一种基于水钟原理的雨量计的制作方法

1.本发明涉及降水测量装置领域，尤其涉及一种基于水钟原理的雨量计。


背景技术：

2.气象部门历史与现在主要应用了两种类型雨量计：虹吸式雨量计和翻斗式雨量计。
3.虹吸式雨量计由承雨器、虹吸、自记和外壳四个部分组成。在承雨器下有浮子室，室内装浮子与上面的自记笔尖相联。雨水入筒内，浮子随之上升，同时带动浮子杆上的自记笔上抬，在转动钟筒的自记纸上绘出条随时间变化的降水量上升曲线。当浮子室内的水位达到虹吸管的部时，虹吸管便将浮子室内的雨水在短时间内迅速排出而成1次虹吸。虹吸1次，雨量为10毫米。如果降水现象继续，则又重复上述过程。最后可以看出此次降水过程的强度变化、起止时间，并算出降水量。
4.翻斗式雨量计承水器收集的降水通过漏斗进入上翻斗，当雨水累积到一定量时，由于雨水本身重力作用使上翻斗翻转，雨水进入汇集漏斗。雨水从汇集漏斗的节流管注入计量翻斗时，把不同强度的自然降水，调节为比较均匀的降水强度，以减少由于降水强度不同所造成的测量误差。当计量翻斗承受的降水量为0.1mm时，计量翻斗把雨水倾倒到计数翻斗，使计数翻斗翻转一次。计数翻斗在翻转时，与它相关的磁钢对干簧管扫描一次，干簧管因磁化而瞬间闭合一次。这样，降水量每达到0.1mm时，就送出去一个开关信号，通过二芯电缆传输到记录器，进行记录、计数。
5.虹吸式雨量计性能可靠，雨量测量数据准确，雨强测量受限，可记录全天的降雨过程，但需要有人值守，人工记录观测数据，必须定时到现场去更换记录纸，操作繁琐，不能用于无人值守的站点。
6.翻斗式雨量计由于工艺程度和设计本身的缺陷，出现误差是不可避免的，目前特别明显缺点：微雨时要等待翻斗翻动才开始计量，微量降水时降水开始时间记录不准确；大雨时由于水流大，翻斗动作来不及，部分水溅出翻斗，误差很大；机械翻斗性能一直在变化，翻转逐渐不灵活，等到定期校准时都是计量不合格，需要调整，即使计量校准后，由于运输震动、重新安装等原因可能就已经偏离计量值，计量不准确。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于水钟原理的雨量计，以提升测量精度和测量的实时性为目的。为此，本发明采取以下技术方案。
8.一种基于水钟原理的雨量计，包括控制器、外壳、承水器、常开电磁阀、常闭电磁阀、降水收集室和稳流装置，所述的承水器为上大下小的锥形，承水器上端与外壳上端全周连接，所述的承水器下端设置所述的常开电磁阀，所述的降水收集室设于承水器下面以收集承水器落下的降水，所述的降水收集室设有所述的常闭电磁阀以用于降水收集室的出水
控制，所述的降水收集室为漏斗状，降水收集室的下端连接常闭电磁阀的玻璃阀体，常闭电磁阀采用玻璃阀芯，玻璃阀体与其内部的阀芯设有间隙，玻璃阀体的下端设有稳流装置，稳流装置的下端设有竖向的窄出水管，所述的降水收集室的外侧设有一根竖向管连通降水收集室内部，所述的竖向管上设有基于电容测量的第一传感器，所述的玻璃阀体上设有基于电容测量的第二传感器，所述的窄出水管上设有基于电容测量的第三传感器，所述的常开电磁阀、常闭电磁阀、第一传感器、第二传感器和第三传感器均连接到所述的控制器。
9.承水器按规定时间间隔关闭常开电磁阀，降水经过常开电磁阀到降水收集室，降水收集室上部通过第一传感器感应水位，感应超限时，控制器报警并控制常开电磁阀关闭，降水收集室下面的玻璃阀体与阀芯之间的间隙水位变化导致第二传感器反馈有微量水及至大量水，有水时，控制器按规定时间间隔控制常闭电磁阀提起或放下阀芯，水流经过稳流装置流出到窄出水管，窄出水管上的第三传感器把电容变化量变成开关量，控制器以毫秒或微秒级时间每次采集传感器数据，计算水流时间，从而计算水的体积，换算成雨量和雨强，控制器可以把测量得到的数据最终传递给上位机，该雨量计避免了翻斗式雨量计误差，基于水钟原理按规定时间间隔测量，可以准确测量雨强，避免虹吸式雨量计滞后效应，测量管道不含机械运动部件，避免翻斗式雨量计长期运行机械性能变化带来的重大误差，有效提升了测量精度和测量的实时性。
