CN109752775A - 一种高精度响应雨量过程的虹吸装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，本虹吸装置安装于雨量计内部承雨器和计量翻斗之间，虹吸装置包括主体件、虹吸体、中间件，主体件固定安装于承雨器底部，虹吸体固定安装于主体件上，虹吸体上部两侧具有虹吸入口、底部具有虹吸出口，虹吸体安装后其虹吸入口位于主体件内部；中间件在主体件内部固定于虹吸体上，在中间件内部设置底面开口的空腔，虹吸入口位于空腔内，中间件用于形成空腔的内侧壁与虹吸体之间、中间件外侧壁与主体件内侧壁之间均具有间隙，且通过中间件底面与主体件底部的间隙连通。本发明通过将气象部门传统双层雨量计的上翻斗替换为虹吸装置，将自然雨强实时变化值稳定为固定值并流入翻斗，从而大大提高雨量计的测量精度。

Description

一种高精度响应雨量过程的虹吸装置

技术领域

本发明适用于水文和气象降水测量技术领域，特别是针对不同分辨率雨量计在不同雨强下出现的误差差异问题，可适用于不同雨强下实现高精度响应雨量过程的雨量计虹吸装置。

背景技术

降水资料的准确性一直是水文和气象部门关注的重点，也是水资源利用、洪水预警、生态水文调节等领域的先决条件，众多研究者也寻求高精度测量降雨的方法，包括引进国外雨量计，对比不同分辨率雨量计降水测量误差等等。早期使用的虹吸雨量计虽可实现高精度的降雨过程记录，但需要人工进行测量，较为麻烦；翻斗式雨量计设计原理简单，性能稳定，但对雨强大小非常敏感，特别是不同分辨率翻斗对不同雨强的误差。国内目前的多数雨量站和实验基地配备的测雨计量装置为翻斗式雨量计，这种翻斗式雨量计有GB要求，且几十年来一直没有变化。因此如何进一步提高现有雨量计的计量精度、稳定性以及快速响应降雨过程显得尤为重要，是现在水文和气象部门亟待解决的问题。

现有雨量计的种类较多，依据翻斗的分辨率可分为0.1mm、0.2mm、0.5mm和1mm的雨量计。气象部门运用较多为0.1mm的双翻斗雨量计，水文部门运用较多为0.2mm单翻斗雨量计。翻斗式雨量计计量通过雨量器的承雨器进入翻斗，将左右斗翻斗次数转换为电信号，进行记录和传输。但翻斗式雨量计存在较大的测量误差。误差的主要来源是雨强，在翻斗进行计量时，虽然每次翻斗的时间间隔较小，但在翻斗的这段时间ΔT内，进水的漏斗仍然会向翻斗内注入水量。因此在雨强较大时，通过进水漏斗进入翻斗的水量就多于一斗的测量总量，造成测量值偏大误差偏负；在雨强较小时，进入漏斗的水量较小，可能小于一斗记录的水量，导致测量值偏小误差偏正。进而造成不同雨强下对降水测量误差时而偏大时而偏小，对降雨的精确测量带来困扰。

目前气象部门使用的0.1mm双翻斗雨量计，目的是为了降低降雨雨强变化对于计量翻斗的影响。其主要原理是在单翻斗雨量计上层再加一层翻斗，及双层翻斗，降雨经过上层翻斗后在通过漏斗进入下层的计量翻斗，可实现将雨强均化为4mm/min，将进入计量翻斗的雨强固定在常数值，与自然降雨雨强无关，所以便可以提高测量精度。

但由于双层翻斗的上层翻斗和下层翻斗分辨率相同，即上层翻斗翻动水量刚好与下层翻斗翻动的水量相同，因此在上层翻斗翻动后，流入下层漏斗的雨强可能小于4mm/min，这样便会造成计量误差的产生。且当自然雨强较小时，这种误差便会持续累计，造成进一步误差。

新的测雨设备，例如超声式雨量计、美国得克萨斯的称重式雨量计等通过高精度的电子设备称量或通过数学推算方式得到精确的降水量。但这些设备成本较高，而且维护程序繁琐，整体而言增加了测雨工作的可靠性、时效性问题。

