CN113341483B - 一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，包括：液体流速流量控制器，用于调节输出水量的总体积和水流速度；雨滴粒径模拟器，与所述液体流速流量控制器的水流出口连接，用于滴落不同粒径的水珠；被测降水现象仪，设置在所述雨滴粒径模拟器的下方，用于对雨滴进行采样；可调升降台，与所述液体流速流量控制器连接，用于调整雨滴下落的高度；光电计数器，用于记录雨滴数量；雨滴图像记录器，用于记录雨滴照片，并实时提取雨滴的外形轮廓；数据采集和处理计算机，用于读取雨滴总数和降水总量，并计算雨滴体积等效粒径、雨滴穿越被测设备采样区中心点处的瞬时速度。本发明中的上述装置可以提高检测精度。

Description

一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置

技术领域

本发明涉及气象探测设备计量检测领域，特别是涉及一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置。

背景技术

雨滴谱式降水现象仪基本工作原理是发射端产生一束平行光束，接收端带有透镜和光电二极管，将接收到的光信号转换为电信号。当降水粒子穿越采样空间时将造成接收到的光信号强度减弱，粒子直径与光信号衰减的幅度相关，粒子速度与光信号衰减持续时间相关。降水类天气现象仪通过光信号衰减幅度和持续时间按特定的处理算法计算降水粒子的速度和粒径，滤除因浮尘、树叶、羽毛等非降水粒子形成的干扰信号后，判断降水粒子种类，实现降水类天气现象的自动识别。

窦葆璋等人在《雨滴的观测和计算方法》(水土保持通报，1982-1)提出使用玻璃管、棉花球、不同粗细的棉线来形成不同粒径大小水滴的人工模拟方法。先用棉花将玻璃管一端塞住，并用塑料薄膜将塞有棉花的一端从外面扎住(若玻璃管较细可不用塑料薄膜扎)。再将不同粗细的棉线穿过棉花从底端薄膜上的小孔引出，将玻璃管注水后倒立放置。这时，通过不同粗细的棉线可滴出不同粒径的水滴。然后，用称量瓶收集各玻璃管滴出的水滴，并用手执计数器计数。最后，将收集的水滴样品置于天平称重，并根据球体公式和水的密度计算出水滴直径。

专利《一种激光降水现象观测仪的测试装置》(专利号：ZL201520135846.6)所述装置在一个可控转速的透明原盘上，贴有多个不同直径的圆形不透光模拟贴片用于仿真降水粒子的遮光作用；将所述透明原盘置于激光降水现象观测仪的测试区域中旋转，使得所述模拟贴片达到一定的线速度，由此来起到模拟降水粒子不同粒径和粒速的效果。

上述雨滴模拟方法在以下方面需要改进：

1.使用玻璃管、棉花球、不同粗细的棉线来形成不同粒径大小的水滴时，各类器材的使用状态和操作过程的随机性较大，不易精细化定量控制，水滴粒径粒速调节困难，也难以自动化运行。

2.转盘式装置模拟的雨滴与自然状态下的雨滴物理特性不一致。

自然状态下雨滴是三维立体形状，转盘上的模拟贴片近似于二维平面形状，二者光学特征差别较大。相同粒径时，模拟贴片和雨滴对平行光束光强信号的衰减程度差别并不一致。这种现象将增加被测设备雨滴粒径和粒速测量误差。

郭学尧等人在《模拟降雨条件下石灰岩区土壤水土流失的研究》一文中说明，观测记录表明天然降雨中，粒径一般在0.76mm-5.93mm之间，收尾速度一般在1.58-9.44m/s之间。因转盘直径较小，模拟较大雨滴的粒速时，转速一般超过300转/分钟，单位时间内穿越被测设备采样区的粒子数量远高于自然状态，有可能造成被测设备无法及时响应，人为增大检测误差。

以中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的DSG3型降水现象仪为例，检测中发现，部分转盘式装置可造成被测设备粒径粒速示值出现明显波动。

