专利名称：一种超声波式自校准高精度雨量计的制作方法
技术领域：
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本发明涉及一种用于小雨、中雨、大雨、暴雨降雨量测量的超声波式自校准高精度雨量计及其测量方法。
背景技术：
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现有技术中，雨量测量主要有翻斗式与虹吸式。翻斗式结构简单，但精度受雨强大小影响较大，大雨或暴雨时，误差较大；且其机械传动结构影响其寿命，需要定期维护。虹吸式有一定精度，但主要应用于现场读数，不利于数据远程传输；结构过于复杂不利于安装、维护；无损失降雨观测量程小。同时，雨量测量主要有以下两大特点
精度要求高。按国家降雨量规范要求，雨量测量应每分钟上报一次，即雨强每分钟的降雨量。精度不高，会造成年、月、日累计雨量相当大的误差。误差太大，将失去雨量测量的意义。 工作环境恶劣山区、库区等重要地区主要为野外环境。因此对于雨量测量设备有以下需求 精度高
安装方便，用户便于使用
人工干预少，数据能远程传输，自动化程序高
抗干扰能力强，适应野外工作环境
性能稳定，无故障不间断工作时间长，维护少
无损失降雨观测量程大。根据雨量测量的实际情况，当前主要的两种雨量测量方式均不能满足雨量测量的要求。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供一种精度高、性能稳定、抗干扰能力强、结构简单、安装方便、低功耗的超声波式自校准高精度雨量计及其测量方法。为实现上述目的，本发明的一个方案是提供一种超声波式自校准高精度雨量计，包括雨量桶，关键是还包括超声波换能器、校正量具、排水系统和控制器，校正量具设于雨量桶内，换能器置于雨量桶内的底部，校正量具的下方，排水系统包含控制排水的阔门，设于雨量桶的底部。
上述控制器包含微处理器CPU、发射输出电路、接收输入电路、数据存储电路、阀门驱动电路和电源电路，微处理器CPU经阀门驱动电路驱动阀门工作，微处理器CPU通过发射输出电路激励换能器发射超声波，超声波垂直传播至校正量具表面反射并被换能器接收转化成电信号，再经接收输入电路输入微处理器CPU进行数据处理，超声波垂直传播至雨量桶聚集的雨水表面反射并被换能器接收转化成电信号，再经接收输入电路输入微处理器CPU进行数据处理，微处理器CPU经数据存储电路存储数据，电源电路向各部分电路提供所需的电源。
在一种实施方式中，上述超声波换能器设有二个， 一个为校正用换能器，置于校正量具的正下方，校正换能器发射超声波至校正量具表面，并接收反射回来的超声波，另一个为测量用换能器，和校正换能器发射频率相同，处于同一水平面，偏离校正量具，测量换能器发射超声波至雨量桶聚集的雨水表面，并接收反射回来的超声波。所述校正量具可以为完全反射校正换能器发射超声波的宽不锈钢板。
在另一种实施方式中，上述超声波换能器设有一个，该换能器发射的超声波，一部分至校正量具表面反射，并被换能器接收，另一部分穿过校正量具，至雨量桶聚集的雨水表面反射，并被换能器接收。所述校正量具可以为部分反射换能器发射超声波的窄不锈钢板。
作为本发明的改进，还包括清洗系统，清洗系统包含正对换能器的喷嘴和抽水至
喷嘴的水泵，控制器还包含水泵驱动电路，微处理器CPU经水泵驱动电路驱动水泵工
作。以便定时自动清洗超声波换能器表面的淤积物，并在排水时一并将淤积物排出雨量桶。 ■
通过微处理器CPU软件设计，可实现智能排水，当检测雨量桶内水位达到设定水
位后，在检测到没有降雨时，自动开动清洗系统同时开启阀门，将经过清洗的雨量桶内雨水及时排出桶外，便于下一次降雨检测。
还可以包括检测雨量桶内雨水温度的雨水温度传感器，设于雨量桶内的底部，控
制器还包含雨水温度检测电路，微处理器CPU通过雨水温度检测电路读取雨水温度传
