一种基于质量式雨量计自动检定装置的制作方法

本实用新型涉及一种雨量计自动检定装置，特别涉及一种基于质量式雨量计自动检定装置。

背景技术：

雨量是气象观测的主要项目之一。目前，我国基层气象台站使用的雨量计主要包括量筒式雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计、称重式雨量计等，其中翻斗式雨量计应用最为广泛。受观测方法制约，雨水溅失、蒸发及风吹等外界因素易造成雨量观测结果偏差，同时在雨量计生产、运输、安装、使用等过程还存在承水口公差、沾水误差、起动误差、非水平误差、感应测量误差等共性误差，因此需对雨量计进行周期检定，以保证其测量结果的准确性。

当前，我国主要采用“容量”式计量保障方案。气象计量技术机构使用“容量球”或“加液器”作为标准器，对量筒、虹吸、翻斗、称重等各种形式的雨量计进行检定。传统的容量球式雨量计检定装置具有结构简单、长期稳定、成本低廉等优点，但也存在人工操作误差大、工作效率低、坚固性差、功能单一、雨强不恒定等问题。针对容量球式雨量计检定装置的不足，国内气象计量技术机构普遍采用自动化程度较高的加液器式雨量计检定装置，但在实际使用过程中，也存在诸多问题：一是单次加液满量程仅50mL，检定中存在容量误差累积问题；二是因加液不连续，需反复进行注水操作，一定程度上限制了装置的工作效率；三是因具备相应检定/校准能力的机构较少，溯源成本高、周期长；四是受技术原理所限，误差来源较复杂，难以建立有效的技术核查手段，标准装置建立、保持等基础工作技术难度高、工作量大。雨量计的广泛布设及其对计量检定保障的现实需求，对雨量计检定装置的创新、发展和建设提出了新要求。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种基于质量式雨量计自动检定装置及检定方法，能够实现对各型雨量计的自动检定，检定装置是以采用“集成-分布”式架构，使用Labview图形化编程工具，定制设计出一套具备自动化检定、故障诊断、自动生产证书等一系列功能的系统，具体技术方案是，一种基于质量式雨量计自动检定装置，包括控制台和若干个检定终端工作台，所述的控制台包括称量模块、供水模块、分水泵、控制器模块、串口服务器、控制端排水模块，其中，称量模块又包括定期检定的电子天平、称量容器、水温传感器和光电液位开关，控制器模块又包括工控机、继电器串口控制器、温湿度采集器、开关电源，供水模块包括电磁阀、净水器、蓄水桶和供水泵，所述的检定终端工作台包括分水阀、检定容器、检定泵、数据采集模块、检定端排水模块，其特征在于：由控制台和若干个检定终端工作台通过串口服务器级联组成集成-分布式架构，控制台的控制器模块分别与检定终端工作台的分水阀、检定泵、数据采集模块单向连接，被检雨量计分别与数据采集模块、检定端排水模块单向连接，分水阀与预留扩展接口单向连接，开关电源为本装置供电；控制台连接为称量模块与控制器模块双向连接、经分水泵、检定终端工作台与控制端排水模块单向连接，控制器模块分别与供水模块、分水泵、检定终端工作台单向连接，控制器模块与串口服务器双向连接，供水模块通过称量模块与分水泵单向连接；检定终端工作台连接为分水阀、检定容器、检定泵、被检雨量计依次单向连接；供水模块包括电磁阀、净水器、蓄水桶和供水泵，蓄水桶经供水泵与净水器相连，净水器通过电磁阀向称量模块供水。

所述的分水泵采用步进电机式蠕动泵，应用流量调节模式。

本实用新型的技术效果是，计量技术性能优良，量值传递不确定度比远优于1:3，检定结果的测量不确定度可忽略；人工操作、环境影响等引入的误差可忽略；检定工作效率高，雨量、雨强全自动调控；标准器、被检雨量计数据自动采集、存储和处理；记录、证书和报告自动生成与打印；配置自由灵活，可配置单台或多台检定终端，检定终端也可独立运行；通信接口兼备有线/无线通信功能，能够实现对各型雨量计的自动检定，该装置在气象行业的广泛应用，将大幅度的提高气象行业的自动化检测及保障水平。