可见，转盘式装置无法准确模拟雨滴的体积等效粒径。

3.转盘式装置无法检测模拟雨滴穿越被测设备采样区不同位置时的误差。

国家标准《GB/T 21649.2-2017粒度分析图像分析法第2部分：动态图像分析法》在章节“5.3校准和溯源”指出，建议用标准物质对整个系统进行校准，建议用3种不同粒径值，即对分别接近测量上限、中间位置和测量下限的颗粒进行测量。校准程序应包括视场均匀性检测。

透明圆盘上的模拟贴片位置固定，被测设备因外观结构不同，采样区的相对位置、尺寸大小也不相同。模拟贴片难以从不同位置穿越被测设备采样区，不利于检测被测设备的视场均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，提高检测精度，并克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，所述检测装置包括：

液体流速流量控制器，用于精确调节输出水量的总体积和水流速度，可由计算机指令控制设定工作参数；

雨滴粒径模拟器，与所述液体流速流量控制器的水流出口连接，用于滴落不同粒径的水珠，在重力加速度一定的前提下，水滴大小由表面张力、流速等因素决定。在温度、相对湿度稳定且无风的室内环境下，液滴以初速度为0的方式滴落时具有复现性稳定的固定粒径；

被测降水现象仪，设置在所述雨滴粒径模拟器的下方，用于对雨滴进行采样；

可调升降台，与所述液体流速流量控制器连接，用于调整雨滴下落的高度；

光电计数器，用于记录雨滴数量，可由计算机控制启动停止并读取计数值，用于计算单个雨滴的体积；

雨滴图像记录器，用于记录雨滴照片，并实时提取雨滴的外形轮廓，安装在被测设备采样区外围相邻处正上方，还用于识别雨滴穿越被测设备采样区时是否保持形态完整，若雨滴在下落过程中发生碎裂，则粒径和粒速测量数据不用于被测设备示值误差分析。这样可以剔除异常数据，提高检测结果的准确性；

数据采集和处理计算机，用于读取雨滴总数和降水总量，并计算雨滴体积等效粒径、雨滴穿越被测设备采样区中心点处的瞬时速度。

可选的，所述数据采集和处理计算机还用于读取被测设备粒径粒速示值，计算误差范围，显示误差曲线并生成检测报告。

可选的，所述雨滴粒径模拟器具体包括：橡胶软管和针管，所述橡胶软管的一端与所述液体流速流量控制器的水流出口连接，所述橡胶软管的另一端与所述针管连接。

可选的，所述针管具有多种不同规格的口径。

可选的，所述雨滴图像记录器还用于根据雨滴的外形轮廓判断水滴是否发生破碎，如发生破碎，则剔除。

可选的，所述判断水滴是否发生破碎具体为：

判断雨滴轮廓曲线是否闭合，若闭合，则为正常数据，若不闭合则为异常数据。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中的上述装置根据中国气象局《降水现象仪观测规范》(试行)、《降水现象计量业务管理暂行规定》相关技术要求设计，用于检测被测降水现象仪对小粒子直径和低粒子速度降雨粒子的测量示值。使用可连续稳定下落的水珠模拟粒径在6mm以下降雨粒子，以等效体积粒径作为模拟粒径的参考标准值。等效体积粒径是指与所测颗粒具有相同体积的同质球形颗粒的直径。粒子速度通过改变初速度为0时的下落距离调节，以通过被测设备采样区的瞬时速度计算值作为参考标准值，本发明中的上述装置粒径模拟检测范围1mm～5mm，粒速模拟检测范围在1m/s～5m/s之间可调，可模拟1.7mm、2.4mm、4.4mm、4.8mm粒径的雨滴，粒径不确定度：0.12mm(k＝2)，雨滴速度模拟范围1m/s-5m/s，速度不确定度：0.12m/s(k＝2)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例降水现象仪雨滴体积等效粒径和粒速检测装置示意图；

