SL3-1 型雙翻斗雨量計(jì)測(cè)量協(xié)調(diào)性研究

黃鵬良，周自忠，姚靜遠(yuǎn)，章 煥，虞歷堯

（浙江省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，浙江 杭州 310016）

0 引言

雙翻斗雨量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，誤差分析和檢修方法的總結(jié)較多，定量分析翻斗協(xié)調(diào)性的研究較少。一定程度上，雙翻斗雨量計(jì)的上翻斗設(shè)計(jì)可使流入下翻斗（也稱計(jì)量翻斗）的雨水流動(dòng)速度在不同雨強(qiáng)下較為一致，使得下翻斗的流失量帶來(lái)的誤差控制在一定范圍內(nèi)，但當(dāng)上下翻斗翻轉(zhuǎn)比例調(diào)整不佳時(shí)，下翻斗的流失量帶來(lái)的誤差（翻轉(zhuǎn)誤差）可使雨量計(jì)檢定示值（雨量計(jì)在檢定調(diào)試時(shí)的雨量測(cè)得值）超差，甚至出現(xiàn)大雨強(qiáng)下檢定示值偏大、小雨強(qiáng)下檢定示值偏小的兩極分化現(xiàn)象。因此如何調(diào)整上下翻斗的翻轉(zhuǎn)比例使其運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)，以使雙翻斗雨量計(jì)適應(yīng)不同雨強(qiáng)，梁朝陽(yáng)等[1]認(rèn)為利用大雨強(qiáng)調(diào)試雨量計(jì)使上翻斗翻轉(zhuǎn)頻率低于下翻斗而兼容不同雨強(qiáng)性能，劉宗慶等[2]認(rèn)為上下翻斗比例關(guān)系近于 9∶10 最為合理，前者已提出上下翻斗翻轉(zhuǎn)頻率對(duì)誤差產(chǎn)生影響但未進(jìn)行量化，而對(duì)后者量化出的比例關(guān)系還有必要深究探討。為此，本研究將建立數(shù)學(xué)模型，定量分析上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值（翻斗實(shí)際開始翻轉(zhuǎn)時(shí)的斗內(nèi)水量）和流失量的關(guān)系，上翻斗排水量與下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值和流失量的關(guān)系，根據(jù)上下翻斗的協(xié)調(diào)性，對(duì)雨量計(jì)進(jìn)行狀態(tài)分類，得出雨量計(jì)最佳工作狀態(tài)時(shí)的上下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值和比例關(guān)系，以有效解決雨量計(jì)兩極分化難題。

1 協(xié)調(diào)性模型分析

1.1 上翻斗排水量

雙翻斗雨量計(jì)示意圖如圖1 所示。雨水從承水器經(jīng)過(guò)漏斗進(jìn)入上翻斗，當(dāng)雨量超過(guò)上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值 P上閾（P 為降水深度，單位為 mm）時(shí)，上翻斗失去平衡而翻轉(zhuǎn)，使上翻斗換斗承接雨水。上翻斗在翻轉(zhuǎn)開始到翻斗中間隔板越過(guò)儀器中心的時(shí)間段內(nèi)仍然有雨水注入，該注入水量沒(méi)有計(jì)入上翻斗計(jì)量中，此部分水量稱為上翻斗流失量 P上失。在翻斗不粘涂層保留完整情況下，傾倒后不會(huì)有水殘留[3]，上翻斗單次翻轉(zhuǎn)向下方匯集漏斗排水量等于上翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值與流失量之和，稱為上翻斗單次排水量 P上排，則 P上排= P上閾+ P上失。

圖1 雙翻斗雨量計(jì)示意圖

1.2 下翻斗排水量

下翻斗承接上翻斗的向下排水，當(dāng)下翻斗因雨量超過(guò)翻轉(zhuǎn)閾值 P下閾時(shí)失去平衡而翻轉(zhuǎn)。因存在傾角，在上下翻斗不完全同步情況下，下翻斗在翻轉(zhuǎn)開始到翻斗中間隔板越過(guò)儀器中心的時(shí)間段內(nèi)，仍然有雨水注入，該注入量沒(méi)有計(jì)入下翻斗計(jì)量中，稱為下翻斗流失量 P下失（翻轉(zhuǎn)誤差）。所以，下翻斗單次翻轉(zhuǎn)向計(jì)數(shù)翻斗的排水量等于下翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值與流失量之和，稱為下翻斗單次排水量 分辨力為 0.01 g（0.000 3 mm 降水量），稱重器的分辨力為 0.1 g（0.003 mm 降水量），P上閾和 P上失的數(shù)值都為 50 次獲取值的算術(shù)平均值。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。P下排，則 P下排= P下閾+ P下失。

