周繼先,聶 云,孫啶棚,袁 慶,何 博

(1.貴州省銅仁市氣象局 貴州 銅仁 554300;2.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563000；3.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100)

0 引言

近年來，由降水誘發(fā)的氣象災(zāi)害給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p失，因此準(zhǔn)確有效地監(jiān)測(cè)降水情況具有重要意義[1]。根據(jù)中國氣象局統(tǒng)一部署，2020年4月1日起全國所有國家級(jí)地面氣象觀測(cè)站雨量監(jiān)測(cè)進(jìn)入自動(dòng)化。當(dāng)前，SL3-1型雙翻斗雨量傳感器是應(yīng)用最廣泛的雨量監(jiān)測(cè)儀[2]，為保證雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)具有代表性和準(zhǔn)確性，對(duì)SL3-1型雙翻斗式雨量傳感器的常見故障處理和日常維護(hù)顯得很重要[3-8]。本文結(jié)合實(shí)際工作，總結(jié)SL3-1型雙翻斗雨量傳感器在日常業(yè)務(wù)中常見故障處理、校準(zhǔn)過程中注意事項(xiàng)和誤差調(diào)節(jié)等方法，供同行借鑒和參考。

1 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為：承水器(內(nèi)含過濾網(wǎng)和防堵罩)，其下依次為進(jìn)水漏斗、上翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗，干簧管位于安裝板上靠近計(jì)數(shù)翻斗一側(cè)，調(diào)整螺釘用于調(diào)節(jié)翻斗容量。其工作原理為：雨水經(jīng)承水口匯集流入上翻斗，不同強(qiáng)度的自然降水匯聚到上翻斗形成近似固定量，可使得流入計(jì)量翻斗降水流速基本保持為大降水強(qiáng)度的水流速度，這樣傳感器對(duì)不同強(qiáng)度降水都具有一致的靈敏度[9-11]。降水流經(jīng)匯集漏斗后，進(jìn)入計(jì)量翻斗，當(dāng)計(jì)量翻斗降水量達(dá)到0.1 mm，降水傾倒入計(jì)數(shù)翻斗，計(jì)數(shù)翻斗中部有一塊磁鋼，磁鋼上部裝有干簧管開關(guān)，計(jì)數(shù)翻斗翻動(dòng)1次，磁鋼對(duì)干簧管掃描1次，干簧管開關(guān)閉合1次，0.1 mm降水記錄計(jì)入相應(yīng)采集計(jì)數(shù)系統(tǒng)。

2 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器常見故障處理

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器因常年置于野外，即使定期開展維護(hù)，傳感器水流通道堵塞、感應(yīng)元件敏感度下降及內(nèi)部部件損壞等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。現(xiàn)結(jié)合工作實(shí)際，將雨量傳感器常見故障分為以下3類。

2.1 有降水現(xiàn)象無降水記錄類故障

此類故障表現(xiàn)為有降水現(xiàn)象且降水量達(dá)到一定量，但采集器未采集到降水記錄。出現(xiàn)此類故障，首先對(duì)雨量傳感器水道進(jìn)行檢查，承水器的過濾網(wǎng)、匯集漏斗的節(jié)流管和各漏斗出水孔等是否被昆蟲、鳥糞、沙塵、樹葉等雜物堵塞，致使降水無法正常流入計(jì)量翻斗或計(jì)數(shù)翻斗。其次檢查各翻斗的翻轉(zhuǎn)靈活性，不能有任何阻滯。然后檢查干簧管、磁鋼磁性是否正常，撥動(dòng)計(jì)數(shù)翻斗，觀察干簧管是否導(dǎo)通且產(chǎn)生脈沖信號(hào)，干簧管由有機(jī)玻璃外殼包裹，在使用過程中極易老化造成干簧管玻璃體斷裂無法計(jì)數(shù)；最后檢查雨量信號(hào)線，雨量輸出信號(hào)線是二芯電纜信號(hào)線，電纜一端通過雨量傳感器底座孔內(nèi)穿出打結(jié)后與傳感器接線柱相連，用螺帽鎖緊，另一端經(jīng)防雷板后接入主采集器。檢查雨量電纜信號(hào)線是否斷路，可將二芯電纜信號(hào)線兩頭接到一個(gè)接線柱上，萬用表通斷檔測(cè)量主采集器雨量端口，如萬用表不能發(fā)出蜂鳴聲音，表明雨量線斷路。按照以上步驟，如不能將故障排除，則只能更換主采集器。具體流程見圖1。

