CN110187414A

CN110187414A - 一种翻斗雨量计测量误差检测装置及方法

Info

Publication number: CN110187414A
Application number: CN201910499442.8A
Authority: CN
Inventors: 舒大兴
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2019-08-30

Abstract

本发明公开了水文和气象测量器具技术领域的一种翻斗雨量计测量误差检测装置及方法，旨在解决现有技术中雨量计测量误差检测结果不够精确的技术问题。所述装置包括底盘和位于底盘上方的储水桶，底盘上设有量水杯和控制器，量水杯内设有水位仪；量水杯通过给水管与储水桶连通，通过排水管与雨量计连通，给水管上设有电动阀门，排水管上设有水泵；控制器通过线缆分别与水位仪、电动阀门、水泵连接，通过雨量线连接至雨量计的干簧管；控制器通过水位仪测量获取量水杯内水位、计量获取量水杯出入水量，通过电动阀门控制储水桶向量水杯中补水，通过水泵控制从量水杯向雨量计中排水，通过雨量线计量获取雨量计的翻斗数。

Description

一种翻斗雨量计测量误差检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种翻斗雨量计测量误差检测装置及方法，属于水文和气象测量器具技术领域。

背景技术

大气降水测量是地球水循环监测的重要环节，是水资源利用的重要组成部分，也是气候变化、地质灾害、洪水灾害预警和环境评估等多方面的重要影响因素，业内学者寻求多种方法对降雨量进行精确计量。

为提高翻斗雨量计的测量精度，每年汛前汛后两次检定翻斗雨量计的准确性。野外检定翻斗雨量计精度，采用人工给水检定法，用水文气象上专用的10mm标准量筒量取314ml清水，模拟0.5mm/min、2mm/min和4mm/min的雨强，均匀地从漏斗注入翻斗。由于人工操作无法保证注入时的稳定流量以模拟雨强，翻斗中余留水量更是无法估算，因此检定精度无法保证。

针对雨量计检定工作，水文气象工程师做了很多有益探讨，研究了一些仪器和方法，但仍存在两个方面的不足：一个方面，基于标准球控制注水总量，最后未翻转斗内余留水量无法估算，可导致很大误差，如检定0.5mm雨量计，10mm模拟降雨量，应该翻转20斗，则可能产生5%的误差，超过雨量计规定的误差；另一方面，采用自由泄流方式或泵机抽水，因水位差变化，导致排水流量不稳定，实际模拟雨强与设定模拟雨强之间的误差可达10%。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种翻斗雨量计测量误差检测装置，包括底盘和位于底盘上方的储水桶，底盘上设有量水杯和控制器，量水杯内设有水位仪；

量水杯通过给水管与储水桶连通，通过排水管与雨量计连通，给水管上设有电动阀门，排水管上设有水泵；

控制器通过线缆分别与水位仪、电动阀门、水泵连接，通过雨量线连接至雨量计的干簧管；

控制器通过水位仪测量获取量水杯内水位、计量获取量水杯出入水量，通过电动阀门控制储水桶向量水杯中补水，通过水泵控制量水杯向雨量计中排水，通过雨量线计量获取雨量计的翻斗数。

进一步地，储水桶与给水管连通处设有过滤网。

进一步地，底盘上还设有用于向控制器、水位仪、电动阀门和水泵供电的电源，所述电源包括锂电池。

为达到上述目的，本发明还提供了一种翻斗雨量计测量误差检测方法，包括如下步骤：

预设装置参数，所述参数包括翻斗容积、模拟雨强、转换系数、模拟水量及其对应的降雨量；

储水桶向量水杯中补水至最高水位，测量获取量水杯最高水位值；

量水杯向雨量计中排水，直至排水量达到模拟水量，翻斗雨量计再翻一斗，计量获取雨量计累计翻斗数，测量获取量水杯最终水位值；

根据预设的参数，以及量水杯最高水位值、量水杯最终水位值、雨量计累计翻斗数，计算获取翻斗雨量计在预设模拟雨强下的测量误差。

进一步地，测量获取量水杯最高水位值或／和最终水位值，还包括：静待第一预设时段后再行测量，所述第一预设时段的取值范围是8至10秒。

进一步地，量水杯向雨量计中排水，直至排水量达到模拟水量，还包括：

每间隔第二预设时段，测量获取量水杯水位值，所述第二预设时段的取值范围是8至10秒；

根据相邻两次测量获取的量水杯水位值，计算获取量水杯水位下降速度；

根据量水杯水位下降速度，计算获取实测模拟雨强；

以实测模拟雨强与预设模拟雨强之间差值最小为目标，调整水泵的转速以改变量水杯向雨量计中排水的速度。

进一步地，所述翻斗容积包括0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm中的任一项；所述模拟雨强包括检大雨强、检中雨强、检小雨强中的任一项，检大雨强包括4.0mm/min，检中雨强包括2.0mm/min，检小雨强包括0.5mm/min；所述模拟水量包括314ml或471ml，314ml模拟水量对应的降雨量为10mm，471ml模拟水量对应的降雨量为15mm；所述转换系数的精度不低于0.001ML/mm。

