陳杰中，韋 冬，吳寧聲，張 亞

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

高寒地區(qū)降雪量監(jiān)測儀器的研制和應用

陳杰中1,2，韋 冬2,3，吳寧聲2,3，張 亞2,3

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

根據(jù)高寒地區(qū)自然環(huán)境的特點，在第 1 代 JEZ 系列雨雪量計基礎上，研制一種適用于高寒地區(qū)的降雪量監(jiān)測儀器。通過對加熱、軟件控制及供電方式的優(yōu)化設計，儀器達到在 -40℃ 環(huán)境溫度下穩(wěn)定可靠工作的設計要求。儀器在甘肅省部分站點推廣應用，通過試驗數(shù)據(jù)分析，測量精度和融雪時間均達到水文規(guī)范要求，為在高寒地區(qū)替代人工監(jiān)測降雪量提供技術支撐。

高寒地區(qū)；雨雪量；監(jiān)測儀器；融雪加熱膜；溫度傳感器；雨雪感應器

0 引言

我國幅員遼闊，氣候復雜多變，一半以上的地區(qū)每到冬季都會降雪，降雪量作為水文監(jiān)測要素之一，長期以來多以人工觀測為主，自動觀測的儀器目前大都是進口。由于進口儀器價格普遍較高，如果要在國內大量推廣，需要花費較多資金，因此，研制國產降雪量監(jiān)測儀器是十分必要的。2011 年，開始開展降雪量監(jiān)測儀器的研究；2012 年，第 1 代JEZ 系列雨雪量計研制成功 ，同年獲得全國工業(yè)產品生產許可證。

自 2012 年開始，JEZ 系列雨雪量計在青海、甘肅等省的中小河流項目中已有部分應用，同時在山東、河南、新疆等地也陸續(xù)開始試用。根據(jù)各地用戶的應用反饋情況看，儀器的測量精度能滿足水文測驗規(guī)范的要求，是值得推廣的一種新型儀器。

然而，第 1 代 JEZ 系列雨雪量計只能在溫度不低于 -25℃ 的環(huán)境測量降雪量，對于溫度低于 -25℃的高寒地區(qū)，第 1 代 JEZ 系列雨雪量計已不能滿足監(jiān)測需要。因此應進一步提高 JEZ 系列雨雪量計在高寒地區(qū)的工作性能，使之能夠滿足高寒地區(qū)降雪量監(jiān)測的需求。

1 儀器結構設計

第 1 代 JEZ 系列雨雪量計是在 JDZ 系列翻斗式雨量計基礎上，加上保溫及融雪控制單元、溫度傳感器、雨雪感應器、加熱膜及過流保護裝置等構成的，基本工作原理是將雪融化成水后再經翻斗計量雪水當量，融雪過程是由控制單元和雨雪感應裝置相互配合完成的。

適用于高寒地區(qū)的雨雪量計（以下簡稱高寒型雨雪量計）外型結構和第 1 代產品類似，不同之處在于在硬件部分增加了 1 個溫度傳感器監(jiān)測承雨筒溫度，使承雨筒加熱更及時；另外軟件控制上也比第 1 代產品更加合理。

高寒型雨雪量計主要由雙層外筒、承雨筒、阻燃保溫材料、翻斗部件、融雪和環(huán)境加熱膜、溫度傳感器、底座及控制裝置等部件組成，總體結構如圖 1 所示。

高寒型雨雪量計是在第 1 代雨雪量計基礎上增加 2 片加熱膜和控制裝置構成的。因結構設計使用需要，外筒設計成除承雨口直徑是 Φ200 mm 外，下面部分直徑都是 Φ320 mm，這樣設計的目的主要是從儀器運行可靠性考慮的。底座設計成大容量，主要是考慮如果出現(xiàn)持續(xù)性強降雪，融化的雪水在排到底座外時，由于底座外溫度和周圍環(huán)境溫度是一致的，因此在高寒地區(qū)排出的水很快會凝結成冰，如果冰持續(xù)堆高，就可能頂住翻斗，造成翻斗無法計量。底座內部空間設計成大容量，即使雪水再次凝結成冰也不會頂住翻斗。目前底座的容量可以容納 1 000 mm 降雪融化后的雪水凝成的冰。

