關(guān)于提升JDZ05-1型翻斗式雨量計(jì)測量精度的方法研究

高小婭，耿 楠，丁揚(yáng)威，陸乙君，黃小彬，王恭濤

（杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

關(guān)于提升JDZ05-1型翻斗式雨量計(jì)測量精度的方法研究

高小婭，耿 楠，丁揚(yáng)威，陸乙君，黃小彬，王恭濤

（杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

為進(jìn)一步提高JDZ05 - 1型翻斗式雨量計(jì)的測量精度，在分析誤差產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，采用減小翻斗傾角及斗室轉(zhuǎn)換時(shí)間、承雨器滴嘴處安裝微型閥門及雙干簧管錯(cuò)位布置等改進(jìn)方法，減小由于翻斗部件、發(fā)信部件等因素引起的測量誤差，從而提升JDZ05 - 1型翻斗式雨量計(jì)的測量精度。

翻斗式雨量計(jì)；測量精度；誤差分析；改進(jìn)方法

隨著水文信息化的發(fā)展，翻斗式雨量計(jì)因其可自動傳輸數(shù)據(jù)、無需人工駐守觀測、汛期可快速顯示雨量值和降雨時(shí)段等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸替代傳統(tǒng)的雨量器和虹吸式雨量計(jì)，廣泛應(yīng)用于水文自動測報(bào)系統(tǒng)的降雨量觀測中。

JDZ05 - 1型翻斗式雨量計(jì)是水利部南京水利水文自動化研究所生產(chǎn)的降雨量觀測專用器具。因其結(jié)構(gòu)簡單，以脈沖信號形式呈現(xiàn)降雨量信息，便于遠(yuǎn)距離有線傳輸和無線遙測，滿足降雨量觀測要求等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1]。隨著水文信息化系統(tǒng)對降雨量觀測精度要求的提高，進(jìn)一步減小JDZ05 - 1型翻斗式雨量計(jì)的測量誤差，提高測量精度，是提高降雨量觀測精度的技術(shù)保證。

1 JDZ05 - 1型翻斗式雨量計(jì)工作原理

JDZ05 - 1型翻斗式雨量計(jì)由承雨器件、計(jì)量組件等組成（見圖1）。承雨器件用于采集、承接降雨，包括承雨器、防蟲網(wǎng)、漏嘴、筒身等。計(jì)量組件是一個(gè)翻斗式機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)秤重機(jī)構(gòu)，其功能是將以毫米計(jì)的降雨深度轉(zhuǎn)換為以克（或毫升）計(jì)的相應(yīng)單元重量（或體積），在降雨過程中，用開關(guān)量的形式將采集的信息量同步輸出。

JDZ05 - 1型翻斗式雨量計(jì)工作時(shí)，承雨器環(huán)口承接的雨量經(jīng)漏嘴匯集到漏斗內(nèi)，再通過滴嘴滴落到處于上斗的翻斗里。當(dāng)翻斗內(nèi)的水量達(dá)到15.71 g（或mL）時(shí)，翻斗會因?yàn)樽陨碇亓ψ孕蟹D(zhuǎn)1次。在翻斗翻轉(zhuǎn)過程中，翻斗部件的磁鋼接近干簧管，其磁場激勵(lì)干簧管中的簧片，2簧片分別被磁化為N、S極，異性相吸，開關(guān)閉合，電路瞬間導(dǎo)通，完成1個(gè)單元降雨量（0.5 mm）的轉(zhuǎn)換和信號輸出。同時(shí)，原先翻斗部件的下斗則上升，轉(zhuǎn)換為上斗。重復(fù)上述動作，可不間斷地循環(huán)計(jì)量降雨量。

圖1 翻斗式雨量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 測量誤差原因分析

在以往的使用過程中，通過比較分析實(shí)際降水量和儀器排水量之間的誤差發(fā)現(xiàn)，引起雨量計(jì)測量誤差的原因包括外部環(huán)境和機(jī)械部件引起的誤差，機(jī)械部件引起的誤差為主要誤差。

2.1 翻斗部件引起的誤差

翻斗計(jì)量工作是一個(gè)動態(tài)的過程。當(dāng)雨強(qiáng)很大時(shí)，進(jìn)入翻斗的水連續(xù)不斷，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的重量（容積）時(shí)，翻斗開始翻轉(zhuǎn)（t1），但雨水仍不停地注入翻斗（見圖2），直至翻斗中間隔板越過中心線，水流進(jìn)入另一斗室（t2），在t1 ～ t2這一時(shí)段Δt內(nèi)，翻斗內(nèi)多計(jì)量ΔW水量。降水強(qiáng)度越大，多計(jì)量的ΔW水量越大。這部分在翻斗翻轉(zhuǎn)過程中注入但實(shí)際并未得到計(jì)量的ΔW水量，即翻斗計(jì)量動態(tài)誤差ΔE，與翻斗的安裝傾角φ、雨強(qiáng)I等因素有關(guān)。

