CN112630866B - 一种雨量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种雨量测量装置。一种雨量测量装置，包括盛水容器，所述的盛水容器上方连接进水装置，所述盛水容器内部设有测量电容，所述的测量电容与所述盛水容器相连通。本发明提供的雨量测量装置，具有如下优点：采用由电极管和电极棒组成的电容感应器，有效的隔离了晃动干扰带来的误差影响，结合所设计的采集电路，可有效的感应雨量变化产生的电容信号；利用虹吸式原理，设计了满量程可自动虹吸的结构，可实现雨量的连续观测。结构简单，整体结构采用拼装式设计，便于组装。

Description

一种雨量测量装置

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种雨量测量装置。

背景技术

降水量通常利用雨量计得到，目前国内外通过雨量计测量降水的方法主要有承水法，光学法、声学法和压电感知法等，承水法通过测量盛水容器内水位的变化得到降雨量，光学法利用激光或红外光的散射得到降雨量，而声学法利用声波反射测量降水量。光学法和声学法测量易受周围环境影响，应用较少。压电感知法通过压电换能器测量雨滴动量来得到雨滴谱和降水量，降水量测量存在较大误差。

翻斗式、虹吸式和承重式雨量计是应用最为广泛的三种利用承水法测量降水量的雨量计，其中，翻斗式雨量计在小雨条件下的测量误差较大，称重式雨量计在测量强降雨时稳定性较差，而虹吸式雨量计无法将降水量转变为电信号进行数据处理和实时传输。此外，翻斗式雨量计和虹吸式雨量计均具有机械传动部件，难以在海洋盐雾环境中稳定可靠的工作。迄今为止，雨量计主要是用于测量陆地降水量，少有用于海洋环境的雨量计方面的研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种雨量测量装置，采用内部构造电容器，利用电容感应和虹吸原理，可实现对雨量连续观测。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种雨量测量装置，包括盛水容器，所述的盛水容器上方密封连接进水装置，所述盛水容器内部设有测量电容，与所述盛水容器相连通。

作为本发明的一种优选方式，所述测量电容与测量数据采集电路连接，包括电极管及其内部的电极棒。

进一步优选地，所述的测量数据采集电路包括与所述测量电容的两极连接的振荡调制电路、基准振荡电路、鉴相整形电路和积分放大电路；所述振荡调制电路对采集到的电容微变信号进行脉宽调制；所述鉴相整形电路对两路振荡电路的脉冲信号进行鉴相整形，以此检测出基准脉冲与调制振荡脉冲之间的相位差信息，并以反相脉冲信号输出；所述积分放大电路通过相关电路连接与其组成完整测量电路，输出与测量信号相对应的模拟电压信号，用于计算雨量值。

进一步优选地，所述电极棒的外部设有绝缘套。

作为本发明的一种优选方式，所述的盛水容器中设有自动排水装置，所述自动排水装置包括倒置在所述盛水容器中的U型管，所述U型管的一端开口位于所述盛水容器内部，与盛水容器相连通；另一端开口位于所述盛水容器的外部。

进一步优选地，所述的自动排水装置还包括进气装置，所述进气装置一端与大气相通，另一端与盛水容器相通。

进一步优选地，所述雨量测量装置还包括外部壳体，所述的外部壳体包括连接套筒，所述谅解套筒套装在所述盛水容器的外部。

进一步优选地，所述连接套筒上部设有顶盖，所述顶盖为漏斗形，其底部设有进水口，所述进水口与所述进水装置连接。

进一步优选地，所述顶盖内的进水口上方设有过滤装置。

进一步优选地，所述顶盖上设有防鸟针。

本发明提供的雨量测量装置，具有如下优点：

1、结构简单，整体结构采用拼装式设计，便于组装；

2、采用耐腐蚀高强度的热塑性结构设计，保障了设备的结构强度，减轻了传感器的重量，同时有效的避免了外界干扰信号的影响。

3、雨量顶盖采集口设计了防鸟针和过滤网，有效避免了外来干扰物对设备的影响，保证了使用的可靠性。

4、内部利用虹吸式原理，设计了满量程可自动虹吸的结构，可实现雨量的连续观测；

5、内部巧妙设计了由电极管和电极棒组成的电容感应器，有效的隔离了晃动干扰带来的误差影响，结合所设计的采集电路，可有效的感应雨量变化产生的电容信号；

6、系统采用低功耗设计，供电电压12V，电流≤2ma。

附图说明

图1为本发明实施例所公开的雨量测量装置整体结构示意图；

图2为图1的纵剖视图；

图3为本发明实施例所公开的外部壳体的主视图；

图4为本发明实施例所公开的外部壳体的剖视图；

图5为本发明实施例所公开的内部采集装置的主视图；

图6为本发明实施例所公开的内部采集装置的俯视图；

图7为图6中A-A向剖视图；

图8为图6中B-B向剖视图；

图9为本发明实施例所公开的雨量测量装置的原理示意图；

图中，1、底盖；2、套筒；3、顶盖；4、防鸟针；5、过滤网；6、外部数据接口；7、密封螺母；8、支撑座；9、出水接头；10、底座；11、底座密封圈；12、支撑杆密封圈；13、支撑杆；14、电极棒；15、电极管；16、盛水套筒；17、电极棒密封圈；18、U型虹吸排水管；19、进水端支座；20、漏斗滴水管；21、进水管；22、导气弯管；23、导气直管；24、U型管密封圈；25、采集电路板安装座。