感器的数值。还可以包括检测实时降雨雨温的降雨温度传感器，设于雨量桶的外部，控制器还包含降雨温度检测电路，微处理器CPU通过降雨温度检测电路读取降雨温度传感器的数值。设计专门检测雨量桶内雨水温度的雨水温度传感器和专门检测实时降雨雨温的降雨温度传感器，便于收集更多的降雨观测资料，便于信息融合。
上述控制器还包含通讯接口，微处理器CPU通过通讯接口和外部设备通信，比如和上位机通信，实现数据远程传输。
可见，本发明控制器起到协调、管理整个工作过程的作用。其微处理器CPU可实现超声波发射、接收、数据处理、数据存储、雨量测量、自动清洗、自动排水、通讯等的智能控制。
本发明的另一方案是提供一种超声波式自校准高精度雨量测量方法，它包含下列歩骤 '
确定超声波换能器发射超声波，到从校正量具返回，所经历的时间tl;
和所述换能器同一水平面、具有同一发射功率的同一或另一换能器发射超声波，到从雨量桶聚集的雨水表面返回，所经历的时间t2;再按照公式 ，
H二^h 其中h为换能器表面到校正量具的垂直距离，。
获取当前换能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距离H;
然后
比较当前换能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距离H和上一次换能
器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距离Hl，若当前垂直距离H大于上一次垂直距离Hl，
则按公式D=H-Hl 求出降雨量D;若当前垂直距离H不大于上一次垂直距离Hl，
则降雨量D二0。
本发明的超声波换能器用于产生与接收超声波信号，通过分别检测超声波至校正量具的发射一接受时间tl，超声波至雨量桶内聚集雨水表面的发射一接受时间t2，若校正量具的高度为h厘米，则雨水表面到底部的高度为H二hXt2/tl。可见，因校正量具的高度h固定不变，故雨量桶内雨水表面的高度仅与两个检测时间的精度有关，与其他温度、介质粘度、比重、气压等因素无关。
6由于本发明能精确测量雨量桶内雨水表面的高度，从而能精确测量降雨量。
图l(a)为本发明实施例一的结构示意图l(b)为本发明实施例二的结构示意图2(a)为本发明实施例一的控制器电路原理框图
图2(b)为本发明实施例二的控制器电路原理框图3为本发明实施例的电源电路原理图4为本发明实施例的数据存储电路原理图5为本发明实施例的通讯接口电路原理图6为本发明实施例的高压电路原理图7为本发明实施例的发射电路原理图8为本发明实施例的接收放大电路原理图9为本发明实施例的电压比较电路原理图IO为本发明实施例的光电耦合电路原理图11为本发明实施例的水泵驱动电路原理图12为本发明实施例的阀门驱动电路原理图13为本发明实施例的温度检测电路原理图14为本发明实施例的主程序流程图15为本发明实施例的雨量测量子程序流程图16为本发明实施例的水泵清洗子程序程序流程图17为本发明实施例的阀门排水子程序流程具体实施例方式
以下结合附图详细描述本发明的实施例。实施例一
如图l(a)所示，本发明实施例一，包括集雨器l、雨量桶2、校正用超声波换能器3、测量用超声波换能器4、校正量具5、控制器6、雨水温度传感器7、降雨温度传感器8、排水系统和清洗系统。校正量具5设于雨量桶2内，校正换能器3和测量换能器4发射频率相同，均置于雨量桶2内的底部，处于同一水平面，校正换能器3置于校正量具5的正下方，测量换能器4偏离校正量具5。校正量具5为完全反射校正换能器3发射超声波的宽不锈钢板，取宽25mm，长90mnu厚1.5mm。雨水温度传感器7设于雨量 桶2内的底部，用于检测雨量桶2内的雨水温度，降雨温度传感器8设于雨量桶2的外部， 用于检测实时降雨雨温。排水系统包含控制排水的阀门9，设于雨量桶2的底部，清洗 系统包含正对校正换能器3、测量换能器4的喷嘴10和抽水至喷嘴的水泵11。
