一种自动式降雨量测量装置及方法与流程

1.本发明涉及降雨量测量技术领域，尤其涉及一种自动式降雨量测量装置及方法。


背景技术：

2.降雨量可以直观表示降雨的多少，是指从天空降落到地面上且未经蒸发、渗透、流失的液态或着固态融化后的水在水平面上积聚的深度。降水观测是区域水资源量计算的重要依据，而且是研究流域或地区水文循环系统的最重要的基础资料之一，同时在环保、农、林业、工生产、水利开发、防汛抗洪等方面具有十分重要的作用，因此测量降雨量是很有必要的。
3.降雨测量装置常用的有传统式雨量器、翻斗式雨量计，然后传统式雨量器通过读取刻度测量一段时间的降雨总量。这种方式是手动测量，容量有限，遇到超过容量的降雨难以准确测量。翻斗式雨量计是自动测量降雨量，相比于传统式雨量器，更加准确，但是面临降雨量过大的降雨天气如暴雨、大暴雨时，翻斗很快溢出，倾泻时容易导致溢出的雨量未能倒入另一个翻斗，而不能及时反映真实的降雨情况。


技术实现要素：

4.本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供了一种避免了容量限制导致雨量溢出，且具有很高精确度的自动式降雨量测量装置及方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
6.一种自动式降雨量测量装置，包括接收降雨的雨量筒，其特征在于：还包括管筒、固定支架和第一倾角传感装置，所述管筒包括依次连通的第一竖直段、水平段和第二竖直段，所述第一竖直段的上端与所述雨量筒的底部连通，所述第二竖直段的末端设有开口，所述固定支架连接在所述水平段的下方，所述第一倾角传感装置包括第一薄片、第一传感器、第一扭矩弹簧和第一固定件，所述第一薄片水平设置在第二竖直段内，所述第一传感器固定设置在第一薄片的下侧，所述第一固定件固定连接在第二竖直段的外侧，所述第一扭矩弹簧的一端固定连接在第一薄片上，另一端固定连接在第一固定件上，第一薄片能够在第二竖直段内以第一扭矩弹簧为轴上下翻转。
7.进一步的，所述管筒的横截面为矩形，所述第一薄片为矩形薄片，所述矩形薄片的形状和大小与管筒横截面的形状和大小相适应。
8.进一步的，在所述第一倾角传感装置的下方还设置有第二倾角传感装置，所述第二倾角传感装置包括第二薄片、第二传感器、第二扭矩弹簧和第二固定件，所述第二固定件固定连接在第二竖直段的外侧，所述第二扭矩弹簧的一端固定连接在第二薄片上，另一端固定连接在第二固定件上，第二薄片能够在第二竖直段内以第二扭矩弹簧为轴上下翻转，所述第一扭矩弹簧和第二扭矩弹簧分别位于第二竖直段相对的两侧。
9.进一步的，在所述管筒的所述水平段和第二竖直段之间连接有一倒u形段，所述倒u形段最上端的高度不超过所述雨量筒底部的高度。
10.进一步的，所述第一扭矩弹簧和第二扭矩弹簧的扭矩大小可调节，在测量降雨量时，所述第一薄片和第二薄片的倾角α1和α2不超过45
°
。
11.一种利用上述自动式降雨量测量装置的降雨量测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
12.步骤1：将所述自动式降雨量测量装置放置在露天，使得雨水落入到所述雨量筒中；
13.步骤2：所述第一薄片和第二薄片在所述管筒的第二竖直段内受到雨水的冲击后发生翻转，所述第一传感器和第二传感器检测得到第一薄片和第二薄片的翻转倾角α1和α2；
14.步骤3：将步骤2中测得的α1和α2带入到下式中，
[0015]vd
＝v1 v2＝ed4α1/(3670n1dρg)l ed4α2/(3670n2dρg)l
[0016]
式中，v1为单位时间内流过第一倾角传感装置的雨水体积，v2为单位时间内流过第二倾角传感装置的雨水体积，e为扭矩弹簧模量，d为线径，n1为第一扭矩弹簧有效圈数，n2为第二扭矩弹簧有效圈数，d为扭矩弹簧中径，l为扭矩弹簧的扭臂长度，得到单位时间内的降雨量vd；
[0017]
步骤4：将步骤3中得到的vd带入v＝vdt中，得到一段时间内的降雨总量v。
[0018]
进一步的，所述步骤2的中翻转倾角α1和α2均不超过45
°
，否则需要调整第一扭矩弹簧和第二扭矩弹簧有效圈数n1和n2，使翻转倾角α1和α2均不超过45
°
。
[0019]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0020]
1、本发明整体装置结构简单，整个装置采用通管连接，避免了雨量筒的容量限制导致雨量过大而溢出；
[0021]
2、为了避免雨水的直接冲击对传感装置的检测产生影响，设计了缓冲雨水的倒u型管结构；
[0022]
3、在竖直向下的管筒上分布两个相反倾斜方向的倾角传感装置，每个倾角传感装置拥有不同圈数的扭矩弹簧，并通过装置中倾角传感器的角度变化表征降雨量的大小，具有很高的精确度；
[0023]
4、提出了一种自动式降雨量的测量方法，通过倾角传感器检测出的倾角可实时求两个测量降雨量大小的倾角传感部件的流量总量，进而求出某段时间内降雨量的大小。
[0024]
5、矩形的管筒和薄片结构可以有效防止雨水从薄片和管筒内壁之间的缝隙流出，使得测量更加精准。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例结构示意图；
[0026]
图2为本发明实施例第一倾角传感装置的底面结构图；
[0027]