进一步地，转换系数的获取，包括如下步骤：

量水杯补水至最高水位，测量获取量水杯最高水位值；

量水杯排水至中水位，测量获取量水杯中水位值和量水杯过程排水量；

量水杯继续排水至低水位，测量获取量水杯低水位值和量水杯总排水量；

根据量水杯最高水位值、量水杯中水位值、量水杯低水位值、量水杯过程排水量、量水杯总排水量，计算获取转换系数。

进一步地，转换系数包括如下运算公式：

B＝Y2／（Z0－Z2），且C＝|A－B|／B＜0.001，其中A＝Y1／（Z0－Z1），

式中，B为转换系数，Z0为量水杯最高水位值，Z1为量水杯中水位值，Z2为量水杯低水位值，Y1为量水杯过程排水量，Y2为量水杯总排水量，A为量水杯上半部转换系数，C为量水杯上半部内径与下半部内径的差异系数。

进一步地，测量误差包括如下运算公式：

δ＝（W2－W1）÷W1×100%，

W1＝（Z0－ZN）×B，

W2＝D1×E；

式中，δ为测量误差，W1为从量水杯向雨量计中排水总量，W2为雨量计测量值，Z0为量水杯最高水位值，ZN为量水杯最终水位值，B为转换系数，D1为雨量计累计翻斗数，E为翻斗容积。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：采用排水量法检测，消除了现有技术中存在的两个方面误差，有效提高了检测精度；自动完成注水、排水、调整雨强、计量翻斗数和误差计算，并按大中小三种模拟雨强对翻斗雨量计进行检定，无需人工介入，具有功能适应性强、自动化程度高的优点；由于分别累计左右翻斗注水时间，将注水时间之比显示在屏幕上，据此分析左右翻斗的容积差异，便于检修人员调整翻斗容积时参考。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的一种翻斗雨量计测量误差检测装置结构示意图。

图中：1、储水桶；2、过滤网；3、水位仪；4、排水管；5、量水杯；6、磁浮子；7、水泵；8、三通管；9、线缆；10、控制器；11、雨量线；12、锂电池；13、底盘；14、给水管；15、电动阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，是本发明具体实施方式提供的一种翻斗雨量计测量误差检测装置结构示意图，所述装置为智能控制模拟雨量滴定仪，包括底盘13和位于底盘13上方的储水桶1，储水桶1出水口处设有过滤网2，以滤除出水中的杂质，提高出水纯净度，进而有利于提高滴定仪的工作精度；底盘13上设有量水杯5、控制器10和锂电池12，量水杯5内设有水位仪3，水位仪3的测量杆***磁浮子6的中心孔内，以感知量水杯5的水位，并用于计量其进水量和出水量；量水杯5底部的进出水口通过三通管8的一个端口连通给水管14，给水管14再经电动阀门15连通至储水桶1；三通管8的另一个端口连通至水泵7进口，水泵7出口与排水管4连通，排水管4与雨量计连通，从而能够将稳定的模拟雨量注入至待检测的雨量计中；锂电池12与控制器10连接，水位仪3、电动阀门15和水泵7的电源线和控制线均由线缆9连接到控制器10上，从而实现由对锂电池12对控制器10、水位仪3、电动阀门15和水泵7供电，由控制器10对水位仪3、电动阀门15和水泵7实施自动控制；控制器10还通过雨量线11接到雨量计的干簧管上，以检测干簧管的通断信号从而计量翻斗数。控制器10根据预设程序，通过水位仪3测量获取量水杯5内水位，通过电动阀门15控制储水桶1向量水杯5中补水，通过水泵7控制量水杯5向雨量计中排水，通过雨量线11计量获取雨量计的翻斗数。

本发明具体实施方式还提供了一种翻斗雨量计测量误差检测方法，所述方法采用本发明具体实施方式提供的智能控制模拟雨量滴定仪进行检测，具体如下：

采用智能控制模拟雨量滴定仪进行检测前，需预设如下参数：

（a）模拟雨量和水量之间的转换系数，具体步骤为：

将水加到量水杯5允许最高水位，水位仪3测量获取量水杯最高水位值Z0（单位：mm）；

量水杯5快速排水至中水位，水位仪3测量获取量水杯中水位值Z1（单位：mm），采用万分之一测量精度的天平称量由水位仪3排出的水量，也称量水杯过程排水量为Y1（单位：ml）；

