專利名稱：一種智能翻斗式雨量傳感裝置的制作方法
技術領域：
一種智能翻斗式雨量傳感裝置技術領域[0001]本實用新型涉及水文氣象領域中用于測量自然界降雨量的傳感器，特別是翻斗式雨量傳感器。
背景技術：
[0002]隨著全球氣候不斷變化，極端天氣氣候事件日趨增加，導致氣象災害發生幾率加大。[0003]對此，我國主要城市及地區、大江大河干流等建立了自動氣象站和水文站，特別是近幾年，國家又加大了對中小河流治理和山洪地質災害的防治工作，正逐步推進在邊遠無人值守地區建立遙測自動氣象站和水文站，其目的就是為了對山洪、泥石流等自然災害進行預警，對防災減災的工作進行支持，從而進一步保障人民群眾生命和財產安全，為經濟建設的發展提供有力的支持。[0004]目前，在各種氣象監測站中，通常采用翻斗式雨量傳感器來觀測降雨量的變化，翻斗式雨量傳感器也成為我國地面自動氣象站配備的常規傳感器。[0005]請參考圖1，圖I為一種典型的單翻斗雨量傳感器結構示意圖。[0006]如圖所示，其承雨口 I '用于匯集雨水，口徑為Φ200±0. 6mm，承雨口濾網2 '用來對水中的雜物進行過濾；承雨口出水口 3'將經過過濾的雨水注入引水漏斗4';引水漏斗濾網5'將進入的雨水進行細過濾；引水漏斗4 '通過引流的方式將雨水注入翻斗6 ' 的斗室中；翻斗6'用于計量降雨量；恒磁鋼7 '和干簧管8'用于計數；采集器9'用于記錄分析數據。[0007]下面簡單描述一下單翻斗雨量傳感器的工作原理[0008]當降水發生時，承雨口 I ’收集的雨水由濾網過濾后經承雨口出水口 3 ’進入引水漏斗4丨，再經過引水漏斗濾網5丨過濾后注入計量翻斗6丨。[0009]翻斗6 '是用工程塑料注塑成型的用中間隔板分成兩個等容積的三角斗室。它是一個機械雙穩態結構，當一斗室 接水時，另一斗室處于等待狀態。當所接水容積達到預定值 (O. 2的翻斗為6. 28ml,O. 5的翻斗為15. 7ml、I. O的翻斗為31. 4ml)時，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態，另一斗室處于工作狀態。[0010]在翻斗側壁上裝有恒磁鋼V，它隨翻斗翻倒時從干簧管V —旁掃過，使兩個干簧管8'通斷。即翻斗6'每翻倒一次，干簧管8'便送出一個開關信號(脈沖信號)。這樣翻斗翻動次數用磁鋼掃描干簧管通斷送出脈沖信號計數，每記錄一個脈沖信號，便代表其對應翻斗降水量，經過采集器9丨記錄統計后發送到數據中心，實現降水遙測的目的。[0011]由于受自然環境影響，翻斗式雨量傳感器容易出現各種故障。雖定期進行維護，但故障仍難免發生，這些故障直接影響雨量記錄的精度和準確性。特別是近幾年開始建立的遙測氣象觀測站和水文站，大部分都安裝在自然環境比較惡劣的地方，受復雜環境影響很大，故障更是時有發生。另外，很多遙測觀測站設立在無人居住區，常年缺少維護工作，雨量傳感器出現故障后維護人員難以及時發現。[0012]一般情況下，翻斗式雨量傳感器的故障主要有三大類[0013]一是實際有降雨但是數據中心收不到數據，這種情況的出現有可能是由于雨量筒承雨口濾網或出水口堵塞，引水漏斗堵塞、磁鋼失效、干簧管損壞、翻斗不翻轉、焊線脫落或信號線斷、采集器的I/o 口損壞等故障發生時引起的。[0014]二是無降水但數據中心收到雨量數，這種情況的出現一般是受到環境干擾時引起的。[0015]當以上兩種故障出現時系統很難及時發現。[0016]三是當承雨口過濾網或出水口和引水漏斗半堵塞時的故障發生后，維護人員幾乎無法及時發現，需要經過一個相當長的時間周期徹底堵塞后，維護人員才有可能發現，在出現這類故障期間，遙測站發送到數據中心的數據有可能不能反映真實的降雨強度。