CN109521502A - 一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，主要包括降雨量监测系统、采样系统、PLC控制及显示系统。雨水经雨量口进入雨量管，由压力传感器感应出液位高度，并将信号实时传送至所述PLC控制及显示系统；当雨量管液位高度达到设定的提示采样液位间隔的整数倍时，所述PLC控制及显示系统的报警灯自动开启，所述采样系统接收PLC控制及显示系统的采样指令，常闭式电磁阀自动打开5～10s后关闭，采样斗中的雨水全部进入标准采样瓶，人工更换标准采样瓶并关闭报警灯，完成一次采样，系统自动进入下一采样周期。还公开了使用方法。本发明具有自动化程度高、精度高、采样及时、操作简单等优点，能够满足生产和科研的需要。
Description
技术领域
本发明属于降雨量监测及雨水采样技术领域，具体是涉及一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统及其使用方法。
背景技术
雨水作为一种很有价值的水资源，对其加以利用具有节约水资源、减缓洪涝灾害、补充地下水、控制径流污染和改善城市生态环境等多重意义。而准确监测雨水水质是合理利用雨水资源、有效管控城市径流污染的重要前提。国内外许多学者都对不同下垫面的径流雨水水质进行了研究，但对天然雨水的水质随降雨过程变化情况的研究极少，究其主要原因是人工依据降雨量连续采集雨水样品实际操作困难，且存在较大的误差和随机性。而雨量计只能记录降雨量而不能同时实现设定某一降雨量间隔的情况下进行天然雨水的分段采集。因此，一种既能连续自动记录降雨量，又能准确在设定某一降雨量间隔的情况下自动进行雨水采样的系统是必不可少的。本专利特此提出了一种新型自动降雨量监测记录及雨水采样系统。
发明内容
本发明针对在研究天然雨水水质随降雨量变化的过程中，人工依据降雨量变化进行采样实际操作困难，缺乏准确性和及时性，设计了一种既能自动精确记录降雨量又能在设定某一降雨量间隔的情况下自动采集雨水样品的系统。本发明集降雨量监测记录与雨水样品的采集于一体，具有记录准确、采样及时、操作简便、快捷等优点。
本发明的第一个方案是：一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，主要包括降雨量监测系统、采样系统、可编程逻辑控制器PLC控制及显示系统三部分；
所述降雨量监测系统包括雨量口、雨量管、气泡水平仪、三脚架和压力传感器；雨水经雨量口进入雨量管，由压力传感器感应出液位高度，并将信号实时传送至所述PLC控制及显示系统；当雨量管液位高度达到PLC控制及显示系统设定的提示采样液位间隔的整数倍时，所述PLC控制及显示系统自动开启报警灯并将采样信号实时传送至采样系统；
所述采样系统包括采样斗、采样平台、常闭式电磁阀、照明灯、排水管、排气孔及标准采样瓶；所述采样系统根据PLC控制及显示系统的采样指令，常闭式电磁阀自动打开5～10s后关闭，采样斗中的雨水全部进入标准采样瓶，人工更换标准采样瓶并关闭报警灯，完成一次采样，系统自动进入下一周期连续采样；
所述PLC控制及显示系统包括主控制模块、人机界面和供电电源；所述主控制模块实时接收压力传感器的输入信号和人机界面上设定的指令，将信号计算转换为PLC控制及显示系统所需的数据后输出给人机界面；所述人机界面为系统操作面板，包括报警灯、常闭式电磁阀控制旋钮、照明灯控制旋钮、USB接口和系统控制及显示窗口；所述供电电源为整个系统提供稳定的电力支持；
进一步地，在上述方案中，所述降雨量监测系统、采样系统、PLC控制及显示系统采用分体化设计。所述降雨量监测系统、采样系统位于室外，所述PLC控制及显示系统位于室内或帐篷内。
进一步地，在上述方案中，所述气泡水平仪设置于三角架上端平面，雨量口、雨量管和压力传感器依次连接且与三脚架上端平面垂直，三角架与雨量管衔接，用于将雨量口、雨量管和压力传感器垂直固定；所述压力传感器感应的液位高度为降雨量的10～15倍。
进一步地，在上述方案中，所述压力传感器具有高精度和高灵敏度，可以按照系统设定指令实时监测并将液位高度转换为电信号发送给PLC控制及显示系统。
进一步地，在上述方案中，所述采样平台使采样斗、常闭式电磁阀、照明灯、排水管、排气孔及标准采样瓶等固定，且保证采样斗上缘水平。所述常闭式电磁阀、照明灯、排水管、标准采样瓶均安装于采样平台下，所述常闭式电磁阀设置于排水管上，所述照明灯通过排水管固定。所述标准采样瓶设置于排水管末端，标准采样瓶瓶盖上设置排气孔。
进一步地，在上述方案中，所述降雨量监测系统的压力传感器、所述采样系统的常闭式电磁阀、照明灯均通过多向防水电缆与PLC控制及显示系统相连接；所述压力传感器、常闭式电磁阀、照明灯、主控制模块、人机界面的用电电压均为24V。
