CN201628777U - 雨量计自动校验装置 - Google Patents

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归金娟
葛志鑫
徐向明
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Abstract

本实用新型雨量计自动校验装置，它包括总储水室、计量储水室、电磁阀、超声波液位测量单元、阀门、步进电机、控制电路，其中总储水室与计量储水室之间通过带有电磁阀的管道相连，计量储水室通过所述阀门与排水管道和外界相通，该阀门还与步进电机相连，超声波液位测量单元包括安装在计量储水室底部的收发两用换能器及发射和接收电路，所述控制电路包括电源、微处理器及附属电路、步进电机驱动电路和电磁阀控制电路，所述步进电机驱动电路和电磁阀控制电路分别连接微处理器的控制端。该装置可设置和自动调节流速、流量，是一种可用于现场校验使用的便携式雨量计校验装置。

Description

雨量计自动校验装置
技术领域
本实用新型涉及一种雨量校验装置，尤其是一种能够通过软件设置各种雨量的便携式自动雨量计校验装置，能够对雨量计的精度给以检定。
背景技术
雨量计是气象、水文、农业等部门观测降水量的重要仪器。新生产的雨量计需要进行检定或校验，使用中的雨量计也需要经常进行检定，以便对其精度和可靠性给出评估和校正。目前有关雨量计校验或检定方面的产品或专利不多，已有的一些主要是利用标准容器进行校验，或者应用精度较高的翻斗式雨量计进行校验，也有用手工方法通过量杯进行校验。标准容器法校验通常由若干容积不同的标准容器构成，体积较大，适应于固定在室内使用，利用翻斗式雨量计对其它雨量计进行校验，其检测精度受自身精度的影响，这些都是通过手工调节出水孔大小来模拟雨量大小，实现对雨量计的校验，由于水压的存在，无法保证水流的均匀性，手工校验受个体经验影响，不方便，精度难以保证。由于雨量计的校验需要检验不同雨量下雨量计的测量精度，因此需要控制不同的流量来模拟实际的降雨，均匀的流量可以更准确地对雨量计进行校验。
发明内容
本实用新型专利针对目前现有的技术状况，提供一种可设置和自动调节流速、流量、用于现场校验的便携式雨量计校验装置。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种雨量计自动校验装置，其特征是：它包括总储水室、计量储水室、电磁阀、超声波液位测量单元、阀门、步进电机、控制电路，其中总储水室与计量储水室之间通过带有电磁阀的管道相连，计量储水室通过所述阀门与排水管道和外界相通，该阀门还与步进电机相连，超声波液位测量单元包括安装在计量储水室底部的收发两用换能器及发射和接收电路，所述控制电路包括电源、微处理器及附属电路、步进电机驱动电路和电磁阀控制电路，所述步进电机驱动电路和电磁阀控制电路分别连接微处理器的控制端。温度传感器用于对超声波的声速进行修正。
超声波液位测量单元包括安装在计量储水室底部的收发两用换能器、发射电路、接收电路和高电压发生电路。
步进电机的转动受微处理器控制，微处理器的两个I/O接口，控制步进电机控制器，实现对步进电机的控制，两个I/O接口其中一个控制方向，另一个控制转动步数，每个脉冲转动一步。
电磁阀控制总储水室中的水进入计量储水室，是一种常闭的电磁阀，电压为DC12V，电磁阀驱动电路的输入端受微处理器的一个I/O接口控制，当为高电平时打开电磁阀。
超声波的发射受微处理器的I/O接口控制，当为高电平脉冲时，发射一个很窄的超声波脉冲，当遇到介面反射后，经放大、整流后，B的电平发生变化，输入到微处理器的I/O接口，通过微处理器中的定时器计算出时间。超声波的发射需要一个较高的电压，在一百伏左右，视测量距离不同会有变化，图7给出了高电压的发生电路。
光电定位器包括安装在步进电机轴上的一个同心圆盘及其测量电路，测量电路包括红外发射与接收电路，发射电路的输入端受微处理器的I/O接口控制，当为高电平时，发射红外光，当定位孔处于发射管和接收管之间时，接收电路的输出端C变为高电平，定位孔的位置对应了开度可控阀门的关闭状态。
开度可控阀门通过一个步进电机控制，可调节水的流量，超声波液位测量单元，可以测量液位的高度，通过控制电路和步进电机控制水的流速和流量，流速和流量可以通过控制电路及相关软件进行设定。
电源部分包括市电的整流、滤波、稳压电路，可包含有可充电电池，以方便现场校验使用，控制电路含有与通用雨量计的输出接口电路。
水通常储存在总储水室内，需要时打开电磁阀注入计量储水室。
本实用新型相比现有技术具有如下优点：
1、可以通过软件设置，模拟实际降水，实现对雨量计的自动校验，避免了人工手动操作带来的不确定因素。
2、通过反馈的方式控制水的流量，可以保持水流量的均匀。
3、体积小，操作方便，可以用可充电电池供电，便于现场对雨量计进行较验。
附图说明
