一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置製造方法
2024-01-29 09:38:15 1
一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置，它包括翻鬥雨量計，其特徵在於還包括在翻鬥雨量計頂端設置雨強模擬器，翻鬥雨量計通過雨量信號線與誤差修正器連接，其中：所述雨強模擬器包括量杯體、量杯頸、量杯蓋、進氣閥、通氣管、排水管和排水管堵頭，量杯頸和進氣閥分別設置在量杯體的上部，通氣管設置在量杯體的體壁內槽中並與進氣閥連接；誤差修正器包括CPU智能控制板、液晶顯示屏、翻鬥雨量計接口、狀態轉換接口和脈衝輸出接口。本發明能夠對0.1mm翻鬥雨量計進行測量結果實時修正，其測量誤差大幅度降低，如0.1mm翻鬥雨量計的測量誤差可從目前的±18%減少至±3%，從而大大地提高了野外降雨量的測量精度。
【專利說明】一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於水文、氣象測量器具【技術領域】，特別是涉及用於準確地測量野外自然降雨量的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置。
【背景技術】
[0002]大氣降水測量是地球水循環監測的重要環節，是水資源利用的重要組成部分，也是氣候變化、地質災害、洪水災害預警和環境評估等多方面的重要影響因素，業內學者尋求多種方法對降雨量進行精確計量。
[0003]雨量計用於監測降雨量，目前市場上有不同類型的雨量計，但翻鬥雨量計以其便宜和穩定可靠的特性而得到廣泛使用，儘管0.1mm雨量計解析度高、蒸發誤差小，能夠正確反映降雨日數，但因自然界降雨強度變化，使0.1mm解析度的翻鬥雨量計誤差很大，故又生產了 0.2、0.5和1.0mm的翻鬥雨量計。2006年之前，水文部門多用虹吸雨量計，要求雨量觀測至0.1mm。SL21-2006雨量觀測規範中規定不需要雨日資料的雨量站,可使用0.2mm雨量計，多年平均降雨量大於800mm的地區可使用0.5mm雨量計,但是在需要控制雨日地區變化的雨量站必須記至0.1mm0隨著遙測雨量站的推廣應用和規範的貫徹執行，我國逐步淘汰了虹吸雨量計，但雨量整編的表格中有明確的降雨天數需要計算，而規範對哪些站是需要控制雨日的站沒有給出明確規定，以致造成各地區各自為政，降雨天數(日降雨量彡0.1mm為雨天)根本沒有意義。SL21-2006是水利行業標準，氣象部門一直是使用0.1mm的雨量計。雨量計的誤差來源主要是:
[0004]1、承水口的公差(形狀誤差，儘量減小)；2、沾水誤差(固有誤差，無法減小)；3、安裝誤差(安裝工藝，儘量減小)；4、動作過程誤差(不同型號誤差變化，0.1mm雨量計可達±18%) ;5、蒸發誤差(不同型號誤差變化)；6、環境影響誤差(如風力、位置、高度)。但
0.1mm翻鬥雨量計的誤差來源主要來源於天然降雨變化的雨強，使用大翻鬥減少相同降雨量翻鬥翻轉次數，可以減小雨強對動作過程誤差的影響，但降雨天數無法統計，也又增大了蒸發誤差，這是翻鬥雨量計不可調和的矛盾，如何提高0.1mm雨量計的精度呢？於是水文專家又研究了很多其他類型的雨量計，如超聲波雨量計、浮子式雨量計、稱重式雨量計、虹吸式雨量計，增加了機構部件帶來的結果是造價提高和穩定可靠性降低。
[0005]儘管雨量計的形式較多，但翻鬥式雨量計仍是目前國內外廣泛用於自動化監測的雨量傳感器，翻鬥式雨量計工作可靠，結構簡單，易於把降雨量轉換成電信號輸出，便於遠距離傳輸，但翻鬥式雨量計的測量誤差較大。造成測量誤差的主要因素是，翻鬥在翻轉過程中，雖然時間是極其短促的，但總需要一定的時間，在翻轉的前半部分，即翻鬥從開始翻轉到翻鬥中間隔板越過中心線的Λ T時間內，進水漏鬥仍然向翻鬥內注水，如降雨強度越大，進入的水量也越多，導致儀器自身排水量大於儀器記錄值，測量誤差偏負；又如降雨強度越小，注入水量也越少，導致儀器記錄值大於儀器自身排水量，測量誤差偏正。這就會產生隨著降雨強度大小不同而產生不同的計量誤差。
[0006]為了減小降雨強度變化對計量翻鬥的影響，上海氣象儀器廠提出了雙翻鬥雨量計，在其上層再加裝一層翻鬥，即雙層翻鬥雨量計，上層翻鬥翻轉流入到下層計量翻鬥的降雨強度被均化為4mm/min，而與外界實際降雨強度無關，所以其測量精度得到了提高，這也是採用雙翻鬥結構的主要目的。
