杜衍君

(山東省菏澤市氣象局，山東菏澤 274000)

區(qū)域自動(dòng)氣象站雨量傳感器校準(zhǔn)誤差的來(lái)源與處理方法

杜衍君

(山東省菏澤市氣象局，山東菏澤 274000)

從雨量傳感器的結(jié)構(gòu)和原理入手，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)其測(cè)量結(jié)果的誤差分析，找出了誤差來(lái)源，并找到對(duì)其進(jìn)行正確處理的方法。

雨量傳感器;誤差來(lái)源;處理方法

目前區(qū)域自動(dòng)氣象站(以下簡(jiǎn)稱區(qū)域站)降水的測(cè)量大多使用雙翻斗式雨量傳感器，該儀器翻斗部件支承系統(tǒng)制造精良，摩阻力矩小，因而翻斗部件翻轉(zhuǎn)靈敏，性能穩(wěn)定，工作可靠。降水觀測(cè)項(xiàng)目對(duì)預(yù)報(bào)精細(xì)化的準(zhǔn)確與否有著量的定性作用，對(duì)抗旱、防澇服務(wù)起直觀的指導(dǎo)作用，因此雨量傳感器能否準(zhǔn)確地反映降水量，是各氣象臺(tái)站特別重視的問(wèn)題。筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)校的實(shí)際情況，從雨量傳感器的結(jié)構(gòu)和原理入手，根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)誤差產(chǎn)生的原因和解決的方法進(jìn)行了總結(jié)。

1 雨量傳感器及校準(zhǔn)設(shè)備

1.1 雨量傳感器簡(jiǎn)介 雙翻斗式雨量傳感器是用來(lái)連續(xù)采集液體降水量的測(cè)量?jī)x器，采用翻斗式雙穩(wěn)態(tài)稱重結(jié)構(gòu)，該傳感器主要由承水器(口徑為20 cm)、上翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗和干簧管等組成［1］。計(jì)量翻斗部件左、右2個(gè)斗室輪流處于上方的漏斗出水口處，承接雨水，進(jìn)行稱重、計(jì)量。當(dāng)雨水流入一定的數(shù)量，計(jì)量翻斗就翻轉(zhuǎn)一次，雨水流入計(jì)數(shù)翻斗，計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)，同時(shí)計(jì)數(shù)翻斗上面鑲嵌的磁鋼對(duì)干簧管掃描一次，干簧管閉合一次，產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)，送入采集器中的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而測(cè)量出降水量和降水強(qiáng)度。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)設(shè)備和主要技術(shù)指標(biāo)

1.2.1 校準(zhǔn)設(shè)備。主要采用JJS1型雨量傳感器校準(zhǔn)儀，該儀器由計(jì)數(shù)器、雨強(qiáng)漏斗(小雨強(qiáng)1 mm和大雨強(qiáng)4 mm)、連接線、支撐架、雨量杯等組成，校準(zhǔn)時(shí)由雨強(qiáng)漏斗模擬降雨，顯示器進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示，通過(guò)顯示值計(jì)算出差值，可以方便地對(duì)傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，保證測(cè)量準(zhǔn)確。

1.2.2 主要技術(shù)指標(biāo)。依據(jù)JJG(氣象)005-2011自動(dòng)氣站雨量傳感器檢定規(guī)程要求［2］，雨量傳感器的校準(zhǔn)需模擬1和4 mm/min 2種降水強(qiáng)度。每種降水強(qiáng)度分別校準(zhǔn)3次，以被檢雨量傳感器3次測(cè)量值的平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值，得出該雨強(qiáng)下的測(cè)量誤差，最大允差分別為±0.3 mm(降雨量≤10 mm時(shí))、±4%(降雨量＞10 mm時(shí))。

2 雨量傳感器誤差及處理方法

2.1 誤差產(chǎn)生的原因 根據(jù)雨量傳感器的結(jié)構(gòu)原理可以看出，造成設(shè)備超差的原因一般主要有干簧管和機(jī)械原因造成的。

2.1.1 干簧管故障。區(qū)域站雨量測(cè)量是由鑲嵌在計(jì)數(shù)翻斗中磁鋼掃描其下面的干簧管產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次，為0.1 mm的降水量。如果干簧管出現(xiàn)異常，則會(huì)出現(xiàn)開關(guān)信號(hào)偏多、偏少甚至沒有。表現(xiàn)在雨量方面就是測(cè)量出來(lái)的雨量偏大、偏小甚至沒有雨量。

2.1.2 機(jī)械原因。由于雨量傳感器長(zhǎng)期使用會(huì)有傳感器基點(diǎn)偏移現(xiàn)象，致使測(cè)量誤差超過(guò)最大誤差要求;計(jì)量翻斗和計(jì)數(shù)翻斗的翻轉(zhuǎn)失靈會(huì)引起區(qū)域站雨量誤差，造成雨量偏小。根本原因是由于翻斗軸承間距過(guò)大、過(guò)小和翻動(dòng)阻滯感過(guò)大造成的。

2.1.3 維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)。雨量傳感器長(zhǎng)期置于野外，沙塵、昆蟲會(huì)造成雨水通道堵塞，水流不暢，蟲網(wǎng)造成翻斗翻動(dòng)失靈，均會(huì)造成測(cè)量誤差［3］，且雨量值偏小。