10.作为优选技术手段：所述的常开电磁阀通过支架连接固定于承水器内，常开电磁阀上面设有尖顶朝上的圆锥罩，圆锥罩连接固定于上支架的上端。有效实现了常开电磁阀的连接固定，通过设置圆锥罩，避免被降水直接冲击而受损。
11.作为优选技术手段：所述的圆锥罩与承水器内壁之间设有1.8-2.2mm间隙，间隙处设有滤网。间隙合理，设置滤网，避免杂物进入内部。
12.作为优选技术手段：所述的阀芯与玻璃阀体管内侧壁之间设有1.8-2.2mm间隙。玻璃阀体管内部加了一个柱体作为阀芯，同样体积水就高度变大了，电容感应中间介质(有水无水)变化大，容量值就变化大；增大了电容感应面积，使小体积水就可以感应到。以适应降水有时很小，有时很大的情况，当变化量范围大，可以使得测量更精确。
13.作为优选技术手段：所述的玻璃阀体上端与降水收集室的下端之间螺纹连接并密封处理，或者玻璃阀体与降水收集室一体成型。连接牢固稳定，连接处不漏水。
14.作为优选技术手段：所述的外壳内侧设有屏蔽罩，所述的控制器、常闭电磁阀、降水收集室、稳流装置、窄出水管第一传感器、第二传感器和第三传感器均设于屏蔽罩内部。空间布局合理，避免外界电磁设备影响传感器工作。
15.作为优选技术手段：所述的屏蔽罩内部设有支架，所述的控制器、降水收集室、稳流装置和窄出水管均连接固定于水平支架上。有效实现各结构的连接固定。
16.作为优选技术手段：所述的稳流装置包括上大下小的倒圆锥体，上下贯穿，内部设有防溅下凹弧形滤网。能有效实现下落水的缓冲稳流。
17.作为优选技术手段：所述的第一传感器、第二传感器和第三传感器均包括电源、测量电路、通讯模块、上电容感应极板和下电容感应极板，所述的上电容感应极板和下电容感应极板与测量电路均为可拆电连接以根据不同的测量管径进行更换，所述的通讯模块和电源均与测量电路连接，所述的通讯模块通过数据线连接到控制器，所述的电源通过电源线连接到控制器，各传感器均采用金属封装。有效实现各传感器的感应结构，通过感应极板的
更换，可有效适应不同管径的连接测量，采用金属封装，可有效屏蔽电磁干扰。
18.作为优选技术手段：所述的第一传感器和第二传感器的均采用高度位置可调节的卡扣固定结构。通过第一传感器高度位置调节，可设置不同的最大量程，从而改变雨强测量范围；第二传感器的高度调节可以改变限位值。
19.有益效果：该雨量计避免了翻斗式雨量计误差，基于水钟原理按规定时间间隔测量，可以准确测量雨强，避免虹吸式雨量计滞后效应，测量管道不含机械运动部件，避免翻斗式雨量计长期运行机械性能变化带来的重大误差，有效提升了测量精度和测量的实时性。
附图说明
20.图1是本发明结构示意图。
21.图中：1、控制器；2、外壳；3、承水器；4、常开电磁阀；5、常闭电磁阀；6、降水收集室；7、稳流装置；8、窄出水管；9、竖向管；10、第一传感器；11、第二传感器；12、第三传感器；13、圆锥罩；14、上支架；15、屏蔽罩；16、水平支架；501、玻璃阀体；502、阀芯。
具体实施方式
22.以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
