一種翻鬥觸發超聲波雨量計的製作方法

2024-01-29 00:02:15

一種翻鬥觸發超聲波雨量計的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種翻鬥觸發超聲波雨量計，它包括承雨器、漏鬥、翻鬥、磁鋼、幹簧管、船鬥、進水管、計量筒、超聲波水位測量控制器、電動閥門、出水管、底座支架和外桶。承雨器承接天然降雨，匯入經漏鬥流入翻鬥，翻鬥翻轉傾倒雨水經船鬥至進水管和電動閥門流入計量筒，超聲波水位測量控制器測量計量筒內的水位高度，並換算為雨量輸出，當計量筒內的水位達到一定高度即10mm降雨量，超聲波水位測量控制器關閉進水閥門阻止雨水進入計量筒，同時打開排水閥門，將計量筒內的雨水經出水管排出，排水完畢再關閉排水閥門，打開進水閥門，降雨量流入計量筒進行計量，如此循環計量，實現降雨量準確測量。
【專利說明】一種翻鬥觸發超聲波雨量計
[0001]

【技術領域】
[0002]本發明屬於水文、氣象測量器具【技術領域】，特別是涉及用於精確測量天然降雨量的一種翻鬥觸發超聲波雨量計。
[0003]

【背景技術】
[0004]現有用於自動化雨量監測的翻鬥雨量計的解析度與精度是矛盾的，即1_解析度的翻鬥雨量計誤差較大，而0.1mm解析度的翻鬥雨量計因雨強變化而產生更大的測量誤差，達±20%。
[0005]長期以來，水文、氣象部門使用的雨量計為雨量器、虹吸式雨量計或翻鬥雨量計。因雨量器、虹吸式雨量計不適用於雨量監測自動化，所以，翻鬥雨量計得到廣泛使用。翻鬥雨量計的翻鬥容量有0.lmm、0.2mm、0.5mm和Imm四種，2006年之前，國家水文部門和氣象部門均使用0.1mm的雨量計,儘管0.1mm雨量計解析度較高,但其動態精度卻不高,降雨強度在0.1?8mm/min變化時，其誤差在+10%?-25%之間變化，不能滿足規範要求。2006年，水文部門修訂規範時，按年降雨總量分區選用雨量計:
1、需要控制雨日地區分布變化的雨量站應記至0.1mm ；
2、蒸發站的記錄精度應與蒸發觀測的記錄精度相匹配,一般記至0.1mm ；
3、不需要雨日資料的雨量站，可記至0.2mm ;多年平均降水量大於800mm地區,可記至
0.5mm ;多年平均降水量大於400mm、小於800mm地區，如果汛期雨強特別大，且降水量佔全年60%以上，亦可記至0.5謹。
[0006]氣象部門至今要求使用0.1mm雨量計觀測降雨量，水文部門也要求使用雨量器人工觀測日降雨總量，精確到0.1mm。
[0007]鄭州市氣象部門使用的超聲波雨量儀由上、下兩大部分組成:上部分由承水器、特製漏鬥、超聲波測距探頭、人工換桶控制開關、外接電纜組成；下部分為儲水桶，儲存降雨量。該設計的儲水桶與上部分的承水器直徑相同，水位觀測精度不能達到0.1mm的要求，另一方面儲水桶累計降雨量達到500mm時需要人工換桶倒水，不利於長期穩定測量。
[0008]河南省氣象部門改進了超聲波雨量計，增加了超聲波水位測量桶，提高了測量精度，但是，使用了兩個電磁閥，經常出現故障，又因沒有設計降雨感應器，使得超聲波水位計在沒有下雨時也需要不間斷地工作，增大了設備功耗，縮短了使用壽命。
[0009]如何克服現有技術的不足已成為當水文、氣象器具【技術領域】中亟待解決的重點難題之一。
[0010]