這就影響了系統要達到的山洪或泥石流等自然災害發生前的正確預警。針對有可能出現的故障，目前主要采用定期維護和故障修，且偏遠地區的遙測雨量傳感器只能采用故障修。[0018]因此，如何實時監測翻斗式雨量傳感器各組成部分的工作狀態，是本領域急需要解決的技術問題。實用新型內容[0019]本實用新型的目的是提供一種智能翻斗式雨量傳感裝置。該傳感裝置可實時監測各主要組成部分的工作狀態，使維護方式由傳統的故障修過渡至狀態修，從而提高了數據的可靠性，能夠為氣象觀測系統提供準確、可靠的觀測數據，為提高國家氣象和水文監測、 預報與預測提供重要保證。[0020]為了實現上述目的，本實用新型提供一種智能翻斗式雨量傳感裝置，包括承雨口、 承雨口濾網、引水漏斗以及采集器，還包括用于測量承雨口內雨水水位狀態變化數據的第一傳感器，設于所述承雨口 ；用于分段測量承雨口中水位液面高度所落入的范圍的第二傳感器，其數量至少一個，設于所述承雨口濾網；設于所述承雨口出水口處的第三傳感器，當有雨水流經所述承雨口出水口時，第三傳感器被觸發；用于測量引水漏斗高水位處積水液位的變化數據的第四傳感器，設于所述引水漏斗頂部敞口的內壁上；所述第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器、第四傳感器的輸出端與所述采集器的處理電路連接。[0021]優選地，所述第一傳感器和第四傳感器均包括相互平行并間隔一定距離的第一極板和第二極板；所述第一極板和第二極板的輸出端與所述采集器的處理電路連接。[0022]優選地，所述第一傳感器的第一極板和第二極板從所述承雨口底部向上延伸且分列于所述承雨口濾網的外側。[0023]優選地，所述第四傳感器的第一極板和第二極板對稱布置于所述引水漏斗頂部敞口的內壁上。[0024]優選地，所述第二傳感器沿高度方向在所述承雨口濾網上間隔分布。[0025]優選地，所述第二傳感器的數量為兩個。[0026]優選地，所述承雨口的出水口末端為斜開口，所述第三傳感器安裝于所述斜開口處。[0027]優選地，所述承雨口的出水口末端的斜開口呈45 °。[0028]優選地，所述第二傳感器和第三傳感器均包括位于同一水平面上的第一電極點和第二電極點；所述第一電極點和第二電極點與所述采集器的處理電路連接。[0029]優選地，所述第一傳感器嵌入所述承雨口濾網外側、所述第二傳感器嵌入所述承雨口濾網、所述第三傳感器嵌入所述承雨口出水口、所述第四傳感器嵌入所述引水漏斗。[0030]本實用新型提供的智能翻斗式雨量傳感裝置在其各主要組成部件設有傳感器，通過這些傳感器能夠對各種工作狀態進行實時監測。當傳感器工作狀態出現異常時，采集器根據傳感器的檢測數據，能夠對異常情況進行分析并判斷出可能出現的故障隱患，然后將判斷結果上報到數據中心，由數據中心安排維護人員對故障隱患進行處理。從而為翻斗式雨量傳感器實現狀態修提供了方法和手段。這使得雨量傳感器的維修方式從傳統的故障修上升到狀態修，大大提高了雨量傳感器的可靠性，能夠為氣象和水文觀測系統提供準確、可靠的觀測數據，為提高國家氣象和水文監測、預報與預測提供重要保證。
圖I為一種典型的單翻斗雨量傳感器結構示意圖；[0032]圖2為本實用新型所提供智能翻斗式雨量傳感裝置的一種具體實施方式
