雙翻斗式雨量傳感器自動調節檢定系統設計
2022-08-26 05:23:56鄭俊錦夏利娜陳龍福李勇波
計算機測量與控制 2022年8期
鄭俊錦，夏利娜，陳龍福，李勇波
(1.福建省大氣探測技術保障中心，福州 350008; 2.福建省氣象服務中心，福州 350001;3.福建省南平國家農業氣象試驗站,福建 建陽 354200)
0 引言
降水指的是從天空降落到地面上的液態或固態(經融化后)的水，物理特征有3種：固態、液態和混合態。降雨量的觀測是地面氣象觀測的重要組成部分，為天氣預報、氣候分析、氣象科學研究以及社會生產生活提供基礎的數據資料。雨量傳感器除了在出廠前要檢定，在業務使用中也需要定時(周期通常是1年)進行檢定或校準[1-2]。目前氣象部門所使用的自動觀測降水的儀器中，業務應用最廣的是SL3-1型翻斗式雨量傳感器[3-4]。該傳感器的降雨強度測量范圍為0～4 mm/min，分辨率為0.1 mm，輸出為開關信號。其結構主要包括：承水器、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、計數翻斗和干簧管等[5]。液態降水通過圓形承水口(直徑為200 mm) 經承水器進入上翻斗，上翻斗將匯集的降水通過匯集漏斗轉變成近似穩定的大雨強降水(約6 mm/min)進入計量翻斗，降水量每達到0.1 mm，計量翻斗就翻動一次并將計量后的降水倒入計數翻斗，計數翻斗通過其中部的磁鋼作用于干簧管產生一個脈沖信號(計數翻斗翻動一次，開關閉合一次),即表示測得0.1 mm的降水量。
根據檢定規程[6]：翻斗式雨量傳感器的測量結果的最大允許誤差為：±0.4 mm(雨量≤10 mm,雨強≤4 mm/min)，±4%(雨量>10 mm,雨強≤4 mm/min)。誤差值為傳感器測量值與標準值的差值。當誤差值超過最大允許值(即超差)，則需要對傳感器的定位螺母和容量調節螺母進行調測，使得上翻斗和計量翻斗翻轉的次數合適且比例協調。
李銳鋒等[7]通過加液法得出，上翻斗和計量翻斗的左右斗最大承水量分別調節到3.1 mL和2.6 mL時實測誤差較小，并且上翻斗與計量翻斗翻動協調性好才會使測量誤差小(并非最大承水量調節合理就一定會使測量誤差小)。王衛東[8]認為在大雨強(4 mm/min)測試時，上翻斗與計量翻斗的最佳翻轉次數比值為0.86，上翻斗的翻轉頻率和計量翻斗的翻轉比例偏高或偏低均會造成偏差增大，甚至超差。劉宗慶等[9]在通過加液法確定計量翻斗的容量調節螺母處于合適位置后，經過設置和微調上翻斗的定位螺母，認為上翻斗和計量翻斗翻動次數的比例關系為9∶10最合適。但是未結出具體的調節方法，而且在實際調測中通常需要同時調整定位螺母和容量調節螺母。
經查閱以上及相關文獻，我們發現存在如下的問題：1)對于翻斗左右斗的“大小斗”問題(即當翻斗的左右斗承水量不同時且相差較大時，會造成翻斗的翻動不平衡從而增加測量誤差)的判斷和解決，只能通過目測或者游標卡尺測量螺母長度等方法來大致確定。然而由于儀器制造誤差或者傳感器長時間使用等原因會造成螺母長度即使一致，承水量也可能不同的現象。相關論文一般都是同時往里或者往外調節螺母，當左右調節螺母需要調整的幅度不同時，只能依靠經驗調節并且無法定量調節；2)翻斗的翻動數據的測量不精細且需要人工計數，效率低且易出錯。例如通過加液法往傳感器中倒入固定容量的水量，將加液量除以翻轉次數求出翻斗承水量平均值;3)當雨量誤差值在大小雨強(即降雨強度為4 mm/min和1 mm/min)測試時的數值為一正一負時(此時需要同時調整定位螺母和容量調節螺母)，調節方法不明確，只能通過目測觀察法并且依靠經驗進行調節，具有一定的盲目性并且成功率低。
因此，本文設計了一套檢定流程并研制了雙翻斗式雨量傳感器自動調節檢定系統，通過利用光電傳感器對上翻斗和計量翻斗的狀態進行采集，并通過計時以實現翻斗翻動數據的定量精細采集以及翻動平衡問題的判斷和解決。同時利用步進電機有針對性地對定位螺母和容量調節螺母進行調節，以提高雙翻斗式雨量傳感器的檢定效率。
