自動(dòng)雨量傳感器典型檢定故障案例分析

汪洋，曾子欣，易恒，侯陽(yáng)笛，陳亮

（1.湖南省氣象技術(shù)裝備中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.祁東縣氣象局，湖南 祁東 421001；3.湖南省氣象局機(jī)關(guān)服務(wù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

目前，根據(jù)中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)布局要求，湖南省內(nèi)國(guó)家級(jí)自動(dòng)站、區(qū)域站、骨干站等站點(diǎn)均采用了自動(dòng)翻斗計(jì)數(shù)雨量觀測(cè)裝置，為保證雨量觀測(cè)真實(shí)有效，省級(jí)、市級(jí)裝備保障部門每年會(huì)根據(jù)工作計(jì)劃進(jìn)行雨量筒現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行維修維護(hù)，以保證測(cè)量精度，提高測(cè)報(bào)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。

1 自動(dòng)氣象站雨量傳感器的運(yùn)行原理

隨著全球氣象條件的不斷變化，多數(shù)地區(qū)的氣象災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了極大地破壞。對(duì)此，各國(guó)紛紛對(duì)氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)投入大量的人力與物力，深入研究提高對(duì)氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與代表性的技術(shù)與方案，加強(qiáng)對(duì)極端天氣的預(yù)警。為了科學(xué)有效地監(jiān)測(cè)氣象，及時(shí)采取措施進(jìn)行防控，越來(lái)越多的自動(dòng)氣象觀測(cè)站被建成并使用，成為氣象觀測(cè)站的重要組成內(nèi)容。當(dāng)前，我國(guó)自動(dòng)氣象觀測(cè)站的設(shè)備觀測(cè)技術(shù)已逐漸成熟，獲得了不錯(cuò)的監(jiān)測(cè)效果。但自動(dòng)氣象觀測(cè)站的運(yùn)行離不開(kāi)穩(wěn)定的設(shè)備監(jiān)測(cè)，一旦某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，將對(duì)整個(gè)氣象監(jiān)測(cè)鏈條帶來(lái)破壞，最終無(wú)法保障數(shù)據(jù)的有效性。

現(xiàn)階段的雨量傳感器多采用翻斗式，組成器件為承水器、計(jì)數(shù)翻斗、上下翻斗、計(jì)量翻斗等，過(guò)濾網(wǎng)、上筒、聯(lián)接螺釘、磁鋼、干簧管、水準(zhǔn)泡、調(diào)平螺釘?shù)?。雨水通過(guò)漏斗進(jìn)入到上翻斗，逐漸匯集到預(yù)設(shè)模板，然后在雨水自身重力的影響下，上翻斗轉(zhuǎn)動(dòng)，雨水進(jìn)入到翻斗中，而后在計(jì)數(shù)翻斗中精確地記錄不同程度的降水量。直至計(jì)量翻斗中的雨量為0.1mm，計(jì)數(shù)翻斗將進(jìn)行一次轉(zhuǎn)動(dòng)和一次掃描。簡(jiǎn)而言之，即翻斗中的雨量每到達(dá)一次0.1mm，就會(huì)由設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)并記錄降雨量。

2 自動(dòng)雨量傳感器相關(guān)要求和參數(shù)

目前湖南省內(nèi)采用的雙翻斗式雨量傳感器主要包含了筒身、翻斗、底座、固定螺桿等幾個(gè)主要部件，根據(jù)JJG（氣象）自動(dòng)氣象站翻斗式雨量傳感器檢定規(guī)程，合格的雨量傳感器必須±0.4mm（雨量≤10mm，雨強(qiáng)≤4mm/min），±4%（雨量＞10mm，雨強(qiáng)≤4mm/min），被測(cè)雨量筒承水口內(nèi)徑為200mm或者是159.6mm，分辨率為0.1mm。

