具有自补偿功能的远程虹吸排水式降雨量测量方法和装置

1.一种具有自补偿功能的远程虹吸排水式降雨量测量方法，其特征在于该方法的步骤如下：
任何瞬时带自补偿的降雨量测量表达为：
式(1)中的ΔhN (j)是由第j+1次测量管水位变化的一个循环中，在t1(n+1)≤t≤t2(n+1)时间内，即虹吸排水过程中的降雨量值，由于降雨的速率不是恒定量，一般各ΔhN(j)不等，即ΔhN(j-1)≠ΔhN(j)≠ΔhN(j+1)，且i＜0时ΔhN(i)＝0；n表示测量管水位变化的循环已有n个循环完成，n的取值为0，1，2，......；K是测量管水位转换成降雨量的比例系数；h单(n+1)(t)表达式：
式(2)表述的是降雨过程中任何一次测量管水位上升和虹吸排水的循环
t2n≤t≤t2(n+1)中的测量管水位的瞬时累计值，式(2)中h(t)是实测的测量管水位值；h1(t)在t1(n+1)≤t≤t’2(n+1)是固有的虹吸排水直线，是已测定好的已知关系，t’2(n+1)≤t≤t2(n+1)是固有的虹吸排水直线的延长段，t2(n+1)可通过测量管水位上升和虹吸排水的循环到达最低点的时刻确定，这在测量装置内的MCU可用相应的判断程序实现，得到t2(n+1)后，由MCU的程序作虹吸排水直线的延长段，h1(t)在t1(n+1)≤t≤t2(n+1)内完全确定；将式(2)的结果代入式(1)，则可得出带补偿的降雨量测量值h降雨量(t)，式中hN是h(t)的最大值，其大小也是由虹吸管和测量管的结构定，任何一次单次测量过程hN均为定值。

具有自补偿功能的远程虹吸排水式降雨量测量方法和装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及降雨量测量，尤其是涉及一种具有自补偿功能的远程虹吸排水式降雨量测量方法和装置。\n背景技术\n[0002] 在气象、水利、地质灾害防治等各领域都需要对降雨量进行测量。对于远程野外降雨量的测量，由于考虑排水的耗电问题，现在使用的远程自动测量降雨量的装置是运用翻斗式传感器，其测量精度较低，通常误差为±4％。而现有的虹吸排水式降雨量测量装置是依靠机械机构式的纸带记录设备，需要人工到现场观测纸带上的记录曲线得出降雨量的多少，纸带上的信息是不能远传的，且其测量综合误差为±2％。因而需要一种既能满足野外测量低功耗的要求，又能实现对降雨量的高精度测量的测量方法和远程测量装置。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于提供一种具有自补偿功能的远程虹吸排水式降雨量测量方法和装置，可实现低功耗的现场测量、数据自动远程传输、利用虹吸原理自动排水、虹吸排水时具有自动补偿功能的降雨量测量方法和装置。\n[0004] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：\n[0005] 一、一种具有自补偿功能的远程虹吸排水式降雨量测量方法，该方法的步骤如下：\n[0006] 任何瞬时带自补偿的降雨量测量表达为：\n[0007] \n[0008] 式(1)中的ΔhN(j)是由第j+1次测量管水位变化的一个循环中，在t1(n+1)≤t≤t2(n+1)时间内，即虹吸排水过程中的降雨量值，由于降雨的速率不是恒定量，一般各ΔhN(j)不等，即ΔhN(j-1)≠ΔhN(j)≠ΔhN(j+1)，且i＜0时ΔhN(i)＝0；n表示测量管水位变化的循环已有n个循环完成，n的取值为0，1，2，……；K是测量管水位转换成降雨量的比例系数；h单(n+1)(t)表达式：\n[0009] \n[0010] 式(2)表述的是降雨过程中任何一次测量管水位上升和虹吸排水的循环(t2n≤t≤t2(n+1))中的测量管水位的瞬时累计值，式(2)中h(t)是实测的测量管水位值；h1(t)在t1(n+1)≤t≤t’2(n+1)是固有的虹吸排水直线，是已测定好的已知关系，t’2(n+1)≤t≤t2(n+1)是固有的虹吸排水直线的延长段，t2(n+1)可通过测量管水位上升和虹吸排水的循环到达最低点的时刻确定，这在测量装置内的MCU可用相应的判断程序实现，得到t2(n+1)后，由MCU的程序作虹吸排水直线的延长段，h1(t)在t1(n+1)≤t≤t2(n+1)内完全确定。