展小云，趙 軍，稅軍峰，趙向輝，郭明航

全自動稱重式雨量計的研制及性能分析

展小云1,2，趙 軍1,2，稅軍峰2※，趙向輝3，郭明航1,2

（1. 西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 西安三智科技有限公司，西安 710075）

為了精準刻畫降雨過程特征，研制了一種具有野外復雜條件下普遍適用的全自動稱重式雨量計，該儀器以STM32單片機為核心，利用A/D轉換芯片對稱重傳感器的電壓信號進行放大處理，獲取分辨率為0.01 mm的分鐘級別的降雨數據。試驗結果表明，該雨量計測量標準差為0.02 mm/min，測量準確度最高為98.67%，說明該儀器監(jiān)測精度高且適用范圍廣。稱重式雨量計分辨率高，對微小雨滴反應靈敏，使得其監(jiān)測結果較翻斗式雨量計大。此外，利用稱重式雨量計在王東溝小流域進行野外自然降雨觀測，發(fā)現該小流域自然降雨集中在5－9月，主要以次降雨量≤5 mm的降雨為主，而次降雨量為＞10～25 mm的降雨對降雨總量貢獻最大。該儀器可以實時準確地監(jiān)測降雨全過程，可為提高降雨監(jiān)測技術的精準化和自動化水平提供參考。

降水；傳感器；雨量計；自動化監(jiān)測

0 引 言

降雨作為水循環(huán)的關鍵組成部分，是全球氣候變化背景下重點關注的核心要素之一，與農、林、牧等多個領域都密切相關[1-2]。雨量計作為降雨監(jiān)測的重要手段，其精度高低直接影響著獲取數據的可靠性，因此，雨量計精確與否，對于開展天氣預報、預防氣象災害、指導工農業(yè)生產、深入土壤侵蝕研究等至關重要[3-4]。

目前國內外用于監(jiān)測降雨的儀器從傳統(tǒng)的人工觀測雨量桶[5]、翻斗式雨量計[6-8]、虹吸式雨量計[9-11]發(fā)展到基于敏感器件及電子技術的超聲雨量計[12-13]、光學式雨量計[14-16]、壓力式雨量計[17-19]等多種類型的雨量監(jiān)測儀，為降雨的精準監(jiān)測提供了多元化的選擇。降雨發(fā)生的時間和空間具有很大的不確定性，并且野外環(huán)境復雜，使得現有的技術難以滿足不同情境下的降雨準確監(jiān)測要求[20-22]。例如，在水文站應用較多的虹吸式雨量計需要定期現場記錄和人工維護，難以達到遙測要求，而且虹吸管容易被降塵污染導致虹吸失常，精度低，測量誤差大[11, 23-24]。翻斗式雨量計克服了虹吸式雨量計不易將降雨量信息進行遠距離傳輸的缺點[25]，但是其存在異物易堵塞翻斗口、強降雨時翻斗翻轉不及時等問題[8,26]。超聲雨量計則由于超聲波的傳播速度受介質密度、濃度、外界溫度等因素影響而發(fā)生折射和衰減現象，其測量精度和準確性均較低[27-28]。光學式雨量計和壓力式雨量計測量誤差主要由雨滴重疊跌落和信號噪聲干擾引起的，并且成本過于昂貴，無法大面積布設[15, 29-31]。可見，已有雨量計測量精度容易受雨強大小影響，測量范圍小，對強降水測量誤差大。

近年來，測量精度高、功耗小的Pluvio稱重式雨量計被逐漸應用于降雨監(jiān)測[32-33]。Pluvio雨量計的采樣桶采用了敞開式設計，所以必須加設風盾配件，以消除風沙的影響。此外，該儀器集成了溫度傳感器，主要用于補償平衡系統(tǒng)內的溫度變化。但是，該類儀器價格昂貴，并且采樣桶面積有200和400 cm2兩種規(guī)格，采樣口徑與中國的標準不一致。使用最受限的一點是該儀器不能有效地自動排水，在采集的雨水達到采樣桶總體積的80%時必須進行人工清潔，如未及時傾倒采樣桶內雨水，則會造成雨量漏測。