圖1 有降水現(xiàn)象無降水記錄故障排除方法Fig.1 The troubleshooting method of precipitation phenomenon without precipitation record

2.2 無降水天氣現(xiàn)象但有降水記錄類故障

此類故障表現(xiàn)為實(shí)際未產(chǎn)生降水，但采集器采集到降水記錄。分析表明雨量傳感器產(chǎn)生了導(dǎo)通脈沖，先檢查是否有昆蟲等異物活動(dòng)觸動(dòng)計(jì)數(shù)翻斗、干簧管是否因損壞、雨量傳感器二芯電纜信號(hào)線是否因短路這3種原因而產(chǎn)生導(dǎo)通脈沖信號(hào)，最后檢查主采集器通道是否正常。

2.3 降水記錄偏多(或偏少)類故障

此類故障可分為有規(guī)則偏多(或偏少)計(jì)數(shù)類和無規(guī)則偏多(或偏少)計(jì)數(shù)類故障。該故障表現(xiàn)為有降水現(xiàn)象發(fā)生且采集到降水記錄，但接收到的降水記錄偏大(或偏小)，多與雨量傳感器各部件受野外環(huán)境影響部件老化或者異物影響導(dǎo)致準(zhǔn)確率下降有關(guān)。

2.3.1 有規(guī)則偏多(或偏少)記數(shù)類故障 此類故障表現(xiàn)為有降水現(xiàn)象但降水記錄記數(shù)有規(guī)則偏多(或偏少)。如在2019年思南縣張家寨六要素自動(dòng)站雨量傳感器年度校準(zhǔn)過程中，維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)倒入標(biāo)準(zhǔn)雨量10 mm，多次采集記數(shù)均為14.2 mm左右，均遠(yuǎn)超過允許誤差±0.4 mm范圍。

分析原因：主采集器、二芯電纜信號(hào)線、防雷板及雨量傳感器自身故障都有可能造成數(shù)據(jù)異常。在檢查過程中，更換新雨量傳感器進(jìn)行測(cè)試，雨量數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，可確定此故障由雨量傳感器本身造成。對(duì)計(jì)量翻斗調(diào)整螺釘進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)計(jì)量翻斗容積已經(jīng)調(diào)整為最大(調(diào)整計(jì)量翻斗調(diào)節(jié)螺釘可小范圍改變雨量記錄)，因此可判斷此故障并非為計(jì)量翻斗調(diào)整不當(dāng)引起。正常情況下計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)1次，產(chǎn)生1個(gè)導(dǎo)通脈沖信號(hào)，采集記錄0.1 mm雨量。而在多次反復(fù)測(cè)試中觀察到，雨量校準(zhǔn)儀出現(xiàn)計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)1次記錄0.2 mm雨量記錄的現(xiàn)象，故可判斷此現(xiàn)象是造成雨量記錄偏大的原因，認(rèn)真觀察計(jì)數(shù)翻斗、干簧管和磁鋼之間的相對(duì)位置，發(fā)現(xiàn)干簧管與磁鋼相對(duì)距離太近，正常距離為2 mm左右[12]。磁鋼和干簧管開關(guān)距離偏小時(shí)，計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)慣性反彈，導(dǎo)致多發(fā)出1個(gè)脈沖信號(hào)。

故障排除：松開干簧管鎖定螺母，調(diào)整干簧管和磁鋼的相對(duì)距離為2 mm左右，采集器不再出現(xiàn)計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)1次記錄0.2 mm雨量的現(xiàn)象，故障排除。

2.3.2 無規(guī)則偏多(或偏少)記數(shù)類故障 此類故障表現(xiàn)為有降水現(xiàn)象但降水記錄記數(shù)無規(guī)則偏多(或偏少)。如在2018年思南縣大壩場(chǎng)六要素自動(dòng)站年度校準(zhǔn)過程中，維護(hù)人員觀察到雨量校準(zhǔn)儀多次記錄雨量值不一樣且記錄均偏大，10 mm雨量誤差記錄(1～3 mm之間)，超出允許誤差±0.4 mm范圍，通常情況誤差偏大值在一定小范圍內(nèi)波動(dòng)，出現(xiàn)校準(zhǔn)誤差忽大忽小的情況少有遇到。