如图2(a)所示，实施例一的控制器6包含微处理器CPU、接收输入电路、发射输 出电路、数据存储电路、水泵驱动电路、阀门驱动电路、雨水温度检测电路、降雨温 度检测电路、通讯接口和电源电路。接收输入电路包括依次串接的接收放大电路、检 波电路、电压比较电路、光电隔离电路和整形电路。发射输出电路包括光电隔离电路、 高压电路、第一路发射电路、第二路发射电路。光电隔离电路隔离数字电路和模拟电 路，微处理器CPU通过其P丽口经光电隔离电路控制高压电路产生高压，为第一路发射 电路和第二路发射电路提供高压，随后，微处理器CPU产生同步发射脉冲经光电隔离 电路控制第一路发射电路产生高压脉冲，激励校正换能器3发射超声波，超声波垂直 传播至校正量具5表面反射，并被校正换能器3接收转化成电信号，再经接收输入电路 输入微处理器CPU进行数据处理；同样，微处理器CPU产生同步发射脉冲经光电隔离电 路控制第二路发射电路产生高压脉冲，激励测量换能器4发射超声波，超声波垂直传 播至雨量桶2聚集的雨水表面反射，并被测量换能器4接收转化成电信号，再经接收输 入电路输入微处理器CPU进行数据处理。微处理器CPU经数据存储电路存储数据，存储 相应参数、温度、雨量以及雨量累计量等。微处理器CPU经水泵驱动电路驱动水泵ll 工作，控制清洗；经阀门驱动电路驱动阀门9工作，控制排水；经雨水温度检测电路 读取雨水温度传感器7的数值；经降雨温度检测电路读取降雨温度传感器8的数值；经 通讯接口和上位机通信。微处理器CPU检测雨量桶2内雨水的液位、温度以及上位机相 应命令，通过规定的控制方法测量雨量、控制阀门9、水泵11工作。电源电路向各部 分电路提供所需的电源。
控制器6激励超声波换能器发射超声波，超声波在空气与水的界面会发生反射， 反射回的超声波被超声波换能器接收转化为电信号，控制器6通过检测这些电信号可 得到超声波在水中经历的时间。通过式(l)，即可求得超声波换能器表面到雨量桶聚 集雨水表面的垂直距离，即液位。通过测量雨量筒2内的液位差，即可得到降雨量， 因此，对雨量的测量转化为对雨量筒2内液位的测量。
8<formula>formula see original document page 9</formula> 式(1)
式中c超声波在水中传播的速度
t超声波从发射到返回所经历的时间 s换能器表面到反射面的垂直距离 但由于超声波在水中传播的速度，并不是恒定不变的，会随着温度、大气压力、 粘度等参数的改变而改变。因此，要精确测量液位，就需要声速校正。
温度、大气压力、粘度等参数对声速的影响呈现非线性特性。本发明采用声学标 准校iH量具的方法，可一次校正温度、大气压力、粘度等参数的变化对声速的影响。 如图l(a)所示，校正换能器3发射的超声波，被校正量具5反射，校正量具5为 具有一定宽度的不锈钢板，取宽25mm,长卯mm,厚1.5mm，通过式(2)可得到校正换 能器3表面到校正量具5的垂直距离h。测量换能器4发射的超声波，被雨量桶2聚 集的雨水表面反射，通过式(3)可得到测量换能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的 垂直距离H。
<formula>formula see original document page 9</formula> 式(2)
式中Cl校正换能器3发射的超声波在雨量筒2内聚集雨水中传播的速度
h 校正换能器3表面到校正量具5的垂直距离 、超声波从发射到从校正量具5反射回，所经历的时间
<formula>formula see original document page 9</formula> 式(3)
式中c 测量换能器4发射的超声波在雨量筒2内聚集雨水中传播的速度 H测量换能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距离 t2超声波从发射到从雨量桶2聚集雨水表面反射回，所经历的时间 由式(2)、③可得式(4):
