雨強計

雨強計（ rainfall intensity recoder）是用來記錄雨強(單位時間降雨量)隨時間變化的儀器。目前常用的是光電式和電熱式兩種類型雨強計，在人工灌溉、洪水監測控制、道路積水漂滑防護等方面均有套用。

基本介紹

• 中文名：雨強計
• 外文名： rainfall intensity recoder
• 最小雨滴：0.2 mm
• 作用：記錄雨強隨時間變化
• 電流：90mA 

簡介

降雨強度、降雨量測量是地面氣象台（站）、水文站基本觀測項目之一。它對農林、國防、工交、能源、航運等部門及人們日常生活都有著至關重要的作用。

目前, 氣象台( 站)、水文站所使用的虹吸式、翻斗式雨量計, 存在著解析度低、回響慢、間斷測量、誤差隨降雨強度的不同而變等問題。只能測出平均降雨強度, 與自然界瞬時降雨強度的變化差別較大。為適應氣象、水文事業的四個現代化的發展, 滿足各行各業測量降雨強度的需要, 在國內首先研製了光電式雨強計，以及電熱式雨強計。

套用領域

（2）人工灌溉、灌溉控制；

（3）降雨強度和降雨量測量過程中的控制；

（4）洪水監測控制、洪水防護；

（5）道路積水漂滑防護。

電熱式雨強計

電熱式雨強計是一種對數回響特性的電熱式降雨強度計，該儀器是根據使降落到威應器表面的雨水加熱蒸發所需要的電功率，以連續測量0 . 3-350毫米/小時的降水速率。外場試驗表明，此儀器與標準翻斗雨量計的觀測結果一致。

工作原理

這種電熱降雨強度i卜是根據四十年代在飛機積冰現象的研究中使用的液態水含量電測儀器發展而來的，它可以檢測落到儀器表面的雨水和雲中的水通量。儀器有兩個固定電位的金屬電極，電極之間是一種多孔、吸水強的絕緣材料，絕緣材料在乾燥時電阻很大，只能有極少的電流通過，電熱也極微弱。遇到雲或雨，水滴很快被吸進，絕緣材料電阻劇減，能使大量電流通過。突然出現的電涌使絕緣材料的溫度升到很高，吸進的水分則迅速蒸發，若不再繼續吸進水分，絕緣材料很快又恢復乾燥，近於絕緣狀態。電熱雨強計要求有足夠的電壓，才能產生足夠的電熱，使落上的雨水蒸發。根據實際電流和所加電壓的乘積，即電功率，就能得出到達儀器接水面上的水通量。電源用直流電、交流電都可以，使用交流電能大大減小儀器的腐蝕、電解和電極極化等。

結構

電熱雨強計用一個直徑7,0厘米、高11,3厘米的普通自鐵皮罐頭盒作一電極，罐頭盒上繞以多孔絕緣材料—石棉紙帶。石棉紙外面又以1,27毫米間隔卷繞著吐徑0,25毫米的螺旋線作為另一電極。厚的石棉紙帶使用壽命長，但回響速度慢，最好用兩層0,76毫米厚的石棉紙帶。纏繞以前先把石棉紙帶弄濕，這樣可以使它緊貼在罐頭盒上。最外面用螺旋線做成的電極，因隨時受到腐蝕，又要承受比裡面電極大得多的電流密度，必須選用抗腐蝕能力強的材料。蒙乃爾(Monel)合金的抗腐蝕能力比銅、不鏽鋼、鎳鉻合金都要強得多，較為理想。為了使蒙乃爾合金線在電流通過時產生的電阻加熱降至最小，在石棉紙帶和蒙乃爾合金線之間，與罐頭盒的軸相平行，加了一根直徑1毫米的銅練。每圈蒙乃爾合金線都與銅練相焊接，這樣降低了電阻。銅練的一頭焊接到一個香蕉插頭上，以便與外部設備連線。

測錄系統

電熱雨強計的使用方法很多。最簡單的是與電流表串聯，直接得到降水強度的模擬顯示。如果需要降水率資料，可以把電流轉換成適合於記錄的電壓信號。用電壓一頻率轉換器和小型計算機對降水責料實行數位化處理和存儲，就能得到降水率和總降水量兩項一貪料。

降雨率的變化是很大的，每小時兒百毫米的大暴雨和毛毛細雨可相差1000倍。因此用對數回響記錄器比線性回響記錄器有利。從對數回響記錄器電路可以看出，降雨強度計的戚應部分與變壓器的初級線圈串聯，與降雨率成正比的電流所產生的電壓信號將鹹應到次級線圈。此電壓信號與地隔離，經整流、濾波、對數放大和緩衝放大，而後作為降雨率被記錄下來。

觀測理論討論

用這種測量降雨強度，有三條簡化假：

（1）用於蒸發降落到威應器接水面上的水分所需要的能量均由電熱提供；

（2）電熱提供的能量都用於水分蒸發；

（3）到達威應器接水面的水分都得到了蒸發。

由此，降雨強度計所消耗的電功率應為:P=CIA。式中I表示降雨強度，C為常數，‘已與蒸發單位量的降水所需能量成正此，A為儀器的接水面積。

優缺點

電熱雨強計結構簡單、材料現成、價格低廉，用兩層石棉紙大約可維持一年，用一層石棉紙大約可維持3-4個月，工作期間不需要維修，只需到時更換一下就行了。電熱雨強計的最大缺點是功率太大，測量暴雨時功率消耗超過1千瓦，對野外工作不便。

