鄭俊錦，夏利娜，陳龍福，李勇波

(1.福建省大氣探測技術(shù)保障中心，福州 350008; 2.福建省氣象服務(wù)中心，福州 350001;3.福建省南平國家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,福建 建陽 354200)

0 引言

降水指的是從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài)(經(jīng)融化后)的水，物理特征有3種：固態(tài)、液態(tài)和混合態(tài)。降雨量的觀測是地面氣象觀測的重要組成部分，為天氣預(yù)報、氣候分析、氣象科學(xué)研究以及社會生產(chǎn)生活提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資料。雨量傳感器除了在出廠前要檢定，在業(yè)務(wù)使用中也需要定時(周期通常是1年)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)[1-2]。目前氣象部門所使用的自動觀測降水的儀器中，業(yè)務(wù)應(yīng)用最廣的是SL3-1型翻斗式雨量傳感器[3-4]。該傳感器的降雨強(qiáng)度測量范圍為0～4 mm/min，分辨率為0.1 mm，輸出為開關(guān)信號。其結(jié)構(gòu)主要包括：承水器、上翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗和干簧管等[5]。液態(tài)降水通過圓形承水口(直徑為200 mm) 經(jīng)承水器進(jìn)入上翻斗，上翻斗將匯集的降水通過匯集漏斗轉(zhuǎn)變成近似穩(wěn)定的大雨強(qiáng)降水(約6 mm/min)進(jìn)入計(jì)量翻斗，降水量每達(dá)到0.1 mm，計(jì)量翻斗就翻動一次并將計(jì)量后的降水倒入計(jì)數(shù)翻斗，計(jì)數(shù)翻斗通過其中部的磁鋼作用于干簧管產(chǎn)生一個脈沖信號(計(jì)數(shù)翻斗翻動一次，開關(guān)閉合一次),即表示測得0.1 mm的降水量。

根據(jù)檢定規(guī)程[6]：翻斗式雨量傳感器的測量結(jié)果的最大允許誤差為：±0.4 mm(雨量≤10 mm,雨強(qiáng)≤4 mm/min)，±4%(雨量>10 mm,雨強(qiáng)≤4 mm/min)。誤差值為傳感器測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值。當(dāng)誤差值超過最大允許值(即超差)，則需要對傳感器的定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)測，使得上翻斗和計(jì)量翻斗翻轉(zhuǎn)的次數(shù)合適且比例協(xié)調(diào)。

李銳鋒等[7]通過加液法得出，上翻斗和計(jì)量翻斗的左右斗最大承水量分別調(diào)節(jié)到3.1 mL和2.6 mL時實(shí)測誤差較小，并且上翻斗與計(jì)量翻斗翻動協(xié)調(diào)性好才會使測量誤差小(并非最大承水量調(diào)節(jié)合理就一定會使測量誤差小)。王衛(wèi)東[8]認(rèn)為在大雨強(qiáng)(4 mm/min)測試時，上翻斗與計(jì)量翻斗的最佳翻轉(zhuǎn)次數(shù)比值為0.86，上翻斗的翻轉(zhuǎn)頻率和計(jì)量翻斗的翻轉(zhuǎn)比例偏高或偏低均會造成偏差增大，甚至超差。劉宗慶等[9]在通過加液法確定計(jì)量翻斗的容量調(diào)節(jié)螺母處于合適位置后，經(jīng)過設(shè)置和微調(diào)上翻斗的定位螺母，認(rèn)為上翻斗和計(jì)量翻斗翻動次數(shù)的比例關(guān)系為9∶10最合適。但是未結(jié)出具體的調(diào)節(jié)方法，而且在實(shí)際調(diào)測中通常需要同時調(diào)整定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母。