图1为系统总体结构图。
图2为测量控制电路原理图。
图3为定位圆盘。
图4为红外发射/接收位置图。
图5为超声波发射电路图。
图6为超声波接收电路。
图7为高压发生器。
图8为红外发射与接收电路。
图9为电磁阀驱动电路。
图10为雨量校验的程序流程框图。
其中：1.总储水室，2.管道，3.电磁阀，4计量储水室，5开度可控阀门，6.排水口，7.超声波换能器，8.步进电机，9.定位圆盘，10光电定位器，11排气孔，12.注水及排气孔，13.定位孔，14.红外发射管，15.红外接收管，16转轴。
图5中：R1、R2根据测量距离的不同变化，大小在几十Ω至1KΩ之间。C1根据发射脉冲的长短变化，约为几十nF。
图6中：C2、C3、C4均为nF量级，C5在几百个μF左右。R3＝10KΩ，R4、R5、R7、R8的值需要根据测量范围和信号的大小调整，改变放大倍数。
图7中：C8为高压电容，其值较大时，滤波效果较好。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型新型作进一步的描述：
如图1所示，本实用新型中总储水室1用于储存校验用水，其容积可以在2500ml左右，或更大一些，能满足最大雨量时的校验要求。总储水室1通过管道2和电磁阀3与计量储水室4相连，计量储水室4容积在1000ml左右，直径应适当，以便于超声波测量，这里直径取10cm，高度取20cm左右。通过电磁阀3将总储水室1中的水放入计量储水室4，控制水到一定高度。
用于测量液位高度的超声波液位测量单元7位于计量储水室4的底部，收发两用，其频率在2-10MHz范围内，频率低，精度会降低些，频率高可以有更高的精度，但需要稍大的发射功率。本实用新型的微处理器为ARM，这里采用飞利浦公司的LPC2214微处理器，其定时器计时频率可以达到50MHz以上。超声波液位测量单元7通过测量其往返时间差来实现，距离s＝ct/2，其中c为超声波在水中的速度，t为时差。测量的时间分辨率可达到0.02微秒，距离分辨率达0.005mm，超声波的速度随温度变化稍有变化，其表达式约为c＝1492.2+4.6T-0.055T2，T为温度(℃)。为了提高测量精度，需要测量温度，通过温度对超声波的速度加以修正。所用温度传感器为数字传感器LM92，温度误差小于1℃，该温度传感器为I2C接口，使用方便，也可以用精度更高的温度传感器。
图5和图6中给出了超声波液位测量单元的发射和接收电路。图5中的MOS管IRF730通过脉冲控制导通与截止，从而激励超声波发生器产生超声波脉冲。超声波发射与接收采用单探头，因此图5和图6中的A点相连。图5中的T1与图6中的A均与微处理器的I/O引脚相连。
图7给出了高压发生电路。由于超声波发射需要较高电压，图7是通过控制MOS管的导通与截止将直流变为交流后通过1∶10的变压器将12V的直流变为100V左右的直流电压。图7中的T2与微处理器的I/O引脚相连。
微处理器控制步进电机8旋转，从而控制开度可控阀门5的开度，步进电机8的轴上固定一定位圆盘9或杆，通过光电定位器10反射或透射确定阀门的起始位置，这一位置通常指向关闭状态。步进电机8控制阀门的开合程度，从而控制流速的大小，流速通过超声波液位测量来实现。根据设定的雨量大小，经过换算和实验确定阀门的开合度，开合时间根据设定的要求确定。步进电机8可以利用带有细分的控制器，能够达到很高的分辨率。图8中的T3与微处理器的I/O引脚相连。
定位圆盘有两种结构，一种是透射式，一种是反射式，图3给出了透射式的结构图。圆盘上有一小孔(缝)即定位孔13，光电定位器10的红外发射管14和红外接收管15分别位于定位孔13的两侧，只有当孔旋转到发射接收管所在的位置时，接收管才能收到发射管发出的光。
图9为电磁阀控制电路，微控制器的I/O引脚控制T4，从而控制电磁的开与合。
电源部分为整个系统提供电能，通常可以采用将市电进行降压整流滤波的形式，为了方便可以带有可充电池。
键盘和显示部分，可以包含复位，雨量大小设定、总雨量设定，以及仪器自检等。
本实用新型的使用过程如下：
校验时，将本实用新型的装置置于待校验雨量计的盛水口上方，总储水室1中加入适量的水，设定好雨量大小和总的雨量。系统读取设定的雨量大小和总雨量，换算为单位时间内液面下降速度和总放水时间，并计算出步进电机转动的步数，启动超声波换能器7，发出超声波脉冲，测量当前液位高度，并根据当前温度进行修正，判断计量储水室中的水量多少，若水量较少，打开电磁阀3将总储水室1中的水放入计量储水室4，通过测量和计算，当水量达到一定高度时停止放水。控制步进电机8转动，打开开度可控阀门5，控制转动已计算出的步数。测量液面高度，根据液面下降速度和设定的雨量，调整开度可控阀门5开度，使雨量更准确，判断是否已到总雨量，若是控制步进电机8转动，关闭阀门，否则继续放水并测量液面高度，至到达到设定的雨量。对比雨量计读数是否符合规定的精度要求。