进一步地，在上述方案中，所述人机界面预留的USB接口可实现监测数据的实时记录并保存至U盘、移动硬盘或其他磁介质。
进一步地，在上述方案中，所述人机界面的系统控制及显示窗口主要负责对控制系统进行设定并进行数据记录，包括参数设置窗口、系统控制窗口、数据记录窗口；所述参数设置窗口包括数据记录液位间隔和采样液位间隔，系统控制窗口包括记录开启、记录关闭、关闭报警、归零校准、精度校正、PLC复位、电源、拔除U盘键，数据记录窗口包括时间、时间间隔、降雨量、采样序号。
进一步地，在上述方案中，采样液位间隔和记录液位间隔可通过参数设置窗口任意设定，可根据降雨强度及采样需求实现采样的灵活性。
进一步地，在上述方案中，在设定的采样液位间隔不变的情况下，采样的体积可通过改变采样斗内径灵活调整。
本发明的第二个技术方案是一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：在室外选择一处空旷平坦的位置，安装降雨量监测系统、采样系统，调整安装于三角架上端平面的气泡水平仪使气泡居中，调整采样平台使采样斗上缘水平；
S2：将PLC控制及显示系统放置于室内或帐篷内，采用多向防水电缆将降雨量监测系统、采样系统与PLC控制及显示系统连接，点击系统控制窗口的电源键，通过参数设置窗口设定数据记录液位间隔及提示采样液位间隔，向雨量管注入自来水，通过人机界面完成系统的调试，将U盘插入USB接口；
S3：当降雨开始时，先点击系统控制窗口的归零校准键，再点击记录开启键，所述自动降雨量监测记录及雨水采样系统开始工作；
S4：随着降雨量的累积，数据记录窗口出现时间、降雨历时、降雨量和采样序号的记录数据，当雨量管液位高度达到参数设置窗口设定的提示采样液位间隔的整数倍时，报警灯自动打开提示更换采样瓶，人工更换标准采样瓶并点击关闭报警键，完成一次采样，此后自动进行下一个采样周期。
S5：当降雨结束时，点击PLC控制及显示系统上的记录停止键，所述自动降雨量监测记录及雨水采样系统停止工作，点击拔除U盘键并关闭电源，完成一次降雨事件的自动降雨量监测记录及雨水采样工作。
本发明的有益效果是：本发明是在对雨量计的功能和原理掌握的基础上，开发的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统。本发明的自动降雨量监测记录及雨水采样系统能够满足生产和科研的需要，具有自动化程度高、精度高、采样及时、操作简单等优点，可以避免人工采样的不及时性和随机性，从而提高了研究不同降雨场次、不同地区的天然雨水水质随降雨量变化规律的准确性、可比性，具有很高的应用价值。
1、自动化程度高：能够实现降雨过程中自动记录降雨量，自动采样并报警提示更换标准采样瓶，与人工采样相比，大大提高了自动化程度。
2、高精度：本设备经过多次校准与标定，对降雨量的计量灵敏精确，系统误差小于±4％。
3、采样间隔可调：样品的采样液位间隔可通过人机界面任意调节，可根据降雨强度及采样需求实现采样的灵活性。
4、采样体积可调：在设定的采样液位间隔不变的情况下，采样的体积可通过改变采样斗内径灵活调整。
5、采样及时便捷：能够在设定的提示采样液位间隔及时采样，节省了人力资源，提高了采样精准度。
6、供电单一安全：采用220V转24V交流转换器电源，220V工频电源经过自动转换后所有用电设备的电压均为24V，可确保雨天操作安全。
7、通讯方便：预留的USB接口可实现监测数据的实时记录并保存至U盘、移动硬盘或其他磁介质。
8、系统可靠性和稳定性较高，除需人工更换标准采样瓶外其余过程为全自动，只需定期检查维修。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是人机界面中系统控制及显示窗口示意图。
其中，1-降雨量监测系统；2-雨量口；3-雨量管；4-气泡水平仪；5-三脚架；6-压力传感器；7-采样系统；8-采样斗；9-采样平台；10-常闭式电磁阀；11-照明灯；12-排水管；13-排气口；14-标准采样瓶；15-PLC控制及显示系统；16-主控制模块；17-人机界面；18-报警灯；19-电磁阀控制旋钮；20-照明灯控制旋钮；21-USB接口；22-系统控制及显示窗口；23-供电电源；24-多相防水电缆；25-参数设置窗口；26-系统控制窗口；27-数据显示窗口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明。