<formula>formula see original document page 9</formula>式(4)
由于在同一液体中，相同频率的超声波传播速度相同，因此只要保证校正换能 器3、测量换能器4的频率相同，即有c,= c2，校正换能器3、测量换能器4的频
率均取5M。因此兰=^ = 1
得H=^h 式(5)
对于实施例一，校正换能器3到校正量具5的垂直距离h为固定值，取50mm。 因此通过式(5)，测量出校正换能器3、测量换能器4发射出的超声波，从发射到返
回所经历的时间t,、 t2，即可求得测量换能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂
直距离H，即液位。
对于式(5)，液位的测量，只与tp t2、 h有关，而与声速无关。
因此，图l(a)所示的双换能器声学标准校正量具法可以完全校正温度、大气压 力、粘度等参数变化对声速的影响所带来的误差。 实施例 一 的雨量测量方法，包含下列步骤 确定校正换能器3发射超声波，到从校正量具5返回，所经历的时间tl;
测量换能器4发射超声波，到从雨量桶2聚集的雨水表面返回，所经历
的时间t2; 再按照公式
H=!lh 其中h为校正换能器3表面到校正量具5的垂直距离， 获取当前测量换能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距离H;
然后
比较当前测量换能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距离H和上 一次测量换能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距离Hl， 若当前垂直距离H大于上一次垂直距离Hl，
则按公式D=H-Hl 求出降雨量D; 若当前垂直距离H不大于上一次垂直距离Hl， 则降雨量D二O。
如图2(a)所示，微处理器CPU通过其P丽口控制高压电路，产生高压。随后微 处理器CPU产生同步发射脉冲控制第一路发射电路产生高压脉冲，激励校正换能器3发生超声波。超声波回波通过校正换能器3转化成电信号，通过接收放大电路、检波 电路、电压比较电路、光电隔离电路、整形电路，入进微处理器CPU，并被微处理器 CPU检测到。微处理器CPU从产生发射脉冲开始打开计时器，到回波信号进入微处理 器CPU关闭计时器，以获得超声波传输时间tl，以同样的方式获得测量换能器4产 生的超声波传输时间t2。
可见，实施例一通过集雨器1将雨水集于雨量筒2内，微处理器CPU控制校正 换能器3发射超声波并获得超声波传输时间tl，控制测量换能器4发射超声波并获 得超声波传输时间t2，即可获取测量换能器4表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直 距离H，测量雨量筒2内液位差，即可得到降雨量D。
实施例二
如图l(b)所示，本发明实施例二和实施例一的不同之处是仅使用一个超声波换 能器3,校正量具5相对实施例一，要窄一些，为部分反射换能器3发射超声波的窄 不锈钢板，取宽5mm，长90mm，厚1.5mm，该换能器3发射的超声波， 一部分至 校正量具5表面反射，并被换能器3接收，另一部分穿过校正量具5，至雨量桶2聚 集的雨水表面反射，并被换能器3接收。相应地，如图2(b)所示，实施例二的控制 器6中发射输出电路包括光电隔离电路、高压电路、发射电路，就只有一路发射电路。
实施例二的其余结构和实施例一相同，此处不多描述。
如图l(b)所示，超声波换能器3发射的超声波， 一部分被校正量具5表面反射， 一部分穿过校正量具5，被雨量桶2聚集的雨水表面反射。设被校正量具5反射的超
声波传输时间为t,,被雨量桶2聚集雨水表面反射的超声波传输时间为t2 。
