CN202794580U - 一种智能翻斗式雨量传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能翻斗式雨量传感装置，包括：第一传感器，设于所述承雨口滤网外侧，用于测量承雨口内雨水水位变化状态数据；第二传感器，至少一个，设于所述承雨口滤网，用于分段测量承雨口中水位液面高度范围的数据；第三传感器，设于所述承雨口出水口处，当有雨水流经所述承雨口出水口时，该传感器被触发；第四传感器，设于所述引水漏斗顶部敞口的内壁上，用于测量引水漏斗高水位处水位液面高度的变化数据；所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器的输出端与所述采集器的处理电路连接。该雨量传感器可实时监测翻斗式雨量传感器各组成部分的工作状态。

Description

一种智能翻斗式雨量传感装置

技术领域

本实用新型涉及水文气象领域中用于测量自然界降雨量的传感器，特别是翻斗式雨量传感器。

背景技术

随着全球气候不断变化，极端天气气候事件日趋增加，导致气象灾害发生几率加大。

对此，我国主要城市及地区、大江大河干流等建立了自动气象站和水文站，特别是近几年，国家又加大了对中小河流治理和山洪地质灾害的防治工作，正逐步推进在边远无人值守地区建立遥测自动气象站和水文站，其目的就是为了对山洪、泥石流等自然灾害进行预警，对防灾减灾的工作进行支持，从而进一步保障人民群众生命和财产安全，为经济建设的发展提供有力的支持。

目前，在各种气象监测站中，通常采用翻斗式雨量传感器来观测降雨量的变化，翻斗式雨量传感器也成为我国地面自动气象站配备的常规传感器。

请参考图1，图1为一种典型的单翻斗雨量传感器结构示意图。

如图所示，其承雨口1＇用于汇集雨水，口径为Φ200±0.6mm，承雨口滤网2＇用来对水中的杂物进行过滤；承雨口出水口3＇将经过过滤的雨水注入引水漏斗4＇；引水漏斗滤网5＇将进入的雨水进行细过滤；引水漏斗4＇通过引流的方式将雨水注入翻斗6＇的斗室中；翻斗6＇用于计量降雨量；恒磁钢7＇和干簧管8＇用于计数；采集器9＇用于记录分析数据。

下面简单描述一下单翻斗雨量传感器的工作原理：

当降水发生时，承雨口1＇收集的雨水由滤网过滤后经承雨口出水口3＇进入引水漏斗4＇，再经过引水漏斗滤网5＇过滤后注入计量翻斗6＇。

翻斗6＇是用工程塑料注塑成型的用中间隔板分成两个等容积的三角斗室。它是一个机械双稳态结构，当一斗室接水时，另一斗室处于等待状态。当所接水容积达到预定值（0.2的翻斗为6.28ml、0.5的翻斗为15.7ml、1.0的翻斗为31.4ml）时，由于重力作用使自己翻倒，处于等待状态，另一斗室处于工作状态。

在翻斗侧壁上装有恒磁钢7＇，它随翻斗翻倒时从干簧管8＇一旁扫过，使两个干簧管8＇通断。即翻斗6＇每翻倒一次，干簧管8＇便送出一个开关信号（脉冲信号）。这样翻斗翻动次数用磁钢扫描干簧管通断送出脉冲信号计数，每记录一个脉冲信号，便代表其对应翻斗降水量，经过采集器9＇记录统计后发送到数据中心，实现降水遥测的目的。

由于受自然环境影响，翻斗式雨量传感器容易出现各种故障。虽定期进行维护，但故障仍难免发生，这些故障直接影响雨量记录的精度和准确性。特别是近几年开始建立的遥测气象观测站和水文站，大部分都安装在自然环境比较恶劣的地方，受复杂环境影响很大，故障更是时有发生。另外，很多遥测观测站设立在无人居住区，常年缺少维护工作，雨量传感器出现故障后维护人员难以及时发现。

一般情况下，翻斗式雨量传感器的故障主要有三大类：

一是实际有降雨但是数据中心收不到数据，这种情况的出现有可能是由于雨量筒承雨口滤网或出水口堵塞，引水漏斗堵塞、磁钢失效、干簧管损坏、翻斗不翻转、焊线脱落或信号线断、采集器的I/O口损坏等故障发生时引起的。

