旋转式雨滴能量测量仪和降雨能量的测量计算方法技术

一种旋转式雨滴能量测量仪和降雨能量的测量计算方法，涉及一种雨滴能量测量仪和降雨能量的测量计算方法。为了解决地面雨滴谱仪装置精确度低的问题。测量仪由栅格式雨量杯、圆柱形雨量杯和旋转支撑机构构成，栅格式雨量杯内设置有栅格腔室。测量计算方法：调整转速RPM，然后计算栅格式雨量杯的水平转速Vh，分别获取栅格腔室内收集的雨滴的质量，利用公式

Rotary Raindrop Energy Measuring Instrument and Rainfall Energy Measuring and Calculating Method

【技术实现步骤摘要】
旋转式雨滴能量测量仪和降雨能量的测量计算方法
本专利技术涉及一种雨滴能量测量仪和降雨能量的测量计算方法。
技术介绍
在土壤侵蚀研究中，降雨能量是影响土壤侵蚀发生和发展的重要因素，同时也是土壤侵蚀预报模型中的重要因子。因此，降雨能量的精确测量对于土壤侵蚀领域的研究和土壤侵蚀的预报十分关键。降雨能量的测量方法可以分为传统方法和现代方法。传统方法包括色斑法、面粉团法、油浸法和快速摄影法等；现代方法以雨滴谱仪为代表，包括冲击雨滴谱仪、光学雨滴谱仪和声学雨滴谱仪以及雷达技术等。由于早期科学技术的限制，人们无法直接对雨滴的速度进行直接测量，因而只能够通过测量雨滴谱来间接的估算雨滴速度。雨滴粒径分布是雨滴谱能够提供的重要信息。雨滴粒径的大小决定了雨滴的质量和速度的大小，是影响雨滴动能的重要因素。传统雨滴谱测量技术如色斑法、面粉团法、油浸法均是为了获得雨滴的粒径信息，并通过建立的雨滴直径和雨滴速度的经验公式间接估算降雨能量。这些方法普遍存在精度低，工作量大，实时性差等缺点。在国内，修正的沙玉清公式和修正的牛顿公式是最常用的利用雨滴直径计算雨滴速度的经验公式。除此以外，一些研究者还通过降雨能量和降雨强度的关系来间接的估算降雨能量。著名的美国通用土壤流失方程USLE中，降雨能量便是通过降雨强度间接估算的。快速摄影法技术的出现为人们提供了一种直接测定雨滴速度的途径。然而，快速摄影法仅仅能够测量单个雨滴的速度，并不适合整场降雨能量的测量。随着科技的进步，雨滴谱的测量装置也不断进步。现在雨滴谱测量装置主要分为两类，一类是地面雨滴谱仪装置，另一类是雷达测量雨滴谱装置。地面雨滴谱仪根据测量原理的不同主要分为三种：冲击型雨滴谱仪、光学雨滴谱仪和声学雨滴谱仪。冲击型雨滴谱仪是利用传感器接收雨滴打击信息，根据产生电磁脉冲信号的大小来估计降雨能量，典型代表是Joss-Waldvogel(JWD)雨滴谱仪。光学雨滴谱仪是利用发射器发射特定波段的光束，雨滴穿过光束会对光束造成干扰，根据接收器接收到光束信息的变化可以估计雨滴尺寸和雨滴速度信息，典型代表是GBPP-100地面光阵雨滴谱仪、光谱雨量计(OpticalSpectro-Pluviometer，OSP)和激光降水监测仪(LaserPrecipitationMonitor，LPM)。声学雨滴谱仪是根据雨滴击打水面的声音变化判断雨滴速度大小和降雨能量，目前市面上此类的雨滴谱仪并不多。地面雨滴谱仪主要适合小的空间尺度雨滴尺寸和能量信息的测量，而雷达测量雨滴谱装置则适合对于高空大尺度空间的观测，能够根据雷达反射因子(Z)和降雨强度(I)的关系来估算降雨信息。通常来说，地面雨滴谱仪装置的光或电信号极易受雨滴间重叠或遮挡的影响，从而对测量结果准确性造成影响。与此同时，雷达测量雨滴谱并不适合小范围雨滴能量的估计，同时测量结果受大气运动(上升气流、下降气流及水平风等)的影响明显。综上所述，传统的通过雨滴谱间接计估算降雨能量的方法费时费力，实时性差，精确度也低，而现代的一些雨滴谱测量技术也面临一些诟病，如价格昂贵、光或电信号易受干扰而导致测量结果准确性差等问题，限制了相关技术的推广使用。