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。

背景技术

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， 由于考虑说排水的耗电问题， 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书 ， 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� �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。

发明内容

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。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

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：

任何瞬时带自补偿的降雨量测量表达为： h 降雨量 ( )=ί:· i n'h _N +∑Ah _N (j ) + h 单 („ ₊ i)(t) } (D 式 (1)中的 Δ/ _Ν (/)是由第 _/+l次测量管水位变化的一个循环中，在 ¼ ₊₁ )≤/≤¼ _+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 Δ½ (/)不等， 即 Δ/ι _Ν (/— 1)≠Α/ΪΝ (/)≠Α½ (/+ 1)， 且 <0时 ΔΑ _Ν (ί·)=0 _; «表示测量管水 位变化的循环已有 w个循环完成， 《的取值为0， 1 ， 2， …； 是测量管水位转 换成降雨量的比例系数； ζ _Ψ (« ₊ ι)(0表达式： h 单 („ ₊ ι) (t) = (2)

; _(n+l) ^t^t ₂ ( _n +i) 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 ≤t≤ „ ₊₁ 中的测量管水位的瞬时累计值,式 (2)中 /i(t)是实测的测量管水位值； /n )在 „ ₊₁ )^≤ ₂₍₁₁₊₁ )是固有的虹吸排水直线， 是已测定好的已知关系， _2(η+1 )≤≤ _η+1 )是 固有的虹吸排水直线的延长段， _η+1 )可通过测量管水位上升和虹吸排水的循� � 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 ^i)后， 由 MCU的程序作虹吸排水直线的延长段， ^(t)在 ₊₁₎ ≤t≤t ₂ ( _n+1 )内完 全确定。 将式 (¾的结果代入式 (1)， 则可得出带补偿的降雨量测量值 A ^0。

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：

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。

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。

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 。

本发明具有的有益效果是：

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。

附图说明

图 1是本发明的测量装置结构原理示意图。

图 2是本发明的测量仪器电路结构原理框图。

图 3是本发明的放大和滤波电路图。

图 4是虹吸过程中漏计的降雨量 析图： 其中，

图 4-1是实际降雨水位及虹吸过程曲线图；

图 4-2是无降雨时的虹吸过程曲线图；

图 4-3是实际降雨时虹吸过程中降雨量的曲线图。

图 5是现有的虹吸式雨量计在坐标纸上画出周而� �始的 O_A_B曲线图。 图 6是第 w+1次测量管水位上升和虹吸排水循环的曲线图 ： 其中， 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 ； 图 6-2是无降雨时的虹吸过程曲线图；

图 6-3是实际降雨时虹吸过程中降雨量的曲线图。

图中： 1 外桶， 2—集雨捅， 3—支撑环， 4一虹吸高度， 5—虹吸管， 6— 测量仪器， 7 天线， 8 信号传输线， 9一支撑架， 10—电源线， 11一蓄电池， 12 压力传感器， 13—降雨量测量管， 14一流水软管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 。

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 1内的支撑环 3上，测量仪器 6接天线 7。

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� �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。

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 。

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 13 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。 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。

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 ^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； _M 。是放大和滤波电路的输 出电压信号。

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 Σ-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 Σ-Δ型的 串行 A/D转换器 （MAX 1415或 MAX7705 )。

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系歹 具体型号为： MSP 43 OF 135或 MSP 430F 149。

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 o

本发明的降雨量测量方法：

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 ½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 0-A的线段个数， 即 的 个数《， 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½， 如 图 5所示， 最后得出此次降雨过程的降雨量 。 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 ¾时（/¾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 ι _Ν 计降雨量， 则在图 4-1中所示的 时间内有 ½ 的降雨量被遗漏， Δ/ι _Ν 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 （ 时间段的实线）， 它与 O— A线段平行。 据此，现有的虹吸式雨量计测出的降雨量 的总遗漏降雨量（总误差) Δ/ζ _Σ =«·△¾。 可见， 实际的降雨量应是 Α _Σ +Δ/¾ = ?ι·/ί _Ν +/ί _χ +«·Δ½ 。

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� �化图 4-1分解成图 4-2和 图 4-3， 也就说图 4-1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 Ο— Α— Β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 t 的实线， r ₂ ≤i≤t ₂ 部分的点划线是 ≤ί≤Γ 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 ≤/≤ί ₂ 部分的点划线， 图 4-2中 t _x <t≤t 2的实线和 r ₂ ≤/≤t ₂ 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 4-1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 ^ _ Γ 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 i 时间内的降雨速率与 0≤/≤^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 4一 2水位下降过程 t

,<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 ^ ^ ₂ )的测量管水位变化 曲线 （例如图 4一 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 的实线和 Γ ₂ ≤ί≤ί ₂ 的点划线）， 即可得出 在 ≤^ ₂ 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 Δ/ί _Ν 。 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 一 1的 0_Α线段和 Α_Β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 是降雨过程实际的测量管水位变化曲线， /n 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 ^0包括实线和点划线）， (0是测量过程中 ≤t≤h时间内虹吸发生时的降雨量引起测量管� ��位变化的函 数， 单次测量 （在 o≤ t ₂ 内） 带补偿的测量函数关系：

式 (1)中 A(0是由图 1的测量装置实际测出的； 是在虹吸管和测量管的结 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 ₂ 时刻定， 是由降雨速率的大小定， 降雨速率大 大， 降雨速率小 ₂ 小， 每一个单次测量循环的时间长度 0≤t≤t ₂ 是不等的； ½是/1(0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/ ί _Ν 均为定值。 由于 实际降雨是变化的， WO的实际曲线不一定是直线（通常是折线）， ½(0也不一定 是 /i(t)的 Ο— Α线段的平移。

根据上式， 任何瞬时的降雨量测量表达为：

h降雨量 ()= Γ· { «- IN Δ/ _Ν {j) + h单 („+i)(t) } (2) 式 (2)中的 Δ/ι _Ν (/:>是由第 +1次测量管水位变化如图 4-1所示的一个循环中， 在 时间内降雨量的值， 即如图 4-3所示的 Δ/ί _Ν ， 由于降雨的速率不是恒定 量， 一般各 Δ/ί _Ν (/)不等， 即 Δ/ι _Ν (/_1)≠Δ/ι _Ν (/)≠Δ/ϊ _Ν (+1)， 且 <0时八½(0=0； w表示如图 4-1所示的循环已有《个循环完成， w的取值可为 （0， 1， 2， ……）；

^：是测量管水位转换成降雨量的比例系数� � 是第《+1次的/ ϊΐ(0， 根据 式 (1) h单 („+ι)( 表达式： 单 („ ₊ ι) (ί) = (

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 ( 中 当 M=0时表达是第 1次测量管水位上升和虹吸排水的循环， 式 ( 对应的图示表 达见图 6所示， 当《=0图 6-1与图 4-1表达的单次循环相同 （此时图 6的 ½对 应图 4的 0, 图 6的 t _u 对应图 4的 t 图 6的 t ₂₁ 对应图 4的 t ₂ );可见式 (3)中 h t 是实测的； 在 ≤ ₂₍₁₁₊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， 是固有的虹吸排水直线的延长段， ¾n ₊ l) 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 _n+1 )后， 由 MCU 的程序作虹吸排水直线的延长段， 在 i^^ ^+ 内完全确定。 将式 ( 的结果代入式 (¾， 则可得出带补偿的降雨量测 i h降雨量 (Χ)。