的結構示意圖；[0033]圖3為圖2中所述第一傳感器的工作原理圖；[0034]圖4為圖2中所述第二傳感器的工作原理圖；[0035]圖5為本實用新型所提供智能翻斗式雨量傳感裝置的工作狀態監測方法的流程總圖。[0036]圖 I 中[0037]承雨口 I ^ 承雨口濾網2 ^ 承雨口出水口引水漏斗4 ^ ;引水漏斗濾網5 ' 翻斗6 ' 恒磁鋼7丨干簧管8丨采集器9丨[0038]圖2-圖 4 中[0039]I.承雨口 1-1.承雨口出水口 2.承雨口濾網 3.引水漏斗 4.采集器5.第一傳感器5-1.第一極板5-2.第二極板6.第二傳感器6-1.第一電極點6-2. 第二電極點7.第三傳感器8.第四傳感器8-1.第一極板8-2.第二極板具體實施方式
[0040]為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型方案，
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細說明。[0041]請參考圖2，圖2為本實用新型所提供智能翻斗式雨量傳感裝置的一種具體實施方式
的結構示意圖。[0042]在一種具體實施方式
中，本實用新型所提供的智能翻斗式雨量傳感裝置，包括承雨口 I、承雨口濾網2、引水漏斗3以及采集器4，相對于現有技術，增加了第一傳感器5、第二傳感器6、第三傳感器7和第四傳感器8。[0043]第一傳感器5設于承雨口 I內承雨口濾網2外側，用于測量承雨口 I水位狀態的變化數據。[0044]第二傳感器6的數量為兩個(根據需求可設置多個)，設于承雨口濾網2，用于分段測量承雨口積水液位高度所落入的范圍，即主要用于確定承雨口內雨水積存狀態。[0045]第三傳感器7設于承雨口出水口 1-1處，當有雨水流經承雨口出水口 1-1時，該傳感器能夠被觸發。[0046]第四傳感器8，設于引水漏斗3頂部敞口的內壁上，用于測量引水漏斗高水位處積水液位的變化數據。[0047]請參考圖3，圖3為圖2中所述第一傳感器的工作原理圖。[0048]第一傳感器5包括相互平行并間隔一定距離的第一極板5-1和第二極板5-2，第一極板5-1和第二極板5-2的輸出端與采集器4的處理電路連接；第四傳感器8的結構與第一傳感器5類似，采用兩個內嵌的金屬片構成第一極板8-1和第二極板8-2，用來對引水漏斗3的液位進行檢測。[0049]第一傳感器5的第一極板5-1和第二極板5-2從承雨口 I底部向上延伸且分列于承雨口濾網2的兩側，第四傳感器8的第一極板8-1和第二極板8-2對稱布置于引水漏斗 3頂部敞口的內壁上。[0050]其工作原理如下[0051]設極板面積為S (m2)，兩極板之間距離為d(m)，電容器介電常數為ε (F/M)時，電容器的電容量是構成電容器的兩個極片形狀、大小、相互位置及電介質介電常數的函數，其電容量Cx (F)為Cx=S S/d (1-1)由式(1-1)可見，在S、d、e三個參量中，只要保持其中S、 d這兩個不變，改變ε可使電容Cx變化。因此當有降水發生時，承雨口內第一傳感器也會發生變化，并且隨著降水強度的變化，引起極板間電介質ε的變化，從而導致電容容量Cx 發生變化，由電容容量的變化進而可測算出降雨量的變化。[0052]第一傳感器5和第四傳感器8依據電容器理論進行設計，具有溫度穩定性好、結構簡單、適應性強、動態響應快、能實現非接觸性測量等特點。[0053]請參考圖4，圖4為圖2中所述第二傳感器的工作原理圖。第二傳感器6包括位于同一水平面上的第一電極點6-1和第二電極點6-2,第一電極點6-1和第二電極點6-2與采集器4的處理電路連接。[0055]第二傳感器6主要利用空氣和水的導電性的差異進行設計的。將傳感器的兩個導電觸點設計在同一水平面上，當這一平面沒有雨水時(空氣)，為高阻狀態。當這一平面有雨水時，為導通狀態，具有結構簡單、輸出精度較高、線性和穩定性好等特點。