图2为本发明实施例模拟雨滴的实际形状示意图；

符号说明：

液体流速流量控制器-1，可调升降台-2，雨滴粒径模拟器-3，光电计数器-4，被测降水现象仪-5，是雨滴图像记录器-6，数据采集和处理计算机-7。

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。

本发明的目的是提供一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，提高检测精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

事实上，雨滴不一定是圆球形。用照相法观测到在无风的空气中下落的大雨滴呈扁平状，也不是流线形；当下落的雨滴达到终速时，3mm以下的雨滴近似圆球形，3mm以上的雨滴呈扁平状。实践中一般用与雨滴等体积的圆球直径(体积等效粒径)代表雨滴的粒径。

现有降雨模拟装置技术比较成熟，主要实现方式包括管网式、喷嘴式、悬线式和针管式等，但仍难以满足降水现象仪对雨滴粒径粒速示值误差的计量检测需求。管网式和喷嘴式降雨模拟装置的雨滴粒径与孔径、流速有关，且供水压力很难精确控制，雨滴粒径粒速模拟值的精密度和重复性无法保障。悬线式和针管式降雨模拟装置的雨滴通过针头或悬线末端以初速度为0的方式滴落，但无法单独控制每个针头或悬线在单位时间的总降雨量和雨滴数量，难以实现雨滴等效体积粒径的准确稳定模拟。

只有圆球体才有直径。在粒度测试的实践中，人们引入了等效粒径这个概念。雨滴主要是各种各样不规则形状的水颗粒。徐向舟等人在《雨滴粒径的测量方法及其改进研究》(中国水土保持，2004-02)一文中指出，粒径大于3mm的雨滴形变较为严重。由于实际雨滴的形状通常为非球形，难以直接用直径表示其大小。

等效粒径是指当一个颗粒的物理特性或物理行为与某一直径的同质球体(或组合)最相近时，就把该球体的直径(或组合)作为被测颗粒的等效粒径。国家标准《GB/T15445.6-2014粒度分析结果的表述第6部分：颗粒形状和形态的定性及定量表述》中将等效粒径主要分为：周长等效、表面积等效、体积等效。

因此，本发明以体积等效粒径来表征模拟雨滴的粒径。

本发明使用自动生成的不同大小的水珠模拟自然状态下雨滴的粒径和粒速，用于雨滴粒径和粒速的示值误差。调节雨滴下落点的相对位置可使雨滴穿越被测设备采样区的不同区域，分析示值误差变化情况，还可检测被测设备接收端视场均匀性。

如图1所示，图1为本发明实施例降水现象仪雨滴体积等效粒径和粒速检测装置示意图，所述装置包括：

液体流速流量控制器1，可调升降台2，雨滴粒径模拟器3，光电计数器4，被测降水现象仪5，是雨滴图像记录器6以及数据采集和处理计算机7。

其中数据采集和处理计算机7启动液体流速流量控制器1，可设定降水总体积(以ml为单位)和降水时间长度(以min为单位)。

数据采集和处理计算机7启动光电计数器4。当1个雨滴经过光电计数器4时，计数值累加1。设定的降水时间结束后，数据采集和处理计算机7读取雨滴的总个数，并清零光电计数器4的计数值。

雨滴粒径模拟器3稳定连接至液体流速流量控制器1的水流输出口。通过分别竖直向下安装不同口径的针管，雨滴粒径模拟器3可滴落不同粒径的水珠。某个口径的针管安装固定后，调节液体流速流量控制器1的降水时间长度值，直至使得水珠可连续单个滴落，避免水珠在针管末端发生粘连，确保等效体积粒径模拟值的稳定准确。

可调升降台2的高度，可控制雨滴粒径模拟器3滴落的水珠穿越被测降水现象仪5采样区中心点的瞬时速度。测量雨滴粒径模拟器3的针管末端至被测降水现象仪5采样区中心点的直线距离，并输入数据采集和处理计算机7。