[0007]但由於上層翻鬥與計量翻鬥的翻轉存在著一個岔開數的問題，如當上層翻鬥翻轉後，倒出的水量恰好夠滿足計量翻鬥的翻轉條件，此時，在計量翻鬥翻轉過程中，可能就沒有4mm/min雨量注入,造成計量翻鬥的計量誤差。
[0008]為了提高降雨量的測量精度，開發出更多的測量降雨量的儀器，現有的徐州偉思的浮子式雨量計、浙江華雲的容柵式雨量計、美國哈希的稱重式雨量計、鄭州市氣象局超聲式雨量計等產品都是通過電子儀器測量水體的體積或重量來推算降雨量的，以避免使用翻鬥受變化雨強的影響，這樣不但增加了成本，還降低了雨量計的整體穩定可靠性。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是為克服現有技術的不足而提供一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置，本發明能夠對0.1mm翻鬥雨量計進行測量結果實時修正，其測量誤差大幅度降低，測量精準度大幅度提高。
[0010]根據本發明提出的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置，它包括翻鬥雨量計，其特徵在於還包括在翻鬥雨量計頂端設置雨強模擬器，翻鬥雨量計通過雨量信號線與誤差修正器連接，其中:所述雨強模擬器包括量杯體、量杯頸、量杯蓋、進氣閥、通氣管、排水管和排水管堵頭，量杯頸和進氣閥分別設置在量杯體的上部，通氣管設置在量杯體的體壁內槽中並與進氣閥連接；誤差修正器包括CPU智能控制板、液晶顯示屏、翻鬥雨量計接口、狀態轉換接口和脈衝輸出接口，液晶顯示屏為誤差修正器的顯示界面，狀態轉換接口控制誤差修正器的工作狀態，脈衝輸出接口向外輸出經誤差修正器修正後的脈衝信號。
[0011]基於上述本發明提出的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置的使用方法，其特徵在於包括如下具體步驟:
[0012]步驟一，在翻鬥雨量計頂部設置雨強模擬器，同時翻鬥雨量計通過雨量信號線與誤差修正器的翻鬥雨量計接口連接；
[0013]步驟二，雨強模擬器只在率定誤差修正器的模型參數時使用，誤差修正器監測雨強模擬器的降雨量，計算翻鬥雨量計的誤差，精確分析得出翻鬥雨量計誤差模型的參數；
[0014]步驟三，誤差修正器在線工作，實時監測翻鬥雨量計的信號，計算降雨強度和模型推算誤差修正降雨量，並將經模型修正後的高精度雨量信息輸出至外部設備。
[0015]本發明的工作原理是:本發明巧妙地將翻鬥雨量計與雨強模擬器和雨強模擬器和誤差修正器組成一體，以便能夠監測翻鬥動作，對翻鬥雨量計測量的降雨量誤差進行自動修正，以輸出準確的降雨量；其中，雨強模擬器只在率定誤差修正器的模型參數時使用，誤差修正器需要雨強模擬器給出不同強度穩定的降雨量，誤差修正器監測雨強模擬器的降雨量，計算翻鬥雨量計的誤差，經精確分析得出翻鬥雨量計誤差模型的參數。
[0016]本發明與現有技術相比其顯著優點在於:一是本發明的雨強模擬器能夠在一定體積的水量下，按照設定的模擬雨強均勻流出，產生固定間隔的翻鬥脈衝輸出。二是本發明的誤差修正器能夠根據翻鬥雨量計的翻鬥間隔計算雨強和誤差修正器內已率定的模型參數自動修正翻鬥雨量計的誤差，並用脈衝信號方式輸出修正後的降雨量。三是本發明克服了因人工使用量杯來校準翻鬥大小的倒水率定時不能準確控制雨強，造成無法準確完成率定工作的難題。本發明適用於對0.1mm翻鬥雨量計進行測量結果實時修正，其測量誤差大幅度降低，可將0.1mm翻鬥雨量計的測量誤差可從目前的±18%減少至±3%，使得測量精準度大幅度提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明提出的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置的裝配方式示意圖。
[0018]圖2是本發明提出的雨強模擬器的結構剖面示意圖。
[0019]圖3是本發明提出的誤差修正器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0021]結合圖1圖2和圖3，本發明提出的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置，它包括翻鬥雨量計，其特徵在於還包括在翻鬥雨量計頂端設置雨強模擬器，翻鬥雨量計通過雨量信號線與誤差修正器連接，其中:所述雨強模擬器包括量杯體(I)、量杯頸(2)、量杯蓋(3)、進氣閥(4)、通氣管(5)、排水管(6)和排水管堵頭(7)，量杯頸⑵和進氣閥
