雨量计

气象仪器课程报告

基于单片机的压力式雨量计系统设计专业电子信息工程

摘要

该测雨量系统由、压阻传感器电路、A/D转换电路、温度补偿电路及显示电路组成，以89C51单片机为主控单元，由压阻传感器电路测量降水对雨量计产生的压力，采用DS18B20单线数字式温度传感器测取温度，最后数据通过软件处理实现温度补偿，数据存放在单片机内存单元中，经程序解算后得到压力值，再由压力与雨量的关系得到雨量值，转换为BCD码，同时驱动四位数码管显示。

关键词：雨量计；压阻传感器；单片机；

1 绪论

1. 1前言

降水，在气象学上是指从天空降落到地面上的液态或者固态水。降水的测量包括降水量，降水时间，降水强度。降水量是指从天空降落到地面上的水，未经蒸发，渗透，流失而积聚在水平面上的水层深度，以mm（毫米）为单位。降水观测是气象观测的主要项目之一，主要为天气预报，气象情报，气候分析和气象科学研究，以及社会生产建设提供资料服务。为实现这一目的，就必须借助于降水观测仪器，雨量计是观测降水量最常用的仪器，广泛应用于气象观测，水文测量等领域。观测降水量的仪器通常有雨量器和自记雨量计，由于气候变暖后气象灾害日趋严重，因此对气象数据的采集、存储、处理的要求越来越高，以提高天气预报的正确率，延长预报的有效时间。

1.2降雨量观测仪器的种类及特点

1.2.1．雨量器

雨量器是直接观测降水量得器具，它是一个圆柱型金属筒，由承雨器，漏斗，储水瓶和雨量杯组成，雨量器下部放储水瓶收集雨水。观测时将雨量器里的储水瓶迅速取出，换上空的储水瓶，然后用特制的雨量杯测定储水瓶中收集的雨水，分辨率为O. lmm。当降雪时，仅用外筒作为承雪器具，待雪融化后计算降水量。用雨量器观测降水量的方法一般是采用2段制进行观测，即每日8时及20时各观测一次雨季增加观测段次，雨量大时还需加测。日雨量是以每天上午8时作为分界，将本日8时至次日8时的降水量作为本日的降水量。主要缺点是只能测量某一般时间内的降水总量不能反映降水起止时间，降水强度。且气象观测员需要在风雨中测量降水量，所劳动动强度还是比较大的，工作也不方便。1.2.2 称重式自记雨量计

这种仪器利用一个弹簧装置或一个重量平衡系统，将储水器连同其中积存的降水的总重量作连续记录。所有降水（包括固体和液体形式）在其降落时就记录下来，这种雨量计通常没有自动倒水的装置，其容积（在倒水前的最大蓄积量）相当于量程从l50mm到750mm，因为对固体降水在记录前不要求融化，因此承重式自记雨量计特别适用于记录雪、冰雹雨夹雪。缺点是无法区分降水形态，不能提共发生降水的准确时间，以及容易受风的抽吸的影响。使用称重式自记雨量计可以消除或者至少可以减少人工测量方法的某些潜在误差，也可以减少与人工观测误差或某种系统误差相关的随机误差，特别是蒸发误差和沾湿误差。

1.2.3 虹吸式（浮子式）雨量计

虹吸式雨量计自承水器，储水容器（又称浮子室）。自记记录部分和虹吸管等主要部件组成，当承水器将收集到的降水量，通过漏斗导管进入浮子室，浮于随着注入雨水的增加而上升，并带动自记笔在附有时钟的转筒上的记录纸画出曲线。记录纸上纵坐标表示雨量，横坐标表示时间，记录纸上记录下来的曲线是累积曲线，既表示雨量的大小，又表示降雨过程的变化情况，曲线的坡度表示降雨强度，虹吸式雨量计分辨率为0.1mm降雨强度适应范围0.01-4.Omm/min。但缺点是浮子室内一般只能积存lOmm的雨量，到达lOmm雨量时要排空存水，排空时的降水也会造成误差，且虹吸管容易发生故障，需要经常进行检定。

1.2.4 翻斗式雨量计

翻斗式雨量计由雨量传感器及信号记录器组成，雨水经承雨器进入对称的翻斗一侧，当接满O. 1mm雨量时，翻斗倾于一侧，另一侧翻斗则处于进水状态。每一次翻斗倾倒，都使开关接通电路，向记录器输送一个脉冲信号，记录器控制自记笔将雨量记录下来，如此往复即可将降雨过程测量下来，记录100次之后，将自动从上而下落到自记纸的零线位置，再重新开始记录。翻斗式雨量计分辨率为0. 1mm，降雨强度适用在4.Omm/min以内，由于结构上的原因，翻斗必须和雨水接触，夹带尘土的雨水，或者沙尘影响，都会影响雨量计的正常工作或者是降低其测量的准确性，且大雨时翻斗翻转水的损失，虽能减少但无法根除。

2 压力式雨量计的测量原理

2.1系统需求分析

根据我国气象部门制定的《地面气象观测规范》，对于地面气象观测站使用的自动气象站中雨量计的基本性能应该符合如下要求：

●降水强度测量范围：0-4mm/min（毫米／分）

●分辨力：0. 1mm

●测量准确度：（在0-4mm/min雨强范同）：

降水量≤lOmm，测量误差：±0. 4mm;

降水量> lOmm，测量误差：±(0. 4mm+1%F.S)

●自动采样时间：1次/min

2.2 降水量测量方案

图2.1雨量计示意图

雨水通过较大口径的承水器收集到小口径的量筒中，由于收集器与量筒的口径面积差距较大（承水器中=20cm），从而放大了雨水的液位高度。在量杯底部安装集成硅压力传感器来检测液位高度，从而换算成雨量值。另外设置了进水、排水电磁阀，以控制雨水进出，达到水位上限后，关闭进水阀，记录水位值并开启排水电磁阀排水至一定水位后关闭，并测量排放后的水位值，从而获得排放的降水量。

在遇到冰冻或降雪等情况，可能会堵住漏斗口，或无法实时测量时，可采用小功率的电热管来加热融化。

承水器口为正圆形，为保证其口径的准确不变形以及降落的雨水四溅，将口制成铜铸的金属圈，承水器可涂覆聚四氟乙烯等纳米材料，以减少雨水浸湿以及蒸发所带来的误差，并将器口制成内直外斜的刀刃形。承水器直径为20mm。

下面放置的量杯是一个特制的玻璃杯，雨量杯的内直径为40mm，由于雨量杯的口面积比承水器的口面积小的多，即使雨量器收集的水量不多，水层不深，但是将水倒入雨量杯后，却显得有很高的高度，这样就可以提高测量的准确度。

下面介绍下，压强和雨量值的换算：

（1）雨量杯中液位高度与实际雨量值的换算：

如果将承水器(承水器量程为20 cm)内积聚H=1mm的水流入雨量杯（雨量