1 系統總體設計
考慮到雙翻斗式雨量傳感器翻斗的特點：材質為白色不透明和動作為上下翻動。因此通過紅外光電傳感器即可識別翻斗的工作狀態(即處于承水或放水狀態)，從識別到翻斗狀態變化并計時，就可求出上翻斗和計量翻斗的左右斗的蓄放水時間。通過測量蓄放水時間，即可判斷是否有“大小斗”現象，通過統計上翻斗和計量翻斗的翻動次數，即可判斷上下翻斗是否存在不協調的現象。最后通過驅動步進電機來控制定位螺母和容量調節螺母的擰進和旋出。如此往復，直到雨量傳感器觀測精度滿足計量檢定規程的要求。本文系統結構框圖如圖1所示。
圖1 系統結構框圖
其中，紅外光電模塊1～4的紅外發光二極管和紅外接收管分別放置于上翻斗和計量翻斗的左右斗的前后方。步進電機模塊1～4分別連接定位螺母和容量調節螺母，用于調整螺母位置。系統可通過按鍵模塊和顯示屏模塊，實現人機交互，并可通過串口與電腦通訊，實現發送檢定數據和接收控制指令的功能。系統結構設計如圖2所示。
圖2 系統結構設計示意圖
2 系統電路原理設計
2.1 控制系統電路設計
在控制電路的設計中，系統核心選用國產單片機STC15F2K60S2[10-11]。STC15F2K60S2是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期的新一代8051單片機。速度比普通8051快8～12倍；工作電壓為4.5～5.5 V。其片內EEPROM為1 K,Flash程序存儲器為60 K,可擦寫次數均達10萬次以上；在系統可編程，無需編程器，無需仿真器；可徹底省掉外部復位電路，內置高可靠復位，ISP編程時8級復位門檻電壓可選；其工作頻率范圍：0～ 28 MHz；內部高精度R/C時鐘，ISP編程時內部時鐘從5～28 MHz可設(5.529 6 MHz / 11.059 2 MHz / 22.118 4 MHz)；不需外部晶振和外部復位，還可對外輸出時鐘和低電平復位信號；可進行設置為低功耗設計模式：低速模式，空閑模式和掉電模式/停機模式。
翻斗動作檢測采用紅外光電傳感器，通過檢測紅外發射管和接收管之間的光路是否被遮擋，來識別判斷翻斗的狀態及動作。對于定位螺母和容量調節螺母的調節，采用可精確控制旋轉角度的步進電機來控制。
系統通過按鍵和顯示模塊進行人機交互。其中，顯示模塊選用0.96寸的分辨率為128*64的OLED顯示屏[12-13]，即有機電激光顯示(OLED， organic electroluminesence display)。具有響應速度快(響應時間可以達到微秒級別，較高的響應速度更好地實現了運動的圖像)、較寬的視角(由于OLED是主動發光的，所以在很大視角范圍內畫面是不會顯示失真的，其上下左右的視角寬度超過170°)、成品的質量比較輕、寬溫度特性(溫度在-40～80 ℃都是可以正常運行的)和省電(與LCD相比，OLED不需要背光源)等特性。
2.2 紅外光電傳感器
采用TCRT5000紅外反射傳感器[14-15]，該光電傳感器集發射與接收于一體(包括一個高發射功率的紅外發光二極管和一個高靈敏度光電三極管組成)。發射的紅外光波長為950 nm。具有日光過濾功能。可通過調節發射管的工作電流來調節控制TCRT5000的紅外發射二極管發射紅外線的功率，從而調節檢測距離。
由于TCRT5000的發射管和接收管是一體的且平行排列，在設計初期考慮將分別其放置于翻斗的左右側。但是經過試驗發現：在雨量傳感器工作時，即上翻斗的左右斗在翻倒時，其左右側會有水流經過，而水流會對紅外光線產生折射等作用，從而影響到接收管的檢測。同時，由于計數翻斗位于計量翻斗下方且體積較大，將TCRT5000放置于側邊時無法直接檢測計量翻斗的動作，只能通過檢測計數翻斗的動作來近似檢測計量翻斗的動作，然而計數翻斗的動作是在計量翻斗翻轉時帶動的，因此這會產生較大的誤差。綜合以上兩個原因，本設計不將TCRT5000放置于翻斗的左右側，而是將其外殼去除后，將發射管和接收管分別放置于翻斗的前后側。
