王展宏

（浙能蕭山發(fā)電廠，浙江 杭州 311202）

0 引言

目前雨量觀測(cè)儀器中翻斗式雨量計(jì)已逐漸取代傳統(tǒng)的雨量器和虹吸式雨量計(jì)，廣泛應(yīng)用于水文自動(dòng)測(cè)報(bào)與雨量資料收集固態(tài)存貯系統(tǒng)中。翻斗式雨量計(jì)分為翻斗式雨量傳感器和數(shù)據(jù)采集儀 2 部分。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集儀己經(jīng)能夠達(dá)到很高的精度標(biāo)準(zhǔn)，完全能滿足雨量觀測(cè)的要求。翻斗式雨量計(jì)存在的主要問題來自翻斗式雨量傳感器，主要表現(xiàn)在翻斗式雨量傳感器的計(jì)量誤差較大。隨著雨強(qiáng)的變化，計(jì)量誤差隨之變化，同期雨量觀測(cè)資料對(duì)比表明：雨強(qiáng)變化越大，降雨量的測(cè)量誤差也越大。因此，翻斗式雨量計(jì)在使用過程中存在的問題之一是雨強(qiáng)與測(cè)量誤差之間的矛盾。

1 翻斗式雨量計(jì)工作原理

目前，較多使用的是單翻斗雨量傳感器。降水由筒身上部承雨口，進(jìn)入翻斗。翻斗一般由金屬材料制成，支承在軸承上。當(dāng)翻斗內(nèi)水量達(dá)到規(guī)定量時(shí)，翻斗會(huì)因?yàn)樽陨碇亓ψ孕蟹D(zhuǎn)。翻斗下方左右各有 1 個(gè)定位螺釘，調(diào)節(jié)高度，可改變翻斗傾斜角度，即可改變翻斗每一次的翻轉(zhuǎn)量。翻斗上部有磁鋼，在雨量計(jì)固定支架上安裝有高靈敏度的干簧管。在翻斗翻轉(zhuǎn)過程中，磁鋼接近干簧管，隨即離開，使干簧管內(nèi)觸點(diǎn)產(chǎn)生 1 次接觸斷開過程，達(dá)到1 次翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生 1 個(gè)信號(hào)的目的[1]。將翻斗翻轉(zhuǎn)水量調(diào)節(jié)成要求值，如 0.1，0.2，0.5 mm 雨量（在承雨口徑為 200 mm 時(shí)，分別為 3.14，6.28，15.7 mL 水量），則每個(gè)信號(hào)代表0.1，0.2，0.5 mm 降雨，實(shí)現(xiàn)降水遙測(cè)的目的。

2 翻斗式雨量計(jì)誤差產(chǎn)生的原因

翻斗式雨量計(jì)的誤差是通過實(shí)際降水量和儀器實(shí)際排水量比較后得出的，但在使用中，實(shí)際降水量因?yàn)槭艿皆S多環(huán)境因素（比如風(fēng)、地形、高度等）的影響無法準(zhǔn)確認(rèn)定，故以進(jìn)入承雨口的雨量為雨量真值。

2.1 儀器的最大起始誤差 [2]

儀器安裝在野外，在初始干燥的情況下，降雨后雨水先由進(jìn)水口匯集，通過管道，進(jìn)水漏斗，最終進(jìn)入翻斗。在翻斗翻轉(zhuǎn)之前，翻斗內(nèi)的降水，以及進(jìn)水漏斗、管道、儀器集水面等處殘留的水珠和水膜無法在儀器中得到計(jì)量；翻斗翻轉(zhuǎn)以后，翻斗內(nèi)的降水雖然參加了計(jì)量，但殘留的水珠、水膜仍然無法得到反映。翻斗最后一次翻轉(zhuǎn)到降雨停止的這段時(shí)間內(nèi)，殘留在翻斗內(nèi)的水量也無法得到反映，造成儀器系統(tǒng)誤差，即測(cè)量值可能總是小于真值。最大起始誤差可由以下部分組成：

1）濕潤(rùn)誤差。即殘留的水珠和水膜，導(dǎo)致降水并不立即進(jìn)入翻斗計(jì)量 ，產(chǎn)生誤差。濕潤(rùn)誤差值在每次發(fā)生降水時(shí)管道、進(jìn)水漏斗、儀器集水面等處都干燥的情況下才會(huì)比較明顯，且是定值；與雨強(qiáng)和降水量大小無關(guān)，但濕潤(rùn)誤差在每次降水過程中所占比重與降水量的大小有關(guān)。濕潤(rùn)誤差值可以通過實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得。

2）分辨力誤差。由于降水量的不確定性，所以在實(shí)際使用過程中小于儀器分辨力的計(jì)量誤差沒有辦法克服，并且在分辨力范圍內(nèi)呈隨機(jī)分布狀態(tài)，因此一般簡(jiǎn)化處理方法是將殘留在翻斗內(nèi)未計(jì)量的降水導(dǎo)致的誤差直接取為分辨力的最大值，也是一定值。

