翻斗式、壓電式雨量計測量原理及誤差分析

陳 凱 方海濤 沈玉亮

（安徽省大氣探測技術保障中心，安徽 合肥230031）

由于我國幅員遼闊，地形多變，降水主要對流雨、地形雨、鋒面雨、臺風雨幾種類型。

對于不同測量精度和應用場景選擇不同測量原理的雨量計，就具有十分重要的意義。文章從測量原理、性能差異、降水強度、測量環(huán)境等因素進行誤差分析，進而為設備選型提供基礎性參考。

1 雨量計的技術原理

1.1 翻斗式雨量計

翻斗式雨量計由測量部件和雨軸承部件組成。計量部件由恒磁鋼、排水漏斗、信號輸出端子、控制線路板組成；承雨器部件由承雨口、飲水漏斗、翻斗、角調(diào)節(jié)裝置、水平調(diào)節(jié)裝置、干簧管等構(gòu)成。

工作原理為：其工作原理是:雨水從上承座進入貯水器，落入水漏斗，再通過漏斗口流入翻斗桶。

當蓄水量達到一定高度（如0.01mm）時，翻斗會失去平衡而翻倒。每次鏟斗被翻倒時，開關就連接到電路上，向記錄器發(fā)送一個脈沖信號。記錄器控制記錄器來記錄降雨，因此降雨過程可以持續(xù)測量。

1.2 壓電式雨量計

壓電式雨量計主要由所述感測元件測量降雨，所述感測元件由殼體和粘貼在殼體內(nèi)的壓電陶瓷片組成。

工作原理：雨滴落在傳感器上，作用在傳感器表面。在雨滴的沖擊激勵下，殼體會產(chǎn)生微小的機械振動。壓電陶瓷板在振動的機械應力作用下，電極之間產(chǎn)生電壓差，并將電信號輸出到外界。雨滴沖擊的沖擊力越大，振動幅值越大，傳感器元件輸出電壓幅值越大。

該傳感器是通過采集壓電元件的輸出信號得到的，由高斯模型可用于在標準大氣條件下得到雨滴的垂直最終速度。雨滴下落的垂直動量為Mv=mVv=m（Vt+Vwv）

式中，m 是雨滴質(zhì)量，Vt 是垂向雨滴終速，Vwv 是垂向風速。對于等效直徑為D 的雨滴，雨滴質(zhì)量為m=πρD/6

ρ=1g/mm3為雨水的密度，忽略通常情況很小的垂向風速，垂直動量只與雨滴的質(zhì)量和下落終速有關Mv-mVt

根據(jù)沖量定理，雨滴的動量將被傳感器元件的沖擊力所代替。

在沖擊力作用下，傳感器殼體產(chǎn)生機械振動，壓電傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

每個雨滴對應的輸出電壓信號為振幅呈指數(shù)衰減的正弦信號，輸出電壓在沖擊時刻達到最大值，峰值電壓為Um=cMv=cmVt=πρcD/6

式中c 是壓電傳感器的靈敏度，由壓電材料的壓電系數(shù)決定。雨滴終速Vt 是雨滴粒徑D 的正相關函數(shù)，因此通過采集各壓電材料輸出信號的峰值電壓來計算相應的雨滴尺寸和體積，得到峰值電壓與雨滴尺寸的關系：Um=5.05ρc [1-exp(-0.53D)]D3（ρ、c 為常量）。

2 測量值誤差分析及改進措施

2.1 翻斗式雨量計誤差分析及改進措施

（1）翻斗式雨量計誤差分析

翻斗式雨量計測量雨量，由于結(jié)構(gòu)本身的缺陷，誤差主要由翻斗傾角偏大和翻斗轉(zhuǎn)動頻率引起的。

當然，在實際使用中，降水量受到環(huán)境（例如風、地形、蒸發(fā)等）因素的影響產(chǎn)生誤差。

翻斗式雨量計進行實際測量時，固定誤差（分辨力誤差和濕潤誤差）濕潤誤差是殘留的水珠和水膜沒有及時進入翻斗計量產(chǎn)生誤差，分辨力誤差是由于雨量較小，未能夠達到翻斗翻動最小值，產(chǎn)生有雨，但是雨量計無數(shù)值。翻斗式雨量計承水口口徑的面積，是影響儀器精度的因素之一。

（2）翻斗式雨量計的改進措施

通過誤差分析，可采用調(diào)整翻斗感量、減小翻斗傾角，縮短翻斗轉(zhuǎn)換時間、增大翻斗式雨量計的承雨口面積、表面涂抹特殊材質(zhì)等方法減小固有誤差，通過技術標定，提高翻斗式雨量計的傳感器測量精度。

2.2 壓電式雨量計誤差分析及改進措施

（1）壓電式雨量計誤差分析

壓電式雨量計測量雨量，由于結(jié)構(gòu)本身的缺陷，誤差主要由雨滴重疊跌落和信號噪聲干擾引起的。

當然，在實際使用中，降水量受到環(huán)境（例如風、地形、雜物等）因素的影響產(chǎn)生誤差。

壓電式雨量計在實際測量中，由于重疊邊界效應，在大雨強情況下，雨強可以定性但在定量方面測量精度產(chǎn)生偏差偏差，對于極小雨強在信號噪聲干擾下，也易出現(xiàn)測量精度偏差。

（2）壓電式雨量計改進措施

通過誤差分析，可采用適度增加傳感器受力面積，優(yōu)化壓電感片貼合技術減小邊界效應對單個雨滴的測量影響，設計兩路采集電路，采用不同放大倍數(shù)，經(jīng)濾波電路處理，去除高頻噪聲信號及低頻紋波的信號干擾。

3 翻斗式雨量計和壓電式雨量計優(yōu)缺點

3.1 翻斗式雨量計優(yōu)缺點

翻斗式雨量計自動化程度高，獲取降雨量的及時性強，降水量信號數(shù)字化，降水量資料準確可靠，有明確的技術規(guī)范要求，每年進行雨量標定。

缺點是野外安裝對觀測環(huán)境要求高，雨量數(shù)據(jù)有延時，要加強日常維護，防止雨量桶堵塞。

3.2 壓電式雨量計優(yōu)缺點

壓電式雨量計集成度高，量程大，最大可測量8mm/min 降水雨強，比翻斗式雨量計監(jiān)測量程大，能完成精確到秒的降水時長監(jiān)測，一體化封裝，野外安裝占地面積小，基本無需維護，缺點是信號由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號損耗，無明確的技術規(guī)范要求，不能對設備進行標定，長期使用，無法確實數(shù)據(jù)真實可靠。雨量數(shù)據(jù)定性監(jiān)測較好，定量監(jiān)測數(shù)據(jù)不可靠。

綜上所述，精確的降水測量對于水資源利用、災害預警和環(huán)境評估等方面有重要意義，高質(zhì)量的降水資料可以為氣象、水文、國土等部門計算、分析、使用提供可靠依據(jù)，不同雨量計的誤差問題會直接影響降水資料的可用性。

在使用中應根據(jù)不同區(qū)域、不同使用要求、不同使用環(huán)境來選擇雨量計，當然，隨著探測技術的發(fā)展，不同雨量計的數(shù)據(jù)可靠性還會進行改進。