如图1所示的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，主要包括降雨量监测系统1、采样系统7、可编程逻辑控制器PLC控制及显示系统15；降雨量监测系统1包括雨量口2、雨量管3、气泡水平仪4、三脚架5和压力传感器6，雨水经雨量口2进入雨量管3，由压力传感器6感应出液位高度，并将信号实时传送至PLC控制及显示系统15；当雨量管3液位高度达到PLC控制及显示系统15设定的提示采样液位间隔的整数倍时，所述PLC控制及显示系统15自动开启报警灯18并将采样信号实时传送至采样系统7；采样系统7包括采样斗8、采样平台9、常闭式电磁阀10、照明灯11、排水管12、排气孔13及标准采样瓶14；采样系统7根据PLC控制及显示系统15的采样指令，常闭式电磁阀10自动打开5～10s后关闭，采样斗8中的雨水全部进入标准采样瓶14，人工更换标准采样瓶14并关闭报警灯18，完成一次采样，系统自动进入下一采样周期；PLC控制及显示系统15包括主控制模块16、人机界面17和供电电源23；所述主控制模块16实时接收压力传感器6的输入信号和人机界面17上设定的指令，将信号计算转换为PLC控制及显示系统15所需的数据后输出给人机界面；人机界面17为系统操作面板，包括报警灯18、电磁阀控制旋钮19、照明灯控制旋钮20、USB接口21和系统控制及显示窗口22；人机界面17的系统控制及显示窗口22主要负责对系统进行设定并进行数据记录；供电电源23为整个系统提供稳定安全的电力支持。降雨量监测系统1、采样系统7、PLC控制及显示系统15采用分体化设计。降雨量监测系统1、采样系统7位于室外，PLC控制及显示系统15位于室内或帐篷内。
其中，气泡水平仪4设置于三角架5上端平面，雨量口2、雨量管3和压力传感器6依次连接且与三脚架5上端平面垂直，三角架5与雨量管3衔接，用于将雨量口2、雨量管3和压力传感器6垂直固定。压力传感器6感应的液位高度为降雨量的10～15倍，压力传感器具有高精度和高灵敏度，可以按照系统设定指令实时监测并将液位高度转换为电信号发送给PLC控制及显示系统15。
采样平台9使采样斗8、常闭式电磁阀10、照明灯11、排水管12、排气孔13及标准采样瓶14等固定，且保证采样斗8上缘水平。常闭式电磁阀10、照明灯11、排水管12、标准采样瓶14均安装于采样平台9下，常闭式电磁阀10设置于排水管12上，照明灯11通过排水管12固定，以便在光线不足时为更换标准采样瓶14提供照明。标准采样瓶14设置于排水管末端，标准采样瓶14瓶盖上设置排气孔13，可保证雨水顺利流入标准采样瓶14。
所述降雨量监测系统的压力传感器6、所述采样系统的常闭式电磁阀10、照明灯11均通过多向防水电缆24与PLC控制及显示系统15相连接；所述压力传感器6、常闭式电磁阀10、照明灯11、主控制模块16、人机界面17的用电电压均为24V。
PLC控制及显示系统15预留的USB接口21可实现监测数据的实时记录并保存至U盘、移动硬盘或其他磁介质。
如图2所示，人机界面17的系统控制及显示窗口22包括参数设置窗口25、系统控制窗口26、数据记录窗口27。参数设置窗口25包括数据记录液位间隔和采样液位间隔，系统控制窗口26包括记录开启、记录关闭、关闭报警、归零校准、精度校正、PLC复位、电源、拔除U盘键，数据记录窗口包括时间、时间间隔、降雨量、采样序号。采样液位间隔和记录液位间隔可通过参数设置窗口25任意设定，可根据降雨强度及采样需求实现采样的灵活性。在采样液位间隔不变的情况下，采样的体积可通过改变采样斗7内径灵活调整。
在设定的采样液位间隔不变的情况下，采样的体积可通过改变采样斗8内径灵活调整。
该自动降雨量监测记录及雨水采样系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：在室外选择一处空旷平坦的位置，安装降雨量监测系统、采样系统，调整安装于三角架5上端平面的气泡水平仪4使气泡居中，调整采样平台9使采样斗8上缘水平；
S2：将PLC控制及显示系统15放置于室内或帐篷内，采用多向防水电缆24将降雨量监测系统1、采样系统7、PLC控制及显示系统15连接，点击系统控制窗口26的电源键，通过参数设置窗口25设定数据记录液位间隔及提示采样液位间隔，向雨量管3注入自来水，通过人机界面17完成系统的调试，将U盘插入USB接口；
S3：当降雨开始时，先点击系统控制窗口26的归零校准键，再点击记录开启键，所述自动降雨量监测记录及雨水采样系统7开始工作；
S4：随着降雨量的累积，数据记录窗口27出现时间、降雨历时、降雨量和采样序号的记录数据，当雨量管3液位高度达到参数设置窗口25设定的提示采样液位间隔的整数倍时，报警灯18自动打开提示更换标准采样瓶14，人工更换标准采样瓶14并点关闭报警键，完成一次采样，此后自动进行下一个采样周期。