因此如何克服现有技术条件的不足，并综合不同技术优点，以实现水文和气象部门的高精度、快速响应的降雨测量工作，是急需解决的难题之一。

发明内容

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，通过将气象部门传统双层雨量计的上翻斗替换为虹吸装置，将自然雨强的实时变化值通过虹吸装置，稳定为固定值并流入计量翻斗，从而大大提高雨量计的测量精度。

本发明的技术方案如下：

一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，本虹吸装置安装于雨量计内部承雨器和计量翻斗之间，所述虹吸装置包括

主体件，所述主体件固定安装于承雨器底部，主体件内部中空；

虹吸体，所述虹吸体固定安装于主体件上，虹吸体上部两侧具有虹吸入口、底部具有虹吸出口，虹吸入口和虹吸出口通过虹吸体内部通道连通，虹吸体安装后其虹吸入口位于主体件内部；

中间件，所述中间件在主体件内部固定于虹吸体上，在中间件内部设置底面开口的空腔，虹吸入口位于空腔内，中间件上用于形成空腔的内侧壁与虹吸体之间、中间件外侧壁与主体件内侧壁之间均具有间隙，且两侧的间隙通过中间件底部连通。

所述主体件内部中空部位自上而下依次设置两次带坡度的变直径结构。

经过多次实验，发现由于水存在粘滞力、材料浸润和残留水的作用，虹吸装置存在首次虹吸出水量和非首次虹吸出水量的差异，因此设计了主体件的变直径结构，解决首次和非首次虹吸出水量差异带来的影响。且首次虹吸出水量满足一次翻斗的水量，非首次虹吸出水量满足两次翻斗的水量。

降雨通过承雨器收集后流入主体件内部中空处，水位上升至主体件第一次变直径结构处，触发首次虹吸，雨水经虹吸出口注入到下方的计量翻斗，非首次虹吸时，内部水位在到达第二次变直径结构处形成。

两次变直径结构的边沿直径处坡度为1:4，虹吸入口直径为3～4mm，虹吸出口直径均为3mm，中间件内侧壁与虹吸体之间的间隙为1mm。

所述主体件和承雨器之间、虹吸体和主体件之间、中间件和虹吸体之间均通过螺纹连接。

所述主体件、虹吸体、中间件均为黄铜材。

本发明的有益效果：

1、本发明通过虹吸体将自然降雨的变雨强过程平滑为稳定流量过程，因此进入到翻斗内的流量稳定，每次翻斗时在翻转时间内进入到左右斗的水量相同，消除翻斗翻动产生误差，提高计量精度。

2、本发明通过两个带有坡度的变直径结构，解决首次虹吸和非首次虹吸出水量不同的问题，可将首次虹吸出水量稳定在3.4g，非首次虹吸的出水量稳定在6.8g，即翻一斗的水量和翻两斗的水量，进一步提高雨量计的计量精度，在0.1～6mm/min雨强的变化范围内，可使0.1mm的雨量误差从±12％减少到±3％。

3、本发明结构简单，虹吸体可靠性强，出流稳定性高。

4、本发明适合于各个型号的翻斗式雨量计，并且对于精度提升效果明显。

附图说明

附图1为本发明使用方式示意图；

附图2为本发明内部结构示意图；

附图3为本发明主体件结构示意图；

附图4为本发明中间件结构示意图；

附图5为本发明虹吸件结构示意图；

附图6为本发明工作原理示意图。

附图中所示标号：1、承雨器；2、虹吸装置；3、计量翻斗；4、排水漏斗；5、主体件；6、中间件；7、虹吸体；8、第一坡度；9、第二坡度；10、空腔；11、虹吸入口；12、虹吸出口。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

如图1～6所示，本发明的虹吸装置2主要由主体件5、中间件6、虹吸体7三部分组成，主体件5上部通过螺纹连接到承雨器1，其内部中空，承雨器1收集的雨水可流入主体件5内部，虹吸体7通过螺纹旋入在主体件5底部，虹吸体7上部位于主体件5内，下部位于主体件5外部，虹吸体7上部两侧设置虹吸入口11，底部设置与虹吸入口12连通的虹吸出口，中间件6通过螺纹旋紧在虹吸体7顶部，中间件6底部具有空腔10，中间件6安装后，其底部与主体件5底面由一定空隙，其外侧面与主体件5内壁具有间隙，其空腔10侧壁与虹吸体7之间具有间隙，两侧的间隙通过底部连通形成连通结构。