為了保證計(jì)量檢定的標(biāo)準(zhǔn)和有效，自動(dòng)雨量筒的檢定分為外觀檢定、測(cè)量誤差檢定、數(shù)據(jù)處理三個(gè)步驟。外觀檢定作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)步驟，具有十分重要的作用和意義。現(xiàn)在啟用的自動(dòng)雨量觀測(cè)設(shè)備中全部設(shè)置在野外觀測(cè)環(huán)境中，雨量積水筒外部環(huán)境不可避免會(huì)接觸到自然環(huán)境中的種種生物或者影響要素，外觀檢定要求檢定工作人員對(duì)被檢傳感器的承水器、過(guò)濾網(wǎng)、漏斗、翻斗等零件清洗干凈，并對(duì)承水口內(nèi)徑大小測(cè)量記錄，以保證雨量傳感器工作進(jìn)程不受其他外界因素干擾。測(cè)量誤差是雨量傳感器檢定的第二個(gè)步驟，其要求標(biāo)準(zhǔn)化傳感器檢定步驟，充分濕潤(rùn)標(biāo)準(zhǔn)器和管路，排除水路中的氣泡，確保加液器的正常工作。測(cè)量誤差步驟結(jié)束后，檢定工作人員需要對(duì)每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，確定被檢儀器的相對(duì)測(cè)量誤差有效。

（1）式中，△r是被檢儀器的相對(duì)測(cè)量誤差，△R是被檢儀器的測(cè)量誤差，R是標(biāo)準(zhǔn)值。

3 雨量傳感器的常見(jiàn)故障及處理措施

翻斗是雨量傳感器的重要組成元件，對(duì)整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行起著關(guān)鍵影響。實(shí)際工作中，雨量傳感器的故障發(fā)生率也最高，是最需要定期養(yǎng)護(hù)和維修的傳感器。

3.1 雨量缺測(cè)

根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)顯示，某區(qū)域?qū)嶋H有降雨但傳感器未顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，那么就要檢查傳感器。當(dāng)雨量偏低而傳感器完全無(wú)記錄，原因?yàn)閭鞲衅鞯挠?jì)量精度降低或集水裝置出現(xiàn)誤差，一般先檢查采集器的接口有無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象，另外檢查傳感器的接線頭有無(wú)擰緊，兩個(gè)部位都未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就要分析干簧管是否出現(xiàn)故障。主要方法是：拆掉傳感器，將萬(wàn)用表的針頭撥到電阻痛斷蜂鳴檔，然后使用紅黑筆分別接觸傳感器的線柱，翻動(dòng)計(jì)數(shù)翻斗到中間位置，萬(wàn)用表發(fā)出響聲說(shuō)明正常，無(wú)聲音則是傳感器出現(xiàn)故障，需要更換干簧管。

3.2 雨量觀測(cè)值不準(zhǔn)確

這是雨量監(jiān)測(cè)工作的常見(jiàn)問(wèn)題，當(dāng)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)值與實(shí)際數(shù)值偏差較小時(shí)，需要檢查傳感器的承水口、內(nèi)部漏洞以及翻斗的流通情況，判斷是否因異物堆積導(dǎo)致的堵塞，做好清理工作。當(dāng)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)值偏大，已經(jīng)超過(guò)實(shí)際降雨量的4%，則可判定為儀器故障，主要是因?yàn)榉吩苓^(guò)多的摩擦出現(xiàn)不靈敏的問(wèn)題，可以通過(guò)重新調(diào)整螺絲來(lái)進(jìn)行值的校準(zhǔn)。具體措施為：調(diào)整計(jì)量翻斗兩側(cè)的定位螺釘，同時(shí)旋轉(zhuǎn)螺釘一圈，測(cè)量值偏大需要向外旋轉(zhuǎn)，測(cè)量值偏小則向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，然后使用量杯裝入10mm的水量，依次慢速和快速倒入翻斗檢驗(yàn)，直至符合計(jì)量誤差在4%之內(nèi)。