為了實現降雨過程的連續(xù)化、自動化和精細化監(jiān)測，本研究將稱重法和精準傳感、自動測控等現代化科學技術相結合，研制基于STM32單片機的全自動、高精度的降雨監(jiān)測儀，以期實現降雨過程觀測和數據的遠程傳輸，為降雨監(jiān)測的網絡化提供新的技術手段，提升國產儀器設備的研發(fā)能力。

1 材料與方法

1.1 測量原理及參數計算

稱重式雨量計主要通過稱重傳感器測量測量艙中降雨的質量數據，經信號放大處理后將質量數據實時返回至單片機STM32中，從而經過自動換算獲得降雨量數據，并進行存儲和遠程無線傳輸。降雨量計算公式如下：

式中為降雨量，mm；h為當前測量艙質量，g；0為初始測量艙質量，g；為測量艙半徑，cm；為水的密度，g/cm3；10為換算系數。其中，一般取值為1 g/cm3，但是為了提高測量結果的準確度，取溫度傳感器測得的實時水溫所對應的水的密度。

1.2 儀器結構與組成

該雨量計主要由3部分構成，即采集系統(tǒng)、稱重（質量）系統(tǒng)、測控系統(tǒng)，具體包括不銹鋼筒體、盛雨器、溫度傳感器、測量艙、稱重（質量）傳感器、測控系統(tǒng)等（圖1a）。儀器的設計高度為40 cm，外殼防護等級IP54，電氣防護等級IP65，可適應降雨監(jiān)測的惡劣環(huán)境。設備機架選用優(yōu)質不銹鋼304，并采取焊接和剛性連接，以增加其光滑性和密閉性（圖1b）。儀器由太陽能電池（12V/200AH，光伏板180 W）或AC 220V/50HZ市電供電。此外，儀器的監(jiān)測數據會實時傳輸至站點/數據管理平臺。

1.2.1 采集系統(tǒng)

樣品采集部分主要由濾網、溫度傳感器和盛雨器組成。孔徑為2 mm的濾網安裝在筒體最上端，防止雜物進入盛雨器而造成管路堵塞。Pt100溫度傳感器通過惠斯登電橋獲取溫度變化的電壓信號，通過高精度運算放大器，輸入到控制系統(tǒng)，并進行24位A/D轉換，將電壓信號解析出降水溫度，降水密度則由實測的水的溫度對應的水的密度進行實時矯正，以消除降水溫度引起的誤差，提高降雨量計算結果的準確性。樣品采集所使用的盛雨器尺寸設計和傳統(tǒng)雨量筒一致，直徑為20 cm。此外，為了提高測量結果的準確性，盛雨器的設計還考慮了以下幾個因素：

1）上端刀口設計：為了使不同大小的雨滴更精準地落入盛雨器中，設計了盛雨器和雨滴線性接觸的45°傾斜角刀口（圖2a），最大程度地防止刀口切掉的雨滴濺到盛雨器中，確保盛雨器的有效采樣直徑為20 cm。

2）下端傾角設計：當水滴與盛雨器下端接觸面形成的接觸角大于90°時，則表現為疏水性，反之則表現為親水性。如要確保雨滴降落到盛雨器后具有好的疏水性，只要滿足接觸角大于90°即可。盛雨器下端傾角設計為60°，接觸角為120°呈現疏水狀態(tài)，而水滴前部的接觸角大而后部的接觸角小，均超過親水性的臨界接觸角，使得雨滴自然流動，避免附著在盛雨器內壁（圖2b）。

3）內壁表面處理：盛雨器內壁經過拋光表面光潔度達0.8以上，增加了雨滴的流動性，減少了雨滴掛壁現象。此外，盛雨器內壁上涂有低表面能的疏水材料，通過表面氟化處理，可以減少盛雨器表面浸濕和蒸發(fā)帶來的測量誤差。

1.2.2 稱重系統(tǒng)

