CN110426757A - 一种降低风速影响的雨量测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低风速影响的雨量测量装置及其测量方法，该装置设有压电式雨量计直接测量正常环境下的雨量，还设有集雨容器和集水器将雨水收集后通过控制系统设定的时间和装量容器得到的数据进行计算雨量，所设置的集雨容器低于雨量桶上边缘避免了风速的影响。所述方法包括了直接通过压电式雨量计直接测量和消除风速与外界因素影响的测量方法，并且可以通过装置的参数和控制参数结合，采集不同的计算数据以提高雨量的测量精准度。

Description

一种降低风速影响的雨量测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于气象监测和雨量测量技术，具体涉及一种降低风速影响的雨量测量装置及其测量方法。

背景技术

雨量是衡量气象条件的一个重要的因素，能够直接反映自然界气候的变化和形成监测数据，是环境监测、农业安全监测等领域的重要指标，准确地测量雨量对防汛抗灾有着重要意义。

常见的量计有翻斗式和虹吸式。翻斗式雨量计不适用于强降雨天气，虹吸式雨量计的雨虹吸管容易发生故障，造成较大测量误差。

近年来研发出的压电式雨量计可以很好地解决以上问题，现有的压电式雨量计包括模拟量转电信号模块，测量模块，通过模拟量转电信号模块把雨滴动量转化为电信号，通过测量模块识别电信号的个数，获得雨滴的数量，通过测量模块识别电信号的幅度，获得雨滴的尺寸，从而获得雨量信息。但是野外测量环境的风速风向会影响雨滴下落的速度，进而影响雨滴的动量，会造成现有压电式雨量计很大的测量误差。

发明内容

发明目的：为解决上述现有技术中存在的不足问题，本发明的第一目的是提供一种降低风速影响的雨量测量装置，本发明第二目的是提供一种雨量的测量方法，提高雨量的监测能力和提高气象数据的准确性。

技术方案：一种降低风速影响的雨量测量装置，包括雨量桶、太阳能电池板、集雨容器、过滤网、出水口、导流管、进水口、集水器、量筒和排水口，所述的雨量桶的侧面设有太阳能电池板，上方或四周设有压电式雨量计，所述雨量桶顶部为集雨容器，所述集雨容器通过导流管的将雨水收集至下方的集水器中，所述集水器设有控制系统，所述控制系统通过步进电机控制集水器定时或定量将所收集的雨水倾倒入下方的量筒中计算雨量数据。

进一步的，所述集水器的进水口与导流管之间活动连接，且集水器两端设有步进电机控制集水器旋转将雨水注入到下方的量筒中。

所述控制系统包括中央控制单元、数据存储器、步进电机和电源组件，所述控制系统还与太阳能电池板电联，所述数据存储器包括存储压电式雨量计的脉冲信号数据。

更进一步的，所述压电式雨量计设置在雨量桶上方时，其安转位低于雨量桶的高度，所述压电式雨量计通过雨滴落下产生的脉冲信号测量雨量。

所述的集雨容器上面包括设置过滤网，集雨容器的四周紧密贴合雨量桶的内壁；所述的集水器在顶部边缘的四周设有水位传感器，所述的水位传感器与中央控制单元互联通信；

所述的量筒底部设有重力传感器测量量筒内积水的重量。

优选的，所述装置中集水器两侧包括设置扭矩测试仪，所述扭矩测试仪与中央控制单元信号传输。

实施上述雨量测量装置的一种雨量测量方法，包括如下步骤：

(1)通过压电式雨量计直接获取雨量滴落时产生的脉冲信号，计算第一组雨量数据，并计算压电式雨量计测量的雨量；

(2)所述装置完全置于下雨环境中，集雨容器收集雨水，雨水通过导流管进入到集水器中，由中央控制单元根据设定的时间控制步进电机将集水器中的雨水倒入量筒中，通过量筒的刻度获取该时间段集水的体积，并且量筒底部的重力传感器将测量的数据传输给数据存储器，得到第二组数据；

(3)根据第二组数据进行建模，在已知集雨容器的开口面积计算测量雨量；

(4)将步骤(3)所测量雨量和压电式雨量计测量的雨量对比分析，并根据所述装置的集雨容器、集水器和量筒部件参数数据、控制系统的控制时间建模分析风速的影响和预估实际的降雨量。