圖2 翻斗部件引起的誤差圖

2.2 發(fā)信部件引起的誤差

翻斗式雨量計(jì)現(xiàn)有的2組發(fā)信部件，其中一組為備用。翻斗側(cè)壁上裝有磁鋼，當(dāng)翻斗部件掠過干簧管時(shí)，磁鋼從干簧管磁敏接近開關(guān)旁掃過，使干簧管磁敏接近開關(guān)通斷狀態(tài)發(fā)生變化。面對環(huán)境的磁干擾，若干簧管或磁鋼元件性能失常，則會發(fā)生連擊或漏擊的情況，從而產(chǎn)生降雨量的計(jì)量誤差[2]。

3 改進(jìn)方法

通過對引起雨量計(jì)測量誤差的主要原因分析，有針對性地采取改進(jìn)方法，盡可能減小測量誤差。

3.1 減小翻斗傾角及斗室轉(zhuǎn)換時(shí)間

式中：M為斗室雨水的翻轉(zhuǎn)動力矩（N · m）；J為翻斗部件轉(zhuǎn)動慣量（kg · ㎡）；ω為翻斗部件翻轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；t為翻斗部件翻轉(zhuǎn)時(shí)間（s）。

當(dāng)減小翻斗部件的傾角φ時(shí)，即減小2斗室計(jì)量轉(zhuǎn)換的路程，縮短翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)間Δt，若翻斗部件轉(zhuǎn)動慣量J和翻斗部件翻轉(zhuǎn)角速度ω一定時(shí)，角加速度Δω/Δt越大，斗室的翻轉(zhuǎn)力矩越大，在翻轉(zhuǎn)過程中多計(jì)量的水量ΔW越少，計(jì)量誤差越小。

通過對JDZ05 - 1型雨量計(jì)安裝調(diào)試過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在雨強(qiáng)4 mm/min時(shí)，得到測量誤差與翻斗傾角的數(shù)據(jù)見表1。

翻斗部件的運(yùn)動方程式為[3]：

表1 雨強(qiáng)一定時(shí)測量誤差與翻斗傾角的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)表明，減小翻斗部件傾角，縮短翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)間，減小測量誤差是可行的。但翻斗部件傾角不宜小于10°，否則儀器計(jì)量穩(wěn)定性差。

3.2 承雨器滴嘴處安裝微型閥門

在翻斗上方的承雨器滴嘴處安裝1個(gè)微型閥門[4]，利用翻斗本身的機(jī)械力控制閥門啟閉。當(dāng)翻斗開始翻轉(zhuǎn)至翻轉(zhuǎn)完成的Δt時(shí)間內(nèi)，閥門被關(guān)閉，雨水暫存于承雨器內(nèi)；當(dāng)翻斗翻轉(zhuǎn)完成，滴嘴下方的翻斗為空時(shí)，閥門被打開，雨水注入斗室。避免翻斗翻轉(zhuǎn)過程中多計(jì)量ΔW水量，盡可能減小計(jì)量誤差。

圖3 安裝微型閥門后的結(jié)構(gòu)圖

3.3 雙干簧管錯(cuò)位布置

采用2支錯(cuò)位布置的單干簧管構(gòu)成翻斗左右斗室的雙干簧管裝置。當(dāng)翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)，檢測到一支單干簧管吸合、再檢測到另一支單干簧管吸合，才認(rèn)為信號有效，否則視為故障工況。可有效解決單干簧管易受環(huán)境磁干擾產(chǎn)生誤動作的缺陷，提升雨量計(jì)測量的可靠性。

4 結(jié) 語

通過分析引起JDZ05 - 1型翻斗式雨量計(jì)測量誤差的主要原因，提出改進(jìn)測量精度的方法,理論上減少了雨量計(jì)的測量誤差，具有一定的可行性。但在實(shí)際使用中，這些方法還需根據(jù)具體情況進(jìn)一步驗(yàn)證，從而采取可行的措施提升測量精度。

[1] 黃亮.JDZO5 - 1型翻斗式雨量傳感器的實(shí)際應(yīng)用[J].水利水文自動化，2004(4)：40 - 42.

[2] 楊云霞.翻斗式雨量傳感器誤差探析[J].西北水力發(fā)電，2005(21)：131 - 133.

[3] 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.

[4] 梁朝陽，李清，劉瀏，等.翻斗式雨量計(jì)的誤差分析[J].氣象水文海洋儀器，2016(1)：68 - 71.

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

About Improving JDZ05-1Type Tilting Rain Gauge Measurement Precision of the Method Research

Gao Xiao - ya，Geng Nan，Ding Yang - wei，Lu Yi - jun，Huang Xiao - bin，Wang Gong - tao
( Hangzhou Ding Chuan Information Technology CO., LTD，Hangzhou 310020，Zhejiang，China )

In order to further improve JDZ05 - 1 type tilting rain gauge measurement accuracy in using process，based on the analysis of the cause of the error，reduce the tilt Angle and transformation of a small time，bearing the rain drops of mouth micro valve installation and improvement methods，such as double reed tube dislocation arrangement. By the improved method can decrease due to skip parts，measuring error caused by the factors such as transmitting parts，thereby improving JDZ05 - 1 type tilting rain gauge measuring precision, has certain feasibility in the practical application.

tipping bucket rain gauge；measurement accuracy；error analysis；improved method

TP202

A

1008 - 701X(2017)03 - 0005 - 02

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.002

2016-10-20

高小婭(1983 - )，女，工程師，碩士，主要從事水利信息化技術(shù)研究。