3.3 連接線中斷

如果雨量傳感器監(jiān)測(cè)為正常而所得數(shù)據(jù)與實(shí)際不符，需要分析是否通訊通道出現(xiàn)故障，一般檢查傳感器的接線頭到采集器端口的通道是否受到阻礙，則要采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。除了常見(jiàn)故障的處理外，做好日常管養(yǎng)也是十分有必要的。要實(shí)現(xiàn)雨量傳感器的有序運(yùn)行，使得測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)有效，必須每個(gè)月對(duì)資料加以匯總、整理和分析，增強(qiáng)人工干預(yù)，對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)補(bǔ)測(cè)等。

4 自動(dòng)雨量傳感器典型故障案例

對(duì)于一般的被檢儀器，工作人員一般采用福建X雨量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行檢定，該標(biāo)準(zhǔn)器可以根據(jù)被檢設(shè)備調(diào)整雨強(qiáng)大小檢定參考值，從而完成相對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比檢定。

由于雙翻斗式雨量傳感器的構(gòu)造，其一般性的故障表現(xiàn)通常為大雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)同步偏大或者同步偏小，其故障的偏差與翻斗對(duì)應(yīng)的杠桿螺絲具有一致性，大雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)的被測(cè)值會(huì)隨著杠桿螺絲的調(diào)整同步變大或者變小，最終達(dá)到額定值。本文需要分析的典型故障同一般性故障不同，其具體表現(xiàn)為大雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)被測(cè)值隨著杠桿螺絲的調(diào)整會(huì)往兩個(gè)極端偏差，大雨強(qiáng)被測(cè)值數(shù)值變大，小雨強(qiáng)數(shù)值變小。

根據(jù)自動(dòng)雨量傳感器故障維修維護(hù)排查步驟，工作人員首先檢查了被檢傳感器的外觀裝置，手動(dòng)清除了掛壁和翻斗的明顯污漬并用定額流水進(jìn)行檢測(cè)，確保水流通順。完成該步驟后，工作人員對(duì)被檢傳感器進(jìn)行了再一次的大雨強(qiáng)小雨強(qiáng)標(biāo)定，最終顯示結(jié)果仍然是被檢大雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)偏差過(guò)大。接下來(lái)，工作人員對(duì)上下翻斗對(duì)應(yīng)螺桿進(jìn)行調(diào)整，分別按照同步偏大和同步偏小的步驟對(duì)被檢傳感器進(jìn)行調(diào)整并重新檢定，結(jié)果顯示仍然偏差過(guò)大并且偏差持續(xù)加大，大雨強(qiáng)通過(guò)調(diào)整可以接近額定標(biāo)準(zhǔn)值但小雨強(qiáng)越發(fā)偏小。

通過(guò)對(duì)檢定過(guò)程的反復(fù)測(cè)試和觀察，工作人員發(fā)現(xiàn)造成故障的原因是標(biāo)準(zhǔn)器的送水管道損壞，檢定給水過(guò)程中原定送給被檢儀器的水會(huì)隨著破損處流出從而造成檢定結(jié)果偏差。由于大雨強(qiáng)檢定過(guò)程中速率較快，時(shí)間較短，所以被檢儀器可以根據(jù)對(duì)應(yīng)杠桿的調(diào)整反映出結(jié)果從而向標(biāo)準(zhǔn)值貼近，而小雨強(qiáng)檢定過(guò)程速率較慢，時(shí)間較長(zhǎng)，平均12分鐘的檢定過(guò)程會(huì)損失差不多15%的標(biāo)準(zhǔn)值水量注入，最終導(dǎo)致結(jié)果就是檢定過(guò)程調(diào)整后的大雨強(qiáng)隨著杠桿調(diào)整貼近額定值，小雨強(qiáng)仍保留15%左右的誤差，兩者相對(duì)誤差持續(xù)增加。

5 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)的各類氣象觀測(cè)設(shè)備數(shù)量繁多，種類各異，計(jì)量檢定任務(wù)也隨之加重，遇到的各種問(wèn)題也是層出不窮，本文討論的自動(dòng)雨量傳感器檢定故障只是一種典型的情況，工作人員在現(xiàn)實(shí)中的檢定過(guò)程必須要通盤考慮，仔細(xì)觀察標(biāo)準(zhǔn)器和被檢儀器的工作狀態(tài)，才能更好的完成檢定工作。