分析原因：按照檢查程序，排除了采集器、二芯電纜信號(hào)線、防雷板等原因，確定為雨量傳感器故障；檢查傳感器干簧管開關(guān)，性能正常；微調(diào)雨量傳感器容量調(diào)節(jié)螺釘，故障未消失；反復(fù)觀察雨量校準(zhǔn)儀計(jì)數(shù)，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)1次，出現(xiàn)0.2 mm雨量記錄現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，且無規(guī)律可尋。為了查找具體原因，維護(hù)人員趴在地上認(rèn)真觀察磁鋼掃描干簧管動(dòng)作過程，發(fā)現(xiàn)一尖狀金屬異物附在磁鋼上，長度大約為2～3 mm，由此推斷此金屬屑可能為造成誤差的原因。

故障處理：清理磁鋼表面尖狀金屬異物后測(cè)試，雨量校準(zhǔn)儀計(jì)數(shù)恢復(fù)正常，故障排除。計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼上吸附的金屬異物位置和狀態(tài)不斷發(fā)生改變，有時(shí)在計(jì)數(shù)翻斗慣性反彈時(shí)導(dǎo)致干簧管與磁鋼距離拉近使得干簧管開關(guān)閉合，出現(xiàn)計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次干簧管產(chǎn)生兩個(gè)導(dǎo)通脈沖信號(hào)，從而使得雨量記錄偏大且不規(guī)律。

綜合分析：以上兩個(gè)例子僅作為參考，導(dǎo)致有降水記錄但采集降水記錄偏大(或偏小)類故障的原因很多。出現(xiàn)此類故障，首先按照檢查程序，依次檢查采集器、二芯傳輸電纜、防雷板和雨量傳感器，確定故障部件，找出故障部位進(jìn)行處理。

3 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器誤差調(diào)節(jié)

對(duì)SL3-1型雙翻斗雨量傳感器進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)，首先要對(duì)雨量傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確定誤差數(shù)值后，根據(jù)誤差結(jié)果進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)。

3.1 校準(zhǔn)

在對(duì)SL3-1型雙翻斗雨量傳感器校準(zhǔn)前需進(jìn)行檢查，保證水道通暢，翻斗翻轉(zhuǎn)靈活，干簧管能正常輸出脈沖信號(hào)及雨量傳感器處于水平狀態(tài)。SL3-1型雙翻斗雨量傳感器的校準(zhǔn)可采用JJS2型雨量校準(zhǔn)儀器，降水強(qiáng)度調(diào)節(jié)可通過旋轉(zhuǎn)JJS2型雨量校準(zhǔn)儀雨強(qiáng)控制按鈕，大雨強(qiáng)降水強(qiáng)度設(shè)置為4 mm·min-1，小雨強(qiáng)降水強(qiáng)度設(shè)置為1 mm·min-1[13]。常用的校準(zhǔn)方法是向雨量校準(zhǔn)儀倒入10 mm標(biāo)準(zhǔn)雨量，經(jīng)校準(zhǔn)儀流入雨量傳感器后，觀察雨量校準(zhǔn)儀雨量計(jì)數(shù)，計(jì)算誤差(排水量一般默認(rèn)為10 mm)，再根據(jù)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 SL3-1誤差調(diào)節(jié)

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器的誤差調(diào)節(jié)根據(jù)誤差結(jié)果來確定處理方式。如果誤差超出允許范圍且不屬于系統(tǒng)誤差，傳感器出現(xiàn)故障需維護(hù)；在校準(zhǔn)雨量傳感器大、小雨強(qiáng)時(shí)，如降水誤差明顯且不在允許范圍內(nèi)，首先可考慮調(diào)節(jié)上翻斗與計(jì)量翻斗協(xié)調(diào)性，其次可通過調(diào)整計(jì)量翻斗兩側(cè)的調(diào)節(jié)螺釘減小誤差。根據(jù)《新型自動(dòng)氣象站實(shí)用手冊(cè)》[3]，當(dāng)降水量≤10 mm時(shí)，SL3-1型雙翻斗雨量傳感器的最大允許誤差為±0.4 mm，當(dāng)誤差值不在最大允許誤差范圍內(nèi)，雨量傳感器校準(zhǔn)不合格。根據(jù)誤差結(jié)果將不合格雨量傳感器分為以下3類：①大雨強(qiáng)下合格，小雨強(qiáng)下不合格；②大雨強(qiáng)下不合格，小雨強(qiáng)下合格；③大雨強(qiáng)下和小雨強(qiáng)下均不合格。