稱重系統(tǒng)主要是完成樣品的測量，由導流管、測量艙、排樣開關和稱重傳感器組成（圖1a）。導流管通徑為DN15，安裝在盛雨器底端，緊貼測量艙的內壁，防止雨水流動對稱重系統(tǒng)帶來的擾動，同時把樣品導入測量艙（圖1a）。測量艙容積為1 L，口徑為10 cm，滿艙時對應的降雨量為30 mm。排樣開關為銅質結構的電動球閥，采用螺紋連接置于測量艙底部，其運轉為回轉電動驅動，單次運轉時間4 s，1 L樣品完全排出（從排樣開關開始開啟到排樣完成后排樣開關完全關閉）所需時間約10 s。排樣開關設計有兩個狀態(tài)，一是排樣開關處于開啟狀態(tài)，則執(zhí)行排放樣品的功能（開啟動作執(zhí)行時即可開始排樣）；二是排樣開關的處于完全關閉狀態(tài)，則作為樣品測量艙的下底使用。稱重傳感器選用METTLE-TOLEDO梁式傳感器，其可實時將測量艙重量信號輸出至PLC進口端，經處理后傳輸至數據處理系統(tǒng)。傳感器量程為5 kg，靈敏度為（2±10%）mV/V，測量精度為1/10 000，零點輸出≤±10% R·C（額定載荷，Rated Capacity），工作溫度為?20～65 ℃。此外，由于稱重傳感器處于長期壓力狀態(tài)而形成零基準點的漂移，為此需進行零點自動校正，使其測量更加精確。

1.2.3 測控系統(tǒng)

稱重式雨量計采用STM32控制芯片，形成了集數據采集、模型計算、數據處理、遠程發(fā)送等功能為一體的測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)主要包括數據采集模塊、軟件系統(tǒng)構架智能運算控制模塊、數據發(fā)送及儲存模塊、WIFI手機互聯人機對話APP模塊和數據通訊擴展模塊（圖3）。數據采集模塊由稱重傳感器模塊和24位A/D 轉換HX711模塊組成。其中，A/D轉換芯片對稱重傳感器mV級電壓信號進行采樣放大，采樣頻率10 Hz，128倍增益放大，使稱重分辨率達到0.01 g以上。軟件系統(tǒng)構架智能運算控制模塊由32位MCU STM32F107VCT6控制模塊組成，是整個測控系統(tǒng)的中樞神經，采用結構化程序設計，運用C語言嵌入式開發(fā)系統(tǒng)編程，通過智能優(yōu)化設計進行雨量計的自動化和信息化控制。數據發(fā)送及儲存模塊包含GPS/GPRS模塊參數和上位機云平臺通訊設置及本地USB數據存儲。在通訊信號較弱或無信號的偏遠山區(qū)，需要增加中繼器或直接使用衛(wèi)星通道，以確保數據的遠程傳輸，但是成本將大大增加。WIFI手機互聯人機對話APP由安卓系統(tǒng)手機APP通過WIFI模式與系統(tǒng)相連，可進行參數、功能、顯示等通訊及操控。數據通訊擴展模塊根據實際需要可進行擴展，系統(tǒng)開放RS485通訊端口可與各種模塊例如其他類型的雨量計進行對接。

1.3 工作流程

儀器平時處于休眠狀態(tài)，一旦盛雨器接到降雨信號，設備開始工作。儀器啟動，首先進行零點校正，然后盛雨器收集的樣品進入測量艙，由稱重傳感器稱取樣品質量，測控系統(tǒng)將質量值換算成降雨量值，將測量的數據進行儲存并實時傳輸至站點/數據管理云平臺。若此后測量艙中樣品繼續(xù)增加，直至其容積累計達到1 L時（測量艙最大量程），測控系統(tǒng)則得到指令觸發(fā)排樣開關打開進行排樣，排樣完畢后對測量艙進行稱量，確保排樣干凈，從而進入下一個測量周期。測量時間間隔可設定為1 min測量一次（時間間隔可調，需要根據降雨大小考慮測量頻率和測量精度間的權衡）。以此類推，周而復始，直至10 min內稱重傳感器獲取的樣品質量增量＜0.01 g，則視為降雨結束，儀器進入休眠狀態(tài)。儀器工作流程如圖4所示。

