CN107817538A - 一种小感量大量程翻斗式雨量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，包括出水漏嘴、两端有出水口的分水槽和一对翻斗组件；分水槽的轴设于出水漏嘴底部的中线上，翻斗组件依出水漏嘴的中线，对称的设置在分水槽底部。本发明的0.1mm感量雨量传感器，由两对单翻斗各配精确砝码组成支部件，用翻斗轴支承，背靠背地安装在支架上的宝石轴承支部中，可灵敏地转动。其结构简单，体积小，与承雨筒部件联成一体，用独杆支承安装，设计牢固基座，深埋地下。四周用钢丝绳拉紧，在8级台风下可正常工作，使用、维扩、修理方便，滴水检定简单方便、精度高；既可作为水文、气象部门常规降雨量基本资料，也可用于0.2、0.5mm，以及遥测，实时报汎，应用面广。

Description

一种小感量大量程翻斗式雨量传感器

技术领域

本发明涉及一种雨量传感器，具体涉及一种小感量大量程翻斗式雨量传感器。

背景技术

水是生命源泉。

水从天上降，为掌握降雨量时空分布，全球相关流域布设一定数量的水文、气象观测站网，统一用国际标准直径承雨口雨量仪器观测降雨量，其测量成果用于水利、水电建设，农业灌溉，民生用水，以及防汎、抗旱，对国民经济发展，科学研究具有重要意义，特别是当今天气异常，水、旱灾频频。

雨量器，是一种古老、简单、可靠的水文、气象站网基本测量降水的仪器。1914年，我国北京开始设站观测。这种仪器测量成果至今仍作为标准，用来校验其它型式的雨量观测仪器。缺点是人工观测，并需要有较长时段的降水总量。

1953年，上海气象仪器厂生产虹吸式日记雨量计，感量为0.1mm，是水文站、气象台常规降雨量资料。

上世纪50年代中期，发明感量为1.0mm双稳态翻斗式雨量传感器。80年代初，我国开始批量生产感量为0.1mm翻斗式雨量传感器。

21世纪，1.0mm感量雨量传感器作为水情测报***的雨量采集和发送的传感仪器，在全国各流域广泛推广。0.1、0.2、0.5、1.0mm系列化雨量器组成我国降水量基本观测仪器。

常见翻斗式雨量传器的结构为双稳态结构，其存在：

1、增量△W_中误差，双稳态翻斗式雨量传感器是利用翻斗部件左、右倾斜安装，一般为A＝11°～22°，其本身重量在垂直方向的分量：W_左、W_右作为砝码，用以计量对边右、左翻斗中承水的重量。当翻斗进水量达到预定重量W时，翻斗翻转、倒水，直至另一空翻斗进入出水漏斗的进水区。在这一段区域内，翻斗仍不停地进水，其增量△W_中随着雨强增大而增大。

这是目前双稳态翻斗式雨量传感器不可避免的计量误差，即器差，其量值随降雨强度增大而增大。

2、翻斗内表雨水沉附误差，为减少增量△W_中误差，设计翻斗安装角尽可能小，因此便产生翻斗中雨水倒不干净，加之盛水翻斗内表面糙度、不平度和水表面张力,雨水被吸附住，倒不干净；仪器在野外长期工作，随着时间的推移，金属翻斗表面氧化、油污、糙度差，尘土，细砂颗粒很容易沾附其上，因此，作为标准砝码的左、右翻斗其重量存在不确定性。

为解决上述增量△W_中误差，市场推出一种四层翻斗结构：接水翻斗、过渡翻斗、工作翻斗和计数翻斗。虽然能部分解决增量△W_中误差，但仍存在问题：

A、仪器结构复杂；

B、基点调整困难；

C、上、下翻斗翻转比例要求正确，调校困难，需要有一定经验和耐心；

D、调校需有雨量检定设备确定雨强，而测站缺少；

E、随着雨强变化，上、下翻斗岔开次数将发生变化，并产生上、下翻斗同步的翻转计量误差；

F、四层翻斗中残留水量造成较大误差；

G、测量精度与降雨强度不再是线性关系，用户不能掌握其规律，不便修正；

H、可靠性差；

I、仪器结构复杂在野外长期工作，斗内表灰尘等异杂沉附翻斗内，更为严重。

西方国家对降雨量测量精度的要求没有我国严格，均采用单层翻斗型式，结构简单，降雨测量精度与雨强呈线性关系，其分辨力大多为1mm、0.5mm，至少为0.25mm；0.1mm分辨力极少。测量误差一般为小于±5％，并且是在某一点雨强下进行检定，因此，国外翻斗式雨量传感器的计量精度不好比较，各国翻斗雨量传感器检定精度也不尽相同，甚至同—国家也是这样。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种小感量大量程翻斗式雨量传感器。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，包括出水漏嘴、两端有出水口的分水槽和一对翻斗组件；

