CN109407184B - 基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，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。不仅可用于翻斗式雨量传感器使用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。

Description

基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法

技术领域

本发明涉及气象数据采集领域，尤其涉及一种基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法。

背景技术

降水数据作为一项重要的气象数据指标，具有广泛的应用和必要的意义。当前，降水数据一般以统计一段时期内的总降雨量为主，主要通过雨量传感器(雨量计)等装置实现实时降水数据的采集并上传至气象监控终端进行汇总和统计。当前的主流雨量传感器为翻斗式雨量传感器。

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。

此外，在翻斗式雨量传感器的长期使用过程难免会因为各种因素造成原本精确的设备失准，需要在一定的周期内对翻斗式雨量传感器进行检测和校准，现有的检测和校准的方案基本都是通过雨量校准仪先检定误差之后，通过调整翻斗的配重来减小误差从而完成校准的目的。该种方法操作较为繁琐，工序较为复杂，在检定误差后可能需要反复调整才能将误差控制在可以接受的范围内。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷和不足的问题，本发明采用全新的问题分析和方案设计思路，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：

一种基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗参数-雨强函数：

所述待定斗参数-雨强函数包括n个(n≥2)拟合参数；

其中，斗时长t为翻斗两次翻转的时间间隔；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；

并根据雨强恒定时成立的关系式：

以及

获得待定即时雨量函数：

其中，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；总降雨量H₀的单位为mm；

步骤S2：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，测出对应的y值，以及平均雨强值

或斗时长t值，获得n组试验值；

步骤S3：将n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S4：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S2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n个开关量z；

步骤S5：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n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，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S6；

步骤S6：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤S7：将所述修正后的n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n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S4。

优选地，在步骤S1中，所述待定斗参数-雨强函数根据雨强恒定时成立的关系式：

消去u之后在y>0，t>0的区间内可表示成如下形式：

在步骤S2中，在每次降雨试验中，测出y值，以及对应的y个斗时长t值：获得n组试验值。

优选地，在步骤S1中，所述待定斗参数-雨强函数根据雨强恒定时成立的关系式：

消去t；

在步骤S2中，在每次降雨试验中，测出y值，以及平均雨强值

获得n组试验值；

所述平均雨强值

通过总降雨量H₀以及总降雨时长T计算获得。

优选地，对于已经确定n个拟合参数的翻斗式雨量传感器，在使用的过程中，可通过执行步骤S2-步骤S7，重新确定n个拟合参数的值。

优选地，还包括：步骤S8：在降雨持续期间内，根据所述即时雨量函数和斗时长t的值，获得即时雨量h；

步骤S9：根据总雨量统计期间内的所有即时雨量h的值，获得总降雨量H。

优选地，所述翻斗式雨量传感器包括：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，在步骤S9中，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，在步骤S7之后，根据即时雨量函数和

的关系式，获得等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，斗时长t的等效雨强u的单位为mm/min。

本发明及其优选方案提出了一种全新的保证翻斗式雨量传感器精度，以及检定校准翻斗式雨量传感器精度的方法，其颠覆了现有的翻斗式雨量传感器误差校准的思路，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，通过常规的降雨试验，无需调整翻斗式雨量传感器的物理构件，采用调整参数的方式即可完成翻斗式雨量传感器的校准。

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为本发明实施例翻斗式雨量传感器所需的基本构成单元和模块示意图；

图2为本发明实施例翻斗式雨量传感器具体结构剖视示意图；

图3为本发明实施例翻斗式雨量传感器具体结构立体爆炸图；

图4为本发明实施例翻斗式雨量传感器计数摆动机构立体示意图；

图5为本发明实施例翻斗式雨量传感器计数电路模块电路原理图1；

图6为本发明实施例翻斗式雨量传感器计数电路模块电路原理图2；

图7为本发明实施例翻斗式雨量传感器计数电路模块电路原理图3；

图8为本发明实施例采用的雨量校准仪结构示意图；

图9为本发明实施例构建的h-t相关性的坐标图；

图10为本发明实施例构建的y-t相关性的坐标图；

图11为本发明实施例构建的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，本发明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。