由于濕潤(rùn)和分辨力誤差均為定值，故儀器的最大起始誤差也為定值，因此可根據(jù)該誤差在某次降雨中所占的比重大小評(píng)定本次降水量的計(jì)量過程和精度是否合乎標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 儀器的翻斗計(jì)量誤差

單翻斗雨量計(jì)比較簡(jiǎn)單，但存在比較明顯的翻轉(zhuǎn)誤差。在翻轉(zhuǎn)的前半部分，即翻斗從開始翻轉(zhuǎn)到翻斗中間隔板越過中心線的 △t 時(shí)間內(nèi)，進(jìn)水漏斗仍向翻斗內(nèi)注水，多計(jì)量的水重量為 △W。降水強(qiáng)度越大，注入的水量也越大，反之越小。這部分在翻轉(zhuǎn)過程中注入但實(shí)際并未得到計(jì)量的水量，產(chǎn)生隨降雨強(qiáng)度不同而變化的計(jì)量誤差，也即動(dòng)態(tài)計(jì)量相對(duì)誤差，為 △W 與雨量計(jì)感量相應(yīng)重量 G 之比。

對(duì)翻斗的計(jì)量誤差，可用雨強(qiáng)—精度關(guān)系圖表示，如圖 1 所示。

儀器調(diào)整時(shí)，可設(shè)置在雨強(qiáng)為 2 mm/min 左右，測(cè)量精度最高，誤差接近于零。從圖 2 可見，當(dāng)雨強(qiáng)較大時(shí)（大于 2 mm/min），翻斗翻轉(zhuǎn)期間注入水量較多，導(dǎo)致儀器自身排水量大于儀器記錄值，測(cè)量精度偏負(fù)；反之當(dāng)雨強(qiáng)很小時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)期間幾乎無降水注入，導(dǎo)致儀器記錄值大于自身排水量，測(cè)量精度偏正。

2.3 儀器的器口尺寸誤差

翻斗式雨量計(jì)的器口直接控制儀器承受雨量的面積，是決定儀器精度的因素之一。根據(jù) JB/T 9458—1999《雨量器技術(shù)條件》[3]規(guī)定，雨量器承水口的直徑為 200 mm。然而，在儀器制造過程中，存在制造誤差，儀器承受雨量的面積與理論面積有差異，造成儀器的器口尺寸誤差。

圖1 單翻斗雨量計(jì)雨強(qiáng)—精度關(guān)系

3 翻斗式雨量計(jì)的改進(jìn)措施

通過分析誤差產(chǎn)生的原因，可有針對(duì)性地采用相應(yīng)措施盡可能減小翻斗式雨量計(jì)的計(jì)量誤差。

3.1 調(diào)整翻斗感量

通過對(duì)翻斗雨量計(jì)的誤差試驗(yàn)研究，可以得到翻斗式雨量計(jì)的誤差與翻斗感量及雨強(qiáng)都存在特定的函數(shù)關(guān)系。如對(duì)于分辨力為 0.1 mm 的翻斗式雨量計(jì)，每翻 1 斗代表降水量 0.1 mm，轉(zhuǎn)換成質(zhì)量表示為3.14 g，在試驗(yàn)中，把翻斗感量調(diào)整到每斗 2.65 g，可使雨強(qiáng)在 2 mm/min 時(shí)，計(jì)量誤差為零。在實(shí)際工作中，可根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤昵闆r，調(diào)整翻斗感量，使其在經(jīng)常出現(xiàn)的雨強(qiáng)范圍內(nèi)，計(jì)量誤差盡可能小。但這種改正措施在實(shí)際操作時(shí)是很困難的，翻斗感量與對(duì)應(yīng)的傾角關(guān)系非常復(fù)雜，只有不斷地調(diào)整，使翻斗感量達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)，如果調(diào)整不好，翻斗感量出現(xiàn)誤差，還是不能達(dá)到較小計(jì)量誤差的目的。

3.2 減小翻斗傾角

減小翻斗部件安裝角也即減小 2 斗室計(jì)量轉(zhuǎn)換的路程，從而縮短翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)間 △t，減小計(jì)量中的增量 △W，使翻斗動(dòng)態(tài)計(jì)量相對(duì)誤差減小。實(shí)驗(yàn)表明，這種方法是可行的。但傾斜角不宜過小，否則儀器將不穩(wěn)定。

3.3 縮短 2 斗室轉(zhuǎn)換時(shí)間 △t [4]

翻斗部件的運(yùn)動(dòng)方程式可以表示為

式中：M 為上斗室雨水的翻轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；J 為翻斗部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω 為翻斗部件翻轉(zhuǎn)角速度；t 為翻斗部件翻轉(zhuǎn)時(shí)間。

由式 (1) 可見，對(duì)某一感量?jī)x器，當(dāng) M 為一定時(shí)，J 越小，角加速度 △ω/△t 越大，則可縮短 2 斗室計(jì)量轉(zhuǎn)換時(shí)間 △t，達(dá)到減少動(dòng)態(tài)計(jì)量相對(duì)誤差的目的。