雨滴图像记录器6安装在被测设备采样区外围相邻处正上方，连续记录雨滴照片，实时提取雨滴外形轮廓并生成轮廓序号。当识别出雨滴轮廓曲线不闭合时，判断水珠发生破碎，记录水珠序号，具体如图2所示，图2为模拟雨滴的实际形状。

数据采集和处理计算机7，读取水珠总数和降水总量，计算等效体积粒径；读取当地重力加速度常数和水珠下落高度，计算瞬时速度；实时逐条读取被测设备的粒径粒速示值，至一次测试完成；读取轮廓曲线不闭合水珠的序号后，剔除对应的数据样本；以计算所得的体积等效粒径、瞬时速度作为参考标准，计算被测设备示值误差，显示误差曲线，生成检测报告。

水平调整被测降水现象仪5在安装平面上的位置，可使水珠穿越被测降水现象仪5采样区的不同区域，用于测试视场均匀性。

本发明中的上述装置，具有以下有益效果：

本装置根据中国气象局《降水现象仪观测规范》(试行)、《降水现象计量业务管理暂行规定》相关技术要求设计，用于检测被测降水现象仪对小粒子直径和低粒子速度降雨粒子的测量示值。使用可连续稳定下落的水珠模拟粒径在6mm以下降雨粒子，以等效体积粒径作为模拟粒径的参考标准值。等效体积粒径是指与所测颗粒具有相同体积的同质球形颗粒的直径。粒子速度通过改变初速度为0时的下落距离调节，以通过被测设备采样区的瞬时速度计算值作为参考标准值。

本装置粒径模拟检测范围1mm～5mm，粒速模拟检测范围在1m/s～5m/s之间可调。可模拟1.7mm、2.4mm、4.4mm、4.8mm粒径的雨滴，粒径不确定度：0.12mm(k＝2)，雨滴速度模拟范围1m/s-5m/s，速度不确定度：0.12m/s(k＝2)。模拟雨滴的实际形状及轮廓提取效果如图2所示。

本装置已在国家气象计量站降水现象检测实验室(合肥)用于降水现象仪雨滴粒径粒速示值误差检测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

液体流速流量控制器，用于调节输出水量的总体积和水流速度；

雨滴粒径模拟器，与所述液体流速流量控制器的水流出口连接，用于滴落不同粒径的水珠；

被测降水现象仪，设置在所述雨滴粒径模拟器的下方，用于对雨滴进行采样；

可调升降台，与所述液体流速流量控制器连接，用于调整雨滴下落的高度；

光电计数器，用于记录雨滴数量；

雨滴图像记录器，用于连续记录雨滴照片，并实时提取雨滴的外形轮廓并生成轮廓序号，当识别出雨滴的外形轮廓曲线不闭合时，判断雨滴发生破碎，记录序号如发生破碎，则作为异常数据剔除；

数据采集和处理计算机，用于：

读取雨滴总数和降水总量，并计算雨滴体积等效粒径、雨滴穿越被测设备采样区中心点处的瞬时速度；读取轮廓曲线不闭合雨滴的序号后，剔除对应的数据样本；

启动液体流速流量控制器，可设定降水总体积和降水时间长度；

启动所述光电计数器；当1个雨滴经过所述光电计数器时，计数值累加1；设定的降水时间结束后，所述数据采集和处理计算机读取雨滴的总个数，并清零所述光电计数器的计数值。

2.根据权利要求1所述的降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，其特征在于，所述数据采集和处理计算机还用于读取被测设备粒径粒速示值，计算误差范围，显示误差曲线并生成检测报告。

3.根据权利要求1所述的降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，其特征在于，所述雨滴粒径模拟器具体包括：橡胶软管和针管，所述橡胶软管的一端与所述液体流速流量控制器的水流出口连接，所述橡胶软管的另一端与所述针管连接。

4.根据权利要求3所述的降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，其特征在于，所述针管具有多种不同规格的口径。

5.根据权利要求1所述的降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置，其特征在于，判断雨滴 是否发生破碎具体为：

判断雨滴轮廓曲线是否闭合，若闭合，则为正常数据，若不闭合则为异常数据。

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