高寒地区降雪量监测仪器的研制和应用

陈杰中，韦 冬，吴宁声，张 亚

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

高寒地区降雪量监测仪器的研制和应用

陈杰中1,2，韦 冬2,3，吴宁声2,3，张 亚2,3

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

根据高寒地区自然环境的特点，在第 1 代 JEZ 系列雨雪量计基础上，研制一种适用于高寒地区的降雪量监测仪器。通过对加热、软件控制及供电方式的优化设计，仪器达到在 -40℃ 环境温度下稳定可靠工作的设计要求。仪器在甘肃省部分站点推广应用，通过试验数据分析，测量精度和融雪时间均达到水文规范要求，为在高寒地区替代人工监测降雪量提供技术支撑。

高寒地区；雨雪量；监测仪器；融雪加热膜；温度传感器；雨雪感应器

0 引言

我国幅员辽阔，气候复杂多变，一半以上的地区每到冬季都会降雪，降雪量作为水文监测要素之一，长期以来多以人工观测为主，自动观测的仪器目前大都是进口。由于进口仪器价格普遍较高，如果要在国内大量推广，需要花费较多资金，因此，研制国产降雪量监测仪器是十分必要的。2011 年，开始开展降雪量监测仪器的研究；2012 年，第 1 代JEZ 系列雨雪量计研制成功 ，同年获得全国工业产品生产许可证。

自 2012 年开始，JEZ 系列雨雪量计在青海、甘肃等省的中小河流项目中已有部分应用，同时在山东、河南、新疆等地也陆续开始试用。根据各地用户的应用反馈情况看，仪器的测量精度能满足水文测验规范的要求，是值得推广的一种新型仪器。

然而，第 1 代 JEZ 系列雨雪量计只能在温度不低于 -25℃ 的环境测量降雪量，对于温度低于 -25℃的高寒地区，第 1 代 JEZ 系列雨雪量计已不能满足监测需要。因此应进一步提高 JEZ 系列雨雪量计在高寒地区的工作性能，使之能够满足高寒地区降雪量监测的需求。

1 仪器结构设计

第 1 代 JEZ 系列雨雪量计是在 JDZ 系列翻斗式雨量计基础上，加上保温及融雪控制单元、温度传感器、雨雪感应器、加热膜及过流保护装置等构成的，基本工作原理是将雪融化成水后再经翻斗计量雪水当量，融雪过程是由控制单元和雨雪感应装置相互配合完成的。

适用于高寒地区的雨雪量计（以下简称高寒型雨雪量计）外型结构和第 1 代产品类似，不同之处在于在硬件部分增加了 1 个温度传感器监测承雨筒温度，使承雨筒加热更及时；另外软件控制上也比第 1 代产品更加合理。

高寒型雨雪量计主要由双层外筒、承雨筒、阻燃保温材料、翻斗部件、融雪和环境加热膜、温度传感器、底座及控制装置等部件组成，总体结构如图 1 所示。

高寒型雨雪量计是在第 1 代雨雪量计基础上增加 2 片加热膜和控制装置构成的。因结构设计使用需要，外筒设计成除承雨口直径是 Φ200 mm 外，下面部分直径都是 Φ320 mm，这样设计的目的主要是从仪器运行可靠性考虑的。底座设计成大容量，主要是考虑如果出现持续性强降雪，融化的雪水在排到底座外时，由于底座外温度和周围环境温度是一致的，因此在高寒地区排出的水很快会凝结成冰，如果冰持续堆高，就可能顶住翻斗，造成翻斗无法计量。底座内部空间设计成大容量，即使雪水再次凝结成冰也不会顶住翻斗。目前底座的容量可以容纳 1 000 mm 降雪融化后的雪水凝成的冰。

图 1 仪器结构图

1.1 加热膜

融雪是通过加热实现的，因此加热膜的选择尤其重要，既要效率高，又要有较好的阻燃性，防止万一失控造成持续加热引起自燃。经过对各种加热膜的试验，最终选用聚酰亚胺加热薄膜。该加热膜以聚酰亚胺为外绝缘体，以金属箔、丝为内导电发热体，经高温高压热合而成。加热器具有优异的绝缘强度、优异的抗电强度和热传导效率、较小的热惯量及良好的阻抗稳定性。

仪器内部共有 2 片加热膜，一片位于承雨器底部，用于融化聚集在承雨器内的雪，称为融雪加热膜；另一片位于仪器筒身内侧，通过加热保持筒内具有一定的温度，防止内部结冰，称为环境加热膜。

