翻斗式雨量傳感器的改進(jìn)方法

魏邦憲，楊云蕓，苗 婷，蘇軍鋒

(1.隴南市氣象局，隴南 746000；2.湖南省氣象臺(tái)，長(zhǎng)沙 410118；3.靖遠(yuǎn)縣氣象局，靖遠(yuǎn) 730600)

0 引言

目前，在全球氣候變暖的大背景下，中國(guó)極端天氣氣候事件頻頻出現(xiàn)，特別是暴雨、干旱、臺(tái)風(fēng)和冰雹等惡劣天氣更顯現(xiàn)出了災(zāi)害性天氣的突發(fā)性、局地性和重災(zāi)性，對(duì)人民的經(jīng)濟(jì)生活和生命安全造成了極大的損失[1]。對(duì)于地處半干旱地區(qū)的甘肅省隴南山區(qū)，由暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)的泥石流、山洪、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害尤為嚴(yán)重，為全市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和精準(zhǔn)扶貧工作造成巨大損失。為進(jìn)一步減輕因暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水造成的損失，隴南市氣象部門(mén)在全市布設(shè)了409個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站，為雨量監(jiān)測(cè)提供了準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)。但是隨著近幾年區(qū)域氣象站、國(guó)家天氣站的建成，市級(jí)裝備保障人員的工作量日益繁重，且由于各類站點(diǎn)主要建在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，交通不便對(duì)維修維護(hù)工作造成了極大的困難和較高的維修成本?，F(xiàn)階段，中國(guó)氣象部門(mén)大部分使用翻斗式雨量傳感器進(jìn)行液態(tài)降水地面觀測(cè)業(yè)務(wù)，但是翻斗式雨量傳感器的故障率相較于其他氣象觀測(cè)儀器比較高，其中“有降水實(shí)況，而降水記錄異?！钡默F(xiàn)象偏多[2]。目前，氣象學(xué)者們對(duì)雨量傳感器的維修和改進(jìn)方法做了大量的研究，黨選發(fā)[3]等對(duì)自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和傳感器調(diào)整方法進(jìn)行了探討，指出為了將傳感器誤差降到最低值可以在雨量傳感器超差時(shí)進(jìn)行微凋；陳武框[4]等研究了消除雨量傳感器故障的方法；周憶和[5]等對(duì)雨量傳感器的故障診斷與維護(hù)提出了一些初步的處理方式和資料補(bǔ)充方法；劉偉龍[6]等探索了將疏水性材料作為原材料加入雨量傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中的可行性。從以上研究可以看出，對(duì)于雨量傳感器的故障診斷與維護(hù)都是基于經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)分析，并且都沒(méi)有考慮在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)和維護(hù)時(shí)外部條件的限制。文章通過(guò)對(duì)甘肅省隴南市氣象局409個(gè)自動(dòng)氣象站2017-2019年維修記錄以及2018-10-01-2019-09-30的故障記錄統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)上述情況95%以上是由于雨量傳感器的漏斗(或翻斗)被異物堵塞或翻斗被蜘蛛結(jié)網(wǎng)掛住無(wú)法翻動(dòng)或干簧管損壞所致。文章綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)雨量傳感器外部條件的限制因素，提出了翻斗式雨量傳感器的改進(jìn)方法，從而極大地減少了上述現(xiàn)象的發(fā)生，提升了全市自動(dòng)氣象站雨量數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 改進(jìn)方法說(shuō)明

為進(jìn)一步加強(qiáng)自動(dòng)氣象觀測(cè)站雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，文章通過(guò)甘肅省隴南市氣象局裝備保障人員對(duì)全市自動(dòng)氣象觀測(cè)站維護(hù)時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題以及相應(yīng)的處理方式和實(shí)際效果，提出翻斗式雨量傳感器基于外部條件的改進(jìn)方法。

2 雨量筒的改進(jìn)

雨量傳感器均安裝在戶外，會(huì)發(fā)生蜘蛛等昆蟲(chóng)鉆入雨量傳感器，導(dǎo)致雨量傳感器漏斗、翻斗堵塞或蜘蛛結(jié)網(wǎng)將翻斗掛住后無(wú)法翻轉(zhuǎn)。針對(duì)這種情況，維護(hù)人員需現(xiàn)場(chǎng)清洗雨量傳感器才可使傳感器恢復(fù)正常。區(qū)域自動(dòng)氣象站經(jīng)常出現(xiàn)此類現(xiàn)象，保障人員必須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清洗工作，因此維護(hù)成本很高。經(jīng)過(guò)2017-2019年的長(zhǎng)期維護(hù)改進(jìn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)在承水器的內(nèi)壁使用熱熔膠固定6根6～30 cm長(zhǎng)的塑料管，將其頂部密封，同時(shí)在管內(nèi)塞入樟腦丸及干果栗子和樟木等，管的下部用紗布堵住就可以長(zhǎng)期有效地防止蜘蛛等昆蟲(chóng)進(jìn)入雨量筒，極大地減少了因昆蟲(chóng)堵塞翻斗現(xiàn)象的發(fā)生，降低維護(hù)成本的同時(shí)不會(huì)對(duì)雨量傳感器產(chǎn)生影響，提高了雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用率。