[0056]第二傳感器6的數量為兩個，沿高度方向在承雨口濾網2上間隔分布。當然，第二傳感器6的數量還可以是多個，可根據承雨口尺寸、測量精度的要求進一步增加或減少。[0057]第三傳感器7的工作原理與第二傳感器6相同，其兩個導電觸點嵌入承雨口出水口 1-1的壁內，并且在設計時將原出水口的平口改為45°傾斜口，其主要目的是在初始降雨時可將微量降水通過傾斜面引流匯集到最低處(第三傳感器采集點)形成第一滴水滴，然后滴入出水口下方的引水漏斗3中。因此第三傳感器7可在第一時間判斷出匯集第一滴水滴的降雨時間，這是其它翻斗雨量傳感器所不具備的。[0058]上述傳感器均無需單獨安裝，可直接嵌入過濾網和出水口中，在生產加工過濾網和出水口的同時,通過注塑一次加工完成。[0059]由上所述，本實用新型所提供的智能翻斗式雨量傳感裝置，主要是在原結構中的承雨口 I、承雨口濾網2、承雨口出水口 1-1和引水漏斗3這四部分上增加了四個傳感器，用于采集這些區域的相關信息，以便對承雨口 I整個區域以及承雨口 I、承雨口濾網2、承雨口出水口 1-1、引水漏斗3、翻斗和干簧管等關鍵點的狀態進行監測。并通過采集器4中的系統軟件對各種情況下的系統工作狀態進行分析處理，得出對應的結論。[0060]具有如下功能[0061]I.第一時間識別降水發生；[0062]2.監測承雨口內雨水的分布狀態；[0063]3.監測承雨口出水口水流暢通狀態；[0064]4.監測引水漏斗漏水狀態；[0065]5.監測翻斗和干簧管工作狀態；[0066]6.監測超出本雨量站傳感器檢測上限的特大暴雨。[0067]綜上所述，該傳感器集先進的計算機技術 、傳感技術和通信技術于一體，采用模塊化設計，在復雜的環境下具有很高的可靠性。使用本裝置可以增強翻斗雨量傳感器的智能化、可靠性和穩定性。[0068]上述智能翻斗式雨量傳感裝置僅是一種優選方案，具體并不局限于此，在此基礎上可根據實際需要作出具有針對性的調整，從而得到不同的實施方式。由于可能實現的方式較多，這里就不再一一舉例說明。[0069]請參考圖5，圖5為本實用新型所提供智能翻斗式雨量傳感裝置的工作狀態監測方法的流程總圖。[0070]上述智能翻斗式雨量傳感裝置的工作狀態監測方法如下[0071]I.承雨口出水口水流暢通狀態，包括如下步驟[0072]步驟I. I :由于野外環境惡劣，雨量傳感器長期放置在野外，承雨口出水口 1-1很容易被樹葉、泥沙等雜質堵塞，一旦出現這種情況，可由采集器根據第一傳感器5和第二傳感器6的測量數據判斷承雨口 I內是否存在積水；[0073]步驟I. 2 :由采集器4記錄翻斗在設定時間內的翻轉次數，并將該數值與承雨口 I 未積水的最大臨界值相比較，判斷翻斗的翻轉次數是否低于所述最大臨界值；[0074]步驟I. 3 :若步驟I. I和步驟I. 2的判斷結果同時為是，則可以判斷承雨口出水口 1-1阻塞，由采集器4向數據中心發送承雨口出水口阻塞報告；[0075]2.引水漏斗出水狀態包括如下步驟[0076]步驟2. I :由雨量傳感器的構造可知，承雨口出水口 1-1大于引水漏斗3的出水口，當降水持續達到或超過一定強度一段時間后，引水漏斗3滿載，當引水漏斗3滿載時會觸發第四傳感器8;[0077]步驟2. 2 :由采集器4記錄翻斗在設定時間內的翻轉次數，并將該數值與引水漏斗 3滿載且暢通情況下相同時間內翻斗的正常翻轉次數相比較，判斷翻斗的翻轉次數是否低于所述正常翻轉次數；[0078]步驟2. 3 :若步驟2. I和步驟2. 2的判斷結果同時為是，則可以判斷引水漏斗3阻塞，由采集器4向數據中心發送引水漏斗阻塞報告；[0079]3.