Claims (5)

1.一种雨量计自动校验装置，其特征是：它包括总储水室、计量储水室、电磁阀、超声波液位测量单元、阀门、步进电机、控制电路，其中总储水室与计量储水室之间通过带有电磁阀的管道相连，计量储水室通过所述阀门与排水管道和外界相通，该阀门还与步进电机相连，超声波液位测量单元包括安装在计量储水室底部的收发两用换能器及发射和接收电路，所述控制电路包括电源、微处理器及附属电路、步进电机驱动电路和电磁阀控制电路，所述步进电机驱动电路和电磁阀控制电路分别连接微处理器的控制端。
2.根据权利要求1所述的雨量计自动校验装置，其特征是：该装置还设有温度传感器，该温度传感器与微处理器相连。
3.根据权利要求1所述的雨量计自动校验装置，其特征是：该装置还设有光电定位器，它包括安装在步进电机轴上的一个同心圆盘及其测量电路，该圆盘上设有定位孔，光电定位器的红外发射管和红外接收管分别位于同心圆盘两侧相对位置，光电定位器的信号输出端与微处理器的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的雨量计自动校验装置，其特征是：该装置还包括液晶屏和按键，它们分别与微处理器的输入和输出电路相连。
5.根据权利要求1所述的雨量计自动校验装置，其特征是：所述控制电路还设有与通用雨量计的输出接口电路。
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