文摘
目前,陆地上降水测量的方法和工具,不能有效地工作在海洋腐蚀环境特点是盐和潮湿。研究观察调查可靠和精度的方法测量降雨和电容式雨量计的海洋环境。首先,根据电容式雨量计的工作原理及性能要求,模块化的机械结构和电容电压转换电路雨量计的设计、校准和稳定性实验样机的测试来评估测量误差和考试的准确性雨量计测量结果随时间变化。然后,环境适应性实验进行探索其性能的电容式雨量计的环境温度和湿度变化以及盐雾。最后,雨量计的可行性验证用于海洋环境的海上测试原型。开发了电容式雨量计的测量误差小于1毫米,它提供了一种实现方法测量降水的海洋环境。
1。介绍
测量海洋降水是海洋气象观测的基本要素之一,是重要的海洋气象和气候变化的研究,水和能量循环系统以及数值天气预报(1- - - - - -3]。降雨雨量计直接测量可以获得(4,5),也可以间接估计天气雷达(6通过卫星遥感[]和检索7和微波链路衰减8,9]。与雷达估计相比,卫星遥感、微波链路衰减检索降雨,雨量计观测到的降雨量的准确性是最高的,通常用来作为比较基准评估其他降水测量方法10- - - - - -12]。然而,雨量计是一个单点降水测量工具,无法获得大面积降水。为了解决这个问题,降雨站网络是专为测量区域降水,和这个网络已广泛应用在陆地上13,14]。
由雨量计测量降水的主要方法主要包括蓄水方法(15)、光学方法(16],声学方法[17),和压电效应的方法18]。蓄水方法获得降雨通过测量水容器的重量或体积的变化,引起的光学方法采用漫反射的原则通过激光雨滴或红外线预测降雨,声学方法使用声波反射测量降水和雨量计应用压电效应估计雨滴谱通过感知和降水雨滴动能变化。在这些方法中,光学法、声波法、和压电效应方法应用光学透镜,声学探测和压电片作为知觉元素,分别和这些传感部分或元素易受周围环境,如噪音、灰尘、腐蚀性;因此,这些方法很容易造成测量误差和很少使用在粗糙的环境条件19,20.]。雨量计采用蓄水方法几乎没有环境敏感地区与其他类型的雨量计;它具有较高的准确性和适应性和广泛用于测量降雨量。
主要有三种降雨指标测量降水的蓄水方法:翻斗式(21[的],虹吸式22),和权重类型(23]。这些雨的性能指标有所不同根据测量原理,并存在某些缺陷在这些雨量数据当它们用于不同的条件。例如,翻斗式雨量计很容易受到降雨强度的影响,及其测量误差随降雨强度增加(24]。当降雨强度小,测量误差将会发生虹吸式雨量计[25]。在暴雨中,权重雨量计很容易错过降水数据;因此,测量结果的稳定性不足(26]。此外,翻斗式雨量计和虹吸式雨量计机械传动部分,这是很难稳定可靠地工作,在海洋环境湿度和盐雾的特点,由于这个原因,雨量数据需要定期维护。然而,雨量计的维护用于严重或无人值守环境是很困难的。因此,测量精度和操作可靠性在各种环境中需要认真考虑当一个降雨测量仪器。
它已经被用于土地测量雨量计组成的网络在大面积降水;然而,降雨量监测大面积海上使用雨量计是没有实现。到目前为止,使用海上雨量计测量降水主要依靠船(19,27)和海洋浮标(28,29日]。不过,这艘船的路线选择,船舶运动,和船舶上层建筑所有影响降雨测量面积和结果(19,27]。浮标在海里的密度仍低,和空间分布不均匀,不能满足大规模区域降雨量监测的需要。海洋资源开发和海洋观测技术的发展,越来越多的钻井平台,风能和海洋能发电装置,将部署near-globe海洋和海洋观测设备,和这些海洋平台将成为理想的平台进行雨量计;所以,它可以预测,越来越多的雨量计将被安装在海洋平台上开展大规模海洋降水测量的未来。虽然有些技术基于上述方法测量降雨量在海上进行,测量精度是类似于在陆地上使用,耐气候性、环境适应性和数据完整性仍需进一步验证或完善18,19]。因此,需要密切关注研究的可行性方法测量降水和精致的雨量计精确、可靠地工作在海洋腐蚀环境长期应用。
从技术可行性和工作可靠性,一种电容式雨量计能够适应海洋环境是本文开发的。模块化的机械结构、电路设计、实验室性能试验和海上试验雨量计的系统研究,提供了一个有效的和可行的技术方法和选择方案获得海洋降水。
2。材料和方法
这一部分首先介绍了电容式雨量计的工作原理,然后描述了硬件组成发达电容式雨量计,最后展示了雨量计的性能测试方法。
2.1。工作原理