本发明虹吸装置2采用疏水材质的黄铜结构利于虹吸作用将内部的水排出，内部残余水量小。如图6所示为本发明的工作原理，主要利用重力、水的表面张力来触发虹吸，由于水表面存在张力，因此在雨水逐渐注入虹吸装置2，主体件5中水位不断上升，根据连通器原理，中间件6与虹吸体7之间间隙中水位会也会升高。当水在进入虹吸入口11后，由于大气压对水面压力的方向改变(由向下变为向上)，且由于重力作用，理论上水会直接流出。但由于水表面存在张力作用，水会停留在虹吸入口11处，随着主体件5中水面的不断上升，水压增大，当水位上升形成的水压力大于虹吸入口11处形成的表面张力时，便会触发虹吸，并由于虹吸作用使通道内水流出，从虹吸出口12注入到下方的计量翻斗内。因此不管自然雨强多大，均可实现进入到计量翻斗内的流量稳定，从而提高雨量计的计量精度。

如图3所示，本发明的主体件5是两次变直径结构，且每次变直径的底面均为带坡度的斜面，用于解决首次虹吸和非首次虹吸出水量不同的问题。当主体件5内水位不断上升，首次虹吸时，水位到达主体件5第一次直径变化处形成，然后通过虹吸出口12注入到计量翻斗3中。非首次虹吸，由于材料浸润和残留水的问题，内部水位在到达主体件5第二次直径变化处形成，然后水通过虹吸出口12注入到计量翻斗3内。

由于虹吸流量计算较为复杂，虹吸时间较短，且出水口直径较小，受到水的粘滞力影响较大，所以在本发明实施时已经利用Fluent软件进行精确的数值模拟。本发明经过多次实验、实践，以及数值模拟验证，得出以下优化后的各零部件的主要尺寸关系：

其中，两次变直径结构的边沿直径变化处的坡度为1:4，虹吸入口直径为3～4mm，虹吸出口直径均为3mm，中间件内侧壁与虹吸体之间的间隙为1mm。采用上述尺寸的本发明能够得到此结构的出水口流量在4g/s，换算为雨强即为7.5mm/min。完全可满足我国大部分地区自然雨强条件，且可将注入翻斗的雨量稳定为常数，大幅提高翻斗的计量精度，取得了非常满意的实验和实践效果。在本发明中，考虑到虹吸装置2内部结构尺寸在毫米级别，因此应当在承雨器1的漏斗倾角处和底部均设置滤网，防止沙尘和其他颗粒物进入虹吸装置2中。

Claims (6)

1.一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，本虹吸装置安装于雨量计内部承雨器和计量翻斗之间，其特征在于：所述虹吸装置包括

主体件，所述主体件固定安装于承雨器底部，主体件内部中空，

虹吸体，所述虹吸体固定安装于主体件上，虹吸体上部两侧具有虹吸入口、底部具有虹吸出口，虹吸入口和虹吸出口通过虹吸体内部通道连通，虹吸体安装后其虹吸入口位于主体件内部；

中间件，所述中间件在主体件内部固定于虹吸体上，在中间件内部设置底面开口的空腔，虹吸入口位于空腔内，中间件上用于形成空腔的内侧壁与虹吸体之间、中间件外侧壁与主体件内侧壁之间均具有间隙，且通过中间件底部与主体件底部的间隙连通。

2.如权利要求1所述的一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，其特征在于：所述主体件内部中空部位自上而下依次设置两次带坡度的变直径结构。

3.如权利要求2所述的一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，其特征在于：降雨通过承雨器收集后流入主体件内部中空处，水位上升至主体件第一次变直径结构处，首次触发虹吸，雨水经虹吸出口注入到下方的计量翻斗，非首次虹吸时，内部水位在到达第二次变直径结构处形成。

4.如权利要求2所述的一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，其特征在于：两次变直径结构的边沿坡度为1:4，虹吸入口直径为3～4mm，虹吸出口直径为3mm，中间件内侧壁与虹吸体之间的间隙为1mm，中间件外侧壁与主体件变直径结构处的边沿直径形成的间隙为可变的。

5.如权利要求1所述的一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，其特征在于：所述主体件和承雨器之间、虹吸体和主体件之间、中间件和虹吸体之间均通过螺纹连接。

6.如权利要求1所述的一种高精度响应雨量过程的虹吸装置，其特征在于：所述主体件、虹吸体、中间件均为黄铜材质。