經(jīng)查閱以上及相關(guān)文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)存在如下的問題：1)對于翻斗左右斗的“大小斗”問題(即當(dāng)翻斗的左右斗承水量不同時且相差較大時，會造成翻斗的翻動不平衡從而增加測量誤差)的判斷和解決，只能通過目測或者游標(biāo)卡尺測量螺母長度等方法來大致確定。然而由于儀器制造誤差或者傳感器長時間使用等原因會造成螺母長度即使一致，承水量也可能不同的現(xiàn)象。相關(guān)論文一般都是同時往里或者往外調(diào)節(jié)螺母，當(dāng)左右調(diào)節(jié)螺母需要調(diào)整的幅度不同時，只能依靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)并且無法定量調(diào)節(jié)；2)翻斗的翻動數(shù)據(jù)的測量不精細(xì)且需要人工計(jì)數(shù)，效率低且易出錯。例如通過加液法往傳感器中倒入固定容量的水量，將加液量除以翻轉(zhuǎn)次數(shù)求出翻斗承水量平均值;3)當(dāng)雨量誤差值在大小雨強(qiáng)(即降雨強(qiáng)度為4 mm/min和1 mm/min)測試時的數(shù)值為一正一負(fù)時(此時需要同時調(diào)整定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母)，調(diào)節(jié)方法不明確，只能通過目測觀察法并且依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有一定的盲目性并且成功率低。

因此，本文設(shè)計(jì)了一套檢定流程并研制了雙翻斗式雨量傳感器自動調(diào)節(jié)檢定系統(tǒng)，通過利用光電傳感器對上翻斗和計(jì)量翻斗的狀態(tài)進(jìn)行采集，并通過計(jì)時以實(shí)現(xiàn)翻斗翻動數(shù)據(jù)的定量精細(xì)采集以及翻動平衡問題的判斷和解決。同時利用步進(jìn)電機(jī)有針對性地對定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提高雙翻斗式雨量傳感器的檢定效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

考慮到雙翻斗式雨量傳感器翻斗的特點(diǎn)：材質(zhì)為白色不透明和動作為上下翻動。因此通過紅外光電傳感器即可識別翻斗的工作狀態(tài)(即處于承水或放水狀態(tài))，從識別到翻斗狀態(tài)變化并計(jì)時，就可求出上翻斗和計(jì)量翻斗的左右斗的蓄放水時間。通過測量蓄放水時間，即可判斷是否有“大小斗”現(xiàn)象，通過統(tǒng)計(jì)上翻斗和計(jì)量翻斗的翻動次數(shù)，即可判斷上下翻斗是否存在不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。最后通過驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)來控制定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母的擰進(jìn)和旋出。如此往復(fù)，直到雨量傳感器觀測精度滿足計(jì)量檢定規(guī)程的要求。本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，紅外光電模塊1～4的紅外發(fā)光二極管和紅外接收管分別放置于上翻斗和計(jì)量翻斗的左右斗的前后方。步進(jìn)電機(jī)模塊1～4分別連接定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母，用于調(diào)整螺母位置。系統(tǒng)可通過按鍵模塊和顯示屏模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并可通過串口與電腦通訊，實(shí)現(xiàn)發(fā)送檢定數(shù)據(jù)和接收控制指令的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)電路原理設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

在控制電路的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)核心選用國產(chǎn)單片機(jī)STC15F2K60S2[10-11]。STC15F2K60S2是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期的新一代8051單片機(jī)。速度比普通8051快8～12倍；工作電壓為4.5～5.5 V。其片內(nèi)EEPROM為1 K,Flash程序存儲器為60 K,可擦寫次數(shù)均達(dá)10萬次以上；在系統(tǒng)可編程，無需編程器，無需仿真器；可徹底省掉外部復(fù)位電路，內(nèi)置高可靠復(fù)位，ISP編程時8級復(fù)位門檻電壓可選；其工作頻率范圍：0～ 28 MHz；內(nèi)部高精度R/C時鐘，ISP編程時內(nèi)部時鐘從5～28 MHz可設(shè)(5.529 6 MHz / 11.059 2 MHz / 22.118 4 MHz)；不需外部晶振和外部復(fù)位，還可對外輸出時鐘和低電平復(fù)位信號；可進(jìn)行設(shè)置為低功耗設(shè)計(jì)模式：低速模式，空閑模式和掉電模式/停機(jī)模式。