1.4 試驗設計

1.4.1 標準樣品法

蠕動泵可以精準地控制水流流速，而稱重式雨量計的采樣面積已知，因此可以通過控制蠕動泵的水流流速設計不同的降雨強度情景。為了兼顧自然降雨和模擬降雨強度變化，本研究設置了不同的標準降雨強度，即0.02、0.08、0.17、0.25、0.50、0.67、0.83、1.67和3.33 mm/min。其中，0.83 mm/min的降雨強度采用稱重式雨量計重復測量30次，對測量的結果進行K-S（Kolmogorov-Smirnov）檢驗判斷測量結果是否屬于正態(tài)分布，并選取標準差作為衡量儀器測量精度的指標。此外，其余降雨強度則重復測量5次，采用相對誤差來評價儀器測量的準確性。

1.4.2 翻斗式雨量計法

目前的降雨觀測多采用翻斗式雨量計，在本次檢測中將翻斗式雨量計測得的結果與稱重式雨量計的觀測結果進行比較分析。本研究選取JDZ05L型翻斗式雨量計，是國內水文部門常用的一款雨量計，分辨率為0.5 mm。在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室的模擬降雨實驗大廳下噴區(qū)布設一個3 m×6 m雨量觀測場，稱重式雨量計和翻斗式雨量計各3臺，成對等間距布設，以排除單個雨量計測量代表性問題。利用以上兩種雨量計同步觀測某一未知降雨強度的模擬降雨，降雨歷時60 min，分析儀器開始/結束時間（以翻斗式雨量計工作時間為標準，正值表示晚于翻斗式雨量計，負值表示早于翻斗式雨量計）、有效降雨率（降雨時長內非零值的時長占降雨總時長的百分比）、降雨總量和降雨強度的差異。

1.4.3 自然降雨觀測

通過以上方法驗證儀器測量結果是否可靠的基礎上，為了檢測稱重式雨量計對野外復雜環(huán)境的適應性和運轉情況，利用該儀器在長武王東溝小流域進行自然降雨觀測。王東溝小流域位于黃土高原南部地區(qū)，海拔940～1 220 m，流域面積8.3 km2，年平均氣溫9.1℃，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。儀器放置于王東溝小流域的裸地監(jiān)測點（107°41′E，35°14′N），試驗觀測時間為2020年1－12月。

2 結果與分析

2.1 標準樣品法

試驗結果表明，稱重式雨量計對0.83 mm/min的降雨強度重復測量的均值為0.85 mm/min，標準差為0.02 mm/min（圖5a）。同時進行K-S檢驗，得出樣本的偏度值（）和豐度值（）分別為0.31和?0.49，均小于1，且值為0.15，大于0.05，說明測量結果服從正態(tài)分布，儀器測量精度高。此外，在不同的降雨強度條件下對測量結果的準確性進行分析可知，降雨強度的測量值和實際值回歸系數接近1，決定系數高達0.999（圖5b）。此外，分析測量結果的相對誤差表明，相對誤差均值為?1.32%，最大為?13.33%，最高測量準確度可達98.67%，并且大部分相對誤差較小且在0附近分布，相對誤差<5%的樣本占樣本總數的85%以上（圖5c）?？梢?，稱重式雨量計對降雨強度的觀測是準確可靠的，且適用觀測范圍較廣。