在具体的装置结构方面，如图2、图3所示，本发明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，本发明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，本发明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。本发明方案将磁钢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，其并非一定要如本发明的装置方案所述，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，本发明中，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CN107765349A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。

作为本发明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。

在本发明中，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，本发明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，本发明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。

本发明的电源电路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，可以保证本发明装置在不充电的情况下工作足够长的时间(数年)。

本发明还提供了指示灯电路68，用于指示电源的电量状态。

为实现本发明方案，至少需要采用至少具备如图8所示雨量校准仪的提供确定总降雨量H₀和可再现特定降雨场景功能的试验装置，一般的现有常用雨量校准仪均满足该条件。

在实现本发明方法的过程当中，通过如图8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。

以下通过两个实施例来具体说明本发明的实现方案及所采用的具体步骤：

在本发明的第一个实施例中，采用斗数和斗时长作为试验值实施本发明方法，具体地，包括以下步骤：

步骤S1：通过如图8所示的雨量校准仪，根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下大量不同强度的降雨试验，对翻斗式雨量传感器进行测试获得的大量试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗参数-雨强函数：

待定斗参数-雨强函数包括n个(n≥2)拟合参数(拟合参数数量越多，拟合效果越精确，但一般计算量也越大)；

其中，斗时长t为翻斗两次翻转的时间间隔；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；

并根据雨强恒定时成立的关系式：

以及

获得待定即时雨量函数：

其中，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；总降雨量H₀的单位为mm；

在本实施例中，待定斗参数-雨强函数根据雨强恒定时成立的关系式：

消去u之后在y>0，t>0的区间内，满足当y_α＜y_β时有

可表示成如下形式：

上述表示形式的限制目的在于通过该种构成形式，在总降雨量H₀下，y为确定值时，可以进一步表示成为：

具备这样形式的表达式可以方便后续的计算和处理。

步骤S2：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对翻斗式雨量传感器进行测试，测出对应的y值，以及对应的y个斗时长t值：获得n组试验值；

步骤S3：将n组试验值带入待定斗参数-雨强函数的(2)式的表示形态中，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S4：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S2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n个开关量z；

其中，本实施例通过将即时雨量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。

步骤S5：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n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，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S6；

步骤S6：采用n个修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

在本实施例中，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。

步骤S7：将修正后的n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n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S4。

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。

本实施例提供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。

此外，在如何构建待定斗参数-雨强函数方面，本实施例提供了拟合法和建立数学模型两种途径。

对于拟合法而言，其建立在对大量试验值获得的图像的拟合，如图10所示，即为本实施例提供装置经大量试验获得的y-t相关性的坐标图，拟合法即可以通过对该曲线的拟合预构建斗参数-雨强函数。预构建的函数解析式一般最好采用容易求解的函数形式以降低计算量，如，可以预构建为：

其可以表示成：

其中，a、b、c为拟合参数。

但即使构建的函数解析式无法通过上述方法求解拟合参数的精确解，其也可以通过计算机程序获得近似的值，因此也属于一种可行的方案。

对于建立数学模型的方法而言，其建立在对翻斗式雨量传感器进行建模分析之上，以下提供一个具体的建立数学模型的实例：

只考虑动态损失的情况下，设恒定雨强值为

单位为mm/min，无动态损失的理想斗数为C，则根据降雨量H的定义，有：

可得动态损失的降雨量为

再设每一斗时长t内的处于动态损失状态下的时长为τ，可得动态损失的降雨量为

联立两式可得以下表征y-t相关性的动态损失方程，相当于预构建的斗参数-雨强函数：

(C-y)t＝yτ

其中，C和τ可以相当于在拟合法当中的拟合参数；

根据本实施例提供的方案，以上方程在试验环境可确定的总降雨量H₀下，可以进一步写为(2)式的形式：

在本发明的第二个实施例中，采用斗数和平均雨强作为试验值实施本发明方法，其实现步骤与第一个实施例基本相同，其差异仅在于：

在步骤S1中，所述待定斗参数-雨强函数根据雨强恒定时成立的关系式：

消去t；此时的斗参数-雨强函数在

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。

在步骤S2中，在每次降雨试验中，测出y值，以及平均雨强值

获得n组试验值。

并且，在如何构建待定斗参数-雨强函数方面，本实施例同样可以采用拟合法和建立数学模型两种途径。

对于拟合法而言，其建立在对大量试验值获得的图像的拟合，如图11所示，即为本实施例提供装置经大量试验获得的y-u相关性的坐标图，拟合法即可以通过对该曲线的拟合预构建斗参数-雨强函数，如，可以预构建为：