表1 編號(hào) 201912696 雨量計(jì)上翻斗流失量的波動(dòng)范圍統(tǒng)計(jì)

1.3 協(xié)調(diào)性分析模型

為便于統(tǒng)計(jì)分析，雨量計(jì)的協(xié)調(diào)性分析模型表達(dá)為 P上排/P下排。SL3-1 型雙翻斗雨量計(jì)的翻斗分辨力為 0.1 mm，當(dāng)雨量計(jì)調(diào)試至最佳狀態(tài)時(shí)，下翻斗單次排水量為 0.100 mm（換算為承水口徑 20 cm 雨量計(jì)的降水體積為 3.14 mL），即 P下排= P下閾+ P下失= 0.100 mm；當(dāng)雨量計(jì)上下翻斗完全協(xié)調(diào)同步時(shí)，上翻斗單次排水量也為 0.100 mm，即 P上排=P上閾+ P上失= 0.100 mm。根據(jù)協(xié)調(diào)性模型對(duì)上下翻斗的協(xié)調(diào)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，模擬降水標(biāo)準(zhǔn)量都為 10 mm，換算體積為 314 mL，大、小雨強(qiáng)分別為 4 和 1 mm/min[4]。

2 上翻斗排水量分析

當(dāng)上翻斗調(diào)整螺釘螺距[5]固定后，P上閾固定不變。由于翻斗傾角的存在，P上失不可避免，且隨雨強(qiáng)變化，理論上大雨強(qiáng)時(shí) P上失量值是小雨強(qiáng)時(shí)的 4 倍。

采用加液器模擬降水，對(duì)上翻斗流失量在大小雨強(qiáng)下隨調(diào)整螺距變化的波動(dòng)范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值獲取方法：采用加液器和針筒滴液方法對(duì)上翻斗滴液，在上翻斗失去平衡瞬間停止滴液，收集翻斗排出水量，由稱重器稱重并轉(zhuǎn)化為降水量單位即為上翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值。上翻斗排水量獲取方法：加液器將 50 mm 雨量注入上翻斗，計(jì)算上翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)，上翻斗排水量為 50 mm/翻轉(zhuǎn)次數(shù)。調(diào)整螺距使用游標(biāo)卡尺測(cè)量，加液器和針筒的組合

從表1 可以看出：即使測(cè)量分辨力和過(guò)程會(huì)引入不確定度，P上失在大雨強(qiáng)與小雨強(qiáng)下之比也接近 4∶1，可見(jiàn)，P上失是隨雨強(qiáng)變化的。另外，調(diào)整螺距變小致傾角變大，P上失亦增大。由于 P上排= P上閾+P上失，P上排也隨著雨強(qiáng)、傾角變化而變化。值得注意的是：由于漏斗的聚水效果及水滴合力作用，當(dāng)雨強(qiáng)低于 0.5 mm/min 時(shí)，雨水注入上翻斗呈間隔滴水狀態(tài)，滴水時(shí)間間隔已大于翻斗切換時(shí)間，流失量的產(chǎn)生極具偶然性可忽略不計(jì)，此時(shí)上翻斗排水量等于翻轉(zhuǎn)閾值，即 P上排= P上閾。

