雨水雨量監測裝置的設計

陳杰

（晉中信息學院，山西晉中 030800）

近年來，洪澇災害多發對我國國民經濟造成了嚴重的影響。因此，對氣候氣象進行研究對保護人民生命財產安全有著重要的意義。而對氣象要素進行研究時，降雨量的觀測研究是獲取水資源動態信息的重要環節，是保證工農業正常生產、防汛工作和水利工程順利實施的必要條件。目前，國內外常見的雨水監測裝置包括雨量器及雨量計，在一定程度上不能滿足精確、快速、實時的測量要求。為此，本設計提出一種地測防治水用雨量監測裝置的設計，以解決現有技術存在的測量方式單一不精準的問題。

1 雨量監測儀的分類和工作原理

降水量(mm),指的是一定時間內在特定地點從空中降落到水平地面上的液態水或融化后的固態水在無滲透、蒸發、流失情況下所測得的水層深度。在實際中，用某一段時間內降水量的多少來劃分不同區域的降水強度，以此對氣象研究提供數據，保證工農業生產生活的正常運行。目前用于測定降水量的儀器，主要包括雨量器和雨量計兩種類型。

1.1 雨量器

雨量器主要用途為連續時間段內降水量的累計測量。目前大多數的雨量器結構較為簡單，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水器。在實際中，考慮到雨水飛濺對測量準確度的影響，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水瓶實現雨水收集。當對雨量進行測量時，直接將儲水瓶內雨水倒入的雨量杯內便可直接讀取出降水量。冬季對降雪進行測量時，將上下兩部分直接取走，將雪花收集在雨量筒內。測量時，可以對融雪后進行測量或用對雪秤重換算成降雨量。

1.2 雨量計

雨量計也是用于連續時間段內降水量的儀器。相比雨量器，雨量計測量更為準確、快速有效。目前常用的雨量計包括虹吸式、翻斗式。虹吸式雨量計主要利用虹吸管對降水量進行累計監測。其主要結構包括盛水漏斗、浮子、虹吸管、記錄筆及殼體，如圖2 所示。當進行雨量測量時，雨水首先經盛水漏斗進入雨量計內腔，位于內筒內的浮子由于水位升高而上浮。由于浮子與自動筆相連，自記筆記錄浮子運動的軌跡線則為水位的變化量。當量桶內的水位達到設定高度時，與浮子室連通的虹吸管產生虹吸作用，將內部雨水排出到儲水瓶中，記錄筆歸零并重復上述過程，以此記錄累計降水量過程。

翻斗式雨量計是采用電子器件降水量變化及累計測量的有線遙測儀器。其主要優點為降雨量可以轉換為數字信號便于降水量信息的進行數據傳輸及處理。主要由兩部分構成：感應器和記錄器。感應器主要利用翻斗重心改變導致翻轉，而每一次翻轉導致接觸開關閉合，翻轉的次數則是發送脈沖的次數。記錄器則根據脈沖信號，對降水量進行累計記錄，最終將整個降水過程記錄下來。翻斗是該設備的重要組成部分，結構為兩個完全對稱的三角形容器，中間加裝隔板且可繞水平軸轉動，從而使兩側容器輪流接水。

2 總體設計方案

目前常用的測量儀器都存在一定的優缺點。雨量器結構簡單造價低，適用范圍廣。但測量精度低，準確性低，無法進行過程監控。雨量器則是無法實時傳送數據，已經無法滿足當前的數據處理要求。因此在本設計中采用了一種新型的雨水接收方式，并配備了傳感器及無線傳輸裝置，便于實時傳輸處理數據。該雨水雨量監測裝置的總體設計方案，如圖1 所示，主要工作部件由以下幾部分構成：監測本體1、該本體的底端左右兩側設有兩組插地桿2，并且在本體的兩側設置兩組開口，開口中設置過濾網3。監測本體的左右兩側上下兩端均設有連接板4，并且在該連接板的外側設置了第二過濾網5，且過濾網3 的網孔直徑小于第二過濾網5 的網孔直徑。在該過濾網與連接板4 的連接處設置卡槽6，通過卡快7 可以將卡槽與連接板進行固定連接，在監測本體的內腔設計了兩組限位活動桿8，在這兩組活動桿的內側設置了漂浮板9，在監測本體的內腔頂端采用了激光測距傳感器進行測距操作，監測本體的頂端左右兩側設有兩組固定桿11，在固定桿的頂端設有伸縮桿12，固定桿的頂端設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腔。固定桿的內腔頂端設有回力彈簧13，以實現正常的伸縮功能，位于伸縮桿頂端的設置了連接塊14，連接塊的頂端連接有雨水感應膜15，連接塊的外側設置了散水板，監測本體的頂端安裝有控制器17，該傳感器可以對總體數據進行分析計算。