具体实施方式

本发明提供了一种雨量测量装置，如图1和图2所示，该测量装置主要包括耐腐蚀高强度外部壳体Ⅰ和内部采集装置Ⅱ。

其中，外部壳体Ⅰ为具有良好抗腐蚀性的热塑结构，如图3和4所示，包括底盖1、连接套筒2、顶盖3、防鸟针4和过滤网5。

连接套筒2下端与底盖1通过内螺纹连接，上端与顶盖3连接并加以密封胶，连接套筒2的侧壁上设有外部数据通讯接口6，可实现上位机对雨量采集装置的数据传输和采集。

顶盖3主要作为雨水的采集口，采用梯形漏斗结构，防鸟针4和过滤网5分别嵌入顶盖3的上边沿和内部卡槽，可有效防止外部环境对雨量顶盖3中采集口的影响。

内部采集装置Ⅱ的结构如图5、6、7和8所示，包括盛水套筒16、盛水套筒16内部设置的测量电容和虹吸式排水装置，以及采集电路板等。

盛水套筒16上端与进水端支座19连接，进水端支座19上安装由进水管21和漏斗滴水管20组成的进水装置。进水管21安装于进水端支座19的中心台阶孔，其上端与漏斗滴水管20的下端采用水密胶嵌入式连接，漏斗滴水管20的上端与顶盖3底部的的采集口利用密封胶水密连接。

进水端支座19内设有采集电路板安装座25。采集电路板安装在该采集电路板安装座25上。采集电路由基准振荡、电路振荡调制电路、鉴相整形电路和积分放大电路组成，用于电容信号的采集及处理，最终计算出雨量值。

盛水套筒16下端利用底座密封圈11与底座10采用压入式水密连接。密封螺母7缠绕密封胶带，通过底座10上的螺纹通孔，将底座10与盛水套筒16密封连接。进水端支座19、盛水套筒16及底座10组成一个采集雨水的容器。

在盛水套筒16内部对称设有两个支撑杆13。支撑杆13两端都带有支撑杆密封圈12，一端与进水端支座19通孔相连，另一端穿过支撑座8与底座10通孔相连，实现采集装置两端的紧密连接，为采集装置提供机械支撑作用。

测量电容由电极棒14和电极管15构成，为本发明雨量测量装置的核心部件。其中，电极棒14的上端焊接信号传输线，外部套加四氟乙烯绝缘套管，通过电极棒密封圈17与进水端支座19水密连接，信号传输线穿过进水端支座19与采集电路板相连，下端与支撑座8中心孔连接。

电极管15上端接线柱接有信号线，与进水端支座19连接，信号线穿过进水端支座19，与采集电路板连接，中间套过电极棒，下端与支撑座8中心开口支柱连接，并且与盛水套筒16连通。盛水套筒16内的水可以自由进入电极管15内。

虹吸式排水装置主要包括U型虹吸排水管18、导气弯管22、导气直管23和进水管21。U型虹吸排水管18为倒置的U型管，其两端从进水端支座19内部穿过向下进入盛水套筒16内部，一端长一端端。短的一端与支撑座8相连，并且与盛水套筒16连通。长端穿过盛水套筒16、支撑座8和底座10，连接采集装置外部。

导气弯管22长端连接于进水端支座19台阶孔，短端连接进水端支座19的通气孔，导气直管23由外部通过进水端支座19通气孔与导气弯管22采用密封胶嵌入式连接。

支撑座8设置在盛水套筒16内部下端，用来固定支撑杆13、电极棒14、电极管15和U型虹吸排水管18。

出水接头9利用U型管密封圈24，连接底座10的梯形螺纹孔，中间穿过U型虹吸排水管18的长端，实现U型虹吸排水管18与底座10之间的水密连接。

为了保证该采集装置的水密性，组装完成后，需要在进水端支座19灌入硫化胶进行水密和内部部件的紧固。

硫化胶固化三日后即可实现完整的内部采集装置，然后将采集电路板安装固定于采集板安装座25，采集板安装座25安装进水端支座19内。并将电极棒14和电极管15的信号传输线接入采集电路板，并将采集电路板的外部传输线缆通过进水端支座19的对外接口与外部连接，如此当盛水套筒16内的水位发生变化，电极棒14和电极管15组成的电容内部的水位也相应发生变化，引发电容信号产生变化，采集电路上电即可采集到微弱变化的电容信号经过处理、计算得到相应的雨量值。

