環(huán)境試驗設(shè)備參數(shù)測量──淋雨試驗設(shè)備

伍偉雄

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

1 概述

淋雨試驗設(shè)備（以下簡稱設(shè)備）是一種模擬自然環(huán)境中降雨的環(huán)境條件，供樣品進行淋雨試驗的綜合試驗設(shè)備，包含有溫度、風(fēng)速、降雨強度、雨滴直徑等參數(shù)。淋雨試驗設(shè)備通常設(shè)計成降雨強度、風(fēng)速連續(xù)可調(diào)，充當(dāng)?shù)斡昕椎牡巫炜筛鼡Q的形式。設(shè)備通過調(diào)整儲水箱的不同水位高度獲得不同的降雨強度，以水位的額定高度代表降雨強度；設(shè)備通過調(diào)整風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來獲得不同的風(fēng)速，以額定的風(fēng)機轉(zhuǎn)速代表風(fēng)速；設(shè)備滴嘴的孔徑一般在0.4～0.6mm之間，由固定孔徑的滴嘴產(chǎn)生額定直徑范圍的雨滴，無雨滴直徑指示儀表或裝置。

淋雨試驗的主要標(biāo)準(zhǔn)有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.38—2008 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗R：水試驗方法和導(dǎo)則》（等同采用IEC 60068—2—18：2000）、國軍標(biāo)GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗 第8部分：淋雨試驗》。國標(biāo)和國軍標(biāo)的試驗要求有所不同，對試驗設(shè)備提出的要求也有所不同。溫度、風(fēng)速、降雨強度的測量比較簡單，測量方法也十分成熟。因此，本文不討論溫度、風(fēng)速、降雨強度的測量，主要討論雨滴直徑的測量問題。

2 雨滴直徑測量

2.1 測量方法

雨滴處在運動狀態(tài)中，準(zhǔn)確測量其直徑不是一件簡單容易的事情。一般的尺寸測量，是在靜態(tài)中進行的，而雨滴是處在運動狀態(tài)中。因此，對雨滴尺寸的測量，一種辦法是在動態(tài)中，如采用雷達(dá)觀測法和光學(xué)雨量計法等實時測量；另一種辦法是把雨滴由動態(tài)測量變?yōu)殪o態(tài)測量，如采用浸入法等。在國外文獻中，常見的測量方法有雷達(dá)觀測法、光學(xué)雨量計法、攝影法、浸入法、面粉球法、濾紙色斑法等。

雷達(dá)觀測法和光學(xué)雨量計法可實時、大面積地觀測包括雨滴粒徑及其分布在內(nèi)的降雨基本特性，一般只應(yīng)用于天然降雨的觀測。攝影法是用高速攝影機拍攝出正在下落中的雨滴的照片，然后在顯微鏡下量測出該雨滴的粒徑。攝影法適用于在實驗室內(nèi)測量模擬降雨，但高速攝影儀造價太高，且操作繁瑣復(fù)雜，需要諸如電子閃光燈、閃光測頻儀、菲涅耳透鏡等輔助裝置，在雨滴直徑測量的實際工作中，并未得到普及使用。近年，有研究者利用壓力傳感器測量雨滴落下時的動能，然后反算出雨滴的直徑，但該類儀器價格同樣昂貴，一般的雨滴直徑測量很難普及使用。

浸入法是用盛有油料的容器接盛雨滴，通過測量油中水珠直徑來確定雨滴的大小，油比水輕且與水不相容，雨滴在油中因表面張力的作用而變成球形水珠，這樣就可直接測量出雨滴的直徑。浸入法適用于測量直徑較小的霧滴或雨滴。面粉球法是將雨滴收集在盛有面粉的容器中，當(dāng)雨滴與面粉接觸后，就產(chǎn)生一個小小的濕面球，將容器連同雨滴形成的濕面球，一起置于烘箱內(nèi)烘干，它們就凝固成一個個硬面球。面粉團法只適合測量較大的雨滴。浸入法和面粉團法操作也不方便，很難普及使用，在淋雨試驗設(shè)備的雨滴直徑測量中也沒有得到實際應(yīng)用。

