浅析高精度遥测雨量站技术创新及关键技术

肖雪峰 尹赵南

（湖南南昶水利科技有限公司 长沙市 410007）

1 雨量站现状

近年来，随着传统传感器技术、通信技术及计算技术的猛速发展，雨量仪器朝着自动化、智能化的方向发展。各种集传感器、嵌入式机电等技术应用，雨量器的研制获得了极大的提高，研制出许多优秀的测报终端水文产品。在数据传输方面，由最初的主要依靠有限的网络，发展为多种传输相结合的有效方式。包括电话线（PSTN）、同轴电缆、DDN专线、光缆、无线电波、移动网络、卫星通信等。随着中国3G技术的逐渐应用，中国的水文测报系统逐渐迈向智能化、网络化。

我国是一个洪涝灾害频频发的国家，因此，国家和人民对雨量及气象信息服务，特别是对雨量监测、气象信息为防灾减灾服务的要求越来越高。然而我国实现自动化测报的雨量站点较少，量杯式、虹吸式、翻斗式雨量站使用普遍，其测量范围及计量系统还是存在很多不确定性，不能为防汛抗旱决策提供准确依据，不便实现水雨情测报的自动化、信息化。

2 产品设计

高精度遥测雨量站是湖南南昶水利科技有限公司，在吸取国内外先进技术的基础上，结合国内精密机械加工工艺特点，自主研发并制造的一款国内率先采用微小流量计与数据采集软件匹配组合的水文仪器。可广泛应用于水利、农业、气象、军事、院校等部门，该产品监测雨量信息更加方便、快捷、准确、安全。产品技术先进，操作简便，整机性能稳定、有效、可靠，具有不受地理限制等优点。其系统主要由：数据采集、数据处理、通讯、供电转换模块组成。通过图、文、声、像等方式将采集的雨水情信息实时、直观、快速传送至相关部门。

2.1 硬件制造

基桶外壳、承雨器、漏斗、过漏罩、接雨器、排气导管（阀）、转向管、导流主管、排气阀、导流直管套接、导流直管底座、反向导管、电瓶底座、外窗及其拴环与锁扣、蓄电池、太阳能电池板等组成。所有构件均采用304不锈钢制造。其耐酸、碱、侯、冲击性、韧性强，让高精度遥测雨量站更耐用。刃口45°的承雨口从接收到雨水溢出溢流管之前各套接部位均无溢流、渗水现象，确保了遥测雨量站测量雨量数据的安全、准确、有效；在承雨器中的底部设计立式的条缝式过滤罩、圆底带孔式过滤罩的两次过滤方式，仪器自身采用提高降雨量的雨量势能，其有效将灰尘或者其他杂质控制、排出主控室外；由于仪器调平方式及仪器本身优势，确保仪器安装稳定，即使在大风、大雨的情况下，也能确保仪器采集、接收、储存、发送降雨量数据准确、有效；遥测雨量站管道内壁光滑，口径小，采用半封闭状态相结合的设计理念，从而达到其造成的湿润损失和蒸发损失较小的效果；分界时段雨量产生误差小，产品根据客户要求设定分辨率，确保设计降雨量误差较小，正好到分界时段雨量是上一时段或上一日的量。一体化遥测雨量站记录时间是与网络时间正点调校，其时间的准确性相对稳定。

2.2 数据采集模块

雨量数据采集由排空导管（阀）、微小流量计、采集数据软件组成。排空导管（阀）系统主要依据水的浮力与有效液体的压强和惯性，将导管中空气排尽，使被测直管中雨水总量满足微小流量计计量要求。微小流量计采用：二维设计、三维建模校验、有限元强度分析计算等开发手段，设计质量高、可靠性强的一款适用于雨量采集的计量仪器。其管道中心安装一个小涡轮，两边由轴承支撑。微小流量计的转速是通过机壳外的传感线圈来检测，当流体通过管道时，使得微小流量计管道中小涡轮叶片克服摩擦力矩和流体力矩而产生驱动力矩旋转，当微小流量计的叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中磁通变法。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形。从而转化成与流速成正比的脉冲信号，送入单位转算与流量计算电路得到、并显示累计流量值，同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示得到瞬时流量。在一定的流量范围内，叶片的旋转角速度与雨量流速成正比。由此，雨量流速可通过叶片的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道中雨水的流量值。

2.3 数据处理模块

数据处理模块采用高性能工业级嵌入式处理器。当降雨发生时，遥测雨量站由于雨水流量的变化，影响输出模拟电流信号放大滤波后，经A／D转换至处理器。处理器将电流信号处理成雨量数据信号，定时通过GPRS模块发送至数据中心。在现场可通过按键选择进行时间、参数的设置，并可观测当前降雨量的大小及雨量变化。微处理器片上资源丰富，集成外部存储器的控制器、LCD控制器、3通道UART、2通道SPI接口、USB主机和设备接口、ADC和触摸屏接口、定时器等多种资源。

2.4 通信模块

高精度遥测雨量站系统传输功能主要是通过GPRS网络将雨量数据实时传送至雨量监测中心服务器，服务器通过运行Java程序实现软件解析、并显示GPRS远程传输的实时雨量信息。

