本發(fā)明涉及一種雨量計自動檢定裝置，特別涉及一種基于質(zhì)量式雨量計自動檢定裝置及檢定方法。

背景技術(shù)：

雨量是氣象觀測的主要項目之一。目前，我國基層氣象臺站使用的雨量計主要包括量筒式雨量器、虹吸式雨量計、翻斗式雨量計、稱重式雨量計等，其中翻斗式雨量計應(yīng)用最為廣泛。受觀測方法制約，雨水濺失、蒸發(fā)及風(fēng)吹等外界因素易造成雨量觀測結(jié)果偏差，同時在雨量計生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、使用等過程還存在承水口公差、沾水誤差、起動誤差、非水平誤差、感應(yīng)測量誤差等共性誤差，因此需對雨量計進(jìn)行周期檢定，以保證其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

當(dāng)前，我國主要采用“容量”式計量保障方案。氣象計量技術(shù)機(jī)構(gòu)使用“容量球”或“加液器”作為標(biāo)準(zhǔn)器，對量筒、虹吸、翻斗、稱重等各種形式的雨量計進(jìn)行檢定。傳統(tǒng)的容量球式雨量計檢定裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、長期穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點，但也存在人工操作誤差大、工作效率低、堅固性差、功能單一、雨強(qiáng)不恒定等問題。針對容量球式雨量計檢定裝置的不足，國內(nèi)氣象計量技術(shù)機(jī)構(gòu)普遍采用自動化程度較高的加液器式雨量計檢定裝置，但在實際使用過程中，也存在諸多問題：一是單次加液滿量程僅50mL，檢定中存在容量誤差累積問題；二是因加液不連續(xù)，需反復(fù)進(jìn)行注水操作，一定程度上限制了裝置的工作效率；三是因具備相應(yīng)檢定/校準(zhǔn)能力的機(jī)構(gòu)較少，溯源成本高、周期長；四是受技術(shù)原理所限，誤差來源較復(fù)雜，難以建立有效的技術(shù)核查手段，標(biāo)準(zhǔn)裝置建立、保持等基礎(chǔ)工作技術(shù)難度高、工作量大。雨量計的廣泛布設(shè)及其對計量檢定保障的現(xiàn)實需求，對雨量計檢定裝置的創(chuàng)新、發(fā)展和建設(shè)提出了新要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于質(zhì)量式雨量計自動檢定裝置及檢定方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對各型雨量計的自動檢定，檢定裝置是以采用“集成-分布”式架構(gòu)，使用Labview圖形化編程工具，定制設(shè)計出一套具備自動化檢定、故障診斷、自動生產(chǎn)證書等一系列功能的系統(tǒng)，具體技術(shù)方案是，一種基于質(zhì)量式雨量計自動檢定裝置，包括控制臺和若干個檢定終端工作臺，所述的控制臺包括稱量模塊、供水模塊、分水泵、控制器模塊、串口服務(wù)器、控制端排水模塊，其中，稱量模塊又包括定期檢定的電子天平、稱量容器、水溫傳感器和光電液位開關(guān)，控制器模塊又包括工控機(jī)、繼電器串口控制器、溫濕度采集器、開關(guān)電源，

供水模塊包括電磁閥、凈水器、蓄水桶和供水泵，所述的檢定終端工作臺包括分水閥、檢定容器、檢定泵、數(shù)據(jù)采集模塊、檢定端排水模塊，其特征在于：由控制臺和若干個檢定終端工作臺通過串口服務(wù)器級聯(lián)組成集成-分布式架構(gòu)，控制臺的控制器模塊分別與檢定終端工作臺的分水閥、檢定泵、數(shù)據(jù)采集模塊單向連接，被檢雨量計分別與數(shù)據(jù)采集模塊、檢定端排水模塊單向連接，分水閥與預(yù)留擴(kuò)展接口單向連接，開關(guān)電源為本發(fā)明裝置供電；控制臺連接為稱量模塊與控制器模塊雙向連接、經(jīng)分水泵、檢定終端工作臺與控制端排水模塊單向連接，控制器模塊分別與供水模塊、分水泵、檢定終端工作臺單向連接，控制器模塊與串口服務(wù)器雙向連接，供水模塊通過稱量模塊與分水泵單向連接；檢定終端工作臺連接為分水閥、檢定容器、檢定泵、被檢雨量計依次單向連接；供水模塊包括電磁閥、凈水器、蓄水桶和供水泵，蓄水桶經(jīng)供水泵與凈水器相連，凈水器通過電磁閥向稱量模塊供水。

所述的分水泵采用步進(jìn)電機(jī)式蠕動泵，應(yīng)用流量調(diào)節(jié)模式。

檢定方法包括以下步驟，（一）人工檢查各個模塊是否存在異常，確保儲水桶內(nèi)盛有清水，確認(rèn)無誤后，檢定裝置上電，打開控制器電源，進(jìn)入檢定軟件；