【發明內容】

[0011]本發明的目的是為克服現有技術的不足而提供一種翻鬥觸發超聲波雨量計，本發明運用超聲波水位原理，通過超聲波測量量筒內的水位變化來計量降雨量，大大地提高了野外降雨量測量的精度。
[0012]根據本發明提出的一種翻鬥觸發超聲波雨量計，它包括承雨器、漏鬥、翻鬥、船鬥、進水管、計量筒，其中:在同一軸線上自上而下依次設置承雨器、漏鬥、翻鬥、船鬥，該船鬥的底端與進水管的一端連接，其特徵在於還包括磁鋼、幹簧管、超聲波水位測量控制器、電動閥門、出水管、底座支架和外桶，其中:磁鋼設置在翻鬥的頂端，幹簧管固定在翻鬥支架磁鋼一側的上方，進水管的另一端與電動閥門的進口連接，該電動閥門的出口還分別與計量筒和出水管連接，計量筒上設置有超聲波水位測量控制器，所述各部件依序設置在底座支架上，所述各部件的外圍設置有外桶，該外桶的頂端設置承雨器，外桶的底端與底座支架連接。
[0013]基於以上本發明所述的一種翻鬥觸發超聲波雨量計的使用方法，其特徵在於包括如下依次循環往復的具體步驟:
步驟一，自然降水經承雨器流經翻鬥漏鬥至翻鬥，裝滿水的翻鬥傾轉時，翻鬥上的磁鋼掃過幹簧管觸發超聲波水位測量控制器進入工作狀態，該超聲波水位測量控制器測量計量筒內的水位，如水位上升I個數量單位，則超聲波水位測量控制器向外輸出I個脈衝信號，代表0.1mm降雨量；
步驟二，如果步驟一所述水位測量值未上升至I個數量單位，則超聲波水位測量控制器進入休眠值守省電狀態；
步驟三，當所述水位測量值達到設定的水位上限值時，則超聲波水位測量控制器控制電動閥門動作關閉進水並打開排水，等待直至計量筒內水排乾，然後超聲波水位測量控制器控制電動閥門動作關閉排水並打開進水，積留在船鬥內的雨水經進水管和電動閥門流入計量桶；超聲波水位測量控制器繼續測量水位，在發送脈衝信號後進入休眠值守省電狀態。
[0014]本發明的測量原理是:本發明的超聲波水位測量控制器處於休眠狀態，承雨器收集的雨量流入漏鬥至翻鬥，達到0.1mm降雨量時,翻鬥(容量3.14ml)翻轉，降雨量流入計量筒，翻鬥翻轉時，其上的磁鋼掃過幹簧管使幹簧管接通再斷開，觸發喚醒超聲波水位測量控制器測量計量筒內的水位，與上次測量值比較，累計差值超過1.0mm立即輸出一個開關量信號，之後又進入休眠狀態；周而復始，實現對野外降雨量的高精度測量。
[0015]本發明與現有技術相比其顯著優點在於:
第一，本發明的超聲波水位測量控制器精確測量計量筒內的水位，並通過電動閥門控制計量筒內雨水流入和排出，排水時先關閉計量筒入流閥門，降雨量暫時積留在船鬥中，待計量筒排水完畢再行計量，沒有雨水流失，從而精確測量到完整的降雨量。
[0016]第二，本發明採用超聲波高精度測量水位的方法測量降雨量，使雨量測量精度不受降雨強度大小的影響，當測量解析度為0.1_、降雨強度在0.1?8mm/min變化時，其誤差在±3%之內。
[0017]第三，本發明的超聲波水位測量控制器處於節能休眠狀態，翻鬥翻轉喚醒超聲波水位測量控制器工作，測量完畢進入休眠狀態，其工作時的功耗為33mA，歷時5秒，休眠時功耗為ImA ;按每年降雨量100mm計，工作I萬次，歷時5萬秒，與全年3153.6萬秒相比，其佔空比為1:630，從而實現省電的目的，可在野外長期使用。

[0018]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發明提出的一種翻鬥觸發超聲波雨量計的結構剖面示意圖。
[0020]圖2為本發明提出的超聲波水位測量控制器的結構示意圖。
[0021]