所述分水槽的旋转轴设于出水漏嘴底部的中线上，

所述翻斗组件依出水漏嘴的中线，对称地设置在分水槽底部；

所述翻斗组件包括斗槽根部的翻斗轴、及通过平衡板接斗槽根部的平衡锤。

进一步的，上述平衡锤通过滑槽设在平衡板上。

进一步的，上述斗槽盛水断面内圆弧为R11mm，根部圆弧为R5mm，内表面糙度为0.6级，平衡锤的平衡雨水重量为3.14g。

上述分水槽的底部两端分别设有直角三角形顶板，尖角尺寸为高5mm×45°。

上述分水槽宽为12mm，长为20mm；出水口为45°锐角。

上述出水漏嘴包括锥形杯、及底部的出水管；所述锥形杯的锥角为60°，容量为20ml，出水管的截面为2mm×10mm的长方形。

上述斗槽底部设有定位杆，固定斗槽翻转角度为60°。

上述分水槽设有磁传感器，包括槽壁上沿的磁钢及匹配的安装于支架上的干簧管磁开关。

上述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，置于独杆顶部的框架内，承雨器设在出水漏嘴的顶部；框架外设有固定拉绳。

上述独杆的顶部开口，内部中空，且外壁设有水位刻度标。

本发明的有益之处在于：

本发明的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，具有以下优点：

a)翻斗部件结构，改变常规双稳态翻斗部件结构，采用单翻斗配标准砝码组成翻斗组件，一对翻斗组件对称安装，组合成翻斗计量部件。符合仪表静态检定原则：标准输入量，即标准砝码为恒稳不变的常量。

b)翻斗材质，选用聚碳酸脂PC塑料，重量轻，性能优良，热变形温度为132～143℃，抗冲击强度为9996N/cm²，具有良好的抗大气自然老化性能，特别适宜用于野外恶劣环境中的水文仪器。

c)翻斗盛水底部设计为大圆弧，没有拐角，从而可尽量减少雨水残留。

d)翻斗部件倒水翻转角度为60度，底部的定位杆对倒水的翻斗产生震动，使每斗水基本上都能倒干净。

e)翻斗部件支承，采用不锈钢轴，两端为配通孔宝石轴承，配合面光洁度达到仪表一级精度。

本发明的0.1mm感量雨量传感器，既可作为水文、气象部门常规降雨量基本资料，也可用于0.2、0.5mm，以及遥测，实时报汎，应用面广，精度高。其结构相比目前广泛使用的四层结构简单、可靠，使用、调试、维护等方便，具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器的结构示意图。

图2为本发明的分水状态的结构示意图。

图3为本发明的分水槽的结构示意图。

图4为本发明的外部安装示意图。

附图中标记的含义如下：

1、出水漏嘴，2、分水槽，3、斗槽，4、翻斗轴，5、平衡锤，6、平衡板，7、定位杆，8、锥形杯，9、出水管，10、顶板，11、出水口，12、磁钢，13、干簧管磁开关，14、独杆，15、钢丝绳，16、框架，17、承雨器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，包括出水漏嘴、两端有出水口的分水槽和一对翻斗组件；分水槽的旋转轴设于出水漏嘴底部的中线上，翻斗组件依出水漏嘴的中线，对称地设置在分水槽底部。