通过式(4)有'
由于被校正量具5反射回的超声波与被雨水表面反射回的超声波，均是同一换 能器3产生的一次超声波中的两部分，因此频率相同，即声速也相同。。
所以图l(b)中采用的单换能器声学标准校正量具法同样能校正温度、大气压力、 粘度等参数变化对声速的影响，以达到精确测量的目的。
实施例二的雨量测量方法，包含下列步骤确定超声波换能器3发射超声波，到从校正量具5返回，所经历的时间tl;
到从雨量桶2聚集的雨水表面返回，所经历的时间t2; 再按照公式
H=^h 其中h为换能器3表面到校正量具5的垂直距离， 八
获取当前换能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距离H;
然后
比较当前换能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距离H和上一次 换能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂直距离Hl， 若当前垂直距离H大于上一次垂直距离Hl，
则按公式D=H-Hl 求出降雨量D; 若当前垂直距离H不大于上一次垂直距离Hl， 则降雨量D二0。
如图2(b)所示，微处理器CPU通过其P丽口控制高压电路，产生高压，随后微 处理器CPU产生同步发射脉冲控制发射电路产生高压脉冲，激励换能器3发生超声波。 超声波回波通过换能器3转化成电信号，通过放大电路、检波电路、电压比较电路、 光电隔离电路、整形电路，入进微处理器CPU，并被微处理器CPU检测到。微处理器 CPU从产生发射脉冲开始打开计时器，当被校正量具5反射的回波信号进入微处理器 CPU,获得从校正量具5反射回波经历时间tl，计时器继续工作，当被雨量桶2聚集 雨水表面反射的回波信号进入微处理器CPU，关闭计时器，获得从雨量桶2聚集雨水 表面反射回波经历时间t2。
可见，实施例二通过集雨器1将雨水集于雨量筒2内，微处理器CPU控制换能 器3发射超声波，获得从校正量具5反射回波经历时间tl，获得从雨量桶2聚集雨 水表面反射回波经历时间t2，即可获取换能器3表面到雨量桶2聚集雨水表面的垂 直距离H，测量雨量筒2内的雨水液位差，即可得到降雨量D。
本发明实施例的阀门9在控制器6的控制下用于排水，在两种情况下需要排水
1) 防止雨量筒2内雨水溢出，设定两道警戒线。当液位高于第一道警戒线， 等待下雨结束后，排水。当液位高于第一道警戒线后，下雨未结束，液位 继续上升并高于了第二道警戒线，不管当时是否下雨，均要排水。防止雨水溢出的排水，不需要将筒内雨水放完，只需要放到安全液位即可。 本发明实施例设定雨量筒深500腿； 安全液体200咖；
第一道警戒线350mm;第二道警戒线450mm; 2) 通过雨水温度传感器7检测雨量筒2内水温，水温低于0. 5'C时，为防止 筒内雨水结冰后对传感器7，以及阀门9、水泵ll的破坏，需要将雨水全
部排完。当水温高于rc后，关闭阀门9。
水泵11在控制器6的控制下，用于对雨量筒2以及传感器7的清洗。
1) 定期对超声波换能器表面清洗，保持其表面清洁。本发明实施例规定每4 小时，对换能器表面脉冲式清洗四下。
2) 当阀门9排水时，需打开水泵ll，搅动雨量筒2底部长时间积累的污质， 使其通过排水口排出。
本发明实施例的微处理器CPU选用NEC公司的8位PPD78F0881型单片机，IK RAM,
32KROM，内置一路CAN总线接口、 2路UART接口、 一路"C接口。采用20M晶
振，单片机工作主时钟10M，计数器时钟20M。