二是无降水但数据中心收到雨量数，这种情况的出现一般是受到环境干扰时引起的。

当以上两种故障出现时系统很难及时发现。

三是当承雨口过滤网或出水口和引水漏斗半堵塞时的故障发生后，维护人员几乎无法及时发现，需要经过一个相当长的时间周期彻底堵塞后，维护人员才有可能发现，在出现这类故障期间，遥测站发送到数据中心的数据有可能不能反映真实的降雨强度。这就影响了系统要达到的山洪或泥石流等自然灾害发生前的正确预警。

针对有可能出现的故障，目前主要采用定期维护和故障修，且偏远地区的遥测雨量传感器只能采用故障修。

因此，如何实时监测翻斗式雨量传感器各组成部分的工作状态，是本领域急需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种智能翻斗式雨量传感装置。该传感装置可实时监测各主要组成部分的工作状态，使维护方式由传统的故障修过渡至状态修，从而提高了数据的可靠性，能够为气象观测系统提供准确、可靠的观测数据，为提高国家气象和水文监测、预报与预测提供重要保证。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种智能翻斗式雨量传感装置，包括承雨口、承雨口滤网、引水漏斗以及采集器，还包括：用于测量承雨口内雨水水位状态变化数据的第一传感器，设于所述承雨口；用于分段测量承雨口中水位液面高度所落入的范围的第二传感器，其数量至少一个，设于所述承雨口滤网；设于所述承雨口出水口处的第三传感器，当有雨水流经所述承雨口出水口时，第三传感器被触发；用于测量引水漏斗高水位处积水液位的变化数据的第四传感器，设于所述引水漏斗顶部敞口的内壁上；所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器的输出端与所述采集器的处理电路连接。

优选地，所述第一传感器和第四传感器均包括相互平行并间隔一定距离的第一极板和第二极板；所述第一极板和第二极板的输出端与所述采集器的处理电路连接。

优选地，所述第一传感器的第一极板和第二极板从所述承雨口底部向上延伸且分列于所述承雨口滤网的外侧。

优选地，所述第四传感器的第一极板和第二极板对称布置于所述引水漏斗顶部敞口的内壁上。

优选地，所述第二传感器沿高度方向在所述承雨口滤网上间隔分布。

优选地，所述第二传感器的数量为两个。

优选地，所述承雨口的出水口末端为斜开口，所述第三传感器安装于所述斜开口处。

优选地，所述承雨口的出水口末端的斜开口呈45°。

优选地，所述第二传感器和第三传感器均包括位于同一水平面上的第一电极点和第二电极点；所述第一电极点和第二电极点与所述采集器的处理电路连接。

优选地，所述第一传感器嵌入所述承雨口滤网外侧、所述第二传感器嵌入所述承雨口滤网、所述第三传感器嵌入所述承雨口出水口、所述第四传感器嵌入所述引水漏斗。

本实用新型提供的智能翻斗式雨量传感装置在其各主要组成部件设有传感器，通过这些传感器能够对各种工作状态进行实时监测。当传感器工作状态出现异常时，采集器根据传感器的检测数据，能够对异常情况进行分析并判断出可能出现的故障隐患，然后将判断结果上报到数据中心，由数据中心安排维护人员对故障隐患进行处理。从而为翻斗式雨量传感器实现状态修提供了方法和手段。这使得雨量传感器的维修方式从传统的故障修上升到状态修，大大提高了雨量传感器的可靠性，能够为气象和水文观测系统提供准确、可靠的观测数据，为提高国家气象和水文监测、预报与预测提供重要保证。

附图说明

图1为一种典型的单翻斗雨量传感器结构示意图；

图2为本实用新型所提供智能翻斗式雨量传感装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为图2中所述第一传感器的工作原理图；

