CN111812749A

CN111812749A - 一种高精度雨量检测装置

Info

Publication number: CN111812749A
Application number: CN202010694321.1A
Authority: CN
Inventors: 刘年庆; 宋丽莉; 熊怡; 蒋建莹
Original assignee: National Satellite Meteorological Center
Current assignee: National Satellite Meteorological Center
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2040-07-17
Also published as: CN111812749B

Abstract

本发明涉及气象电子测量设备，特别涉及一种高精度雨量检测装置。该雨量检测装置的测量装置由上到下依次布置有上层板、下层板，在上层板和下层板之间设置第一连接层和第二连接层，并在第一连接层和第二连接层内设有间隔空隙，间隔空隙具有设置在第一连接层内从内侧向外延伸的水平部，以及设置在第二连接层内与水平部相连并且相对于水平方向具有10～15度的角度的倾斜部，倾斜部的宽度从内侧向外侧逐渐降低；在下层板底面上形成有多个凹槽，凹槽的深度从测量装置的中心向外逐渐递减。该设计可抑制温度的误差影响，扩大了测量值与雨量保持线性关系的区间，从而保证测量的准确性。

Description

一种高精度雨量检测装置

技术领域

本发明涉及气象电子测量设备，尤其涉及一种高精度雨量检测装置。

背景技术

雨量检测装置是气象领域观测降水量的基本设备，具有多种种类，包括容栅式、浮子式、虹吸式、翻斗式等。

容栅式雨量检测装置测量精度高，但其灵敏度较低，且温度应用范围小，稳定性比较差，防潮性能不好。浮子式雨量检测装置要求浮子比较大，反应不灵敏，且存在传动阻力大的问题。虹吸式雨量检测装置能连续记录液体降水量和降水时数，从降水记录上还可以了解降水强度，但虹吸式雨量检测装置的虹吸管内壁容易脏污，影响正常虹吸甚至导致虹吸的失灵或中断。翻斗式雨量检测装置结构简单，执行计量机构不用电、可靠性高、功耗低，但在小雨量时不灵敏，翻斗中的雨量没有达到翻转时，由于没有后续降雨，因此翻斗中的雨量就会被蒸发而不计入降雨量统计之中，大雨量时水流太大，翻斗翻转不及，造成不计或少计数。称重式雨量检测装置解决了翻斗式雨量检测装置的矛盾，但是由于称重传感器的长年累月的累积误差和环境适应性问题应用受限，难以推广使用。

在实践中，要求配套精确可靠的雨量检测装置，要求雨量检测装置在小雨至特大暴雨范围均能精确连续测量降雨量，且温度应用范围广，因此，设计一种可满足实际测量需求的雨量检测装置成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有设备的不足，本发明提供了一种测量范围宽、测量精度高、应用范围广的雨量检测装置。

为实现上述目的，本发明公开的雨量检测装置包括：

由上至下依次设置的承雨装置、蓄水装置、测量装置、控制装置，承雨装置设置在蓄水装置的上部，测量装置设置在蓄水装置底部中心位置，蓄水装置底部还设置有排水装置；承雨装置包括进水漏斗、单向进水阀、过滤器、排气阀；控制装置设置在测量装置的下部，控制装置中集成有无线通讯模块、控制模块。

其中，测量装置由上到下依次布置有上层板、下层板，上层板上设置弹性层，在弹性层靠近下层板的表面上形成有上电极，下层板靠近上层板的表面上形成有下电极，上电极、下电极组合构成的电容器与控制装置的控制模块电连接；

在上层板和下层板之间间隔地设置有第一连接层和第二连接层，第一连接层设置在第二连接层的内侧，其具有与上层板的弹性层相同的弹性模量，第二连接层可将上层板和下层板固定设置，第一连接层的材料内耗比第二连接层的材料内耗小；第一连接层和第二连接层均内设有间隔空隙，间隔空隙具有设置在第一连接层内从内侧向外延伸的水平部，以及设置在第二连接层内与水平部相连并且相对于水平方向具有10～15度的角度的倾斜部，水平部与倾斜部的长度比例为0.9-1.2，倾斜部的宽度从内侧向外侧逐渐降低，最宽处与最窄处的宽度比例不超过3，倾斜部的宽度从内侧向外侧逐渐降低；在下层板底面的上形成有多个凹槽，凹槽的深度从测量装置的中心向外逐渐递减。

优选地，弹性层由绝缘材料制成的。

优选地，下层板由压电材料制成。

优选地，第一连接层由聚酰亚胺、PET、环氧树脂中的一种或多种制成。

优选地，第二连接层由环氧树脂、聚氨酯、硅树脂中的一种或多种制成。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为本发明涉及的一种雨量检测装置示意图；

