關(guān)于翻斗式雨量計(jì)誤差產(chǎn)生的分析和改進(jìn)

王果立

摘 要：隨著水文信息化技術(shù)的快速發(fā)展，水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)使用的翻斗式雨量計(jì)應(yīng)用也愈加廣泛。然而翻斗式雨量計(jì)在使用中存在雨量傳感器測(cè)量誤差偏大的問題，在分析誤差產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，從理論上解決了一些翻斗式雨量計(jì)誤差偏大的問題，可以在實(shí)踐中起到參考意義。

關(guān)鍵詞：水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)；翻斗式雨量計(jì)；誤差分析；改進(jìn)方法

中圖分類號(hào)：P335 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0078-02

1 概述

大氣中的液態(tài)或固態(tài)水，在重力作用下，克服空氣阻力，從空中降落到地面的現(xiàn)象稱為降水。大氣降水測(cè)量是地球水循環(huán)監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)。隨著水文信息化技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的雨量觀測(cè)手段越來越難以滿足信息精確性、時(shí)效性的需要，遙測(cè)型翻斗式雨量計(jì)是一個(gè)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和實(shí)時(shí)傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù)數(shù)字化的降雨量觀測(cè)儀器，具備時(shí)間準(zhǔn)確、自動(dòng)記錄傳輸數(shù)據(jù)、便于數(shù)據(jù)采集整編等優(yōu)勢(shì)。然而，翻斗式雨量計(jì)在水文站、氣象站等部門實(shí)際應(yīng)用中，常常會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差較大的問題。本文以遙測(cè)型翻斗式雨量計(jì)為研究對(duì)象，介紹翻斗式雨量計(jì)的工作原理，分析造成誤差的原因，為降水測(cè)驗(yàn)工作提供參考和幫助。

2 翻斗式雨量計(jì)工作原理

翻斗式雨量計(jì)分為傳感器和固態(tài)存儲(chǔ)器兩部分。傳感器由承雨器、上漏斗、計(jì)量翻斗、節(jié)流管、計(jì)數(shù)翻斗、干簧管、脈沖產(chǎn)生電路、底座、外殼和支架等組成，是一個(gè)翻斗式機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)稱重結(jié)構(gòu)。翻斗雨量計(jì)的工作原理為：在降雨過程中，雨水由最上面的承水口進(jìn)入承雨器，雨水落入接水漏斗，經(jīng)漏斗口流入上翻斗，經(jīng)漏斗和節(jié)流管進(jìn)入計(jì)量翻斗，當(dāng)積水量達(dá)到一定高度（根據(jù)靈敏度不同而定，如0.5mm）時(shí)，計(jì)量翻斗失去平衡翻倒，將積水倒入計(jì)數(shù)漏斗，計(jì)量漏斗每翻倒一次，下面的計(jì)數(shù)漏斗跟著也同步翻轉(zhuǎn)一次，而每一次翻斗傾倒，通過安裝在計(jì)數(shù)漏斗上的磁鋼對(duì)固定在支架上的干簧管掃描一次，使其觸點(diǎn)閉合一次，從而向存儲(chǔ)器輸送一次一個(gè)單位降雨量的脈沖信號(hào)，固態(tài)存儲(chǔ)器則將傳感器傳來的脈沖信號(hào)記錄下來。如此往復(fù)，即可將一次降雨過程完整的測(cè)量下來。

3 誤差分析

翻斗式雨量計(jì)在使用過程中，由于其自身結(jié)構(gòu)、原理方面的局限，表現(xiàn)出許多缺陷，如雨量測(cè)量精度較差，測(cè)量誤差大小隨雨強(qiáng)變化較大等，這些缺陷直接影響了降雨觀測(cè)資料的質(zhì)量，但作為測(cè)量雨量的一種儀器，出現(xiàn)誤差是難免的，而我們要做的就是把誤差控制在可接受的范圍內(nèi)。下面我們?cè)敿?xì)分析一下翻斗式雨量計(jì)產(chǎn)生誤差的各種原因。

