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TWI890419B - 虹吸式雨量計系統 - Google Patents

虹吸式雨量計系統

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Publication number
TWI890419B
TWI890419B TW113115602A TW113115602A TWI890419B TW I890419 B TWI890419 B TW I890419B TW 113115602 A TW113115602 A TW 113115602A TW 113115602 A TW113115602 A TW 113115602A TW I890419 B TWI890419 B TW I890419B
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TW
Taiwan
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rainwater
measuring cup
drain pipe
rain
siphon
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Application number
TW113115602A
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TW202542547A (zh
Inventor
汪仁川
吳植葵
吳詩銘
羅子喚
Original Assignee
威達高科股份有限公司
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Publication date
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Priority to CN202510011274.9A priority patent/CN120847919A/zh
Priority to US19/085,595 priority patent/US20250334714A1/en
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Publication of TW202542547A publication Critical patent/TW202542547A/zh

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Abstract

本發明揭露一種虹吸式雨量計系統，包含：一承雨器、一量杯、一虹吸排水管、以及一感測單元；承雨器提供一入口使其雨水進入，並提供一出口使內部的雨水流出；量杯具有一排水管直接連接至該該承雨器的該出口，以收集自該出口流出的雨水；一虹吸排水管，該虹吸排水管連結該量杯用以排出該量杯中的雨水，該量杯中的雨水液面高度大於該虹吸排水管的最高點時，該虹吸排水管將該量杯的雨水排出；以及感測單元設置於該量杯之內或該量杯之外，用以感測雨水的液面高度以產生一感測訊號，該系統依據該感測訊號以計算雨量。

Description

虹吸式雨量計系統
本發明關於一種雨量計系統，尤指一種具有微控制器(Micro Control Unit，以下簡稱MCU)與感測器取代磁簧開關的虹吸式雨量計系統。
請參考圖1A，圖1A顯示傳統雨量計100，傳統雨量計100具有傾斗1，雨水進入承雨器2後再流至緩衝漏斗3，並由緩衝漏斗3讓雨水逐漸流入傾斗1，當傾斗1中一個雨量斗被注滿後，雨水的重量會使雨量斗傾倒，當雨量斗被注滿雨水時會接觸磁簧開關4以產生脈衝訊號；此時雨量斗中的雨水因雨量斗的傾倒順勢排出，傳統雨量計由脈衝訊號的次數，即為雨量斗被注滿雨水的次數而估算出雨量。
