CN209148892U - 高精度翻斗式雨量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于，翻斗转轴设置在翻斗的两个斗室的分隔面上，且所述翻斗转轴的高度位于：在翻斗式雨量传感器本体处于水平，两个斗室处于等高的状态下，斗室内侧面的最低点和翻斗重心之间。本实用新型通过对翻斗转轴的位置限定在不影响翻斗式雨量传感器其他正常功能及精度的前提下实现了对翻斗内侧的雨水浸润产生水膜造成的误差的减小乃至消除。其无需设置疏水涂层等额外的结构，几乎无新增成本，耐用性大增，可操作性强，效果显著，对翻斗式雨量传感器的精度提升有很大的改善作用。

Description

高精度翻斗式雨量传感器

技术领域

本实用新型涉及雨量传感器领域，尤其涉及一种高精度翻斗式雨量传感器装置。

背景技术

翻斗式雨量传感器是一种水文、气象仪器，用以测量自然界降雨量，同时将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要。传统的翻斗式雨量传感器一般只能做到±4%的误差，对于气象的历史记录、数据分析越来越不能满足要求。

翻斗式雨量传感器的一个比较重要的误差来源在于，在雨量计算的过程中，用于装盛雨水的翻斗的内侧在一般情况下均不可避免地会被雨水浸润，从而在翻斗的内侧的内侧形成一层薄薄的水膜，虽然该水膜的质量在大多数场景中均可以忽略不计，然而在翻斗式雨量传感器设置了很高精度的情况下，由于翻斗每次翻转的雨水质量阈值都很小，该水膜的质量便不能忽略不计，而可能造成较大的误差，使翻斗式雨量传感器无法满足精度的要求。

在现有技术当中，一般通过在翻斗的内侧设置疏水涂层的方式来克服这一问题，然而疏水涂层的使用寿命不长，翻斗式雨量传感器的设计工作年限至少要以数年为单位，一旦疏水涂层因较长时间的使用而失去效果，则整个翻斗式雨量传感器的精度将无法得到保障，且该种误差难以被远端监控发现，大大增加了雨量数据采集不准确的风险。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的缺陷和不足的问题，本实用新型另辟蹊径，创造性地采用了与现有技术完全不同的解决思路，其具体采用以下技术方案：

一种高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：翻斗转轴设置在翻斗的两个斗室的分隔面上，且所述翻斗转轴的高度位于：在翻斗式雨量传感器本体处于水平，两个斗室处于等高的状态下，斗室内侧面的最低点和翻斗重心之间。

优选地，该高精度翻斗式雨量传感器包括：设置在支架上方的承水器、设置在支架顶部的漏斗、设置在所述漏斗下方的翻斗、由所述翻斗驱动的磁钢、以及包括干簧管的计数电路模块；所述翻斗通过翻斗转轴与支架构成铰接。

优选地，所述翻斗重心高于水膜配重平衡点，所述水膜配重平衡点为翻斗两侧浸润面的重心。

优选地，所述翻斗还包括设置在斗室侧部，且位于两个斗室的分隔面上并垂直于翻斗转轴的调节螺杆。

优选地，所述翻斗转轴的高度位于：水膜配重平衡点下方5mm和翻斗重心之间。

优选地，所述翻斗转轴或翻斗转轴的空间延伸体穿过水膜配重平衡点。

优选地，所述翻斗转轴的轴心线与水膜配重平衡点的间距小于3mm。

优选地，所述斗室内侧面为圆柱面。

优选地，所述翻斗的下方设置有计数摆动机构，所述计数摆动机构通过计数摆动机构转轴与支架构成铰接；所述计数摆动机构转轴设置在翻斗的两个斗室的分隔面上；所述计数摆动机构包括沿翻斗两侧斗室方向伸出的突出部、包绕翻斗转轴的让位部以及固定有磁钢的指针部；所述指针部的摆动最高点与设置在支架侧壁上的干簧管等高；所述磁钢设置在计数摆动机构的对称面上；所述翻斗和计数摆动机构的两侧摆动范围各由两个限位件限制；所述翻斗朝两侧摆动所经路径与计数摆动机构的突出部存在交点。

