具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計及故障告警方法與流程

2024-04-16 03:24:05

1.本發明涉及氣象水文領域中用於測量自然界降水量的傳感器，特別是具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計。本發明還涉及用於所述翻鬥式雨雪量計的故障告警方法。


背景技術：

2.目前，市場上的融雪型雨雪量計通常採用低溫電加熱模式，當環境溫度低於某一設定值時，無論是否降雪都啟動並持續進行加熱，直到雨雪量計內部到達一定的溫度才停止，持續加熱造成了電能的極大浪費，同時加熱模塊長時間的幹燒也會縮短其使用壽命。
3.還有的融雪型雨雪量計使用了外置的感雨雪的傳感器來判斷降水，當環境溫度低於設定溫度並且感雨雪器測到降水的時候，才啟動加熱模塊，譬如槽型光電開關感雨雪器。這種方式雖然在一定程度上能降低能耗，但其無法區分降雨和降雪，當降雨時也會啟動加熱，加熱會蒸發降水，導致測量的降水量減少。並且光電開關表面易汙染，當表面汙染後，將無法測量到降水，甚至在下雪時，光電開關表面有積雪時，雷射無法透過，就無法正常工作了，需要人工及時的維護，不適用於野外無人值守的臺站應用。並且外置式感雨雪器，無法測量出雨雪量計的承雨口中的積雪情況，無法準確判斷加熱的停止時間。
4.此外，在各種氣象監測站中，融雪型雨雪量計仍未廣泛使用，主要採用的還是翻鬥式雨量傳感器來測量降雨，在我國北方，冬季降雪時，天氣寒冷，雨量傳感器承雨口內的積雪經久不化，導致無法測量降雪，通常冬季的時候，就會給雨量傳感器蓋上蓋子，停止使用，造成了儀器的閒置；在我國南方，冬季出現降雪時，雨量桶內會存在積雪，當白天氣溫升高時，積雪融化為水，雨量傳感器會報出降水，此時距離降雪停止已經有一段時間了，導致出現降水時間上的誤報，對觀測造成了影響。
5.另外，當前的融雪型雨雪量計不具有故障告警功能，當雨雪量計出現堵塞、翻鬥卡、幹簧管損壞等故障時，無法及時發現，造成降水時缺測的情況。


技術實現要素：

6.本發明的目的在於提供一種具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計。該翻鬥式雨雪量計僅在降雪時啟動加熱功能，能夠實現低能耗運行，其適於對臺站現有的翻鬥式雨量傳感器進行改造，使翻鬥式雨量傳感器具備測量降雪的功能，成為既能夠測量降雨量又能夠測量降雪量的翻鬥式雨雪量計。
7.本發明的另一目的在於提供一種用於所述翻鬥式雨雪量計的故障告警方法。
8.為實現上述目的，本發明提供一種具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計，包括：
9.筒體，其外側設有保溫層；
10.承雨口，設於所述筒體內部並與所述筒體的底部之間形成內部空間，所述承雨口的內表面或夾層中設有融雪加熱膜；
11.雨水翻鬥，設於所述內部空間並位於所述承雨口下方；
12.降水探測模塊，設於所述承雨口，用於探測所述承雨口內的積雪或者積水深度；
13.環境加熱模塊，設於所述內部空間，用於對內部環境進行加熱；
14.排水口加熱模塊，設於所述筒體底部的排水口處，用於對排水口進行加熱；
15.溫度傳感器，設於所述內部空間，用於測量所述內部空間的內部環境溫度；
16.控制器，設於所述內部空間，並與所述融雪加熱膜、降水探測模塊、環境加熱模塊、排水口加熱模塊、溫度傳感器和雨水翻鬥相連接。
17.可選地，所述降水探測模塊包括第一傳感器和第二傳感器；所述第一傳感器設於所述降水探測模塊上端兩側，用於分段測量所述承雨口中積雪或者水位液面高度所落入的範圍；所述第二傳感器設於所述降水探測模塊底部的降水探測出水口，其能夠被流過所述降水探測出水口的水滴或水流觸發。