翻斗動作檢測采用紅外光電傳感器，通過檢測紅外發(fā)射管和接收管之間的光路是否被遮擋，來識別判斷翻斗的狀態(tài)及動作。對于定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母的調(diào)節(jié)，采用可精確控制旋轉(zhuǎn)角度的步進(jìn)電機(jī)來控制。

系統(tǒng)通過按鍵和顯示模塊進(jìn)行人機(jī)交互。其中，顯示模塊選用0.96寸的分辨率為128*64的OLED顯示屏[12-13]，即有機(jī)電激光顯示(OLED， organic electroluminesence display)。具有響應(yīng)速度快(響應(yīng)時間可以達(dá)到微秒級別，較高的響應(yīng)速度更好地實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動的圖像)、較寬的視角(由于OLED是主動發(fā)光的，所以在很大視角范圍內(nèi)畫面是不會顯示失真的，其上下左右的視角寬度超過170°)、成品的質(zhì)量比較輕、寬溫度特性(溫度在-40～80 ℃都是可以正常運(yùn)行的)和省電(與LCD相比，OLED不需要背光源)等特性。

2.2 紅外光電傳感器

采用TCRT5000紅外反射傳感器[14-15]，該光電傳感器集發(fā)射與接收于一體(包括一個高發(fā)射功率的紅外發(fā)光二極管和一個高靈敏度光電三極管組成)。發(fā)射的紅外光波長為950 nm。具有日光過濾功能。可通過調(diào)節(jié)發(fā)射管的工作電流來調(diào)節(jié)控制TCRT5000的紅外發(fā)射二極管發(fā)射紅外線的功率，從而調(diào)節(jié)檢測距離。

由于TCRT5000的發(fā)射管和接收管是一體的且平行排列，在設(shè)計(jì)初期考慮將分別其放置于翻斗的左右側(cè)。但是經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在雨量傳感器工作時，即上翻斗的左右斗在翻倒時，其左右側(cè)會有水流經(jīng)過，而水流會對紅外光線產(chǎn)生折射等作用，從而影響到接收管的檢測。同時，由于計(jì)數(shù)翻斗位于計(jì)量翻斗下方且體積較大，將TCRT5000放置于側(cè)邊時無法直接檢測計(jì)量翻斗的動作，只能通過檢測計(jì)數(shù)翻斗的動作來近似檢測計(jì)量翻斗的動作，然而計(jì)數(shù)翻斗的動作是在計(jì)量翻斗翻轉(zhuǎn)時帶動的，因此這會產(chǎn)生較大的誤差。綜合以上兩個原因，本設(shè)計(jì)不將TCRT5000放置于翻斗的左右側(cè)，而是將其外殼去除后，將發(fā)射管和接收管分別放置于翻斗的前后側(cè)。

根據(jù)雨量傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：上翻斗翻轉(zhuǎn)到最高時，側(cè)邊有是定位螺母結(jié)構(gòu)件，無法同時安裝發(fā)射管和接收管；計(jì)量翻斗翻轉(zhuǎn)到最低時，側(cè)邊是計(jì)數(shù)翻斗，無法安裝發(fā)射管和接收管。因此，檢測上翻斗動作的光電對管須安裝于翻斗下方；計(jì)量翻斗下方位置由于無法安裝光電對管，因此將其安裝在計(jì)量翻斗的上方，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

由于系統(tǒng)需要4對紅外光電傳感器進(jìn)行檢測，因此選用4路電壓比較器LM339[16]，電路圖如圖3所示。LM339內(nèi)部集成有4個獨(dú)立的電壓比較器，具有電源電壓范圍寬、失調(diào)電壓小和對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬等特點(diǎn)。每個比較器有2個輸入端和1個輸出端。2個輸入端包括同相輸入端(用“+”表示)和反相輸入端(用“-”表示)。在應(yīng)用于電壓比較時，固定的參考電壓可加在任意輸入端(即門限電平，可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn))，待比較的信號電壓則施加于另一輸入端。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10 mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此LM339可用于弱信號檢測等場合。