3.1 儀器的最大起始誤差

翻斗式雨量計(jì)通常安裝在野外，在初始干燥的情況下，在降雨開始的時(shí)候，雨水會(huì)先在進(jìn)水口匯集，之后通過管道，進(jìn)水漏斗，最終進(jìn)入翻斗。在翻斗翻轉(zhuǎn)之前，翻斗內(nèi)的降雨，以及進(jìn)水漏斗、管道、儀器集水面等處殘留的水珠，這些降水都無法再儀器中得到計(jì)量。翻斗翻轉(zhuǎn)之后，翻斗內(nèi)的降水雖然參加了計(jì)量，但進(jìn)水漏斗、管道、儀器集水面等處殘留的水量無法得到反映。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，這就造成了系統(tǒng)誤差，即測(cè)量值總是小于真值。這就是翻斗式雨量計(jì)的最大起始誤差，可分為以下兩部分：

（1）濕潤(rùn)誤差。也就是進(jìn)水漏斗、管道、儀器集水面等處殘留的水珠，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)誤差與降水量和雨強(qiáng)大小無關(guān)，但在降水過程中所占的比重與降水量大小有關(guān)。濕潤(rùn)誤差在每次發(fā)生降水時(shí)且進(jìn)水漏斗、管道、儀器集水面等處比較干燥時(shí)才會(huì)明顯，且是一個(gè)定值，一般通過實(shí)驗(yàn)即可測(cè)出。

（2）分辨率誤差。分辨率誤差就是殘留在翻斗內(nèi)未計(jì)量的降水所導(dǎo)致的誤差，由于降水量的不確定性，所以在降水過程中小于儀器分辨率的計(jì)量誤差無法克服，而且在分辨率范圍內(nèi)呈現(xiàn)隨機(jī)分布的狀態(tài)，所以將殘留在翻斗內(nèi)沒有計(jì)量的降水所導(dǎo)致的誤差直接取為儀器分辨率的最大值，也是一個(gè)定值。

由于濕潤(rùn)誤差和分辨率誤差都是定值，所以儀器的最大起始誤差也是定值。只要測(cè)得了最大起始誤差，就可以了解到降雨小多大儀器才開始記錄，這也是儀器的起始鑒別閥。從而了解到最大起始誤差在某場(chǎng)降雨中所占的比重大小，進(jìn)而評(píng)定本次降水量的計(jì)量過程和精度的優(yōu)劣。

3.2 儀器的翻斗計(jì)量誤差

翻斗在翻轉(zhuǎn)的過程中，需要一定的時(shí)間，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時(shí)間內(nèi)，進(jìn)水漏斗仍然向翻斗內(nèi)注水，如果降雨強(qiáng)度越大，進(jìn)入的水量也越大，降雨強(qiáng)度越小，進(jìn)入的水量也越小，這部分在翻轉(zhuǎn)過程中注入但實(shí)際上并沒有得到計(jì)量的水量，產(chǎn)生了隨降雨強(qiáng)度不同而變化的計(jì)量誤差。

筆者經(jīng)過對(duì)翻斗式雨量計(jì)的注水實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)雨強(qiáng)較大時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)的瞬間注入水量較多，導(dǎo)致儀器自身排水量大小儀器記錄值，測(cè)量精度偏負(fù)。當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)瞬間幾乎無降水注入，導(dǎo)致儀器記錄值大于儀器自身排水量，測(cè)量精度偏正。當(dāng)儀器調(diào)整時(shí)，設(shè)置雨強(qiáng)在2mm/min左右時(shí)，測(cè)量精度最高，誤差接近于零。

3.3 儀器器口尺寸誤差

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/T9458-1999《雨量器技術(shù)條件》規(guī)定，雨量器承水口直徑為200mm。然而，在儀器制造的過程中存在一定的制造誤差，承受雨量的面積與理論上的面積存在一定差異，造成儀器的器口尺寸誤差。另外在儀器使用過程中，需要注意承雨口變形，以免人為造成不必要的誤差。

3.4 儀器的記錄誤差

翻斗式雨量計(jì)的記錄儀器一般是固態(tài)存儲(chǔ)器，性能比較穩(wěn)定可靠，需要注意的是安裝操作正確，注意使用環(huán)境等。一般來說，記錄誤差小于傳感器測(cè)量的誤差。

