阅读说明：本技术 支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计 (Support single-point and multi-point induction's multilayer timing weighing type sleet gauge ) 是由 宗泽 曹子聪 符伟杰 姚刚 房灵常 宗军 褚泽帆 毛春雷 熊陈 刘巽民 陈杰中 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计,设计单点和多点选择性传感方式,能提升测量精度并在精度要求不高的场合兼顾性价比。设计的隔热环能阻止承水口向外传导热量,并通过缩小承水口面积,减少了低温时的热耗散,隔热环和承水口均为深色,有助于吸热,提高融冰雪效率；采用多层调平结构保证了自上而下受力测量方向一致,且便于安装应用时实施调平；弹簧和限位螺钉组合能够防止冲击和机械过载,避免传感器损伤；采用降水触发部件使雨雪量计在降水来临时才被唤醒,降低工作功耗,避免非降水期的数据干扰；本发明能增加测量精度的覆盖面,提升降水观测数据的准确性和稳定性,加强对重要部件的保护功能,降低设备功耗。(The invention provides a multilayer adjustment weighing type rain and snow gauge supporting single-point and multi-point sensing, which is designed with a single-point and multi-point selective sensing mode, can improve the measuring precision and give consideration to the cost performance in occasions with low precision requirements. The designed heat insulation ring can prevent the water bearing port from conducting heat outwards, the heat dissipation at low temperature is reduced by reducing the area of the water bearing port, and the heat insulation ring and the water bearing port are both dark, so that the heat absorption is facilitated, and the ice and snow melting efficiency is improved; the adoption of a multi-layer leveling structure ensures that the stress measurement directions are consistent from top to bottom, and the leveling is conveniently implemented during installation and application; the combination of the spring and the limiting screw can prevent impact and mechanical overload and avoid the damage of the sensor; the rain and snow gauge is awakened only when precipitation comes, so that the working power consumption is reduced, and the data interference in a non-precipitation period is avoided; the invention can increase the coverage of measurement precision, improve the accuracy and stability of precipitation observation data, strengthen the protection function of important parts and reduce the power consumption of equipment.)

支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计

技术领域

本发明属于水利水文、气象仪器设备技术领域，涉及一种支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计。

背景技术

称重式雨雪量计(也称“称重式降水传感器”)因其测量精度高，理论上测量盲区少、对雨强没有限制等优势，成为目前测量准确、受用户欢迎的一种先进的全类型降水监测仪器，近年来已在气象、水文行业推广应用。我们发现，现有的称重式雨量计在使用和运输时，关键传感部件容易受到损伤，测量数据有时不够稳定，测量精度往往低于预期并受到限制，冬季加热功耗大。究其原因主要是雨量计自身结构设计缺陷，使感应受力不一致，且在运输和收集容器取放时，传感器核心部位容易损伤；外界环境(振动、风等因素)引起测量数据的波动；单点传感的物理性能限制了精度提升；雨雪量计通常在承水口部位装有发热组件，以融化冰雪，但功耗大且低温时加热效果不理想。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计，能够降低加热功耗、改善加热效果，提升整体稳定性、精度和安全性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计，包括采集容器、承托结构、处理器，所述承托结构设置在采集容器下方；所述采集容器外设置有防护罩，防护罩顶部具有承水口，承水口下方设置有加热环，加热环外设置有加热膜，加热膜外设置有隔热环，隔热环嵌入防护罩和承水口之间形成一圈隔热带；所述承托结构自上而下包括托盘、扩展支撑减震层、传感器、基准平台、底座，所述托盘安装在扩展支撑减震层上，所述扩展支撑减震层与传感器连接，传感器通过垫块安装在基准平台上，基准平台安装于底座上；所述加热膜和传感器均与处理器连接；所述扩展支撑减震层包括扩展上支承架、若干弹簧和扩展下支承架，弹簧通过螺钉安装在扩展上、下支承架之间，扩展下支承架与传感器连接；所述垫块、扩展上支承架、托盘上均设置有调平机构。