本实用新型通过对翻斗转轴的位置限定在不影响翻斗式雨量传感器其他正常功能及精度的前提下实现了对翻斗内侧的雨水浸润产生水膜造成的误差的减小或消除。其无需设置疏水涂层等额外的结构，耐用性大增，几乎无新增成本，可操作性强，效果显著，对翻斗式雨量传感器的精度提升有很大的改善作用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：

图1为本实用新型实施例翻斗及翻斗转轴结构示意图；

图2为本实用新型实施例翻斗与调节螺杆构成的组合体的示意图；

图3为本实用新型实施例整体结构剖视示意图；

图4为本实用新型实施例整体结构立体爆炸图；

图5为本实用新型实施例计数摆动机构立体示意图；

图中：1-承雨器；2-支架；3-漏斗；4-翻斗；5-计数摆动机构；6-计数电路模块；7-调节螺杆；8-磁钢；21-翻斗限位件；22-计数摆动机构限位件；41-翻斗转轴；42-左斗室；43-右斗室；51-计数摆动机构转轴；52-突出部；53-让位部；54-指针部；61-干簧管；62-接线柱；63-计数电路模块支架；64-电池；100-外壳；200-底座；411-左侧浸润面的重心；421-右侧浸润面的重心；431-水膜配重平衡点。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

名词释义：

浸润面：在翻斗式雨量传感器的工作过程中，翻斗上会被雨水浸润的所有面的总称。

首先需要说明的是，作为本实施的设计要旨，在于对翻斗，尤其是翻斗转轴设置方式的限定和改进，其不仅适用于本实施例具体提供的优选装置，且适用于所有以翻斗的承雨摆动作为雨量计数基本原理的翻斗式雨量传感器，具体而言：

为了减小或消除以翻斗4内侧的雨水浸润产生水膜为主的因素造成的误差，本实施例在不设置设置疏水涂层的情况下，通过对翻斗转轴41设置位置的调整，控制翻斗左侧和右侧的水膜的力矩平衡，将水膜对翻斗4在工作状态时的力矩的影响尽可能地降低。

因为翻斗4翻转至不同的角度，其与翻斗转轴41的相对位置和翻斗4本身的重心一般都会发生变化，因此如无特殊说明，以下的相对位置和力的分析均以翻斗式雨量传感器本体处于水平，两个斗室处于等高的状态作为标准进行。

现有技术当中，并未有任何通过翻斗转轴41的位置设置而谋求水膜力矩平衡的考量，翻斗转轴41的设置位置一般均位于翻斗底面的下方。

但经过大量测试和论证，本实施例得出，能够使水膜不使翻斗产生误差的翻斗转轴41的高度设置位置必须位于斗室内侧面的最低点之上。

同时，为了实现翻斗4的基本功能，使其不至于成为一个摆，则翻斗转轴41不应高于翻斗的重心位置。

也就是说，在满足设置在斗室内侧面的最低点和翻斗重心之间的情况下，通过对翻斗转轴41在翻斗4的左右对称的两个斗室的对称面上的上下微调，可以找到满足消除或尽可能减小水膜产生的误差的合适位置，实现本实施例的基本目的。

同时，通过更进一步的分析，本实施例还提供了更为精确的翻斗转轴41位置的确定和设置的方案：

通过对力矩的分析，如果水膜的质量恒定，则两侧水膜的整体重心与翻斗4的旋转轴（由翻斗转轴41的位置决定旋转轴的位置）的距离越小，则两侧水膜在翻斗4承水状态下产生的合力矩越小，因此对翻斗4的力矩的影响就越小。当两侧水膜的整体重心与翻斗4的旋转轴重合时，则对翻斗4的力矩的影响消除。

由于翻斗式雨量传感器本身就是加工精度很高的仪器设备，翻斗4各个面具备足够的平整性，加上考虑到雨水浸润产生水膜实质上的厚度非常小且整体形态较为稳定，因此，本实施例在技术构建时将水膜等效为一个质量均匀的理想的面，将水膜的重心位置问题转化为左侧浸润面的重心411和右侧浸润面的重心412的位置问题，将很难确定的装置附着物的重心位置问题转化为具备确定几何形状的面的重心位置的问题。其中，浸润面的范围由翻斗内侧底面、侧壁、排水导雨板等构件的几何形态，以及触及翻转阈值时的承水量决定，可以根据翻斗式传感器本身的固有形态准确计算。