18.可選地，所述第一傳感器的數量為多個，並沿高度方向在所述降水探測模塊上端兩側間隔分布。
19.可選地，所述第一傳感器包括位於同一水平面上的第一電極點和第二電極點。
20.可選地，所述第二傳感器包括沿垂直方向嵌入所述降水探測出水口的第一導電點和第二導電點，所述第一導電點與第二導電點之間具有設定的間距。
21.可選地，所述環境加熱模塊包括安裝於所述筒體內底部的ptc加熱器和用於在所述內部空間形成對流的風扇。
22.可選地，所述融雪加熱膜和/或排水口加熱模塊設有溫控保護開關。
23.可選地，所述雨水翻鬥包括分水翻鬥和位於所述分水翻鬥下方的計數翻鬥。
24.為實現上述另一目的，本發明提供一種翻鬥式雨雪量計故障告警方法，用於上述任一項所述的具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計，包括：
25.由所述控制器根據所述第一傳感器的測量數據判斷承雨口內是否存在積水；
26.由所述控制器根據所述第二傳感器的測量數據判斷出水口是否無水滴通過，或者有水滴通過但是累積一定時間內的水滴數是否低於設定值；
27.若判斷結果均為是，則確定所述承雨口堵塞，由所述控制器向數據中心發送承雨口堵塞報告。
28.進一步地，還包括：
29.由所述控制器根據所述第二傳感器的測量數據判斷出水口是水滴還是水流，並累計水滴數是否超過設定門限值或水流累計時間是否超過設定門限值；
30.由所述控制器累計所述雨水翻鬥的翻轉次數是否為「0」；
31.若判斷結果均為是，則確定雨水翻鬥故障，由所述控制器向數據中心發送雨水翻鬥故障報告。
32.本發明所提供的具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計，通過降水探測模塊探測到承雨口內的積雪，採用電加熱的方式，將承雨口內的積雪融化成水，再由翻鬥計量出降水量，從而實現對降雪的測量，其能夠準確判斷積雪的融化狀態實現僅在降雪時開啟加熱，並精準停止加熱，其餘時間不加熱，以降低能耗，其環境加熱模塊可以有效防止融化的雪水在內部結冰，排水口加熱模塊可以防止排水口結冰堵塞排水漏鬥，從而保證雨雪量計能夠在寒冷環境中正常工作，並且，通過降水探測模塊返回的數據，結合翻鬥的採集的數據，控制器能夠對雨雪量計各組成部分的工作狀態進行實時監測，具備故障告警的功能。
33.本發明所提供的翻鬥式雨雪量計故障告警方法，由控制器根據傳感器的檢測數
據，對異常情況進行分析並判斷出可能出現的故障，然後將判斷結果上報到數據中心，由數據中心安排維護人員對故障進行處理，從而為翻鬥式雨雪量計的故障告警功能提供了有效的告警方法和手段。
附圖說明
34.圖1為本發明實施例所提供的一種具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計的結構示意圖；
35.圖2為圖1中所示降水探測模塊的結構示意圖；
36.圖3為降水類型與溫度區間劃分圖。
37.圖中：
38.1.降水探測模塊2.融雪加熱膜3.控制器4.溫度傳感器5.環境加熱模塊6.保溫層7.承雨口8.第一傳感器81.第一電極點82.第二電極點9.第二傳感器91.第一導電點92.第二導電點10.雨水翻鬥101.分水翻鬥102.計數翻鬥11.排水口加熱模塊12.筒體
具體實施方式
39.為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
40.在本文中，「上、下、內、外」等用語是基於附圖所示的位置關係而確立的，根據附圖的不同，相應的位置關係也有可能隨之發生變化，因此，並不能將其理解為對保護範圍的絕對限定；而且，諸如「第一」和「第二」等之類的關係術語僅僅用來將一個與另一個具有相同名稱的部件區分開來，而不一定要求或者暗示這些部件之間存在任何這種實際的關係或者順序。