【具體實施方式】
[0022]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。
[0023]結合圖1，本發明提出的一種翻鬥觸發超聲波雨量計，它包括承雨器(I)、漏鬥
(2)、翻鬥(3)、磁鋼(4)、幹簧管(5)、船鬥(6)、進水管(7)、計量筒(8)、超聲波水位測量控制器(9)、電動閥門(10)、出水管(11)、底座支架(12)和外桶(13)，其中:在同一軸線上自上而下依次設置承雨器(I)、漏鬥(2)、翻鬥(3)和船鬥(6)，所述船鬥(6)的底端與進水管
(7)的一端連接，磁鋼(4)設置在翻鬥(3)的頂端，幹簧管(5)固定在翻鬥支架(11)磁鋼(4)一側的上方，進水管(7)的另一端與電動閥門(10)的進口連接，該電動閥門(10)的出口還分別與計量筒(8 )和出水管(11)連接，計量筒(8 )上設置有超聲波水位測量控制器(9 )，所述各部件依序設置在底座支架(12)上，所述各部件的外圍設置有外桶(13)，該外桶(13)的頂端設置承雨器(I )，外桶(13)的底端與底座支架(12)連接。
[0024]本發明所述的一種翻鬥觸發超聲波雨量計的進一步優選方案是:
本發明的超聲波水位測量控制器(9)包括翻鬥脈衝信號輸入接口、雨量脈衝信號輸出接口、DC12V電源輸入接口、控制電動閥門電源接口、超聲波收發探頭和液晶顯示屏等在內的器件，如圖2所示，以及由脈衝信號輸入電路、超聲波水位測量電路、脈衝信號輸出電路和控制電動閥門電路組成。
[0025]本發明的電動閥門(10)為三通電動球閥。
[0026]本發明所述計量筒(8)的內徑為63.25mm,計量筒(8)與承雨器(I)的口徑之比為1: 10，計量筒(8)的高度為180mm、水位限高100mm、超聲波盲區80mm ;所述計量筒(8)的材質為衛生級不鏽鋼。
[0027]以下結合本發明提出的一種翻鬥觸發超聲波雨量計的具體實施過程來進一步說明本發明的實施例。
[0028]本發明的承雨器(I)採用200mm的大口徑，用於收集雨水並匯入直徑為61.4mm不鏽鋼計量筒(8)內，計量筒(8)的底面積與承雨器(I) 口面積比為1:10.6，即是指0.1mm降雨量流入計量筒(8)內水位升高1.0mm;計量筒(8)頂部設置的超聲波水位測量控制器
(9)能夠精確測量計量筒(8)內的水位，超聲波水位測量精度為0.1mm ;降雨裝滿翻鬥(3)使翻鬥(3)失衡轉動，降水流入計量筒(8)，由超聲波水位控制器(9)測量計量筒(8)內水位，水位每增高1.0mm，超聲波水位測量控制器(9)向外輸出I個脈衝信號，當計量筒(8)內的水位升高到106mm，相當於1mm降雨量時，超聲波水位測量控制器(9)關閉進水閥門，阻止排水時段內的降雨被排出，精確測量計量筒(8)內的水位後再打開排水閥門排出計量筒
(8)內的雨水，排水完畢關閉排水閥門，打開進水閥門，積留在船鬥(6)內的雨水流入計量筒(8)內計量；整個排水過程歷時36秒，按最強降雨8mm/min計算，排水過程36秒內最大可能積留在進水閥門前船鬥(6)內的降雨量為4.8_，即進水閥門前船鬥(6)的儲留容積為150.7ml ;在測量過程中，沒有任何雨水流失，從而實現降雨量的精密監測。
[0029]以下對本發明的具體使用方法作進一步的說明:
本發明提出的一種翻鬥觸發超聲波雨量計的使用方法，包括如下依次循環往復的具體步驟:
步驟一，自然降水經承雨器(I)流經翻鬥漏鬥(2)至翻鬥(3)，裝滿水的翻鬥(3)傾轉時，翻鬥(3)上的磁鋼(4)掃過幹簧管(5)觸發超聲波水位測量控制器(9)進入工作狀態，該超聲波水位測量控制器(9)測量計量筒(8)內的水位，如水位上升I個數量單位，則超聲波水位測量控制器(9)向外輸出I個脈衝信號，代表0.1mm降雨量；
步驟二，如果步驟一所述水位測量值未上升至I個數量單位，則超聲波水位測量控制器(9)進入休眠值守省電狀態；
步驟三，當所述水位測量值達到設定的水位上限值時，則超聲波水位測量控制器(9)控制電動閥門(10)動作關閉進水並打開排水，等待直至計量筒(8)內水排乾，然後超聲波水位測量控制器(9)控制電動閥門(10)動作關閉排水並打開進水，積留在船鬥(6)內的雨水經進水管(7)和電動閥門(10)流入計量桶(8);超聲波水位測量控制器(9)繼續測量水位，在發送脈衝信號後進入休眠值守省電狀態。
[0030]本發明提出的一種翻鬥觸發超聲波雨量計使用方法的特別說明如下:
一是降雨強度大小是隨機出現的，為了實時監測降雨量，超聲波水位測量控制器(9)需要連續工作，功耗較大；雨量計安裝在野外，使用蓄電池供電，要求功耗低。因此，本發明設計了翻鬥觸發超聲波水位測量控制器(9)上電工作，不降雨時，超聲波水位測量控制器(9)處於省電休眠狀態，大大降低了翻鬥觸發超聲波雨量計的功耗。