如图3所示，为实施例电源电路原理图图3 (a)为电源接入部分电路。Cl、 C2 主要起滤波作用。D为防反接二极管。F为自恢复保险，在电路异常出现大电流时切 断工作电源，保护其它电路。系统工作主电源为12VDC。图3 (b)为12V转5V稳压电 路，负责为单片机与485接口供电VCC。图3(c)电源控制开关，系统除单片机与485 接口，其它部分的电源从12V2引入。在Control端加低电平，三极管Q截止，P沟 道M0S管栅极为高电平，M0S管截止，输出电压为0， 12V2=0V。当Control端为高电 平时，三极管Q导通，P沟道M0S管栅极为低电平，M0S管导通，输出电压约为12VDC， 12V2=12V，系统上电工作时，在Control端加高电平，闲时在Control端加低电平。 除单片机与485接口外其它部分断电，以保证系统低功耗运行。图3(d)为12VDC转 士12VDC电路，采用DC-DC模块，实现数字地与模拟地隔离。
如图4所示，实施例的数据存储电路采用AT24C02 E2R0M存储芯片，实现对电
路参数、雨量、雨量累计量、温度的存储与掉电保护。
如图5所示，为实施例通讯接口电路原理图，采用485接口与上位机通信。选用 专用485接口低功耗芯片65HVD3082。通过二极管D1、 D2、 D3、 D4以及F1、 F2自恢
13复保险保护总线安全。
如图6所示，是实施例高压电路原理图，为反激式升压电路，实现12VDC到200VDC 的升压，用于超声波发射的电压一声波转换高压电源。在N沟道M0S管K2645的栅极 加频率为100K频率的P画触发信号，持续时间为l秒，通过高频变压器T，可在电 容C中存储200V的电压。高频变压器匝比为12: 200。
如图7所示，为实施例发射电路原理图，当N沟道M0S管K2645的栅极的为低电 平时，M0S管截至，电路通过R1、 C、 D2，可在电容C中充入200V电压。在MOS管栅 极加一高电平脉冲，MOS管在脉冲高电平期间导通，电路通过电容C、 MOS管、电阻 R2、换能器SF、 二极管D3构成电容C的放电回路，因此在换能器SF上，可产生-200V 的脉冲，电阻R2起到分流作用，防止，大电流烧坏换能器SF。换能器SF在-200V 脉冲的作用下产生超声波。
如图8所示，为实施例接收放大电路原理图，超声波回波被换能器接收后，转化 成几十毫伏到上百毫伏的交流电压信号，通过运算放大器M放大到伏级。电容C1、 C2、电阻R1起隔离作用，防止直流信号进入放大器。二极管D1、 D2起钳位作用，防
止高压脉冲进入放大电路，保护后级电路。放大器增益^1=，=20，将回波信号放大
到2V左右。通过C3隔离进入滤波放大电路。滤波放大电路采用带通过滤波器，中心 频率为5M，带宽为0.5M，放大增益为2。通过滤波放大后的回波信号进入由D3、 R8、 C6组成的检波电路，D3选用高频检波二极管IN60，检波电路将放大滤波后的回波交 流信号转化成包络直流信号。
如图9(a)所示，为实施例电压比较电路，当EN端电压低于VRF时，电压比较器 B通过上拉电阻R2输出高电平，当EN端电压高于VRF时，电压比较器B输出翻转为 低电平。当包络信号进入电压比较器时，由于电压比较器的原理，在输出端可形成低 电平的脉冲信号。通过反向器F可转化成高电平的脉冲信号。VRF为电压比较器的参 考电压。图9 (b)所示为比较器参考电压产生电路。MC1403为精度为1%的稳压芯片， 5V输入2. 5V输出。通过电阻R1、 R2分压，yRF为1. 25V参考电压。
如图10所示，为实施例光电耦合电路。光偶采用6N137高速光耦集成芯片。当 OUT端为低电平时，interrupt端为低电平，当OUT端为高电平时，interr叩t端为 高电平。因此根据光电耦合的原理，接收电路产生的正脉冲信号，可以通过光电偶合电路产生正脉冲信号，进入单片机外部中端端口，触发单片机外部中断，停止计时器 工作，获得超声波传输时间。
如图11所示，为实施例水泵驱动电路。驱动电路采用电子开关的原理，当Control 端为低电平时，三极管Q截止，P沟道MOS管栅极为高电平，M0S管截止，输出电压 为0，当Control端为低电平时，三极管Q导通，P沟道MOS管栅极为低电平，M0S 管导通，输出电压约为12VDC。水泵釆用直流12VDC水泵。根据电子开关原理，当 Control端为低电平时，水泵不工作，当Control端为低电平时，水泵工作。