将式(2)的结果代入式(1)，则可得出带补偿的降雨量测量值h降雨量(t)。\n[0011] 二、一种具有自补偿功能的远程虹吸排水式降雨量测量装置：\n[0012] 在集雨桶底部的出口经流水软管从降雨量测量管底部接入，降雨量测量管管壁设有虹吸管，降雨量测量管和测量仪器均安装在支撑架上，测量仪器分别与安装在降雨量测量管底部外的压力传感器和蓄电池连接，整个测量装置安装在外桶内。\n[0013] 所述的测量仪器包括放大和滤波电路、A/D转换电路、单片微型计算机和GSM或GPRS远程发送模块；放大和滤波电路的一端接压力传感器(12)，放大滤波电路的另一端经A/D转换电路、单片微型计算机和GSM或GPRS远程发送模块连接。\n[0014] 所述的放大和滤波电路采用差动式线路结构或集成仪用放大模块电路构成放大和滤波电路，输入的信号是压力传感器输出的与水位成正比的电压信号，输出的信号是放大和滤波电路的输出电压信号。\n[0015] 本发明具有的有益效果是：\n[0016] 本发明可实现低功耗的现场测量、数据自动远程传输、利用虹吸原理自动排水、虹吸排水时具有自动补偿功能的降雨量测量，它将极大地提高远程自动测量降雨量的精度。\n附图说明\n[0017] 图1是本发明的测量装置结构原理示意图。\n[0018] 图2是本发明的测量仪器电路结构原理框图。\n[0019] 图3是本发明的放大和滤波电路图。\n[0020] 图4是虹吸过程中漏计的降雨量ΔhN分析图；\n[0021] 图4-1是实际降雨水位及虹吸过程曲线图；\n[0022] 图4-2是无降雨时的虹吸过程曲线图；\n[0023] 图4-3是实际降雨时虹吸过程中降雨量的曲线图。\n[0024] 图5是现有的虹吸式雨量计在坐标纸上画出周而复始的O-A-B曲线图。\n[0025] 图6是第n+1次测量管水位上升和虹吸排水循环的曲线图；\n[0026] 图6-1是降雨时第n+1次测量管水位上升和虹吸排水循环的曲线图；\n[0027] 图6-2是无降雨时的虹吸过程曲线图；\n[0028] 图6-3是实际降雨时虹吸过程中降雨量的曲线图。\n[0029] 图中：1-外桶，2-集雨捅，3-支撑环，4-虹吸高度，5-虹吸管，6-测量仪器，7-天线，8-信号传输线，9-支撑架，10-电源线，11-蓄电池，12-压力传感器，13-降雨量测量管，\n14-流水软管。\n具体实施方式\n[0030] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。\n[0031] 如图1所示，本发明在集雨桶2底部的出口经流水软管14从降雨量测量管13底部接入，降雨量测量管13管壁设有虹吸管5，降雨量测量管13和测量仪器6均安装在支撑架9上，测量仪器6分别与安装在降雨量测量管13底部的压力传感器12用信号传输线8连接和蓄电池11经电源线10连接，整个测量装置安装在外桶1内。集雨桶2固定在外桶\n1内的支撑环3上，测量仪器6接天线7。\n[0032] 如图2、图3所示，所述的测量仪器6包括放大和滤波电路、A/D转换电路、单片微型计算机和GSM或GPRS远程发送模块；放大和滤波电路的一端接压力传感器，放大滤波电路的另一端经A/D转换电路、单片微型计算机和GSM或GPRS远程发送模块连接。\n[0033] 所述的放大和滤波电路采用差动式线路结构或集成仪用放大模块电路构成放大和滤波电路，输入的信号是压力传感器输出的与水位成正比的电压信号，输出的信号是放大和滤波电路的输出电压信号。