基于舵機的雙桶自動排水稱重式遙測雨量計研制及在莊河地區(qū)的應(yīng)用

(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(cè)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(fēng)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(nèi)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(wù)的復(fù)雜性和嚴(yán)峻性。

2 雨量計介紹

2.1 組成結(jié)構(gòu)

本次雨量計設(shè)計主要組成部分有雨量筒、太陽能基板、蓄電池等。雨量筒內(nèi)部構(gòu)造為本次設(shè)計核心部分，包括漏斗、舵機、導(dǎo)流槽、儲水桶、排水管、電磁閥、稱重托盤、稱重傳感器、數(shù)據(jù)采集箱等部件[1]，具體組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 雨量筒內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計圖

2.1.1 舵機說明

舵機是一種位置(角度)伺服的驅(qū)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(zhuǎn)動角度，控制板根據(jù)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(zhǔn)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(zhuǎn)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(nèi)，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(zhuǎn)角度及停留時間，完全符合本次研發(fā)的雨量計標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集箱是該設(shè)備的核心終端，負(fù)責(zé)控制傳輸指令，整套設(shè)備的大腦單片機就藏身于此。箱內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集箱內(nèi)部構(gòu)造設(shè)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(nèi)的漏斗下連進水管，進水管伸到導(dǎo)流槽上方，導(dǎo)流槽和舵機共用1個軸心，固定在雨量筒內(nèi)，目的是使舵機可以帶動導(dǎo)流槽，控制其左右傾斜，使雨水可以進入相應(yīng)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(cè)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(fù)責(zé)控制排水。

正常運行時從雨量筒收集到的雨水經(jīng)漏斗、進水管、導(dǎo)流槽進入一側(cè)儲水桶內(nèi)，由稱重傳感器稱出重量，數(shù)據(jù)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(dāng)一側(cè)儲水桶水位達到預(yù)設(shè)警戒水位時，舵機得到數(shù)據(jù)采集箱指令帶動導(dǎo)流槽翻向另一側(cè)，切換到另一側(cè)儲水桶進行測量，同時，將達到警戒水位一側(cè)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(jié)束后，采集的雨量數(shù)據(jù)會分別存儲到Arduino 微控制器內(nèi)部的EEPROM芯片內(nèi)和存儲模塊中的SD卡內(nèi)，EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)是可供短信遠程調(diào)取的短期數(shù)據(jù)，SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)是可以通過計算機讀取的長期詳細(xì)數(shù)據(jù)。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?shù)诫娔X、手機平臺，供用戶使用[4]。

2.2.2 供電原理

本次設(shè)計的雨量計可用市電做電源，也可用太陽能做電源。當(dāng)采用太陽能供電方式時，12V的蓄電池對其整個設(shè)備供電，太陽能基板負(fù)責(zé)對其充電，這樣可以有穩(wěn)定的電源輸出。蓄電池通過導(dǎo)線接入到數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換模塊等供電。

3 數(shù)據(jù)對比分析

分別對安裝該雨量計的14站數(shù)據(jù)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(zhǔn)，分別將翻斗式雨量計和本次設(shè)計的稱重式雨量計與之比較，結(jié)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(shè)計的基于舵機的雙桶自動排水稱重式遙測雨量計降雨數(shù)據(jù)無論是場次降雨還是全年降雨統(tǒng)計都和人工數(shù)據(jù)十分接近，誤差均在3%以內(nèi)，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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 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(shù)據(jù)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(shè)計、系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)确矫孀鲞M一步提升研究。?