鎂鋁合金是用鎂錠和鋁錠在保護(hù)氣體中高溫熔融而成的，在同樣強(qiáng)度下，鎂鋁合金的部件能做得比塑料的部件薄而且輕。鎂鋁合金機(jī)械加工性能好，切削阻力小。所以，若是將鎂鋁合金作為翻斗材料，則翻斗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)大大減小，△t 將會(huì)大大縮短。

3.4 增大翻斗式雨量計(jì)的承雨口面積

為了減小儀器的濕潤(rùn)誤差，在儀器制作時(shí)一般會(huì)故意使儀器承雨口尺寸略微偏大，從而提高儀器整體測(cè)量精度。除了減小濕潤(rùn)誤差以外，增大承雨口面積，可增大每斗水的重量，從而減小翻斗動(dòng)態(tài)計(jì)量相對(duì)誤差，這也是提高儀器測(cè)量精度最簡(jiǎn)捷的方法。目前許多國(guó)家除采用標(biāo)準(zhǔn)承雨口（直徑為 20.00 cm）外，承雨口直徑還有 20.30，28.73 和 30.48 cm。

3.5 安裝閥門消減器差裝置

在進(jìn)水漏斗處安裝 1 個(gè)靈巧的微型閥門，用翻斗本身機(jī)械力控制閥門，只有當(dāng)翻斗部件中 1 個(gè)空斗室處于漏斗嘴下方時(shí)，閥門才被打開，使雨水注入斗室。而在 2 個(gè)斗室輪換計(jì)量的 △t 間隙時(shí)間內(nèi)，閥門是被關(guān)閉的，因而這部分的雨水將流入另一斗室，這樣可解決單翻斗計(jì)量中由于雨強(qiáng)不同而產(chǎn)生的器差問題。經(jīng)過改進(jìn)后的翻轉(zhuǎn)翻斗結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。

圖2 經(jīng)過改進(jìn)后的翻轉(zhuǎn)翻斗結(jié)構(gòu)示意圖

3.6 表面噴涂特氟龍

特氟龍即聚四氟乙烯，一般稱作“不粘涂層”或“易潔鑊物料”。這種材料具有抗酸抗堿、各種有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，幾乎不溶于所有的溶劑；同時(shí)，具有耐高溫、摩擦系數(shù)極低等特點(diǎn)，所以作潤(rùn)滑作用之余，亦成為易潔鑊和水管內(nèi)層的理想涂料。因?yàn)樘胤堄胁徽承?、低摩擦系?shù)、不濕性、耐高溫、耐化學(xué)性、低溫穩(wěn)定性等特性，所以，翻斗式雨量計(jì)的管道、進(jìn)水漏斗、儀器集水面、計(jì)量翻斗的表面經(jīng)過噴涂特氟龍?zhí)幚砗?，能在最大程度上消除濕?rùn)誤差。

3.7 通過軟件改正

翻斗式雨量傳感器一般均配置有顯示、記錄、傳輸、存貯裝置，該裝置是 1 個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。由于翻斗計(jì)量誤差與降雨強(qiáng)度間具有一定的相關(guān)關(guān)系，故可利用測(cè)量翻斗翻轉(zhuǎn)的時(shí)間間隔，推算出當(dāng)時(shí)的降雨強(qiáng)度，從而對(duì)翻斗的計(jì)量精度進(jìn)行修正。對(duì)成批生產(chǎn)、工藝生產(chǎn)質(zhì)量具有充分保證的傳感器，計(jì)量誤差與雨強(qiáng)間的關(guān)系，可固定為某條曲線，植入系統(tǒng)軟件內(nèi)，對(duì)翻斗計(jì)量誤差進(jìn)行改正。實(shí)踐證明，通過軟件改正，能較有效地提高單翻斗雨量傳感器的測(cè)量精度。

4 結(jié)語

精確的降水測(cè)量是水資源利用、災(zāi)害預(yù)警和環(huán)境評(píng)估等多方面的重要組成部分，高質(zhì)量的降水資料可以為水文預(yù)報(bào)、計(jì)算、分析提供可靠依據(jù)，所以雨量傳感器存在的誤差問題直接影響降水資料的質(zhì)量。因此在使用中，應(yīng)根據(jù)不同地域降水的不同，分析誤差產(chǎn)生的原因，提出可行的改進(jìn)措施，不斷提高翻斗式雨量計(jì)的測(cè)量精度。但是實(shí)際使用過程中雨量計(jì)的使用環(huán)境、儀器的調(diào)校和維護(hù)，以及數(shù)據(jù)采集儀的可靠性等方面的問題還需要進(jìn)一步探討。

[1]黃亮. JDZ05 型翻斗式雨量傳感器的實(shí)際應(yīng)用[J]. 水利水文自動(dòng)化，2004 (4): 40-42.

[2]姚永熙. 水文儀器及水利水文自動(dòng)化[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2001: 53-54.

[3]長(zhǎng)春氣象儀器研究所，上海氣象儀器廠. JB/T9458-1999雨量器技術(shù)條件. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999: 3.

[4]楊漢塘. 翻斗雨量計(jì)動(dòng)態(tài)計(jì)量系統(tǒng)誤差來源及其改善措施[J]. 水利水文自動(dòng)化，2001 (4): 20-25.