絕對值編碼型數字式雨量計的製作方法
2023-05-30 01:41:51 2
專利名稱：絕對值編碼型數字式雨量計的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雨量計，尤其是一種裝有絕對值旋轉編碼器的數字式雨量計。
在現有技術裡，使用最廣泛的雨量計有兩種翻鬥式雨量計和虹吸式雨量計。1983年出版的《水文儀器技術標準彙編》GB11832-89翻鬥式雨量計和ZBY-83《虹吸式雨量計技術術條件》刊載翻鬥式雨量計的測量準確度為±4％，允許最大降雨量為4mm/min，其分辨力有四種規格1mm分辨力和0.5mm、0.2mm、0.1mm分辨力。其工作方式為當翻鬥注滿水，便翻轉一次，翻鬥上的永磁鐵驅動幹簧管吸合一次，發送出一個電脈衝。當另一個翻鬥注滿水，再翻轉一次，輸出第二個電脈衝。如此往復翻轉，用記錄電脈衝個數及脈衝出現時間來統計降水量和降水強度；虹吸式雨量計允許最大降雨強度也是4mm/min，分辨力同翻鬥式雨量計。它是用坐標紙、劃筆和自計鍾記錄降雨曲線，然後人工統計降水量和降雨強度，無電信號輸出。
現有技術存在以下缺陷與不足之處(1)翻鬥雨量計測量準確度差為±4％。而虹吸式雨量計的記錄筆的劃線寬為0.3mm，記錄分辨力最高為0.3mm，且記錄方式古老落後，無電信號輸出，已很難適應資訊時代的需要。
(2)現有技術只能記錄連續降水強度為4mm/min的降雨過程。在降水強度超過4mm/min的連續大暴雨情況下，其分辨力和記錄準確度將大大降低。
(3)現有技術存在水體殘留現象，並且都在降水過程中進行翻轉或虹吸，因此計量誤差大，而虹吸式雨量計在弱降水情況下工作時，每當降水量達到10mm時，經常出現「平頂」現象，不能正常工作。
(4)現有技術通用性差，某種規格的儀器，只能適應一定區段的降水強度計量，分辨力高的儀器不適合計量強降水，否則誤差更大。
(5)現有技術的輸出信號為「電脈衝」，易受電磁幹擾；工作過程中，如出現短期掉電，電脈衝會丟失。
(6)現有技術雨量計的平均無故障工作時間只有8000小時，其幹簧管的壽命只有50萬交次，且易燒壞觸點。
(7)現有雨量計安裝調試和維修複雜。
本實用新型的目的是克服上述技術的不足之處，按照國家標準和發展的要求，設計出一種能夠測量各種降水強度的高分辨力、高精度、高可靠性的通用型數字雨量計。
本實用新型的任務是用如下方式來實施的一種絕對值編碼型數字式雨量計，它包括承水器、雨量筒、浮子、測纜、測輪、平衡錘、絕對值型旋轉編碼器、電纜輸出插座、數據採集處理器、進水閥、排水閥、儀器殼體支架等。承水器安裝在殼體頂端，承水器內裝有防蟲網，承水器底端通過引水口，進水閥與引水管組件與雨量筒相連接。雨量筒內存有「底水」，「底水」上有浮子。雨量筒的最下部裝有排水閥，用於排水和調整「底水」高度，使浮子工作於「0」位水平線上；它的旋轉編碼器通過L形支架和固定螺釘安裝於雨量筒的上蓋上，編碼器主軸上裝有測輪，測輪通過軸套及鎖緊螺釘固定在編碼器的主軸上，使測輪工作圓周的垂直切線方向正好對準雨量筒的中心；測輪的「V」形槽工作圓周上懸掛測纜，測纜的一端穿過雨量筒上蓋的中心孔經懸吊螺釘與雨量筒中的浮子相連接，測纜的另一端經懸吊螺釘與平衡錘相連結；它的殼體的中部安裝有觀察門，殼體的底部裝有三腳固定支架；它的雨量筒是內腔光滑的不潤溼性材料製作的正圓柱體形筒，其內徑R和高度H與承水口的直徑及測輪工作直徑、編碼器編碼範圍成固定的比例關係；它的導水管為透明玻璃