淺析高精度遙測雨量站技術創新及關鍵技術

肖雪峰 尹趙南

（湖南南昶水利科技有限公司 長沙市 410007）

1 雨量站現狀

近年來，隨著傳統傳感器技術、通信技術及計算技術的猛速發展，雨量儀器朝著自動化、智能化的方向發展。各種集傳感器、嵌入式機電等技術應用，雨量器的研制獲得了極大的提高，研制出許多優秀的測報終端水文產品。在數據傳輸方面，由最初的主要依靠有限的網絡，發展為多種傳輸相結合的有效方式。包括電話線（PSTN）、同軸電纜、DDN專線、光纜、無線電波、移動網絡、衛星通信等。隨著中國3G技術的逐漸應用，中國的水文測報系統逐漸邁向智能化、網絡化。

我國是一個洪澇災害頻頻發的國家，因此，國家和人民對雨量及氣象信息服務，特別是對雨量監測、氣象信息為防災減災服務的要求越來越高。然而我國實現自動化測報的雨量站點較少，量杯式、虹吸式、翻斗式雨量站使用普遍，其測量范圍及計量系統還是存在很多不確定性，不能為防汛抗旱決策提供準確依據，不便實現水雨情測報的自動化、信息化。

2 產品設計

高精度遙測雨量站是湖南南昶水利科技有限公司，在吸取國內外先進技術的基礎上，結合國內精密機械加工工藝特點，自主研發并制造的一款國內率先采用微小流量計與數據采集軟件匹配組合的水文儀器。可廣泛應用于水利、農業、氣象、軍事、院校等部門，該產品監測雨量信息更加方便、快捷、準確、安全。產品技術先進，操作簡便，整機性能穩定、有效、可靠，具有不受地理限制等優點。其系統主要由：數據采集、數據處理、通訊、供電轉換模塊組成。通過圖、文、聲、像等方式將采集的雨水情信息實時、直觀、快速傳送至相關部門。

2.1 硬件制造

基桶外殼、承雨器、漏斗、過漏罩、接雨器、排氣導管（閥）、轉向管、導流主管、排氣閥、導流直管套接、導流直管底座、反向導管、電瓶底座、外窗及其拴環與鎖扣、蓄電池、太陽能電池板等組成。所有構件均采用304不銹鋼制造。其耐酸、堿、侯、沖擊性、韌性強，讓高精度遙測雨量站更耐用。刃口45°的承雨口從接收到雨水溢出溢流管之前各套接部位均無溢流、滲水現象，確保了遙測雨量站測量雨量數據的安全、準確、有效；在承雨器中的底部設計立式的條縫式過濾罩、圓底帶孔式過濾罩的兩次過濾方式，儀器自身采用提高降雨量的雨量勢能，其有效將灰塵或者其他雜質控制、排出主控室外；由于儀器調平方式及儀器本身優勢，確保儀器安裝穩定，即使在大風、大雨的情況下，也能確保儀器采集、接收、儲存、發送降雨量數據準確、有效；遙測雨量站管道內壁光滑，口徑小，采用半封閉狀態相結合的設計理念，從而達到其造成的濕潤損失和蒸發損失較小的效果；分界時段雨量產生誤差小，產品根據客戶要求設定分辨率，確保設計降雨量誤差較小，正好到分界時段雨量是上一時段或上一日的量。一體化遙測雨量站記錄時間是與網絡時間正點調校，其時間的準確性相對穩定。