图4为图2中所述第二传感器的工作原理图；

图5为本实用新型所提供智能翻斗式雨量传感装置的工作状态监测方法的流程总图。

图1中：

承雨口1＇  承雨口滤网2＇  承雨口出水口3＇  引水漏斗4＇；引水漏斗滤网5＇  翻斗6＇  恒磁钢7＇  干簧管8＇  采集器9＇

图2-图4中：

1.承雨口  1-1.承雨口出水口  2.承雨口滤网  3.引水漏斗  4.采集器  5.第一传感器  5-1.第一极板  5-2.第二极板  6.第二传感器  6-1.第一电极点  6-2.第二电极点  7.第三传感器  8.第四传感器  8-1.第一极板  8-2.第二极板

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本实用新型所提供智能翻斗式雨量传感装置的一种具体实施方式的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本实用新型所提供的智能翻斗式雨量传感装置，包括承雨口1、承雨口滤网2、引水漏斗3以及采集器4，相对于现有技术，增加了第一传感器5、第二传感器6、第三传感器7和第四传感器8。

第一传感器5设于承雨口1内承雨口滤网2外侧，用于测量承雨口1水位状态的变化数据。

第二传感器6的数量为两个（根据需求可设置多个），设于承雨口滤网2，用于分段测量承雨口积水液位高度所落入的范围，即主要用于确定承雨口内雨水积存状态。

第三传感器7设于承雨口出水口1-1处，当有雨水流经承雨口出水口1-1时，该传感器能够被触发。

第四传感器8，设于引水漏斗3顶部敞口的内壁上，用于测量引水漏斗高水位处积水液位的变化数据。

请参考图3，图3为图2中所述第一传感器的工作原理图。

第一传感器5包括相互平行并间隔一定距离的第一极板5-1和第二极板5-2，第一极板5-1和第二极板5-2的输出端与采集器4的处理电路连接；第四传感器8的结构与第一传感器5类似，采用两个内嵌的金属片构成第一极板8-1和第二极板8-2，用来对引水漏斗3的液位进行检测。

第一传感器5的第一极板5-1和第二极板5-2从承雨口1底部向上延伸且分列于承雨口滤网2的两侧，第四传感器8的第一极板8-1和第二极板8-2对称布置于引水漏斗3顶部敞口的内壁上。

其工作原理如下：

设极板面积为S（m²），两极板之间距离为d(m)，电容器介电常数为ε(F/M)时，电容器的电容量是构成电容器的两个极片形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数，其电容量Cx(F)为:Cx=εS/d(1-1)由式(1-1)可见，在S、d、ε三个参量中，只要保持其中S、d这两个不变,改变ε可使电容Cx变化。因此当有降水发生时，承雨口内第一传感器也会发生变化，并且随着降水强度的变化，引起极板间电介质ε的变化，从而导致电容容量Cx发生变化，由电容容量的变化进而可测算出降雨量的变化。

第一传感器5和第四传感器8依据电容器理论进行设计，具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应快、能实现非接触性测量等特点。

请参考图4，图4为图2中所述第二传感器的工作原理图。

第二传感器6包括位于同一水平面上的第一电极点6-1和第二电极点6-2，第一电极点6-1和第二电极点6-2与采集器4的处理电路连接。

第二传感器6主要利用空气和水的导电性的差异进行设计的。将传感器的两个导电触点设计在同一水平面上，当这一平面没有雨水时（空气），为高阻状态。当这一平面有雨水时，为导通状态，具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。

第二传感器6的数量为两个，沿高度方向在承雨口滤网2上间隔分布。当然，第二传感器6的数量还可以是多个，可根据承雨口尺寸、测量精度的要求进一步增加或减少。

第三传感器7的工作原理与第二传感器6相同，其两个导电触点嵌入承雨口出水口1-1的壁内，并且在设计时将原出水口的平口改为45°倾斜口，其主要目的是在初始降雨时可将微量降水通过倾斜面引流汇集到最低处（第三传感器采集点）形成第一滴水滴，然后滴入出水口下方的引水漏斗3中。因此第三传感器7可在第一时间判断出汇集第一滴水滴的降雨时间，这是其它翻斗雨量传感器所不具备的。