3 下翻斗排水量分析

3.1 下翻斗流失量存在必然性

雙翻斗雨量計(jì)在以下 2 種雨強(qiáng)同步情況下檢定示值分析如下：

1）大雨強(qiáng)同步。某雙翻斗雨量計(jì)在大雨強(qiáng)下檢定合格，即 P下排（大雨）= 0.100 mm。若下翻斗無(wú)流失量，即 P下失（大雨）= 0 mm，上翻斗單次排水剛好使下翻斗翻轉(zhuǎn)，則 P上排（大雨）= P下排（大雨）= P下閾=0.100 mm。在小雨強(qiáng)下進(jìn)行檢定，由于 P上排（小雨）＜ P上排（大雨），所以 P上排（小雨）＜ P下閾，即上翻斗單次排水無(wú)法使下翻斗翻轉(zhuǎn)，需等第 2 次排水才使下翻斗翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致下翻斗產(chǎn)生流失量，因 P下閾不變而 P下失（小雨）＞ 0 mm，所以 P下排（小雨）= P下閾+ P下失（小雨）＞ 0.100 mm，即下翻斗單次排水量大于 0.100 mm，則小雨強(qiáng)檢定示值小于 10.0 mm。此時(shí)，下翻斗產(chǎn)生的流失量最大，通常達(dá)到 0.02 mm，使小雨強(qiáng)下檢定示值接近 8.0 mm，相對(duì)誤差（翻斗計(jì)量誤差）超過(guò) -15%。即上下翻斗在大雨強(qiáng)完全同步時(shí)，會(huì)導(dǎo)致小雨強(qiáng)檢定示值嚴(yán)重偏小。

2）小雨強(qiáng)同步。某雙翻斗雨量計(jì)在小雨強(qiáng)下檢定合格，即 P下排（小雨）= 0.100 mm。若下翻斗無(wú)流失量，上下翻斗在小雨強(qiáng)下完全同步，P下失（小雨）=0 mm，且 P上排（小雨）= P下排（小雨）= P下閾= 0.100 mm。在大雨強(qiáng)下進(jìn)行檢定，由于 P上排（大雨）＞ P上排（小雨），所以 P上排（大雨）＞ 0.100 mm，則上翻斗單次排水不僅使下翻斗翻轉(zhuǎn)，還產(chǎn)生流失量，即 P下失（大雨）＞ 0 mm，則 P下排（大雨）= P下閾+ P下失（大雨）＞ 0.100 mm，使大雨強(qiáng)檢定示值小于 10.0 mm，此時(shí)下翻斗流失量小于或等于 P上排（大雨）減去 P下閾，通常達(dá)到 0.010 mm，使得下翻斗排水量達(dá)到 0.110 mm，則大雨強(qiáng)下的檢定示值為 9.1 mm，相對(duì)誤差達(dá) -9%。即上下翻斗在小雨強(qiáng)完全同步時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大雨強(qiáng)檢定示值嚴(yán)重偏小。

以上分析說(shuō)明：為適應(yīng)不同雨強(qiáng)，下翻斗流失量必然存在（換言之，翻轉(zhuǎn)閾值需小于 0.100 mm），上下翻斗不能在 2 種雨強(qiáng)下完全同步。

3.2 下翻斗流失量影響程度

經(jīng)過(guò)漏斗緩沖流至下翻斗的水流速度均勻[6]，流失量不易受上翻斗排水量大小影響。將下翻斗的螺距固定在 2.8 mm 處，翻轉(zhuǎn)閾值 P下閾= 0.081 mm，針對(duì)上翻斗排水量對(duì)下翻斗流失量影響進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，下翻斗流失量與上翻斗排水量關(guān)系如圖2 所示。在上翻斗排水量從最小值 0.051 mm 到最大值 0.152 mm 的變化過(guò)程中，下翻斗流失量從 0.016 mm 增至 0.018 mm，波動(dòng)幅度很小。而正常工作的翻斗式雨量計(jì)排水量范圍為 0.100～0.120 mm，對(duì)應(yīng)下翻斗流失量為 0.017～0.018 mm，可見(jiàn)，下翻斗流失量受上翻斗排水量影響較小。特殊情況：當(dāng)上翻斗排水量?jī)H滿足下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值使其翻轉(zhuǎn)，但余量沒(méi)等到下翻斗左右斗切換完成即流完，即 P上排＞ P下閾，且 P上排＜ （P下閾+ P下失），一般發(fā)生在大雨強(qiáng)檢定合格后，小雨強(qiáng)檢定示值偏大情況下。通過(guò)調(diào)整上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值可使大小雨強(qiáng)都合格。

