CN110208883A - 一种双翻斗信号比较装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水文和气象测量器具技术领域的一种双翻斗信号比较装置及方法，旨在解决现有技术中雨量计测量误差大、替换性能差、稳定性差的技术问题。所述方法包括如下步骤：控制板通过小翻斗信号线监测获取小翻斗翻转数，生成小翻斗变量A；控制板通过大翻斗信号线监测获取大翻斗翻转数，生成大翻斗变量B；当大翻斗翻转数未发生变化时，经输出线输出小翻斗变量A；当大翻斗翻转数发生变化时，如果A≥B，提取A作为综合输出变量C经输出线输出，将大翻斗变量由B校正为A；如果A＜B，提取B作为综合输出变量C经输出线输出，将小翻斗变量由A校正为B。

Description

一种双翻斗信号比较装置及方法

技术领域

本发明涉及一种双翻斗信号比较装置及方法，属于水文和气象测量器具技术领域。

背景技术

大气降水测量是地球水循环监测的重要环节，是水资源利用的重要组成部分，也是气候变化、地质灾害、洪水灾害预警和环境评估等多方面的重要影响因素，业内学者寻求多种方法对降雨量进行精确计量。

翻斗式雨量计由于具备性能稳定、简单可靠、维修性好、制造成本低以及通用的开关量信号输出方式等特点被广泛应用，是目前比较常用的降雨量计量装置。目前，国内用于自动化遥测的雨量计主要是翻斗式雨量计。翻斗式雨量计的主要计量部件是左右对称的翻斗，当翻斗盛积水量达到一定数量值，即相当于0.1毫米降水时，翻斗翻倒。翻斗中部装有一块小磁钢，磁钢上端有干簧管，当翻斗翻动时，磁钢扫过干簧管，使干簧接点因磁化而瞬间闭合一次，送出一个电路导通脉冲，即代表了0.1mm降雨量。因此，翻斗容量准确与否，直接影响到翻斗雨量计的计量精度。

由于自然界降水强度是动态变化的，翻斗计量工作亦是动态过程。若雨强很大，则进入翻斗的水量较大且持续性强，当t1时刻其盛积水量达到设计规定的重量（容积）时，翻斗开始翻转，翻转过程中雨水继续注入翻斗，直至t2时刻雨水流入另一翻斗，在t1~t2这一时段△t内，翻斗多计量的水量△W即为翻斗计量动态误差△E1，它与翻斗的安装倾角φ、雨强І等因素有关。据质检部门提供资料显示，安装倾角φ＝12°的0.1mm翻斗雨量计，在雨强为4mm/min时，实测△t=0.16秒，△W=0.32克，动态计量误差△E1达-10%。

翻斗雨量计的误差主要来源于变化的降雨强度，自然降雨强度大多在0.01～4mm/min变化。为提高测量精度，翻斗雨量计出厂时，通过调整翻斗倾角以分配误差，进而使小、大雨强两端误差分布对称。将翻斗大小调整至雨强为2mm/min时误差最小，其测量结果在雨强小于2mm/min时误差为正偏离、在雨强大于2mm/min时误差为负偏离。这样，全年总雨量测量结果的误差可以部分抵消。

如图2所示，是现有技术中翻斗雨量计各种翻斗容量时误差与雨强关系线，可以看出，雨量测量值随着雨强增大而减小，即降雨强度越大，翻斗时流失的雨水越多；调整翻斗的容积，误差分布关系线的斜率基本保持不变，截距变化使关系线纵向平移，内插雨强2mm/min误差为0的关系线，翻斗容积为2.85mL，此时，雨强在0.1~6mm/min范围内误差分布为+12%~-24%。

目前，水文部门多用单翻斗雨量计。在0.1~6mm/min雨强范围内，因0.1mm单翻斗雨量计的误差达到+12%～-24%，这个误差是不可接受的，故用0.5mm的雨量计。气象规定，日降雨量大等于0.1mm为雨天，如果连续几天下雨0.1mm，最后积累到0.5mm才翻转有信号输出，由于小雨不翻转，若随后天气转晴，停留在翻斗内的雨水会被蒸发掉，产生蒸发误差，导致其测量获取的降雨天数严重偏小。

