雨水雨量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

陳杰

（晉中信息學(xué)院，山西晉中 030800）

近年來，洪澇災(zāi)害多發(fā)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響。因此，對(duì)氣候氣象進(jìn)行研究對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要的意義。而對(duì)氣象要素進(jìn)行研究時(shí)，降雨量的觀測(cè)研究是獲取水資源動(dòng)態(tài)信息的重要環(huán)節(jié)，是保證工農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)、防汛工作和水利工程順利實(shí)施的必要條件。目前，國(guó)內(nèi)外常見的雨水監(jiān)測(cè)裝置包括雨量器及雨量計(jì)，在一定程度上不能滿足精確、快速、實(shí)時(shí)的測(cè)量要求。為此，本設(shè)計(jì)提出一種地測(cè)防治水用雨量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的測(cè)量方式單一不精準(zhǔn)的問題。

1 雨量監(jiān)測(cè)儀的分類和工作原理

降水量(mm),指的是一定時(shí)間內(nèi)在特定地點(diǎn)從空中降落到水平地面上的液態(tài)水或融化后的固態(tài)水在無(wú)滲透、蒸發(fā)、流失情況下所測(cè)得的水層深度。在實(shí)際中，用某一段時(shí)間內(nèi)降水量的多少來劃分不同區(qū)域的降水強(qiáng)度，以此對(duì)氣象研究提供數(shù)據(jù)，保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的正常運(yùn)行。目前用于測(cè)定降水量的儀器，主要包括雨量器和雨量計(jì)兩種類型。

1.1 雨量器

雨量器主要用途為連續(xù)時(shí)間段內(nèi)降水量的累計(jì)測(cè)量。目前大多數(shù)的雨量器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，工作原理與漏斗類似。一般采用不銹鋼圓筒作為外殼，且分為上下兩部分。上半部分加工成直徑20cm 的錐形漏斗，主要用于接收雨水并將雨水送至儲(chǔ)水器。在實(shí)際中，考慮到雨水飛濺對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，器口的面積和形狀加工要求較高，筒口一般為刀刃狀。下半部分用于放置儲(chǔ)水瓶實(shí)現(xiàn)雨水收集。當(dāng)對(duì)雨量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，直接將儲(chǔ)水瓶?jī)?nèi)雨水倒入的雨量杯內(nèi)便可直接讀取出降水量。冬季對(duì)降雪進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將上下兩部分直接取走，將雪花收集在雨量筒內(nèi)。測(cè)量時(shí)，可以對(duì)融雪后進(jìn)行測(cè)量或用對(duì)雪秤重?fù)Q算成降雨量。

1.2 雨量計(jì)

雨量計(jì)也是用于連續(xù)時(shí)間段內(nèi)降水量的儀器。相比雨量器，雨量計(jì)測(cè)量更為準(zhǔn)確、快速有效。目前常用的雨量計(jì)包括虹吸式、翻斗式。虹吸式雨量計(jì)主要利用虹吸管對(duì)降水量進(jìn)行累計(jì)監(jiān)測(cè)。其主要結(jié)構(gòu)包括盛水漏斗、浮子、虹吸管、記錄筆及殼體，如圖2 所示。當(dāng)進(jìn)行雨量測(cè)量時(shí)，雨水首先經(jīng)盛水漏斗進(jìn)入雨量計(jì)內(nèi)腔，位于內(nèi)筒內(nèi)的浮子由于水位升高而上浮。由于浮子與自動(dòng)筆相連，自記筆記錄浮子運(yùn)動(dòng)的軌跡線則為水位的變化量。當(dāng)量桶內(nèi)的水位達(dá)到設(shè)定高度時(shí)，與浮子室連通的虹吸管產(chǎn)生虹吸作用，將內(nèi)部雨水排出到儲(chǔ)水瓶中，記錄筆歸零并重復(fù)上述過程，以此記錄累計(jì)降水量過程。