如图12所示，为实施例阀门驱动电路。驱动电路采用电机专用集成芯片L9110。 当VAI+端为高TTL电平，VAI-端为低TTL电平时，VA0+端输出高电平，VA0-端输出 低电平，输出电流可达800毫安，驱动阀门正向打开，同理VAI+端为低TTL电平， VAI-端为高TTL电平时，驱动阀门反向关闭。VAI+端与VAI-端同为高电平或低电平 时阀门不工作。
如图13所示，为实施例温度检测电路。采用数字式温度传感器DS18B20，其DATA 端口只需接入单片机IO 口，按照规定的时序发命令，即可读取温度数据。电阻R为 上拉电阻，平时DATA 口为高电平。电容C为旁路滤波电容，温度传感器精度为0. 0625。C。
如图14所示，为主程序流程图，当系统上电后，系统首先初始化处理，进入休眠 状态等待上位机命令。当485总线上有数据传输时，单片机从休眠状态唤醒，判断是 否是雨量测量命令，如果是，则完成测量工作，通过测量数据判断是否需要清洗、排 水处理，并上报相应数据，如不是，则继续休眠。测量完成后单片机回到休眠状态。 如图15(a)所示，为雨量测量子程序，首先判断系统是双换能器还是单换能器， 对于双换能器，校正换能器3与测量换能器4的回波时间需要独立测量，对于单换能 器两次回波时间可以同一过程中测量。根据测量的时间按式(5)可以计算得当前雨量 桶内雨水的液位H，再与上一次测量液位H1相比较，如果H〉H1，则认为下雨，并将 其差值作为雨量D，否则认为没有下雨，雨量D为0。图15 (b)为换能器回波时间测 量子程序，先通过100KHz PWM信号控制高压电路工作1秒，产生200V高压存储于电 容中，等待100ms，电路处于稳定状态。发射高压脉冲，打开计时器，并延时30微 秒后打开中断等待回波信号，延时30微秒的目的也是等待电路处于稳定状态防止对 中断的干扰。中断服务程序中，双换能器系统只需要接收一次回波信号，即可关闭计
15时器，单换能器系统需要接收两次回波信号方可关闭计时器。
如图16所示，为水泵清洗子程序。水泵清洗过程采用脉冲式清洗法，开水泵2 秒，关闭水泵2秒，如此反复5次操作。
如图17所示，为阀门排水子程序。电路上电后，先顺时针开阀门5秒，再逆时针 丌阀门5秒，反复两次。目的是通过正反转清除阀门球体处的堵塞物。在排水过程中， 打开水泵，搅拌、冲洗雨量筒底部，使长时间沉淀在底部的杂质从排水口排出。
本发明实施例与现有技术相比，优点在于
精度高，性能稳定，性能不受温度、湿度、雨强等因素影响。
无损失降雨观测量程最大可达500mm/天。
功耗低，在野外无市电的环境可用蓄电池长期供电。
数据可远程传输，无需到现场读数。
增加雨温检测功能。
具有分、时、日、月、年雨量累计功能，在通信故障的情况下，数据不丢失，
保障数据的连续性。
安装维护方便，且具有自维护功能。
权利要求
1、一种超声波式自校准高精度雨量计，包括雨量桶(2)，其特征在于还包括超声波换能器、校正量具(5)、排水系统和控制器(6)，校正量具(5)设于雨量桶(2)内，换能器置于雨量桶(2)内的底部，校正量具(5)的下方，排水系统包含控制排水的阀门(9)，设于雨量桶(2)的底部；所述控制器(6)包含微处理器CPU、发射输出电路、接收输入电路、数据存储电路、阀门驱动电路和电源电路，微处理器CPU经阀门驱动电路驱动阀门(9)工作，微处理器CPU通过发射输出电路激励换能器发射超声波，超声波垂直传播至校正量具(5)表面反射并被换能器接收转化成电信号，再经接收输入电路输入微处理器CPU进行数据处理，超声波垂直传播至雨量桶(2)聚集的雨水表面反射并被换能器接收转化成电信号，再经接收输入电路输入微处理器CPU进行数据处理，微处理器CPU经数据存储电路存储数据，电源电路向各部分电路提供所需的电源。