1.2 温度传感器

温度传感器是用来测量高寒雨雪量计筒内和承雨筒融雪的温度的，选用的 DS18B20 数字温度传感器具有独特的单线接口，与微处理器连接时仅用 1 条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。封装后只有 3 个引脚，可适用于不同场合，且耐磨，耐碰，体积小，使用非常方便。

高寒型雨雪量计安装了 2 支温度传感器，一支安装在仪器内筒靠近翻斗的位置，用于感应筒内的环境温度；另一只安装在承雨筒底部，用于感应承雨筒底部温度。由于承雨筒贴有加热膜，因此采用乐泰 587 胶固定温度传感器，该款胶耐油和高温，温度范围在 -54～270℃。温度传感器为整个仪器的重要部件，温度、精度和可靠性是保证仪器正常运行的保障。

1.3 雨雪感应器

雨雪感应器是用来监测外界是否有降雨或降雪的装置，当雨雪感应器感应到外界有降雨或降雪后，感应信号输入到控制单元，控制单元再根据温度传感器反馈的筒内环境温度确定承雨器加热膜（融雪加热膜）是否需要工作。这样设计具有以下优点：当雨雪感应器没有信号输出时融雪加热膜是不会工作的，可以节能；可延长融雪加热膜的使用寿命。由于融雪加热膜只在有降水且温度较低时工作，因此全年大部分时间融雪加热膜都是不工作的，可达到延长融雪加热膜使用寿命的目的。雨雪感应器采用用栅形电极感应外界雨雪情况，反应灵敏，3 s 内即可输出雨雪信号。当雨雪停止后，覆盖在装置表面的雨雪会被自动烘干，一般 15 min 即可将表面烘干，烘干后即可监测下一次雨雪降落过程。

雨雪感应器具有以下主要特点：精度高，输入线电阻高，稳定性好；体积小，安装方便；传输距离长，抗干扰性强；密封性好。

1.4 控制装置

控制装置是整个仪器的核心部分，主要控制加热膜的工作状态，实现对高寒型雨雪量计筒内环境温度的保持和融雪过程的科学控制。控制装置以AT89S52 单片机为核心，AT89S52 是一种低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8 kB 在系统可编程 Flash 存储器，使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统编程，亦适用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用[2]。

控制装置能根据仪器内部的环境温度自动控制仪器的工作方式：

1）非冬季时，由于温度传感器检测到仪器内部的环境温度较高（一般设定为高于 5℃），此时即便雨雪感应器检测到有降水，控制装置也不会启动融雪和环境加热膜，因为此时的降水基本都是液态的，即使有可能是冰雹，也会很快因自然环境温度较高而自行融化为水。因此非冬季时，该仪器的环境和融雪加热膜都不工作，这时的高寒型雨雪量计实际上就是一台翻斗式雨量计。

2）冬季到来时，在温度传感器检测到高寒型雨雪量计内部环境温度低于设定温度时（一般设定为低于 3℃），仪器将进入保温模式，此时无论是否有降雪，环境加热膜都将工作，环境加热膜工作后可将仪器内部环境温度始终控制在 3～5℃ 范围内，目的是不让降雪时融化的雪水在翻斗内重新结冰。环境加热膜的工作方式为间断工作方式，完全由单片机进行控制。当出现降水时，降水落在雨雪感应器表面，控制装置收到感应器信号，会启动定时检测程序；控制装置内部装有记录时间的数码管，在检测到有降水信号 1 h 后，环境和融雪加热膜将在单片机的控制下进入融雪工作模式，融雪加热膜的加热温度由安装在承雨筒底部的温度传感器控制。控制装置的总体结构示意图如图 2 所示。

图 2 控制装置结构示意图

1.5 电源及保温设计

第 1 代 JEZ 系列雨雪量计可以使用 2 种供电模式：一种是 12 V150 A·h 蓄电池外加 200 W 太阳能电池板浮充蓄能；另一种是将 220 V 交流电通过电源适配器转换为 12 V 直流电后给仪器供电。高寒地区这 2 种供电方式均不适用，高寒型雨雪量计如果采用交流 220 V 供电，只适于安装在有人值守的大中型水文站里，由于该仪器应用于高寒地区，气候环境恶劣，采用交流供电条件受限。在高寒地区使用普通的铅酸蓄电池，蓄电池性能会受到很大影响。因此，为了不影响仪器的推广应用，通过不断的优化设计，降低能耗，采用耐低温的卷绕电池供电加上太阳能电池板浮充蓄能的办法使仪器能全天候工作。卷绕电池引进国外的高端特有低温配方，内部无游离电解液，同时达到 3 倍于普通电池的电极表面积，从而在很大程度上降低了电池内阻，即使在-55～65℃ 情况下工作也能正常充放电。实践证明目前卷绕电池加太阳能电池板蓄能的供电方法是最佳供电方案。