的降雨测量方法测量提出了基于电容传感器液位测量的原理30.]。电容式雨量计的原理图如图1(一)。电极棒、电极管、空气和水之间的电极棒和电极管构成圆柱形电容器的,和水容器的斧子,管电极,电极杆是共线的。当雨落,降水进入水容器通过水入口管和结果,电极管中的水位会改变,这将导致电容值的变化。降水可以测量通过测量电容值发生了变化。
(一)
(b)
整个圆柱电容器可以视为电容器(F)以水为介质电容器并行(F)以空气为介质。内圆的半径电极管(毫米),电极棒的半径(毫米),水容器的高度(毫米),内部水位的高度(毫米)。真空的介电常数、水和空气 , ,和 ,分别。的理论价值和是
的电容(F)的圆柱电容器可以表示为
根据方程(2),电容是一个线性函数的水位高度 ,之间有一个一对一的匹配电容值和水位高度。当水位上升到顶部的u形排水管,沉淀值最大,虹吸现象就会发生。结果,沉淀在水容器由排水管排出,降雨返回零,测量值和测量降水重新开始下一个循环。
2.2。硬件系统设计
2.2.1。机械结构设计
电容式雨量计是由机械部分和电路部分。如图1 (b)模块化的机械部分主要由外壳和内部结构。内部结构是雨量计的核心部分,主要包括进水口的支持,水容器,排水管道,电极棒、电极管、电路。壳,一方面,用于保护和密封的内部部件,另一方面,它是用来容纳降水和海上平台提供一个安装位置。电路元素是安装在进水口内部结构的支持。
最大体积的水容器(毫升),最大降水(毫米)在一个测量周期,有效的横截面积(毫米2)水的容器都是根据设计要求设置值。壳上端的直径(毫米)和水容器的高度(毫米)可以表示如下:
方程(3)也可以用来描述水位变化之间的关系(毫米)和降水(毫米)在一段时间内:
与现有的翻斗式雨量计和虹吸式雨量计,该电容式雨量计没有机械传动部件,可有效提高系统在海洋环境下的可靠性。此外,所有地区的雨量计的ant-corrosion和耐材料考虑高盐的腐蚀环境和湿度在海上:除了电极杆,电极管,和紧固连接器是不锈钢做的,和其他部分的聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。电路元件和接线点采用防潮,防盐雾、防霉技术。
2.2.2。电路设计
为了实现高精度测量,雨量计的电路是精心设计的。系统的电路图如图2。因为有电容和降水之间的一一对应,形式的输出电容电压。电路设计的关键是准确地测量电容器的电容值组成的电极管、电极杆,它们之间的介电和电容值转换成电压值。参考电路系统主要由振荡电路、振荡调制电路、相位歧视整形电路,放大电路和积分。参考振荡电路和振荡调制电路进行预处理输入电容数据和调制脉冲宽度,分别,然后生成矩形脉冲通过阶段歧视和整形电路。最后,相应的电压信号通过放大器的积分电路。
根据方程(2)和(4),电容变化之间的关系(F)和降水(毫米)降水过程可以得到:
输出电压之间的关系(V)和电容根据电路分析(F)可以表示如下: 在哪里(V / F)和(V)是常数与电路参数有关。
根据方程(5)和(6),输出电压之间的关系和电容是线性的。降水在一定时期内可以通过计算输出电压的变化值。系统12 V的输入电压,输出电压是0 - 5 V,对应0-50毫升降水。
2.3。实验
2.3.1。标定实验
为了确定降水之间的关系和输出电压值的电容式雨量计,甚至对测量误差和测试测量结果的准确性,发达雨量计校准。雨量计的校准实验图所示3可以看出,雨量计校准系统由两部分组成:测试用例和控制台。测试用例用于地方雨量计,雨量计加水。控制台用于精确控制水的添加量和过程输出电压值。
标定方法如下:测试用例注入水配给雨量计从0毫升到500毫升的最大价值50毫升间隔,相对应的降水增加相应从0毫米50 mm 5毫米的间隔,和相邻的注水的间隔时间是3分钟。同时,输出电压是收集的数据收集器的控制台。一旦水容量达到500毫升时,虹吸将发生,注水和测量过程会重复后排空。注水的过程和测量进行了三次,和同样的体积注射,三个输出电压值的平均值作为测量电压。
2.3.2。稳定性实验
为了测试测量结果的稳定性发达电容式雨量计随着时间的推移,稳定性实验进行了使用相同的实验系统如图3。测试方法如下:雨量计的水排水和注入50毫升,150毫升,250毫升,350毫升和450毫升水有序的雨量计每5天来模拟0毫米的降水,5毫米,15毫米,25毫米,35毫米,45毫米。对于每个注水点,收集输出电压的采样间隔10分钟5天,期间和电压的变化数据记录。