光電式雨強計

光電雨強計是用來測定瞬間降水強度的測量器（mm/min的降水），通過降水強度的測量，還能夠計算出總降雨量。降雨強度能夠發出控制信號。測量信號的輸出是基於強烈而可靠的電流信號的輸出。整個測量範圍被分割成4個線性特徵部分，每部分又被分為10個更為敏感的部分，因此可以測量的降水強度範圍為0.001 ~ 10 mm/min（準確的對數輸出）。

光電雨強計由感測器、數據採集及處理、顯示、列印、電源等部分組成。

感測器的工作原理

感測器由外罩、承水器、引水管、貯水器、水平泡滴水嘴（噴嘴）、光電檢測器、轉換電路等主要零部件組成。

貯水器內保持一固定的水位。噴嘴內液體重量, 雨水與管壁的摩擦力, 貯水器水位的靜壓力, 與噴嘴直徑的圓周表面張力相平衡時, 噴嘴不往外滴水。

當外界降雨時, 雨水經承水器匯集至貯水器內, 使b 處水位升高, 靜壓力增大。

當靜壓力大於表面張力時, 水滴便從噴嘴不停地滴出。水滴下落時通過紅外發光二極體的光路, 光被水滴球面反射, 致使光敏三極體的光照中斷, 光敏三極體的特性發生突變, 經CMOS施密特電路整形、放大後輸出BCD 碼進行計數。

水滴的大小、滴出的快慢取決於滴水嘴直徑和外界降雨強度。降雨強度增加時, 單位時間內的水滴數也隨之增加。記錄單位時間內滴下的水滴數, 便可求出降雨強度。

由於感測器機械加工, 裝配後的幾何形狀、尺寸難以保證一致及外界溫度、氣壓的變化等因素, 致使從噴嘴滴出的水滴大小不甚相同, 欲求累計降雨量就必須進行線性修正。

從大量的室內模擬降雨試驗可知, 在不同的降雨強度下, 每個水滴所代表的自然降水量值是有所差異的。

硬體及程式

硬體由MCS48系列單片機8039, 鎖存器74Ls373、EPROM2716, 計數器和字輪式小型印表機,LED發光管顯示器及驅動電路等主要部件組成。

由感測器輸出的雨滴脈衝, 經電平變換、斯密特整形後, 送給計數器計數機進行數據處理, 算出瞬時降雨強度、累計降雨量。

儀器投電之後, 如無降雨, 便處於判斷等待狀態, 只顯示零, 印表機不工作。

當儀器判出有降雨時, 即列印降雨起始時間, 而後每6s採樣計數一次, 將採得的雨滴數換算成相應的降雨強度、降雨量。雨量累加後和雨強一併送給顯示器進行顯示。並且每隔2( 或5 )而min列印一次降雨強度(mm/min), 每隔5min感測器不送計數脈衝, 就算此次降雨結束。打出降雨停止時間, 本次降雨的累計降雨量、平均降雨強度、最大降雨強度值及出現時間。

每日20 點, 儀器列印出日, 總降雨量、日最大降雨強度及出現時間。

儀器有軟體鐘可顯示時間。

儀器的主要指標

(1)承水器直徑:Φ112，80mm( 面積100cm²) ;

(2)分辨力:0.00932mm/1個雨滴;

(3)測量範圍:5一240mm/h;

(4)最大雨強:4mm/min;

(5)精度:±4%;

(6)顯示:LED數碼管，每3s更換一次雨量、雨強;

(7)記錄:微型印表機每2min列印一次瞬時雨強:x x x x mm/min，每10min列印一次累計降雨量X X X X mm，每日20點列印日累計降雨量、最大雨強值及出現時間;

(8)電源:交直流兩用，直流5V，平時50mA，列印時500mA，直流12V/30mA;

(9)傳輸距離:150m以內。

相關參數：

項目	參數
測量指標	降水強度
測量範圍	0～0.01 mm / min >> 4.0 ~ 8.0 mA; 0.01～0.1 mm / min >> 8.0 ~ 12.0 mA; 0.1～1.0 mm / min >> 12.0 ~ 16.0 mA; 1.0 ～10 mm / min >> 16.0 ~ 20.0 mA
輸出	與測量值對應的持續電流，4.0 mA ~ 20.0 mA
感應面積	25 cm^2
加熱電流	最大1 A
環境溫度	-25 ~ +55°C
保護	IP 65 acc. to DIN 40050
EMC	EN 61321-1 with EN 61000-4-3
重量	0.4 kg

技術特點

毛毛雨、雨、雪、冰雹等各種形式的降水都通過一個光帶，並能夠被光電二極體所感應，從而引起接收端的遮蔽效應。所發出的光是經過調諧的脈衝，這樣保證了所測量的結果不受外部光作用的干擾。該儀器還安裝了加熱系統用以應對極端天氣條件，可防止在外殼表面形成冰或雪。另外，通過加熱控制系統，可以使表面溫度保持在 0°C 以上。

優點

光電式雨強計具有測量範圍寬，精度高，解析度高，回響快，數字顯示、列印、記錄，既可測出每分鐘雨強又可測出累計降雨量等特點。

（1）能輸出降水強度模擬信號；

（2）新型先進元件；

（3）能測量降水強度；

（4）基於免維護的光學元件。