41.請參考圖1，圖1為本發明實施例所提供的一種具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計的結構示意圖。
42.如圖所示，在一種具體實施例中，本發明所提供的具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計，主要由筒體12、承雨口7、雨水翻鬥10、降水探測模塊1、環境加熱模塊5、排水口加熱模塊11、溫度傳感器4以及控制器3等部分組成。
43.其中，筒體12大體呈圓筒形，其外周部設有一層保溫層6，保溫層6可採用耐高溫防水保溫材料，通過設置保溫層6可有效防止雨雪量計內部的熱量散失，從而有效降低能耗。
44.承雨口7安裝在筒體12內部並與筒體12的底部之間形成內部空間，雨水翻鬥10分為分水翻鬥101和計數翻鬥102，分水翻鬥101位於承雨口7的下方，只起分水作用不計數，計數翻鬥102位於分水翻鬥101的下方，用於進行計數。
45.承雨口7的內表面或夾層中設有融雪加熱膜2，融雪加熱膜2用於融化承雨口7內的積雪，融雪加熱膜2可採用矽橡膠加熱膜，具體可鋪滿承雨口7的漏鬥形內表面，並粘接固定，其在工作時12v電流供電，並裝有溫控保護開關，當加熱模溫度超過保護溫度時，自動切斷加熱，防止溫度過高影響加熱膜和雨雪量計的使用壽命，同時保護安裝維護人員的安全。
46.降水探測模塊1安裝在承雨口7底部的出水口處，用於探測承雨口7內的積雪或者積水深度
47.環境加熱模塊5採用ptc加熱器(即熱敏電阻加熱器)對內部環境進行加熱，ptc加
熱器安裝在筒體12底部，並帶有風扇(圖中未示出)，通過風扇可以在內部空間形成對流，使得內部空間各部件受熱均勻，使內部環境溫度保持在0℃以上，防止融化的雪水在雨雪量計內部結冰。
48.排水口加熱模塊11安裝在筒體12底部的排水口處，用於對排水口進行加熱，防止排水口結冰堵塞，與融雪加熱膜2類似地，排水口加熱模塊11也帶有溫控保護開關。
49.溫度傳感器4安裝在控制器3上，用於測試雨雪量計的內部環境溫度。
50.請一併參考圖2，圖2為圖1中所示降水探測模塊的結構示意圖。
51.如圖所示，降水探測模塊1設有第一傳感器8和第二傳感器9，其中，第一傳感器8位於降水探測模塊1上端兩側，用於分段測量承雨口中積雪或者水位液面高度所落入的範圍，第二傳感器9位於降水探測模塊1底部的降水探測出水口，其能夠被流過降水探測出水口的水滴或水流觸發。
52.具體地，第一傳感器8的數量為兩個，並沿高度方向在降水探測模塊1上端兩側間隔分布，各第一傳感器分別由位於同一水平面上的第一電極點81和第二電極點82組成，第一電極點81和第二電極點82均與控制器3的處理電路連接。
53.第一傳感器8主要利用空氣和融雪或者雨水的導電性的差異進行設計的，其兩個電極點設計在同一水平面上，當這一平面沒有融雪或雨水時(空氣)，為高阻狀態，當這一平面有融雪或雨水時，為導通狀態，從而可以判斷出承雨口中積雪或者水位液面高度所落入的範圍。
54.在本實施例中，第一傳感器8的數量為兩個，沿高度方向在降水探測模塊1上間隔分布。當然，第一傳感器8的數量還可以是多個，可根據實際的要求進一步增加或減少。
55.第二傳感器9具有沿垂直方向嵌入降水探測出水口的第一導電點91和第二導電點92，第一導電點91與第二導電點92均呈圓環形，兩者之間具有設定的間距。
56.第二傳感器9的工作原理與第一傳感器8類似，其第一導電點91和第二導電點92沿垂直方向嵌入降水探測模塊1出水口處，二者有一定的間距，承雨口7內融化的雪水或者匯聚的雨水形成水滴或者水流通過時，第一導電點91和第二導電點92導通，根據第一傳感器8和第二傳感器9的檢測數據，可準確的判斷出承雨口7內積雪或者積水的情況。