\n[0034] 如图1所示，本装置的最外部是一个保护桶；内部的上部是一个集雨桶2，它收集自然降雨的雨水，并通过流水软管14流到下面的降雨量测量管13；降雨量测量管13是一根圆柱形的空心管，降雨量测量管13的底部装有一个防水的压力传感器12，根据降雨量测量管底部压力的大小与管内水位高度成正比的原理，压力传感器12测量出降雨量测量管\n13内水位的高度，水位高度与降雨量成正比；降雨量测量管13的管壁有一根虹吸管5，用于降雨量测量管13内水的自动排出，根据虹吸原理，降雨量测量管内的水到一定的高度(见图1中的虚线表示的虹吸高度4)时，虹吸发生，降雨量测量管13内的水被自动排出；压力传感器12的信号由测量仪器进行放大、滤波、A/D转换、量值转换、补偿计算、编码、远程发送等一系列的处理，从而实现降雨量的远程自动测量；蓄电池11是测量仪器6和压力传感器12的电源；因利用虹吸原理的自动排水和以测量压力测出降雨量相结合的测量方式组成仪器，这使得仪器的耗电很小，完全可以用蓄电池长期供电。\n[0035] 测量仪器6的关键特点是具有后面叙述的自补偿测量算法，使得仪器的精度可远高于现有的翻斗式和虹吸式测量装置。测量仪器的组成见图2所示。\n[0036] 图2中的放大和滤波电路是运用低功耗、低漂移、低噪声的集成运算放大器，采用差动式线路结构组成，电路如图3所示；也可用各种集成仪用放大模块电路构成放大和滤波电路。图3中ui是放大和滤波电路的输入电压信号，也就是压力传感器12输出的与水位成正比的电压信号；uo是放大和滤波电路的输出电压信号。\n[0037] A/D转换电路几乎可以采用任何一种逐次比较型并行A/D转换器或∑-Δ型的串行A/D转换器，为了兼顾速度、成本和功耗，本发明采用了16位∑-Δ型的串行A/D转换器(MAX1415或MAX7705)。\n[0038] 单片微型计算机(即MCU)可采用任何一种面市的产品，考虑功耗，选用了美国TI公司的MSP430F系列，具体型号为：MSP 430F 135或MSP 430F 149。\n[0039] GSM或GPRS远程发送模块可应用美国SIMCOM公司、德国西门子公司、台湾BenQ公司生产的模块，本发明中选用SIMCOM公司的sim300c或BenQ公司的BENQ M23。\n[0040] 本发明的降雨量测量方法：\n[0041] 利用虹吸原理进行排水不需要能量，这是解决野外自动测量时减少能量消耗的好办法。图4-1是在假设单位时间降雨量是常数的前提下，反映降雨发生时测量管内的水位变化的过程，从O点到A点是随着降雨，测量管内水位升高的阶段，当降雨量测量管中的水位到达A点即水位高度hN时，发生虹吸，水位开始下降，即图4-1所示的A点到B点阶段，此阶段利用虹吸进行排水；在降雨量测量管中的水位上升和虹吸排水的循环中，B点即是下个水位升降循环的O点，再从B点开始水位上升的过程。现有的虹吸式雨量计是用一套机械机构随着测量管中水位的高低变化带动画针，在坐标纸上画出周而复始的O-A-B曲线(见图5所示)，由抄表员在雨停后数出坐标纸上的O-A的线段个数，即hN的个数n，再量出最后一段O→A的过程中，尚未到达A点的线段的高度hX，如图5所示，最后得出此次降雨过程的降雨量h∑＝n·hN+hX。用这种测量方法，可见在降雨量测量过程中当降雨量测量管中的水位到达高度hN时(hN是虹吸高度)，发生虹吸，水位开始下降(如图4-1所示的A点到B点阶段)，但此时降雨仍在进行，若仅以hN计降雨量，则在图4-1中所示的Δt＝t2一t1时间内有ΔhN的降雨量被遗漏，ΔhN的大小从图4-3可得出，图4-3是在虹吸过程中降雨使测量管的水位发生变化的曲线图(t1≤t≤t2时间段的实线)，它与O-A线段平行。\n据此，现有的虹吸式雨量计测出的降雨量h∑＝n·hN+hX的总遗漏降雨量(总误差)Δh∑＝n·ΔhN。可见，实际的降雨量应是h∑+Δh∑＝n·hN+hX+n·ΔhN。\n[0042] 根据上述分析，本发明提出一种在虹吸发生时的测量补偿方法，以消除误差。图4是将实际降雨过程中的测量管中的水位高度变化图4-1分解成图4-2和图4-3，也就说图\n4-1由无降雨时的虹吸发生时测量管水位变化曲线图4-2和虹吸发生时因实际降雨使测量管水位变化的曲线图4-3叠加而成。在图4-2和图4-3中O-A-B虚线是图4-1所示的实际降雨过程中的测量管中的水位高度变化曲线。