雨水雨量监测装置的设计

陈杰

（晋中信息学院，山西晋中 030800）

近年来，洪涝灾害多发对我国国民经济造成了严重的影响。因此，对气候气象进行研究对保护人民生命财产安全有着重要的意义。而对气象要素进行研究时，降雨量的观测研究是获取水资源动态信息的重要环节，是保证工农业正常生产、防汛工作和水利工程顺利实施的必要条件。目前，国内外常见的雨水监测装置包括雨量器及雨量计，在一定程度上不能满足精确、快速、实时的测量要求。为此，本设计提出一种地测防治水用雨量监测装置的设计，以解决现有技术存在的测量方式单一不精准的问题。

1 雨量监测仪的分类和工作原理

降水量(mm),指的是一定时间内在特定地点从空中降落到水平地面上的液态水或融化后的固态水在无渗透、蒸发、流失情况下所测得的水层深度。在实际中，用某一段时间内降水量的多少来划分不同区域的降水强度，以此对气象研究提供数据，保证工农业生产生活的正常运行。目前用于测定降水量的仪器，主要包括雨量器和雨量计两种类型。

1.1 雨量器

雨量器主要用途为连续时间段内降水量的累计测量。目前大多数的雨量器结构较为简单，工作原理与漏斗类似。一般采用不锈钢圆筒作为外壳，且分为上下两部分。上半部分加工成直径20cm 的锥形漏斗，主要用于接收雨水并将雨水送至储水器。在实际中，考虑到雨水飞溅对测量准确度的影响，器口的面积和形状加工要求较高，筒口一般为刀刃状。下半部分用于放置储水瓶实现雨水收集。当对雨量进行测量时，直接将储水瓶内雨水倒入的雨量杯内便可直接读取出降水量。冬季对降雪进行测量时，将上下两部分直接取走，将雪花收集在雨量筒内。测量时，可以对融雪后进行测量或用对雪秤重换算成降雨量。

1.2 雨量计

雨量计也是用于连续时间段内降水量的仪器。相比雨量器，雨量计测量更为准确、快速有效。目前常用的雨量计包括虹吸式、翻斗式。虹吸式雨量计主要利用虹吸管对降水量进行累计监测。其主要结构包括盛水漏斗、浮子、虹吸管、记录笔及壳体，如图2 所示。当进行雨量测量时，雨水首先经盛水漏斗进入雨量计内腔，位于内筒内的浮子由于水位升高而上浮。由于浮子与自动笔相连，自记笔记录浮子运动的轨迹线则为水位的变化量。当量桶内的水位达到设定高度时，与浮子室连通的虹吸管产生虹吸作用，将内部雨水排出到储水瓶中，记录笔归零并重复上述过程，以此记录累计降水量过程。

翻斗式雨量计是采用电子器件降水量变化及累计测量的有线遥测仪器。其主要优点为降雨量可以转换为数字信号便于降水量信息的进行数据传输及处理。主要由两部分构成：感应器和记录器。感应器主要利用翻斗重心改变导致翻转，而每一次翻转导致接触开关闭合，翻转的次数则是发送脉冲的次数。记录器则根据脉冲信号，对降水量进行累计记录，最终将整个降水过程记录下来。翻斗是该设备的重要组成部分，结构为两个完全对称的三角形容器，中间加装隔板且可绕水平轴转动，从而使两侧容器轮流接水。

2 总体设计方案

目前常用的测量仪器都存在一定的优缺点。雨量器结构简单造价低，适用范围广。但测量精度低，准确性低，无法进行过程监控。雨量器则是无法实时传送数据，已经无法满足当前的数据处理要求。因此在本设计中采用了一种新型的雨水接收方式，并配备了传感器及无线传输装置，便于实时传输处理数据。该雨水雨量监测装置的总体设计方案，如图1 所示，主要工作部件由以下几部分构成：监测本体1、该本体的底端左右两侧设有两组插地杆2，并且在本体的两侧设置两组开口，开口中设置过滤网3。监测本体的左右两侧上下两端均设有连接板4，并且在该连接板的外侧设置了第二过滤网5，且过滤网3 的网孔直径小于第二过滤网5 的网孔直径。在该过滤网与连接板4 的连接处设置卡槽6，通过卡快7 可以将卡槽与连接板进行固定连接，在监测本体的内腔设计了两组限位活动杆8，在这两组活动杆的内侧设置了漂浮板9，在监测本体的内腔顶端采用了激光测距传感器进行测距操作，监测本体的顶端左右两侧设有两组固定杆11，在固定杆的顶端设有伸缩杆12，固定杆的顶端设有与伸缩杆直径相匹配的开口，因此伸缩杆可通过开口伸入固定杆的内腔。固定杆的内腔顶端设有回力弹簧13，以实现正常的伸缩功能，位于伸缩杆顶端的设置了连接块14，连接块的顶端连接有雨水感应膜15，连接块的外侧设置了散水板，监测本体的顶端安装有控制器17，该传感器可以对总体数据进行分析计算。