請同時參考圖1B的，圖1B顯示在不同模擬雨量強度所對應傾斗翻傾時裝載雨量，由於傳統雨量計100的傾斗1會將雨水直接排出，所以隨著雨量強度(模擬雨強)越大，每次傾斗1所量測到的雨水重量換算得到的體積有逐漸增加的趨勢，亦即在傾斗1翻轉的極短時間內，因持續有雨水注入，致使傳統雨量計100反應的傾斗量實際高於標稱容量，卻仍紀錄為一次傾斗，因此造成降水量讀值低估的狀況，因此容易產生更大的誤差。
除此之外，傳統雨量計100需要加上緩衝漏斗3(即虹吸調節器)來控制誤差，但緩衝漏斗3調節器容易因樹葉等雜物造成堵塞損壞，且緩衝漏斗3自身無標準校驗與校準程序，當雨量強度超過200mm/hr，傳統雨量計100大多會超過標準公差±3%；以及，磁簧開關4也容易因環境掉落物造成接觸不靈敏，而產生誤差。
本發明揭露一種虹吸式雨量計系統，不需要有緩衝漏斗。
本發明揭露一種虹吸式雨量計系統，雨水自雨量斗傾倒後排至量杯。
本發明揭露一種虹吸式雨量計系統，係使用感測單元感測雨水在量杯中的液面高度。
本發明揭露一種虹吸式雨量計系統，係使用感測單元感測雨水在虹吸排水管的排水時間長度或排水次數，進而計算出雨量大小。
本發明揭露一種虹吸式雨量計系統，包含：一承雨器、一傾斗、一量杯、一虹吸排水管、以及一感測單元。承雨器提供一入口使其雨水進入，並提供一出口使內部的雨水流出；傾斗至少兩個雨量斗，該些雨量斗分別設置於一傾倒軸的相異側；該些雨量斗輪流收集自該承雨器流出的雨水，該些雨量斗依據雨水的重量輪流在該傾倒軸的兩側邊傾倒，使其雨量斗的排水口在該傾倒軸的兩側邊上升與下降；以及當任一該些雨量斗下降時，其所對應的該些雨量斗中的雨水流出該傾斗，使該傾斗進行排水至量杯；當該些雨量斗下降時，雨水流入至該量杯；虹吸排水管連結該量杯並透過虹吸原理排出該量杯中的雨水，該 量杯中的雨水之液面高度大於該虹吸排水管的最高點時，該虹吸排水管將該量杯的雨水排出；以及感測單元設置於該虹吸排水管或該量杯之內，用以感測雨水排水次數或時間長度、或液面高度而產生一感測訊號，該系統依據該感測訊號以計算雨量。
本發明揭露一種虹吸式雨量計系統，包含：一承雨器、一量杯、一虹吸排水管、以及一感測單元；承雨器提供一入口使其雨水進入，並提供一出口使內部的雨水流出；量杯具收集自該出口流出的雨水；一虹吸排水管，該虹吸排水管連結該量杯用以排出該量杯中的雨水，該量杯中的雨水液面高度大於該虹吸排水管的最高點時，該虹吸排水管將該量杯的雨水排出；以及感測單元設置於該量杯之內或該量杯之外，用以感測雨水的液面高度以產生一感測訊號，該系統依據該感測訊號以計算雨量。
100:傳統雨量計
200、300A、300B、400、500、600:虹吸式雨量計系統
2、20:承雨器
1、21:傾斗
3:緩衝漏斗
4:磁簧開關
21a:雨量斗
21b:排水口
22、22a、22b:量杯
23:虹吸排水管
24:感測單元
24a:投射式電容
25:MCU
I:入口
O:出口
F:傾倒軸
L1:排水管
W:外壁
D:分流管
〔圖1A〕圖1A顯示傳統雨量計。
〔圖1B〕圖1B顯示在不同模擬雨量強度所對應傾斗翻傾時裝載雨量。
〔圖2A〕顯示本發明虹吸式雨量計系統之示意圖。
〔圖2B〕顯示傾斗21運作示意圖。
〔圖3A〕顯示本發明虹吸式雨量計系統之示意圖。
〔圖3B〕顯示圖3A量杯22與感測單元24(投射式電容24a設置於量杯22之內)的俯視圖。
〔圖3C〕顯示本發明虹吸式雨量計系統之示意圖。
〔圖3D〕顯示圖3C量杯22與感測單元24(投射式電容24a設置於量杯22之外)的俯視圖。
〔圖4~5〕顯示本發明虹吸式雨量計系統。
〔圖6〕顯示本發明虹吸式雨量計系統之示意圖。
請參考圖2A，圖2A顯示本發明虹吸式雨量計系統之示意圖，虹吸式雨量計系統200包含承雨器20、傾斗21、量杯22a與22b、虹吸排水管23、以及感測單元24。