根據雨量傳感器的結構特點：上翻斗翻轉到最高時，側邊有是定位螺母結構件，無法同時安裝發射管和接收管；計量翻斗翻轉到最低時，側邊是計數翻斗，無法安裝發射管和接收管。因此，檢測上翻斗動作的光電對管須安裝于翻斗下方；計量翻斗下方位置由于無法安裝光電對管，因此將其安裝在計量翻斗的上方，系統結構設計如圖2所示。
由于系統需要4對紅外光電傳感器進行檢測，因此選用4路電壓比較器LM339[16]，電路圖如圖3所示。LM339內部集成有4個獨立的電壓比較器，具有電源電壓范圍寬、失調電壓小和對比較信號源的內阻限制較寬等特點。每個比較器有2個輸入端和1個輸出端。2個輸入端包括同相輸入端(用“+”表示)和反相輸入端(用“-”表示)。在應用于電壓比較時，固定的參考電壓可加在任意輸入端(即門限電平，可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點)，待比較的信號電壓則施加于另一輸入端。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10 mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此LM339可用于弱信號檢測等場合。
在本系統中，可通過調節電路中的可調電阻來控制參考電壓使得：當發射管和接收管之間無遮擋時，發射出的紅外線可被紅外接收管接收且強度足夠大，紅外接收管飽和，此時電壓比較器的輸出端為低電平，指示LED燈點亮；當發射管和接收管之間有遮擋時，紅外接收管一直處于關斷狀態，此時電壓比較器的輸出端為高電平，指示LED燈熄滅。然后將電壓比較器的輸出端與單片機IO口相連，單片機通過識別IO的高低電平，即可知道翻斗狀態，即左右斗分別處于承水狀態還是放水狀態。
本文通過判斷翻斗左右斗狀態，進而通過計時器統計出承水時間，最后通過數據對比來判斷和解決“大小斗”問題。承水時間的統計方法可近似地認為：上翻斗的左右斗的承水時間是其自身兩側光電對管的從“遮擋取消”，到“無遮擋”，再到“再次遮擋”的時間(即從翻斗開始往上翻，承水，再到翻斗翻到最下的時間)。由于計量翻斗光電對管的安裝位置(安裝于翻斗的上方)與上翻斗的相反，因此，計量翻斗的左右斗的承水時間為其相反斗(即右左斗)的光電對管從“遮擋取消”，到“無遮擋”,再到“再次遮擋”的時間。
圖3 紅外光電模塊電路圖
2.3 步進電機模塊
選用4相步進電機24BYJ48[17-18]控制調節螺母的轉動，其供電電壓為5 V，步距角度為5.625/64°，減速比為1∶64，步進角為5.625(即一個脈沖轉動5.625°，轉動1圈需要64個脈沖)。正轉表如表1所示。正轉次序和反轉次序分別為：AB-BC-CD-DA(1個脈沖，正轉5.625°)和AB-AD-CD-CB(1個脈沖，反轉5.625°)。
表1 正轉表
本系統有4個螺母(2個定位螺母和2個容量調節螺母)需要調節，因此需要使用4個步進電機來控制。每個步進電機24BYJ48有4個端口，因此需要16個單片機IO口來控制。由于單片機IO的驅動能力有限，因此選用2片達林頓三極管驅動器ULN2803[19]進行驅動。每個ULN2803內含8路NPN達林頓管,具有集電極開路輸出和續流鉗位二極管，并有高耐壓和大電流的特點。其輸入電壓為5 V，輸出總電流為500 mA，輸出擊穿電壓為50 V，工作溫度范圍為：-40～+85 ℃。步進電機驅動電路圖如圖4所示。
圖4 步進電機驅動電路圖
3 系統軟件設計
本系統的軟件設計主要為單片機端的程序設計，PC端的接收控制軟件可使用通用的串口助手軟件進行接收存儲數據和發送控制指令。單片機端的程序設計主要包括了單片機內部資源的初始化和使用以及超差雨量傳感器的檢定調測方法。以下著重說明檢定調測流程及算法。根據雨量傳感器在大雨強(即降雨強度為4 mm/min)和小雨強(1 mm/min)的模擬降雨測量的誤差值(測量值-標準值)的正負情況，可分為如下2種情況：誤差值同向和誤差值異向。