（二）進(jìn)入檢定軟件，輸入操作人員信息，進(jìn)入裝置自檢界面，裝置會自動完成對整體的通訊自檢，完成后進(jìn)去檢定界面；（三）輸入被檢定雨量計相關(guān)信息，根據(jù)軟件提示按照J(rèn)JG（氣象）005-2015《自動氣象站翻斗式雨量傳感器》規(guī)程，先目測被檢雨量計外觀是否合格，然后使用配套的游標(biāo)卡尺測量被檢雨量計承水口直徑，將測量后的數(shù)值填入相應(yīng)的表格中，完成后進(jìn)入測量誤差檢定界面；（四）軟件會安裝檢定規(guī)程設(shè)定的檢定點自動檢定，檢定之前，檢定裝置會自動進(jìn)行整體潤管工作，以保證檢定裝置管路內(nèi)管道濕潤，以減小誤差，提高檢定的準(zhǔn)確度；

（五）完成潤管工作后，檢定裝置進(jìn)行測量誤差檢定工作，每個檢定點按照檢定規(guī)程要求檢定三次；（六）測量誤差檢定完成后，軟件自動記錄被檢雨量計數(shù)據(jù)信息，按照提示要求生成檢定報告；（七）針對檢定報告根據(jù)提供的對應(yīng)省局雨量計檢定證書模版，生成檢定證書，按照提示進(jìn)行打印證書；（八）操作人員可根據(jù)檢定報告判斷被檢雨量計是否合格，如判斷合格，將檢定好的雨量計入庫以備使用；若判斷不合格，則要求被檢雨量計返廠維修。

本發(fā)明的技術(shù)效果是，計量技術(shù)性能優(yōu)良，量值傳遞不確定度比遠(yuǎn)優(yōu)于1:3，檢定結(jié)果的測量不確定度可忽略；人工操作、環(huán)境影響等引入的誤差可忽略；檢定工作效率高，雨量、雨強(qiáng)全自動調(diào)控；標(biāo)準(zhǔn)器、被檢雨量計數(shù)據(jù)自動采集、存儲和處理；記錄、證書和報告自動生成與打?。慌渲米杂伸`活，可配置單臺或多臺檢定終端，檢定終端也可獨(dú)立運(yùn)行；通信接口兼?zhèn)溆芯€/無線通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對各型雨量計的自動檢定，該裝置在氣象行業(yè)的廣泛應(yīng)用，將大幅度的提高氣象行業(yè)的自動化檢測及保障水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的集成-分布式架構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的控制臺連接框圖；

圖3為本發(fā)明的檢定終端工作臺連接框圖；

圖4為本發(fā)明的供水模塊連接圖；

圖5為本發(fā)明的稱量模塊連接圖；

圖6為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)正視圖；

圖7為本發(fā)明的控制器模塊俯視圖；

圖8為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)軸視圖；

圖9為本發(fā)明的檢定流程圖。

具體實施方式

為了更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段及其效果，下面結(jié)合優(yōu)選實施例及其附圖對本發(fā)明一種基于質(zhì)量測量的雨量自動檢定裝置作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1~8所示，一種基于質(zhì)量測量的雨量自動檢定裝置控制臺2和若干個檢定終端工作臺6，所述的控制臺2連接為選用賽多利斯6010-1CN精密電子天平作為定期檢定的電子天平16位于底部，秤盤上放置有稱量容器15，在稱量容器15上方有一隔板，用于安裝進(jìn)出水管、水溫傳感器14與光電液位開關(guān)，隔板固定在機(jī)柜上，與稱量容器15不接觸，保證定期檢定的電子天平16在稱量時不影響稱量結(jié)果。

供水模塊11主要用于提供檢定工作所需的凈化用水，連接為蓄水桶19經(jīng)供水泵20與凈水器18相連，凈水器18連接電磁閥21控制器發(fā)出供水命令后，供水泵20開始運(yùn)行，電磁閥21打開，蓄水桶19中的水通過供水泵20進(jìn)入凈水器18中，過濾后將凈水通過一個雙路直通電磁閥21進(jìn)入稱量容器中12，定期檢定的電子天平16實時檢測水的質(zhì)量變化，待水加到設(shè)定質(zhì)量后，將供水泵20與電磁閥21同時關(guān)閉，供水工作完成，凈水器18過濾后留下的污水通過污水口進(jìn)入控制端排水模塊12管路中，排出檢定裝置外。