2.3.3。环境适应性试验
发达电容式雨量计主要用于海洋环境。为了调查可能的原型和测试问题的适应性和可靠性海洋环境的雨量计,雨量计的环境适应性试验。对海洋环境适应性试验雨量计包括温度试验和盐雾试验。在工作温度测试,电容式雨量计放置在恒温恒湿箱。RH湿度设置为95%,温度变化从−10°C到50°C 10°C区间。为每一个温度点温度测试持续72小时。在盐雾试验,清洗电容式雨量计放入盐雾箱,和5%氯化钠溶液(pH值在6.5和7.2之间)是由超声空化雾化模拟盐雾腐蚀环境。盐雾实验持续48小时。测试后,盐沉积物表面的壳是用流水洗净,和雨量计放置在室内环境中1 - 2小时,观察其外观结构。
2.3.4。离岸实验
为了考试发达电容式雨量计的性能在海洋环境中,发达雨量计安装在1.8公里的海洋监测浮标的土地在威海黄海海岸海上实验如图4。雨量计的电源是由太阳能电池提供的浮标,浮标和输出电压数据处理的控制系统,然后传回的实时通信系统。
3所示。结果与讨论
设计的电容式雨量计主要用于海洋环境,这就需要高可靠性和测量精度。特定的性能要求如下:0-50毫米降水测量范围,测量精度为1毫米。
根据上面提到的标定方法,进行校准,校准数据如表所示1。从表可以看出1当水量增加从0毫升到500毫升50毫升间隔,每个校准点的测量误差在±1毫米,最大测量误差和最大的不确定性是0.71毫米和0.003毫米,分别满足设计要求的电容式雨量计。然而,关于雨量计的校准结果只是受限于测试点的日期显示在表1。为了获得测量电压和降水之间的关系范围内的任意点,使用最小二乘法测量值在表1获取校准曲线,标定曲线如图5。
校准曲线的表达
根据图5与方程(7),输出电压之间的关系和降水是线性的,验证理论分析的正确性的方程(5)和(6对电路设计)。方程(7)是设置的基础设计雨量计的输出电压。
在稳定性试验中,每个测点的输出电压曲线如图6。从图可以看出6每个测试点的输出电压波动在标称值在测试过程中,没有循序渐进的增加或减少的趋势,表明雨量计测量结果稳定、可靠。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
每个测点的最大偏差电压稳定性试验期间和相应的降水误差如表所示2。从表可以看出2降水的最大测量误差小于1毫米。当降水是50毫米,最大误差的测量值是0.67毫米。稳定性实验结果表明,雨量计满足稳定性和测量精度的要求。
环境适应性试验,过程中雨量计的输出电压没有改变,这表明,雨量计具有良好的适应性和可靠性在不同温度和湿度环境。盐雾试验后,不存在点状腐蚀和裂纹表面的雨量计,这表明雨量计能够抵抗盐雾腐蚀。
雨量计是安装在浮筒上的平台于2019年5月试航。从6月1日《每日测量海洋降水数据圣2019到2019年6月30日,如图7。海岸同期降水也在图7与离岸比较发达的沉淀性能验证测试结果电容式雨量计的海洋环境。从图可以看出7离岸降水之间的差异和海岸降水提供由当地气象观测很小,最大的区别是0.8毫米。结果表明,电容式雨量计可以精确测量离岸降水。
4所示。结论
本文研制了一种电容式雨量计,已测试实验室和海洋环境,和雨量计的性能满足设计要求。可以得到以下结论:硬件系统的机械结构和电路板设计雨量计采用防腐材料和技术,展现出良好的环境适应性在不同温度和湿度环境以及盐雾环境。输出电压和降水之间的关系是线性的,理论和实验证明校准与稳定。它还在校准测试表明,降水雨量计的测量精度小于1毫米,达到了设计要求。基于海洋监测浮标,电容式雨量计的海洋环境中进行了测试。离岸降水雨量计可以测量精度高和可靠性与海岸上的降水观测数据进行比较。发达电容式雨量计取得了校准证书,并在在岸和离岸有价值的应用程序。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究支持由中国国家自然科学基金(41976179),国家重点研究和开发项目(2017 yfc1403303),山东省自然科学基金(ZR2019MF022),国防和民用技术和集成项目山东(2019 jmrh0105)。