3.1 誤差值同向的調測方法
當傳感器在大小雨強(雨強分別為4 mm/min和1 mm/min)的模擬降雨測試時的誤差值均為正值或負值時，只需調節容量調節螺母即可。根據雨量傳感器廠家提供的說明書可進行如下操作：
若誤差值均為正值時，說明測量值偏大，將可左右容量調節螺母同時往外調節以增大每斗的承水量，從而減少測量值。每同時調節1圈，則差值變動量為6%。例如在模擬降雨量為10 mm時，左右容量調節螺母同時調節1圈，差值變動量為0.6 mm(即10 mm×6%)：若誤差值為+0.6 mm，即表示測量值偏大0.6 mm，需要將左右容量調節螺母同時往外旋轉1圈(即360 °)；若誤差值為+0.1 mm，則需要將左右容量調節螺母同時往外旋轉60 °(即360 °/6)即可。
若誤差值均為負值時,也可按照上述方法，將容量調節螺母“往外調節”改成“往里調節”即可。
3.2 誤差值異向的調測方法
當雨量傳感器在大小雨強的模擬降雨測試時的誤差值為一正一負時，則需要同時調節定位螺母和容量調節螺母。此情況暫無有效的操作方法，調節難度較大。本文提出如下的調測方法(共4個步驟)，具體如下：
1)解決“大小斗”問題：存在誤差值異向的雨量傳感器通常都存在“大小斗”現象。雙翻斗式雨量傳感器的上翻斗和計量翻斗是對稱分布，其承水量應相近。因此，需要先分別對上翻斗的定位螺母和計量翻斗的容量調節螺母進行調節，使其承水量相近(即無“大小斗”現象)。
由于承水量等于承水時間與水流流速的乘積。當注入雨量傳感器的水流是勻速，翻斗左右斗的承水與時間成正相關，因此，通過左右斗的承水時間即可用來判斷其承水量是否相同。本系統選擇在“雨強4 mm/min，降雨量10 mm”的模擬降水下進行承水時間測量。
在進行承水時間測量時，校準儀的模擬降水是直接注入上翻斗的(無其他影響水流流速的結構)，因此上翻斗的左右斗的承水時間可以直接測量。然而注入計量翻斗的降水，由于流經上翻斗會使得水流呈間歇浪涌狀。雖然有經過匯集漏斗的調節(匯集漏斗有調節水流使其勻速的作用)，但是其流速還是受到較大的影響，嚴格意義上不是勻速的。所以在測量計量翻斗的承水時間(承水量)時需要并使用水管直接從漏斗下方接水，并繞過上翻斗，直接將勻速的模擬降雨經由匯集漏斗注入計量翻斗，使得計量翻斗就得到一個勻速的水流。
上翻斗定位螺母的調節流程如圖5所示，其中：t1、t2分別為上翻斗左斗、右斗的瞬時承水時間值、T1、T2分別為上翻斗左斗、右斗在一次模擬降雨(雨強為4 mm/min、降雨量為10 mm)的平均承水時間值；T為上翻斗左右斗平均承水時間差值的閾值(取經驗值100 ms)。雖然在理想狀態下，t1與t2應該相同或者極其相近，但是由于雙翻斗式雨量傳感器為機械結構(存在機械誤差)且校準儀的模擬降水的流速隨著液面下降會有所變化。因此，結合上述原因并根據試驗測試得出：當|T1-T2|<100 ms且檢測過程中相鄰的|t1-t2|<300 ms時，認為左右斗不存在“大小斗”現象，即實現了翻動平衡。然后則可以進行計量翻斗的的調測，其方法與定位螺母的調測方法相同。
圖5 調節定位螺母解決“大小斗”流程圖
2)確定定位螺母位置(同時往里或者往外調節左右定位螺母，調節幅度應保持一致)：根據傳感器廠家出廠儀器的調試比例：在雨強為2 mm/min的模擬降雨時，上翻斗翻倒5～6次，計量翻斗翻倒6～7次。也就是說上翻斗翻倒一斗的水量要比計量翻斗翻倒一斗的水量要多，其承水量的比約為0.12比0.1。因此可計算得出：在雨強為2 mm/min、降雨量為10 mm時，計量翻斗和上翻斗的理想翻動次數分別為100和83.3。考慮到傳感器的機械誤差、傳感器允許誤差范圍和經驗值，因此在中雨測試(即雨強2 mm/min、降雨量10 mm)時，上翻斗的翻動次數在83～85次的范圍內即可。