上述传感器均无需单独安装，可直接嵌入过滤网和出水口中，在生产加工过滤网和出水口的同时，通过注塑一次加工完成。

由上所述，本实用新型所提供的智能翻斗式雨量传感装置，主要是在原结构中的承雨口1、承雨口滤网2、承雨口出水口1-1和引水漏斗3这四部分上增加了四个传感器，用于采集这些区域的相关信息，以便对承雨口1整个区域以及承雨口1、承雨口滤网2、承雨口出水口1-1、引水漏斗3、翻斗和干簧管等关键点的状态进行监测。并通过采集器4中的系统软件对各种情况下的系统工作状态进行分析处理，得出对应的结论。

具有如下功能：

1.第一时间识别降水发生；

2.监测承雨口内雨水的分布状态；

3.监测承雨口出水口水流畅通状态；

4.监测引水漏斗漏水状态；

5.监测翻斗和干簧管工作状态；

6.监测超出本雨量站传感器检测上限的特大暴雨。

综上所述，该传感器集先进的计算机技术、传感技术和通信技术于一体，采用模块化设计，在复杂的环境下具有很高的可靠性。使用本装置可以增强翻斗雨量传感器的智能化、可靠性和稳定性。

上述智能翻斗式雨量传感装置仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

请参考图5，图5为本实用新型所提供智能翻斗式雨量传感装置的工作状态监测方法的流程总图。

上述智能翻斗式雨量传感装置的工作状态监测方法如下：

1.承雨口出水口水流畅通状态，包括如下步骤：

步骤1.1：由于野外环境恶劣，雨量传感器长期放置在野外，承雨口出水口1-1很容易被树叶、泥沙等杂质堵塞，一旦出现这种情况，可由采集器根据第一传感器5和第二传感器6的测量数据判断承雨口1内是否存在积水；

步骤1.2：由采集器4记录翻斗在设定时间内的翻转次数，并将该数值与承雨口1未积水的最大临界值相比较，判断翻斗的翻转次数是否低于所述最大临界值；

步骤1.3：若步骤1.1和步骤1.2的判断结果同时为是，则可以判断承雨口出水口1-1阻塞，由采集器4向数据中心发送承雨口出水口阻塞报告；

2.引水漏斗出水状态包括如下步骤：

步骤2.1：由雨量传感器的构造可知，承雨口出水口1-1大于引水漏斗3的出水口，当降水持续达到或超过一定强度一段时间后，引水漏斗3满载，当引水漏斗3满载时会触发第四传感器8；

步骤2.2：由采集器4记录翻斗在设定时间内的翻转次数，并将该数值与引水漏斗3满载且畅通情况下相同时间内翻斗的正常翻转次数相比较，判断翻斗的翻转次数是否低于所述正常翻转次数；

步骤2.3：若步骤2.1和步骤2.2的判断结果同时为是，则可以判断引水漏斗3阻塞，由采集器4向数据中心发送引水漏斗阻塞报告；

3.翻斗和干簧管工作状态，包括如下步骤：

步骤3.1：由采集器4根据第一传感器5的测量数据判断实时的降水强度，并根据第二传感器6的测量数据判断承雨口1内雨水的分布状态和积水情况，并将降水强度信息和积水情况上报数据中心；

具体来讲，当降水发生时，从降水发生到结束，降水强度不是一成不变的，采集器4根据第一传感器5所采集数据的变化，对应于分析软件中的数据模型将电容的变化转换为降水强度的变化，再结合翻斗在单位时间内的翻转次数，由此来判断实时的降水强度。

当降雨量超过一定的雨强时，承雨口1内的水无法及时通过出水口排出，一段时间内会在承雨口内形成积水。并且随着降雨强度的不同，承雨口1内雨水的分布状态也会随之发生变化。当降水发生时，第一传感器5的检测数据根据降水强度的不同而发生变化，根据不同的降水强度结合第二传感器6所判断的液位情况以及翻斗单位时间的翻转次数，以此来判断承雨口1内雨水的分布状态和积水情况。