翻斗式雨量計(jì)是采用電子器件降水量變化及累計(jì)測(cè)量的有線遙測(cè)儀器。其主要優(yōu)點(diǎn)為降雨量可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)便于降水量信息的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及處理。主要由兩部分構(gòu)成：感應(yīng)器和記錄器。感應(yīng)器主要利用翻斗重心改變導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)，而每一次翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致接觸開關(guān)閉合，翻轉(zhuǎn)的次數(shù)則是發(fā)送脈沖的次數(shù)。記錄器則根據(jù)脈沖信號(hào)，對(duì)降水量進(jìn)行累計(jì)記錄，最終將整個(gè)降水過程記錄下來。翻斗是該設(shè)備的重要組成部分，結(jié)構(gòu)為兩個(gè)完全對(duì)稱的三角形容器，中間加裝隔板且可繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使兩側(cè)容器輪流接水。

2 總體設(shè)計(jì)方案

目前常用的測(cè)量?jī)x器都存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)。雨量器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，適用范圍廣。但測(cè)量精度低，準(zhǔn)確性低，無(wú)法進(jìn)行過程監(jiān)控。雨量器則是無(wú)法實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理要求。因此在本設(shè)計(jì)中采用了一種新型的雨水接收方式，并配備了傳感器及無(wú)線傳輸裝置，便于實(shí)時(shí)傳輸處理數(shù)據(jù)。該雨水雨量監(jiān)測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示，主要工作部件由以下幾部分構(gòu)成：監(jiān)測(cè)本體1、該本體的底端左右兩側(cè)設(shè)有兩組插地桿2，并且在本體的兩側(cè)設(shè)置兩組開口，開口中設(shè)置過濾網(wǎng)3。監(jiān)測(cè)本體的左右兩側(cè)上下兩端均設(shè)有連接板4，并且在該連接板的外側(cè)設(shè)置了第二過濾網(wǎng)5，且過濾網(wǎng)3 的網(wǎng)孔直徑小于第二過濾網(wǎng)5 的網(wǎng)孔直徑。在該過濾網(wǎng)與連接板4 的連接處設(shè)置卡槽6，通過卡快7 可以將卡槽與連接板進(jìn)行固定連接，在監(jiān)測(cè)本體的內(nèi)腔設(shè)計(jì)了兩組限位活動(dòng)桿8，在這兩組活動(dòng)桿的內(nèi)側(cè)設(shè)置了漂浮板9，在監(jiān)測(cè)本體的內(nèi)腔頂端采用了激光測(cè)距傳感器進(jìn)行測(cè)距操作，監(jiān)測(cè)本體的頂端左右兩側(cè)設(shè)有兩組固定桿11，在固定桿的頂端設(shè)有伸縮桿12，固定桿的頂端設(shè)有與伸縮桿直徑相匹配的開口，因此伸縮桿可通過開口伸入固定桿的內(nèi)腔。固定桿的內(nèi)腔頂端設(shè)有回力彈簧13，以實(shí)現(xiàn)正常的伸縮功能，位于伸縮桿頂端的設(shè)置了連接塊14，連接塊的頂端連接有雨水感應(yīng)膜15，連接塊的外側(cè)設(shè)置了散水板，監(jiān)測(cè)本體的頂端安裝有控制器17，該傳感器可以對(duì)總體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1 雨水雨量監(jiān)測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)圖

激光測(cè)距傳感器10 包括由激光發(fā)生器、檢測(cè)器以及測(cè)量電路三部分。此設(shè)計(jì)中采用激光傳感器進(jìn)行測(cè)距只要基于其無(wú)接觸快速測(cè)距，、高精度、大量程以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，以此保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)設(shè)備的準(zhǔn)確性及壽命。本設(shè)計(jì)采用Sensor part 公司生產(chǎn)的FT 80-RLA-500 激光測(cè)距傳感器，該傳感器測(cè)距與對(duì)比度無(wú)關(guān)，以此可以精確的監(jiān)測(cè)漂浮板的上升距離。其主要的工作參數(shù)如表1 所示。

表1 FT 80-RLA-500 激光測(cè)距傳感器主要參數(shù)