管或塑料管，導水管垂直裝於雨量筒外壁上，在其背後安裝有刻度尺，用於指示雨量筒內水體高度；它的浮子是不潤溼材料製作的金屬或塑料薄形浮子，用於感測雨量筒內的水體變化；它的測輪工作圓周的截面為「V」形凹槽，其工作圓周與圓形測纜的直徑相適配；它的測纜為柔性不鏽鋼索或外層包敷尼龍的防水軟質不鏽鋼索；它的編碼裝置是啟動力矩小於9.8×10-4N.m的絕對值編碼型光電或機械旋轉編碼器，其編碼方式為格雷碼或其它形式的循環碼，編碼電信號通過輸出插座和電纜連接到觀察室與數據採集處理器相連接，數據採集處理器可將採集數據存儲、顯示、傳輸、或者將數據轉換為串行編碼信號或4-20mA電流環信號進行遠傳，實現通信組網。
上述結構的雨量計處於降雨環境中，承水器將採集的降水經引水管逐漸引入雨量筒，使雨量筒的水體增加，增量水體推動浮子上升，使平衡錘拉動測纜帶動測輪旋轉，與測輪同軸連接的旋轉編碼器同步旋轉，即可輸出與增量水體變化相對應的編碼數據。
本實用新型與現有技術相比，具有如下優點1、本實用型保留現有技術的承水器、引水口，以工作可靠的雨量筒和浮子取代翻鬥計量水體變化，防止了水體飛濺、水體殘留和外溢，使計量準確度達到±1％之內，高於現有技術的±4％。
2、以啟動力矩極低的旋轉編碼器作雨量傳感器，代替現有技術的幹簧管、其分辨力更高，可達0.1mm至0.05mm，優於現有技術。
3、本實用新型能在(0-10)mm/min的連續強降水下可靠工作，優於現有技術(只能計量0-4mm/min的連續降水)。
4、用有刻度的引水管中形成的「雨量柱」指示降水量，以觀測雨量柱高度的方法取代人工用量杯測量降水量，使觀測更加直觀、簡便。
5、以工作可靠的旋轉編碼器取代幹簧管，使雨量計的平均無故障工作時間(MTBF)由8000小時提高至20000小時；其壽命由50萬次提高至3000萬次以上。
6、用絕對值型數據編碼製取代了現有技術的「脈衝」計數制，使數據傳輸速率更高，擴展組網更加方便，抗幹擾能力更強。即使在工作中斷電後再通電，本實用新型的編碼數據依然正確無誤，優於現有技術。
7、本實用新型安裝調試、操作簡便。
因此，本實用新型從結構上、量測傳感器性能上、觀測方法上及編碼數據傳輸、連網功能等諸多方面都作了重改進。改進後的儀器其測量準確度、分辨力、工作可靠性、均有顯著提高，更適於各種水文站、遙測站、氣象站使用。
圖1是本實用新型的結構示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是本實用新型外殼支架結構及安裝示意圖；圖4是本實用新型的承水器、導水管、雨量筒的構造連接圖；圖5是本實用新型的編碼器、測輪、測量纜、浮子、平衡錘安裝圖；圖6是圖5的側視圖；圖7是本實用新型測輪、測纜外緣的截面配合剖視圖；圖8是本實用新型信號傳輸、組網電原理圖。
以下結合附圖對本實用新型的實施例作進一步的詳細描述圖1是本實用新型實施例的結構圖。圖中，承水口1的直徑為Φ200mm，雨量筒4的內徑為R，高度為H，浮子5的直徑r略小於雨量筒的內徑R，測輪8的工作圓周長與雨量筒4的高度H相適配，測纜6是尼龍包敷不鏽鋼纜，編碼裝置9為絕對值型光電開關旋轉編碼器，編碼器的啟動力矩應小於9.8×10-4N.m，編碼方式為格雷碼，編碼位數為10～11bit。
