一种适用于冻雨降水测量的称重式雨量计结构

摘要

本发明提出了一种适用于冻雨降水测量的称重式雨量计结构，包括外壳以及设于所述外壳内的内筒、内筒支架、冻雨采集盘、降水采集桶、降水采集桶称重传感器和总称重传感器，所述外壳与内筒在顶端活动连接形成承水口，所述降水采集桶设于所述降水采集桶称重传感器上，所述内筒的出口位于降水采集桶的正上方，降水采集桶称重传感器设于所述总称重传感器上，所述内筒通过所述内筒支架同样设于所述总称重传感器上；所述冻雨采集盘为圆盘形，其设于所述内筒中位于所述承水口的正下方，且冻雨采集盘的圆盘直径大于承水口的直径。本发明可显著提高冻雨降水测量的准确性，为冻雨灾害科学研究提供可靠的科学数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种雨量计，特别是指一种适用于冻雨降水测量的称重式雨量计结构。

背景技术

降水测量是地面气象观测的重要组成部分，是大气水循环监测的重要环节。降水测量针对目标为从天空降落到地面上的液态或固态(经融化后)的水，测量得到某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水在水平面上的积累深度，即降水量。降水测量使用的仪器包括以下主要种类：雨量器、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计和称重式雨量计。

雨量器由雨量筒与量杯组成，雨量筒包括承水器、贮水瓶和储水桶。承水器直径为20cm正圆形，其口缘覆盖有铜圈，承水器分为带漏斗的承雨器和不带漏斗的承雪器。储水桶内放贮水瓶，用以收集降水量。液态降水观测将贮水瓶中水倒入量杯，读取量杯内刻度数即为降水量。

翻斗式雨量计由感应器和记录器组成，感应器主要包括承水器(口径20cm)、上翻斗、汇集翻斗、计量翻斗、计数翻斗和干簧管等，记录器包括计数器、记录笔和控制电路等，二者用导线连接记录降水量。翻斗式雨量计是利用水的重力，将承水器收集的降水通过上翻斗和汇集翻斗的节流管注入计量翻斗，降水量达到0.1mm时，计量翻斗把降水倾倒到计数翻斗，计数翻斗翻转一次，产生一个开关信号，记录0.1mm降水量。

虹吸式雨量计由承水器(口径20cm)、浮子室、自记钟和虹吸管等组成。在降水测量过程中，降水从承水器经漏斗进水管引入浮子室，浮子室为圆形容器，内装浮子，浮子上固定直杆与自记笔相连，浮子室外接虹吸管。降水使浮子上升，带动自己笔在自记纸上画出曲线，当自记笔尖达到自己纸上端，虹吸管开始排水，自记笔回到刻度0线，重新记录。

称重式雨量计包括承水口、外壳、内筒、载荷元件及处理单元、底座组件、防风圈等部件组成，与翻斗式雨量计和虹吸式雨量计不同，其可对液态和固态降水做连续观测，利用液态和固态降水的重力作用，将承水口收集的固态和液态降水沿内筒汇入盛水桶，载荷元件对盛水桶质量变化进行测量，并计算降雨量。

以称重式降水传感器为基础的称重式雨量计在现有降水测量技术中应用最为广泛，目前此类测量技术在应用中主要差别在于传感器的选用，在整体仪器构造上基本相似。称重式降水传感器采用的测量技术有两种，分别是电阻应变测量技术和振弦测量技术。电阻应变测量技术工作原理如下：传感器中的敏感梁在外力的作用下产生弹性变形，是它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，阻值将发生变化，经相应的测量电路将阻值变化转换为电信号，得到降水的质量。振弦测量技术以固定频率振动的弦丝作为弹性部件，根据其受拉力与振动频率的对应关系，通过相应的测量电路得到降水的质量。

现有气象部门使用的称重式降水传感器中DSC1型和DSC3型为基于电阻应变测量技术的传感器，分别由江苏省无线电科学研究所自芬兰引进和中环天仪天津气象仪器厂自美国引进。DSC2型称重式降水传感器采用振弦测量技术，由中国华云技术开发公司自挪威引进。