2.1.4 上、下翻斗翻動(dòng)不同步。雨量傳感器是通計(jì)數(shù)翻斗翻動(dòng)使干簧管產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，隨著雨強(qiáng)的變化，上、下翻斗岔開的次數(shù)將發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為大雨強(qiáng)偏小、小雨強(qiáng)偏大或小雨強(qiáng)偏小、大雨強(qiáng)偏大，因而產(chǎn)生上、下翻斗同步翻轉(zhuǎn)的計(jì)量誤差。

2.2 處理方法

2.2.1 干簧管引起的誤差處理方法。無(wú)開關(guān)信號(hào)，表現(xiàn)為無(wú)雨量，這是由于干簧管損壞或磁鋼與干簧管間距過(guò)大造成的，磁鋼和干簧管間距0.8～1.5 mm為最佳;出現(xiàn)一側(cè)連擊情況，則因?yàn)楦苫晒芪恢脗?cè)偏，致使另一側(cè)磁鋼對(duì)側(cè)偏的一側(cè)連續(xù)動(dòng)作，則調(diào)整干簧管位置，方法是計(jì)數(shù)翻斗位于水平位置時(shí)磁鋼應(yīng)位于干簧管中間;焊接干簧管時(shí)，干簧管接觸片應(yīng)處于水平。

2.2.2 械原因引起的誤差處理方法。機(jī)械原因引起的測(cè)量誤差的處理方法分2種情況:①對(duì)于基點(diǎn)偏移現(xiàn)象應(yīng)調(diào)整傳感器基點(diǎn)，使測(cè)量誤差在最大誤差范圍內(nèi)。調(diào)整計(jì)量翻斗的容量調(diào)節(jié)螺釘，使測(cè)量誤差(誤差=傳感器實(shí)際排水量－傳感器測(cè)得的降水量)控制在最大允許誤差范圍內(nèi)。測(cè)量雨量偏大時(shí)，應(yīng)增加計(jì)數(shù)翻斗的容量，應(yīng)將容量調(diào)節(jié)螺釘向外調(diào)節(jié);測(cè)量雨量偏小時(shí)，應(yīng)減少計(jì)數(shù)翻斗的容量，應(yīng)將容量調(diào)節(jié)螺釘向內(nèi)調(diào)節(jié);實(shí)踐證明，將2個(gè)定位螺釘中的一個(gè)旋轉(zhuǎn)一圈，其測(cè)量誤差變化3%左右，若同時(shí)將2個(gè)容量調(diào)節(jié)螺釘順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈，其測(cè)量誤差變化6%左右。②如果翻斗是感覺阻滯過(guò)大，應(yīng)調(diào)整上、下翻斗以及計(jì)數(shù)翻斗的靈敏度，一般在上緊各機(jī)械部件時(shí)能左右晃動(dòng)且不易從軸承孔脫落為宜，就能保證其靈敏度;如軸承有阻滯感，正確的做法是用清水清洗翻斗軸頸和寶石軸承孔(寶石軸承切勿加油)。如清洗不見效，則應(yīng)換新。此校準(zhǔn)誤差在處理后如果還有超出最大允差現(xiàn)象，則按第1種情況處理方法繼續(xù)調(diào)整。

2.2.3 維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)引起的測(cè)量誤差的處理方法。用干凈的毛刷徹底清理雨量傳感器上的灰塵、昆蟲及蟲網(wǎng)，然后加入清水試驗(yàn)，確認(rèn)各通道水流是否暢通、各部件是否轉(zhuǎn)動(dòng)正常。若發(fā)現(xiàn)有堵塞則疏通和清理污物。

2.2.4 上、下翻斗同步異常引起的測(cè)量誤差翻斗。對(duì)于上、下翻斗同步異常引起的測(cè)量誤差應(yīng)先檢查上、下翻斗軸承的靈敏度，如果靈敏度較好，則可先用大雨強(qiáng)(4 mm/min)對(duì)傳感器進(jìn)行定量測(cè)試，在大雨強(qiáng)合格后再通過(guò)調(diào)整上翻斗調(diào)整保證在小雨強(qiáng)(1 mm/min)時(shí)上翻斗與計(jì)量翻斗能同步翻轉(zhuǎn)［4］，不出現(xiàn)岔開翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，達(dá)到上、下翻斗同步頻次的一致性。

3 小結(jié)

雨量傳感器的誤差問(wèn)題直接影響降水資料的質(zhì)量，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)，因此分析雨量傳感器測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，并找出適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ǎ畲笙薅鹊靥岣呓邓疁y(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性意義重大。

［1］上海氣象儀器廠.SL3—1型雨量傳感器技術(shù)及使用說(shuō)明書［Z］.上海:上海氣象儀器廠有限公司，2007.

［2］朱樂(lè)坤，沙奕卓，賀曉雷，等.JJG(氣象)005－2011_自動(dòng)氣象站降水傳感器檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［3］朱樂(lè)坤.SL3型翻斗雨量傳感器的維護(hù)與調(diào)校方法［J］.氣象科技，2004(4):300－302.

［4］王展宏.翻斗式雨量計(jì)的誤差分析與改進(jìn)［J］.水利信息化，2012(4):53－55.

The Sources and Effective Solutions to the Calibration Error of Rain Sensors in Regional Autom atic Meteorological Observation Stations

DU Yan-jun (Heze Meteorology Bureau，Heze，Shandong 274000)

Based on the structure and principle of the rain sensor，the paper analyzes the errorsof the calibration results in the field calibration process，and finds error sources and their effective solutions.

Rain sensor;Error sources;Effective solutions

S 163;P412.13

A

0517－6611(2014)15－04580－01

杜衍君(1969－)，男，山東滕州人，工程師，從事氣象設(shè)備的維護(hù)、維修工作。

2014-05-09