分水泵9用于向檢定終端工作臺6中的檢定容器8定量送水。

檢定泵7用于實現(xiàn)雨強(qiáng)控制功能，按設(shè)定流速將檢定容器8中的水輸送至被檢雨量計承雨器/傳感器，故采用杰恒公司生產(chǎn)的BT-300CA型步進(jìn)電機(jī)式蠕動泵，在選用軟管型號為25#條件下，其流量范圍為（0.05～500）mL/min能夠?qū)崿F(xiàn)（0.1～10）mm/min的雨強(qiáng)模擬，在進(jìn)行30mm雨量檢定分水時，每檢定容器8加水時間不大于2min，同時滿足分水與檢定工作。

控制器模塊4用于對檢定裝置配套的供水泵9、檢定泵7、分水閥10等進(jìn)行開關(guān)控制，同時通過溫濕度采集器25可采集水溫傳感器14、的數(shù)值，通過在工控機(jī)23的上位機(jī)軟件計算，實時對水容積進(jìn)行修正。

當(dāng)檢定裝置供水模塊11向稱量容器15加水液面至光電液位開關(guān)17時，光電液位開關(guān)17接觸到液面后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破髂K4，通過控制器模塊4中的工控機(jī)23的上位機(jī)軟件，向繼電器串口控制器24發(fā)出指令，控制供水模塊11關(guān)閉進(jìn)水設(shè)備，防止定期檢定的電子天平16過量程，實現(xiàn)保護(hù)定期檢定的電子天平16的目的。

開關(guān)電源22選用明緯_SP-320-12型開關(guān)電源，用于控制模塊4以及配套設(shè)備供電需要；工控機(jī)23采用Z155-2L-6C型無風(fēng)扇工控機(jī)，用于作為總控制平臺使用，內(nèi)嵌配套軟件，由操作人員通過操作軟件，就可以對被檢設(shè)備實時檢定；繼電器串口控制器24采用KAC2116S型16路串口繼電器控制板，用于控制供水泵9、分水閥10等開關(guān)量設(shè)備的通斷；溫濕度采集器25采用AOSONG_YL-WD-2型溫濕度采集模塊，用于將環(huán)境溫濕度、水體溫度通過串口將數(shù)據(jù)傳入工控機(jī)23。

串口服務(wù)器3為擴(kuò)展工控機(jī)23串口通信接口數(shù)量，實現(xiàn)工控機(jī)23與分水泵9、檢定泵7、計數(shù)器等部件/組件以及串口輸出式被檢雨量傳感器間的通信連接，采用基于網(wǎng)絡(luò)的分布式數(shù)據(jù)采集解決方案，選用帶2KV光電隔離保護(hù)的Moxa NPort 5650型16口RS232/422/485串口服務(wù)器方便的在串口和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中傳輸數(shù)據(jù)和系統(tǒng)集成。

分水閥10用于將控制臺2分水泵9輸送過來的水分配到各個檢定容器8中，分水閥10選用重慶盾銘有限公司生產(chǎn)的ZD直動活塞式兩位三通水用電磁閥，其采用直動雙活塞式閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯和閥體均采用304不銹鋼制造，具有動作反應(yīng)快、耐腐蝕性能好、可靠性高等特點。

檢定容器8為定制部件，采用高透明高硼實驗室用玻璃材料制造，容積約1.2L，能夠滿足200mm承雨口雨量計在設(shè)置30mm雨量時的檢定需要。檢定容器8底部采用V型設(shè)計，內(nèi)部涂覆強(qiáng)疏水納米材料，能最大限度地降低殘水誤差，提高檢定裝置的準(zhǔn)確度。

檢定泵7采用與分水泵9相同的蠕動泵，用于實現(xiàn)雨強(qiáng)控制功能，按設(shè)定流速將檢定容器中的水輸送至被檢雨量計。

數(shù)據(jù)采集模塊5為滿足被檢雨量計開關(guān)信號采集計數(shù)和翻斗平衡狀態(tài)測試需要，選用主芯片為STM32F103的iHMI43型智能液晶模塊作為基礎(chǔ)進(jìn)行嵌入式軟件的編制，其功能計數(shù)可顯示計數(shù)值（最大99999）及最近兩次脈沖波形及時間，具有計數(shù)啟停、計數(shù)清零以及遠(yuǎn)程鎖定等控制功能。數(shù)據(jù)采集模塊（5）通過串口與控制器模塊4中的工控機(jī)23進(jìn)行通訊，可將采集到的被檢雨量計的數(shù)據(jù)傳入工控機(jī)23，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

排水系統(tǒng)由控制端排水模塊12與檢定端排水模塊13組成。檢定端排水模塊13用于將被檢雨量計檢定后的水收集起來，通過管路導(dǎo)入實驗室地漏中將水排出裝置；控制端排水模塊12用于將凈水器18過濾后的污水通過管路導(dǎo)入實驗室地漏中將水排出裝置；同時也可將控制端排水模塊12與檢定端排水模塊13組合起來，檢定端排水模塊13的水通過控制端排水模塊12一并導(dǎo)入實驗室地漏中。