量水杯5继续排水至低水位，水位仪3测量获取量水杯低水位值Z2（单位：mm），采用万分之一测量精度的天平称量由水位仪3排出的总水量，也称量水杯总排水量Y2（单位：ml）；

设定量水杯上半部转换系数A＝Y1/（Z0－Z1）（单位：ml/mm)，量水杯全量程转换系数B＝Y2／（Z0－Z2）（单位：ml/mm)；

另外，C＝|A－B|／B，C的大小反映量水杯5上半部和下半部内径的差异，小于0.1%为合格，差异越小越好，取B为转换系数。

（b）参数设置菜单

包括翻斗容积、模拟雨强、转换系数、模拟水量及其对应的降雨量，其中模拟雨强包括检大雨强、检中雨强、检小雨强，具体参数如下：

①翻斗容积：待检测翻斗雨量计的翻斗分辨率，包括0.1/0.2/0.5/1.0（单位：mm）；

②检大雨强：滴定时使用的大雨强，一般为4.0（单位：mm/min）；

③检中雨强：滴定时使用的中雨强，一般为2.0（单位：mm/min）；

④检小雨强：滴定时使用的小雨强，一般为0.5（单位：mm/min）；

⑤模拟水量：规范规定模拟水量为314ml（对应降雨量为10mm/min），有的单位有自行规定，用471ml（对应降雨量为15mm/min）；

⑥转换系数：即量水杯5水位每升高1mm所对应增加水量的体积，精确到0.001ML/mm。

本实施例中，翻斗容积设为0.1 mm，模拟雨强设为检小雨强，模拟水量设为314ml；参数设置完成后，按如下步骤进行检测：

步骤一，人工将储水桶1装水后放置在翻斗雨量计旁边，将排水管4放到雨量计的漏斗上，将雨量计的信号线接到控制器10的接线柱上，打开控制器10上的电源开关，按键选择雨量计的实际分辨率F，按开始键开始检测，接下来步骤，均在控制器10操控下自动完成。

步骤二，打开电动阀门15，储水桶1向量水杯5中补水，水位升高，磁浮子6上升，水位仪3实时测量量水杯5中水位，水位将满时，关闭电动阀门15静待10秒后，此时水位相对稳定，以利于水位仪3精确测量获取量水杯最高水位值Z0，测量获取量水杯最高水位值之前静待时间的取值范围一般设为8至10秒。

步骤三，打开水泵7，控制器10控制水泵7的PWM调速线，使水泵7按预设的模拟雨强向雨量计中排水，同时计量获取雨量计累计翻斗数D1；检测过程中，量水杯5水位逐渐下降，每10秒统计一次量水杯5中水位，根据相邻两次测量获取的量水杯5水位值，计算获取量水杯5水位下降速度，即排水流量Q1；再根据Q1计算获取实测模拟雨强Q，具体步骤如下：

首先，计算获取由量水杯5向雨量计的排水流量Q1（单位：ml/s），即：

Q1＝( Z_I－Z_I+1)×B／10，

式中，Z_I和Z_I+1为相邻两次测量获取的量水杯5水位值，10为相邻两次测量间隔时间，其取值范围一般设为8至10秒；

然后，由于雨量计的承雨器口面截面积为314cm²，将Q1转换为其对应的实测模拟雨强Q（单位：mm/min），即：

Q＝ Q1÷31.4×60；

最后，比较实测模拟雨强Q与预设的模拟雨强，本实施例中，预设的模拟雨强即检小雨强，以实测模拟雨强与预设模拟雨强之间差值最小为目标，调整水泵7的PWM以控制出水速度；

检测过程中分别累计左右翻斗的注水时间，据此分析左右翻斗的容积是否基本相等。

步骤四，量水杯5向雨量计中排水量大于预设的模拟水量时，雨量计再翻1斗，立即关闭水泵7停止排水，静待10秒后，此时水位相对稳定，以利于水位仪3精确测量获取量水杯最终水位值ZN，测量获取量水杯最终水位值之前静待时间的取值范围一般设为8至10秒；

根据预设参数，以及量水杯最高水位值、量水杯最终水位值、雨量计累计翻斗数，计算获取翻斗雨量计在预设模拟雨强下的测量误差，具体如下：

首先，计算获取量水杯5向雨量计中排水总量W1（单位：ml），即：

W1＝（Z0－ZN）×B；

然后，计算获取雨量计测量值W2（单位：ml），即：

W2＝D1×E，

式中，E为翻斗容积（单位：ml）；

最后，计算获取雨量计本次测量误差δ，即：

δ＝（W2－W1）÷W1×100%，

保存本次的检测结果。

步骤五，重复步骤二至步骤四，检测另外两种模拟雨强；三个模拟雨强均检测完毕后，智能控制模拟雨量滴定仪的显示屏上显示如表1所示。

表1：

雨强（mm/min）	计数(斗)	用水量（ml）	误差
				0.5	104	315.82	+3.4%
2.0	101	314.62	0.8%
				4.0	97	316.28	-3.7%