在本系統(tǒng)中，可通過調(diào)節(jié)電路中的可調(diào)電阻來控制參考電壓使得：當(dāng)發(fā)射管和接收管之間無遮擋時，發(fā)射出的紅外線可被紅外接收管接收且強(qiáng)度足夠大，紅外接收管飽和，此時電壓比較器的輸出端為低電平，指示LED燈點(diǎn)亮；當(dāng)發(fā)射管和接收管之間有遮擋時，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時電壓比較器的輸出端為高電平，指示LED燈熄滅。然后將電壓比較器的輸出端與單片機(jī)IO口相連，單片機(jī)通過識別IO的高低電平，即可知道翻斗狀態(tài)，即左右斗分別處于承水狀態(tài)還是放水狀態(tài)。

本文通過判斷翻斗左右斗狀態(tài)，進(jìn)而通過計(jì)時器統(tǒng)計(jì)出承水時間，最后通過數(shù)據(jù)對比來判斷和解決“大小斗”問題。承水時間的統(tǒng)計(jì)方法可近似地認(rèn)為：上翻斗的左右斗的承水時間是其自身兩側(cè)光電對管的從“遮擋取消”，到“無遮擋”，再到“再次遮擋”的時間(即從翻斗開始往上翻，承水，再到翻斗翻到最下的時間)。由于計(jì)量翻斗光電對管的安裝位置(安裝于翻斗的上方)與上翻斗的相反，因此，計(jì)量翻斗的左右斗的承水時間為其相反斗(即右左斗)的光電對管從“遮擋取消”，到“無遮擋”,再到“再次遮擋”的時間。

圖3 紅外光電模塊電路圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)模塊

選用4相步進(jìn)電機(jī)24BYJ48[17-18]控制調(diào)節(jié)螺母的轉(zhuǎn)動，其供電電壓為5 V，步距角度為5.625/64°，減速比為1∶64，步進(jìn)角為5.625(即一個脈沖轉(zhuǎn)動5.625°，轉(zhuǎn)動1圈需要64個脈沖)。正轉(zhuǎn)表如表1所示。正轉(zhuǎn)次序和反轉(zhuǎn)次序分別為：AB-BC-CD-DA(1個脈沖，正轉(zhuǎn)5.625°)和AB-AD-CD-CB(1個脈沖，反轉(zhuǎn)5.625°)。

表1 正轉(zhuǎn)表

本系統(tǒng)有4個螺母(2個定位螺母和2個容量調(diào)節(jié)螺母)需要調(diào)節(jié)，因此需要使用4個步進(jìn)電機(jī)來控制。每個步進(jìn)電機(jī)24BYJ48有4個端口，因此需要16個單片機(jī)IO口來控制。由于單片機(jī)IO的驅(qū)動能力有限，因此選用2片達(dá)林頓三極管驅(qū)動器ULN2803[19]進(jìn)行驅(qū)動。每個ULN2803內(nèi)含8路NPN達(dá)林頓管,具有集電極開路輸出和續(xù)流鉗位二極管，并有高耐壓和大電流的特點(diǎn)。其輸入電壓為5 V，輸出總電流為500 mA，輸出擊穿電壓為50 V，工作溫度范圍為：-40～+85 ℃。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要為單片機(jī)端的程序設(shè)計(jì)，PC端的接收控制軟件可使用通用的串口助手軟件進(jìn)行接收存儲數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令。單片機(jī)端的程序設(shè)計(jì)主要包括了單片機(jī)內(nèi)部資源的初始化和使用以及超差雨量傳感器的檢定調(diào)測方法。以下著重說明檢定調(diào)測流程及算法。根據(jù)雨量傳感器在大雨強(qiáng)(即降雨強(qiáng)度為4 mm/min)和小雨強(qiáng)(1 mm/min)的模擬降雨測量的誤差值(測量值-標(biāo)準(zhǔn)值)的正負(fù)情況，可分為如下2種情況：誤差值同向和誤差值異向。