2.2 翻斗式雨量計法

稱重式雨量計和翻斗式雨量計的觀測時間差為3.5 min（表1），說明稱重式雨量計對降雨響應較為靈敏。這主要是因為稱重式雨量計的分辨率（0.01 mm）遠遠低于翻斗式雨量計的翻斗感量（0.5 mm），使得稱重式雨量計在翻斗式雨量計達到0.5 mm之前已開始計量降雨，而在降雨結束時，翻斗式雨量計因未達到0.5 mm而不翻動，導致稱重式雨量計的開始時間比翻斗式雨量計早，而結束時間比翻斗式雨量計晚。此外，稱重式雨量計的有效降雨率為73.33%，高于翻斗式雨量計的有效降雨率56.67%，可見，隨著雨量計分辨率的減小，降雨監(jiān)測的持續(xù)時間增加，從而有效降雨率也增大。稱重式雨量計測量的降雨總量為28.24 mm，高于翻斗式雨量計測得的結果（27.20 mm）（表1）。稱重式雨量計測量結果偏大，可能是因為它的分辨率高達0.01 mm，對微小雨滴捕捉敏感，可以更加精確地量化降雨特征。翻斗式雨量計測量結果比稱重式雨量計結果偏低，可能是其內部結構浸潤損失、翻斗內雨量殘留損失等造成的。相對于降雨總量，兩者測得的有效降雨率和最大降雨強度差異均較大，這可能是因為本次模擬降雨強度較大，使得翻斗翻轉不及時或翻斗口比較淺造成大量濺水，從而低估了有效降雨率和最大降雨強度。

表1 翻斗式雨量計和稱重式雨量計觀測結果對比

2.3 自然降雨觀測

在為期1 a的野外應用中，儀器運轉正常，未出現堵塞、斷電等情況。此外，基于獲取的觀測數據可知，2020年王東溝小流域的降雨總量為522.80 mm，降雨主要集中在5－9月，累計降雨量為419.43 mm，占年降雨總量的80.23%，僅8月份的降雨量最高達144.82 mm（圖6a）。按降雨間隔時間不超過6 h劃分為1次降雨事件[34]，全年共計112場降雨，8月降雨頻次最高，7月次之，3月最低（圖6a）。單次最大降雨量為48.82 mm，最小為0.23 mm。從降雨量場次分配來看，全年以次降雨量≤5 mm的降雨（TP5≤5 mm）為主，合計83場（圖b），占降雨總場次的74.11%，但是其累計降雨量較少，僅為105.22 mm，占降雨總量的20.13%（圖6b）。次降雨量為＞5～10 mm的降雨（5 mm＜TP5-10≤10 mm）和＞10～25 mm的降雨（10 mm＜TP10-25≤25 mm）場次相近，降雨量分別為93.43和175.81 mm。次降雨量為＞25～50 mm的降雨（25 mm＜TP25-50≤50 mm）僅出現4場，但是降雨量達到了148.34 mm，占降雨總量的28.37%。可見，該研究區(qū)域降雨主要以次降雨量≤5 mm的降雨為主，但是對降雨總量貢獻最大的則為次降雨量為＞10～25 mm的降雨。

3 結 論

1）基于稱重法原理，以STM32單片機為核心，設計了集樣品采集和測量、數據傳輸和計算、遠程控制和診斷等功能為一體的稱重式雨量計。該儀器結構簡單，便于攜帶，運行成本低，可以全天候無人值守，智能化運行，實現了降雨過程的實時、連續(xù)、自動測量，數據傳遞快捷，觀測時間達到分鐘級別，分辨率可達0.01 mm，可以精細刻畫降雨過程特征，提升降雨過程監(jiān)測的自動化和信息化水平。

2）稱重式雨量計精度和準確度檢測試驗表明，儀器測量結果重復性好，測量精度高，降雨強度的真實值與測量值具有較好的一致性，測量的相對誤差均值僅為?1.32%，測量準確度最高為98.67%，并且相對誤差小于5%的樣本占樣本總數的85%以上。

3）與翻斗式雨量計觀測結果比較表明，稱重式雨量計分辨率顯著高于翻斗式雨量計，使其開始工作時間比翻斗式雨量計早，而結束時間滯后，觀測時間長3.5 min，并且測得的有效降雨率、降雨量和最大降雨強度均較大。