因此，有必要开发一种简单、实用、便携、廉价的雨滴能量测量仪器。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有地面雨滴谱仪装置易受到干扰导致的测量结果精确度低的问题，提出一种旋转式雨滴能量测量仪和降雨能量的测量计算方法。本专利技术旋转式雨滴能量测量仪由数个栅格式雨量杯、圆柱形雨量杯和旋转支撑机构构成；所述栅格式雨量杯为立方体形，栅格式雨量杯内部一侧的内壁上和底板上固接有数个平行的等距的栅格板，所有栅格板的自由端设置在同一个竖直平面内，最上面的栅格板与栅格式雨量杯顶部的倾斜顶板之间、以及任意相邻的栅格板之间构成栅格腔室；栅格式雨量杯内栅格腔室另一侧为空腔，空腔顶部为敞口；数个栅格式雨量杯呈中心对称设置在旋转支撑机构的外缘，且栅格式雨量杯中敞口朝上设置、栅格式雨量杯中栅格腔室的敞口端朝向栅格式雨量杯的旋转方向；旋转支撑机构的旋转中心上部固定有圆柱形雨量杯，圆柱形雨量杯上部为敞开口，圆柱形雨量杯的敞开口的面积与栅格式雨量杯的顶部为敞口的面积相等。进一步地，所述栅格式雨量杯的空腔的外壁下部宽度小于上部宽度。进一步地，所述旋转支撑机构为圆形平台，或旋转支撑机构由数个等长度的支撑臂构成，支撑臂呈辐射状分布且处于同一水平面内。进一步地，所述由数个等长度的支撑臂构成的旋转支撑机构中：数个支撑臂呈水平辐射状固接在旋转支撑机构的中心旋转轴上，旋转支撑机构下方设置有驱动电机，驱动电机的动力输出轴与旋转支撑机构的中心旋转轴连接。进一步地，所述旋转支撑机构下方的驱动电机外部套设有中央支柱；中央支柱为圆筒形，中央支柱下底部和上底部为敞口，中央支柱的上底部的敞口内径小于下底部敞口的内径；中央支柱下部与测量仪底座垂直固接；驱动电机的壳体与中央支柱内壁固接。进一步地，所述由圆形平台构成的旋转支撑机构中：圆形平台水平设置，圆盘形的旋转支撑机构的下方设置有驱动电机，驱动电机的动力输出轴与旋转支撑机构的中心旋转轴连接。进一步地，所述驱动电机的电源为变频器。进一步地，所述栅格板与栅格式雨量杯底部之间的夹角为30～60°。利用上述旋转式雨滴能量测量仪进行降雨能量的测量计算方法按照以下步骤进行：步骤一：将旋转式雨滴能量测量仪放置在雨中，调整驱动电机的转速RPM至雨滴进入栅格式雨量杯中较上的栅格腔室且不进入最下的栅格腔室；然后清空进入栅格式雨量杯中的全部雨水，将驱动电机的转速设定为RPM；步骤二：按照公式(1)计算栅格式雨量杯的水平转速Vh；公式(1)中Vh为栅格式雨量杯的水平转速，单位为m/s；r为栅格式雨量杯旋转半径，单位是m；RPM为栅格式雨量杯转速，单位为转/分钟；步骤三：分别获取栅格式雨量杯中每个栅格腔室内收集的雨滴的质量，由上至下第1个、第2个，……，第i个，第i个栅格腔室内收集的雨滴的质量分别为M1，M2，M3，……，Mi，其中，第1个、第2个，……，第i个栅格腔室内雨滴的最小垂直速度分别为V1，V2，V3，……，Vi，将雨滴的质量Mi和雨滴的最小垂直速度Vi带入公式(2)计算降雨能量E；公式(2)中，i和n为正整数,n小于栅格式雨量杯(1)中栅格腔室的总数量；Mi为每个栅格腔室内收集的雨滴的质量，单位为kg；Vi为每个栅格腔室所对应的雨滴的最小垂直速度，单位为m/s；E为降雨能量，单位为J/kg；Vi按照公式(3)计算；公式(3)中，i为正整数；Vh为栅格式雨量杯的水平转速(线速度)，单位为m/s。本专利技术原理为：旋转式雨滴能量测量仪中栅格式雨量杯做匀速圆周运动，能够根据雨滴降落速度的不同对雨滴进行收集、筛选和分级。降落速度大的雨滴能够进入栅格式雨量杯更低的栅格腔室，而降落速度小的雨滴只能够进入较高的栅格腔室。根据不同栅格腔室收集到雨滴质量的差异，可以获得降雨能量信息。