3.1 誤差值同向的調(diào)測方法

當(dāng)傳感器在大小雨強(qiáng)(雨強(qiáng)分別為4 mm/min和1 mm/min)的模擬降雨測試時的誤差值均為正值或負(fù)值時，只需調(diào)節(jié)容量調(diào)節(jié)螺母即可。根據(jù)雨量傳感器廠家提供的說明書可進(jìn)行如下操作：

若誤差值均為正值時，說明測量值偏大，將可左右容量調(diào)節(jié)螺母同時往外調(diào)節(jié)以增大每斗的承水量，從而減少測量值。每同時調(diào)節(jié)1圈，則差值變動量為6%。例如在模擬降雨量為10 mm時，左右容量調(diào)節(jié)螺母同時調(diào)節(jié)1圈，差值變動量為0.6 mm(即10 mm×6%)：若誤差值為+0.6 mm，即表示測量值偏大0.6 mm，需要將左右容量調(diào)節(jié)螺母同時往外旋轉(zhuǎn)1圈(即360 °)；若誤差值為+0.1 mm，則需要將左右容量調(diào)節(jié)螺母同時往外旋轉(zhuǎn)60 °(即360 °/6)即可。

若誤差值均為負(fù)值時,也可按照上述方法，將容量調(diào)節(jié)螺母“往外調(diào)節(jié)”改成“往里調(diào)節(jié)”即可。

3.2 誤差值異向的調(diào)測方法

當(dāng)雨量傳感器在大小雨強(qiáng)的模擬降雨測試時的誤差值為一正一負(fù)時，則需要同時調(diào)節(jié)定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母。此情況暫無有效的操作方法，調(diào)節(jié)難度較大。本文提出如下的調(diào)測方法(共4個步驟)，具體如下：

1)解決“大小斗”問題：存在誤差值異向的雨量傳感器通常都存在“大小斗”現(xiàn)象。雙翻斗式雨量傳感器的上翻斗和計(jì)量翻斗是對稱分布，其承水量應(yīng)相近。因此，需要先分別對上翻斗的定位螺母和計(jì)量翻斗的容量調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其承水量相近(即無“大小斗”現(xiàn)象)。

由于承水量等于承水時間與水流流速的乘積。當(dāng)注入雨量傳感器的水流是勻速，翻斗左右斗的承水與時間成正相關(guān)，因此，通過左右斗的承水時間即可用來判斷其承水量是否相同。本系統(tǒng)選擇在“雨強(qiáng)4 mm/min，降雨量10 mm”的模擬降水下進(jìn)行承水時間測量。

在進(jìn)行承水時間測量時，校準(zhǔn)儀的模擬降水是直接注入上翻斗的(無其他影響水流流速的結(jié)構(gòu))，因此上翻斗的左右斗的承水時間可以直接測量。然而注入計(jì)量翻斗的降水，由于流經(jīng)上翻斗會使得水流呈間歇浪涌狀。雖然有經(jīng)過匯集漏斗的調(diào)節(jié)(匯集漏斗有調(diào)節(jié)水流使其勻速的作用)，但是其流速還是受到較大的影響，嚴(yán)格意義上不是勻速的。所以在測量計(jì)量翻斗的承水時間(承水量)時需要并使用水管直接從漏斗下方接水，并繞過上翻斗，直接將勻速的模擬降雨經(jīng)由匯集漏斗注入計(jì)量翻斗，使得計(jì)量翻斗就得到一個勻速的水流。

