CN210401155U - 旋转式雨滴能量测量仪 - Google Patents

Abstract

一种旋转式雨滴能量测量仪，涉及一种雨滴能量测量仪。为了解决地面雨滴谱仪装置精确度低的问题。测量仪由栅格式雨量杯、圆柱形雨量杯和旋转支撑机构构成，栅格式雨量杯内设置有栅格腔室。测量计算时调整转速RPM，然后计算栅格式雨量杯的水平转速V_h，分别获取栅格腔室内收集的雨滴的质量，利用公式计算降雨能量E。本实用新型旋转式雨滴能量测量仪结构能够获得雨滴速度分布V_i、雨滴的质量M_i，以及降雨能量E。测量仪具有简单、实用、便携、廉价和测量的准确性高的优点。本实用新型适用于雨滴能量测量。

Description

旋转式雨滴能量测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种雨滴能量测量仪。

背景技术

在土壤侵蚀研究中，降雨能量是影响土壤侵蚀发生和发展的重要因素，同时也是土壤侵蚀预报模型中的重要因子。因此，降雨能量的精确测量对于土壤侵蚀领域的研究和土壤侵蚀的预报十分关键。降雨能量的测量方法可以分为传统方法和现代方法。传统方法包括色斑法、面粉团法、油浸法和快速摄影法等；现代方法以雨滴谱仪为代表，包括冲击雨滴谱仪、光学雨滴谱仪和声学雨滴谱仪以及雷达技术等。由于早期科学技术的限制，人们无法直接对雨滴的速度进行直接测量，因而只能够通过测量雨滴谱来间接的估算雨滴速度。雨滴粒径分布是雨滴谱能够提供的重要信息。雨滴粒径的大小决定了雨滴的质量和速度的大小，是影响雨滴动能的重要因素。传统雨滴谱测量技术如色斑法、面粉团法、油浸法均是为了获得雨滴的粒径信息，并通过建立的雨滴直径和雨滴速度的经验公式间接估算降雨能量。这些方法普遍存在精度低，工作量大，实时性差等缺点。在国内，修正的沙玉清公式和修正的牛顿公式是最常用的利用雨滴直径计算雨滴速度的经验公式。除此以外，一些研究者还通过降雨能量和降雨强度的关系来间接的估算降雨能量。著名的美国通用土壤流失方程USLE中，降雨能量便是通过降雨强度间接估算的。快速摄影法技术的出现为人们提供了一种直接测定雨滴速度的途径。然而，快速摄影法仅仅能够测量单个雨滴的速度，并不适合整场降雨能量的测量。

随着科技的进步，雨滴谱的测量装置也不断进步。现在雨滴谱测量装置主要分为两类，一类是地面雨滴谱仪装置，另一类是雷达测量雨滴谱装置。地面雨滴谱仪根据测量原理的不同主要分为三种：冲击型雨滴谱仪、光学雨滴谱仪和声学雨滴谱仪。冲击型雨滴谱仪是利用传感器接收雨滴打击信息，根据产生电磁脉冲信号的大小来估计降雨能量，典型代表是Joss-Waldvogel(JWD)雨滴谱仪。光学雨滴谱仪是利用发射器发射特定波段的光束，雨滴穿过光束会对光束造成干扰，根据接收器接收到光束信息的变化可以估计雨滴尺寸和雨滴速度信息，典型代表是GBPP-100地面光阵雨滴谱仪、光谱雨量计(Optical Spectro-Pluviometer，OSP)和激光降水监测仪(Laser Precipitation Monitor，LPM)。声学雨滴谱仪是根据雨滴击打水面的声音变化判断雨滴速度大小和降雨能量，目前市面上此类的雨滴谱仪并不多。地面雨滴谱仪主要适合小的空间尺度雨滴尺寸和能量信息的测量，而雷达测量雨滴谱装置则适合对于高空大尺度空间的观测，能够根据雷达反射因子(Z)和降雨强度(I)的关系来估算降雨信息。通常来说，地面雨滴谱仪装置的光或电信号极易受雨滴间重叠或遮挡的影响，从而对测量结果准确性造成影响。与此同时，雷达测量雨滴谱并不适合小范围雨滴能量的估计，同时测量结果受大气运动(上升气流、下降气流及水平风等)的影响明显。

