可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置及方法

本发明涉及降水模拟装置，尤其是涉及一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置及方法。

背景技术：

1、在全球气候极端化的背景下，城市基础设施与工程建设安全广泛受到暴雨洪涝灾害的威胁，各类工程事故与地质灾害频发。由于天然暴雨过程中降雨强度随时间的变化模式(雨型)通常与地质灾害发生时机、洪峰的产生时间紧密相关，暴雨雨型的多样性已成为防灾减灾研究领域的热点课题。当前，基于相似理论的物理模型试验是探究暴雨多样性对土木工程及周边环境影响的重要手段，国内外学者与工程技术人员普遍采用等距布置的喷头或滴管喷淋系统实施人工降雨模拟试验展开研究。然而，大多数降雨模拟试验是凭借手工操控水泵而完成的，不仅费时费力，也无法做到实时精确控制输水流量，难以满足关于暴雨多样性的模拟要求。

2、目前，市面上已存在具备定时与精确调速功能的蠕动泵，然而这类泵的价格偏高且输水流量有限，难以满足暴雨级别的试验条件。此外，一些专门适用于人工降雨模拟试验的精确控制系统也已面世，然而这类商业产品价格高昂，便携性差，尤其是其控制系统封闭不开源，无法供科学技术人员自由扩展功能模块和编程设置自定义控制模式。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置及方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，包括直流隔膜泵、霍尔效应流量计、止水球阀和电子控制系统盒，所述电子控制系统盒包括大功率电器驱动模块、旋转电位计模块、触动按钮模块、液晶显示屏和两个arduino uno开发板，其中，第一arduino uno开发板连接至直流隔膜泵、旋转电位计模块和触动按钮模块，第二arduino uno开发板连接至霍尔效应流量计，所述直流隔膜泵、霍尔效应流量计和止水球阀通过pfa塑料水管依次连接，且两端分别连接外部供水源和模拟降雨喷淋系统。

4、所述电子控制系统盒还包括有机玻璃定制外壳。

5、所述电子控制系统盒的电路板呈双层结构，所述大功率电器驱动模块、旋转电位计模块、触动按钮模块和液晶显示屏均设于上层，所述arduino uno开发板设于下层。

6、所述直流隔膜泵包括有刷直流电机，额定功率100瓦。

7、所述arduino uno开发板与各个电子模块以及外部的霍尔效应流量计均通过带绝缘套管的插入式接线端子连接。

8、所述大功率电器驱动模块的负载端与直流隔膜泵和外部直流电源接头通过所述接线端子连接，所述直流电源接头插入配套的电源适配器可为直流隔膜泵进行供电

9、所述装置还包括防水木制垫板，所述直流隔膜泵、霍尔效应流量计和电子控制系统盒设于防水木制垫板上。

10、所述液晶显示屏共设有两个，分别对应于两个arduino uno开发板，并与对应的arduino uno开发板连接。

11、所述电子控制系统盒还包括电源盒。

12、一种如上述的控制装置的操作方法，包括：

13、步骤s1：连接好外部供水源与降雨模拟喷淋系统后开启止水球阀，并在降雨模拟喷淋系统下方布置布置多个插有接水漏斗的集雨瓶；

14、步骤s2：调节旋转电位计模块的转头转至最大输出值处；

15、步骤s3：开启直流隔膜泵直至pwm信号值、输水流量和累计过水体积的数值稳定，记录稳定后的pwm信号值、输水流量和累计过水体积，并关闭直流隔膜泵；

16、步骤s4：调节旋转电位计模块以改变一次pwm数字信号，并重复步骤s3，直至获取多组pwm信号值、输水流量和累计过水体积；

17、步骤s5：根据得到的pwm信号值、输水流量和累计过水体积的数据组生成降雨强度-输水流量-pwm信号的关系模型；

18、步骤s6：根据得到的关系模型，可以指导手动控制旋转电位计模块(9)的转动或设计程序自动按时改变pwm信号以模拟指定降雨强度的暴雨。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1、基于arduino开源技术平台开发的电子控制系统可以自由调节大功率直流隔膜泵，能够满足暴雨级别降雨模拟试验所需的流量与水压条件。