上翻斗定位螺母的調(diào)節(jié)流程如圖5所示，其中：t1、t2分別為上翻斗左斗、右斗的瞬時承水時間值、T1、T2分別為上翻斗左斗、右斗在一次模擬降雨(雨強(qiáng)為4 mm/min、降雨量為10 mm)的平均承水時間值；T為上翻斗左右斗平均承水時間差值的閾值(取經(jīng)驗(yàn)值100 ms)。雖然在理想狀態(tài)下，t1與t2應(yīng)該相同或者極其相近，但是由于雙翻斗式雨量傳感器為機(jī)械結(jié)構(gòu)(存在機(jī)械誤差)且校準(zhǔn)儀的模擬降水的流速隨著液面下降會有所變化。因此，結(jié)合上述原因并根據(jù)試驗(yàn)測試得出：當(dāng)|T1-T2|<100 ms且檢測過程中相鄰的|t1-t2|<300 ms時，認(rèn)為左右斗不存在“大小斗”現(xiàn)象，即實(shí)現(xiàn)了翻動平衡。然后則可以進(jìn)行計(jì)量翻斗的的調(diào)測，其方法與定位螺母的調(diào)測方法相同。

圖5 調(diào)節(jié)定位螺母解決“大小斗”流程圖

2)確定定位螺母位置(同時往里或者往外調(diào)節(jié)左右定位螺母，調(diào)節(jié)幅度應(yīng)保持一致)：根據(jù)傳感器廠家出廠儀器的調(diào)試比例：在雨強(qiáng)為2 mm/min的模擬降雨時，上翻斗翻倒5～6次，計(jì)量翻斗翻倒6～7次。也就是說上翻斗翻倒一斗的水量要比計(jì)量翻斗翻倒一斗的水量要多，其承水量的比約為0.12比0.1。因此可計(jì)算得出：在雨強(qiáng)為2 mm/min、降雨量為10 mm時，計(jì)量翻斗和上翻斗的理想翻動次數(shù)分別為100和83.3?？紤]到傳感器的機(jī)械誤差、傳感器允許誤差范圍和經(jīng)驗(yàn)值，因此在中雨測試(即雨強(qiáng)2 mm/min、降雨量10 mm)時，上翻斗的翻動次數(shù)在83～85次的范圍內(nèi)即可。

借助JJS2校準(zhǔn)儀[20](其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)?14.16 mL，即模擬降雨量為10 mm)進(jìn)行模擬中雨測試，通過統(tǒng)計(jì)上翻斗的翻動次數(shù)，對定位螺母進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)：當(dāng)翻動次數(shù)太小(即小于83次)時，將左右定位螺母同時往里調(diào)節(jié)，可減少每斗的承水量，從而增加翻動次數(shù)；當(dāng)翻動次數(shù)太大(即大于85次)時，將左右定位螺母同時往外調(diào)節(jié)，可增加每斗的承水量，從而減小翻動次數(shù)。

3)確定容量調(diào)節(jié)螺母位置(同時往里或者往外調(diào)節(jié)左右容量調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)幅度一致)，其中對容量調(diào)節(jié)螺母的調(diào)節(jié)方法與3.1相同。步驟2)和步驟3)的流程如圖6所示。

圖6 同時調(diào)節(jié)定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母流程圖

4)大小雨強(qiáng)檢定校準(zhǔn)：分別進(jìn)行3次雨強(qiáng)為1 mm/min和4 mm/min(降雨量為10 mm)的模擬降雨測試并求平均值。此時只需要對容量調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方法與3.1相同。

4 系統(tǒng)測試與分析

目前該系統(tǒng)的原型機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于福建省氣象計(jì)量檢定所的雨量傳感器檢定工作中,以其中一次檢定為例說明。2021年01月收到一臺送檢的SL3-1雙翻斗式雨量傳感器(儀器編號：201303556)，存在超差現(xiàn)象。經(jīng)檢查傳感器內(nèi)部無泥沙、蟲網(wǎng)等雜物，翻斗翻動性能正常且干簧管工作無異常。校準(zhǔn)人員在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行長時間反復(fù)調(diào)測，能使傳感器達(dá)到的最佳狀態(tài)為：小雨強(qiáng)誤差+0.4 mm，大雨強(qiáng)誤差-0.4 mm。雖然誤差值在規(guī)程的誤差允許范圍內(nèi)，但是已處于臨界狀態(tài)，若直接投入業(yè)務(wù)應(yīng)用可能效果不佳，會影響到觀測數(shù)據(jù)。因此嘗試使用本系統(tǒng)再次校準(zhǔn)。