圖 1 儀器結構圖

1.1 加熱膜

融雪是通過加熱實現(xiàn)的，因此加熱膜的選擇尤其重要，既要效率高，又要有較好的阻燃性，防止萬一失控造成持續(xù)加熱引起自燃。經過對各種加熱膜的試驗，最終選用聚酰亞胺加熱薄膜。該加熱膜以聚酰亞胺為外絕緣體，以金屬箔、絲為內導電發(fā)熱體，經高溫高壓熱合而成。加熱器具有優(yōu)異的絕緣強度、優(yōu)異的抗電強度和熱傳導效率、較小的熱慣量及良好的阻抗穩(wěn)定性。

儀器內部共有 2 片加熱膜，一片位于承雨器底部，用于融化聚集在承雨器內的雪，稱為融雪加熱膜；另一片位于儀器筒身內側，通過加熱保持筒內具有一定的溫度，防止內部結冰，稱為環(huán)境加熱膜。

1.2 溫度傳感器

溫度傳感器是用來測量高寒雨雪量計筒內和承雨筒融雪的溫度的，選用的 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器具有獨特的單線接口，與微處理器連接時僅用 1 條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。封裝后只有 3 個引腳，可適用于不同場合，且耐磨，耐碰，體積小，使用非常方便。

高寒型雨雪量計安裝了 2 支溫度傳感器，一支安裝在儀器內筒靠近翻斗的位置，用于感應筒內的環(huán)境溫度；另一只安裝在承雨筒底部，用于感應承雨筒底部溫度。由于承雨筒貼有加熱膜，因此采用樂泰 587 膠固定溫度傳感器，該款膠耐油和高溫，溫度范圍在 -54～270℃。溫度傳感器為整個儀器的重要部件，溫度、精度和可靠性是保證儀器正常運行的保障。

1.3 雨雪感應器

雨雪感應器是用來監(jiān)測外界是否有降雨或降雪的裝置，當雨雪感應器感應到外界有降雨或降雪后，感應信號輸入到控制單元，控制單元再根據(jù)溫度傳感器反饋的筒內環(huán)境溫度確定承雨器加熱膜（融雪加熱膜）是否需要工作。這樣設計具有以下優(yōu)點：當雨雪感應器沒有信號輸出時融雪加熱膜是不會工作的，可以節(jié)能；可延長融雪加熱膜的使用壽命。由于融雪加熱膜只在有降水且溫度較低時工作，因此全年大部分時間融雪加熱膜都是不工作的，可達到延長融雪加熱膜使用壽命的目的。雨雪感應器采用用柵形電極感應外界雨雪情況，反應靈敏，3 s 內即可輸出雨雪信號。當雨雪停止后，覆蓋在裝置表面的雨雪會被自動烘干，一般 15 min 即可將表面烘干，烘干后即可監(jiān)測下一次雨雪降落過程。

雨雪感應器具有以下主要特點：精度高，輸入線電阻高，穩(wěn)定性好；體積小，安裝方便；傳輸距離長，抗干擾性強；密封性好。

1.4 控制裝置

控制裝置是整個儀器的核心部分，主要控制加熱膜的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對高寒型雨雪量計筒內環(huán)境溫度的保持和融雪過程的科學控制?？刂蒲b置以AT89S52 單片機為核心，AT89S52 是一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8 kB 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器，使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)編程，亦適用于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用[2]。

控制裝置能根據(jù)儀器內部的環(huán)境溫度自動控制儀器的工作方式：

1）非冬季時，由于溫度傳感器檢測到儀器內部的環(huán)境溫度較高（一般設定為高于 5℃），此時即便雨雪感應器檢測到有降水，控制裝置也不會啟動融雪和環(huán)境加熱膜，因為此時的降水基本都是液態(tài)的，即使有可能是冰雹，也會很快因自然環(huán)境溫度較高而自行融化為水。因此非冬季時，該儀器的環(huán)境和融雪加熱膜都不工作，這時的高寒型雨雪量計實際上就是一臺翻斗式雨量計。