气象部门则全部使用0.1mm的双翻斗雨量计，一方面故障率比较高，另一方面当大雨时翻斗翻转频繁，会因此产生较大误差。

专利CN102116879A发明了一种三翻斗雨量计，在气象部门使用的0.1mm双翻斗雨量计下方加了一个0.5mm的翻斗。雨水由承雨器汇集，通过漏斗进入上层0.1mm小翻斗，上层0.1mm小翻斗不计量，将均化后的雨强流入中层0.1mm小翻斗，在0-4mm/min范围内，翻斗一次为0.1mm降雨量；随后，雨水进入中层集水器引入0.5mm大翻斗排出雨水，此时，0.5mm大翻斗不计量；当降雨强度在4-8mm/min范围时，中层0.1mm小翻斗不计量，进入0.5mm大翻斗计量，大翻斗翻动一次为0.5mm降雨量，随后雨水进入下层集水器排出，即所谓“大雨用大翻斗，小雨用小翻斗”。该测量方法存在以下不足：一是翻斗越多，稳定性越差；二是数据采集终端需要监测0.1mm翻斗信号和0.5mm的翻斗信号，还要计算降雨强度，以便判别使用0.1mm翻斗信号，还是使用0.5mm翻斗信号，由于目前野外遥测终端没有此功能，因而该雨量计替换性能差；三是降雨强度在0-4mm/min变化时，0.1mm翻斗计量仍存在较大误差；四是自然界降雨强度4-8mm/min出现的机会很小，广州处于南方台风暴雨区，据广州范围内100个雨量站近10年资料统计，5分时段雨量超过20mm的概率只有万分之零点一，所以该雨量计中的0.5mm翻斗信号使用概率很小；五是由于自然界降雨强度是变化的，在3.9mm/min雨强时，0.1mm翻斗已输出信号，雨水已流入0.5mm翻斗，之后雨强4.2mm/min，再计量0.5mm翻斗输出信号，则会出现重复计算。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种双翻斗信号比较装置，包括控制板，控制板设有主控部件和电源部件，连接有输出线，所述主控部件包括CPU，所述电源部件包括长效锂亚硫电池。

进一步地，控制板还设有显示部件，所述显示部件包括显示液晶。

进一步地，控制板还设有复零按键。

进一步地，还包括密封盒，控制板、主控部件、显示部件、电源部件、复零按键均位于密封盒内，输出线由密封盒引出。

为达到上述目的，本发明还提供了一种双翻斗信号比较方法，包括如下步骤：控制板通过小翻斗信号线监测获取小翻斗翻转数，生成小翻斗变量A；控制板通过大翻斗信号线监测获取大翻斗翻转数，生成大翻斗变量B；当大翻斗翻转数未发生变化时，经输出线输出小翻斗变量A。

进一步地，还包括：当大翻斗翻转数发生变化时，主控部件对小翻斗变量A和大翻斗变量B进行逻辑处理，生成综合输出变量C，并经输出线输出综合输出变量C。

进一步地，主控部件对小翻斗变量A和大翻斗变量B进行逻辑处理，生成综合输出变量C，包括：如果A≥B，提取A作为综合输出变量C，将大翻斗变量由B校正为A。

进一步地，主控部件对小翻斗变量A和大翻斗变量B进行逻辑处理，生成综合输出变量C，还包括：如果A＜B，提取B作为综合输出变量C，将小翻斗变量由A校正为B。

进一步地，还包括：主控部件根据小翻斗翻转数计算获取小翻斗测量雨量值，根据大翻斗翻转数计算获取大翻斗测量雨量值，根据综合输出变量计算获取综合雨量值；显示部件对小翻斗测量雨量值、大翻斗测量雨量值和综合雨量值进行显示输出。

进一步地，还包括：按压复零按键，令显示输出的小翻斗测量雨量值、大翻斗测量雨量值和综合雨量值复位归零。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：解决了所谓“大雨用大翻斗，小雨用小翻斗”测量方法存在的不足，不论雨强大小，大小翻斗同时测量，发挥大小翻斗各自优势，克服了大翻斗蒸发误差以及小翻斗大雨强时的动态计量误差，实时比较输出高精度的测量值，用简单的方法，实现了翻斗雨量计高分辨率与高精度的完美融合。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的一种双翻斗信号比较装置结构示意图；

