CN105116471B - 光电计量式雨量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电计量式雨量计，包括集合仓、设置在集合仓上方的雨量斗、处理器、电源，所述集合仓内设有若干漏斗仓，各漏斗仓下方设有仓门，仓门连接有驱动机构，各漏斗仓均连通一浮子腔，浮子腔内设有浮子，浮子腔上方设有开关，浮子用于触发开关，开关用于控制与当前浮子腔连通的漏斗仓仓门的驱动机构工作，处理器与开关和/或漏斗仓仓门驱动部件相连，漏斗仓依次通过溢流口连通，电源为电子元件供电。本发明通过多个等压等量且能够依次溢流的漏斗对雨水进行***，能够实时监控降水雨量和降雨强度，并可在线真实记录任何雨情，便于向大众实时发布真实的降雨信息和雨量雨强报告。

Description

光电计量式雨量计

技术领域

本发明属于雨量计量装置技术领域，具体涉及一种光电计量式雨量计。

背景技术

雨量计是气象学家和水文学家用来测量一段时间内某地区的降水量的仪器。目前市场上常见的雨量计有虹吸式、翻斗式、称重式三种。虹吸式雨量计是我国目前使用最普遍的雨量自记仪器，其主要利用虹吸原理对雨量进行连续测量。在长期使用过程中我们发现，虹吸式雨量计的测量误差较大，其主要原因在于，当仪器发生虹吸时，虹吸历时内的降雨，并没有得到计量，而是随着虹吸一起排出仪器。所以当外界降雨强度大时，其测量误差就会加大，因此，虹吸式雨量计现已被国家列为淘汰产品。翻斗式雨量计的工作原理较为简单，通过设置呈机械双稳态性质的翻斗，当降水到一定量时，翻斗平衡破坏，发生翻转，最终落入计量斗中。由于翻斗是机械运动方式，在翻转过程中雨水容易溅出损失一定的雨量，另外，雨强过大时，会发生翻斗来不及翻转的情况，这就造成了误差的进一步扩大，因此，翻斗式雨量计的精度也很难满足雨量计量高精度需求。目前我国的称重式雨量计精度不能满足技术需求，而进口产品价格高昂，很难普及，因此目前急需设计一种精度较高且价格适中的雨量计量装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种光电计量式式雨量计，通过多个等压等量且能够依次溢流的漏斗对雨水进行***，通过***雨水的漏斗数量和各漏斗***的时间即可计量雨强和雨量大小。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光电计量式雨量计，包括集合仓、设置在集合仓上方的雨量斗、处理器、电源，所述集合仓内设有若干漏斗仓，各漏斗仓下方设有仓门，仓门连接有驱动机构，各漏斗仓均连通一浮子腔，所述浮子腔内设有浮子，浮子腔上方设有开关，所述浮子用于触发开关，所述开关用于控制与当前浮子腔连通的漏斗仓仓门的驱动机构工作，所述处理器与开关和/或漏斗仓仓门驱动部件相连，所述漏斗仓依次通过溢流口连通，所述电源为电子元件供电。

进一步的，还包括与处理器相连的无线信号传输装置。

进一步的，还包括电热元件，所述电热元件用于对漏斗仓进行加热。

进一步的，还包括温控元件，所述温控元件与电热元件相连。

进一步的，还包括雨量桶和称重衡器，所述雨量桶设置在集合仓下方，所述称重衡器设置在雨量桶下方。

进一步的，除最后一个漏斗仓外，其余漏斗仓侧壁上均设有溢流口。

进一步的，各溢流口高度相等。

进一步的，除第一个漏斗仓外，其余漏斗仓侧壁上均设有与相邻漏斗仓溢流口相通的进水口。

进一步的，所述开关位于浮子行进路线上。

进一步的，所述开关为光电开关或磁性开关或接近开关。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明提供了一种全新的雨量计结构，能够实时监控降水雨量和降雨强度，并可在线真实记录任何雨情，便于向大众实时发布真实的雨量雨强报告。在计量过程中，与现有虹吸式和翻斗式雨量计相比较误差更小，尤其是在雨强较大时，通过巧妙的溢流设计，避免雨水的损失，从而避免误差的进一步扩大，相较已有产品明显具有优越性。

附图说明

图1为本发明提供的光电计量式雨量计结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图，即漏斗仓与浮子仓结构示意图；

图3为漏斗仓仓门部分示意图；

图4为雨量计中电子元件连接示意图。

附图标记列表：

1-标准雨量计，2-溢流口，3-集合仓，4-电热元件，5-温控元件，6-雨量桶，7-称重衡器，8-开关，9-浮子，10-浮子腔，11-仓门，12-漏斗仓，13-进水口，14-驱动机构。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