综上所述，传统的通过雨滴谱间接计估算降雨能量的方法费时费力，实时性差，精确度也低，而现代的一些雨滴谱测量技术也面临一些诟病，如价格昂贵、光或电信号易受干扰而导致测量结果准确性差等问题，限制了相关技术的推广使用。因此，有必要开发一种简单、实用、便携、廉价的雨滴能量测量仪器。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有地面雨滴谱仪装置易受到干扰导致的测量结果精确度低的问题，提出一种旋转式雨滴能量测量仪。

本实用新型旋转式雨滴能量测量仪由数个栅格式雨量杯、圆柱形雨量杯和旋转支撑机构构成；

所述栅格式雨量杯为立方体形，栅格式雨量杯内部一侧的内壁上和底板上固接有数个平行的等距的栅格板，所有栅格板的自由端设置在同一个竖直平面内，最上面的栅格板与栅格式雨量杯顶部的倾斜顶板之间、以及任意相邻的栅格板之间构成栅格腔室；栅格式雨量杯内栅格腔室另一侧为空腔，空腔顶部为敞口；数个栅格式雨量杯呈中心对称设置在旋转支撑机构的外缘，且栅格式雨量杯中敞口朝上设置、栅格式雨量杯中栅格腔室的敞口端朝向栅格式雨量杯的旋转方向；旋转支撑机构的旋转中心上部固定有圆柱形雨量杯，圆柱形雨量杯上部为敞开口，圆柱形雨量杯的敞开口的面积与栅格式雨量杯的顶部为敞口的面积相等。

进一步地，所述栅格式雨量杯的空腔的外壁下部宽度小于上部宽度。

进一步地，所述旋转支撑机构为圆形平台，或旋转支撑机构由数个等长度的支撑臂构成，支撑臂呈辐射状分布且处于同一水平面内。

进一步地，所述由数个等长度的支撑臂构成的旋转支撑机构中：数个支撑臂呈水平辐射状固接在旋转支撑机构的中心旋转轴上，旋转支撑机构下方设置有驱动电机，驱动电机的动力输出轴与旋转支撑机构的中心旋转轴连接。

进一步地，所述旋转支撑机构下方的驱动电机外部套设有中央支柱；中央支柱为圆筒形，中央支柱下底部和上底部为敞口，中央支柱的上底部的敞口内径小于下底部敞口的内径；中央支柱下部与测量仪底座垂直固接；驱动电机的壳体与中央支柱内壁固接。

进一步地，所述由圆形平台构成的旋转支撑机构中：圆形平台水平设置，圆盘形的旋转支撑机构的下方设置有驱动电机，驱动电机的动力输出轴与旋转支撑机构的中心旋转轴连接。

进一步地，所述驱动电机的电源为变频器。

进一步地，所述栅格板与栅格式雨量杯底部之间的夹角为30～60°。

利用上述旋转式雨滴能量测量仪进行降雨能量的测量计算方法按照以下步骤进行：

步骤一：将旋转式雨滴能量测量仪放置在雨中，调整驱动电机的转速RPM至雨滴进入栅格式雨量杯中较上的栅格腔室且不进入最下的栅格腔室；然后清空进入栅格式雨量杯中的全部雨水，将驱动电机的转速设定为RPM；

步骤二：按照公式(1)计算栅格式雨量杯的水平转速V_h；

公式(1)中V_h为栅格式雨量杯的水平转速，单位为m/s；r为栅格式雨量杯旋转半径，单位是m；RPM为栅格式雨量杯转速，单位为转/分钟；

步骤三：分别获取栅格式雨量杯中每个栅格腔室内收集的雨滴的质量，由上至下第1个、第2个，……，第i个，第i个栅格腔室内收集的雨滴的质量分别为M₁，M₂，M₃，……，M_i，其中，第1个、第2个，……，第i个栅格腔室内雨滴的最小垂直速度分别为V₁，V₂，V₃，……，V_i，将雨滴的质量M_i和雨滴的最小垂直速度V_i带入公式(2)计算降雨能量E；