57.控制器3安裝在雨雪量計內部，通過線纜與降水探測模塊1、融雪加熱膜2、環境加熱模塊5、排水口加熱模塊11、溫度傳感器4、雨水翻鬥10等連接，實時採集第一傳感器8、第二傳感器9、環境溫度、計數翻鬥等信息，控制融雪加熱膜2、環境加熱模塊1、排水口加熱模塊11等進行工作。由於採用通用技術即可實現，本文就不再展開描述。
58.請參考圖3，圖3為降水類型與溫度區間劃分圖。
59.如圖所示，降水類型可分為米雪、雪、雨夾雪、冰粒子、凍雨、毛毛雨、雨、冰雹等，一般將米雪、雪、冰粒子統稱為雪，毛毛雨、雨統稱為雨。
60.當環境溫度高於6℃時，降水類型為雨或者冰雹，在不考慮冰雹的情況下為液態降水，不需要啟動加熱。
61.當環境溫度低於0℃時，降水類型為雪、雨夾雪、凍雨等固態或者固液混合類型降水，需要啟動融雪加熱膜2進行融化，並且需要啟動環境加熱模塊5和出水口加熱膜11，確保融化的雪水不會結冰。
62.當環境溫度為0℃～6℃時，降水類型可能為雨、雪、雨夾雪、冰雹等液態、固態和固
液混合態降水，通過降水探測模塊1來區分降水類型，當降水類型為雨時不需要啟動加熱，為其它類型時需要啟動融雪加熱膜2進行融化，避免降雨時啟動加熱導致雨水蒸發，從而使得測量值偏低，同時也有效降低了能耗。
63.當然，在實際應用時，不同的地區或者海拔，降水類型和溫度的關係會有一定的差異，可根據實際情況做相應的設置。
64.採用本發明提供的技術方案，可以很方便地對目前臺站應用的翻鬥式雨量計進行升級改造，在升級之後，普通翻鬥式雨量計可實現對降雪的測量，升級為翻鬥式雨雪量計，並且具備故障告警的功能。
65.上述實施例僅是本發明的優選方案，具體並不局限於此，在此基礎上可根據實際需要作出具有針對性的調整，從而得到不同的實施方式。例如，將筒體12設計成其他形狀，或者，利用其他方式對內部環境進行加熱，等等。由於可能實現的方式較多，這裡就不再一一舉例說明。
66.由於野外環境惡劣，雨雪量計長期放置在野外，承雨口7很容易被樹葉、泥沙等雜質堵塞，導致降水時採集不到數據。
67.對此，除了上述具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計，本發明還提供一種翻鬥式雨雪量計故障告警方法，其可以判斷承雨口7是否堵塞以及雨水翻鬥10是否發生故障。
68.判斷承雨口7是否堵塞的過程如下：
69.由控制器3根據第一傳感器8的測量數據判斷承雨口7內是否存在積水；
70.由控制器3根據第二傳感器9的測量數據判斷出水口是否無水滴通過，或者有水滴通過但是累積一定時間內的水滴數是否低於設定值；
71.若判斷結果均為是，則確定承雨口7堵塞，由控制器向數據中心發送承雨口堵塞報告。
72.具體地，根據第一傳感器8和第二傳感器9的工作原理，返回數據為高阻值表示未發生降水，低阻值表示有降水。這裡分別用「0」和「1」來表示，「0」表示高阻值，「1」表示低阻值。當第一傳感器8由「0」變為「1」並持續為「1」時，表明承雨口7內有積水，積水深度上升到了第一傳感器8的位置。
73.當水滴通過第二傳感器9時，其狀態由「0」變「1」再變為「0」，每通過一滴水第二傳感器9導通一次，根據「0」變「1」的次數可以統計出通過了多少滴水。
74.當第一傳感器8持續為「1」，第二傳感器9持續為「0」或者累積一定時間內變為「1」的次數低於某一設定值時，則判斷承雨口7堵塞，由控制器3向數據中心發送承雨口7堵塞報告。
75.判斷雨水翻鬥10是否發生故障的過程如下：
76.由控制器3累計一定時間內第二傳感器9持續為「1」(即形成水流)或者變成「1」的次數高於某一設定值，且雨水翻鬥10的值為「0」，則判斷雨水翻鬥10的分水翻鬥101或計數翻鬥102發生故障，由控制器3向數據中心發送計數翻鬥故障報告。
77.以上對本發明所提供的具有融雪功能的翻鬥式雨雪量計及故障告警方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾
也落入本發明權利要求的保護範圍內。