附图说明

图1为本实用新型的集成-分布式架构图；

图2为本实用新型的控制台连接框图；

图3为本实用新型的检定终端工作台连接框图；

图4为本实用新型的供水模块连接图；

图5为本实用新型的称量模块连接图；

图6为本实用新型的结构正视图；

图7为本实用新型的控制器模块俯视图；

图8为本实用新型的结构轴视图；

图9为本实用新型的检定流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，下面结合优选实施例及其附图作进一步详细描述。

如图1~8所示，一种基于质量测量的雨量自动检定装置控制台2和若干个检定终端工作台6，所述的控制台2连接为选用赛多利斯6010-1CN精密电子天平作为定期检定的电子天平16位于底部，秤盘上放置有称量容器15，在称量容器15上方有一隔板，用于安装进出水管、水温传感器14与光电液位开关，隔板固定在机柜上，与称量容器15不接触，保证定期检定的电子天平16在称量时不影响称量结果。

供水模块11主要用于提供检定工作所需的净化用水，连接为蓄水桶19经供水泵20与净水器18相连，净水器18连接电磁阀21控制器发出供水命令后，供水泵20开始运行，电磁阀21打开，蓄水桶19中的水通过供水泵20进入净水器18中，过滤后将净水通过一个双路直通电磁阀21进入称量容器中12，定期检定的电子天平16实时检测水的质量变化，待水加到设定质量后，将供水泵20与电磁阀21同时关闭，供水工作完成。净水器18过滤后留下的污水通过污水口进入控制端排水模块12管路中，排出检定装置外。

分水泵9用于向检定终端工作台6中的检定容器8定量送水。

检定泵7用于实现雨强控制功能，按设定流速将检定容器8中的水输送至被检雨量计承雨器/传感器，故采用杰恒公司生产的BT-300CA型步进电机式蠕动泵，在选用软管型号为25#条件下，其流量范围为（0.05～500）mL/min能够实现（0.1～10）mm/min的雨强模拟。在进行30mm雨量检定分水时，每检定容器8加水时间不大于2min，同时满足分水与检定工作。

控制器模块4用于对检定装置配套的供水泵9、检定泵7、分水阀10等进行开关控制，同时通过温湿度采集器25可采集水温传感器14、的数值，通过在工控机23的上位机软件计算，实时对水容积进行修正。

当检定装置供水模块11向称量容器15加水液面至光电液位开关17时，光电液位开关17接触到液面后，将数据传输到控制器模块4，通过控制器模块4中的工控机23的上位机软件，向继电器串口控制器24发出指令，控制供水模块11关闭进水设备，防止定期检定的电子天平16过量程，实现保护定期检定的电子天平16的目的；

开关电源22选用明纬_SP-320-12型开关电源，用于控制模块4以及配套设备供电需要；工控机23采用Z155-2L-6C型无风扇工控机，用于作为总控制平台使用，内嵌配套软件，由操作人员通过操作软件，就可以对被检设备实时检定；继电器串口控制器24采用KAC2116S型16路串口继电器控制板，用于控制供水泵9、分水阀10等开关量设备的通断；温湿度采集器25采用AOSONG_YL-WD-2型温湿度采集模块，用于将环境温湿度、水体温度通过串口将数据传入工控机23。

串口服务器3为扩展工控机23串口通信接口数量，实现工控机23与分水泵9、检定泵7、计数器等部件/组件以及串口输出式被检雨量传感器间的通信连接，采用基于网络的分布式数据采集解决方案，选用带2KV光电隔离保护的Moxa NPort 5650型16口RS232/422/485串口服务器方便的在串口和网络设备中传输数据和系统集成。

分水阀10用于将控制台2分水泵9输送过来的水分配到各个检定容器8中，分水阀10选用重庆盾铭有限公司生产的ZD直动活塞式两位三通水用电磁阀，其采用直动双活塞式阀芯结构，阀芯和阀体均采用304不锈钢制造，具有动作反应快、耐腐蚀性能好、可靠性高等特点。

检定容器8为定制部件，采用高透明高硼实验室用玻璃材料制造，容积约1.2L，能够满足200mm承雨口雨量计在设置30mm雨量时的检定需要。检定容器8底部采用V型设计，内部涂覆强疏水纳米材料，能最大限度地降低残水误差，提高检定装置的准确度。