从而获得预构建的即时雨量函数：

其中，a、b、c为拟合参数。

对于建立数学模型的方法而言，其建立在对翻斗式雨量传感器进行建模分析之上，以下提供一个具体的建立数学模型的实例：

只考虑动态损失的情况下，设恒定雨强值为

单位为mm/min，无动态损失的理想斗数为C，则根据降雨量H的定义，有：

可得动态损失的降雨量为

再设每一斗时长t内的处于动态损失状态下的时长为τ，可得动态损失的降雨量为

联立两式可得以下y-u动态损失方程，相当于预构建的斗参数-雨强函数：

(C-y)ut＝yuτ

其中，C和τ可以相当于在拟合法当中的拟合参数；

再根据雨强恒定时满足的关系式：

可以获得表征y-u相关性的方程：

采用以上两个实施例的方法获得精确度很高的即时雨量函数之后，在实际降雨场景中，一方面可以通过直接测量翻斗式雨量传感器输出的经由本发明方法重新定义的开关量直接获得精确的总降雨量；另一方面，根据上述已经构建的即时雨量函数，再根据本发明方案对即时雨量h的定义：

即可由此获得获得等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，斗时长t的等效雨强u的单位为mm/min。

在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，可以直接根据斗时长t的值，获得斗时长t的等效雨强值。

如果将所有获得的等效雨强值u在时间轴上表示出来，我们其实就得到了相当精确的、实时的可以反映即时雨强情况的图景，并能够量化地了解实际雨强随时间变化的状况，这一点是通过现有技术方案完全无法实现的。

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参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，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 (9)

1.一种基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗参数-雨强函数：

所述待定斗参数-雨强函数包括n个拟合参数，n≥2；

其中，斗时长t为翻斗两次翻转的时间间隔；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；

并根据雨强恒定时成立的关系式：

以及

获得待定即时雨量函数：

其中，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；总降雨量H₀的单位为mm；

步骤S2：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，测出对应的y值，以及平均雨强值

或斗时长t值，获得n组试验值；

步骤S3：将n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤S4：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤S2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n个开关量z；

步骤S5：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n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，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤S6；

步骤S6：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤S7：将所述修正后的n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n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S4。

2.根据权利要求1所述的基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于：

在步骤S1中，所述待定斗参数-雨强函数根据雨强恒定时成立的关系式：

消去u之后在y>0，t>0的区间内可表示成如下形式：

在步骤S2中，在每次降雨试验中，测出y值，以及对应的y个斗时长t值：获得n组试验值。

3.根据权利要求1所述的基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于：

在步骤S1中，所述待定斗参数-雨强函数根据雨强恒定时成立的关系式：

消去t；

在步骤S2中，在每次降雨试验中，测出y值，以及平均雨强值

；获得n组试验值；

所述平均雨强值

通过总降雨量H₀以及总降雨时长T计算获得。

4.根据权利要求1所述的基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于：对于已经确定n个拟合参数的翻斗式雨量传感器，在使用的过程中，可通过执行步骤S2-步骤S7，重新确定n个拟合参数的值。

5.根据权利要求1所述的基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于，还包括：

步骤S8：在降雨持续期间内，根据所述即时雨量函数和斗时长t的值，获得即时雨量h；

步骤S9：根据总雨量统计期间内的所有即时雨量h的值，获得总降雨量H。

6.根据权利要求5所述的基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于：所述翻斗式雨量传感器包括：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。

7.根据权利要求6所述的基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，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所述的基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于，在步骤S9中，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1所述的基于斗参数和雨强的翻斗式雨量传感器修正方法，其特征在于:

在步骤S7之后，根据即时雨量函数和

的关系式，获得等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，斗时长t的等效雨强u的单位为mm/min。

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