进一步的，步骤所述的步进电机控制可以通过设置的扭矩传感器信号传输到中央控制单元中，然后根据设定的阀值和集水器上侧的水位传感器控制雨水的倾倒，当扭矩传感器达到预设阀值或水位传感器检测到水位已满的时候由中央控制单元控制步进电机倾倒。

有益效果：与现有技术相比，第一，本发明所提供的装置设有控制系统来实现不同的采集和计算方法，装置的测量结构简单，适用于范围广泛，通过采集多组雨量数据进行计算和分析以提高雨量测算精度。第二，本发明所提供的方法通过压电式雨量计可以直接测量雨量和该装置测量计算的数据在相同环境条件下进行对比分析，有助于提高雨量测量的精度和研究风速对于雨量的影响。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例进一步的阐述。

本发明提供的是一种降低风速影响的雨量测量装置及其测量方法，所提供的的装置结构如图1所示。一种降低风速影响的雨量测量装置，包括雨量桶1、太阳能电池板2、集雨容器3、过滤网4、出水口5、导流管6、进水口7、集水器8、量筒9、排出口10和步进电机11。

该装置的雨量桶1作为测量主体结构，为方便内部集水器8的翻转动作观察和量筒9数据的读取，雨量桶1在本实施中设置为透明材质，形状为圆柱体。在雨量桶1的四周设置有太阳能电池板2，该太阳能电池板2在该装置用于实验且长期处于室外情况下收集电能，配合控制系统的电池组件以更好的提供电能。在雨量桶1的上部或装置边缘位置设置压电式雨量计，压电式雨量计通过雨滴落在其表面产生不同的脉冲信号进行计算雨量大小，该压电式雨量计为现有的测量方式，容易受到风速、其他和雨滴一起坠落物体的外界因素影响，本装置设置压电式雨量计以获取直接测量的数据进行分析。

压电式雨量计也可以设置在雨量桶1的正上方，且安装位置高度高低于雨量桶1的边缘高度，完全设置在雨量桶1的内部，因压电式雨量计自身并不收集雨水，雨水会顺势落雨量桶1上方集雨容器3中，因雨量桶1的边侧高出一部分，用于消除风速造成的雨量飘忽不定和雨滴下落的力度影响。集雨容器3的边缘完全和雨量桶1的内壁贴合实现雨水的收集。集雨容器3收集的雨水通过下部的出水口5，然后经过导流管6到达集水器8的进水口7，集水器8位于雨量桶1的内部且低于集雨容器3。

集水器8两端均设有连接导流管6的进水口，并且连接处为活动连接，集水器8和步进电机11的转轴固定，进水口与导流管的接口处设密封圈实现进水，步进电机11主体固定在雨量桶1的内壁上。步进电机11由控制系统控制实现集水器8实现180°翻转，定时或定量将集水器8中的水倒入下方的量筒9。

量筒9位于雨量桶1的底部，量筒9的下方还设置重力传感器，用来读取雨水盛装后的重力变化。量筒9测量完后可以通过雨量桶1底部的排水口10将雨水排空，进行下一组试验。量筒9可以在底部设置排水口或电磁式底座。

对于控制系统，由中央控制单元、数据存储器、步进电机11和电源组件组成，控制系统设有电源组件用来供电，也包括采用太阳能电池进行蓄电。控制系统的中央控制单元以STM32系列单片机烧录控制指令和实现步进电机11的控制。控制系统还设有数据存储单元用来存储压电式雨量计的脉冲信号、扭矩测试仪、水位传感器和重力传感器的数据以便后续数据分析。

基于上述雨量测量装置，以下阐述一种雨量测量方法。该方法主要包括如下步骤：

(1)通过压电式雨量计直接获取雨滴落时产生的脉冲信号，计算第一组雨量数据，并计算压电式雨量计测量的雨量；

(2)所述装置完全置于下雨环境中，集雨容器收集雨水，雨水通过导流管进入到集水器中，由中央控制单元根据设定的时间控制步进电机将集水器中的雨水倒入量筒中，通过量筒的刻度获取该时间段集水的体积，并且量筒底部的重力传感器将测量的数据传输给数据存储器，得到第二组数据；

