穿透式雨量積算儀的製作方法

2023-05-10 17:45:16

專利名稱：穿透式雨量積算儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種穿透式雨量積算儀，尤其是用於測量液態降水量的雨量積算儀。
背景技術：
目前，國內外氣象臺(站)、水文觀測站、農林系統和鐵路有關部門用以測量液態降水量的裝置多採用翻鬥式雨量傳感器或容柵式雨量傳感器，相對傳統的量雨筒(桶)，該類裝置其主要優點是能夠自動連續檢測降雨量的大小，但結構複雜，以上海氣象儀器廠生產的SL3型雨量測量裝置的翻鬥式傳感器為例，其儀器結構由承水器、上翻鬥、計量翻鬥、計數翻鬥和匯集漏鬥調節螺絲、幹簧管等構成，當雨水由承水口匯集進入上翻鬥，隨之雨水從上翻鬥進入計量翻鬥(計量翻鬥每翻動一次相當於0.1mm降水量)其後雨水再從計量翻鬥倒入計數翻鬥，在計數翻鬥中部裝有一塊磁鐵，磁鐵上邊裝有幹簧管，當計數翻鬥翻轉一次時，磁鐵磁力線切割幹簧管，使幹簧管接點因磁化而瞬間閉合一次，產生一個電脈衝，通過反向器輸入到數據採集器監測。另外，溫州生產的雙閥容柵式雨量測量裝置的傳感器同樣存在著運動件，所以易磨損，結構複雜，價格昂貴。

發明內容
本發明就是針對上述問題提供一種穿透式雨量積算儀，該雨量積算儀具有結構簡單，可靠性高，壽命長，價格低廉和功耗小的優點。
本發明提供的技術方案是穿透式雨量積算儀，由穿透式雨量傳感器及其信號調理電路、A/D轉換電路，微處理器和通信接口電路組成，雨量傳感器及其信號調理電路輸出端與A/D轉換電路的輸入端相連，A/D轉換電路的輸出端和控制端與微處理器的I/O口相接，微處理器的I/O口和串行通訊口分別與通信接口電路的控制端和數據端相連；穿透式雨量傳感器由若干片相互並聯且電絕緣的電容器極板構成，電容器極板之間的間隙為雨水通道，雨水通道的兩端為進雨口和雨水出口。
上述通信接口電路與上位計算機構成通信聯接。
上述穿透式雨量傳感器信號及其調理電路主要由正弦波發生器電路，雨量傳感器測量電路，正弦波90度移相器，移相正弦波幅度調整電路，正弦波/方波轉換電路，模擬開關、有源低通濾波器、同相放大器和由運放器和乘法器組成的有效值/直流轉換器電路構成，正弦波發生器電路輸出端與正弦波90度移相器的輸入端相連，正弦波90度移相器的輸出端與移相正弦波幅度調整電路的輸入端相連，移相正弦波幅度調整電路的輸出端與正弦波/方波轉換電路的輸入端相連，正弦波/方波轉換電路的輸出端與模擬開關的控制端相連，模擬開關的輸入端與雨量傳感器測量電路輸出端相連，模擬開關的輸出端與有源低通濾波器輸入端相連，有源低通濾波器的輸出端與同相放大器的輸入端相連，同相放大器的輸出端接入由運放器和乘法器組成的有效值/直流轉換器電路輸入端。
本發明設有實時時鐘/日曆電路，它的數據端和控制信號輸入端與微處理器的I/O口相接。
本發明還設有看門狗電路，它的控制腳和輸出腳與微處理器I/O口相連。
本發明靈敏度高，實時性好；微處理器通過有線或無線通信接口電路把雨量數據傳至上位計算機以進行顯示、預期分析和存儲等處理，測量誤差小，積算功能強大，不僅可實時進行雨量監測，還能夠完成24小時雨量變化積算工作。整個裝置無運動件，具有結構簡單，可靠性高，壽命長，價格低廉和功耗小等特點。非常適用於氣象臺(站)，水文觀測站，農林系統和鐵路有關部門測量和預報液態降水量。


圖1是本發明總體結構系統圖。
圖2是本發明穿透式雨量傳感器信號調理及A/D轉換電路原理圖。