2）冬季到來時，在溫度傳感器檢測到高寒型雨雪量計內部環(huán)境溫度低于設定溫度時（一般設定為低于 3℃），儀器將進入保溫模式，此時無論是否有降雪，環(huán)境加熱膜都將工作，環(huán)境加熱膜工作后可將儀器內部環(huán)境溫度始終控制在 3～5℃ 范圍內，目的是不讓降雪時融化的雪水在翻斗內重新結冰。環(huán)境加熱膜的工作方式為間斷工作方式，完全由單片機進行控制。當出現(xiàn)降水時，降水落在雨雪感應器表面，控制裝置收到感應器信號，會啟動定時檢測程序；控制裝置內部裝有記錄時間的數(shù)碼管，在檢測到有降水信號 1 h 后，環(huán)境和融雪加熱膜將在單片機的控制下進入融雪工作模式，融雪加熱膜的加熱溫度由安裝在承雨筒底部的溫度傳感器控制?？刂蒲b置的總體結構示意圖如圖 2 所示。

圖 2 控制裝置結構示意圖

1.5 電源及保溫設計

第 1 代 JEZ 系列雨雪量計可以使用 2 種供電模式：一種是 12 V150 A·h 蓄電池外加 200 W 太陽能電池板浮充蓄能；另一種是將 220 V 交流電通過電源適配器轉換為 12 V 直流電后給儀器供電。高寒地區(qū)這 2 種供電方式均不適用，高寒型雨雪量計如果采用交流 220 V 供電，只適于安裝在有人值守的大中型水文站里，由于該儀器應用于高寒地區(qū)，氣候環(huán)境惡劣，采用交流供電條件受限。在高寒地區(qū)使用普通的鉛酸蓄電池，蓄電池性能會受到很大影響。因此，為了不影響儀器的推廣應用，通過不斷的優(yōu)化設計，降低能耗，采用耐低溫的卷繞電池供電加上太陽能電池板浮充蓄能的辦法使儀器能全天候工作。卷繞電池引進國外的高端特有低溫配方，內部無游離電解液，同時達到 3 倍于普通電池的電極表面積，從而在很大程度上降低了電池內阻，即使在-55～65℃ 情況下工作也能正常充放電。實踐證明目前卷繞電池加太陽能電池板蓄能的供電方法是最佳供電方案。

儀器配備 2 節(jié) 80 A·h 耐低溫電池，安置于戶外電源箱內；安裝 200 W 太陽能板，通過日照蓄能。通過試驗和理論測算，在無蓄能的情況下，儀器可以持續(xù)工作 48 h 以上。

為降低能源消耗，提高體積熱指標系數(shù)，在雨量筒外包裹 1 層厚度為 20 mm 的聚氯乙烯泡沫塑料用于保溫，外面再用不銹鋼筒保護使之不易老化。

1.6 主要技術指標

2）分辨力為 0.1，0.2，0.5，1.0 mm。

3）降水強度測量范圍。分辨力為 0.2，0.5，1.0 mm時，降雨強度 ≤ 4 mm/min；分辨力為 0.1 mm 雪水當量時，降雪強度 ≤ 10 mm/h。

4）測量誤差。在降水強度測量范圍內，測量誤差 ≤ ± 4%。

5）溫度傳感器誤差為 ± 1℃。

6）融雪方式為電加熱。

7）加熱供電方式為 DC 12 V。

8）工作環(huán)境。溫度 -40～＋50℃；相對濕度 ≤95%。

2 軟件設計

軟件部分采用模塊化編程設計思想，采用 C 語言編程，開發(fā)環(huán)境是 Keil uVision2。Keil uVision2 是單片機應用開發(fā)軟件，支持眾多不同公司的 MCS-51架構芯片，同時集編輯、編譯、仿真等功能與一體，還支持 PLM、匯編和 C 語言程序設計[3]。