3.2.1 上翻斗與計(jì)量翻斗協(xié)調(diào)性調(diào)節(jié) SL3-1型雙翻斗雨量傳感器由于上翻斗的增加，會(huì)帶來上翻斗與計(jì)量翻斗之間翻動(dòng)協(xié)調(diào)性問題，影響降水的精確度[11]。如上翻斗最大盛水量不合理、計(jì)量翻斗最大盛水量合理時(shí)，因兩個(gè)翻斗翻轉(zhuǎn)的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致降水損失增加使得實(shí)測(cè)雨量記錄偏?。划?dāng)上翻斗最大盛水量合理、計(jì)量翻斗最大盛水量不合理時(shí)，計(jì)量翻斗的最大盛水量對(duì)降水記錄影響較大。上翻斗的增加不能完全解決單翻斗雨量傳感器因降水強(qiáng)度不同而引起測(cè)量誤差這一問題，只能縮小不同雨強(qiáng)條件下的降水誤差，據(jù)研究表明將SL3-1型雙翻斗雨量傳感器上翻斗的左右的最大承水量都調(diào)節(jié)到3.1 ml可使得降水記錄損失最小[14]。

3.2.2 大雨強(qiáng)或小雨強(qiáng)檢定不合格的誤差調(diào)節(jié) 首先檢查計(jì)量翻斗調(diào)節(jié)螺釘位置，確保計(jì)量翻斗左右調(diào)節(jié)螺釘里端的位置距計(jì)量翻斗的中心擋板的距離是相等的(計(jì)量翻斗水平時(shí))，使得計(jì)量翻斗往左右傾倒的水量相同。調(diào)整定位螺釘時(shí)應(yīng)保證左右螺釘同時(shí)對(duì)稱向外或向內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)距離相同。定位螺釘調(diào)節(jié)圈數(shù)與雨量誤差成比例的改變，如表1所示。具體操作如下：面對(duì)雨量傳感器站在看不見接線柱的一側(cè)，旋動(dòng)計(jì)量翻斗的兩個(gè)定位螺釘。將一個(gè)定位螺釘旋動(dòng)一圈，其差值改變量為3%左右；如兩個(gè)定位螺釘都往外或往里旋動(dòng)一圈，其差值改變量為6%左右，如差值是負(fù)2%時(shí)，可將兩個(gè)定位螺釘分別往外旋動(dòng)1/3圈。為使調(diào)節(jié)位置準(zhǔn)確，在松開定位螺帽前，需在定位螺釘上作位置記號(hào)，調(diào)節(jié)好后，需擰緊定位螺帽。

表1 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器螺釘調(diào)節(jié)圈數(shù)與誤差改變情況關(guān)系Tab.1 The change relation between screw adjusting coil number and error of SL3-1 Dual Dump Rain Sensor

3.2.3 大雨強(qiáng)下和小雨強(qiáng)下均不合格的誤差調(diào)節(jié) 按照規(guī)定先調(diào)整大雨強(qiáng)條件下的降水誤差，合格后再調(diào)整小雨強(qiáng)條件下的降水誤差，直至大小雨強(qiáng)條件下的降雨量均合格為止。

4 小結(jié)

①SL3-1型雙翻斗雨量傳感器故障發(fā)生時(shí)，首先確定故障類型，然后按照步驟依次排查各部件，確定故障部件，找出故障部位。

②SL3-1型雙翻斗雨量傳感器進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)時(shí)，首先確定是否為系統(tǒng)誤差，然后考慮是否調(diào)節(jié)上翻斗與計(jì)量翻斗協(xié)調(diào)性，最后按照定位螺釘調(diào)節(jié)圈數(shù)與雨量誤差比例關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)。