图2为雨量检测装置的测量装置的示意图；

图3为雨量检测装置测量电容与雨量的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图1示出了本发明实施例，一种雨量检测装置，包括由上至下依次设置的承雨装置1、蓄水装置2、测量装置3、控制装置4。承雨装置1设置在蓄水装置2的上部，其收集雨水并将雨水引流入蓄水装置2中；测量装置3设置在蓄水装置2底部中心位置，其能够实时检测蓄水装置2内的水量；蓄水装置2底部还设置有排水装置21，排水装置21与控制装置4电连接，以在雨量检测完毕后将雨水排出。

承雨装置1包括进水漏斗11、单向进水阀12、过滤器13、排气阀14，进水漏斗11尖口朝下，并设计为敞口形状，直径可为标准200mm，满足气象规范测量要求，该设计可保证随时收集雨水而不会漏接某一次降水，即便是很小的降雨量，比如只有零点几个毫米的微小雨量也能汇聚漏下而不会跑掉；单向进水阀12除起到控制水流的作用，还将雨量检测装置的上下空间隔开为上下两部分，使其相对独立封闭，对蓄水装置2内收集汇聚的雨水有一个很好的密闭封存作用；单向进水阀12与控制装置4电连接，以实现自动控制；排气阀14与空气连通，通过设置排气阀14，当雨水在进入承雨装置1后，尤其是缓慢进入时，可以避免单向进水阀12内部的气体会形成阻碍，使得开始进入的雨水积累在承雨装置1内部，从而防止只有当雨水达到一定的量或者单向进水阀12动作时才能流入的现象，另外还可在雨量较大时，保证雨水能快速通过单向进水阀12，保证测量的实时性。具体地，排气阀14可为三通阀，三通阀的一个接头与空气连通，另两个接头分别连接到单向进水阀12和蓄水装置2内。三通阀具有结构简单，成本低的优点，在其他实施方式中，排气阀14还可以为其他装置，本公开不做具体限定，只要能够使得进水路径与空气连通，使雨水顺利流入即可。

测量装置3设置在蓄水装置2的底部中心位置，测量装置3为两层板式结构，由上到下依次布置有上层板31、下层板32。上层板31上设置由绝缘材料制成的弹性层，在弹性层靠近下层板32的表面上形成有上电极33；下层板32由压电材料制成，下层板32靠近上层板31的表面上形成有下电极35。上电极33、下电极35组合构成电容器34，与控制装置4中的控制模块42电连接，用于实现压力测量。

在上层板31和下层板32之间间隔地设置有第一连接层37和第二连接层38，第一连接层37设置在第二连接层38的内侧，其具有与上层板31的弹性层相同的弹性模量，具体可由聚酰亚胺、PET、环氧树脂等制成，第二连接层38可将上层板31和下层板32固定设置，可由环氧树脂、聚氨酯、硅树脂等制成，第一连接层37的材料内耗比第二连接层38的材料内耗小。通过设置第一连接层37，可以改善上层板31的弹性层的变形速度，提高测量装置3的反应速度，从而保证雨量测量的实时性。第一连接层37和第二连接层38均内设有间隔空隙39，间隔空隙39具有设置在第一连接层37内从内侧向外延伸的水平部391，以及设置在第二连接层38内与水平部相连并且相对于水平方向具有10～15度的角度α的倾斜部392，水平部391与倾斜部392的长度比例为0.9-1.2，优选为1.1-1.2，倾斜部392的宽度从内侧向外侧逐渐降低，最宽处与最窄处的宽度比例不超过3，优选比例为1.5-2。通过设置水平部391以及倾斜部392，既能确保支撑强度，又能降低上层板31和下层板32安装时的结合应力，同时在环境温度变化时，例如雨水流入，上层板31和下层板32因热膨胀系数不同会产生结合应力，间隔空隙39可吸收该应力。在下层板的底面上形成有多个凹槽36，凹槽36的深度h从测量装置的中心向外逐渐递减，从而保证弹性层感应水压弯曲时，上电极33、下电极35组合构成电容器34的电容相对于水压线性变化，从而在雨量很小时，仍能保证测量电容与雨量仍保持线性关系，扩大测量装置3的线性区间。

控制装置4设置在测量装置3的下部，控制装置4中集成有无线通讯模块41、控制模块42，测量装置3的上电极33、下电极35与控制模块42电连接，并作为电路的载荷端，控制模块42作为电路的电源端和控制端。上电极33、下电极35作为电路的载荷端，其测量电容包含雨量信息，该信息通过无线通讯模块41向外界发送。

控制模块42包括逻辑单元420、计量单元421和存储单元422。逻辑单元420根据内设程序设定进行逻辑控制，包括排水阀21、单向进水阀11的开与关。逻辑单元420内置模糊化模块，计算测量电容C与测量电容C相对时间t的变化率即dC/dt之间的模糊关系，当逻辑单元420监测到dC/dt为正时，逻辑单元420判断降水仍在进行，保持排水阀21关闭；当逻辑单元420监测到dC/dt为零时，逻辑单元420判断降水停止，测量结束，则打开排水阀21，此时dC/dt从零变为负值，若dC/dt随着时间的变化曲线与正常排水曲线一致，则保持排水，直至C降至初始电容，dC/dt重新变为零，则关闭排水阀21；若dC/dt出现曲线上跃迁，即压力降低的幅度比正常排水时小，则说明排水时突然出现降雨，模糊化模块将排水阀21关闭，启动测量程序。通过前述逻辑控制可减少排水阀21的开闭的次数，可以极大地提高排水阀21的使用寿命。