进一步的，在隔热环下方还设置有桶身连接圈，桶身连接圈和桶身固定连接，其上端具有能够卡住隔热环底部的台阶面。

进一步的，隔热环与加热膜之间具有间隙。

进一步的，所述螺钉为限位螺钉；所述弹簧弹力F＜80％G/4，G为传感器最大载荷；

LMAX+L4＞L2；

LMIN+L4＜L2；

其中，L4为支承座到平台距离，L2为限位螺钉长度，LMAX为弹簧的自由长度，LMIN为弹簧的极限压缩长度。

进一步的，传感器包括设置在基准平台中心位置的单点传感器，和/或安装在在基准平台上的多点传感器，多点传感器的受力中心投影均匀分布在以基准平台中心为圆心的圆周上。

进一步的，所述多点传感器包括3个或4个传感器。

进一步的，还包括降水触发部件，所述降水触发部件与处理器具有数据连接。

进一步的，降水触发部件单独设置或用柔性板材料绕在承水口内侧或外侧。

进一步的，所述调平机构为气泡水平仪或电子水平仪。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.设计非金属材质的隔热环，在低温时能更好地保持承水口自身加热的热量，防止热量快速传导消耗至其它结构中，且缩小了器口金属外壁的面积(约缩小外侧面积的2/3)，减少了散热面积和热耗散，降低功耗损失，隔热环与承水口统一设计为深色，吸热效果好，起到提高融雪效率的作用，由此可设计减小雨雪量计加热的功率。

2.采用多层调平结构能够保证从上而下受力和测量方向一致，且便于安装应用时实施调平。

3.弹簧和限位螺钉组合能够有效防止冲击和机械过载，避免传感器损伤或损坏。

4.本发明支持单点感应和多点联合感应的形式，多点联合感应方式下能够有效提升整体测量精度。

5.采用降水触发部件当降水来临时再触发雨雪量计工作，能够降低工作功耗，减少非降水时期的干扰。

6.本发明能克服现有称重式雨雪量计存在的多种问题，增加测量精度的覆盖面，提升感应一致性和测量的准确性以及稳定性，加强对关键部件的保护功能，降低功耗，改善加热效果，提升降水观测数据的质量，为水循环科学研究、防洪防灾、国家水资源调控提供更科学的数据依据。

附图说明

图1为本发明提供的支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计整体结构示意图。

图2为承水口示意图。

图3为承托结构示意图。

图4为基准平台、扩展上支承架、扩展下支承架结构示意图，其中(a)为基准平台俯视图， (b)为托盘仰视图，(c)为扩展上支承架俯视图。

附图标记说明：

采集容器1，承水口101，加热环102，加热膜103，隔热环104，防护罩105，桶身连接圈 106，承托结构2，托盘201，扩展上支承架202，弹簧203，扩展下支承架204，传感器205，基准平台206，底座207，垫块208，调平机构209，限位螺钉210，调平机构211，嵌位块 213。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

称重式雨雪量计按传感器的连接受力形式主要分为承载式和悬挂式两种，本发明提供的支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计对于两种形式均可应用。本发明叙述中所有附图均以承载式支持3点传感的称重雨雪量计为例，其主体结构如图1所示，包括采集容器 1和设置在采集容器下方的承托结构2，采集容器通常为桶形，其外设置有防护罩105，其顶部具有承水口101，承水口101下方设置有加热环102，加热环102采用导热的金属材料，加热环与承水口为两个独立部件，用螺钉连接并卡紧。加热环102外设置有加热膜103，加热膜103为非金属材质，使用时接电，能够为加热环102提供热量，便于融化附着在承水口的冰雪。加热膜外设置有隔热环104，隔热环104采用工程塑料、胶体(如橡胶)等低导热性材质制成。隔热环104嵌入在防护罩105和承水口101(加热环也视为承水口的一部分)之间，形成一圈隔热带，将需要加热的承水口与外部面积较大的桶身进行物理隔离，通过隔热环，低温时能更好地保持承水口自身加热的热量，防止热量快速传导消耗至其它易导热的结构中(例如桶身中)，减少无效热散。在隔热环下方还设置有桶身连接圈106，桶身连接圈106和桶身固定连接，其上端具有能够卡住隔热环104底部的台阶面。在能够更好地固定隔热环的同时，由于桶身连接圈106设置使得隔热环与加热膜之间具有间隙，防止加热膜的接触散热和防止隔热环因长期温度突变引起变形损伤。

承托结构2自上而下包括托盘201、扩展上支承架202、弹簧203、扩展下支承架204、传感器205、基准平台206、底座207。其中，采集容器1设置在托盘201上，扩展上支承架 202与托盘201底部固定连接。如图4所示，扩展上支承架202和扩展下支承架204均为叉形结构，扩展上支承架202通过弹簧及紧固螺钉与扩展下支承架204连接，弹簧为三根，呈三点式均匀分布。扩展下支承架204通过螺丝与传感器固定连接，传感器固定在基准平台的垫块208上。传感器采用称重传感器或压力传感器，能够获取采集容器的重量，经换算得到雨雪量。