现有称重式降水测量技术侧重于传感器的选取，其整体结构设计差别不大，对于夏季的液态降水和冬季以降雪为主的固态降水均有较好的测量能力，但是，大气降水存在明显的相态变化，除常见的液态降雨和固态降雪、冰雹以外，还存在以冻雨为代表的高粘附型降水。

冻雨降水常见于冬季，其在空中为液态，为过冷却雨滴，雨滴温度小于0℃，当冻雨降至地面0℃以下物体表面时，发生冻结，短时间内转化为固态结冰。

在现有测量仪器观测过程中，冻雨一般冻结在雨量计的承水口和内筒壁之上，无法像液态和一般性固态降水一样受重力作用而向下汇入储水容器，因此，无论是翻斗式雨量计、虹吸式雨量计和目前气象业务广泛使用的精度较高的称重式雨量计，均无法对冻雨降水进行准确测量，在冻雨降水时段往往降水量很小，而在降水结束后气温回升至0℃以上，承水口和内筒壁上的结冰融化掉入储水容器，产生虚假降水量。

现有测量仪器中冻雨降水大量粘附承水口和内筒壁上部，导致称重传感器无法准确测量到冻雨降水量的问题。冻雨降水造成承水口冻结，导致承水口口径减小，影响冻雨降水收集效率；内筒壁上部结冰由于受到外界环境影响较大，易于发生融化-蒸发和升华，影响测量准确性。现有技术由于仪器设计结构问题，不能准确测量我国冬季冻雨降水，无法达到所标注的全天候降水测量的目标，因此，需提出一种合理的可适用于冻雨降水测量的称重式雨量计结构。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种适用于冻雨降水测量的称重式雨量计结构，根据冻雨降水下落速度和冻结温度进行雨量计结构设计和传感器技术指标设置，解决现有冻雨降水测量准确性低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种适用于冻雨降水测量的称重式雨量计结构，包括外壳以及设于所述外壳内的内筒、内筒支架、冻雨采集盘、降水采集桶、降水采集桶称重传感器和总称重传感器，所述外壳与内筒在顶端活动连接形成承水口，所述降水采集桶设于所述降水采集桶称重传感器上，所述内筒的出口位于降水采集桶的正上方，降水采集桶称重传感器设于所述总称重传感器上，所述内筒通过所述内筒支架同样设于所述总称重传感器上；所述冻雨采集盘为圆盘形，其设于所述内筒中位于所述承水口的正下方，且冻雨采集盘的圆盘直径大于承水口的直径。

作为优选地，所述外壳与内筒在顶端通过内直外斜的铜套环相连，且承水口处的外壳与内筒之间设有恒温加热元件，所述外壳外部设有与恒温加热元件、降水采集桶称重传感器和总称重传感器连接的仪器控制电路和传感器信号采集单元，用于集成并执行恒温控制、供电和信号采集功能；由于纯水的冻结温度为0℃，而实际降水受到环境因素影响往往包含硫酸盐等可溶物，进一步降低了降水的冻结温度，因此，恒温加热元件温度设置在0℃-1℃之间，同时，控制承水口加热面积，可以有效防止冻雨降水在承水口冻结，又能避免持续加热导致结冰融化蒸发而影响降水测量准确性。

作为优选地，所述内筒上部筒壁垂直倾角设置为45°，防止内筒壁上部结冰，避免环境条件变化导致结冰蒸发，是冻雨降水测量需要解决的重要问题，根据冻雨气象观测，冻雨降水发生时段水平风速为2m/s-4m/s，而冻雨粒子尺度主要集中在500μm-1000μm之间，500μm雨滴下落末速度为2m/s左右，1000μm雨滴下落末速度为4m/s左右，平均雨滴下落末速度约为3m/s左右。结合平均风速(3m/s)和雨滴下落平均末速度(3m/s)，冻雨雨滴大多以与垂直方向45°倾角落入承水口，由于冻雨降水在落入承水口后，环境风速影响瞬间减弱，因此，冻雨雨滴下落方向与垂直方向的夹角小于45°，内筒上部筒壁垂直倾角设置为45°可有效避免冻雨降水在内筒壁上部冻结。