2.2 數據采集模塊

雨量數據采集由排空導管（閥）、微小流量計、采集數據軟件組成。排空導管（閥）系統主要依據水的浮力與有效液體的壓強和慣性，將導管中空氣排盡，使被測直管中雨水總量滿足微小流量計計量要求。微小流量計采用：二維設計、三維建模校驗、有限元強度分析計算等開發手段，設計質量高、可靠性強的一款適用于雨量采集的計量儀器。其管道中心安裝一個小渦輪，兩邊由軸承支撐。微小流量計的轉速是通過機殼外的傳感線圈來檢測，當流體通過管道時，使得微小流量計管道中小渦輪葉片克服摩擦力矩和流體力矩而產生驅動力矩旋轉，當微小流量計的葉片切割由殼體內永久磁鋼產生的磁力線時，就會引起傳感線圈中磁通變法。傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進行放大、整形。從而轉化成與流速成正比的脈沖信號，送入單位轉算與流量計算電路得到、并顯示累計流量值，同時亦將脈沖信號送入頻率電流轉換電路，將脈沖信號轉換成模擬電流量，進而指示得到瞬時流量。在一定的流量范圍內，葉片的旋轉角速度與雨量流速成正比。由此，雨量流速可通過葉片的旋轉角速度得到，從而可以計算得到通過管道中雨水的流量值。

2.3 數據處理模塊

數據處理模塊采用高性能工業級嵌入式處理器。當降雨發生時，遙測雨量站由于雨水流量的變化，影響輸出模擬電流信號放大濾波后，經A／D轉換至處理器。處理器將電流信號處理成雨量數據信號，定時通過GPRS模塊發送至數據中心。在現場可通過按鍵選擇進行時間、參數的設置，并可觀測當前降雨量的大小及雨量變化。微處理器片上資源豐富，集成外部存儲器的控制器、LCD控制器、3通道UART、2通道SPI接口、USB主機和設備接口、ADC和觸摸屏接口、定時器等多種資源。

2.4 通信模塊

高精度遙測雨量站系統傳輸功能主要是通過GPRS網絡將雨量數據實時傳送至雨量監測中心服務器，服務器通過運行Java程序實現軟件解析、并顯示GPRS遠程傳輸的實時雨量信息。

3 高精度雨量站工作原理

當下雨時，雨水進入承雨器，雨水經過承雨器中的立式過濾罩后，再經過承雨器底部的導出管套和過濾元件進入接雨器，雨水到達接雨器后，接雨器中雨量逐漸上升，將接雨器中浮球開關的浮球由雨水雨量的上升而逐漸上升，當浮球上升達到遙測雨量站設計測量要求時，浮球將自動發出一個開關信號，開關信號經繼電器迅速傳達到電磁通斷閥，電磁通斷閥瞬時打開使雨水經排出管道排放到排氣器，接雨器中雨水也瞬時下降，當雨水下降的同時，浮球也隨雨水的下降而下降，當浮球下降到遙測雨量站設計測量要求時，浮球將自動發出一個開關信號，開關信號經繼電器迅速傳達到電磁通斷閥，電磁通斷閥將瞬時關閉。雨水排出電磁通斷閥后進入排氣器，排氣器的排氣管道瞬時將其自身、電磁通斷閥和排出管道的中空氣排出。雨水滿管、無氣體流入雨水導管，雨水經雨水導管流入測流導管，雨水進入測流導管后依次通過立式排氣器和微小流量計，立式排氣器瞬時將其自身、雨水導管、測流導管與帶絲直接中的空氣排出，雨水滿管、無氣體流入微小流量計，微小流量計開始迅速采集、計量、累計雨量，將雨量轉換成模議數字傳輸到數據采集器，雨水經過微小流量計計量后，再經微小流量計后側的測流導管從溢流管溢出，雨水從溢流管溢出完后由導出罩排出至主控室外部，從而微小流量計按照設計計量降雨量要求完成此次降雨量計量。儀器按設定時間間隔自動采集、存貯雨量數據。其存貯的雨量數據通過防水屏蔽通信電纜將雨量數據傳輸至遙測遙測雨量站的主控室。數據采集器的數據發送導線與設在主控室外的防雷天線連接，將監測的的雨量信息安全、準確、有效地發送、傳輸到主管部門指定的接收平臺。該產品測量范圍更廣、更精準。技術含量高，通過圖、文、聲、像等方式將所采集的雨水情信息，實時、直觀、快速的展示出來，并對采集到的信息實時監視、報警，為提高水利工程單位、水文部門、氣象部門的防汛預警能力和搶險救災的快速反應能力提供了有效、可靠基礎信息。有利于其對于降雨量數據的分析，作出正確、有效、合理的決策方案。