公式(2)中，i和n为正整数,n小于栅格式雨量杯(1)中栅格腔室的总数量；M_i为每个栅格腔室内收集的雨滴的质量，单位为kg；V_i为每个栅格腔室所对应的雨滴的最小垂直速度，单位为m/s；E为降雨能量，单位为J/kg；V_i按照公式(3)计算；

公式(3)中，i为正整数；V_h为栅格式雨量杯的水平转速(线速度)，单位为m/s。

本实用新型原理为：

旋转式雨滴能量测量仪中栅格式雨量杯做匀速圆周运动，能够根据雨滴降落速度的不同对雨滴进行收集、筛选和分级。降落速度大的雨滴能够进入栅格式雨量杯更低的栅格腔室，而降落速度小的雨滴只能够进入较高的栅格腔室。根据不同栅格腔室收集到雨滴质量的差异，可以获得降雨能量信息。

本实用新型具备以下有益效果：

本实用新型旋转式雨滴能量测量仪结构及测量方法具有简单、实用、便携和廉价的优点；与现有的地面雨滴谱仪相比，本实用新型不涉及光信号或电信号的使用，避免了因雨滴间重叠或遮挡对光、电信号造成干扰而导致的仪器测量不准确的问题，大大提高了雨滴能量测量的准确性。通过本实用新型中降雨能量的测量计算方法，能够获得雨滴速度分布V_i，每个速度范围内雨滴的质量M_i，以及降雨能量E。并且本实用新型在雨水收集后能够直接获得数据，属于直接测量和计算，计算过程简单。

附图说明

图1为实施例1中旋转式雨滴能量测量仪的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为实施例1中中央支柱4的结构示意图；图中a为驱动电机，b为测量仪底座；

图4为实施例1中栅格式雨量杯1的结构示意图；

图5为实施例1中栅格式雨量杯1的内部结构示意图；

图6为实施例1中中央支柱4的结构示意图；

图7为实施例1中栅格腔室对不同速度的雨滴的收集原理示意图；图中，Vv表示雨滴降落速度，V_h表示栅格式雨量杯旋转线速度(反方向)；轨迹1对应Vv＝0.5V_h，图中轨迹2对应Vv＝V_h，图中轨迹3对应Vv＝1.5V_h，图中轨迹4对应Vv＝2V_h，图中轨迹5对应Vv＝2.5V_h，图中轨迹6对应Vv＝3V_h；

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加的清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型。

实施例1：结合图1～5说明本实施例，本实施例旋转式雨滴能量测量仪由数个栅格式雨量杯1、圆柱形雨量杯2和旋转支撑机构构成；

所述栅格式雨量杯1为立方体形，栅格式雨量杯1内部一侧的内壁上和底板上固接有数个平行的等距的栅格板12，所有栅格板12的自由端设置在同一个竖直平面内，最上面的栅格板12与栅格式雨量杯1顶部的倾斜顶板11之间、以及任意相邻的栅格板12之间构成栅格腔室；栅格式雨量杯1内栅格腔室另一侧为空腔，空腔顶部为敞口13；数个栅格式雨量杯1呈中心对称设置在旋转支撑机构的外缘，且栅格式雨量杯1中敞口13朝上设置、栅格式雨量杯1中栅格腔室的敞口端朝向栅格式雨量杯1的旋转方向；旋转支撑机构的旋转中心上部固定有圆柱形雨量杯2，圆柱形雨量杯2上部为敞开口，圆柱形雨量杯2的敞开口的面积与栅格式雨量杯1的顶部为敞口13的面积相等。圆柱形雨量杯2收集的雨水可以用于测量降雨强度，同时可以用于检验栅格式雨量杯1中收集的雨水总量与圆柱形雨量杯2内收集的雨水量是否一致，判断是否完全回收了栅格式雨量杯1中收集的雨水。