作为优选地，位于内筒中的冻雨采集盘和内筒下部筒壁是冻雨降水的主要采集部分，落入内筒的冻雨将会在位于内筒中的冻雨采集盘和内筒壁中下部冻结，所述内筒下部筒壁向内偏离形成斜坡，为过冷态冻雨提供足够大的冻结面积，使绝大多数没有落入冻雨采集盘的冻雨降水可在内筒壁冻结。

作为优选地，所述承水口的高度为20mm，承水口的直径为200mm，所述冻雨采集盘的直径为244mm，所述斜坡的长度为381mm，所述降水采集桶的直径为187mm。

本发明可以测量冻雨发生时段的总降水量变化，总称重传感器测得降水量与降水采集桶降水量之差为冻雨降水量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明可显著提高冻雨降水测量的准确性，对冬季降水测量仪器设计和开发提供新的思路，为冻雨灾害科学研究提供可靠的科学数据。

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面将结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图1为本发明的优选实施例。

一种适用于冻雨降水测量的称重式雨量计结构，包括外壳1以及设于外壳1内的内筒2、内筒支架3、冻雨采集盘4、降水采集桶5、降水采集桶称重传感器6和总称重传感器7，承水口8为外壳1和内筒2的上部用内直外斜的铜套环(图中未示出)相连，铜套环外斜面覆盖外壳1口即可，无需紧密贴合，承水口8在口径不变(200mm)的前提下，缩减承水口8高度，缩减后的承水口8高度为20mm。降水采集桶5设于降水采集桶称重传感器6上，内筒2的出口21位于降水采集桶5的正上方，降水采集桶称重传感器6设于总称重传感器7上，内筒2通过内筒支架3同样设于总称重传感器7上。

承水口8处外壳1和内筒2间内置恒温加热元件(图中未示出)，由于纯水的冻结温度为0℃，而实际降水受到环境因素影响往往包含硫酸盐等可溶物，进一步降低了降水的冻结温度，因此，本实施例中将恒温加热元件的温度设置在0℃-1℃之间，同时，控制承水口8的加热面积，可以有效防止冻雨降水在承水口8冻结，又能避免持续加热导致结冰融化蒸发而影响降水测量准确性，外壳1外部设有与恒温加热元件、降水采集桶称重传感器6和总称重传感器7连接的仪器控制电路和传感器信号采集单元9，用于集成并执行恒温控制、供电和信号采集功能。

内筒2上部筒壁垂直倾角设置为45°。防止内筒2上部筒壁结冰，避免环境条件变化导致结冰蒸发，是冻雨降水测量需要解决的重要问题。根据冻雨气象观测，冻雨降水发生时段水平风速为2m/s-4m/s，而冻雨粒子尺度主要集中在500μm-1000μm之间，500μm雨滴下落末速度为2m/s左右，1000μm雨滴下落末速度为4m/s左右，平均雨滴下落末速度约为3m/s左右。结合平均风速(3m/s)和雨滴下落平均末速度(3m/s)，冻雨雨滴大多以与垂直方向45°倾角落入承水口，由于冻雨降水在落入承水口后，环境风速影响瞬间减弱，因此，冻雨雨滴下落方向与垂直方向的夹角小于45°，内筒2上部筒壁垂直倾角设置为45°可有效避免冻雨降水在内筒2上部筒壁冻结。

本实施例的冻雨采集盘4设于内筒2中位于承水口8的正下方，冻雨采集盘4和内筒2下部筒壁是冻雨降水的主要采集部分，落入内筒2的冻雨将会在冻雨采集盘4和内筒2下部筒壁冻结，冻雨采集盘4为圆盘形，表面粗糙，其直径为244mm，大于承水口8的直径，可增加冻雨采集面积。内筒2下部筒壁长度为381mm，为过冷态冻雨提供足够大的冻结面积，使绝大多数没有落入冻雨采集盘4的冻雨降水可在内筒2下部筒壁冻结。

本实施例兼顾冻雨和其它相态降水测量，液态降水将沿内筒2筒壁汇入降水采集桶5，其质量由桶底的降水采集桶称重传感器6测量，内筒2与内筒3支架相连，降水采集桶5及降水采集桶称重传感器6一起置于总称重传感器7之上，总称重传感器7可以测量冻雨发生时段的总降水量变化，总称重传感器7测得降水量与降水采集桶5降水量之差为冻雨降水量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。