如圖1、2、3、4所示，本實施例中，承水器2用固定螺釘36安裝於殼體支架1的頂端，在承水器2的正中心裝有防蟲網11，防蟲網下留有引水孔12，引水孔12與進水閥37、導水管組件3的軟管13相連接，導水管的下端與雨量筒4的底部相連接，導水管13用小支架16固定在雨量筒4上，其中心線與雨量筒4的中心線平行。降水標度刻度尺15粘貼於導水管13背後的雨量筒4上。
如圖4所示，雨量筒4是正圓柱形筒，它的上部是筒上蓋25，其中心開有約Φ1mm的過線孔26；雨量筒4的底部裝有排水閥門10。雨量筒4整體安裝於殼體支架1的底座20上，底座20與落地三腳支架21相連接，三腳支架21通螺栓27、螺母28與外部基礎固定。
圖5、圖6是編碼器9、測輪8、測纜6、浮子5、平衡錘7的安裝圖。如圖所示，旋轉編碼器9通過螺釘32安裝於L形支架33上，L形支架通過螺釘34安裝在雨量筒上蓋25上；測輪8通過軸套29、鎖緊螺釘30安裝於編碼器主軸31上；測纜6懸掛於測輪8的工作圓周的「V」形槽內；平衡錘7通過懸吊螺釘24與測纜6的另一端連接，懸掛於雨量筒4之外；浮子5漂浮在雨量筒4內部的「底水」上。「底水」的高度將浮子5託浮於標誌尺5的「0」位線上；浮子5通過懸吊螺釘35與測纜6相連。編碼器9的輸出插座17與電纜18相連、電纜18與數據採集處理器19相連。
圖7是測輪8、測纜6外緣截面安裝配合剖視圖。圖中，測輪8外緣截面為「V」形槽，「V」形槽的底部為半圓弧形，其形狀與測纜6的圓形截面相適配，以加大貼合面；測輪8的工作圓周長與編碼器9旋轉一周所表示的編碼數相適配，並與雨量筒4的高度H相適配。
如圖1所示，殼體支架1是表面塗防鏽蝕材料的金屬圓柱形筒體支架，它的中部留有觀測門22，觀測門搭扣23。打開觀測門22的即可以安裝、調整儀器，及對儀器內部工作狀態進行觀測。殼體支架底座20經三腳支架21及螺栓27、螺母28與外部基礎相連。
按照上述構造裝配好雨量計後，即可轉入調試工序。
儀器的調試方法為(1)打開進水閥門37，關閉排水閥10，然後用量杯從承水口2注入「底水」，使浮子5漂浮於刻度尺的「0」位水平線上，該位置可從「雨量柱」高度上直接讀出。
(2)將儀器信號輸出插座17與外接電纜18相連接，並接通數據採集處理器19的電源，，將測量纜6從測輪8的「V」形凹槽中輕輕提起，然後用手轉動測輪，直至編碼器的輸出數字顯示為「0」，儀器即進入工作狀態。
本實用新型的工作過程為承水器2承接的降水經引水管組件3注入雨量筒4底部，使雨量筒內的水體液面上升，增量水體推動浮子5上升，使平衡錘7拉動測量纜6帶動測輪8旋轉，與測輪8同軸連接的旋轉編碼器9即輸出與水體增高量相對應的編碼數據。當雨量筒4的水體增高時，導水管3中形成的雨量柱也同步升高，即可從刻度尺15上讀出即時降水量；降雨過程中，編碼器9的輸出數據經傳輸電纜18傳輸至觀測室內的數據採集處理器19。
數據採集處理器19可用於記錄時間、降水量等降雨過程的全部數據。
當一場降雨結束時，可以方便地核對電記錄數據與雨量柱高度是否相等。核對之後，即可打開排水閥10，將雨量筒4在存水排放至「0」位線，等待又一場降水過程。如在降雨過程中排水，應先行關閉進水閥37，待排水至「0」位刻度線上，即可關閉排水閥10，並立即打開進水閥37，使儀器正常工作。