检定泵7采用与分水泵9相同的蠕动泵，用于实现雨强控制功能，按设定流速将检定容器中的水输送至被检雨量计。

数据采集模块5为满足被检雨量计开关信号采集计数和翻斗平衡状态测试需要，选用主芯片为STM32F103的iHMI43型智能液晶模块作为基础进行嵌入式软件的编制，其功能计数可显示计数值（最大99999）及最近两次脉冲波形及时间，具有计数启停、计数清零以及远程锁定等控制功能。数据采集模块（5）通过串口与控制器模块4中的工控机23进行通讯，可将采集到的被检雨量计的数据传入工控机23，实现数据采集功能。

排水系统由控制端排水模块12与检定端排水模块13组成。检定端排水模块13用于将被检雨量计检定后的水收集起来，通过管路导入实验室地漏中将水排出装置；控制端排水模块12用于将净水器18过滤后的污水通过管路导入实验室地漏中将水排出装置；同时也可将控制端排水模块12与检定端排水模块13组合起来，检定端排水模块13的水通过控制端排水模块12一并导入实验室地漏中。

如图9所示，检定方法如下：

（一）人工检查各个模块是否存在异常，确保储水桶17内盛有清水，确认无误后，检定装置上电，打开控制器模块4电源，进入检定软件；

（二）进入检定软件，输入操作人员信息，进入装置自检界面，装置会自动完成对整体的通讯自检，完成后进去检定界面；

（三）输入被检定雨量计相关信息，根据软件提示按照JJG（气象）005-2015《自动气象站翻斗式雨量传感器》规程，先目测被检雨量计外观是否合格，然后使用配套的游标卡尺测量被检雨量计承水口直径，将测量后的数值填入相应的表格中，完成后进入测量误差检定界面；

（四）软件会安装检定规程设定的检定点自动检定，检定之前，检定装置会自动进行整体润管工作，以保证检定装置管路内管道湿润，以减小误差，提高检定的准确度；

（五）完成润管工作后，检定装置进行测量误差检定工作，每个检定点按照检定规程要求检定三次；

（六）测量误差检定完成后，软件自动记录被检雨量计数据信息，按照提示要求生成检定报告；

（七）针对检定报告根据提供的对应省局雨量计检定证书模版，生成检定证书，按照提示进行打印证书；

（八）操作人员可根据检定报告判断被检雨量计是否合格，如判断合格，将检定好的雨量计入库以备使用；若判断不合格，则要求被检雨量计返厂维修。

检定工作完成。

原理

检定装置研制需解决的主要关键技术是雨量量值的准确复现。根据检定装置研制指标要求：系统能够根据用户预先设定或实时输入，通过测量和控制加水器出水质量，复现产生准确的标准雨量量值，雨量控制误差指标要求不大于±0.1mm。在分水泵9向检定终端中的检定容器8送水时，称量容器15中水质量实时变化，精密定期检定的电子天平16测量结果输出时间间隔较长（1～2）s，且因水的密度受温度影响，雨量准确控制难度较大。

为解决雨量准确控制难题，主要采取了以下措施：

（一）分水泵采用步进电机式蠕动泵，应用流量调节模式，在保证分水效率的同时，尽可能降低雨量控制误差。初始时，设定分水泵为大流量模式，以提高分水效率，降低分水时间；接近雨量设定检定点对应质量时，设定分水泵9为小流量模式，有效降低雨量控制误差。

（二）分水前，计算设定雨量检定点对应的标准质量值时，进行温度修正处理。通过水温传感器14测量称量组件中水的温度，查算《ITS90国际温标纯水密度查算表》，得到当前温度下水的密度值；使用雨量检定点量值与承雨口面积和水密度值的乘积，作为加水质量控制目标值，进一步降低雨量控制误差。

采用“集成-分布”式架构，由控制台2和若干个检定终端工作台6级联组成，控制器模块4用于集中控制，可实现对多套检定终端工作台6的并行控制和数据集中处理；检定终端工作台6可独立完成雨量示值检定的加水过程，采集被检雨量计输出的干簧管开关量信息等。

采用定期检定的电子天平16实时称量供水模块11中水的质量，计算供水模块11中输送至检定容器8中的水的质量，作为质量标准值；通过纯水密度查算表，将检定容器8中水的质量值换算为体积，除以承雨口面积，得到雨量标准值；使用蠕动泵以设定流速将检定容器8中的水，全部输送至被检雨量计；将雨量标准值与被检雨量计示值进行比较，得到检定/校准结果。