如图1所示，在翻斗4的两个斗室的形状尺寸相同的情况下，左侧浸润面和右侧浸润面的整体重心将位于左侧浸润面的重心411和右侧浸润面的重心412连线与两个斗室分隔面的交点上。本实施例将该翻斗两侧浸润面的重心定义为水膜配重平衡点431。

因此，在理想的状况下（翻斗4的两个斗室的形状尺寸完全相同）由翻斗转轴4或翻斗转轴4的空间延伸体穿过水膜配重平衡点431是消除水膜产生误差的最佳方案。

需要说明的是，此处定义翻斗转轴41的空间延伸体的意义在于，在一些翻斗式雨量传感器的设计当中，翻斗转轴41未必是一根贯穿翻斗4所在空间的实体转轴，例如图3、图4所示，其还可以是两端伸入各提供一段共线的支撑轴作为旋转轴的形态。

但是，在实际的翻斗式雨量传感器的误差校准当中，可能还需要考虑其他的次级的误差来源。如浸润面从干燥状态至完全浸润的过程当中，水膜的形成实际上是一动态的过程，因此，如需考虑这一次级误差的校准，翻斗转轴41的轴心（即理想抽象意义上的旋转轴）与水膜配重平衡点431之间可以预设一个很小的偏离用于配平该些次一级的误差，因此，本实施例由此考量，将翻斗转轴41的轴心与水膜配重平衡点431之间的间距设定为小于3mm。

还可以综合考虑试验测试的结果和以上定量分析，将翻斗转轴41的高度的位置限定为：水膜配重平衡点下方5mm和翻斗重心之间，也能够起到良好的误差消除的效果。

此外，经过上述分析可知，水膜配重平衡点431的位置主要由翻斗4的形状决定，而翻斗重心则由翻斗4的质量分布决定，因此，可能出现翻斗重心低于水膜配重平衡点431的情况。因此，在采用本实施例方案时，在翻斗4的设计上应尽可能使水膜配重平衡点431高于翻斗重心，才有基本完全消除水膜误差的可能，反之，则只可能尽量减小水膜误差，因始终有力矩产生，无法完全消除。

作为本实施例的一个优选方案，如图2所示，本实施例针对翻斗4配置了设置在斗室侧部，且位于两个斗室的分隔面上并垂直于翻斗转轴41的可以调节重心的调节螺杆7，根据公开号为CN107765349A的中国专利的记载，该调节螺杆7可以线型调节翻斗4（将调节螺杆7也看做翻斗4的一部分）的重心。通过该种设置就可以通过调节螺杆7保证水膜配重平衡点431高于翻斗重心，从而达到获得采用本实施例方案最佳效果的基本条件。

对于浸润面重心的计算问题，如图1所示，在本发明实施例中，翻斗4的左斗室42和右斗室43左右对称设置，且内侧底面为圆柱面，从其侧面或截面上看可以发现，该圆柱面属于浸润面部分的重心的坐标可以转化为其投影的圆弧的重心的问题，根据圆弧重心的计算方法，可知，线密度均匀的圆弧重心位置在圆弧中点与圆心的连线上，设圆弧重心到圆心的距离为d，圆弧的半经为r，圆弧的圆心角为2a(弧度)，则有下面的计算公式：d=(r/a)sina；浸润面其他部分的重心也可以拆分成为多个规则面分别计算获得，再计算组合成完整浸润面的重心。由此得以分别确定左侧浸润面的重心411和右侧浸润面的重心421，即左斗室42内的水膜的重心和右斗室43内的水膜的重心后，两个重心的连线与左斗室42和右斗室43的左右对称面的交点即为水膜配重平衡点431。

同理，如果采用本实施例之外的浸润面的形状也可以通过对面的重心的计算确定水膜配重平衡点431，本实施例作为优选方案采用的圆柱面会使得计算以及该点的确定在批量生产中更为容易和方便而已。

如图3、图4所示，本实施例整体装置作为一典型的具备单个翻斗的翻斗式雨量传感器，包括：设置在支架2上方的承水器1、设置在支架2顶部的漏斗32、设置在漏斗3下方的翻斗4、由翻斗4驱动的磁钢8、以及包括干簧管61的计数电路模块6；翻斗4通过翻斗转轴41与支架2构成铰接；翻斗4的下方设置有计数摆动机构5，计数摆动机构5通过计数摆动机构转轴51与支架2构成铰接；计数摆动机构转轴51设置在翻斗4的左斗室42和右斗室43的对称面上。