图4-2所示的无降雨时的虹吸发生过程中测量管水位变化的实际曲线是t1≤t≤t’2的实线，t’2≤t≤t2部分的点划线是t1≤t≤t’2的实线的延长线，在实际无降雨的虹吸过程中是不可能出现t’2≤t≤t2部分的点划线，图\n4-2中t1≤t≤t’2的实线和t’2≤t≤t2的点划线是由图4-1的曲线减图4-3的曲线得出。从图4-1、图4-2、图4-3可得出，在有降雨时发生虹吸时测量管水位下降速度(见图\n4-1中A-B线段)，慢于无降雨发生虹吸时测量管水位下降速度(见图4-2中从t1-t’2的实线)，其原因就是前者在虹吸过程中还有降雨(见图4-3的曲线)。为了说明问题，先假设在t1≤t≤t2时间内的降雨速率与0≤t≤t1时间内的降雨速率相同，因此图4-3的曲线与图4-1中O-A线段平行。从虹吸的机理可知，图4-2水位下降过程t1≤t≤t’2的曲线是测量管和虹吸管制成后的固有曲线，不会随降雨量的变化而变化。据此，在实际测量时，将实际虹吸发生时(即在t1≤t≤t2)的测量管水位变化曲线(例如图4-1的A-B线段)减去无降雨发生虹吸时测量管水位变化线段和该线段的延长线段(图4-2中t1≤t≤t’2的实线和t’2≤t≤t2的点划线)，即可得出在t1≤t≤t2时间与实际降雨量对应的测量管水位变化线段(例如图4-3的曲线)，从而得出ΔhN。必须指出，考虑到实际的降雨过程并非是恒速率的，因此图4-1的O-A线段和A-B线段在实际测量时并非是直线；但是，无降雨时发生虹吸使测量管水位变化的线段是直线。因而，从图4，可得实际测量补偿的关系表达，图4中h(t)是降雨过程实际的测量管水位变化曲线，h1(t)是无降雨时发生虹吸使测量管水位变化的直线和延长段直线的函数(即h1(t)包括实线和点划线)，h2(t)是测量过程中t1≤t≤t2时间内虹吸发生时的降雨量引起测量管水位变化的函数，单次测量(在\n0≤t≤t2内)带补偿的测量函数关系：\n[0043] \n[0044] 式(1)中h(t)是由图1的测量装置实际测出的；h1(t)是在虹吸管和测量管的结[0045] 构都定下后专门标定实验测出其实线部分，再根据实线斜率延长，延长的长度由t2时刻定，t2是由降雨速率的大小定，降雨速率大t2大，降雨速率小t2小，每一个单次测量循环的时间长度0≤t≤t2是不等的；hN是h(t)的最大值，其大小也是由虹吸管和测量管的结构定，任何一次单次测量过程hN均为定值。由于实际降雨是变化的，h(t)的实际曲线不一定是直线(通常是折线)，h2(t)也不一定是h(t)的O-A线段的平移。\n[0046] 根据上式，任何瞬时的降雨量测量表达为：\n[0047] \n[0048] 式(2)中的ΔhN(j)是由第j+1次测量管水位变化如图4-1所示的一个循环中，在t1≤t≤t2时间内降雨量的值，即如图4-3所示的ΔhN，由于降雨的速率不是恒定量，一般各ΔhN(j)不等，即ΔhN(j-1)≠ΔhN(j)≠ΔhN(j+1)，且i＜0时ΔhN(i)＝0；n表示如图4-1所示的循环已有n个循环完成，n的取值可为(0，1，2，……)；K是测量管水位转换成降雨量的比例系数；h单(+1)(t)是第n+1次的h单(t)，根据式(1)h单(n+1)(t)表达式：\n[0049] \n[0050] 式(3)表述的是降雨过程中任何一次测量管水位上升和虹吸排水的循环，式(3)中当n＝0时表达是第1次测量管水位上升和虹吸排水的循环，式(3)对应的图示表达见图6所示，当n＝0图6-1与图4-1表达的单次循环相同(此时图6的t20对应图4的0，图6的t11对应图4的t1，图6的t21对应图4的t2)；可见式(3)中h(t)是实测的；h1(t)在t1(n+1)≤t≤t’2(n+1)是固有的虹吸排水时水位下降直线，是仪器制作时已测定好的已知关系，t’2(n+1)≤t≤t2(n+1)是固有的虹吸排水直线的延长段，t2(n+1)可通过图6-1到达最低点的时刻确定，这在测量装置的MCU可用相应的判断程序实现，得到t2(n+1)后，由MCU的程序作虹吸排水直线的延长段，h1(t)在t1(n+1)≤t≤t2(n+1)内完全确定。将式(3)的结果代入式(2)，则可得出带补偿的降雨量测量值h降雨量(t)。