[0031]二是承雨器I收集自然降雨量經漏鬥(2)流入翻鬥(3)，當降雨增多，翻鬥(3)裝滿失衡翻轉，翻鬥(3 )內的雨水經進水管(7 )流入計量筒(8 )，磁鋼(4)掃過幹簧管(5 )觸發乾簧管閉合信號給超聲波水位測量控制器(9)進行水位測量，經體積換算得到精確的降雨量；計量筒(8)內的水位每上升1.0_，超聲波水位測量控制器(9)向外輸出I個脈衝信號後進入休眠狀態，如此循環往復，直到計量筒(8)裝滿1mm降雨量則開始排水。
[0032]三是當計量筒(8)內的水量增至314ml,相當於1mm降雨量時,超聲波水位測量控制器(9)控制電動閥門(10)關閉進水閥門並打開排水閥門，計量筒(8)內的雨水經出水管
(11)排出，排水過程中超聲波水位測量控制器(9)在線測量計量筒(8)內水位下降過程，當計量筒(8)排水完畢再關閉電動閥門(10)的排水閥門並打開進水閥門，排水過程積留在船鬥(6)中的降雨量經進水管(7)流入計量筒(8)，超聲波水位測量控制器(9)進行水位測量，並根據水位增幅向外輸出N個脈衝信號後進入休眠省電狀態。
[0033]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。
[0034]本發明經反覆試驗驗證，取得了滿意的應用效果。
【權利要求】
1.一種翻鬥觸發超聲波雨量計，它包括承雨器(I )、漏鬥(2)、翻鬥(3)、翻鬥支架(14)、船鬥(6)、進水管(7)、計量筒(8)，其中:在同一軸線上自上而下依次設置承雨器(I)、漏鬥(2)、翻鬥(3)、船鬥(6)，該船鬥(6)的底端與進水管(7)的一端連接，其特徵在於還包括磁鋼(4)、幹簧管(5)、超聲波水位測量控制器(9)、電動閥門(10)、出水管(11)、底座支架(12)和外桶(13)，其中:磁鋼(4)設置在翻鬥(3)的頂端，幹簧管(5)固定在翻鬥支架(11)磁鋼(4) 一側的上方，進水管(7)的另一端與電動閥門(10)的進口連接，該電動閥門(10)的出口還分別與計量筒(8)和出水管(11)連接，計量筒(8)上設置有超聲波水位測量控制器(9)，所述各部件依序設置在底座支架(12)上，所述各部件的外圍設置有外桶(13)，該外桶(13 )的頂端設置承雨器(I)，外桶(13 )的底端與底座支架(12 )連接。
2.根據權利要求1所述的一種翻鬥觸發超聲波雨量計，其特徵在於超聲波水位測量控制器(9)包括翻鬥脈衝信號輸入接口、雨量脈衝信號輸出接口、DC12V電源輸入接口、控制電動閥門電源接口、超聲波收發探頭和液晶顯示屏等在內的器件，以及脈衝信號輸入電路、超聲波水位測量電路、脈衝信號輸出電路和控制電動閥門電路組成。
3.根據權利要求1所述的一種翻鬥觸發超聲波雨量計，其特徵在於電動閥門(10)為三通電動球閥。
4.根據權利要求1所述的一種翻鬥觸發超聲波雨量計，其特徵在於計量筒(8)的內徑為63.25mm，計量筒(8)與承雨器(I)的口徑之比為1: 10，計量筒(8)的高度為180mm、水位限高100mm、超聲波盲區80_。
5.根據權利要求1或4所述的一種翻鬥觸發超聲波雨量計，其特徵在於計量筒(8)的材質為衛生級不鏽鋼。
6.基於權利要求1所述的一種翻鬥觸發超聲波雨量計的使用方法，其特徵在於包括如下依次循環往復的具體步驟: 步驟一，自然降水經承雨器(I)流經漏鬥(2 )至翻鬥(3 )，裝滿水的翻鬥(3 )傾轉時，翻鬥(3)上的磁鋼(4)掃過幹簧管(5)觸發超聲波水位測量控制器(9)進入工作狀態，該超聲波水位測量控制器(9)測量計量筒(8)內的水位，如水位上升I個數量單位，則超聲波水位測量控制器(9)向外輸出I個脈衝信號，代表0.1mm降雨量； 步驟二，如果步驟一所述水位測量值未上升至I個數量單位，則超聲波水位測量控制器(9)進入休眠值守省電狀態； 步驟三，當所述水位測量值達到設定的水位上限值時，則超聲波水位測量控制器(9)控制電動閥門(10)動作關閉進水並打開排水，等待直至計量筒(8)內水排乾，然後超聲波水位測量控制器(9)控制電動閥門(10)動作關閉排水並打開進水，積留在船鬥(6)內的雨水經進水管(7)和電動閥門(10)流入計量桶(8);超聲波水位測量控制器(9)繼續測量水位，在發送脈衝信號後進入休眠值守省電狀態。
【文檔編號】G01F23/296GK104237976SQ201410462451
【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