步骤六，检测人员查看结果，根据误差大小调整翻斗大小，重复步骤二至步骤五，直至精度满足规范要求，检测完毕，关闭电源。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种翻斗雨量计测量误差检测装置，其特征是，包括底盘（13）和位于底盘（13）上方的储水桶（1），底盘（13）上设有量水杯（5）和控制器（10），量水杯（5）内设有水位仪（3）；

量水杯（5）通过给水管（14）与储水桶（1）连通，通过排水管（4）与雨量计连通，给水管（14）上设有电动阀门（15），排水管（4）上设有水泵（7）；

控制器（10）通过线缆（9）分别与水位仪（3）、电动阀门（15）、水泵（7）连接，通过雨量线（11）连接至雨量计的干簧管；

控制器（10）通过水位仪（3）测量获取量水杯（5）内水位、计量获取量水杯（5）出入水量，通过电动阀门（15）控制储水桶（1）向量水杯（5）中补水，通过水泵（7）控制量水杯（5）向雨量计中排水，通过雨量线（11）计量获取雨量计的翻斗数。

2.根据权利要求1所述的翻斗雨量计测量误差检测装置，其特征是，储水桶（1）与给水管（14）连通处设有过滤网（2）。

3.根据权利要求1或2所述的翻斗雨量计测量误差检测装置，其特征是，底盘（13）上还设有用于向控制器（10）、水位仪（3）、电动阀门（15）和水泵（7）供电的电源，所述电源包括锂电池（12）。

4.一种翻斗雨量计测量误差检测方法，其特征是，采用权利要求1至3中任一项所述装置进行检测，所述方法包括如下步骤：

储水桶（1）向量水杯（5）中补水至最高水位，测量获取量水杯最高水位值；

量水杯（5）向雨量计中排水，直至排水量达到模拟水量，翻斗雨量计再翻一斗，计量获取雨量计累计翻斗数，测量获取量水杯最终水位值；

5.根据权利要求4所述的翻斗雨量计测量误差检测方法，其特征是，测量获取量水杯最高水位值或／和最终水位值，还包括：静待第一预设时段后再行测量，所述第一预设时段的取值范围是8至10秒。

6.根据权利要求4所述的翻斗雨量计测量误差检测方法，其特征是，量水杯（5）向雨量计中排水，直至排水量达到模拟水量，还包括：

每间隔第二预设时段，测量获取量水杯（5）水位值，所述第二预设时段的取值范围是8至10秒；

根据相邻两次测量获取的量水杯（5）水位值，计算获取量水杯（5）水位下降速度；

根据量水杯（5）水位下降速度，计算获取实测模拟雨强；

以实测模拟雨强与预设模拟雨强之间差值最小为目标，调整水泵（7）的转速以改变量水杯（5）向雨量计中排水的速度。

7.根据权利要求4所述的翻斗雨量计测量误差检测方法，其特征是，所述翻斗容积包括0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm中的任一项；所述模拟雨强包括检大雨强、检中雨强、检小雨强中的任一项，检大雨强包括4.0mm/min，检中雨强包括2.0mm/min，检小雨强包括0.5mm/min；所述模拟水量包括314ml或471ml，314ml模拟水量对应的降雨量为10mm，471ml模拟水量对应的降雨量为15mm；所述转换系数的精度不低于0.001ML/mm。

8.根据权利要求4所述的翻斗雨量计测量误差检测方法，其特征是，转换系数的获取，包括如下步骤：

量水杯（5）补水至最高水位，测量获取量水杯最高水位值；

量水杯（5）排水至中水位，测量获取量水杯中水位值和量水杯过程排水量；

量水杯（5）继续排水至低水位，测量获取量水杯低水位值和量水杯总排水量；

9.根据权利要求8所述的翻斗雨量计测量误差检测方法，其特征是，转换系数包括如下运算公式：

B＝Y2／（Z0－Z2），且C＝（|A－B|／B）＜0.001，

其中，A＝Y1／（Z0－Z1）；

10.根据权利要求4至9中任一项所述的翻斗雨量计测量误差检测方法，其特征是，测量误差包括如下运算公式：

δ＝（W2－W1）÷W1×100%，

W1＝（Z0－ZN）×B，

W2＝D1×E；

式中，δ为测量误差，W1为从量水杯（5）向雨量计中排水总量，W2为雨量计测量值，Z0为量水杯最高水位值，ZN为量水杯最终水位值，B为转换系数，D1为雨量计累计翻斗数，E为翻斗容积。