23.如图1所示，一种基于水钟原理的雨量计，包括控制器1、外壳2、承水器3、常开电磁阀4、常闭电磁阀5、降水收集室6和稳流装置7，承水器3为上大下小的锥形，承水器3上端与外壳2上端全周连接，承水器3下端设置常开电磁阀4，降水收集室6设于承水器3下面以收集承水器3落下的降水，降水收集室6设有常闭电磁阀5以用于降水收集室6的出水控制，降水收集室6为漏斗状，降水收集室6的下端连接常闭电磁阀5的玻璃阀体501，常闭电磁阀5采用玻璃材质的阀芯502，玻璃阀体501与其内部的玻璃阀芯502设有间隙，当然，还可以采用其他材质的阀芯，如陶瓷或工程塑料等作为阀芯502；玻璃阀体501的下端设有稳流装置7，稳流装置7的下端设有竖向的窄出水管8，降水收集室6的外侧设有一根竖向管9连通降水收集室6内部，竖向管9上设有基于电容测量的第一传感器10，玻璃阀体501上设有基于电容测量的第二传感器11，窄出水管8上设有基于电容测量的第三传感器12，常开电磁阀4、常闭电磁阀5、第一传感器10、第二传感器11和第三传感器12均连接到控制器1，外壳2底部设有出水口。
24.为了实现常开电磁阀4的连接固定和避免被降水直接冲击，常开电磁阀4通过支架连接固定于承水器3内，常开电磁阀4上面设有尖顶朝上的圆锥罩13，圆锥罩13连接固定于上支架14的上端。有效实现了常开电磁阀4的连接固定，通过设置圆锥罩13，避免被降水直接冲击而受损。
25.为了导通流水和避免杂物进入，圆锥罩13与承水器3内壁之间设有2mm间隙，间隙处设有滤网。导通流水，间隙合理，设置滤网，避免杂物进入内部。
26.为了使测量更精确，玻璃阀芯502与玻璃阀体501管内侧壁之间设有2mm间隙。在玻璃阀体501的空管子内部加了一个玻璃、陶瓷等材质的柱体-阀芯，使同样水量在高度向位差变大，电容感应中间介质有水无水变化大，容量值就变化大。增大了电容感应面积，使小体积水就可以感应到。因为降水有时很小，有时很大，这个变化量范围特别大。若间隙过小，
则影响水的通过，也不合适，采用玻璃阀芯502与玻璃阀体501管内侧壁之间的2mm间隙在保证水通过的同时，又有效提高了测量的准确性。
27.为了实现稳定可靠地连接，玻璃阀体501与降水收集室6一体成型。连接牢固稳定，连接处不漏水，本实例中，降水收集室6为玻璃材质，另外，玻璃阀体501上端与降水收集室6的下端之间也可以采用螺纹连接并密封处理以替代本实例中的一体连接。
28.为了避免外界电磁设备影响传感器工作，外壳2内侧设有屏蔽罩15，控制器1、常闭电磁阀5、降水收集室6、稳流装置7、窄出水管8第一传感器10、第二传感器11和第三传感器12均设于屏蔽罩15内部。空间布局合理，避免外界电磁设备影响传感器工作。
29.为了实现各结构的连接固定，屏蔽罩15内部设有支架，控制器1、降水收集室6、稳流装置7和窄出水管8均连接固定于水平支架16上。有效实现各结构的连接固定。
30.为了实现下落水的缓冲稳流，稳流装置7包括上大下小的倒圆锥体，上下贯穿，内部设有防溅下凹弧形滤网。能有效实现下落水的缓冲稳流。
31.为了适应不同管径的连接测量，第一传感器10、第二传感器11和第三传感器12均包括电源、测量电路、通讯模块、上电容感应极板和下电容感应极板，上电容感应极板和下电容感应极板与测量电路均为可拆电连接以根据不同的测量管径进行更换，通讯模块和电源均与测量电路连接，通讯模块通过数据线连接到控制器1，电源通过电源线连接到控制器1，各传感器均采用金属封装。有效实现各传感器的感应结构，通过感应极板的更换，可有效适应不同管径的连接测量，采用金属封装，可有效屏蔽电磁干扰。
32.为了改变量程限位，第一传感器10和第二传感器11的均采用高度位置可调节的卡扣固定结构。通过第一传感器10高度位置调节，可设置不同的最大量程，第二传感器11的高度调节可以改变限位值。