21、2、利用arduino开发板实时计算处理霍尔效应流量计的脉冲信号，可实现对大功率水泵输水流量的精确控制，并通过液晶显示屏实时显示。

22、3、装置具有的两种工作模式及功能覆盖降雨模拟试验全流程的需求，手动调节模式是通过旋转电位计模块手动调节隔膜泵功率；自动调节模式则是让开发板运行既定c语言程序自主调节并监测流量大小。

23、4、操作简单，只需利用一个触动按钮模块，长按3秒可切换不同工作模式，短按则开启或停止某种工作模式。

24、5、开发板上空余的信号接口留作后续自由拓展功能模块使用以应对其他特定任务，相比同类控制设备，该装置由通用、价格经济的电子模块、传感器与隔膜泵组装而成，具有成本低、能耗小、便于装卸和移动等优点，能为相关试验人员大幅节省时间、精力和经费。

技术特征：

1.一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，包括直流隔膜泵(1)、霍尔效应流量计(2)、止水球阀(4)和电子控制系统盒，所述电子控制系统盒包括大功率电器驱动模块(8)、旋转电位计模块(9)、触动按钮模块(10)、液晶显示屏(11)和两个arduino uno开发板(12)，其中，第一arduino uno开发板(12)连接至直流隔膜泵(1)、旋转电位计模块(9)和触动按钮模块(10)，第二arduino uno开发板(12)连接至霍尔效应流量计(2)，所述直流隔膜泵(1)、霍尔效应流量计(2)和止水球阀(4)通过pfa塑料水管(3)依次连接，且两端分别连接外部供水源和模拟降雨喷淋系统。

2.根据权利要求1所述的一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，所述电子控制系统盒还包括有机玻璃定制外壳(7)。

3.根据权利要求1所述的一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，所述电子控制系统盒的电路板呈双层结构，所述大功率电器驱动模块(8)、旋转电位计模块(9)、触动按钮模块(10)和液晶显示屏(11)均设于上层，所述arduino uno开发板(12)设于下层。

4.根据权利要求1所述的一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，所述直流隔膜泵(1)包括有刷直流电机，额定功率100瓦。

5.根据权利要求1所述的一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，所述arduino uno开发板(12)与各个电子模块以及外部的霍尔效应流量计(2)均通过带绝缘套管的插入式接线端子(5)连接。

6.根据权利要求1所述的一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，所述大功率电器驱动模块(8)的负载端与直流隔膜泵(1)和外部直流电源接头(6)通过所述接线端子(5)连接，所述直流电源接头(6)插入配套的电源适配器可为直流隔膜泵(1)进行供电。

7.根据权利要求1所述的一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，所述装置还包括防水木制垫板(16)，所述直流隔膜泵(1)、霍尔效应流量计(2)和电子控制系统盒设于防水木制垫板(16)上。

8.根据权利要求1所述的一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，所述液晶显示屏(11)共设有两个，分别对应于两个arduino uno开发板(12)，并与对应的arduino uno开发板(12)连接。

9.根据权利要求1所述的一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置，其特征在于，所述电子控制系统盒还包括电源盒。

10.一种如权利要求1-9所述的控制装置的操作方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及一种可精确模拟天然暴雨多样性的自动控制装置及方法，其中装置包括直流隔膜泵、霍尔效应流量计、止水球阀和电子控制系统盒，电子控制系统盒包括大功率电器驱动模块、旋转电位计模块、触动按钮模块、液晶显示屏和两个Arduino UNO开发板，其中，第一Arduino UNO开发板连接至直流隔膜泵、旋转电位计模块和触动按钮模块，第二Arduino UNO开发板连接至霍尔效应流量计，直流隔膜泵、霍尔效应流量计和止水球阀通过PFA塑料水管依次连接，且两端分别连接外部供水源和模拟降雨喷淋系统。此外，装置具有手动控制与自动控制两种工作模式，并配备一套简易操作方法用于完成降雨试验中多种供水任务。与现有技术相比，本发明具有成本低、耗能小、便于携带等优点。

技术研发人员：谭勇,蒋维真,刘俊城
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13