请参阅图1、图2、图3、图4所示的光电计量式雨量计结构示意图，其中雨量计主体包括设置在顶部的Ф200标准雨量计1和设置在标准雨量计1下方的集合仓3。需要说明集合仓3内设有4个漏斗仓12，图1中从左至右分别为第一漏斗仓、第二漏斗仓、第三漏斗仓、第四漏斗仓，其中，第一漏斗仓设置在标准雨量计1下方。这些漏斗仓12形状、尺寸相同，具有相同的容量，底部具有的漏斗口大小彼此一致，因此每个漏斗仓12的单位时间***流量也完全相同。漏斗仓12优选位于同一平面上。

每个漏斗设计为等压、等流量，每个漏斗的压力为：

P∝Vρ

式中，V——漏斗体积，ρ——水的密度，

漏斗底部出口为圆形刀口状，底部出口的半径为R，则漏斗流量为：

Q∝πR²

每个漏斗仓12均连通一个浮子腔10，漏斗仓12内与浮子腔10内水面等高，浮子腔10中设有一浮子9，每个浮子腔10上方还设有开关8，浮子9上升到一定高度时即可触发该开关8，开关8控制开关8优选采用光电开关8、磁性开关8或接近开关8，无需与浮子9直接接触即可触发。各漏斗仓12下均设有仓门11，仓门11连接有能够使仓门11开闭的驱动机构14，浮子9触发的开关8可控制该驱动机构14，从而控制与该浮子腔10相连通的漏斗仓12仓门11打开或关闭：当浮子9随浮子腔10内水面上升至浮子9顶部到达开关8位置时，仓门11开启，漏斗仓12***雨水，当浮子9下降随浮子腔10内水面上升至浮子9顶部低于开关8位置时，仓门11关闭，漏斗仓12停止排水。处理器能够记录各漏斗仓12排水时间，具体的说，处理器可与开关8相连，记录各个开关8的开闭时间；也可以与驱动机构14相连，得到驱动机构14打开和关闭的时间，以上两种方式均可以得到每个漏斗仓12仓门11打开的时间(以第二种方式得到的时间更为精确)，再根据漏斗仓12单位时间排出的雨量进行计算，即可得到每个漏斗仓12总共排出的雨量。漏斗仓12口大小优选与标准雨量计的排水口大小一致。处理器通过电源供电，由于雨量计通常设置在野外，因此可采用蓄电池或太阳能光伏电源供电。当电源为蓄电池时，仓门驱动机构14设计为永磁材料驱动机构以减少能耗；当电源采用光伏电源时，则用马达驱动开启仓门11结构较为简单。处理器可连接有无线信号传输装置，并可外接天线，这样能够实时将雨量计在线工作状态——正在排水的漏斗仓12数量以及各个漏斗仓12排水时间传输至气象监测站。

4个漏斗仓12依次排开，相邻两漏斗仓12通过溢流口2彼此连通，具体的说，第一漏斗仓12位于标准雨量计1下方，用于承接从标准雨量计1中排出的雨水，除最后一个漏斗仓——即第四漏斗仓之外，第一～第三漏斗仓侧壁上都具有高度相同的溢流口2，除第一个漏斗仓外，第二～第四漏斗仓都具有与相邻前一漏斗仓12溢流口2相连通的进水口，进水口与溢流口2等高。当当前漏斗仓12中雨水高度超过溢流口2底部高度(下称溢流口2高度)时，雨水经过溢流口2和进水口流向相邻的下一个漏斗仓12中。需要说明的是，由于高于溢流口2的雨水溢流至其他漏斗仓12中，因此漏斗仓12的实际容量受溢流口2高度影响，漏斗仓12容量应以溢流口2下方的漏斗仓12部分进行计量。

浮子9触发开关8时的水面高度应等于或低于溢流口2高度，本例中浮子9触发开关8时水面高度与溢流口2高度相等，当当前漏斗仓12内水面高度到达溢流口2高度时，由于水的张力，溢流口2处的水还未向下一漏斗仓12流出，但此时开关8触发，当前漏斗仓12口打开，当前漏斗仓12开始排水，当雨强增大时，第一个漏斗仓12不能满足雨水***，当前漏斗仓12内水面依然升高，当前漏斗仓12向相邻下一漏斗仓12溢流，当下一漏斗仓12连通的浮子腔10中浮子9触发开关8时，下一漏斗仓12仓门11打开开始排雨，以此类推，雨强持续增大时，各漏斗仓12仓门11自近至远(以图1中第一漏斗仓为近，第四漏斗仓为远)逐一打开并向下一漏斗仓12溢流，雨强逐渐减小时，各溢流口2逐渐停止溢流，各漏斗仓12仓门11自远至近依次关闭。很明显，排水的漏斗仓12数量与雨强呈正比，因此，通过排水漏斗仓12数量即可方便地判断雨强。本雨量计可在线真实记录雨情，当没有漏斗仓12排水时，则可认为降雨停止，当有漏斗仓12排水时，则有降雨发生，通过无线信号传输装置，实时雨强和雨量数据也可传输至监控中心，便于向大众实时发布真实的雨量雨强报告。