(3)根据第二组数据进行建模，在已知集雨容器的开口面积计算测量雨量；

(4)将步骤(3)测量的雨量和压电式雨量计测量的雨量对比分析，并根据所述装置的集雨容器、集水器和量筒部件参数数据、控制系统的控制时间建模分析风速的影响和预估实际的降雨量。

对于本实施雨量的测量，主要计算的为单位时间内、单位面积收集到的雨量，根据装置设置的控制参数和设备参数，即单片机设置的定时，集雨容器的开口面积、集水器的体积、各个传感器采集到的信号数据等实现雨量统计分析。

另外，本发明提供的测量方法中，对于集水器8的控制包括对于水位传感器检测对水位已满情况下中央控制单元采取的翻转指令，还包括在集水器8盛水后，因有倾倒的趋势导致集水器8与步进电机11中设置的扭矩测试仪数值变化从而传输给控制系统实现的控制。

本发明所提供的减低风速影响的雨量测量装置可以能够获得更全部的测量上数据，有助于不同的测量和雨量计算方法研究分析，提高雨量测量的精准度和风速影响研究实验。

Claims (10)

1.一种降低风速影响的雨量测量装置，包括雨量桶(1)、太阳能电池板(2)、集雨容器(3)、过滤网(4)、出水口(5)、导流管(6)、进水口(7)、集水器(8)、量筒(9)和排水口(10)，其特征在于：所述的雨量桶(1)的侧面设有太阳能电池板(2)，上方或四周设有压电式雨量计，所述雨量桶(1)顶部为集雨容器(3)，所述集雨容器(3)通过导流管(6)雨水收集至下方的集水器(8)中，所述集水器(8)设有控制系统，所述控制系统通过步进电机(11)控制集水器(8)定时或定量将所收集的雨水倾倒入下方的量筒(9)中计算雨量数据。

2.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述集水器(8)的进水口(7)与导流管(6)之间活动连接，且集水器(8)两端设有步进电机(11)控制集水器(8)旋转将雨水注入到下方的量筒(9)中。

3.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述控制系统包括中央控制单元、数据存储器、步进电机(11)和电源组件，所述控制系统还与太阳能电池板(2)电联，所述数据存储器存储包括压电式雨量计的脉冲信号数据。

4.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述压电式雨量计设置在雨量桶(1)上方时，其安转位低于雨量桶(1)的高度，所述压电式雨量计通过雨滴落下产生的脉冲信号测量雨量。

5.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述的集雨容器(3)上面包括设置过滤网(4)，集雨容器(3)的四周紧密贴合雨量桶(1)的内壁。

6.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述的集水器(8)在顶部边缘的四周设有水位传感器，所述的水位传感器与中央控制单元互联通信。

7.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述的量筒(9)底部设有重力传感器测量量筒(9)内积水的重量。

8.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述装置中集水器(8)两侧包括设置扭矩测试仪，所述扭矩测试仪与中央控制单元信号传输。

9.实施如权利要求1-9任一项所述雨量测量装置的一种雨量测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)通过压电式雨量计直接获取雨水滴落产生的脉冲信号，计算第一组雨量数据，并计算压电式雨量计测量的雨量；

(2)所述装置完全置于下雨环境中，集雨容器(3)收集雨水，雨水通过导流管(6)进入到集水器(8)中，由中央控制单元根据设定的时间控制步进电机(11)将集水器(8)中的雨水倒入量筒(9)中，通过量筒(9)的刻度获取该时间段集水的体积，并且量筒(9)底部的重力传感器将测量的数据传输给数据存储器，得到第二组数据；

(3)根据第二组数据进行建模，根据测量的集雨容器(3)的开口面积计算测量雨量；

(4)将步骤(3)测量雨量和压电式雨量计测量的雨量对比分析，并根据所述装置的集雨容器(3)、集水器(8)和量筒(9)部件参数数据、控制系统的控制时间建模分析风速的影响和预估实际的降雨量。

10.根据权利要求9所述的一种雨量测量方法，其特征在于：步骤(2)所述的步进电机(11)控制可以通过设置的扭矩传感器信号传输到中央控制单元中，然后根据设定的阀值和集水器(8)上侧的水位传感器控制雨水的倾倒，当扭矩传感器达到预设阀值或水位传感器检测到水位已满的时候由中央控制单元控制步进电机倾倒。