圖2 為雨水雨量監(jiān)測(cè)裝置感應(yīng)部分設(shè)計(jì)圖，如圖所示在兩組所述連接塊14 的內(nèi)側(cè)設(shè)有連接桿18 進(jìn)行連接，連接桿的頂端設(shè)有弧形支撐板19，該支撐板的頂端設(shè)有加速度傳感板20對(duì)雨水加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量搜集，且弧形支撐板的弧度與加速度傳感板的弧形相匹配。連接塊14 的頂端設(shè)有連接凹槽21，該凹槽21 的內(nèi)腔頂端設(shè)有第二回力彈簧22。雨水感應(yīng)膜15 的底端設(shè)有固定連接塊，該連接塊與連接凹槽21 的直徑相匹配以便固定到凹槽中。

圖2 雨水雨量監(jiān)測(cè)裝置感應(yīng)部分設(shè)計(jì)圖

3 工作原理及工作工程

3.1 工作原理

如圖1、圖2 所示，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行使用時(shí)，先將插地桿2 插入地下，對(duì)監(jiān)測(cè)本體1 進(jìn)行固定。當(dāng)雨天需要對(duì)降雨量進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，雨水通過過濾網(wǎng)3 和第二過濾網(wǎng)5 先進(jìn)行過濾去除雨水中的雜質(zhì)后進(jìn)入監(jiān)測(cè)本體1 內(nèi)，漂浮板9 向上漂浮，通過激光測(cè)距傳感器10 對(duì)漂浮板9 的高度進(jìn)行測(cè)量，得到降雨量數(shù)據(jù)，雨滴滴落在雨水感應(yīng)膜15 的頂端，帶動(dòng)雨水感應(yīng)膜15 向下凹陷，并接觸加速度傳感板20，通過加速度傳感板20 對(duì)雨水量進(jìn)行分析，并通過控制器17 將降雨量信息發(fā)出。

3.2 工作過程

該裝置的具體工作過程為：位于監(jiān)測(cè)本體底端左右兩側(cè)的插地桿在工作時(shí)插入地下，將該設(shè)備進(jìn)行整體固定。位于監(jiān)測(cè)本體左右兩側(cè)的兩組開口內(nèi)的過濾網(wǎng)以及連接板外側(cè)的第二過濾網(wǎng)，對(duì)進(jìn)入監(jiān)測(cè)本體內(nèi)的水進(jìn)行過濾，避免由于雨水過大時(shí)將地面雜質(zhì)一同帶入監(jiān)測(cè)本體。位于監(jiān)測(cè)本體內(nèi)腔處兩組限位活動(dòng)桿內(nèi)側(cè)的漂浮板，當(dāng)有雨水流入監(jiān)測(cè)本體后，漂浮板將會(huì)向上漂浮，然后通過激光測(cè)距傳感器對(duì)漂浮板的高度進(jìn)行測(cè)量，以便準(zhǔn)確的搜集降雨數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)本體的頂端設(shè)有控制器，通過控制器可將降雨量信息及時(shí)發(fā)送。

兩組連接塊的內(nèi)側(cè)的連接桿頂端設(shè)有弧形支撐板，弧形支撐板的頂端設(shè)有加速度傳感板，連接凹槽的內(nèi)腔頂端設(shè)有第二回力彈簧。當(dāng)有降雨時(shí)，通過第二回力彈簧向下運(yùn)動(dòng)，將雨水感應(yīng)膜向下拉伸，并接觸加速度傳感板，以此進(jìn)行降雨量的分析測(cè)量。同時(shí)，為避免雨水過大時(shí)，過多的雨水通過雨水感應(yīng)膜左右兩側(cè)流至監(jiān)測(cè)本體的頂端，影響測(cè)量的精度，因此固定桿的頂端與伸縮桿直徑相匹配，且伸縮桿可以在固定桿內(nèi)腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用機(jī)械方式與信息處理器相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且適用性強(qiáng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)降雨量及降雨強(qiáng)度變化，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。通過對(duì)特定區(qū)域雨量監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)防治洪澇災(zāi)害、山洪預(yù)警、工農(nóng)業(yè)降雨監(jiān)測(cè)提供了必要的數(shù)據(jù)支持。