计量单元421主要用于降雨量的数值计算，将测得的电容值换算成实时雨量值，其采用采用定向递增算法处理降水量，当雨量检测装置因蒸发或排水等原因而造成的雨量检测装置测量电容下降时，计算处理系统会作为零值处理，保持原降水量值，并通过内置的稳定模块，降低水面波动对雨量测量的干扰。计量单元421一旦检测到压强降低，依靠内部电容的储电量，立即将当前的降雨量等相关信息保存至存储单元422，在电容降低和不变期间，计量单元421停运，其内部的计量信息不会发生改变，即使没有额外的电池供电，计量单元421仍能正常存储雨量检测装置的雨量信息，只要没有新的刷新操作，它会长期保持不变。电源恢复后，雨量检测装置的计量单元421从存储单元422中读出在断电时刻保存的信息，复原断电时刻的运行上下文环境，对于新产生的雨量在原值基础上进行累加。

如附图3所示，实线表示发明实施例中上电极33、下电极35组合构成电容器34的测量电容与雨量之间的关系，在同一图中，为了比较，用虚线示出了比较例中的测量电容与雨量之间的关系。在比较例中，上层板31和下层板32之间仅设置第二连接层38，通过第二连接层38将上层板31和下层板32固定设置，且第二连接层38中不设置间隔空隙，下层板未设置凹槽，其他设置与前述发明实施例中的设置相同。在图3中，C₀是本发明实施例的初始电容，C₁是上层板31的弹性层达到变形极限时的极限电容，从图中可以看出，当雨滴开始出现时，随着雨量的增加，测量电容从C₀增大至C₁，测量电容与雨量成线性关系。在比较例中，当雨量较小时，上层板31的弹性层变化不明显，表现为测量电容从C₀开始，增加幅度较小，随着雨量增大，测量电容从C₀增大至C₂，随着上层板31的弹性层达到变形极限，电容器的电容达到极限电容C₃，比较例的测量电容在C₂至C₃的区域与雨量成线性关系。通过设置第一连接层37和间隔空隙39以及凹槽36，可以看出测量电容与雨量的线性关系明显改善，在雨量较小时，上层板31的弹性层对雨滴表现出更好的敏感性，测量电容随着雨量的增加而迅速增大，随着雨量增加，测量电容与雨量也呈现更好的线性关系，从而扩大了雨量检测装置的测量范围，提高测量精度。

综上所述，本发明的雨量检测装置测量范围宽、测量精度高、应用范围广，在小雨至特大暴雨范围均能精确连续测量降雨量，且温度应用范围广。

Claims

1.一种高精度雨量检测装置，包括由上至下依次设置的承雨装置、蓄水装置、测量装置、控制装置，承雨装置设置在蓄水装置的上部，测量装置设置在蓄水装置底部中心位置，蓄水装置底部还设置有排水装置；承雨装置包括进水漏斗、单向进水阀、过滤器、排气阀；控制装置设置在测量装置的下部，控制装置中集成有无线通讯模块、控制模块，其特征在于：

测量装置由上到下依次布置有上层板、下层板，上层板上设置弹性层，在弹性层靠近下层板的表面上形成有上电极，下层板靠近上层板的表面上形成有下电极，上电极、下电极组合构成的电容器与控制装置的控制模块电连接。

在上层板和下层板之间间隔地设置有第一连接层和第二连接层，第一连接层设置在第二连接层的内侧，其具有与上层板的弹性层相同的弹性模量，第二连接层可将上层板和下层板固定设置，第一连接层的材料内耗比第二连接层的材料内耗小；第一连接层和第二连接层均内设有间隔空隙，间隔空隙具有设置在第一连接层内从内侧向外延伸的水平部，以及设置在第二连接层内与水平部相连并且相对于水平方向具有10～15度的角度的倾斜部，水平部与倾斜部的长度比例为0.9-1.2，倾斜部的宽度从内侧向外侧逐渐降低，最宽处与最窄处的宽度比例不超过3；在下层板底面上形成有多个凹槽，凹槽的深度从测量装置的中心向外逐渐递减。

2.根据权利要求1所述的一种高精度雨量检测装置，其特征在于，弹性层由绝缘材料制成的。

3.根据权利要求1-2所述的一种高精度雨量检测装置，其特征在于，下层板由压电材料制成。

4.根据权利要求1-3所述的一种高精度雨量检测装置，其特征在于，第一连接层由聚酰亚胺、PET、环氧树脂中的一种或多种制成。

5.根据权利要求1-4所述的一种高精度雨量检测装置，其特征在于，第二连接层由环氧树脂、聚氨酯、硅树脂中的一种或多种制成。