翻斗和干簧管工作狀態，包括如下步驟[0080]步驟3. I 由采集器4根據第一傳感器5的測量數據判斷實時的降水強度，并根據第二傳感器6的測量數據判斷承雨口 I內雨水的分布狀態和積水情況，并將降水強度信息和積水情況上報數據中心；[0081]具體來講，當降水發生時，從降水發生到結束，降水強度不是一成不變的，采集器4 根據第一傳感器5所采集數據的變化，對應于分析軟件中的數據模型將電容的變化轉換為降水強度的變化，再結合翻斗在單位時間內的翻轉次數，由此來判斷實時的降水強度。[0082]當降雨量超過一定的雨強時，承雨口 I內的水無法及時通過出水口排出，一段時間內會在承雨口內形成積水。并且隨著降雨強度的不同，承雨口 I內雨水的分布狀態也會隨之發生變化。當降水發生時，第一傳感器5的檢測數據根據降水強度的不同而發生變化， 根據不同的降水強度結合第二傳感器6所判斷的液位情況以及翻斗單位時間的翻轉次數， 以此來判斷承雨口I內雨水的分布狀態和積水情況。[0083]步驟3.2 :由采集器4根據第三傳感器7的測量數據判斷是否有雨水通過承雨口出水口 1-1 ；[0084]步驟3. 3 由采集器4根據第四傳感器8的測量數據判斷引水漏斗3是否滿載；[0085]步驟3. 4 :當步驟3. I判斷承雨口 I內存在積水，且降水強度在設定時間內的降雨量超過引起翻斗翻轉的最小降水量，同時，步驟3. 2的判斷有雨水通過承雨口出水口 1-1， 且步驟3. 3判斷引水漏斗3未滿載時，若翻斗未翻轉計數，則可以判斷翻斗和干簧管未處于正常工作狀態，由采集器4向數據中心發送翻斗和干簧管故障報告。[0086]進一步地,包括如下特大暴雨判斷步驟[0087]步驟4. I 由采集器4根據第一傳感器5和第二傳感器6的測量數據判斷承雨口 I 內的積水是否超過其檢測上限；[0088]步驟4.2 :由采集器4根據第三傳感器7的測量數據判斷是否有雨水通過承雨口出水口 1-1 ；[0089]步驟4. 3 由采集器4根據第四傳感器8的測量數據判斷引水漏斗3是否滿載；步驟4.4 :若步驟4. I、步驟4. 2、步驟4. 3的判斷結果為是，且翻斗在設定時間內的翻轉次數達到所允許的最大值時，可確定降雨為超出該雨量傳感器檢測上限的特大暴雨，由采集器4向數據中心發送特大暴雨預警報告。[0091 ] 在設定時間內，當第三傳感器7被第一次觸發時，采集器4進行記錄并第一時間向數據中心發送降水發生報告。[0092]根據第三傳感器7的原理，返回數據為高阻值表示未發生降水，低阻值表示有降水。這里分別用O和I來表示，O表示高阻值，I表示低阻值。在降雨發生時，降水通過承雨口 I匯集，通過承雨口出水口 1-1傾斜面引流匯集到最低處形成第一滴水滴，水滴通過第三傳感器7采集點，然后滴入出水口下方的引水漏斗3中。[0093]當第一滴水滴通過第三傳感器7時，第三傳感器7導通，狀態發生變化，由O變為 I。當采集器收到第三傳感器7返回數據為I時，表示有降水發生，采集器4進行記錄并向數據中心發送降水發生的報告，而未加裝第三傳感器7的雨量傳感器只有在翻斗翻轉的時候才能判斷降水發生。[0094]以上對本實用新型所提供的智能翻斗式雨量傳感裝置進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權利要求的保護范圍內。·