請同時參考圖2B，圖2B顯示傾斗21運作示意圖；當承雨器20提供入口I使其雨水進入，並提供出口O使內部的雨水流出；傾斗21具有至少兩個雨量斗21a，本實施例設置有兩個雨量斗21a，雨量斗21a分別設置於傾倒軸F的相異側；雨量斗21a輪流收集自該承雨器20流出的雨水，雨量斗21a依據雨水的重量輪流在傾倒軸F的兩側邊傾倒，使其雨量斗21a的排水口21b在傾倒軸F的兩側邊上升與下降，因雨量斗21a依據雨水的重量輪流上升與下降，即傾斗21如同翹翹板，且雨量斗21a上升時為收集自承雨器20的雨水；當雨量斗21a裝滿雨水後會下降以抬升另一個雨量斗21a，如此重複上述動作收集雨水。雨量斗21a下降時，其所對應的雨量斗21a中的雨水自排水口21b流入至量杯22a或22b，換言之，傾斗21以進行排水至量杯22a或22b。
量杯22a與22b分別具有排水管L1連接至雨量斗21a的排水位置；當該些雨量斗21a下降時，雨水透過排水管L1流出至量杯22a或22b；虹吸排水管23連結量杯22a或22b並透過虹吸原理排出量杯22a或22b中的雨水，量杯22a或22b中的雨水水位高度大於虹吸排水管23的最高點時，虹吸排水管23將量杯22a或22b的雨水排出。
在另一實施例中，量杯22a與22b不具有排水管，只要排水口21b排水時的位置能對準量杯22a或22b即可，故對應的雨量斗21a中的雨水自排水口21b流入至量杯22a或22b。
請注意，在本實施例中，感測單元24設置於虹吸排水管23處，用以感測虹吸排水管23之雨水排水時間長度而產生一感測訊號，系統200依據感測訊號以計算雨量，故感測單元24為排水感測單元且用來感測虹吸排水管23之雨水排水時間長度。
本實施例的具有兩個量杯22a與22b用來收集雨水，與先前技術差異在於不需要傳統雨量計的緩衝漏斗或虹吸調節器，且雨水不會自傾斗21直接排出至虹吸式雨量計系統200之外，即雨水會暫時儲存至量杯22a與22b中。
除此之外，量杯22a與22b集滿雨水時虹吸排水管23會自動排水，本實施例的虹吸排水管23的排水時間的會小於任一雨量斗21a的集滿雨水的時間，如此可以避免虹吸排水管23正在排水時，傾斗21仍繼續將雨水排至量杯22a而造成計算雨量的誤差。即左量杯22a滿了自動虹吸排水(虹吸排水時間<雨量斗21a集滿時間)，此時右量杯22b仍可記錄累計雨量；同理，右量杯22b滿了自動虹吸排水，此時左量杯22a仍可記錄累計雨量。
故本實施例不同於傳統式傾斗式雨量計，且不會將雨水自傾斗直接排出系統；且本實施例仍可相容於目前的傳統雨量計100，無需精確水平的緩衝漏斗，所以系統200誤差小，雨量大小並不影響本實施例的精確度；利用兩個量杯22a與22b可以提高記錄頻率以量測瞬間雨量。
另外，系統200具有一MCU 25耦接感測單元24，用以計算雨量或控制感測單元24的感測間隔。
一實施例中，MCU 25可以電子模擬傳統雨量計100傳送脈衝訊號，減少傳統雨量計100的零件更換。換言之，左右量杯22a與22b排水可使用MCU 25產生電子模擬雨量斗21a磁簧開關傳送訊號(脈衝訊號)方式，即量杯22a滿了虹吸自動排水，經排水感測單元24通知MCU 25產生脈衝信號；同理，右量杯22b滿了虹吸自動排水，經排水感測單元24通知MCU 25產生脈衝信號，故沿用這方法可減少主機(HOST)端軟體套件工具更換的成本及學習困擾。
累計雨量計算，除了記錄傾斗次數，也可選擇記錄左右量杯22a與22b排水次數，誤差會較小(每排一次水MCU 25發送一次排水脈衝信號)，但需等左右量杯22a與22b水滿後，其感測單元24產生排水脈衝信號才能累計該量杯雨量。若量杯容量大於33.33倍雨量斗容量，誤差值可小於標準公差±3%，單一的量杯亦可執行本實施例。
在另一實施例中(圖3B或圖3D)，感測單元24是一投射式電容所實現，投射式電容不直接接觸雨水；虹吸排水管23的雨水接觸感測單元24的外壁W以改變投射式電容的電容值，並因互容投射式電容不需要在量測液面區域接地，其架構上無設置參考電容與電阻，故可以設置於量杯22的任何位置進行非直接接觸的感測，進一步避免電路直接接觸雨水造成損壞，最後系統300A或300B的MCU 25依據投射式電容的電容值改變以感測虹吸排水管23的排水時間，換言之，感測單元24為液面感測單元並用來感測量杯22的液面高度。