4 技術創新點總結及測試結果

（1）計量系統采用微小流量計。將設計測量誤差從±4%減少到±2%，設計降雨強度從4 mm/min提高到12 mm/min，測量誤差提高50%。更適應強將雨量監測的應用需求。

（2）采用兩次過濾降雨的方式，有效控制雨水中攜帶的飛塵與雜質，確保微小流量計計量準確、有效。

（3）導管排空系統主要依據水的浮力與有效液體的壓強和慣性。將導管中空氣排盡，使得被測直管雨水滿管經過微小流量計。從而改變傳統雨量計出現排空不徹底、空翻、不翻的測量值偏大或偏小現象。計量降雨量精度提高 10倍，重復性和抗干擾能力大大提高。

（4）采集數據軟件系統主要采用高性能工業級嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，超大內存，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧。提供高速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡。針對網絡流量控制的用戶，產品支持語音，短信，數據觸發上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能。

（5）根據雨量計量功能需求，包括信號調理模塊，A/D轉換模塊，處理控制模塊及GPRS無線傳輸模塊等。采用S3C2440核心板和擴展板進行電路設計，創建了雨量器的硬件控制平臺。

（6）在控制器平臺上根據控制系統硬件設計了啟動引導程序、LINUX操作系統程序，完成雨量器軟件運行平臺的構建，其中采集數據軟件系統采用的嵌入式處理器超大內存,并內嵌具有自主知識產權的TCP/IP協議棧。

（7）通過對雨量器整體系統功能的分析和設計，運用多線編程和SOCKET網絡編程技術，實現了遙測雨量站多項任務與功能的同時執行，包括雨量的實時采集、控制器數據處理與傳輸、人機交互界面、GPRS撥號上網并與服務器建立連接。

（8）遙測雨量站測試結果顯示表明：其消除了量杯式、虹吸式、翻斗式雨量計使用計量時所帶來的系統誤差。真正實現了降雨量的自動化、科學化的測試，數據傳輸系統能將所采集的雨水情信息安全有效準確用圖、文、像等方式實時、直觀、準確、快速地發送到水利、水文、氣象等部門指定服務器上。其技術先進，操作簡便，整機性能可靠，具有不受地理限制、穩定、有效、可靠等優點。

5 結語

基于目前雨量站的現狀，我國水利、水文、氣象行業急需高精度雨量站。為國家防汛抗旱、水利工程建設、水資源管理、水環境保護及與水有關的經濟建設和社會發展等方面提供相對準確的數據。使其發揮更加重要的作用，提高社會效益和經濟效益。本文僅就雨量站中國現狀及高精度遙測雨量站作了一些淺析，希望能有益于水利水文事業的推廣及應用。

省水利科技項目管理培訓班在長沙開班

短 訊

為進一步加強湖南省水利科技項目管理，規范項目經費使用，10月26日，湖南省水利科技項目管理培訓班在長沙舉辦。水利廳機關有關部門、廳直各單位及各市（州）水利（水務）局分管科技、財務工作負責人和重大水利科技項目負責人等共100余人參加了此次培訓。

培訓班設置了 “湖南水利科技項目管理常見問題解讀”、“科技項目資金管理新政改革及實務”兩個課程，由廳水利科技項目管理人員及國家科技部財務檢查專家分別講授。培訓課程緊扣主題，聯系實際，重點解讀了省委省政府辦公廳2017年出臺的完善科技經費管理、激發創新活力的最新政策，對湖南省水利科技項目申報、立項、實施、結題驗收過程中遇到的常見問題進行了分析解答。本次培訓班的舉辦，有助于水利科技管理人員及時準確掌握科技創新政策，進一步提高水利科技管理水平。

——轉載自《湖南水利網》2017-10-27