權利要求1.一種智能翻斗式雨量傳感裝置，包括承雨口、承雨口濾網、引水漏斗以及采集器，其特征在于，還包括用于測量承雨口內雨水水位狀態變化數據的第一傳感器，設于所述承雨口 ；用于分段測量承雨口中水位液面高度所落入的范圍的第二傳感器，其數量至少一個，設于所述承雨口濾網；設于所述承雨口出水口處的第三傳感器，當有雨水流經所述承雨口出水口時，第三傳感器被觸發；用于測量引水漏斗高水位處積水液位的變化數據的第四傳感器，設于所述引水漏斗頂部敞口的內壁上；所述第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器、第四傳感器的輸出端與所述采集器的處理電路連接。
2.根據權利要求I所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述第一傳感器和第四傳感器均包括相互平行并間隔一定距離的第一極板和第二極板；所述第一極板和第二極板的輸出端與所述采集器的處理電路連接。
3.根據權利要求2所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述第一傳感器的第一極板和第二極板從所述承雨口底部向上延伸且分列于所述承雨口濾網的外側。
4.根據權利要求2所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述第四傳感器的第一極板和第二極板對稱布置于所述引水漏斗頂部敞口的內壁上。
5.根據權利要求I所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述第二傳感器沿高度方向在所述承雨口濾網上間隔分布。
6.根據權利要求5所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述第二傳感器的數量為兩個。
7.根據權利要求I所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述承雨口的出水口末端為斜開口，所述第三傳感器安裝于所述斜開口處。
8.根據權利要求7所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述承雨口的出水口末端的斜開口呈45°。
9.根據權利要求I所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述第二傳感器和第三傳感器均包括位于同一水平面上的第一電極點和第二電極點；所述第一電極點和第二電極點與所述采集器的處理電路連接。
10.根據權利要求I至9任一項所述的智能翻斗式雨量傳感裝置，其特征在于，所述第一傳感器嵌入所述承雨口濾網外側、所述第二傳感器嵌入所述承雨口濾網、所述第三傳感器嵌入所述承雨口出水口、所述第四傳感器嵌入所述引水漏斗。
專利摘要本實用新型公開了一種智能翻斗式雨量傳感裝置，包括第一傳感器，設于所述承雨口濾網外側，用于測量承雨口內雨水水位變化狀態數據；第二傳感器，至少一個，設于所述承雨口濾網，用于分段測量承雨口中水位液面高度范圍的數據；第三傳感器，設于所述承雨口出水口處，當有雨水流經所述承雨口出水口時，該傳感器被觸發；第四傳感器，設于所述引水漏斗頂部敞口的內壁上，用于測量引水漏斗高水位處水位液面高度的變化數據；所述第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器、第四傳感器的輸出端與所述采集器的處理電路連接。該雨量傳感器可實時監測翻斗式雨量傳感器各組成部分的工作狀態。
文檔編號G01W1/14GK202794580SQ20122041773
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月21日 優先權日2012年8月21日
發明者張少夫, 范銅堂, 李建成 申請人:北京中科宇天科技發展有限公司