翻斗组件包括斗槽根部的翻斗轴、及接斗槽根部的平衡板，平衡锤通过滑槽设在平衡板上。斗槽底部设有定位杆，固定斗槽翻转角度为60°。

斗槽采用PC工程塑料注塑成型，并经110℃时效处理，斗槽盛水断面内圆弧为R11mm，根部圆弧为R5mm，内表面糙度为0.6级，平衡锤的平衡雨水重量为3.14g。

翻斗轴尺寸为ф2^+0.02mm×38mm，其两端ф0.7_-0.02mm安装在支架上宝石轴座部件的宝石孔中，工作间隙为0.03～0.06mm。

分水槽宽为12^+0.20mm，长为20mm；出水口为45°±1°锐角，光滑无毛刺。

分水槽的底部两端分别设有直角三角顶板，尖角尺寸为高5mm×45°。

平衡轴尺寸为平衡轴两端为安装在支架上宝石轴座部件的宝石孔中，平衡轴的轴向工作间隙为0.03～0.06mm。

出水漏嘴的锥形杯的锥角为60°，容量为20ml，锥形杯底部的出水管的截面为2^{+ 0.10}mm×10^+0.20mm的长方形。

分水槽设有磁传感器，包括槽壁上沿的磁钢及匹配的安装于支架上的干簧管磁开关。

检测鉴定：

新产品鉴定，检定雨强范围为：0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mm/min，标准为平均误差不大于1.5％。

产品出厂检定，按国标GB/T 21979.2-2014《翻斗式雨量传感器》规程进行检定。雨强范围为，0.5、2.0、4.0mm/min，标准为平均误差不大于2％。

使用前，需进行校验，使用10ml医用注射器缓慢地向斗槽注水，并用容器承接出水，在0.01g感量的天秤进行校验，两翻斗分别进行。

经过校验的两翻斗须在国家雨量标准测试台，按国标GB/T 21979.2-2014《翻斗式雨量传感器》规程进行检定。

本发明的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，通过独杆固定安装，独杆上方设有ZL203铝合制成的框架，与上方的承雨器固定一体。承雨器为国际标准承水口。框架内安装有：出水漏嘴、分水槽和翻斗组件。框架用钢丝绳和法兰螺栓拉紧，可在较大风条件下正常工作，并确保测量精度。承雨器的承雨筒、锥底表面涂有纳米材料，当在毛毛细雨中工作时，可减少雨量粘附损失。

锥形杯承接承雨器漏嘴流下的雨水，引流至分水槽中。

分水槽承接雨水，通过出水口将雨水引流至相应的斗槽。

分水槽向左倾斜时，从出水漏嘴流下的雨水直达左斗槽，直到翻斗进水重量G_左≥平衡锤W_左重量时，天平失去平衡，左斗槽翻转60度，底部与定位杆碰撞并产生震动，结合斗槽内的大圆弧，斗槽内的雨水基本上都能倒入接水筒，再从其下面出水口流入底部的标准盛水容器。

翻斗斗槽内的雨水倾倒完，受平衡锤重力平衡翻斗上翻，翻转的同时，其上三角顶板将分水槽往上顶，使其向右倾斜，右边出水口对准右斗槽，雨水即往下流入右斗槽，直到翻斗进水重量G_右≥W_右平衡锤重量时，斗槽再次翻转，将雨水倒进接水筒。

随着雨水不停地进入，分水槽部件不停地改变方向、输水，正常下作的频率可达每秒一次，相当于雨强R＝6mm/min。如此不断地随着雨水不停地输入，分水槽的左、右槽口不停地改变方向，将雨水分给左、右斗槽。经历一定时段后，降水停止。对底部的标准盛水容器的降水总量进行核对。

分水槽槽壁上沿中间安装磁钢，在靠磁钢的支架上，安装干簧管磁开关，分水槽每次翻转改变角度，干簧管磁开关即输出一个脉冲信号。可作为YCZ-2A型自报式遥测终端机的传感器。

根据需要，可把信号处理为，0.1、0.2、0.5、2.0mm感量。

本发明的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，精度可达到国标GB11832《翻斗式雨量计》检定要求。测量雨强范围：最小雨强为0.05mm/min微雨；最大雨强为5mm/min暴雨。信号输出为电脉信号，感量为每斗0.1mm，根据需要可以输出每斗感量：0.1、0.2、0.5、1.0mm。