S5：当降雨结束时，点击PLC控制及显示系统15上的记录停止键，所述自动降雨量监测记录及雨水采样系统停止工作，点击拔除U盘键并关闭电源，完成一次降雨事件的自动降雨量监测记录及雨水采样工作。
利用上述监测系统及方法，分别对降雨量监测系统的精确度进行了模拟校准并进行了实际采样操作，测试结果见表1～4。由表1可知，本发明的降雨量监测系统的测量准确度误差在±4％之间。由表2～4的实际监测情况可知，本发明系统工作正常稳定，达到预期效果。
表1系统的精确度
表2系统连续自动监测记录及采样(2018.05.22)
表3系统连续自动监测记录及采样结果(2018.07.05)
表4系统连续自动监测记录及采样结果(2018.07.07-2018.07.08)
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：主要包括降雨量监测系统(1)、采样系统(7)、PLC控制及显示系统(15)；
所述降雨量监测系统(1)包括雨量口(2)、雨量管(3)、气泡水平仪(4)、三脚架(5)和压力传感器(6)；雨水经雨量口(2)进入雨量管(3)，由压力传感器(6)感应出液位高度，并将信号实时传送至所述PLC控制及显示系统(15)；当雨量管(3)液位高度达到PLC控制及显示系统(15)设定的提示采样液位间隔的整数倍时，PLC控制及显示系统(15)自动开启报警灯(18)并将采样信号实时传送至采样系统(7)；
所述采样系统(7)包括采样斗(8)、采样平台(9)、常闭式电磁阀(10)、照明灯(11)、排水管(12)、排气孔(13)及标准采样瓶(14)；所述采样系统(7)根据PLC控制及显示系统(15)的采样指令，常闭式电磁阀(10)自动打开5～10s后关闭，采样斗(8)中的雨水全部进入标准采样瓶(14)，人工更换标准采样瓶(14)并关闭报警灯(18)，完成一次采样，系统自动进入下一采样周期；
所述PLC控制及显示系统(15)包括主控制模块(16)、人机界面(17)和供电电源(23)；所述主控制模块(16)实时接收压力传感器(6)的输入信号和人机界面(17)上设定的指令，将信号计算转换为PLC控制及显示系统(15)所需的数据后输出给人机界面(17)；所述人机界面(17)为系统操作面板，包括报警灯(18)、常闭式电磁阀控制旋钮(19)、照明灯控制旋钮(20)、USB接口(21)和系统控制及显示窗口(22)；所述供电电源(23)为220V转24V交流转换器电源，整个系统提供稳定的电力支持。
2.根据权利要求1所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：所述降雨量监测系统(1)、采样系统(7)、PLC控制及显示系统(15)采用分体化设计；
所述降雨量监测系统(1)、采样系统(7)位于室外，所述PLC控制及显示系统(15)位于室内或帐篷内。
3.根据权利要求1所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：所述气泡水平仪(4)设置于三角架(5)上端平面，雨量口(2)、雨量管(3)和压力传感器(6)依次连接且与三脚架(5)上端平面垂直，三角架(5)与雨量管(3)衔接，用于将雨量口(2)、雨量管(3)和压力传感器(6)垂直固定；所述压力传感器(6)感应的液位高度为降雨量的10～15倍。
4.根据权利要求1所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：所述压力传感器(6)按照系统设定指令实时监测并将液位高度转换为电信号发送给PLC控制及显示系统(15)。
5.根据权利要求1所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：所述采样平台(9)使采样斗(8)、常闭式电磁阀(10)、照明灯(11)、排水管(12)、排气孔(13)及标准采样瓶(14)等固定，且保证采样斗(8)上缘水平。所述常闭式电磁阀(10)、照明灯(11)、排水管(12)、标准采样瓶(14)均安装于采样平台(9)下，所述常闭式电磁阀(10)设置于排水管(12)上，所述照明灯(11)通过排水管(12)固定，所述标准采样瓶(14)设置于排水管(12)末端，所述标准采样瓶(14)瓶盖上设置排气孔(13)。
6.根据权利要求1所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：所述降雨量监测系统(1)的压力传感器(6)、所述采样系统(7)的常闭式电磁阀(10)、照明灯(11)均通过多向防水电缆(24)与PLC控制及显示系统相连接；所述压力传感器(6)、常闭式电磁阀(10)、照明灯(11)、主控制模块(16)、人机界面(17)的用电电压均为24V。