4）利用稱重式雨量計在王東溝小流域進行為期1 a的自然降雨觀測，發(fā)現全年降雨量為522.80 mm，降雨主要集中在5－9月，且8月份的降雨量和降雨場次均最高。該地區(qū)的降雨主要以次降雨量≤5 mm的降雨為主，占降雨總場次的74.11%，而＞10～25 mm的次降雨對降雨總量貢獻最大。

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Development and performance analysis of an automatic weighing rain gauge

Zhan Xiaoyun1,2, Zhao Jun1,2, Shui Junfeng2※, Zhao Xianghui3, Guo Minghang1,2

(1.,,712100,; 2.,,712100,; 3..,.,710075,)

Precipitation has widely been recognized as a fundamental component of the global water cycle. Accurate measurement of precipitation is very necessary for the main input into hydrological models. Hydraulic structures are then required to adequately design for efficient management of water resources. Several types of automatic rain gauges have been used in recent years, such as ultrasonic and laser rain gauges, but tipping-bucket rain gauges are still the common choice. Particularly, the tipping-bucket rain gauge can provide a better temporal resolution for the rainfall intensity. However, questions still remain on the accuracy of graphical representation for the actual rainfall. In this study, a real-time and automatic monitoring instrument was developed for the weighing rain gauge with high precision for precipitation. Three parts were composed of collector, weighing, measurement, and control subsystem. These subsystems were applied to multi-scenario conditions and performed well under the complex field. As such, the instrument was able to realize sample collection and measurement, data transmission and calculation, remote control, and diagnosis synchronously, compared with the traditional. The A/D conversion chip was utilized in the STM32 single-chip microcomputer to amplify the voltage signal of the weighing sensor. Subsequently, two important parameters of rainfall and rainfall intensity were achieved at a minute level with a resolution of 0.01 mm. Finally, a peristaltic pump was selected to verify the calibration of the developed instrument. The target intensities of rainfall were set as 0.02, 0.08, 0.17, 0.25, 0.50, 0.67, 0.83, 1.67, and 3.33 mm/min. The samples with the rainfall intensity of 0.83 mm/min were measured 30 times, and the rest were run five times. The results showed that the average rainfall intensity was 0.85 mm/min, where the histograms of target rainfall intensity presented a normal distribution, indicating higher precision of developed instrument than before. The best fitting linear regression was also represented by a slope with the2value close to 1. Additionally, the average error of the designed instrument was -1.32%, while the highest accuracy was 98.67%, and the relative error of less than 5% accounted for more than 85% of the total samples. The measured data of the developed instrument was also much larger than that of the tipping-bucket rain gauge under simulated rainfall conditions. The high resolution and sensitivity to light rain were contributed to the increase of effective rainfall rate and total rainfall. Finally, the performance of the developed instrument was verified under field conditions in the Wangdonggou watershed for one consecutive year. It was found that the annual rainfall was 522.80 mm, particularly concentrated from May to September. Correspondingly, the single rainfall ≤5 mm was the predominant contributor in natural precipitation, accounting for 74.11% of the total number of rainfall events, whereas, the single rainfall of >10-25 mm was the most important to total rainfall. Consequently, the self-designed instrument can widely be expected to automatically monitor the large variation of rainfall in most complex fields.

precipitation; sensors; rain gauge; automatic monitoring

展小云，趙軍，稅軍峰，等. 全自動稱重式雨量計的研制及性能分析[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(19)：122-128.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.014 http://www.tcsae.org

Zhan Xiaoyun, Zhao Jun, Shui Junfeng, et al. Development and performance analysis of an automatic weighing rain gauge[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 122-128. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.014 http://www.tcsae.org

2021-06-13

2021-09-15

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA20040202）；國家重點研發(fā)計劃（2017YFA0604803）；黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室重要方向創(chuàng)新項目（A314021403-C3）

展小云，博士，副研究員，研究方向為水土流失過程與水土保持。Email：zhanxiaoyun2005@163.com

稅軍峰，博士，助理研究員，研究方向為科研信息化。Email：jfshui@ms.iswc.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.014

S161; P426

A

1002-6819(2021)-19-0122-07