本专利技术具备以下有益效果：本专利技术旋转式雨滴能量测量仪结构及测量方法具有简单、实用、便携和廉价的优点；与现有的地面雨滴谱仪相比，本专利技术不涉及光信号或电信号的使用，避免了因雨滴间重叠或遮挡对光、电信号造成干扰而导致的仪器测量不准确的问题，大大提高了雨滴能量测量的准确性。通过本专利技术中降雨能量的测量计算方法，能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：该旋转式雨滴能量测量仪由数个栅格式雨量杯(1)、圆柱形雨量杯(2)和旋转支撑机构构成；所述栅格式雨量杯(1)为立方体形，栅格式雨量杯(1)内部一侧的内壁上和底板上固接有数个平行的等距的栅格板(12)，所有栅格板(12)的自由端设置在同一个竖直平面内，最上面的栅格板(12)与栅格式雨量杯(1)顶部的倾斜顶板(11)之间、以及任意相邻的栅格板(12)之间构成栅格腔室；栅格式雨量杯(1)内栅格腔室另一侧为空腔，空腔顶部为敞口(13)；数个栅格式雨量杯(1)呈中心对称设置在旋转支撑机构的外缘，且栅格式雨量杯(1)中敞口(13)朝上设置、栅格式雨量杯(1)中栅格腔室的敞口端朝向栅格式雨量杯(1)的旋转方向；旋转支撑机构的旋转中心上部固定有圆柱形雨量杯(2)，圆柱形雨量杯(2)上部为敞开口，圆柱形雨量杯(2)的敞开口的面积与栅格式雨量杯(1)的顶部为敞口(13)的面积相等。

【技术特征摘要】
1.一种旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：该旋转式雨滴能量测量仪由数个栅格式雨量杯(1)、圆柱形雨量杯(2)和旋转支撑机构构成；所述栅格式雨量杯(1)为立方体形，栅格式雨量杯(1)内部一侧的内壁上和底板上固接有数个平行的等距的栅格板(12)，所有栅格板(12)的自由端设置在同一个竖直平面内，最上面的栅格板(12)与栅格式雨量杯(1)顶部的倾斜顶板(11)之间、以及任意相邻的栅格板(12)之间构成栅格腔室；栅格式雨量杯(1)内栅格腔室另一侧为空腔，空腔顶部为敞口(13)；数个栅格式雨量杯(1)呈中心对称设置在旋转支撑机构的外缘，且栅格式雨量杯(1)中敞口(13)朝上设置、栅格式雨量杯(1)中栅格腔室的敞口端朝向栅格式雨量杯(1)的旋转方向；旋转支撑机构的旋转中心上部固定有圆柱形雨量杯(2)，圆柱形雨量杯(2)上部为敞开口，圆柱形雨量杯(2)的敞开口的面积与栅格式雨量杯(1)的顶部为敞口(13)的面积相等。2.根据权利要求1所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述栅格式雨量杯(1)的空腔的外壁下部宽度小于上部宽度。3.根据权利要求1或2所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述旋转支撑机构为圆形平台，或旋转支撑机构由数个等长度的支撑臂(3)构成，支撑臂(3)呈辐射状分布且处于同一水平面内。4.根据权利要求3所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述由数个等长度的支撑臂(3)构成的旋转支撑机构中：数个支撑臂(3)呈水平辐射状固接在旋转支撑机构的中心旋转轴上，旋转支撑机构下方设置有驱动电机，驱动电机的动力输出轴与旋转支撑机构的中心旋转轴连接。5.根据权利要求1、2或4所述的旋转式雨滴能量测量仪，其特征在于：所述旋转支撑机构下方的驱动电机外部套设有中央支柱(4)；中央支柱(4)为圆筒形，中央支柱(4)下底部和上底部为敞口，中央支柱(4)的上底部的敞口内径小于下底部敞口的内径；中央支柱(4)下部与测量仪底座垂直固接；驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：林青涛，吴发启，徐倩，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61