(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

1 區(qū)域水文概況

莊河隸屬于大連市，位于遼東半島東側中部，東與丹東市毗鄰，西與大連普蘭店區(qū)隔河相望，南與黃海相連。全市屬低山丘陵地區(qū)，地勢由北向南漸低，陸域總面積4086km2。北部群山系千山余脈，海拔皆在200m以上，中部丘陵高坡蜿蜒起伏，土壤肥沃，海拔介于10～200m之間。

莊河市屬于溫帶濕潤季風氣候區(qū)，具有海洋氣候特征，四季分明，氣候溫和，光照充足，降水集中，是大連地區(qū)年降水量最為豐沛的縣級市，境內多年平均降水量807.2mm，集中在6—9月，占全年的70%～80%；多年平均徑流深380.6mm；受地形地勢的影響，降水量從北向南逐步遞減。降水量的相對充盈，意味著該地區(qū)防汛任務的復雜性和嚴峻性。

2 雨量計介紹

2.1 組成結構

本次雨量計設計主要組成部分有雨量筒、太陽能基板、蓄電池等。雨量筒內部構造為本次設計核心部分，包括漏斗、舵機、導流槽、儲水桶、排水管、電磁閥、稱重托盤、稱重傳感器、數據采集箱等部件[1]，具體組成結構見圖1。

圖1 雨量筒內部構造設計圖

2.1.1 舵機說明

舵機是一種位置(角度)伺服的驅動器，又叫伺服馬達，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路等，其安裝了一個電位器(或其他角度傳感器)檢測輸出軸轉動角度，控制板根據電位器的信息能比較精確地控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機更準確地說是伺服電機[2],其工作原理圖見圖2。

圖2 舵機工作原理圖

選擇舵機主要考慮輸入電壓范圍、失速轉矩和速度。本次雨量計采用的舵機是市面上比較通用的Hitec HS-311伺服電機，屬亞微型舵機，其功能強大，穩(wěn)定可靠，所需電壓4～6V，在蓄電池控制范圍內，且價格適宜，尤其這種舵機可以利用Arduino這樣的微控制器，通過改變脈沖寬度，精確地控制其旋轉角度及停留時間，完全符合本次研發(fā)的雨量計標準。

2.1.2 數據采集箱的內部結構

數據采集箱是該設備的核心終端，負責控制傳輸指令，整套設備的大腦單片機就藏身于此。箱內包含天線、存儲模塊、短信模塊、時鐘模塊、LED顯示屏、單片機、A/D轉換模塊、繼電器模塊、電源穩(wěn)壓模塊；外連端口有稱重傳感器輸出端、LED顯示屏輸出端、舵機輸出端、電磁閥控制輸出端、電源保險絲、直流電源輸入端等[3]。各模塊具體連接情況見圖3。

圖3 數據采集箱內部構造設計圖

2.2 雨量計運行原理

2.2.1 運行原理

本雨量計采用兩套完全相同且相互獨立的測量裝置，包括兩個儲水桶、兩個稱重傳感器、兩套排水系統(tǒng)。具體描述為雨量筒內的漏斗下連進水管，進水管伸到導流槽上方，導流槽和舵機共用1個軸心，固定在雨量筒內，目的是使舵機可以帶動導流槽，控制其左右傾斜，使雨水可以進入相應的儲水桶。用于盛水的兩個儲水桶固定在各自稱重托盤上，稱重托盤下連稱重傳感器。每個儲水桶外側都連有1個排水管，兩個電磁閥分別安裝在各的自排水管上，負責控制排水。

正常運行時從雨量筒收集到的雨水經漏斗、進水管、導流槽進入一側儲水桶內，由稱重傳感器稱出重量，數據采集處箱將稱出的雨水重量換算成20cm口徑雨量計降水高度，以分鐘計算存儲。當一側儲水桶水位達到預設警戒水位時，舵機得到數據采集箱指令帶動導流槽翻向另一側，切換到另一側儲水桶進行測量，同時，將達到警戒水位一側的儲水桶的電磁閥打開，將水排除桶外，如此循環(huán)測量。

測量結束后，采集的雨量數據會分別存儲到Arduino 微控制器內部的EEPROM芯片內和存儲模塊中的SD卡內，EEPROM內的數據是可供短信遠程調取的短期數據，SD卡內的數據是可以通過計算機讀取的長期詳細數據。同時，也可以利用短信模塊中的手機卡，采用GPRS傳輸方式將信息傳輸到電腦、手機平臺，供用戶使用[4]。

2.2.2 供電原理

本次設計的雨量計可用市電做電源，也可用太陽能做電源。當采用太陽能供電方式時，12V的蓄電池對其整個設備供電，太陽能基板負責對其充電，這樣可以有穩(wěn)定的電源輸出。蓄電池通過導線接入到數據采集箱的直流電源輸入端，接入電源穩(wěn)壓模塊，同時通過繼電器給電磁閥供電，電源穩(wěn)壓模塊通過降壓、穩(wěn)壓、濾波后給存儲模塊、短信模塊、時鐘模塊、LED顯示屏、單片機和A/D轉換模塊等供電。

3 數據對比分析

分別對安裝該雨量計的14站數據進行了提取，選取2018年最大的一場降雨及汛期(6—9月)降雨，以人工為基準，分別將翻斗式雨量計和本次設計的稱重式雨量計與之比較，結果見表1、表2。

表1 2018年8月19—20日場次降雨對比

續(xù)表

表2 2018年汛期降雨對比

從表1、表2可以看出，本次設計的基于舵機的雙桶自動排水稱重式遙測雨量計降雨數據無論是場次降雨還是全年降雨統(tǒng)計都和人工數據十分接近，誤差均在3%以內，而且均優(yōu)于翻斗式雨量計與人工誤差比值，符合國家氣象儀器中雨量計的設計標準。

4 結 語

基于舵機的雙桶自動排水稱重式遙測雨量計已在莊河地區(qū)運行一年有余，通過對提取的數據進行比較分析，完全可以解決該地區(qū)短歷時暴雨造成的翻斗式遙測雨量計誤差較大問題。今后將在硬件工業(yè)設計、系統(tǒng)穩(wěn)定性、數據無線傳輸等方面做進一步提升研究。?