进一步地，所述栅格式雨量杯1的空腔的外壁下部宽度小于上部宽度。该设置使栅格式雨量杯1的迎水面为倾斜面，当栅格式雨量杯1迎水面为接触到雨滴时，雨滴能够沿迎水面向下流淌，避免了多余的雨滴进入栅格式雨量杯1。

进一步地，所述旋转支撑机构由数个等长度的支撑臂3构成，支撑臂3呈辐射状分布且处于同一水平面内。

进一步地，所述由数个等长度的支撑臂3构成的旋转支撑机构中：数个支撑臂3呈水平辐射状固接在旋转支撑机构的中心旋转轴上，旋转支撑机构下方设置有驱动电机，驱动电机的动力输出轴与旋转支撑机构的中心旋转轴连接。

进一步地，所述旋转支撑机构下方的驱动电机外部套设有中央支柱4；中央支柱4为圆筒形，中央支柱4下底部和上底部为敞口，中央支柱4的上底部的敞口内径小于下底部敞口的内径；中央支柱4下部与测量仪底座垂直固接；驱动电机的壳体与中央支柱4内壁固接。中央支柱4的上部为较小敞口的套筒结构，能够隔离测量过程中的雨水，避免电机遇水发生短路；中央支柱4的上底部的敞口为驱动电机的动力输出轴的通过孔，通过孔在遮雨板4或圆盘形的旋转支撑机构的遮挡下能够避免雨水从顶部进入中央支柱4内部。

进一步地，所述驱动电机的电源为变频器。变频器能够为驱动电机提供可变的电压和频率，以实现调节驱动电机的转速的目的。

进一步地，所述栅格板12与栅格式雨量杯1底部之间的夹角为45°。

本实施例旋转式雨滴能量测量仪由4个栅格式雨量杯1、圆柱形雨量杯2和旋转支撑机构构成；所述旋转支撑机构由数个等长度的支撑臂3构成。本实施例中r＝0.565m；支撑臂3的长度为53cm；所述相邻的栅格板12的自由端间的竖向高度L6为0.02m；栅格板12与栅格式雨量杯1底部之间的夹角为45°；相邻的栅格板12的自由端间的竖向高度L6为0.02m；敞口13为矩形，长L1为7cm，宽L2为7cm；圆柱形雨量杯2的内径为7.9cm；栅格式雨量杯1栅格板12一侧的高度L3为0.16m，栅格式雨量杯1中另一侧的高度L5为0.23m，栅格式雨量杯1底部总宽度L4为0.12m，L4小于L7，即空腔的外壁下部宽度小于上部宽度使栅格式雨量杯1的迎水面为倾斜面，当栅格式雨量杯1迎水面为接触到雨滴时，雨滴能够沿迎水面向下流淌，避免了多余的雨滴进入栅格式雨量杯1。

实施例中使用的人工模拟降雨装置是由中科院水利部水土保持研究所研制，属于下喷式降雨装置。降雨装置高度为5m，顶端安装有两个Fulljet GW系列喷头，有效降雨面积约为3m×3m，降雨均匀度80％以上，降雨强度可通过改变供水压强实现。

为了测试旋转式雨滴能量测量仪仪器运行结果对于降雨强度的响应，实施例中降雨强度设置了三个梯度(三场降雨)，供水压强分别为0.20Mpa、0.15Mpa和0.10Mpa，对应降雨强度分别为84.79mm/h、63.75mm/h和42.05mm/h，分别对应实验1、实验2和实验3。

利用上述旋转式雨滴能量测量仪进行降雨能量的测量计算方法按照以下步骤进行：

步骤一：将旋转式雨滴能量测量仪放置在雨中，调整驱动电机的转速RPM至雨滴进入栅格式雨量杯1中较上的栅格腔室且不进入最下的栅格腔室；然后清空进入栅格式雨量杯1中的全部雨水，将驱动电机的转速设定为RPM；

步骤一中，栅格式雨量杯1做匀速圆周运动时能够根据雨滴降落速度对进入栅格式雨量杯1的雨滴进行分级，垂直速度大的雨滴能够进入栅格式雨量杯较下部的栅格腔室，而垂直速度小的雨滴只能够进入栅格式雨量杯较上部的栅格腔室(图7)。