4 改進(jìn)方法

通過以上所述，分析出了翻斗式雨量計(jì)產(chǎn)生誤差的各種原因。為了提高儀器精度，更好的為雨量觀測(cè)服務(wù)，可以有針對(duì)性的采用一些方法來盡可能的減小翻斗式雨量計(jì)的誤差。

4.1 翻斗感量的調(diào)整

翻斗式雨量計(jì)的計(jì)量誤差與翻斗感量以及降雨強(qiáng)度都存在一定的函數(shù)關(guān)系，不同的雨強(qiáng)條件下，不同的翻斗感量對(duì)計(jì)量誤差有不同的影響。在實(shí)際工作中，可以根據(jù)不同的降雨情況，調(diào)整翻斗感量，使翻斗感量在經(jīng)常出現(xiàn)的雨強(qiáng)范圍內(nèi)，能夠盡量減小計(jì)量誤差。但這種改正措施在實(shí)際操作中比較復(fù)雜，只能經(jīng)常調(diào)整，掌握一定經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，才能使調(diào)整后的翻斗感量達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 減小翻斗傾角

翻斗傾角就是翻斗部件的安裝角度，減小翻斗傾角實(shí)際就是縮短了翻斗室計(jì)量轉(zhuǎn)換的路程，從而縮短了翻斗翻轉(zhuǎn)的時(shí)間，減少了翻斗翻轉(zhuǎn)過程中進(jìn)水漏斗仍然向翻斗內(nèi)注水的增量，使翻斗動(dòng)態(tài)計(jì)量相對(duì)誤差減小。這種方法是可行的，但翻斗傾角不能太小，否則會(huì)造成儀器的不穩(wěn)定。

4.3 增加翻斗式雨量計(jì)承雨器器口面積

為了抵消儀器的濕潤(rùn)誤差，從而使儀器整體測(cè)量精度獲得提高，在儀器制作時(shí)一般會(huì)故意將儀器承雨器器口尺寸制作偏大。除了抵消濕潤(rùn)誤差外，增加雨量計(jì)承雨器器口面積還會(huì)增加每次進(jìn)入翻斗的水的重量，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)量精度最便捷的方法之一。

4.4 通過軟件進(jìn)行修正

翻斗式雨量計(jì)傳感器配備有顯示屏、記錄裝置、傳輸裝置、存儲(chǔ)裝置，是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。由于翻斗計(jì)量誤差隨雨強(qiáng)不同而發(fā)生變化，兩者具備一定的相關(guān)關(guān)系，所以可以利用測(cè)量翻斗翻轉(zhuǎn)的時(shí)間間隔，來推算出當(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。而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有充分保障的傳感器，可以通過實(shí)驗(yàn)得出儀器計(jì)量誤差與雨強(qiáng)具體的相關(guān)關(guān)系，制定為某種線性關(guān)系，作為一種公式植入到系統(tǒng)軟件內(nèi)，對(duì)翻斗計(jì)量誤差進(jìn)行改正。通過軟件改正，可以有效的提高翻斗雨量計(jì)傳感器的測(cè)量精度。

5 結(jié)語

大氣降水測(cè)量是地球水循環(huán)監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)的降水測(cè)量是水資源利用開發(fā)、旱澇災(zāi)害預(yù)警和環(huán)境評(píng)估等各方面的重要組成部分，高質(zhì)量的降水資料可以為防汛抗旱、水資源開發(fā)利用、水文預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)等提供可靠依據(jù)。所以作為能夠直接影響到降水資料質(zhì)量的翻斗式雨量計(jì)的誤差問題也顯得尤為重要。在使用中，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)降水的不同，來因地制宜，分析誤差產(chǎn)生的原因，并有針對(duì)性的進(jìn)行改進(jìn)，不斷提高翻斗式雨量計(jì)的測(cè)量精度。本文在翻斗式雨量計(jì)結(jié)構(gòu)和原理方面分析了一些誤差產(chǎn)生的原因，并提供了一些減小誤差的觀點(diǎn)，希望能夠?qū)σ院髢x器的設(shè)計(jì)調(diào)試和檢定實(shí)驗(yàn)有所幫助。