内部采集装置通过进水端支座19边沿的安装孔将其与顶盖3连接，然后将顶盖3和内部采集装置安装在套筒2内部，传输线缆穿过套筒上的外部接口6与上位机采集系统连接。

本发明的用于海洋移动平台的雨量测量装置，如图9所示，其工作原理描述如下：

雨水经过滤网5进入顶盖3底部的进水口，进而进入漏斗滴水管20，经进水管21，进入盛水套筒16内部，经由电极管15底部进入测量电容内部。电极棒14作为电容器的正极，电极管15作为电容器的负极。

由于电极管15和电极棒14之间存在水和空气两种介质，可将整个套筒型电容器视为由水作为介质的电容器c1和由空气作为介质的电容器c2两部分并联而成。电极管15内圆半径为r1，电极棒半径为r0，盛水套筒16内水位高度为l。真空、水和空气的介电常数分别为ε0，ε1和ε2。c1和c2的理论值分别为：

整个套筒型电容器的电容c可表示为

其中，h为盛水套筒内水位高度为l时对应的累计降水量；D为盛水套筒的直径，S为盛水套筒的底面积。

采集电路上电后，首先将电容的变化量分别通过两路振荡电路，其一为基准振荡电路，作为鉴相电路的基准输入，其二为振荡调制电路，该电路与电容器的两极相连，可利用电容微变信号对该电路输出进行对应比例的脉宽调制；两路振荡电路产生的脉冲序列随后经过鉴相整形电路，以此检测出基准脉冲与调制振荡脉冲之间的相位差信息，并以反相脉冲信号输出，再经积分放大电路，输出与测量信号相对应的模拟电压信号，进而计算得到雨量值h对应的输出电压u与电容c的关系可表示为：

u＝Ac+B   式(4)

其中，A和B为与电路参数相关的常数。

式(4)经换算得：

c＝-   式(5)

将式(5)代入式(3)，可计算得出雨量值h。

当盛水套筒16水位到达满量程高点位时，即可激发虹吸效应，U型虹吸排水管18将盛水套筒16内盛满的雨水排出装置外，实现降雨量的可连续测量。单次最大测量量程50mm。

本发明提供的雨量测量装置，采用由电极管和电极棒组成的电容感应器，有效的隔离了晃动干扰带来的误差影响，可通过连接套筒上设计的外部安装卡槽与气象观测平台相连，例如海洋浮标观测平台。也可以用于陆地上进行雨量监测。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种雨量测量装置，包括盛水容器，所述的盛水容器上方连接进水装置，其特征在于：

所述盛水容器内部设有测量电容，所述的测量电容与所述盛水容器相连通；

所述测量电容与测量数据采集电路连接，包括电极管及其内部的电极棒，所述电极棒作为电容器的正极，所述电极管作为电容器的负极，雨水经由所述电极管底部进入所述测量电容内部；

所述的测量数据采集电路包括与所述测量电容的两极连接的振荡调制电路、基准振荡电路、鉴相整形电路和积分放大电路；所述振荡调制电路对采集到的电容微变信号进行脉宽调制；

所述鉴相整形电路对两路振荡电路的脉冲信号进行鉴相整形，以此检测出基准脉冲与调制振荡脉冲之间的相位差信息，并以反相脉冲信号输出；所述积分放大电路输出与测量信号相对应的模拟电压信号，用于计算雨量值；雨量值h对应的输出电压u与电容c的关系可表示为：

u＝Ac+B   式(4)

其中，A和B为与电路参数相关的常数；

式(4)经换算得：

将式(5)代入式(3)，可计算得出雨量值h：

其中，h为盛水套筒内水位高度为l时对应的累计降水量；D为盛水套筒的直径，S为盛水套筒的底面积；真空、水和空气的介电常数分别为ε₀，ε₁和ε₂；整个套筒型电容器视为由水作为介质的电容器c₁和由空气作为介质的电容器c₂两部分并联而成；c为整个套筒型电容器的电容；电极管内圆半径为r₁，电极棒半径为r₀；L为盛水套筒的量程。

2.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述电极棒的外部设有绝缘套。

3.根据权利要求1所述的雨量测量装置，其特征在于：所述的盛水容器中设有自动排水装置，所述自动排水装置包括倒置在所述盛水容器中的U型管，所述U型管的一端开口位于所述盛水容器内部，与盛水容器相连通；另一端开口位于所述盛水容器的外部。

4.根据权利要求3所述的雨量测量装置，其特征在于：所述的自动排水装置还包括进气装置，所述进气装置一端与大气相通，另一端与盛水容器相通。

5.根据权利要求1-4任一项所述的雨量测量装置，其特征在于：所述雨量测量装置还包括外部壳体，所述的外部壳体包括连接套筒，所述连接套筒套装在所述盛水容器的外部。

6.根据权利要求5所述的雨量测量装置，其特征在于：所述连接套筒上部设有顶盖，所述顶盖为漏斗型，其底部设有进水口，所述进水口与所述进水装置连接。

7.根据权利要求6所述的雨量测量装置，其特征在于：所述顶盖内的进水口上方设有过滤

装置。

8.根据权利要求6所述的雨量测量装置，其特征在于：所述顶盖上设有防鸟针。

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