(4)分別設置在量杯體(I)的上部，量杯頸(2)和進氣閥(4)在量杯體(I)上部的設置方式為焊接或螺接，通氣管(5)設置在量杯體(I)的體壁內槽中並與進氣閥(4)連接；誤差修正器包括CPU智能控制板(8)、液晶顯示屏(9)、翻鬥雨量計接口(11)、狀態轉換接口(12)和脈衝輸出接口(10)，液晶顯示屏(9)為誤差修正器的顯示界面，狀態轉換接口(12)控制誤差修正器的工作狀態，脈衝輸出接口(10)向外輸出經誤差修正器修正後的脈衝信號。
[0022]本發明具體設計和裝配要求的實施例:
[0023]本發明所述的雨強模擬器的量杯體(I)為圓形，直徑80?100mm、體積314mL(相對於1mm降雨量)或628mL(相對於20mm降雨量)，量杯頸(2)為一內徑20mm圓管,其上標有314mL或628mL刻度線,能精確地計量雨強模擬器內的水量,量杯蓋(3)與量杯頸(2)蓋緊後需密封；進氣閥(4)設有可旋轉部件，該轉動旋轉部件可控制進氣量；通氣管(5)將進氣閥(4)的空氣排放到密封的量杯體(I)內；根據進氣閥(4)的進氣量大小，排水管(6)均勻排出量杯體(I)內的水量。
[0024]因排水管(6)的流量與進氣閥⑷的進氣量大小有關，進氣閥⑷的進氣量與進氣閥(4)內的進氣孔面積和進氣流量有關，進氣流量與出氣口和排水口的高差有關，所以將通氣管(5)的出氣口設置在量杯體(I)的底部。
[0025]在管道流量計算時，儘管排水管￠)的長度較短，但其管徑很小，因此要考慮因粘性摩擦水體流動中沿流程克服內摩擦力所消耗的能量，統一用管道流量係數μ。表示，自由出流計算公式如下:
[0026]Q = /iC ^ ^
[0027]式中:Q為排水管流量；μ。為自由出流流量係數;Α為排水管面積；Η(!為作用水頭；g為重力加速度。
[0028]當頂部進氣時，出氣口和排水口的高差為量杯體(I)內的水面與排水口的高差，放水過程中，量杯體(I)內的水面不斷下降，量杯體(I)內的水面與排水口的高差即作用水頭Htl不斷減小，排水管￠)的流量也隨著量杯內的水面降低從大到小變化，造成模擬的降雨強度不是穩定值。
[0029]當進氣口放在量杯的底部時，則情況截然不同，出氣口和排水口的高差為固定值，放水過程中，儘管量杯內的水面不斷下降，出氣口和排水口的高差不變，出氣口的排氣流量穩定，排水管(6)的流量均勻，不隨著量杯體(I)內的水面降低變化，模擬的降雨強度穩定不變。
[0030]本發明的具體操作實施過程是:
[0031]1、準備工作:
[0032]本發明所述的翻鬥雨量計、雨強模擬器和誤差修正器準備就緒；
[0033]先將翻鬥雨量計外殼卸下，然後將誤差修正器的雨量信號線連接到翻鬥雨量計的幹簧管輸出端子上；再將誤差修正器的電源線連接到DC12V的蓄電池上；
[0034]在翻鬥雨量計頂部設置雨強模擬器，關閉雨強模擬器的進氣閥(4)，排水管堵頭
(7)堵住排水管￠)，打開雨量模擬器的量杯蓋(3)，裝水到量杯頸(2)的刻度線為標準重量，再蓋上量杯蓋(3)密封量杯，去除排水管堵頭(7)，此時量杯內為負壓不漏水，平穩放在翻鬥雨量計的漏鬥上，如圖1所示。
[0035]2、率定工作:
[0036]加上率定狀態轉換接口(12)使誤差修正器處於率定狀態，液晶顯示屏(9)上顯示誤差修正器內已保存的2個修正參數，第一行為A，默認值為0.053，第二行為B，默認值為-0.016 ；
[0037]打開雨強模擬器的進氣閥(4)調整到0.5位置，表示選擇模擬雨強為0.5mm/min,此時，雨強模擬器的量杯體(I)中的清水以15.7mL/Min的流量流出，清水至翻鬥雨量計，當翻鬥動作，這時誤差修正器上顯示檢測到的翻鬥數與檢測過程的用時，單位為秒；約20分鐘後量瓶內的水流完，誤差修正器也會自動停止，這時其上第一行顯示該次檢測到的實際翻鬥數，第二行顯示模擬降雨歷時(秒)和實際翻鬥數與理論翻鬥數的誤差，據此可知降雨強度Xl和誤差Yl ;
[0038]重複準備工作，再次給雨強模擬器加滿清水至標準刻度314mL，置於翻鬥雨量計上，該次設定模擬雨強為4.0mm/min，將雨強模擬器的進氣閥(4)調整至4.0mm/min位置，開始排水，其過程同上，約25分鐘後量瓶內的水流完，誤差修正器自動停止，顯示該次檢測到的實際翻鬥數，第二行顯示模擬降雨歷時(秒)和實際翻鬥數與理論翻鬥數的誤差，據此可知降雨強度X2和誤差Y3 ；