色斑法又稱作濾紙法，是歷史悠久、應(yīng)用最廣泛的一種雨滴直徑測量方法。雨滴在同一材料上形成的色斑大小與雨滴直徑大小有關(guān)，確定好雨滴直徑與色斑直徑之間的關(guān)系后，通過量測雨滴在相同材料上形成的色斑大小求得相應(yīng)的雨滴直徑。色斑法適合于各種人工降雨試驗與野外天然降雨研究，可以測量到直徑極小的雨滴，國內(nèi)多采用此方法測量雨滴直徑。色斑法由于操作簡單，成本低廉而在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛。色斑法測量所使用的、帶有著色涂料的濾紙，沒有作為測量儀器在市面上銷售，在實驗室條件下，完全可以自行制作。筆者依據(jù)前人的研究成果，結(jié)合自己的實際操作經(jīng)驗，介紹色斑法測量雨滴直徑所用濾紙的制作和測量方法。

2.2 色斑法測量

雨滴直徑是建立在雨滴為球體狀的基礎(chǔ)上進行其直徑測量的，科學(xué)研究表明，當(dāng)雨滴直徑在不大于5mm時，其形狀為球體狀。色斑法測量雨滴直徑是基于“雨滴在同一材料上形成的色斑大小與雨滴的直徑大小有關(guān)”的原理，預(yù)先確定好雨滴直徑與色斑直徑之間的關(guān)系，然后通過測量雨滴在相同材料上形成的色斑大小推知相應(yīng)的雨滴直徑。科學(xué)研究表明，雨滴直徑與色斑直徑之間存在冪函數(shù)關(guān)系，如下式（1）。

1.制定具有特色的大學(xué)英語教學(xué)大綱。該大綱既要符合教育部頒布的《大學(xué)英語課程教學(xué)要求》，有利于提升空乘專業(yè)本科四級通過率，又要體現(xiàn)本科人才培養(yǎng)的定位，提高學(xué)生英語口語溝通能力。

式中：d—雨滴直徑；k－系數(shù)；D－色斑直徑；n－指數(shù)。系數(shù)k和指數(shù)n的大小與濾紙、染料的種類及所涂的染料粉末的多少有關(guān)。

2.2.1 色斑濾紙制作方法

色斑是指在濾紙上涂上著色涂料，當(dāng)雨滴落在濾紙上時，即留下永久性的近似圓形色斑。色斑濾紙一般選用定性中速濾紙，涂料采用曙紅水溶性染料和滑石粉的混合粉末。曙紅水溶性染料和滑石粉按質(zhì)量比1：10混合并研磨。實際上，可購買到的曙紅水溶性染料和滑石粉的粒徑已足夠小，使用一般的機械攪拌器進行充分的攪拌混合即可。用毛刷把混合粉末均勻涂在濾紙上，輕彈濾紙彈去多余的粉末。

用雨滴滴在制作好的濾紙上，觀察形成的色斑的邊界是否清晰和連續(xù)。如果色斑邊界不夠清晰和連續(xù)，說明所涂的粉末不足，通過反復(fù)試驗，很容易掌握涂出清晰和連續(xù)的色斑邊界的濾紙。下圖1是涂料不足導(dǎo)致色斑不清晰和邊界不連續(xù)的情況，圖2則是具有清晰和連續(xù)邊界的色斑情況。

2.2.2 產(chǎn)生已知直徑雨滴的方法

要確定雨滴直徑與色斑直徑之間的關(guān)系，首先要有已知直徑的雨滴。如何產(chǎn)生已知直徑的雨滴，也是問題之一。有研究者采用普通醫(yī)用注射器和不同型號的針頭充當(dāng)雨滴發(fā)生器，通過測量注射器、針頭、水在滴水前后的質(zhì)量，求得雨滴的質(zhì)量，然后用雨滴質(zhì)量與雨滴體積的關(guān)系式求得雨滴直徑，如下式（2）。

圖1 涂料不足的色斑圖

圖2 合適涂料的色斑圖

式中：d—雨滴直徑；m－雨滴質(zhì)量；π－圓周率；ρ－水密度。

這種方法產(chǎn)生的雨滴的大小，會受到壓力、滴落快慢的影響。由于需要靠手動控制，產(chǎn)生雨滴的大小的重復(fù)性不佳，要產(chǎn)生直徑2mm以下和直徑5mm以上的雨滴，更是十分困難。筆者曾研制出壓力、滴落快慢均可控的雨滴發(fā)生器，可穩(wěn)定產(chǎn)生直徑在1.5～6mm之間的雨滴。當(dāng)然，制作雨滴發(fā)生器，也是頗為費勁的事，一種更為簡便的方法是使用高準(zhǔn)確度的微量移液器，利用移液器固定的容積產(chǎn)生各種大小的雨滴，由雨滴的體積換算出雨滴的直徑。例如，用移液器汲取1μL的水，全部壓出作為一個雨滴，則雨滴的體積為1μL，依據(jù)球體的體積計算公式，可求得雨滴的直徑為1.24mm，如下式（3）。