3 干簧管的改進(jìn)

傳感器故障使觀測(cè)數(shù)據(jù)失真，發(fā)生故障的主要原因是雨量傳感器的核心元件——干簧管發(fā)生物理?yè)p壞并失效。隴南氣象局裝備保障人員經(jīng)過(guò)實(shí)踐，對(duì)SL3-1和SL2-1翻斗式雨量傳感器的干簧管做了進(jìn)一步的改進(jìn)。改進(jìn)工作所需的成本低，且易操作、維護(hù)簡(jiǎn)單。

3.1 改進(jìn)原因

區(qū)域氣象站一般安裝在野外，不具備交流供電的條件，在這種情況下對(duì)干簧管進(jìn)行焊接更換很困難。SL3-1雙翻斗式雨量傳感器采用雙管工作模式，雙干簧管焊接難度大，若出現(xiàn)錯(cuò)位，雨量就會(huì)翻倍。維修人員在焊接時(shí)必須嚴(yán)格把握雙管簧片的水平位置及垂直位置，該操作對(duì)焊接技術(shù)水平要求較高。SL3-1的干簧管部件是通過(guò)金屬材料與裝置進(jìn)行連接，由于金屬材料受溫度變化影響會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，對(duì)干簧管玻璃封裝管產(chǎn)生較大的拉力，造成干簧管的玻璃體破裂受損，從而導(dǎo)致干簧管漏氣(氮?dú)饣蛘婵?，外部空氣進(jìn)入后，干簧管的觸點(diǎn)容易氧化并損壞。原干簧管的安裝結(jié)構(gòu)對(duì)由溫度變化引起的張力及干簧管的受力強(qiáng)度沒(méi)有進(jìn)行充分考慮，致使干簧管經(jīng)常損壞。SL2-1單翻斗式雨量傳感器干簧管的焊接點(diǎn)，設(shè)計(jì)得小而脆弱，焊接孔很容易堵塞，若焊接時(shí)處理不好則焊盤(pán)很容易脫落，加大了更換干簧管的難度，致使雨量板的報(bào)廢率非常高，從而增加了維護(hù)成本。

3.2 改進(jìn)后的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

在改進(jìn)方案中，選用環(huán)氧樹(shù)脂板與外圍的金屬裝置進(jìn)行連接。環(huán)氧樹(shù)脂板物理性質(zhì)穩(wěn)定，受溫度影響小且不易造成拉伸變形，因此可以保證干簧管處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作狀態(tài)。將干簧管固定在環(huán)氧樹(shù)脂板上，使得干簧管兩端引腳間距離盡可能縮短(實(shí)際運(yùn)用中干簧管兩端引腳分別不超過(guò)5 mm)，從而將金屬部分因熱脹冷縮產(chǎn)生的張力減到最小，在保證干簧管運(yùn)行穩(wěn)定的前提下盡可能延長(zhǎng)干簧管的使用壽命。采取上述方法改進(jìn)后，干簧管的更換簡(jiǎn)單易行，擺脫了對(duì)交流供電的依賴，更加適用于野外操作。

注意：不可使用鐵、鋼等材質(zhì)對(duì)磁鐵有影響的螺絲，因?yàn)榇帕?huì)影響翻斗的翻動(dòng)，從而影響雨量測(cè)量的精準(zhǔn)性，建議使用銅質(zhì)螺絲。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)隴南市409個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站1 a的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，改進(jìn)后的雨量傳感器總故障率降低了43.26%，其中由于干簧管損壞導(dǎo)致的故障率降低了89.32%，因昆蟲(chóng)堵塞導(dǎo)致的故障率降低了95.46%。改進(jìn)后雨量傳感器的故障主要是由灰塵、樹(shù)葉堵塞雨量筒或翻斗造成，此類故障占總故障的96.74%。由此可看出對(duì)雨量傳感器進(jìn)行改進(jìn)后極大降低了維護(hù)成本，減輕了裝備保障人員的維護(hù)工作壓力。