權利要求1.一種裝有絕對值型旋轉編碼器、浮子、承水器、雨量筒的新型數字式雨量計，它還包括儀器殼體支架1、安裝於殼體支架1頂端的承水器2、導水管組件3、殼體1內的雨量筒4、裝在雨量筒中的浮子5、與浮子5相連的測纜6、連結於測纜6另一端的平衡錘7、懸掛測纜6的測輪8及與測輪8同軸連接的絕對值型旋轉編碼器9，安裝於雨量筒上的閥門10、雨量筒上的上蓋25、安裝於承水器2中心的防蟲網11和承水器2底部的閥門37、連接軟管13、編碼器9上的輸出插座17、電纜18、外接數據採集處理器19、殼體底座20、落地三腳支架21、殼體支架1中的觀測門22、觀測門搭扣23等。其特徵在於導水管組件3安裝在承水器2和雨量筒4之間，其上端通過閥門37與承水器2下端引水孔口12相連通，其下端與雨量筒4的底部連通；雨量筒4是內徑規範的正圓柱形筒，浮子5是直徑(r)略小於雨量筒4內徑R的薄形空芯或實芯浮子；它的測輪8、旋轉編碼器9安裝在雨量筒4的上方，並使測量纜6垂直穿過雨量筒上蓋25的中心過線孔26；閥門10安裝在雨量筒4的「0」位水平刻度線以下。
2.根據權利要求1所述的絕對值編碼數字式雨量計，其特徵在於承水器2的器口呈45度內直外斜形、內壁光潔的金屬圓柱錐形筒，其底部留有引水口12，引水口12與閥門37、導水管組件3相連。承水口2用螺釘36與殼體1相連接。閥門37是手控閥門或自控閥門。
3.根據權利要求1所述的絕對值編碼數字式雨量計，其特徵在於所述的導水管組件3是由透明塑料連接軟管13、彎頭14、刻度尺15和固定小支架16組成。透明管13是通過小支架16和彎頭14連接安裝在雨量筒4上，降水指示刻度尺15垂直貼於雨量筒4的外壁上，其「0」位刻度線與雨量筒4內的「底水」水位相一致。
4.根據權利要求1所述的絕對值編碼數字式雨量計，其特徵在於所述的測輪8是通過軸套29、鎖緊螺釘30固定於編碼器9的主軸31上，它的工作圓周與雨量筒4的高度(H)成比例關係，其外緣截面為「V」形凹槽；測纜6是園形截面的柔性不鏽鋼纜或包敷尼龍外套的柔性金屬纜，其截面形狀與測輪8的「V」形凹槽相適配。測纜6懸掛於測輪8的工作圓周的「V」形凹槽中，其一端通過懸吊螺釘24與平衡錘7相連，另一端從浮子桶蓋25的中心孔26中穿過，與懸吊螺釘35連接，懸吊螺釘35與浮子5連接。
5.根據權利要求1、4所述的絕對值編碼數字式雨量計，其待徵在於所述的浮子5為內徑r略小於雨量筒4內徑R的扁圓柱形空心防鏽金屬(或塑料)或實心塑料浮子，它通過懸吊螺釘35與測纜6相連，安裝於雨量筒4內。
6.根據權利要求1所述的絕對值編碼數字式雨量計，其特徵在於所述的編碼器9是超低轉矩光電或機械絕對值旋轉編碼器，其編碼方式為格雷碼或其它形式的循環碼。編碼器9通過緊固螺釘32安裝於L形支架板33上，L形支架板通過固定螺釘34安裝於雨量筒上蓋25上。編碼器9通過輸出插座17、電纜18與外接數據採集處理器19相連。
7.根據權利要求1所述的絕對值編碼浮子式雨量計，其特徵在於所述的閥門10、閥門37是自動、手動兩用閥門，能夠用人工或控制電路開啟、關閉閥門排放「底水」和校對浮子「0」位線。
專利摘要本實用新型提供了一種絕對值編碼型數字式雨量計。它由承水器、導水管組件、雨量筒、浮子、測輪、測纜、絕對值型旋轉編碼器、閥門、數據採集處理器等組成。承水器將收集的降水經導水管注入雨量筒，雨量筒內積聚的水體推動浮子上升，經測纜帶動測輪旋轉，驅動編碼器轉動輸出與增加水體相對應的編碼電信號。本裝置的分辨力可達0.1mm，能在0－10mm/min連續降水強度情況下可靠工作，測量準確度可達1％以內，性能優於現有翻鬥式雨量計和虹吸式雨量計。
文檔編號G01W1/14GK2527975SQ0221943
公開日2002年12月25日 申請日期2002年3月18日 優先權日2002年3月18日
發明者張敏, 張援朝, 張永立 申請人:張敏, 張援朝, 張永立