軟件主要由主程序、溫度采集和繼電器控制等幾部分程序組成，主程序流程如圖 3 所示。

3 應用分析和前景

高寒型雨雪量計在甘肅省境內選擇 5 個站點作為試點。臨洮水文局碌曲水文站為試點水文站之一，碌曲水文站位于甘肅省甘南藏族自治州，東經102° 28′，北緯 34° 36′，青藏高原東邊緣，海拔3 510 m，符合高寒地區(qū)特征。2015 年底選用 0.2 mm分辨力的高寒型雨雪量計安裝在水文站的雨量觀測場內，在儀器旁邊安裝 1 個內置量杯的雨量采集器，用于與采集數(shù)據(jù)進行對比。

高寒型雨雪量計遙測數(shù)據(jù)與人工實測數(shù)據(jù)對比結果如表 1 所示，總量分析如表 2 所示。

從 2015 年 10 月至 2016 年 3 月的降雪數(shù)據(jù)對比看出，人工實測數(shù)據(jù)和雨雪量計遙測數(shù)據(jù)相比，符合設計精度要求。儀器配套 2 節(jié) 80 A·h 卷繞電池，通過測試，在無蓄能的情況下可正常工作 48 h。在試點站使用了該款儀器后，改變了原先落后的觀測手段，經過一段時間的運行，通過數(shù)據(jù)對比分析，人工實測數(shù)據(jù)略微大于雨雪量計數(shù)據(jù)，說明雨雪量計在加熱過程中雪水有少量蒸發(fā)，屬于正?，F(xiàn)象。

高寒型雨雪量計可以實現(xiàn)高寒地區(qū)全天候監(jiān)測降雪量，能夠為降雪量觀測提供及時、準確的數(shù)據(jù)，為在高原、高寒地區(qū)水文監(jiān)測的自動化提供很好的技術支撐。

圖 3 主程序流程圖

表 1 雨雪量計降水數(shù)據(jù)與人工實測數(shù)據(jù)對比表 mm

表 2 總量分析表

4 結語

國內使用的雨量計都需要配合周邊設施才能得到有效的雨量數(shù)據(jù)，針對國內高寒地區(qū)用戶的需求，高寒型雨雪量計在第 1 代 JEZ 系列雨雪量計基礎上，通過改進融雪加熱、供電方式及結構工藝，性能和可靠性有了較大提升。同時儀器管理、使用、維護方便，大大減輕了水文監(jiān)測人員的工作量，也有效確保了水文測驗精度要求。高寒型雨雪量計具備觀測液態(tài)及固態(tài)降水的能力，可普遍用于高海拔、高寒等惡劣地區(qū)，能及時將雨情、雪情數(shù)據(jù)傳輸至中心站，有力保障了水文、氣象系統(tǒng)對環(huán)境檢測的需要。

[1] 姚永熙. 水文儀器與水利水文自動化[M]. 南京：河海大學出版社，2001: 59-65.

[2] 張迎新. 單片機原理及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004: 11-30.

[3] 湯競南，沈國琴. 51 單片機 C 語言開發(fā)與實例[M]. 北京：人民郵電出版社，2008: 61-65.

[4] 丁鎮(zhèn)生. 電子電路設計與應用手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013: 406-408.

Development and application of snow monitoring instrument in alpine region

CHEN Jiezhong1,2, WEI Dong2,3, WU Ningsheng2,3, ZHANG Ya2,3
(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 3. Jiangsu Naiwch Corporation, Nanjing 210012, China)

According to the characteristics of natural environment in alpine region, based on the fi rst generation JEZ series of rain and snow meter, a suitable snow monitoring instrument in alpine region is developed. Through the optimal design of heating, software control and power supply mode, performance of the instrument reaches design requirements for stable and reliable operation at ambient temperature of -40 ℃. The instruments are used in part site of Gansu. Through the test data analysis, the measurement precision and the snowmelt time both meet the requirements of hydrological speci fi cations. It provides technical support for monitoring snowfall in alpine region instead of manual operation.

alpine region; the amount of rain and snow; monitoring instrument; snowmelt heating fi lm; temperature sensor; rain sensor

P335

A

1674-9405(2017)04-0054-04

10.19364/j.1674-9405.2017.04.010

2017-02-08

陳杰中（1980-），男，江蘇南京人，本科，主要從事智能儀器儀表產品開發(fā)工作。