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物联网-智慧传输-基于超声波传感器的自动雨量站.pdf
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物联网-智慧传输-基于超声波传感器的自动雨量站.pdf
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第一章引言
第一节
国内外雨量测量的现状和发展趋势
长期以来,气象部门使用的雨量计为虹吸式或翻斗式的,而国际上交换的气象雨
量资料则是用人工观测的。
虹吸式雨量计由接雨桶、测量桶、虹吸管、机械时钟记录器等组成,其工作原理
是接雨桶的降雨流入测量桶,由机械时钟记录器对降水过程进行记录(水笔描出曲
线),当测量桶的水位达到lOmm时,开始一次虹吸过程,将接雨桶的水放完,等待
下次虹吸过程。这种测量方法存在两个主要问题:1、测量结果没有电信号接口,不
能实现自动测量与数据处理;2、虹吸过程大约有20秒左右,在虹吸过程中的降雨一
并流失,产生降水的流失误差,降水强度越大,误差越大。
翻斗雨量计的工作原理是:一个杠杆机构,一端是砝码,另一端是翻斗,翻斗
的质量小于砝码的质量,接雨桶的雨水流入翻斗。当翻斗与雨水质量的和大于砝码质
量时,翻斗动作,翻斗内的雨水被放掉,相关的干簧管节点瞬间动作并发出一个脉冲
信号,翻斗一侧质量重新小于砝码的质量,下一次测量过程重新开始。记录脉冲信号
的个数,可以计算出累计雨量。这种测量方法简单,但其动态精度不高。尤其在强降
雨时,误差更大。
随着科学技术的发展和社会发展的需求,国际上(包括我国)对气象要素的自
动采集和气象数据的自动存储、数据处理提出了更高的要求。中国气象局“大气监测
自动化”项目正在实施,完成时间为1998--2005年,主要是安装在地级市的新一代天
气雷达和县市级的多要素自动气象站。在气象要素(气压、气温、湿度、风向、风速、
雨量等)自动采集系统中,雨量是最重要的参数之一,同时也是布点最密集的气象要
素,按照规划,雨量采集站将布到乡镇一级(按照河南省气象局的部署计划,中尺度
观测网布置到乡镇级。据估算,全省有2000个左右乡镇,保守计算建设40%也有800
个)。因此研制精度高、性能可靠、价格相对低廉的雨量采集自动站具有可观的经济
效益和重大的社会效益。
第二节
自动雨量站的研制工作
鉴于目前现状,提出了一种精确的自动测量和处理的新型系统即自动雨量站的研
究工作。
一该系统应满足如下观测要求
l、超声波原理测量雨量,要求探测手段有创新,测量精度更高;
2、资料时空连续性,详细记录雨量的变化,能把多个地点的资料连成网络,提
高预报和服务决策水平;
3、有高的可靠性。
二设计指标
测量精度:O.1毫米(雨量小于lOITlln时);
强降水误差:小于1%(雨量大于10咖时);
该设计指标所提的精度要求比目前的测量手段提高了4倍(目前分别为0.4mm
和4%),达到了气象部门自动采集所要求的精度。
郑州大学物理工程学院与河南省气象技术装备中心合作,于2001年开始了自动
雨量站的研究工作,在2002年初作出了样机,通过使用效果很好,该成果于2002
年9月通过了省科技厅组织的科技成果鉴定。作为研究生,本人参与了该课题的研发
工作,具体工作内容:参与了调研工作、参与了电路的设计与调试、参与了部分程序
的编制工作。
2
第二章雨量测量网络系统的系统组成
第一节
雨量测量网络系统的组成框图及功能
一系统的总体构成
如图2.1所示,该系统由安装于气象中心的主机系统和安装于各个雨量采集点的
自动雨量站两部分组成,两者通过市话网或移动网进行通讯。
图2-1雨量测量网络系统的系统组成
1、主机系统的功能
·
与自动站进行双向通讯
·
完成对各个自动站数据轮询采集并进行存储、处理。
·
图表生成,根据采集的数据形成图表、打印
·
向自动雨量下载参数、时钟校准
2、自动雨量站完成的功能
·
与主机进行双向通讯
·完成雨量的自动测量
·
每一分钟雨量数据的存储(如果该时刻与上一分钟的雨量没有变化,则不予
存储)。
数据的源头为自动雨量站,而测量雨量用的是超声波传感器,所以有必要对超
声波传感器做一介绍。
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