圖1 雨水雨量監測裝置總體設計圖

激光測距傳感器10 包括由激光發生器、檢測器以及測量電路三部分。此設計中采用激光傳感器進行測距只要基于其無接觸快速測距，、高精度、大量程以及抗干擾能力強的優點，以此保證長時間連續工作時設備的準確性及壽命。本設計采用Sensor part 公司生產的FT 80-RLA-500 激光測距傳感器，該傳感器測距與對比度無關，以此可以精確的監測漂浮板的上升距離。其主要的工作參數如表1 所示。

表1 FT 80-RLA-500 激光測距傳感器主要參數

圖2 為雨水雨量監測裝置感應部分設計圖，如圖所示在兩組所述連接塊14 的內側設有連接桿18 進行連接，連接桿的頂端設有弧形支撐板19，該支撐板的頂端設有加速度傳感板20對雨水加速度數據進行測量搜集，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 的頂端設有連接凹槽21，該凹槽21 的內腔頂端設有第二回力彈簧22。雨水感應膜15 的底端設有固定連接塊，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 雨水雨量監測裝置感應部分設計圖

3 工作原理及工作工程

3.1 工作原理

如圖1、圖2 所示，當設備進行使用時，先將插地桿2 插入地下，對監測本體1 進行固定。當雨天需要對降雨量進行監測時，雨水通過過濾網3 和第二過濾網5 先進行過濾去除雨水中的雜質后進入監測本體1 內，漂浮板9 向上漂浮，通過激光測距傳感器10 對漂浮板9 的高度進行測量，得到降雨量數據，雨滴滴落在雨水感應膜15 的頂端，帶動雨水感應膜15 向下凹陷，并接觸加速度傳感板20，通過加速度傳感板20 對雨水量進行分析，并通過控制器17 將降雨量信息發出。

3.2 工作過程

該裝置的具體工作過程為：位于監測本體底端左右兩側的插地桿在工作時插入地下，將該設備進行整體固定。位于監測本體左右兩側的兩組開口內的過濾網以及連接板外側的第二過濾網，對進入監測本體內的水進行過濾，避免由于雨水過大時將地面雜質一同帶入監測本體。位于監測本體內腔處兩組限位活動桿內側的漂浮板，當有雨水流入監測本體后，漂浮板將會向上漂浮，然后通過激光測距傳感器對漂浮板的高度進行測量，以便準確的搜集降雨數據。監測本體的頂端設有控制器，通過控制器可將降雨量信息及時發送。

兩組連接塊的內側的連接桿頂端設有弧形支撐板，弧形支撐板的頂端設有加速度傳感板，連接凹槽的內腔頂端設有第二回力彈簧。當有降雨時，通過第二回力彈簧向下運動，將雨水感應膜向下拉伸，并接觸加速度傳感板，以此進行降雨量的分析測量。同時，為避免雨水過大時，過多的雨水通過雨水感應膜左右兩側流至監測本體的頂端，影響測量的精度，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腔內運動。

4 結論

本設計采用機械方式與信息處理器相結合的方式進行設計，結構簡單且適用性強，能夠實時監測降雨量及降雨強度變化，可以實現無人值守。通過對特定區域雨量監測并實時發送數據，對防治洪澇災害、山洪預警、工農業降雨監測提供了必要的數據支持。