图2是现有技术中翻斗雨量计各种翻斗容量时误差与雨强关系线。

图中：1、小翻斗信号线；2、大翻斗信号线；3、输出线；4、显示液晶；5、控制板；6、长效锂亚硫电池；7、CPU；8、密封盒；9、复零按键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，是本发明具体实施方式提供的一种双翻斗信号比较装置结构示意图，所述装置为双翻斗信号比较控制器，安装在雨量计支架上；所述雨量计包括小翻斗和大翻斗，小翻斗容积为0.1mm降水量，调整小翻斗容积为3.14mL，以保证小雨强时精确测量；大翻斗容积为0.5mm降水量，对应的理论容积应为15.7 mL，但据实际测量，若小翻斗翻转时雨水以较大流量流入大翻斗，则大翻斗翻转时产生的误差为0.5mL，将此0.5mL误差预先考虑在内，调整大翻斗容积为15.2mL。

所述装置包括密封盒8，密封盒8内设有控制板5，控制板5上设有主控部件、电源部件、显示部件、输出线3和复零按键9，雨量计中的小翻斗信号线1和大翻斗信号线2连接到控制板5上，输出线3由密封盒8引出，连接到雨量监测设备上；本实施例中，主控部件采用CPU7；电源部件采用长效锂亚硫电池6，所述长效锂亚硫电池6为5号电池，两节电池可供装置使用10年以上；显示部件采用显示液晶4，用于显示小翻斗测量雨量值、大翻斗测量雨量值和比较输出雨量值，以便于用户实时查看。

本发明具体实施方式还提供了一种双翻斗信号比较方法，所述方法采用本发明具体实施方式提供的双翻斗信号比较装置进行比较，包括如下步骤：

步骤一，控制板5通过小翻斗信号线1监测获取小翻斗翻转数，生成小翻斗变量A；通过大翻斗信号线2监测获取大翻斗翻转数，生成大翻斗变量B。

其中，大翻斗翻转一次所获大翻斗变量与小翻斗翻转一次所获小翻斗变量的比值，等于大翻斗设计规定容量与小翻斗设计规定容量的比值；本实施例中，由于小翻斗容积为0.1mm降水量、大翻斗容积为0.5mm降水量，则大翻斗翻转一次所获大翻斗变量与小翻斗翻转一次所获小翻斗变量的比值等于5，具体过程如下：

自然界降雨通过雨量计的承雨器收集，经滤网滤去树叶柴草后，流经漏斗至小翻斗，小翻斗装满水后翻转，上磁钢扫过上干簧管产生吸合断开脉冲信号，所述装置收到脉冲信号，小翻斗变量A增加1，并向外输出1个脉冲信号，变量C增加1；

小翻斗倾倒的雨水经上汇集漏斗流至大翻斗，如此往复，大翻斗装满水后翻转，下磁钢扫过下干簧管产生吸合断开脉冲信号，控制器收到脉冲信号，变量B增加5。

步骤二，当大翻斗翻转数未发生变化时，经输出线3向雨量监测设备输出小翻斗变量A。

步骤三，当大翻斗翻转数发生变化时，主控部件对小翻斗变量A和大翻斗变量B进行逻辑处理，生成综合输出变量C，并经输出线3向雨量监测设备输出综合输出变量C。

具体过程如下：

如果A≥B，说明大翻斗中雨水部分被蒸发了，小翻斗测量精度高，此时，提取A作为综合输出变量C，将大翻斗变量由B校正为A；

如果A＜B，说明降雨强度较大，小翻斗在翻转过程中有较多雨水向下流淌，小翻斗测量值偏小，大翻斗测量精度高，此时，主控部件向外补发输出（B－A）个脉冲信号，提取B作为综合输出变量C，将小翻斗变量由A校正为B。

本实施例中，小翻斗理论容量为3.14克，为国际规范中最高分辨力，相当于0.1mm降雨量，每翻转一次，向外输出一个0.1mm降雨量的脉冲信号；大翻斗理论容量为15.70克，相当于0.5mm降雨量，考虑翻转时有0.5克雨水流失无法计量，实际容量调整到15.2克，每翻转一次，是否向外输出降雨量，需经逻辑处理后确定。根据逻辑处理结果，当A≥B时，采用小翻斗变量，以消除大翻斗变量的蒸发误差；当A＜B时，通过实时补发（B－A）个脉冲信号，从而实现采用大翻斗变量，以消除小翻斗小翻斗大雨强时的动态计量误差，从而提高了雨量测量精度。