2、 根据权利要求1所述的雨量计，其特征在于所述超声波换能器设有二个，一个为校正用换能器(3)，置于校正量具(5)的正下方，校正换能器(3)发射超声波至校正量具(5)表面，并接收反射回来的超声波，另一个为测量用换能器(4)，和校正换能器(3)发射频率相同，处于同一水平面，偏离校正量具(5)，测量换能器(4)发射超声波至雨量桶(2)聚集的雨水表面，并接收反射回来的超声波。
3、 根据权利要求2所述的雨量计，其特征在于所述校正量具(5)为完全反射校正换能器(3)发射超声波的宽不锈钢板。
4、 根据权利要求1所述的雨量计，其特征在于所述超声波换能器设有一个，该换能器(3)发射的超声波， 一部分至校正量具(5)表面反射，并被换能器(3)接收，另一部分穿过校正量具(5)，至雨量桶(2)聚集的雨水表面反射，并被换能器(3)接收。
5、 根据权利要求4所述的雨量计，其特征在于所述校正量具(5)为部分反射换能器(3)发射超声波的窄不锈钢板。
6、 根据权利要求1至5任一项所述的雨量计，其特征在于还包括清洗系统，清洗系统包含正对换能器的喷嘴(10)和抽水至喷嘴的水泵(11)，所述控制器(6)还包含水泵驱动电路，微处理器CPU经水泵驱动电路驱动水泵(11)工作。
7、 根据权利要求1至5任一项所述的雨量计，其特征在于还包括检测雨量桶(2)内雨水温度的雨水温度传感器(7)，设于雨量桶(2)内的底部，所述控制器(6)还包含雨水温度检测电路，微处理器CPU通过雨水温度检测电路读取雨水温度传感器(7)的数值。
8、 根据权利要求1至5任一项所述的雨量计，其特征在于还包括检测实时降雨雨温的降雨温度传感器(8)，设于雨量桶(2)的外部，所述控制器(6)还包含降雨温度检测电路，微处理器CPU通过降雨温度检测电路读取降雨温度传感器(8)的数值。
9、 根据权利要求1至5任一项所述的雨量计，其特征在于所述控制器(6)还包含通讯接口 ，微处理器CPU通过通讯接口和外部设备通信。
10、 一种超声波式自校准高精度雨量测量方法，该方法包含下列步骤确定超声波换能器发射超声波，到从校正量具返回，所经历的时间tl;和所述换能器同一水平面、具有同一发射功率的同一或另一换能器发射超声波，到从雨量桶聚集的雨水表面返回，所经历的时间t2;再按照公式H=^h 其中h为换能器表面到校正量具的垂直距离，获取当前换能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距离H;然后比较当前换能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距离H和上一次换能器表面到雨量桶聚集雨水表面的垂直距离Hl，若当前垂直距离H大于上一次垂直距离Hl，则按公式D=H-HI 求出降雨量D;若当前垂直距离H不大于上一次垂直距离Hl，则降雨量D二0。
全文摘要
一种超声波式自校准高精度雨量计，包括雨量桶、超声波换能器、校正量具、排水系统和控制器，校正量具设于雨量桶内，换能器置于雨量桶内的底部，校正量具的下方，排水系统包含排水阀门，设于雨量桶的底部。控制器包含CPU，CPU经发射输出电路激励换能器发射超声波，超声波垂直传播至校正量具表面反射并被换能器接收，经接收输入电路输入CPU进行数据处理，超声波垂直传播至雨量桶聚集的雨水表面反射并被换能器接收，经接收输入电路输入CPU进行数据处理。通过分别检测超声波至校正量具的发射接受时间，超声波至雨量桶内聚集雨水表面的发射接受时间，本发明能精确测量雨量桶内雨水表面的高度，从而能精确测量降雨量。本发明还提供了雨量测量方法。
文档编号G01W1/14GK101464524SQ20091003657
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者郑贵林 申请人:郑贵林