步骤一在正式测量降雨能量之前率定最佳仪器转速RPM，能够获得最多层次的雨滴速度分布，进而提高测量结果准确性。如果RPM过大，会导致靠近栅格式雨量杯1底部的栅格内部无雨滴进入，雨滴速度分级数量变少，降雨能量计算准确性降低；RPM过小，会导致雨滴抵达雨量杯底部栅格腔室外面，降雨能量计算准确性也会降低。

步骤二：按照公式(1)计算栅格式雨量杯1的水平转速V_h；

公式(1)中V_h为栅格式雨量杯1的水平转速，单位为m/s；r为栅格式雨量杯旋转半径，单位是m；RPM为栅格式雨量杯转速，单位为转/分钟；

步骤三：分别获取栅格式雨量杯1中每个栅格腔室内收集的雨滴的质量(雨水收集完成后，用针管和吸水纸吸取的方式测量每个栅格腔室内收集的雨量)，由上至下第1个、第2个，……，第i个，第i个栅格腔室内收集的雨滴的质量分别为M₁，M₂，M₃，……，M_i，其中，第1个、第2个，……，第i个栅格腔室内雨滴的最小垂直速度分别为V₁，V₂，V₃，……，V_i，将雨滴的质量M_i和雨滴的最小垂直速度V_i带入公式(2)计算降雨能量E；

公式(2)中，i和n为正整数,n小于栅格式雨量杯1中栅格腔室的总数量；本实施例中栅格腔室的总数量为11个；M_i为每个栅格腔室内收集的雨滴的质量，单位为kg；V_i为每个栅格腔室所对应的雨滴最小垂直速度，单位为m/s；E为降雨能量，单位为J/kg；V_i按照公式(3)计算；

公式(3)中，i为正整数；V_h为栅格式雨量杯1的水平转速线速度，单位为m/s。

在步骤一之前需要检测栅格式雨量杯1和圆柱形雨量杯2，确保内部不含有水分。旋转式雨滴能量测量仪放置在人工或天然降雨的过程中，以及仪器接通电源后，栅格式雨量杯线速度达到稳定之前，要保持仪器遮蔽状态，防止雨滴进入栅格式雨量杯1和圆柱形雨量杯2。直到栅格式雨量杯1线速度达到稳定后，再将旋转式雨滴能量测量仪暴露在降雨中。测量结束后，在关闭仪器电源之前、以及在测量栅格式雨量杯1雨量之前，都要为旋转式雨滴能量测量仪提供遮蔽，防止这两个过程中有雨滴进入，对测试结果产生影响。

实验1重复四次、实验2重复四次和实验3重复四次，实验过程数据如表1～3所示；表4为实验1～3计算得到的降雨能量结果。实验1中转速RPM＝52r/min，实验2中转速RPM＝50r/min，实验3中转速RPM＝48r/min。

本实施例原理为：旋转式雨滴能量测量仪中栅格式雨量杯1做匀速圆周运动，能够根据雨滴降落速度的不同对雨滴进行收集、筛选和分级。降落速度大的雨滴能够进入栅格式雨量杯1更低的栅格腔室，而降落速度小的雨滴只能够进入较高栅格腔室。根据不同栅格腔室收集到雨滴质量的差异，可以获得降雨能量信息。

结合附图7说明，当栅格式雨量杯1静止时，即水平转速线速度V_h＝0(单位：m/s)，雨滴能够垂直的滴入栅格式雨量杯1中。当栅格式雨量杯水平运动的时候，即水平转速V_h＞0时，此时雨滴与栅格式雨量杯1的相对速度也为V_h，根据矢量合成原理，雨滴与栅格式雨量杯1的相对速度V_h与雨滴的垂直速度V_V(单位：m/s)矢量合成，雨滴进入栅格式雨量杯1的轨迹角度发生改变，雨滴进入栅格式雨量杯1的轨迹由竖向变为斜线，基于这样的现象，水平转速V_h＞0时，不同速度的雨滴能够进入不同高度的栅格腔室。栅格式雨量杯1水平转速V_h一定时，雨滴垂直速度Vv越大，雨滴越能够到达靠近底层的栅格腔室。当Vv＝0.5V_h时，雨滴只能够进入①和②号栅格腔室，当Vv＝V_h时，雨滴则能够进入①、②、③和④号栅格腔室，Vv＝2V_h时，雨滴能够进入①、②、③、④、⑤和⑥号栅格腔室，V_V＝3V_h的雨滴能够进入所有的栅格腔室。