本发明通过多层水平调校结构，来保证测量受力方向的一致性。具体的说，垫块上设置有一级调平机构209，通过调平机构209，可以将垫块208及其上的传感器205调平，调平机构209、传感器205组成一级调平。此处水平才能保证传感器测量基础是水平的。扩展上支承架202、扩展下支承架204及它们之间的弹簧203组成扩展支撑减震层，扩展支撑减震层的上层，即扩展上支承架202上设置有调平机构209(二级调平)，通过螺钉调整双层叉性结构间的弹簧压缩长度实现扩展上支承架202的调平，由于扩展支撑减震层的下层与传感器固定连接，下层水平已由垫块调平保证，而上层是收集器或其下部托盘的直接接触面，因为双层叉之间是弹性结构，只有上层始终平衡，才能保证传感器测量的受力方向与重力一致，并与传感器测量基础力作用线一致。托盘201中央也设置有调平机构(三级调平)，通过托盘中央调平，防止托盘和上叉结构直接的水平性出现偏差。多层调平结构能够保证测量的对象和各级之间上下的受力方向设为一致性。每级调平机构的调平区域不同，调平易于操作，有利于安装应用时实施调平。本例中，调平机构为气泡式水平仪或电子水平仪。

如图所示，本发明兼容单点、多点式测量。在基准平台上设置有中心单点传感器205和三个多点均匀分布的传感器205，传感器205均通过垫块208固定在基准平台中。中心单点传感器用于与叉形扩展下支承架204中心位置连接，而三个多点传感器用于与扩展下支承架 204的三根支臂连接。由此，叉形结构中间及以中间为圆心的圆周与每个支相交部分均设计了传感器感应支点。在使用时，可以仅连接中心传感器或是仅连接三个多点传感器，使得本发明既能够支持单点感应形式，又能够支持多点联合感应形式。这样应用时可以在单点和多点形式间选择最需要的方式。当区域降水量和工作环境不同时，考虑称重传感器的物理性能，部分地区的收集器载荷要求限制了单点感应精度指标需求时，采用多点测量形式。多点测量方式下，各传感器并联连接，能够有效提升整体测量精度。多点测量方式下，传感器的数量可以根据需要设置，一般设置3-4个为佳。

弹簧203能够起到防冲击作用，在弹簧下端还设置有限位螺钉210，同时在传感器上侧也有嵌位块213。上述机械过载保护结构可以有效防止由于在垂直方向上某时刻钝力集中在某个支叉上造成的影响，或者纵向上大的冲击。例如运输期间或在清空收集桶的时候容易有上述钝力集中或冲击力，上述结构可避免测压传感器过载损坏或受力方向倾斜损坏。弹簧与限位螺钉作为仪器整体的缓冲与保护机构。

弹簧选型即弹簧弹力F＜80％G(传感器最大载荷)/4；

LMAX+L4＞L2；

LMIN+L4＜L2；

其中，L4为支承座到平台距离(固定值)，L2为限位螺钉长度、L3为弹簧长度、LMAX为弹簧的自由长度，LMIN为弹簧的极限压缩长度，L5为上支承板厚度，限位螺钉长度 L2＝L3+L4+L5。

弹簧规格与限位螺钉长度应根据上述三条公式限定，并应同时兼顾空载状态下，弹簧具有一定的压缩量，可以起到调平作用。

作为改进，本雨雪量计还包括降水触发部件，主要为降水触发传感器，可独立设点安装 (即不设置在雨雪量计上)或用柔性触发板材料绕装在承水口内侧或外侧。当降水来临时，降水触发传感器通过有线(信号线)或无线方式(无线通信芯片)向处理器发送触发信号和相关数据。降水触发传感器能够降低工作功耗、克服外部无降水时干扰、时漂，还可进行过程校准。本装置上应设置处理器、外部电池等常规部件，为降水触发部件、传感器、加热膜等供电，降水触发部件、传感器向处理器发送数据。但这不属于本发明设计重点，故不进行详细阐述。

使用本支持单点和多点感应的多层调校称重式雨雪量计时，首先安装底座207和基准平台206，选择单点或多点感应方式，将扩展支撑减震层下层的扩展下支承架204与合适的传感器连接，调平传感器下垫块上的调平机构。调平扩展支撑减震层上层的扩展上支承架202 上的调平机构。安装托盘，调平托盘中心的调平机构，放置采集容器。放置完毕后再次检查或调校三级调平机构。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。