1、检定成果分析：

a)本发明的小感量大量程翻斗式雨量传感器室内标准测试台检定成果，见附表1。

表1 0.1mm翻斗式雨量传感器滴水检定中每斗称水误差统计表

由表1可见，检测雨强(mm/min)为：0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0；

误差(％)：

左斗为，0.84、0.36、0.52、0.44、0.92、0.91，平均为0.80；

右斗为，0.78、1.14、1.26、0.42、1.49、1.41，平均为1.08；

总平均为0.94％。

b)现常规，统计54架传统的双稳态结构0.1mm雨量传感器滴水检成果，见附表2。

表2常规双稳态翻斗式雨量传感器批量检定误差统计表 单位：％

由表2可见，检测雨强(mm/min):0.5、2.0、4.0；

0.1mm翻斗式雨量传感器检定误差(％)：

平均为，6.4、0.2、-4.6；

最大为：9.0、0.5、-8.1；

最小为：2.0、0.0、-2.2。

注：最大、最小，是在54架仪器检定中挑选的，并非一架仪器。

2、检定成果线性度

a)本发明的小感量大量程翻斗式雨量传感器，室内标准测试台检定成果精度与雨强关系线性度：最大雨强：R_MAX＝5.0mm与最小雨强：R_MIN＝0.5mm检定成果精度之差。左斗：0.91％-0.84％＝0.07％；右斗：1.41％-0.78％＝0.63％。平均为：0.35％。线性度好，批量生产检定只要优选一个雨强检定，确保检定精度，效率大幅度提高。

b)现常规，54架传统的双稳态结构0.1mm雨量传感器滴水检成果：以雨强R＝2mm/min为基准，最优检定成果为，0.0％，其误差限为，8.4-(-4.6)＝13％。

可见，单点检定，现常规检定成果误差大；本发明检定成果误差小。

3、一个雨强检定精度

检定一个雨强是国际上雨量传感器检定发展必然趋势。

a)国际，统计6个国家，12种翻斗式雨量传感器，全部都是按一个雨强检定。雨强(mm/min)有0.21，0.6，1.27，1.67这四种，最后一种雨强由用户根据当地最大降雨资料确认选取；检定精度为，0.5％～6.0％。

b)本发明的雨量传感器工作原理正确、结构性能好，检定精度与雨强关系线性度好，只要优选一速度级检定，便有很好的代表性，达到最佳检定精度。

c)我国传统的翻斗式雨量传感器如上分析，检定成果精度与雨强关系线性度差，选择基点为，R＝2mm/min，误差大，如表3所示。我国最大小时降雨量为上海，2008年8月25日，***雨，雨强R＝117mm/h，即R＝1.95mm/min。

表3 JDZ01-1A雨量计批量检定以2.0mm/min雨强为基准检定最大误差统计表单位：％

注：2008年8月25日，我国最大雨强：上海R＝1.95mm/min。基点选择错误。

由表3可见，我国北方降雨量小，因此，滴水检定雨强选R＝2.0mm/min是错误的。

4、使用量程

根据国家标准：雨量传感器的精度为雨强0.2～4.0mm/min，误差+/－4％。

0.5、1.0mm感量的雨量感器可以达到，但误差较大。0.1、0.2mm感量的雨量传感器则达不到要求。本发明可达到，且精度高：小于1％。

5、计量检定

空腔独杆内置具有刻度的有机玻璃管，可直接观测降雨量，并校验翻斗计量精度。观测校验后，打开底部阀门将水排空。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，包括出水漏嘴、两端有出水口的分水槽和一对翻斗组件；

所述分水槽的旋转轴设于出水漏嘴底部的中线上，

所述翻斗组件依出水漏嘴的中线，对称地设置在分水槽底部；

所述翻斗组件包括斗槽根部的翻斗轴、及通过平衡板接斗槽根部的平衡锤。

2.根据权利要求1所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，所述平衡锤通过滑槽设在平衡板上。

3.根据权利要求1所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，所述斗槽盛水断面内圆弧为R11mm，根部圆弧为R5mm，内表面糙度为0.6级，平衡锤的平衡水重量为3.14g。

4.根据权利要求1所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，所述分水槽的底部两端分别设有直三角形顶板，尖角尺寸为高5mm×45°。

5.根据权利要求1所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，所述分水槽宽为12mm，长为20mm；出水口为45°锐角。

6.根据权利要求1所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，所述出水漏嘴包括锥形杯、及底部的出水管；所述锥形杯的锥角为60°，容量为20ml，出水管的截面为2mm×10mm的长方形。

7.根据权利要求1所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，所述斗槽底部设有定位杆，固定斗槽翻转角度为60°。

8.根据权利要求1所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，所述分水槽设有磁传感器，包括槽壁上沿的磁钢及匹配的安装于支架上的干簧管磁开关。

9.根据权利要求1所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，置于独杆顶部的框架内，承雨器设在出水漏嘴的顶部；框架外设有固定拉绳。

10.根据权利要求9所述的一种小感量大量程翻斗式雨量传感器，其特征在于，所述独杆的顶部开口，内部中空，且外壁设有水位刻度标。