图3为本发明实施例第一倾角传感装置侧视图；
[0028]
图4为本发明实施例第一固定件俯视图；
[0029]
图5为本发明实施例第一倾角传感装置翻转状态图；
[0030]
图6为本发明实施例第一倾角传感装置和第二倾角传感装置在测量降雨量时的的状态图。
[0031]
其中：1-雨量筒，2-固定支架，3-第一竖直段，4-水平段，5-第二竖直段，6-倒u形
段，7-雨水，11-第一薄片，12-第一传感器，13-第一扭矩弹簧，14-第一固定件，21-第二薄片，22-第二传感器，23-第二扭矩弹簧，24-第二固定件，a-第一薄片水平状态，b-第一薄片翻转状态，c-第一薄片最大翻转角度状态。
具体实施方式
[0032]
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
[0033]
图1-4示出了一种自动式降雨量测量装置的具体实施例，包括接收降雨的雨量筒1、管筒、固定支架2和第一倾角传感装置，管筒包括依次连通的第一竖直段3、水平段4和第二竖直段5，第一竖直段3的上端与雨量筒1的底部连通，第二竖直段5的末端设有开口，固定支架2连接在水平段4的下方。如图2～4所示，第一倾角传感装置包括第一薄片11、第一传感器12、第一扭矩弹簧13和第一固定件14，第一薄片11水平设置在第二竖直段5内，第一传感器12固定设置在第一薄片11的下侧，第一固定件14固定连接在第二竖直段5的外侧，第一扭矩弹簧13的一端固定连接在第一薄片11上，另一端固定连接在第一固定件14上，第一薄片11能够在第二竖直段5内以第一扭矩弹簧13为轴上下翻转。
[0034]
优选的，在第二竖直段5内位于第一倾角传感装置的下方还设置有第二倾角传感装置，第二倾角传感器与第一倾角传感器结构相同，包括了第二薄片21、第二传感器22、第二扭矩弹簧23和第二固定件24，第二固定件24固定连接在第二竖直段5的外侧，第二扭矩弹簧23的一端固定连接在第二薄片21上，另一端固定连接在第二固定件24上，第二薄片21能够在第二竖直段5内以第二扭矩弹簧23为轴上下翻转，第一扭矩弹簧13和第二扭矩弹簧23分别位于第二竖直段5相对的两侧。管筒为横截面为矩形的方管，第一薄片11和第二薄片21为矩形薄片，第一薄片11和第二薄片21的形状和大小与管筒第二竖直段5的横截面的形状和大小相适应。
[0035]
在管筒的水平段4和第二竖直段5之间连接有一倒u形段6，倒u形段6最上端的高度不超过雨量筒1底部的高度。根据连通器原理，就可以保证雨量筒1中的雨水7能够顺利通过倒u形段6，降雨经过倒u形段6的缓冲，避免了雨水7的直接冲击对传感检测的影响，使雨水7可以在竖直向下的第二竖直段5中以静态稳定流体状态流过。
[0036]
第一扭矩弹簧13和第二扭矩弹簧23的扭矩大小可调节，在测量降雨量时，第一薄片11和第二薄片21的倾角α1和α2不超过45
°
。
[0037]
利用上述实施例对降雨量进行测量的方法如下：
[0038]
将该自动式降雨量测量装置放置在露天，使得雨水7落入到雨量筒1中，雨水7依次经过第一竖直段3、水平段4、倒u形段6后最终到达第二竖直段5，雨水7经过倒u形段6的缓冲，避免了大量过快的雨水7直接冲击到第一薄片11和第二薄片21上而产生的测量误差，使雨水7可以在竖直向下的第二竖直段5中以静态稳定流体状态流过。在第二竖直段5由上至下分布着两个倾斜方向相反的第一倾角传感装置和第二倾角传感装置，而且每个倾角传感装置拥有不同圈数的扭矩弹簧，面对相同的水流量会产生不同的倾角。设置第二倾角传感装置的目的是为了测量第一倾角传感装置因倾斜而未测量到的降雨，确保了此刻降雨能够被全部测量到，减小误差。
[0039]
如图5所示，考虑到第一薄片11倾角过大会导致雨量流过第二薄片21时可能出现
降雨量的损失，因此，可根据当地先验降雨量设计扭矩弹簧的有效圈数，使第一倾角传感装置和第二倾角传感装置的检测角度α范围满足0
°
≤α≤45
°
，第一薄片11和第二薄片21的倾角大小可通过第一传感器12和第二传感器22检测出来。
[0040]
同时，扭矩弹簧受到上方雨水的压力时，产生的弹簧扭力与倾角的关系如下：
[0041]
f＝ed4α/(3670nd)l
[0042]
式中，e为弹簧模量，d为线径，α为倾角，即弹簧的扭动角度，n为弹簧有效圈数，d为弹簧中径，l为弹簧扭臂长度。第一扭矩弹簧13和第二扭矩弹簧23的有效圈数n1和n2不同，其他参数相同，这样即使在相同的受力下也会产生不同的倾角。而弹簧受到的压力公式如下：
[0043]
f＝ps＝ρvg
[0044]
则：
[0045]
v＝ed4α/(3670ndρg)l
[0046]
式中p为雨水压强，s为管筒内截面积，ρ为雨水密度，g为重力常数，v为雨水体积；
[0047]
如图6所示，进而根据第一传感器12和第二传感器22测得的倾角α1和α2，可实时求得雨水流过两个倾斜角度相反的第一薄片11和第二薄片21的流量：
[0048]vd
＝v1 v2＝ed4α1/(3670n1dρg)l ed4α2/(3670n2dρg)l
[0049]
式中，vd为单位时间流过的雨水体积，v1为单位时间流过第一个倾角传感器的雨水体积，v2为单位时间流过第一个倾角传感器的雨水体积。基于此，可以求得一段时间t的降雨总量v＝vdt。
[0050]
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。