首先解決“大小斗”問題：按照模擬降水測試過程中測得數(shù)據(jù)的先后順序，將相鄰左右斗的承水時間求差值(單位:ms)，即可判斷是否存在“大小斗”現(xiàn)象。將調(diào)測前后模擬降雨(雨強(qiáng)4 mm/min,降雨量10 mm)測試下，上翻斗左右斗承水時間差(t1-t2)和計(jì)量翻斗左右斗承水時間差(t3-t4)的數(shù)值分別按測得數(shù)據(jù)的先后順序繪制折線圖如下。由于本系統(tǒng)使用JJS2校準(zhǔn)儀模擬降雨，其內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)球液面高度在檢定過程中會逐漸變低，當(dāng)液面較低時，水流流速太慢會導(dǎo)致誤差大大增加，因此圖中去除了最后幾個數(shù)值。

從圖7和圖8中可以看出，調(diào)測前：上翻斗左右斗承水時間差較大(均為負(fù)值且t1t4)，也存在“大小斗”現(xiàn)象，需要將左右容量調(diào)節(jié)螺母分別往外和往里旋轉(zhuǎn)。調(diào)測后：上翻斗和計(jì)量翻斗的承水時間差值在0刻度附近(差值平均值均小于100)并且差值數(shù)值均小于300。因此本系統(tǒng)可較好地解決了“大小斗”現(xiàn)象。

圖7 調(diào)測前后(t1-t2)對比圖

圖8 調(diào)測前后(t3-t4)對比圖

隨后進(jìn)行雨強(qiáng)為2 mm/min的模擬降水，分別測得上翻斗翻動次數(shù)為84次，滿足3.2第2)步的要求。最后進(jìn)行大小雨強(qiáng)檢定校準(zhǔn)測得：雨強(qiáng)為4 mm/min時的示值分別：10.0 mm、9.8mm、10.0 mm，平均值為9.9 mm，誤差值-0.1 mm；雨強(qiáng)為1 mm/min時的示值分別為：10.1 mm、10.2 mm、10.1 mm，三次平均為10.1 mm，誤差值+0.1 mm。傳感器示值檢定校準(zhǔn)誤差滿足規(guī)程要求,至此調(diào)測結(jié)束。

5 結(jié)束語

1)雙翻斗式雨量傳感器改善了單翻斗雨量傳感器的降水損失問題，在地面氣象觀測中得到廣泛的應(yīng)用。但是由于其自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和長時間在野外工作的特點(diǎn)，可能會產(chǎn)生“大小斗”和協(xié)調(diào)性等問題，因此為了保證降雨量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期嚴(yán)格地按照規(guī)程進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。

2)為了更高效精細(xì)地完成雙翻斗雨量傳感器的檢定工作，尤其針對存在誤差值異向的雨量傳感器(通過人工依靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)測往往耗時長并且成功率低)。本文歸納總結(jié)出了一套行之有效的檢定流程，并研制了雙翻斗式雨量傳感器自動調(diào)節(jié)檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上翻斗和計(jì)量翻斗的承水時間的定量測量，通過測量數(shù)據(jù)可快速有效地判斷“大小斗”現(xiàn)象和上下翻斗協(xié)調(diào)性等問題，并利用步進(jìn)電機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)定位螺母和容量調(diào)節(jié)螺母的自動調(diào)節(jié)。

3)雙翻斗式雨量傳感器自動調(diào)節(jié)檢定系統(tǒng)研制完成后，在福建省氣象檢定所得到了應(yīng)用。通過利用此系統(tǒng)，很好地完成了福建省內(nèi)氣象部門和中國輻射防護(hù)研究院等單位送檢的雨量傳感器的檢定校準(zhǔn)工作，提高了檢定校準(zhǔn)的合格率，避免了因誤差值無法調(diào)整使得雨量傳感器被淘汰所造成的浪費(fèi)。同時通過本系統(tǒng)將檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，為今后優(yōu)化調(diào)整雨量傳感器的檢定校準(zhǔn)流程，提供了數(shù)據(jù)資料。