本实施例装置整体安装在外壳100和底座200构成的壳体当中，计数电路模块6设置于支架2的旁侧，其配置有接线柱62（输出端口）和电池61，并整体组装在计数电路模块支架63上。

如图5所示，计数摆动机构5包括分别沿左斗室42和右斗室43延伸方向伸出的突出部52、包绕翻斗转轴41的让位部53，以及固定有磁钢8的指针部54；指针部54的摆动最高点与设置在支架2侧壁上的干簧管61等高；磁钢8设置在计数摆动机构5的对称面上。

翻斗4和计数摆动机构5的两侧摆动范围各由两个限位件限制，包括两个形如圆柱状突起的翻斗限位件21和两个形如圆柱状突起的计数摆动机构限位件22；限位件的作用是控制翻斗4和计数摆动机构5摆动的最大范围，使其每一次翻转的路径可控。

此外，计数摆动机构5的形态还需要满足：翻斗4朝两侧摆动所经路径在计数摆动机构5处于摆动允许范围之内的任何角度时，均与计数摆动机构5的突出部52相交，以保证翻斗4的每一次翻转摆动能够对应地驱动计数摆动机构5发生摆动，从而使磁钢8发生能够触发干簧管61的摆动，完成一次计数。

以上构件除了包括翻斗式雨量传感器的最基本必要构件之外，主要对由干簧管61（磁簧开关）和磁钢8构成的计数组件进行了调整。本实施例方案将磁钢8设置在与翻斗4在结构上分离的计数摆动机构5上，从而消除了当磁钢8与干簧管61靠近时产生的磁力对装置整体力矩造成影响从而产生的误差。该计数摆动机构5在翻斗4发生翻转，当前承雨一侧翻斗4室下坠的过程中，由对应的一侧突出部52与该翻斗4室的底部发生作用，利用翻斗4室下坠的动能驱动计数摆动机构5发生摆动，从而使设置在指针部54的磁钢8摆动并通过与干簧管61的近点，能够在不影响翻斗4本身力矩的情况下完成一次磁簧开关的触发。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的高精度翻斗式雨量传感器，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：翻斗转轴设置在翻斗的两个斗室的分隔面上，且所述翻斗转轴的高度位于：在翻斗式雨量传感器本体处于水平，两个斗室处于等高的状态下，斗室内侧面的最低点和翻斗重心之间。

2.根据权利要求1所述的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于，包括：设置在支架上方的承水器、设置在支架顶部的漏斗、设置在所述漏斗下方的翻斗、由所述翻斗驱动的磁钢、以及包括干簧管的计数电路模块；所述翻斗通过翻斗转轴与支架构成铰接。

3.根据权利要求1所述的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述翻斗重心高于水膜配重平衡点，所述水膜配重平衡点为翻斗两侧浸润面的重心。

4.根据权利要求3所述的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述翻斗还包括设置在斗室侧部，且位于两个斗室的分隔面上并垂直于翻斗转轴的调节螺杆。

5.根据权利要求3或4所述的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述翻斗转轴的高度位于：水膜配重平衡点下方5mm和翻斗重心之间。

6.根据权利要求3或4所述的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述翻斗转轴或翻斗转轴的空间延伸体穿过水膜配重平衡点。

7.根据权利要求3或4所述的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述翻斗转轴的轴心线与水膜配重平衡点的间距小于3mm。

8.根据权利要求2所述的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述斗室内侧面为圆柱面。

9.根据权利要求2-4其中任一所述的高精度翻斗式雨量传感器，其特征在于：所述翻斗的下方设置有计数摆动机构，所述计数摆动机构通过计数摆动机构转轴与支架构成铰接；所述计数摆动机构转轴设置在翻斗的两个斗室的分隔面上；所述计数摆动机构包括沿翻斗两侧斗室方向伸出的突出部、包绕翻斗转轴的让位部以及固定有磁钢的指针部；所述指针部的摆动最高点与设置在支架侧壁上的干簧管等高；所述磁钢设置在计数摆动机构的对称面上；所述翻斗和计数摆动机构的两侧摆动范围各由两个限位件限制；所述翻斗朝两侧摆动所经路径与计数摆动机构的突出部存在交点。