[0039]誤差修正器根據(XI，Yl)和(X2，Y2)兩組數據求解模型Y = ΑΧ+Β中的參數A和B，等待約10秒後，顯示自動計算的2個修正參數A和B，並將其保存到修正器的存貯器中，即率定工作完成；
[0040]修正參數A和B與翻鬥形狀和翻鬥容量有關，A的變化範圍:0.03?0.08，B的變化範圍:-0.08?0.01。
[0041]3、檢定工作:
[0042]移除率定狀態轉換接口(12)使誤差修正器處於工作檢定狀態，置誤差修正器處於正常工作狀態，給雨強模擬器加滿標準刻度314mL的水，設定模擬雨強為2mm/min，排水至翻鬥雨量計，直至雨強模擬器內的水放完為止，記錄誤差修正器第一行顯示修正後的翻鬥數，第二行顯示實際翻鬥數和兩者之間的相對誤差；如果修正後的翻鬥數在100±4之間(誤差±4% )則合格，否則，需再檢定一次，如果還不合格，則需重新進行率定工作。
[0043]4、正常運行:
[0044]移開雨強模擬器，將誤差修正器脈衝輸出信號線接至外部監測設備上，如遙測終端機RTU等，誤差修正器進入正常運行工作狀態。
[0045]5、率定周期:
[0046]本發明適用於區域自動氣象站新建站點、日常維修維護、定期巡檢、重新啟用等翻鬥雨量計的現場校準和測試。
[0047]區域自動雨量傳感器的校準周期一般為I年，每年汛期開始前進行校準。如有以下情況之一時須進行及時校準:
[0048](I)新建站點使用的雨量傳感器，重新啟用及更換的雨量傳感器應進行現場校準；
[0049](2)自動雨量站數據採集器經過維修或更換後；
[0050](3)當發現雨量測量值出現異常時；
[0051](4)特大暴雨過後及每月正常維護時應進行現場校準。
[0052]本發明的【具體實施方式】中凡未涉到的說明屬於本【技術領域】的公知技術，可參考公知技術加以實施。
[0053]本發明經反覆試驗驗證，取得了滿意的應用效果。
【權利要求】
1.一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置，它包括翻鬥雨量計，其特徵在於還包括在翻鬥雨量計頂端設置雨強模擬器，翻鬥雨量計通過雨量信號線與誤差修正器連接，其中:所述雨強模擬器包括量杯體(I)、量杯頸(2)、量杯蓋(3)、進氣閥(4)、通氣管(5)、排水管(6)和排水管堵頭(7)，量杯頸(2)和進氣閥(4)分別設置在量杯體(I)的上部，通氣管(5)設置在量杯體(I)的體壁內槽中並與進氣閥(4)連接；誤差修正器包括CPU智能控制板(8)、液晶顯示屏(9)、翻鬥雨量計接口(11)、狀態轉換接口(12)和脈衝輸出接口(10)，液晶顯示屏(9)為誤差修正器的顯示界面，狀態轉換接口( 12)控制誤差修正器處於工作狀態或率定狀態，脈衝輸出接口(10)向外輸出經誤差修正器修正後的脈衝信號。
2.根據權利要求1所述的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置，其特徵在於通氣管(5)的出氣口設置在量杯體(I)的底部。
3.根據權利要求1所述的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置，其特徵在於量杯體(O為圓形、直徑80?100mm、體積為314mL。
4.根據權利要求1所述的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置，其特徵在於量杯體(I)為圓形、直徑80?100mm、體積為628mL。
5.根據權利要求1所述的一種具有誤差修正功能的高解析度翻鬥雨量計裝置的使用方法，其特徵在於包括如下具體步驟: 步驟一，在翻鬥雨量計頂部設置雨強模擬器，同時翻鬥雨量計通過雨量信號線與誤差修正器的翻鬥雨量計接口(11)連接； 步驟二，雨強模擬器只在率定誤差修正器的模型參數時使用，誤差修正器監測雨強模擬器的降雨量，計算翻鬥雨量計的誤差，精確分析得出翻鬥雨量計誤差模型的參數； 步驟三，誤差修正器在線工作，實時監測翻鬥雨量計的信號，計算降雨強度和模型推算誤差修正降雨量，並將經模型修正後的高精度雨量信息輸出至外部設備。
【文檔編號】G01W1/14GK104237975SQ201410462385
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】舒大興 申請人:河海大學