步骤3.2：由采集器4根据第三传感器7的测量数据判断是否有雨水通过承雨口出水口1-1；

步骤3.3：由采集器4根据第四传感器8的测量数据判断引水漏斗3是否满载；

步骤3.4：当步骤3.1判断承雨口1内存在积水，且降水强度在设定时间内的降雨量超过引起翻斗翻转的最小降水量，同时，步骤3.2的判断有雨水通过承雨口出水口1-1，且步骤3.3判断引水漏斗3未满载时，若翻斗未翻转计数，则可以判断翻斗和干簧管未处于正常工作状态，由采集器4向数据中心发送翻斗和干簧管故障报告。

进一步地，包括如下特大暴雨判断步骤：

步骤4.1：由采集器4根据第一传感器5和第二传感器6的测量数据判断承雨口1内的积水是否超过其检测上限；

步骤4.2：由采集器4根据第三传感器7的测量数据判断是否有雨水通过承雨口出水口1-1；

步骤4.3：由采集器4根据第四传感器8的测量数据判断引水漏斗3是否满载；

步骤4.4：若步骤4.1、步骤4.2、步骤4.3的判断结果为是，且翻斗在设定时间内的翻转次数达到所允许的最大值时，可确定降雨为超出该雨量传感器检测上限的特大暴雨，由采集器4向数据中心发送特大暴雨预警报告。

在设定时间内，当第三传感器7被第一次触发时，采集器4进行记录并第一时间向数据中心发送降水发生报告。

根据第三传感器7的原理，返回数据为高阻值表示未发生降水，低阻值表示有降水。这里分别用0和1来表示，0表示高阻值，1表示低阻值。在降雨发生时，降水通过承雨口1汇集，通过承雨口出水口1-1倾斜面引流汇集到最低处形成第一滴水滴，水滴通过第三传感器7采集点，然后滴入出水口下方的引水漏斗3中。

当第一滴水滴通过第三传感器7时，第三传感器7导通，状态发生变化，由0变为1。当采集器收到第三传感器7返回数据为1时，表示有降水发生，采集器4进行记录并向数据中心发送降水发生的报告，而未加装第三传感器7的雨量传感器只有在翻斗翻转的时候才能判断降水发生。

以上对本实用新型所提供的智能翻斗式雨量传感装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能翻斗式雨量传感装置，包括承雨口、承雨口滤网、引水漏斗以及采集器，其特征在于，还包括：用于测量承雨口内雨水水位状态变化数据的第一传感器，设于所述承雨口；用于分段测量承雨口中水位液面高度所落入的范围的第二传感器，其数量至少一个，设于所述承雨口滤网；设于所述承雨口出水口处的第三传感器，当有雨水流经所述承雨口出水口时，第三传感器被触发；用于测量引水漏斗高水位处积水液位的变化数据的第四传感器，设于所述引水漏斗顶部敞口的内壁上；所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器的输出端与所述采集器的处理电路连接。

2.根据权利要求1所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述第一传感器和第四传感器均包括相互平行并间隔一定距离的第一极板和第二极板；所述第一极板和第二极板的输出端与所述采集器的处理电路连接。

3.根据权利要求2所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述第一传感器的第一极板和第二极板从所述承雨口底部向上延伸且分列于所述承雨口滤网的外侧。

4.根据权利要求2所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述第四传感器的第一极板和第二极板对称布置于所述引水漏斗顶部敞口的内壁上。

5.根据权利要求1所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述第二传感器沿高度方向在所述承雨口滤网上间隔分布。

6.根据权利要求5所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述第二传感器的数量为两个。

7.根据权利要求1所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述承雨口的出水口末端为斜开口，所述第三传感器安装于所述斜开口处。

8.根据权利要求7所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述承雨口的出水口末端的斜开口呈45°。

9.根据权利要求1所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述第二传感器和第三传感器均包括位于同一水平面上的第一电极点和第二电极点；所述第一电极点和第二电极点与所述采集器的处理电路连接。

10.根据权利要求1至9任一项所述的智能翻斗式雨量传感装置，其特征在于，所述第一传感器嵌入所述承雨口滤网外侧、所述第二传感器嵌入所述承雨口滤网、所述第三传感器嵌入所述承雨口出水口、所述第四传感器嵌入所述引水漏斗。

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