圖2 下翻斗流失量與上翻斗排水量關(guān)系

3.3 下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值和流失量合理取值范圍

下翻斗的流失量和傾角大小有關(guān)系。在上翻斗持續(xù)排水情況下，下翻斗傾角越大，左右斗切換時(shí)間越長(zhǎng)，其流失量越大，同時(shí)翻轉(zhuǎn)閾值也越大。檢定過(guò)程中，為使檢定合格，要求 P下排接近 0.100 mm，而 P下閾和 P下失又存在正關(guān)聯(lián)，因此通過(guò)調(diào)整下翻斗螺距從而獲得 P下閾和 P下失2 個(gè)變量的合理值，使得 P下閾+ P下失接近或等于 0.100 mm。根據(jù)檢修經(jīng)驗(yàn)，P下閾取值 0.080 mm 左右，P下失取值 0.020 mm 左右。為分析上翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值和流失量的合理取值范圍，隨機(jī)選取 3 個(gè)雙翻斗雨量計(jì)，先對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，使大小雨強(qiáng)下的檢定示值都較為理想（接近 10.0 mm），再對(duì)其進(jìn)行上翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值和流失量的定量分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示，3 個(gè)雨量計(jì)的下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值都在 0.080 mm 附近，流失量在 0.017～0.019 mm 之間分布。

表2 3 個(gè)翻斗雨量計(jì)定量分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 上下翻斗協(xié)調(diào)性分析

4.1 雨量計(jì)狀態(tài)分類

上下翻斗協(xié)調(diào)性決定了雙翻斗雨量計(jì)的工作性能。編號(hào)為 201906509 的雨量計(jì)上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值變化對(duì)協(xié)調(diào)性影響統(tǒng)計(jì)如表3 所示。按照先檢大雨強(qiáng)再檢小雨強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)，將雙翻斗雨量計(jì)上下翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值調(diào)整至使大小雨強(qiáng)檢定示值都達(dá)到最佳結(jié)果（10.0 mm）狀態(tài)，測(cè)得大小雨強(qiáng)下上下翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值、流失量、翻轉(zhuǎn)比例等要素，逐漸調(diào)整上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值，使上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值和流失量遞增。再根據(jù)上翻斗排水量大小對(duì)協(xié)調(diào)性的影響，將雨量計(jì)狀態(tài)分為以下 5 種類型：

表3 編號(hào) 201906509 雨量計(jì)上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值對(duì)協(xié)調(diào)性影響統(tǒng)計(jì)

1）A 類，P上排（大雨）＜ P下閾。即大雨強(qiáng)下，上翻斗單次排水量小于下翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值時(shí)，如模型為（P上閾+ P上失（大雨））/（P下閾+ P下失）=（0.060 + 0.013）/（0.079 + 0.020），則上翻斗單次排水無(wú)法使下翻斗翻轉(zhuǎn)，需等上翻斗第 2 斗下來(lái)才能使下翻斗翻轉(zhuǎn)，并且使下翻斗產(chǎn)生流失量，而余量（（0.060 +0.013）× 2 -（0.079 + 0.020））會(huì)過(guò)渡給下翻斗的第 2 斗，使得下翻斗滿足 P下排= P下閾+P下失= 0.100 mm，此時(shí)，大雨強(qiáng)下檢定示值合格。

小雨強(qiáng)下，上翻斗流失量 P上失變小，如模型為（P上閾+ P上失（小雨））/（P下閾+ P下失）=（0.060 + 0.003）/（0.079 + 0.019），上翻斗 2 次排水使得下翻斗翻轉(zhuǎn) 1 次并產(chǎn)生流失量，還將余量過(guò)渡到下翻斗第 2 斗，使得下翻斗滿足 P下排=P下閾+P下失= 0.100 mm，此時(shí)，小雨強(qiáng)下示值合格。

所以，當(dāng) P上排（大雨）＜ P下閾時(shí)，雙翻斗雨量計(jì)理論上可兼容大小雨強(qiáng)檢定示值合格，但易碰到流失量消失現(xiàn)象，實(shí)踐中較難調(diào)試實(shí)現(xiàn)兼容。