請參考圖3A，圖3A顯示本發明虹吸式雨量計系統之示意圖，虹吸式雨量計系統300A包含承雨器20、傾斗21、量杯22、虹吸排水管23、感測單元24、以及MCU 25。
請注意，本發明的虹吸式雨量計系統300A與200差異在於，系統300A的僅具有一個量杯22，雨量斗21a排出的雨水均流入同一個量杯22，且感測單元24設置於量杯22之內，其餘操作原理於前述相同，在此不另行贅述。
由於本實施例的雨水集中存入單量杯22，量杯22使用液面感測方式來量測雨量高度，即感測單元24是用來感測量杯22的液面高度。因只用單一個量杯22，量杯22水滿則透過虹吸排水管23自動排水，當排水時間<1cycle循環時(雨量斗21a裝滿時間)不會產生誤差值；但當排水時間>1cycle循環，雨量斗21a的雨水流進量杯22的誤差，可透過MUC 25所紀錄之過往數據，用線性預測補償誤差，即MCU 25用過去流入量杯22的雨量之流量估算本次的誤差值。
本實施例在累計雨量計算，即MCU 25可直接隨時讀出感測單元24感測到的量杯之液面高度；或MCU 25固定時間傳送液面高度高度的訊號到主機(HOST)端。
請注意，藉由MCU 25可提升感測單元24感測到的量杯之液面高度之記錄頻率，例如降水強度小於20mm/h，每30秒記錄一次；若降水強度為200mm/h，每3秒記錄一次；若降水強度為600mm/h，每1秒記錄一次。利用過去雨量增加率，例如參考前1~10分鐘降水強度大小，調整MCU 25的取樣頻率，使瞬間雨量測量更精準。
請同時參考圖3B，圖3B顯示圖3A量杯22與感測單元24(投射式電容24a設置於量杯22之內)的俯視圖。本實施例的感測單元24具有一投射式電容24a，投射式電容不直接接觸雨水，且投射式電容24a設置於量杯22內，感測單元24的外壁W是設置並接觸量杯22之內壁，且投射式電容24a設置於量杯22之內。外壁W環繞並包覆投射式電容，故外壁W隔離雨水與投射式電容避免直接接觸，量杯內的雨水接觸感測單元24的外壁W以改變投射式電容24a的電容值，使系統300A依據投射式電容24a的電容值改變以感測量杯22的液面高度，且投射式電容24a為互容投射式電容，其餘原理與前述相同。
請注意，前述的系統200或300A的感測單元可以為一電阻式感測單元，電阻式感測單元是直接接觸雨水；量杯22內的雨水或虹吸排水管23的雨水接觸電阻式感測單元以改變電阻式感測單元的電壓值，使系統200或300A的MCU 25依據電壓值改變以感測虹吸排水管23排水時間或量杯22的液面高度，其餘原理與前述相同，不再另行贅述。
請參考圖3C與3D，在一實施例中，圖3C顯示本發明虹吸式雨量計系統之示意圖，圖3D顯示圖3C量杯22與感測單元24(投射式電容24a設置於量杯22之外)，請注意，系統300B與300A差異在於其系統300B的投射式電容24a設置於量杯22之外壁，量杯內的雨水改變投射式電容24a的電容值，其餘原理與前述相同，不再另行贅述。
請參考圖4，圖4顯示本發明虹吸式雨量計系統400之示意圖，虹吸式雨量計系統400包含承雨器20、量杯22、虹吸排水管23、感測單元24、以及MCU 25。
請注意，本發明的虹吸式雨量計系統400與300A差異在於，系統400的不具有傾斗，即排水管L1直接連接承雨器20的出口，承雨器20直接將雨水排出至量杯22。
由於本實施例虹吸式雨量計系統400，單一個量杯22使用感測單元24來感測量杯22內的液面高度，使MCU 25計算出雨量。只用單量杯22，若量杯中的雨水滿則量杯22透過虹吸排水管23自動排水，排水期間雨水流進量杯22的誤差可用線性預測補償，即MCU 25用過去流量估算本次的誤差值，MCU 25因可記錄量杯22排水起始或結束時間，感測單元24感測所增加的液面高度以及過去流量數據來做線性預測補償。