圖3是本發明微處理器及其看門狗電路、實時時鐘/日曆電路和通訊接口電路原理圖。
圖4是本發明穿透式雨量傳感器結構示意圖；圖5是圖4的俯視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例，對本發明作進一步詳細的描述參見圖1，本發明由以下幾部分構成穿透式雨量傳感器及其信號調理電路1、A/D轉換電路2，實時時鐘/日曆電路3，微處理器4及其看門狗電路5和通信接口電路6組成。
圖4和圖5中所示本發明的雨量傳感器7的核心部件是8組電容器，電容器極板8是16片0.5mm厚度的不鏽鋼板，多片電容器極板8相互並聯以增大承雨量。四根與電容器極板8電絕緣的螺栓9固定8組電容器成一整體，結構排列成直通式(即極板8之間的間隙13為雨水通道，雨水通道13的兩端為進雨口10和出雨口11)並與雨量傳感器外殼12連接，流進電容器的雨水可穿過直通式電容器極板流走。由電容器原理可知，電容量與電容器極板間介質的介電常數有關，即其電容量CAa的大小與雨量的大小有關。本發明利用介質(雨量)組成的電容傳感器結構能有效地解決雨量大小的量測，並具有靈敏度高、響應快、易於衝洗等特點。
圖2中，本發明的雨量傳感器信號調理電路1包括了ICL8038正弦波發生器電路，雨量傳感器7中電容量CAa的測量電路U4，正弦波90度移相器U1A，移相正弦波幅度調整電路U1B，正弦波/方波轉換電路U2A。如出現降雨，雨量的大小實時地轉換為CAa電容量的變化，U4輸出的正弦交流電壓幅度正比於CAa。ICL8038正弦波發生器電路的輸出信號既是CAa的測量電路U4的激勵源，又是正弦波90度移相器的參考信號源，該輸出一路接電容CAa的測量電路輸入端，一路接正弦波90度移相器U1A輸入端。正弦波90度移相器U1A輸出至正弦波幅度調整電路U1B，再經正弦波/方波轉換電路U2A完成波形轉換後輸出至模擬開關4066A的開關控制端，模擬開關4066A的輸入端與電容CAa測量電路U4輸出端相連，所以CAa測量電路輸出的正弦信號與移相90度後的同頻方波通過模擬開關4066A實現相關運算，運算結果輸出至有源低通濾波器U6，CAa越大，有源低通濾波器U6輸入信號的幅度越大，把該輸入信號轉換成電平信號輸出的電平幅度就越大，而有源低通濾波器U6的輸出經同相放大器U7接入由運放器U8、U9、U10和乘法器RC4200組成的有效值/直流轉換器電路，最後由運放器U8、U9、U10和乘法器RC4200組成的有效值/直流轉換器電路輸出直流電平也越大，從而雨量信號檢測及調理電路就有效把CAa的大小變化轉化成直流電平的大小變化。有效值/直流轉換器電路的輸出端與A/D轉換器U21(AD574)輸入端相連，U21的輸出端和相應控制端與微處理器AT89C55的P2P3 I/O口相接，微處理器AT89C55可通過I/O口讀入U21轉換結果以便對這些雨量數據作出相應算法處理，完成實時雨量監測和24小時雨量變化積算的工作。