本实施例旋转式雨滴能量测量仪结构及测量方法具有简单、实用、便携和廉价的优点；与现有的地面雨滴谱仪相比，本实施例不涉及光信号或电信号的使用，避免了因雨滴间重叠或遮挡对光、电信号造成干扰而导致的仪器测量不准确的问题，大大提高了雨滴能量测量的准确性。通过本实施例中降雨能量的测量计算方法，能够获得雨滴速度分布V_i，每个速度范围内雨滴的质量M_i，以及降雨能量E。并且本实施例在雨水收集后能够直接获得数据，属于直接测量和计算，计算过程简单。

表1

表2

表3

表4

序号	雨强(mm h<sup>-1</sup>)	降雨能量(J kg<sup>-1</sup>)
			实验1	84.79	16.99
实验2	63.75	12.19
			实验3	42.05	7.64

Claims (8)

1.一种旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：该旋转式雨滴能量测量仪由数个栅格式雨量杯(1)、圆柱形雨量杯(2)和旋转支撑机构构成；

所述栅格式雨量杯(1)为立方体形，栅格式雨量杯(1)内部一侧的内壁上和底板上固接有数个平行的等距的栅格板(12)，所有栅格板(12)的自由端设置在同一个竖直平面内，最上面的栅格板(12)与栅格式雨量杯(1)顶部的倾斜顶板(11)之间、以及任意相邻的栅格板(12)之间构成栅格腔室；栅格式雨量杯(1)内栅格腔室另一侧为空腔，空腔顶部为敞口(13)；数个栅格式雨量杯(1)呈中心对称设置在旋转支撑机构的外缘，且栅格式雨量杯(1)中敞口(13)朝上设置、栅格式雨量杯(1)中栅格腔室的敞口端朝向栅格式雨量杯(1)的旋转方向；旋转支撑机构的旋转中心上部固定有圆柱形雨量杯(2)，圆柱形雨量杯(2)上部为敞开口，圆柱形雨量杯(2)的敞开口的面积与栅格式雨量杯(1)的顶部为敞口(13)的面积相等。

2.根据权利要求1所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述栅格式雨量杯(1)的空腔的外壁下部宽度小于上部宽度。

3.根据权利要求1或2所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述旋转支撑机构为圆形平台，或旋转支撑机构由数个等长度的支撑臂(3)构成，支撑臂(3)呈辐射状分布且处于同一水平面内。

4.根据权利要求3所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述由数个等长度的支撑臂(3)构成的旋转支撑机构中：数个支撑臂(3)呈水平辐射状固接在旋转支撑机构的中心旋转轴上，旋转支撑机构下方设置有驱动电机，驱动电机的动力输出轴与旋转支撑机构的中心旋转轴连接。

5.根据权利要求1、2或4所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述旋转支撑机构下方的驱动电机外部套设有中央支柱(4)；中央支柱(4)为圆筒形，中央支柱(4)下底部和上底部为敞口，中央支柱(4)的上底部的敞口内径小于下底部敞口的内径；中央支柱(4)下部与测量仪底座垂直固接；驱动电机的壳体与中央支柱(4)内壁固接。

6.根据权利要求5所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述由圆形平台构成的旋转支撑机构中：圆形平台水平设置，圆盘形的旋转支撑机构的下方设置有驱动电机，驱动电机的动力输出轴与旋转支撑机构的中心旋转轴连接。

7.根据权利要求6所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述驱动电机的电源为变频器。

8.根据权利要求7所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述栅格板(12)与栅格式雨量杯(1)底部之间的夹角为30～60°。

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