2）B 類，P上排（大雨）＞ P下閾且 P上排（小雨）＜ P下閾。即大雨強(qiáng)下，上翻斗單次排水量使得下翻斗翻轉(zhuǎn)又不產(chǎn)生足夠流失量，如模型為（P上閾+ P上失（大雨））/（P下閾+ P下失）=（0.070 + 0.017）/（0.079 + 0.008），使得下翻斗流失量很小而排水量接近翻轉(zhuǎn)閾值，此時(shí)大雨強(qiáng)下檢定示值嚴(yán)重偏大。

小雨強(qiáng)下，由于 P上排（小雨）＜ P下閾，如模型為（P上閾+ P上失（小雨））/（P下閾+P下失）=（0.070 + 0.003）/（0.079 + 0.015），此情況和 A 類情況一樣，上翻斗2 次排水使得下翻斗翻轉(zhuǎn) 1 次并產(chǎn)生流失量，還將余量過(guò)渡到下翻斗第 2 斗，使得下翻斗滿足 P下排= 0.100 mm，小雨強(qiáng)下檢定示值接近合格。

所以，當(dāng) P上排（大雨）＞ P下閾且 P上排（小雨）＜ P下閾時(shí)，可使小雨強(qiáng)下檢定示值接近合格，但大雨強(qiáng)下檢定示值嚴(yán)重偏大。

3）C 類，P上排（大雨）= P下閾+P下失。即大雨強(qiáng)下，上翻斗單次排水量不僅使得下翻斗翻轉(zhuǎn)而且產(chǎn)生足夠流失量，此時(shí)若大雨強(qiáng)下檢定示值合格，即 P上排（大雨）=P下排≈ 0.100 mm，如大雨強(qiáng)模型（P上閾+ P上失（大雨））/（P下閾+ P下失）=（0.081 + 0.017）/（0.079 + 0.019）。

小雨強(qiáng)時(shí)，由于 P上失（小雨）= P上失（大雨）/4，導(dǎo)致 P上排（小雨）＜ 0.100 mm 且 P上排（小雨）＞P下閾，上翻斗單次排水使得下翻斗翻轉(zhuǎn)，但流失量小于大雨強(qiáng)時(shí)的流失量，如模型為（P上閾+ P上失（小雨））/（P下閾+ P下失）=（0.081 +0.004）/（0.079 + 0.006），即 P下排（小雨）遠(yuǎn)小于 0.100 mm，則小雨強(qiáng)下檢定示值嚴(yán)重偏大。

所以，當(dāng) P上排（大雨）= P下閾+ P下失時(shí)，若大雨強(qiáng)下檢定示值合格，則小雨強(qiáng)下檢定示值嚴(yán)重偏大。

4）D 類，P上排（小雨）= P下閾+ P下失。即小雨強(qiáng)下，上翻斗單次排水量不僅使得下翻斗翻轉(zhuǎn)而且產(chǎn)生足夠流失量，此時(shí)若小雨強(qiáng)下檢定示值合格，使得 P上排（小雨）=P下排（小雨）≈ 0.100 mm，如模型為（P上閾+P上失（小雨））/（P下閾+ P下失）=（0.096 + 0.005）/（0.079 + 0.021），則上下翻斗翻轉(zhuǎn)比例接近 100/100。

在大雨強(qiáng)時(shí)，P上排（大雨）＞ 0.100 mm，上翻斗單次排水使得下翻斗翻轉(zhuǎn)并產(chǎn)生流失量，還將余量過(guò)渡到下翻斗第 2 斗，使得下翻斗滿足 P下排（大雨）= P下閾+ P下失= 0.100 mm，如模型為（P上閾+ P上失（大雨））/（P下閾+ P下失）=（0.096 +0.020）/（0.079 + 0.021），此時(shí)上下翻斗翻轉(zhuǎn)比例低于 90/100，大雨強(qiáng)下檢定示值合格。

可見(jiàn)，當(dāng) P上排（小雨）= P下閾+ P下失時(shí)，即雨量計(jì)在小雨強(qiáng)下上下翻斗完全同步時(shí)，可兼容大小雨強(qiáng)合格，其特征是：上下翻斗在小雨強(qiáng)時(shí)協(xié)調(diào)同步，翻轉(zhuǎn)次數(shù)比例近 100/100；大雨強(qiáng)時(shí)不同步，比例低于 90/100。這是正常運(yùn)行的雨量計(jì)最常見(jiàn)的協(xié)調(diào)性特征。值得注意的是：當(dāng)雨強(qiáng)低于 0.5 mm/min 上翻斗流失量為零時(shí)，D 類狀態(tài)也能兼顧此類強(qiáng)度降水使檢定合格。

