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε相除后进行累加获得。

9.根据权利要求4或5所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述试验环境通过雨量校准仪提供。

10.根据权利要求9所述的基于斗时长的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述计数电路模块带有USB接口；在确定拟合参数a、b、c的过程中，上位机通过USB接口与计数电路模块连接。