借助JJS2校準儀[20](其內部標準球為314.16 mL，即模擬降雨量為10 mm)進行模擬中雨測試，通過統計上翻斗的翻動次數，對定位螺母進行相應的調節：當翻動次數太小(即小于83次)時，將左右定位螺母同時往里調節，可減少每斗的承水量，從而增加翻動次數；當翻動次數太大(即大于85次)時，將左右定位螺母同時往外調節，可增加每斗的承水量，從而減小翻動次數。
3)確定容量調節螺母位置(同時往里或者往外調節左右容量調節螺母，調節幅度一致)，其中對容量調節螺母的調節方法與3.1相同。步驟2)和步驟3)的流程如圖6所示。
圖6 同時調節定位螺母和容量調節螺母流程圖
4)大小雨強檢定校準：分別進行3次雨強為1 mm/min和4 mm/min(降雨量為10 mm)的模擬降雨測試并求平均值。此時只需要對容量調節螺母進行調節，調節方法與3.1相同。
4 系統測試與分析
目前該系統的原型機已經應用于福建省氣象計量檢定所的雨量傳感器檢定工作中,以其中一次檢定為例說明。2021年01月收到一臺送檢的SL3-1雙翻斗式雨量傳感器(儀器編號：201303556)，存在超差現象。經檢查傳感器內部無泥沙、蟲網等雜物，翻斗翻動性能正常且干簧管工作無異常。校準人員在實驗室根據經驗進行長時間反復調測，能使傳感器達到的最佳狀態為：小雨強誤差+0.4 mm，大雨強誤差-0.4 mm。雖然誤差值在規程的誤差允許范圍內，但是已處于臨界狀態，若直接投入業務應用可能效果不佳，會影響到觀測數據。因此嘗試使用本系統再次校準。
首先解決“大小斗”問題：按照模擬降水測試過程中測得數據的先后順序，將相鄰左右斗的承水時間求差值(單位:ms)，即可判斷是否存在“大小斗”現象。將調測前后模擬降雨(雨強4 mm/min,降雨量10 mm)測試下，上翻斗左右斗承水時間差(t1-t2)和計量翻斗左右斗承水時間差(t3-t4)的數值分別按測得數據的先后順序繪制折線圖如下。由于本系統使用JJS2校準儀模擬降雨，其內部的標準球液面高度在檢定過程中會逐漸變低，當液面較低時，水流流速太慢會導致誤差大大增加，因此圖中去除了最后幾個數值。
從圖7和圖8中可以看出，調測前：上翻斗左右斗承水時間差較大(均為負值且t1
圖7 調測前后(t1-t2)對比圖
圖8 調測前后(t3-t4)對比圖
隨后進行雨強為2 mm/min的模擬降水，分別測得上翻斗翻動次數為84次，滿足3.2第2)步的要求。最后進行大小雨強檢定校準測得：雨強為4 mm/min時的示值分別：10.0 mm、9.8mm、10.0 mm，平均值為9.9 mm，誤差值-0.1 mm；雨強為1 mm/min時的示值分別為：10.1 mm、10.2 mm、10.1 mm，三次平均為10.1 mm，誤差值+0.1 mm。傳感器示值檢定校準誤差滿足規程要求,至此調測結束。
5 結束語
1)雙翻斗式雨量傳感器改善了單翻斗雨量傳感器的降水損失問題，在地面氣象觀測中得到廣泛的應用。但是由于其自身的機械結構和長時間在野外工作的特點，可能會產生“大小斗”和協調性等問題，因此為了保證降雨量數據的準確性，需要定期嚴格地按照規程進行檢定校準。
2)為了更高效精細地完成雙翻斗雨量傳感器的檢定工作，尤其針對存在誤差值異向的雨量傳感器(通過人工依靠經驗調測往往耗時長并且成功率低)。本文歸納總結出了一套行之有效的檢定流程，并研制了雙翻斗式雨量傳感器自動調節檢定系統，實現了上翻斗和計量翻斗的承水時間的定量測量，通過測量數據可快速有效地判斷“大小斗”現象和上下翻斗協調性等問題，并利用步進電機模塊實現定位螺母和容量調節螺母的自動調節。
3)雙翻斗式雨量傳感器自動調節檢定系統研制完成后，在福建省氣象檢定所得到了應用。通過利用此系統，很好地完成了福建省內氣象部門和中國輻射防護研究院等單位送檢的雨量傳感器的檢定校準工作，提高了檢定校準的合格率，避免了因誤差值無法調整使得雨量傳感器被淘汰所造成的浪費。同時通過本系統將檢定數據進行記錄，為今后優化調整雨量傳感器的檢定校準流程，提供了數據資料。