如圖9所示，檢定方法如下：

（一）人工檢查各個模塊是否存在異常，確保儲水桶17內(nèi)盛有清水，確認(rèn)無誤后，檢定裝置上電，打開控制器模塊4電源，進(jìn)入檢定軟件；

（二）進(jìn)入檢定軟件，輸入操作人員信息，進(jìn)入裝置自檢界面，裝置會自動完成對整體的通訊自檢，完成后進(jìn)去檢定界面；

（三）輸入被檢定雨量計相關(guān)信息，根據(jù)軟件提示按照J(rèn)JG（氣象）005-2015《自動氣象站翻斗式雨量傳感器》規(guī)程，先目測被檢雨量計外觀是否合格，然后使用配套的游標(biāo)卡尺測量被檢雨量計承水口直徑，將測量后的數(shù)值填入相應(yīng)的表格中，完成后進(jìn)入測量誤差檢定界面；

（四）軟件會安裝檢定規(guī)程設(shè)定的檢定點自動檢定，檢定之前，檢定裝置會自動進(jìn)行整體潤管工作，以保證檢定裝置管路內(nèi)管道濕潤，以減小誤差，提高檢定的準(zhǔn)確度；

（五）完成潤管工作后，檢定裝置進(jìn)行測量誤差檢定工作，每個檢定點按照檢定規(guī)程要求檢定三次；

（六）測量誤差檢定完成后，軟件自動記錄被檢雨量計數(shù)據(jù)信息，按照提示要求生成檢定報告；

（七）針對檢定報告根據(jù)提供的對應(yīng)省局雨量計檢定證書模版，生成檢定證書，按照提示進(jìn)行打印證書；

（八）操作人員可根據(jù)檢定報告判斷被檢雨量計是否合格，如判斷合格，將檢定好的雨量計入庫以備使用；若判斷不合格，則要求被檢雨量計返廠維修。

檢定工作完成。

原理

檢定裝置研制需解決的主要關(guān)鍵技術(shù)是雨量量值的準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。根據(jù)檢定裝置研制指標(biāo)要求：系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定或?qū)崟r輸入，通過測量和控制加水器出水質(zhì)量，復(fù)現(xiàn)產(chǎn)生準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)雨量量值，雨量控制誤差指標(biāo)要求不大于±0.1mm。在分水泵9向檢定終端中的檢定容器8送水時，稱量容器15中水質(zhì)量實時變化，精密定期檢定的電子天平16測量結(jié)果輸出時間間隔較長（1～2）s，且因水的密度受溫度影響，雨量準(zhǔn)確控制難度較大。

為解決雨量準(zhǔn)確控制難題，主要采取了以下措施：

（一）分水泵采用步進(jìn)電機(jī)式蠕動泵，應(yīng)用流量調(diào)節(jié)模式，在保證分水效率的同時，盡可能降低雨量控制誤差。初始時，設(shè)定分水泵為大流量模式，以提高分水效率，降低分水時間；接近雨量設(shè)定檢定點對應(yīng)質(zhì)量時，設(shè)定分水泵9為小流量模式，有效降低雨量控制誤差。

（二）分水前，計算設(shè)定雨量檢定點對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量值時，進(jìn)行溫度修正處理。通過水溫傳感器14測量稱量組件中水的溫度，查算《ITS90國際溫標(biāo)純水密度查算表》，得到當(dāng)前溫度下水的密度值；使用雨量檢定點量值與承雨口面積和水密度值的乘積，作為加水質(zhì)量控制目標(biāo)值，進(jìn)一步降低雨量控制誤差。

采用“集成-分布”式架構(gòu)，由控制臺2和若干個檢定終端工作臺6級聯(lián)組成，控制器模塊4用于集中控制，可實現(xiàn)對多套檢定終端工作臺6的并行控制和數(shù)據(jù)集中處理；檢定終端工作臺6可獨(dú)立完成雨量示值檢定的加水過程，采集被檢雨量計輸出的干簧管開關(guān)量信息等。

采用定期檢定的電子天平16實時稱量供水模塊11中水的質(zhì)量，計算供水模塊11中輸送至檢定容器8中的水的質(zhì)量，作為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值；通過純水密度查算表，將檢定容器8中水的質(zhì)量值換算為體積，除以承雨口面積，得到雨量標(biāo)準(zhǔn)值；使用蠕動泵以設(shè)定流速將檢定容器8中的水，全部輸送至被檢雨量計；將雨量標(biāo)準(zhǔn)值與被檢雨量計示值進(jìn)行比較，得到檢定/校準(zhǔn)結(jié)果。