图1 雨水雨量监测装置总体设计图

激光测距传感器10 包括由激光发生器、检测器以及测量电路三部分。此设计中采用激光传感器进行测距只要基于其无接触快速测距，、高精度、大量程以及抗干扰能力强的优点，以此保证长时间连续工作时设备的准确性及寿命。本设计采用Sensor part 公司生产的FT 80-RLA-500 激光测距传感器，该传感器测距与对比度无关，以此可以精确的监测漂浮板的上升距离。其主要的工作参数如表1 所示。

表1 FT 80-RLA-500 激光测距传感器主要参数

图2 为雨水雨量监测装置感应部分设计图，如图所示在两组所述连接块14 的内侧设有连接杆18 进行连接，连接杆的顶端设有弧形支撑板19，该支撑板的顶端设有加速度传感板20对雨水加速度数据进行测量搜集，且弧形支撑板的弧度与加速度传感板的弧形相匹配。连接块14 的顶端设有连接凹槽21，该凹槽21 的内腔顶端设有第二回力弹簧22。雨水感应膜15 的底端设有固定连接块，该连接块与连接凹槽21 的直径相匹配以便固定到凹槽中。

图2 雨水雨量监测装置感应部分设计图

3 工作原理及工作工程

3.1 工作原理

如图1、图2 所示，当设备进行使用时，先将插地杆2 插入地下，对监测本体1 进行固定。当雨天需要对降雨量进行监测时，雨水通过过滤网3 和第二过滤网5 先进行过滤去除雨水中的杂质后进入监测本体1 内，漂浮板9 向上漂浮，通过激光测距传感器10 对漂浮板9 的高度进行测量，得到降雨量数据，雨滴滴落在雨水感应膜15 的顶端，带动雨水感应膜15 向下凹陷，并接触加速度传感板20，通过加速度传感板20 对雨水量进行分析，并通过控制器17 将降雨量信息发出。

3.2 工作过程

该装置的具体工作过程为：位于监测本体底端左右两侧的插地杆在工作时插入地下，将该设备进行整体固定。位于监测本体左右两侧的两组开口内的过滤网以及连接板外侧的第二过滤网，对进入监测本体内的水进行过滤，避免由于雨水过大时将地面杂质一同带入监测本体。位于监测本体内腔处两组限位活动杆内侧的漂浮板，当有雨水流入监测本体后，漂浮板将会向上漂浮，然后通过激光测距传感器对漂浮板的高度进行测量，以便准确的搜集降雨数据。监测本体的顶端设有控制器，通过控制器可将降雨量信息及时发送。

两组连接块的内侧的连接杆顶端设有弧形支撑板，弧形支撑板的顶端设有加速度传感板，连接凹槽的内腔顶端设有第二回力弹簧。当有降雨时，通过第二回力弹簧向下运动，将雨水感应膜向下拉伸，并接触加速度传感板，以此进行降雨量的分析测量。同时，为避免雨水过大时，过多的雨水通过雨水感应膜左右两侧流至监测本体的顶端，影响测量的精度，因此固定杆的顶端与伸缩杆直径相匹配，且伸缩杆可以在固定杆内腔内运动。

4 结论

本设计采用机械方式与信息处理器相结合的方式进行设计，结构简单且适用性强，能够实时监测降雨量及降雨强度变化，可以实现无人值守。通过对特定区域雨量监测并实时发送数据，对防治洪涝灾害、山洪预警、工农业降雨监测提供了必要的数据支持。