關於累計雨量計算：MCU 25可直接隨時讀出感測單元24所感測之量杯22內的液面高度，或MCU 25固定時間傳送液面高度訊號到主機端。因使用感測單元24感測液面高度，藉由MCU 25透過感測單元24提昇記錄頻率，例如降水強度小於20mm/h，每30秒記錄一次；若降水強度為200mm/h，每3秒記錄一次；若降水強度為600mm/h，每1秒記錄一次。利用過去雨量增加率，例如參考前1~10分鐘降水強度大小，調整MCU 25的取樣頻率，使瞬間雨量測量更精準。其餘原理與前述相同，在此不另行贅述。
一實施例中，系統400不具有排水管L1，只要自承雨器20的出口流出的雨水可流入量杯22即可；除此之外，投射式電容24a也可以設置於量杯22之外壁。
請參考圖5，圖5顯示本發明虹吸式雨量計系統500之示意圖，虹吸式雨量計系統500包含承雨器20、量杯22a與22b、虹吸排水管23、感測單元24、以及MCU 25。
請注意，本發明的虹吸式雨量計系統500與400差異在於，系統500具有量杯22a與22b，排水管L1直接連接承雨器20的出口且排水管L1具有一分流管D，分流管D使承雨器20的雨水透過分流管D分流至量杯22a與22b；其中量杯22a與22b的容積比為相鄰的質數比。
本實施例的量杯22a與22b分別使用感測單元24來感測量杯22a與22b內雨量的液面高度；使用雙量杯22a與22b相互預測，一實施例設定精確度±1.5%以內，雨水經由分流管D流入雙量杯22a與22b時不需透過傾斗，又因量杯22a與22b容積比例比為相鄰之兩質數，例如：17比19，故量杯22a與22b同時排水相撞機率為1/323(約千分之3)，而虹吸排水管23排水時間需小於T/19(T=量杯滿水時間)，即對應的虹吸排水管23的排水時間小於量杯22a或22b的滿水時間除以最大的該些相鄰質數。
當量杯22a或22b排水時，其量杯22a或22b仍繼續增加雨量(承雨量)，此時可用另一個量杯流量估算其誤差；MCU 25可記錄虹吸排水管23排水起始/結束時間、以及感測單元24感測量杯22a或22b所減少或增加的液面高度；若量杯22a或22b同時排水，則虹吸排水管23流量用各自量杯22a或22b之排水前所流進的雨量(承雨量)，也就是量測的誤差值為目前實際雨量與前承雨量之差值。
關於累計雨量計算：MCU 25可直接隨時讀出感測單元24所感測之量杯22內的液面高度，或MCU 25固定時間傳送液面高度訊號到主機端。因使用感測單元24感測液面高度，藉由MCU 25透過感測單元24提昇記錄頻率，例如降水強度小於20mm/h，每30秒記錄一次；若降水強度為200mm/h，每3秒記錄一次；若降水強度為600mm/h，每1秒記錄一次。利用過去雨量增加率，例如參考前1~10分鐘降水強度大 小，調整MCU 25的取樣頻率，使瞬間雨量測量更精準。其餘原理與前述相同，在此不另行贅述。
請參考圖6，圖6顯示顯示本發明一實施例虹吸式雨量計系統600之示意圖，系統600與500的差異在於系統600為串接結構，即系統600雖同樣具有兩個量杯22a與22b、兩個虹吸排水管23、兩個感測單元24，但是其量杯22b的雨水是自量杯22a的虹吸排水管23提供，而系統500的量杯22a與22b的雨水是來自承雨器20，即本實施例是由小量杯22a連接大量杯22b所構成的階層式的量杯串接方式，如此能夠適應極端氣候瞬間暴雨或豪大雨或小雨量的情況，本實施例能取寬偵測範圍應對不同程度的降雨，從小雨到極端暴雨都能有效地收集雨水，其餘原理與前述相同。
綜上所述，本發明的連續液面感測系統利用互容投射式電容的電路結構，並因互容投射式電容不需要在量測液面區域接地，其架構上無設置參考電容與電阻，故可以設置於雨水的任何位置進行非直接接觸的感測，進一步避免電路直接接觸雨水造成損壞；除此之外，投射式電容單元數量越多越能提高量測精準度，本發明具有額外串聯投射式電容單元的架構，增加量測液面的靈活度與靈敏度。
200:虹吸式雨量計系統
20:承雨器
21:傾斗
21a:雨量斗
21b:排水口
22a、22b:量杯