5）E 類，P上排（小雨）＞ P下閾+ P下失。即小雨強(qiáng)下上翻斗 P上排（小雨）＞ 0.100 mm，則大雨強(qiáng)下 P上排（大雨）＞0.100 mm，2 種雨強(qiáng)下的上翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)都明顯偏小。由于存在流失量消失現(xiàn)象，2 種雨強(qiáng)下的檢定示值都偏大，且 P上排偏離 0.100 mm 越遠(yuǎn)，流失量消失越頻繁，檢定示值越大。

4.2 流失量消失現(xiàn)象

5 種雨量計(jì)狀態(tài)情況中，當(dāng)上翻斗 P上排＞ 0.100 mm 時(shí)，如 E 類的大雨強(qiáng)下，P上排= 0.125 mm，檢定示值為 10.4 mm，偏大，由于上翻斗第 1 斗排水（P上排1）使下翻斗翻轉(zhuǎn)且產(chǎn)生流失量（P下排1），還有余量 0.020 mm 過(guò)渡到下翻斗第 2 斗（P下排2），此余量 0.020 mm 會(huì)在下翻斗中逐步累積，第 N 斗時(shí)累積量恰好稍大于翻轉(zhuǎn)閾值產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)而無(wú)流失量，P下排N接近 P下閾而小于 0.100 mm，如本例 P下排5=0.079 mm，在下翻斗第 5 次排水時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生流失量，即上翻斗排 4 斗（總排水量為 0.480 mm）時(shí)，下翻斗已排 5 斗，據(jù)此類推，當(dāng)上翻斗排水量達(dá) 10.000 mm 時(shí)，下翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)計(jì)算公式為 10/0.480×5 ≈104，所以檢定示值為 10.4 mm，偏大。此現(xiàn)象表現(xiàn)在上翻斗某一次翻轉(zhuǎn)時(shí)下翻斗突然連翻 2 次情況下。另外，在 P上排＜ P下閾且 2 P上排＞ 0.100 mm 時(shí)也會(huì)有類似現(xiàn)象，如 B 類的小雨強(qiáng)檢定示值。上翻斗排水量偏離 0.100 mm 越遠(yuǎn)，流失量消失發(fā)生頻率越高。

4.3 雨量計(jì)最佳狀態(tài)

為兼容不同雨強(qiáng)，下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值調(diào)整狀態(tài)要求保留流失量，而當(dāng)上翻斗排水量大于 0.100 mm 時(shí)流失量消失又不可避免。所以，上翻斗調(diào)整過(guò)程中，上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值接近 0.100 mm 時(shí)為最佳位置，如 D 類，P上閾= 0.096 mm，P上排（小雨）= 0.101 mm，P上排（大雨）=0.116 mm，此時(shí)小雨強(qiáng)同步，大雨強(qiáng)不同步且發(fā)生流失量消失現(xiàn)象，但也能保持在合理范圍內(nèi)。前面已論證，下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值與流失量的合理值分別為 0.080 和 0.020 mm。尤其是雨強(qiáng)低于0.5 mm/min，上翻斗流失量為零時(shí)，上翻斗 P上排=P上閾= 0.100 mm，使得 P上排= P下排，下翻斗完全沒(méi)有流失量消失現(xiàn)象，則該雨強(qiáng)下的檢定結(jié)果最為理想。因此雙翻斗雨量計(jì)最佳狀態(tài)時(shí)的特征為：上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值接近 0.100 mm，下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值接近 0.080 mm，流失量接近 0.020 mm。