仪器配备 2 节 80 A·h 耐低温电池，安置于户外电源箱内；安装 200 W 太阳能板，通过日照蓄能。通过试验和理论测算，在无蓄能的情况下，仪器可以持续工作 48 h 以上。

为降低能源消耗，提高体积热指标系数，在雨量筒外包裹 1 层厚度为 20 mm 的聚氯乙烯泡沫塑料用于保温，外面再用不锈钢筒保护使之不易老化。

1.6 主要技术指标

2）分辨力为 0.1，0.2，0.5，1.0 mm。

3）降水强度测量范围。分辨力为 0.2，0.5，1.0 mm时，降雨强度 ≤ 4 mm/min；分辨力为 0.1 mm 雪水当量时，降雪强度 ≤ 10 mm/h。

4）测量误差。在降水强度测量范围内，测量误差 ≤ ± 4%。

5）温度传感器误差为 ± 1℃。

6）融雪方式为电加热。

7）加热供电方式为 DC 12 V。

8）工作环境。温度 -40～＋50℃；相对湿度 ≤95%。

2 软件设计

软件部分采用模块化编程设计思想，采用 C 语言编程，开发环境是 Keil uVision2。Keil uVision2 是单片机应用开发软件，支持众多不同公司的 MCS-51架构芯片，同时集编辑、编译、仿真等功能与一体，还支持 PLM、汇编和 C 语言程序设计[3]。

软件主要由主程序、温度采集和继电器控制等几部分程序组成，主程序流程如图 3 所示。

3 应用分析和前景

高寒型雨雪量计在甘肃省境内选择 5 个站点作为试点。临洮水文局碌曲水文站为试点水文站之一，碌曲水文站位于甘肃省甘南藏族自治州，东经102° 28′，北纬 34° 36′，青藏高原东边缘，海拔3 510 m，符合高寒地区特征。2015 年底选用 0.2 mm分辨力的高寒型雨雪量计安装在水文站的雨量观测场内，在仪器旁边安装 1 个内置量杯的雨量采集器，用于与采集数据进行对比。

高寒型雨雪量计遥测数据与人工实测数据对比结果如表 1 所示，总量分析如表 2 所示。

从 2015 年 10 月至 2016 年 3 月的降雪数据对比看出，人工实测数据和雨雪量计遥测数据相比，符合设计精度要求。仪器配套 2 节 80 A·h 卷绕电池，通过测试，在无蓄能的情况下可正常工作 48 h。在试点站使用了该款仪器后，改变了原先落后的观测手段，经过一段时间的运行，通过数据对比分析，人工实测数据略微大于雨雪量计数据，说明雨雪量计在加热过程中雪水有少量蒸发，属于正常现象。

高寒型雨雪量计可以实现高寒地区全天候监测降雪量，能够为降雪量观测提供及时、准确的数据，为在高原、高寒地区水文监测的自动化提供很好的技术支撑。

图 3 主程序流程图

表 1 雨雪量计降水数据与人工实测数据对比表 mm

表 2 总量分析表

4 结语

国内使用的雨量计都需要配合周边设施才能得到有效的雨量数据，针对国内高寒地区用户的需求，高寒型雨雪量计在第 1 代 JEZ 系列雨雪量计基础上，通过改进融雪加热、供电方式及结构工艺，性能和可靠性有了较大提升。同时仪器管理、使用、维护方便，大大减轻了水文监测人员的工作量，也有效确保了水文测验精度要求。高寒型雨雪量计具备观测液态及固态降水的能力，可普遍用于高海拔、高寒等恶劣地区，能及时将雨情、雪情数据传输至中心站，有力保障了水文、气象系统对环境检测的需要。

[1] 姚永熙. 水文仪器与水利水文自动化[M]. 南京：河海大学出版社，2001: 59-65.

[2] 张迎新. 单片机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2004: 11-30.

[3] 汤竞南，沈国琴. 51 单片机 C 语言开发与实例[M]. 北京：人民邮电出版社，2008: 61-65.

[4] 丁镇生. 电子电路设计与应用手册[M]. 北京：电子工业出版社，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

陈杰中（1980-），男，江苏南京人，本科，主要从事智能仪器仪表产品开发工作。