23:虹吸排水管
24:感測單元
25:MCU
I:入口
O:出口
F:傾倒軸
L1:排水管

Claims (12)

  1. 一種虹吸式雨量計系統，包含： 一承雨器，提供一入口使其雨水進入，並提供一出口使內部的雨水流出； 一傾斗，至少兩個雨量斗，該些雨量斗分別設置於一傾倒軸的相異側；該些雨量斗輪流收集自該承雨器流出的雨水，該些雨量斗依據雨水的重量輪流在該傾倒軸的兩側邊傾倒，使其雨量斗的排水口在該傾倒軸的兩側邊上升與下降；以及當任一該些雨量斗下降時，其所對應的該些雨量斗中的雨水流出該傾斗，使該傾斗進行排水至量杯； 一量杯，當該些雨量斗下降時，雨水流入至該量杯； 一虹吸排水管，該虹吸排水管連結該量杯並透過虹吸原理排出該量杯中的雨水，該量杯中的雨水之液面高度大於該虹吸排水管的最高點時，該虹吸排水管將該量杯的雨水排出；以及 一感測單元，設置於該虹吸排水管或該量杯之內或該量杯之外，用以感測雨水排水次數或時間長度、或液面高度而產生一感測訊號，該系統依據該感測訊號以計算雨量； 其中，該虹吸式雨量計系統不具有一緩衝漏斗。
  2. 如請求項1所述的系統，其中該虹吸排水管的排水時間，會小於任一該些雨量斗的集滿雨水的時間。
  3. 如請求項1或2所述的系統，其中，該感測單元具有一投射式電容，該投射式電容不直接接觸雨水；該量杯內的雨水或該虹吸排水管的雨水改變該投射式電容的電容值，使該系統依據該投射式電容的電容值改變以感測該虹吸排水管排水時間或該量杯的液面高度。
  4. 如請求項1或2所述的系統，其中，該感測單元為一電阻式感測單元，該電阻式感測單元直接接觸雨水；該量杯內的雨水或該虹吸排水管的雨水接觸該電阻式感測單元以改變該電阻式感測單元的電壓值，使該系統依據電壓值改變以感測該虹吸排水管排水時間或該量杯的液面高度。
  5. 如請求項1或2所述的系統，其中，該系統具有一微控制器耦接該感測單元，用以計算雨量或控制該感測單元的感測間隔；以及該些雨量斗輪流收集自該承雨器流出的雨水。
  6. 一種虹吸式雨量計系統，包含： 一承雨器，提供一入口使其雨水進入，並提供一出口使內部的雨水流出； 一量杯，收集自該出口流出的雨水； 一虹吸排水管，該虹吸排水管連結該量杯並透過虹吸原理排出該量杯中的雨水，該量杯中的雨水之液面高度大於該虹吸排水管的最高點時，該虹吸排水管將該量杯的雨水排出；以及 一感測單元，設置於該量杯之內或該量杯之外，用以感測雨水的液面高度以產生一感測訊號，該系統依據該感測訊號以計算雨量； 其中，該虹吸式雨量計系統不具有一傾斗與一緩衝漏斗。
  7. 如請求項6所述的系統，其中，該系統具有兩個量杯與一排水管，該排水管直接連接至該承雨器的該出口，且該排水管耦接至一分流管，使該承雨器的雨水透過該分流管分流至該些量杯；其中該些量杯的容積比為兩個相鄰的質數比，且該虹吸排水管的排水時間小於該些量杯的滿水時間除以最大的該些相鄰質數。
  8. 如請求項6或7所述的系統，其中，該感測單元具有一投射式電容，該投射式電容不直接接觸排出的雨水；該量杯內的雨水改變該投射式電容的電容值，使該系統依據該投射式電容的電容值改變以計算該量杯的液面高度。
  9. 如請求項6或7所述的系統，其中，該感測單元為一電阻式感測單元，該電阻式感測單元直接接觸雨水；該量杯內的雨水或該虹吸排水管的雨水接觸該電阻式感測單元以改變該電阻式感測單元的電壓值，使該系統依據電壓值改變以感測該虹吸排水管排水時間或該量杯的液面高度。
  10. 如請求項8所述的系統，其中，該投射式電容不設置於該雨水所在之區域，且外壁可做為的該量杯的一部分。
  11. 如請求項8所述的系統，其中，該投射式電容設置於雨水所在之區域，該投射電容的外壁阻隔雨水，外壁避免該投射電容直接接觸雨水，外壁設置於該量杯之內。
  12. 如請求項6或7所述的系統，其中，該系統具有一微控制器耦接該感測單元，並計算雨量或控制該感測單元的感測頻率。
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