7.根据权利要求1所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：所述人机界面(17)预留的USB接口(21)可实现监测数据的实时记录并保存至U盘、移动硬盘或其他磁介质。
8.根据权利要求1所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：所述人机界面(17)的系统控制及显示窗口(22)主要负责对控制系统进行设定并进行数据记录，包括参数设置窗口(25)、系统控制窗口(26)、数据记录窗口(27)；所述参数设置窗口(25)包括数据记录液位间隔和采样液位间隔，系统控制窗口(26)包括记录开启、记录关闭、关闭报警、归零校准、精度校正、PLC复位、电源、拔除U盘键，数据记录窗口(27)包括时间、时间间隔、降雨量、采样序号。
9.根据权利要求1所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统，其特征在于：在设定的采样液位间隔不变的情况下，采样的体积通过改变采样斗(8)内径灵活调整。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在室外选择一处空旷平坦的位置，安装降雨量监测系统、采样系统，调整安装于三角架(5)上端平面的气泡水平仪(4)使气泡居中，调整采样平台(9)使采样斗(8)上缘水平；
S2：将PLC控制及显示系统(15)放置于室内或帐篷内，采用多向防水电缆(24)将降雨量监测系统(1)、采样系统(7)与PLC控制及显示系统(15)连接，点击系统控制窗口(26)的电源键，通过参数设置窗口(25)设定数据记录液位间隔及提示采样液位间隔，向雨量管(3)注入自来水，通过人机界面(17)完成系统的调试，将U盘插入USB接口；
S3：当降雨开始时，先点击系统控制窗口(26)的归零校准键，再点击记录开启键，所述自动降雨量监测记录及雨水采样系统开始工作；
S4：随着降雨量的累积，数据记录窗口(27)出现时间、降雨历时、降雨量和采样序号的记录数据，当雨量管(3)液位高度达到参数设置窗口(25)设定的提示采样液位间隔的整数倍时，报警灯(18)自动打开提示更换标准采样瓶(14)，人工更换标准采样瓶(14)并点击关闭报警键，完成一次采样，此后自动进行下一个采样周期；
S5：当降雨结束时，点击PLC控制及显示系统(15)上的记录停止键，所述自动降雨量监测记录及雨水采样系统停止工作，点击拔除U盘键并关闭电源，完成一次降雨事件的自动降雨量监测记录及雨水采样工作。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811190362.6A CN109521502A (zh) | 2018-10-12 | 2018-10-12 | 一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统及其使用方法 |
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| CN201811190362.6A CN109521502A (zh) | 2018-10-12 | 2018-10-12 | 一种自动降雨量监测记录与雨水采样系统及其使用方法 |
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|---|---|
| CN109521502A true CN109521502A (zh) | 2019-03-26 |
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|---|---|
| CN (1) | CN109521502A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113050197A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-06-29 | 杭州清至源环境科技有限公司 | 一种酸雨监测系统的在线全分析监测方法 |
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2018
- 2018-10-12 CN CN201811190362.6A patent/CN109521502A/zh active Pending
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