步骤四，主控部件根据小翻斗翻转数计算获取小翻斗测量雨量值，根据大翻斗翻转数计算获取大翻斗测量雨量值，根据综合输出变量计算获取综合雨量值，通过显示部件对小翻斗测量雨量值、大翻斗测量雨量值和综合雨量值进行显示输出。

例如：

8月1日，降小雨，小翻斗翻转1次，A＝1；

8月5日，降小雨，小翻斗翻转1次，A＝2；

8月9日，降小雨，小翻斗翻转5次，A＝7，大翻斗翻转1次，B＝5，此时比较A和B，由于A＞B，则提取A＝7作为综合输出变量C，并将大翻斗变量由B＝5校正为7；

8月10日，降大暴雨，小翻斗翻转24次，A＝7+24＝31，大翻斗翻转6次，B＝7+30＝37，由于A小于B，则补发B－A＝37－31＝6次0.1mm脉冲信号，从而实现将B＝37作为综合输出变量C，并将小翻斗变量由A＝31校正为37；

以日降雨量达到0.1mm便是降雨日的标准，那么整个8月上旬，主控部件根据小翻斗翻转数计算获取的小翻斗测量雨量值为3.1mm，降雨日数4天；主控部件根据大翻斗翻转数计算获取的大翻斗测量雨量值为3.5mm，降雨日数2天；主控部件根据综合输出变量计算获取的综合雨量值为3.7 mm，降雨日数4天；小翻斗测量雨量值、大翻斗测量雨量值、综合雨量值均通过显示部件进行显示输出。

步骤五，按压复零按键9，将显示液晶4上数据复位归零。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双翻斗信号比较装置，其特征是，包括控制板（5），控制板（5）设有主控部件和电源部件，连接有输出线（3），所述主控部件包括CPU（7），所述电源部件包括长效锂亚硫电池（6）。

2.根据权利要求1所述的双翻斗信号比较装置，其特征是，控制板（5）还设有显示部件，所述显示部件包括显示液晶（4）。

3.根据权利要求2所述的双翻斗信号比较装置，其特征是，控制板（5）还设有复零按键（9）。

4.根据权利要求3所述的双翻斗信号比较装置，其特征是，还包括密封盒（8），控制板（5）、主控部件、显示部件、电源部件、复零按键（9）均位于密封盒（8）内，输出线（3）由密封盒（8）引出。

5.一种双翻斗信号比较方法，其特征是，采用权利要求1至4中任一项所述装置进行比较，所述方法包括如下步骤：

控制板（5）通过小翻斗信号线（1）监测获取小翻斗翻转数，生成小翻斗变量A；

控制板（5）通过大翻斗信号线（2）监测获取大翻斗翻转数，生成大翻斗变量B；

当大翻斗翻转数未发生变化时，经输出线（3）输出小翻斗变量A。

6.根据权利要求5所述的双翻斗信号比较方法，其特征是，还包括：

当大翻斗翻转数发生变化时，主控部件对小翻斗变量A和大翻斗变量B进行逻辑处理，生成综合输出变量C，并经输出线（3）输出综合输出变量C。

7.根据权利要求6所述的双翻斗信号比较方法，其特征是，主控部件对小翻斗变量A和大翻斗变量B进行逻辑处理，生成综合输出变量C，包括：

如果A≥B，提取A作为综合输出变量C，将大翻斗变量由B校正为A。

8.根据权利要求7所述的双翻斗信号比较方法，其特征是，主控部件对小翻斗变量A和大翻斗变量B进行逻辑处理，生成综合输出变量C，还包括：

如果A＜B，提取B作为综合输出变量C，将小翻斗变量由A校正为B。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的双翻斗信号比较方法，其特征是，还包括：

主控部件根据小翻斗翻转数计算获取小翻斗测量雨量值，根据大翻斗翻转数计算获取大翻斗测量雨量值，根据综合输出变量计算获取综合雨量值；

显示部件对小翻斗测量雨量值、大翻斗测量雨量值和综合雨量值进行显示输出。

10.根据权利要求9所述的双翻斗信号比较方法，其特征是，还包括：

按压复零按键（9），令显示输出的小翻斗测量雨量值、大翻斗测量雨量值和综合雨量值复位归零。