显然，漏斗仓12的容量不应太大，否则会残留过多雨水，漏斗仓12的容量也不应过小，一般而言，以能够容纳国家小雨量为准，具体的说，例如，国家气象标准规定的小雨量为每小时降雨小于等于m毫升，则漏斗仓12的容量优选设计为：

漏斗仓容量＝πR²×4/3600t＝n×3.14×100²/3600

漏斗仓12的数量不以图中数量为限制，设置越多漏斗仓12可测量雨强越大的降雨量，本领域内技术人员可结合成本、环境等各方面因素设置合适数量的漏斗仓12，漏斗仓12***雨量总体计算公式如下：

最后，漏斗仓12内会有残留的雨水，各漏斗仓12残留雨量之和如下：

最后在计算实际雨量时，应在计算各漏斗仓12排出雨水的基础上再加上漏斗仓12内残留雨量才更为精确。

图1中，集合仓3下方还设置有雨量桶6，雨量桶6下方设有称重衡器7，从漏斗仓12中排出的雨水进入雨量桶6中，称重衡器7对雨量桶6中的水进行称量，可用于本雨量计的误差分析和率定，实际使用中雨量桶6和称重衡器7均不是必须采用的部件。

此外，考虑到北方降雨时容易产生冰冻，在各漏斗仓中优选设置有电热元件4，用于对漏斗仓进行加热，防止仓中雨水冻结导致无法排出，电热元件4与温控元件5相连，可在气温低于一定程度时(可预先设定，例如0℃，2℃)才启动电热元件4，达到节能效果。温控元件可与处理器相连，形成整体控制。

我们采用本发明中雨量计进行计量试验，将本装置置于野外，在降雨过程中，雨强逐渐从小至大再逐渐减小至雨完全停止，正在排水的漏斗仓12数量以及各个漏斗仓12排水时间被实时传输至气象监测站，第一漏斗仓工作时间(即仓门11打开排雨时间)为t₁、第一漏斗仓12排水雨量为M₁＝πR²t₁，第二漏斗仓、第三漏斗仓、第四漏斗仓工作时间分别为t₂、t₃、t₄、因此总雨量为：

雨量大小M与流量Q和时间t为线性关系，因此亦可直观的表达为以皮尔逊Ⅲ型分布图分布的M－t图。

作为优选，还需加上各漏斗仓12内、浮子腔10内、以及集合仓内残留的雨水，才是更为精确的雨水总量。这些残留雨水可以通过分析率定后计算。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光电计量式雨量计，其特征在于：包括集合仓、设置在集合仓上方的雨量斗、处理器、电源，所述集合仓内设有若干漏斗仓，各漏斗仓下方设有仓门，仓门连接有驱动机构，各漏斗仓均连通一浮子腔，所述浮子腔内设有浮子，浮子腔上方设有开关，所述浮子用于触发开关，所述开关用于控制与当前浮子腔连通的漏斗仓仓门的驱动机构工作，所述处理器与开关和/或漏斗仓仓门驱动部件相连，所述漏斗仓依次通过溢流口连通，所述电源为电子元件供电。

2.根据权利要求1所述的光电计量式雨量计，其特征在于：还包括与处理器相连的无线信号传输装置。

3.根据权利要求1或2所述的光电计量式雨量计，其特征在于：还包括电热元件，所述电热元件用于对漏斗仓进行加热。

4.根据权利要求3所述的光电计量式雨量计，其特征在于：还包括温控元件，所述温控元件与电热元件相连。

5.根据权利要求1或2所述的光电计量式雨量计，其特征在于：还包括雨量桶和称重衡器，所述雨量桶设置在集合仓下方，所述称重衡器设置在雨量桶下方。

6.根据权利要求1所述的光电计量式雨量计，其特征在于：除最后一个漏斗仓外，其余漏斗仓侧壁上均设有溢流口。

7.根据权利要求1或6所述的光电计量式雨量计，其特征在于：各溢流口高度相等。

8.根据权利要求6所述的光电计量式雨量计，其特征在于：除第一个漏斗仓外，其余漏斗仓侧壁上均设有与相邻漏斗仓溢流口相通的进水口。

9.根据权利要求1所述的光电计量式雨量计，其特征在于：所述开关位于浮子行进路线上。

10.根据权利要求1所述的光电计量式雨量计，其特征在于：所述开关为光电开关或磁性开关或接近开关。