4.4 兩極分化現(xiàn)象

雙翻斗雨量計(jì)檢定過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)大雨強(qiáng)下檢定示值偏大，小雨強(qiáng)下檢定示值偏小，或大雨強(qiáng)下檢定示值偏小，小雨強(qiáng)下檢定示值偏大的兩極分化現(xiàn)象，此時(shí)僅通過(guò)調(diào)整下翻斗難以達(dá)到檢定示值合格的目的。當(dāng)雙翻斗雨量計(jì)狀態(tài)處于 B 類時(shí)，P上排（大雨）＞ P下閾且 P上排（小雨）＜ P下閾，出現(xiàn)大雨強(qiáng)下檢定示值偏大且小雨強(qiáng)下檢定示值偏小情況；當(dāng)處于 C 類時(shí)，P上排（大雨）= P下閾+ P下失，出現(xiàn)大雨強(qiáng)下檢定示值偏小且小雨強(qiáng)下檢定示值偏大情況。以上 B 和 C 類都是由于上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值過(guò)小導(dǎo)致兩極分化發(fā)生的，所以，出現(xiàn)兩極分化時(shí)應(yīng)先排查上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值是否過(guò)小，保證小雨強(qiáng)下 P上排接近 0.100 mm，方法為在小雨強(qiáng) 1 mm 雨量下使上翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)接近 10 次。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上下翻斗定量分析，分類出雙翻斗雨量計(jì)的 5 種協(xié)調(diào)性狀態(tài)。經(jīng)論證，D 類狀態(tài)是雙翻斗雨量計(jì)的最佳協(xié)調(diào)性狀態(tài)，它兼顧了大小雨強(qiáng)及小雨強(qiáng)以下降水。由此形成以下結(jié)論和數(shù)據(jù)模型：為兼容不同雨強(qiáng)，雨量計(jì)上下翻斗不能實(shí)現(xiàn)多種雨強(qiáng)下完全同步，下翻斗流失量不可避免；調(diào)整下翻斗螺距實(shí)際是尋找翻轉(zhuǎn)閾值和流失量的合理值，使下翻斗排水量接近 0.100 mm；雨量計(jì)處于最佳狀態(tài)時(shí)，上翻斗翻轉(zhuǎn)閾值接近 0.100 mm，流失量隨雨強(qiáng)變化在 0～0.020 mm 之間分布，下翻斗翻轉(zhuǎn)閾值接近 0.080 mm，流失量接近 0.020 mm，即上下翻斗最佳模型為 P上排/P下排=（P上閾+ P上失（雨強(qiáng)））/（P下閾+P下失）=（0.100 + P上失（變化））/（0.080 + 0.020），上下翻斗在小雨強(qiáng)下可完全同步（比例接近 1∶1），大雨強(qiáng)下上翻斗須慢于下翻斗而不能同步（比例低于 9∶10）。大雨強(qiáng)下翻轉(zhuǎn)比例關(guān)系與文獻(xiàn) 1 和 2 結(jié)論吻合，但本研究提出小雨強(qiáng)下接近同步觀點(diǎn)，并論證下翻斗流失量必然存在，提出和解釋了流失量消失和兩極分化現(xiàn)象。

通過(guò)定量分析建立的雙翻斗雨量計(jì)最佳協(xié)調(diào)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型，確定雨量計(jì)上下翻斗的翻轉(zhuǎn)閾值和比例關(guān)系，可快速定位雨量計(jì)誤差來(lái)源從而提高維修和檢定效率。建議雙翻斗雨量計(jì)采用以下流程檢修：1）調(diào)整上翻斗排水量為 0.100 mm，方法為小雨強(qiáng)下滴入 1 mm 雨量使上翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)為 10 次，計(jì)數(shù)方法可采用接近開關(guān)或超聲波測(cè)距方式；2）調(diào)整下翻斗使其存在合理的流失量，且流失量與翻轉(zhuǎn)閾值之和為 0.100 mm，方法為大雨強(qiáng)下滴入 1 mm 雨量使雨量計(jì)輸出示值為 10 mm；3）按照檢定規(guī)程開展正常的檢定項(xiàng)目。這種流程先將雨量計(jì)調(diào)整至最佳協(xié)調(diào)狀態(tài)，避免不協(xié)調(diào)因素帶入檢定過(guò)程而出現(xiàn)難以排解的兩極分化現(xiàn)象，極大提高雨量計(jì)檢修效率。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在引入誤差，基于經(jīng)驗(yàn)和有限樣本統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)模型對(duì)雙翻斗雨量計(jì)是否有足夠的代表性需要繼續(xù)驗(yàn)證和研究。