3 高精度雨量站工作原理

当下雨时，雨水进入承雨器，雨水经过承雨器中的立式过滤罩后，再经过承雨器底部的导出管套和过滤元件进入接雨器，雨水到达接雨器后，接雨器中雨量逐渐上升，将接雨器中浮球开关的浮球由雨水雨量的上升而逐渐上升，当浮球上升达到遥测雨量站设计测量要求时，浮球将自动发出一个开关信号，开关信号经继电器迅速传达到电磁通断阀，电磁通断阀瞬时打开使雨水经排出管道排放到排气器，接雨器中雨水也瞬时下降，当雨水下降的同时，浮球也随雨水的下降而下降，当浮球下降到遥测雨量站设计测量要求时，浮球将自动发出一个开关信号，开关信号经继电器迅速传达到电磁通断阀，电磁通断阀将瞬时关闭。雨水排出电磁通断阀后进入排气器，排气器的排气管道瞬时将其自身、电磁通断阀和排出管道的中空气排出。雨水满管、无气体流入雨水导管，雨水经雨水导管流入测流导管，雨水进入测流导管后依次通过立式排气器和微小流量计，立式排气器瞬时将其自身、雨水导管、测流导管与带丝直接中的空气排出，雨水满管、无气体流入微小流量计，微小流量计开始迅速采集、计量、累计雨量，将雨量转换成模议数字传输到数据采集器，雨水经过微小流量计计量后，再经微小流量计后侧的测流导管从溢流管溢出，雨水从溢流管溢出完后由导出罩排出至主控室外部，从而微小流量计按照设计计量降雨量要求完成此次降雨量计量。仪器按设定时间间隔自动采集、存贮雨量数据。其存贮的雨量数据通过防水屏蔽通信电缆将雨量数据传输至遥测遥测雨量站的主控室。数据采集器的数据发送导线与设在主控室外的防雷天线连接，将监测的的雨量信息安全、准确、有效地发送、传输到主管部门指定的接收平台。该产品测量范围更广、更精准。技术含量高，通过图、文、声、像等方式将所采集的雨水情信息，实时、直观、快速的展示出来，并对采集到的信息实时监视、报警，为提高水利工程单位、水文部门、气象部门的防汛预警能力和抢险救灾的快速反应能力提供了有效、可靠基础信息。有利于其对于降雨量数据的分析，作出正确、有效、合理的决策方案。

4 技术创新点总结及测试结果

（1）计量系统采用微小流量计。将设计测量误差从±4%减少到±2%，设计降雨强度从4 mm/min提高到12 mm/min，测量误差提高50%。更适应强将雨量监测的应用需求。

（2）采用两次过滤降雨的方式，有效控制雨水中携带的飞尘与杂质，确保微小流量计计量准确、有效。

（3）导管排空系统主要依据水的浮力与有效液体的压强和惯性。将导管中空气排尽，使得被测直管雨水满管经过微小流量计。从而改变传统雨量计出现排空不彻底、空翻、不翻的测量值偏大或偏小现象。计量降雨量精度提高 10倍，重复性和抗干扰能力大大提高。

（4）采集数据软件系统主要采用高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，超大内存，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。

（5）根据雨量计量功能需求，包括信号调理模块，A/D转换模块，处理控制模块及GPRS无线传输模块等。采用S3C2440核心板和扩展板进行电路设计，创建了雨量器的硬件控制平台。

（6）在控制器平台上根据控制系统硬件设计了启动引导程序、LINUX操作系统程序，完成雨量器软件运行平台的构建，其中采集数据软件系统采用的嵌入式处理器超大内存,并内嵌具有自主知识产权的TCP/IP协议栈。

（7）通过对雨量器整体系统功能的分析和设计，运用多线编程和SOCKET网络编程技术，实现了遥测雨量站多项任务与功能的同时执行，包括雨量的实时采集、控制器数据处理与传输、人机交互界面、GPRS拨号上网并与服务器建立连接。

（8）遥测雨量站测试结果显示表明：其消除了量杯式、虹吸式、翻斗式雨量计使用计量时所带来的系统误差。真正实现了降雨量的自动化、科学化的测试，数据传输系统能将所采集的雨水情信息安全有效准确用图、文、像等方式实时、直观、准确、快速地发送到水利、水文、气象等部门指定服务器上。其技术先进，操作简便，整机性能可靠，具有不受地理限制、稳定、有效、可靠等优点。

5 结语

基于目前雨量站的现状，我国水利、水文、气象行业急需高精度雨量站。为国家防汛抗旱、水利工程建设、水资源管理、水环境保护及与水有关的经济建设和社会发展等方面提供相对准确的数据。使其发挥更加重要的作用，提高社会效益和经济效益。本文仅就雨量站中国现状及高精度遥测雨量站作了一些浅析，希望能有益于水利水文事业的推广及应用。

省水利科技项目管理培训班在长沙开班

短 讯

为进一步加强湖南省水利科技项目管理，规范项目经费使用，10月26日，湖南省水利科技项目管理培训班在长沙举办。水利厅机关有关部门、厅直各单位及各市（州）水利（水务）局分管科技、财务工作负责人和重大水利科技项目负责人等共100余人参加了此次培训。

培训班设置了 “湖南水利科技项目管理常见问题解读”、“科技项目资金管理新政改革及实务”两个课程，由厅水利科技项目管理人员及国家科技部财务检查专家分别讲授。培训课程紧扣主题，联系实际，重点解读了省委省政府办公厅2017年出台的完善科技经费管理、激发创新活力的最新政策，对湖南省水利科技项目申报、立项、实施、结题验收过程中遇到的常见问题进行了分析解答。本次培训班的举办，有助于水利科技管理人员及时准确掌握科技创新政策，进一步提高水利科技管理水平。

——转载自《湖南水利网》2017-10-27