33.本实例中，承水器3按5min时间间隔关闭常开电磁阀4，降水经过常开电磁阀4到降水收集室6，降水收集室6上部通过第一传感器10感应水位，感应超限时，控制器1控制常开电磁阀4关闭，降水收集室6下面的玻璃阀体501与玻璃阀芯502之间的间隙水位变化导致第二传感器11反馈有微量水及至大量水，有水时，控制器1按5min时间间隔控制常闭电磁阀5提起或放下玻璃阀芯502，水流经过稳流装置7流出到窄出水管8，窄出水管8上的第三传感器12把电容变化量变成开关量，控制器1每次以10毫秒时间采集传感器数据，计算水流时间，从而计算水的体积，换算成雨量和雨强，控制器1可以把测量得到的数据最终传递给上位机。
34.具体工作流程如下：
35.降水收集室6收集规定时间间隔的降水，日常常闭电磁阀5闭合。当第二传感器11感应到有水时，到整5min时刻，控制器1输出信号关闭常开电磁阀4，稳定5sec后打开玻璃阀芯502，降水流入稳流装置7，平稳水流经过窄出水管8流出；第三传感器12感应窄出水管8水流时间，换算成体积，最后计算5min降水量。一次水流结束，等到下一个整5min时刻，打开常开电磁阀4，5sec后读取第二传感器11感应到数据量，判断是否有水：无水，恢复常开电磁阀4打开，玻璃阀芯502常闭状态；有水，读取第一传感器10水位感应量，如果没到限位量，等待10sec后关闭常开电磁阀4，稳定5sec后打开玻璃阀芯502，降水流入稳流装置7，平稳水流经过窄出水管8流出；第三传感器12感应窄出水管8水流时间，换算成体积，最后计算5min降水量，如果已到限位值，关闭常开电磁阀4，稳定5sec后打开玻璃阀芯502，降水流入稳流装置
7，平稳水流经过窄出水管8流出；第三传感器12感应窄出水管8水流时间，换算成体积，最后计算5min降水量。水位超限时，重复稳定5sec后打开玻璃阀芯502，降水流入稳流装置7，平稳水流经过窄出水管8流出；第三传感器12感应窄出水管8水流时间，换算成体积，直到整5min时刻水位不超限。
36.第二传感器11经过内部玻璃阀芯502使小体积水高度上变化大，灵敏度小于1立方厘米，当整个内部间隙充满水时，其测量值为检验第二传感器11是否堵塞的判据。通过第三传感器12水流持续时间判断，第二传感器11是否内部间隙都充满水，如果充满水，校验实时测量值与标定测量值，如果实时测量值小于标定测量值较多，说明管道堵塞或有冰冻存在。
37.第三传感器12将管道充满水测量值作为校验值，当水流持续时，测量值作为开关量使用，记录水流持续时间；同时，实时测量值与校验值比较，如果差异较多，则说明管道堵塞或有冰冻存在。
38.本实例中，降水收集室6顶部设有2套定位连接构件，以保证降水收集室6与常闭电磁阀5的连接精度；稳流装置7与玻璃阀体501之间通过螺纹连接，防溅下凹弧形滤网采用不锈钢材质，玻璃阀芯502下端磨毛并有1mm
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45度倒角，雨量计外壳2采用gb/t11832-2002标准。
39.该雨量计避免了翻斗式雨量计误差，基于水钟原理按规定时间间隔测量，可以准确测量雨强，避免虹吸式雨量计滞后效应，测量管道不含机械运动部件，避免翻斗式雨量计长期运行机械性能变化带来的重大误差，有效提升了测量精度和测量的实时性。
40.当然为了降低测量的频率，也可以采用大容量的雨量计，以适用不同的使用要求，如水利部门的雨量计和气象的测试方法不一样，水利的只要测试整点的或者一天的就行，可以在口径不变的情况下，肚子采用一个大球形，增加容水量以承下超大降水，这样就可以测试一天一次降雨量，从而满足水利部门的要求。
41.以上图1所示的一种基于水钟原理的雨量计是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。