式中：d—雨滴直徑；V－雨滴體積；π－圓周率。

2.2.3 色斑直徑的測量

色斑的圖形不是理想的規(guī)則圖形，所謂色斑直徑，其實是指色斑面積的等效直徑。所以，測量色斑直徑，是通過對色斑面積的測量，然后換算成等效的色斑直徑。雨滴在濾紙上產(chǎn)生的色斑，是一個近似圓形或近似橢圓形的圖形，這使面積的測量帶來了一定的難度。采用手工描繪的傳統(tǒng)測量方法，不僅測量準(zhǔn)確度低，而且繁瑣復(fù)雜。而采用計算機測量色斑面積，既提高了測量準(zhǔn)確度，又解決了繁瑣復(fù)雜問題。用高分辨率掃描儀按1：1的比例把色斑掃描成圖片，然后用圖片處理軟件（例如photoshop）對色斑的面積進行測量。具體方法是：在掃描儀中設(shè)置1：1的掃描比例，同時設(shè)置像素分辨率dpi值，例如設(shè)置1200dpi，則表示每英寸有1200像素；利用photoshop軟件統(tǒng)計色斑圖片的總像素，則可依據(jù)每英寸1200像素的關(guān)系求出色斑圖片面積，再由色斑面積換算成等效的色斑直徑。

2.2.4 色斑濾紙系數(shù)k和指數(shù)n的確定

通過使用電子天平、移液器等方法得到大小不同的已知直徑的雨滴，分別滴在色斑濾紙上形成不同大小的色斑，得到的雨滴直徑和色斑直徑如下表1。

將表1中雨滴直徑與色斑相應(yīng)直徑用EXCEL進行回歸分析，繪出雨滴直徑與色斑直徑 關(guān)系圖（見圖3），得到雨滴直徑d與色斑直徑D關(guān)系式，如下式（4）。

雨滴直徑與色斑直徑冪函數(shù)關(guān)系中，系數(shù)k＝0.32，指數(shù)n＝0.7722。

把色斑直徑冪函數(shù)關(guān)系式化為線性回歸進行相關(guān)系數(shù)檢驗。給定顯著水平α＝0.01，樣本容量n＝12，相關(guān)系數(shù)ρ＝0.999遠(yuǎn)大于ρ（0.01，12）＝0.708，說明雨滴直徑與色斑直徑冪函數(shù)關(guān)系式可靠。

2.3 色斑法測量雨滴直徑驗證

使用同一批次制作的色斑濾紙，按上面確定的系數(shù)k＝0.32、指數(shù)n＝0.7722的濾紙測量其它直徑的雨滴，結(jié)果如表2。

表1 色斑直徑與雨滴直徑對應(yīng)表

圖3 雨滴直徑與色斑直徑關(guān)系圖

表2 色斑濾紙測量雨滴直徑驗證數(shù)據(jù)表

由實驗驗證數(shù)據(jù)可以看出，用色斑濾紙測量小雨滴直徑的最大誤差0.05mm，測量大雨滴直徑的最大誤差0.11mm。在淋雨試驗方法中，對雨滴直徑的技術(shù)要求不高，如GJB 150.8A－2009對雨滴直徑的要求為0.5～4.5mm，色斑濾紙測量雨滴直徑的擴展不確定度（k＝2）約為0.1mm，可滿足測量要求。

3 結(jié)束語

制作色斑濾紙所需要的材料，只有濾紙、曙紅水溶性染料和滑石粉，成本低廉。如使用移液器產(chǎn)生已知直徑的雨滴，成本也很低；如使用電子天平，通過測量雨滴質(zhì)量的方法得到已知直徑的雨滴，一般的實驗室也具備條件；測量色斑直徑也只需要一臺高分辨率的掃描儀和一臺計算機，成本也很低。所以，使用色斑法測量淋雨試驗設(shè)備的雨滴直徑，是一種成本低廉而又能滿足要求的實用方法，適合普及使用。

[1] GB/T 2423.38—2008，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法試驗R：水試驗方法和導(dǎo)則[S].

[2] GJB 150.8A—2009，軍用裝備實驗室環(huán)境試驗 第8部分：淋雨試驗[S].

[3] GB/T 5170.20—2005，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備基本參數(shù)檢定方法水試驗設(shè)備[S].