圖3中，為確保微處理器可靠工作，本裝置還採用了看門狗電路U13，該電路以微處理器監控晶片MAX813L為核心搭建，該晶片的控制腳與微處理器AT89C55的P1.7 I/O腳相連，輸出腳與微處理器AT89C55的REST腳相連，如由於各種幹擾使微處理器AT89C55控制程序跑飛或發生掉電情況，微處理器監控晶片MAX813L將輸出復位信號以使微處理器AT89C55恢復正常運行。本裝置採用PHILIP公司的內含I2C總線接口功能的、具有極低功耗的多功能時鐘/日曆工業級晶片PCF8563組成實時時鐘/日曆電路3，該晶片控制端和數據端與微處理器AT89C55的P1.3 P1.4 P1.5 P1.6腳相連。通信接口電路6採用了RS-422/RS-485通信接口晶片MAX489，微處理器AT89C55的P1.0 P1.1 I/O腳和串行通訊口分別與晶片MAX489的控制端和輸入端相連，MAX489輸出端可經雙絞線或通信電纜連至監控室上位計算機。RS-422/RS-485通信最大距離為1200米，如需更遠距離的通信，可考慮在信道中途加接線轉發器來實現。
權利要求
1.穿透式雨量積算儀，其特徵在於由穿透式雨量傳感器及其信號調理電路、A/D轉換電路，微處理器和通信接口電路組成，雨量傳感器及其信號調理電路輸出端與A/D轉換電路的輸入端相連，A/D轉換電路的輸出端和控制端與微處理器的I/O口相接，微處理器的I/O口和串行通訊口分別與通信接口電路的控制端和數據端相連；穿透式雨量傳感器由若干片相互並聯且電絕緣的電容器極板構成，電容器極板之間的間隙為雨水通道，雨水通道的兩端為進雨口和雨水出口。
2.根據權利要求1所述的穿透式雨量積算儀，其特徵在於通信接口電路與上位計算機構成通信聯接。
3.根據權利要求1或2所述的雨量監測裝置，其特徵在於穿透式雨量傳感器信號及其調理電路主要由正弦波發生器電路，雨量傳感器測量電路，正弦波90度移相器，移相正弦波幅度調整電路，正弦波/方波轉換電路，模擬開關、有源低通濾波器、同相放大器和由運放器和乘法器組成的有效值/直流轉換器電路構成，正弦波發生器電路輸出端與正弦波90度移相器的輸入端相連，正弦波90度移相器的輸出端與移相正弦波幅度調整電路的輸入端相連，移相正弦波幅度調整電路的輸出端與正弦波/方波轉換電路的輸入端相連，正弦波/方波轉換電路的輸出端與模擬開關的控制端相連，模擬開關的輸入端與雨量傳感器測量電路輸出端相連，模擬開關的輸出端與有源低通濾波器輸入端相連，有源低通濾波器的輸出端與同相放大器的輸入端相連，同相放大器的輸出端接入由運放器和乘法器組成的有效值/直流轉換器電路輸入端。
4.根據權利要求1或2所述的雨量監測裝置，其特徵在於設有實時時鐘/日曆電路，它的數據端和控制信號輸入端與微處理器的I/O口相接。
5.根據權利要求1或2所述的雨量監測裝置，其特徵在於設有看門狗電路，它的控制腳和輸出腳與微處理器I/O口相連。
全文摘要
穿透式雨量積算儀，由穿透式雨量傳感器及其信號調理電路、A/D轉換電路，微處理器和通信接口電路組成，雨量傳感器及其信號調理電路輸出接A/D轉換電路的輸入，A/D轉換電路的輸出和控制端接微處理器的I/O口，微處理器的I/O口和串行通訊口分別接通信接口電路的控制端和數據端；雨量傳感器由相互並聯的電容器極板構成。本發明微處理器把雨量數據上傳至PC機或大型機，不僅可實時監測雨量，還能夠完成24小時雨量變化積算工作，測量誤差小，積算功能強大。整套裝置無運動件，具有靈敏度高，實時性好，結構簡單，可靠性高，壽命長，價格低廉和功耗小等特點，非常適用於氣象臺(站)，水文觀測站，農林系統和鐵路有關部門測量和預報液態降水量。
文檔編號G01W1/14GK1632620SQ200410061358
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月15日 優先權日2004年12月15日
發明者熊昌侖, 鄧華 申請人:武漢大學