淺談翻斗式雨量計(jì)的在站滴定

□徐 佳

作為水文行業(yè)計(jì)量認(rèn)證的一部分，翻斗式雨量計(jì)的滴定工作關(guān)系到觀測儀器的校準(zhǔn)，進(jìn)而影響觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對水文觀測具有十分重要的作用。

翻斗式雨量計(jì)的滴定，從實(shí)施地點(diǎn)方面可分為檢定中心滴定和在站滴定兩種。前者的檢定重心在于雨量計(jì)儀器本身的準(zhǔn)確性和可靠性；后者的重心在于保證雨量計(jì)在設(shè)置穩(wěn)定后一段時(shí)段內(nèi)（大多為一年）最大限度反映本站實(shí)際的時(shí)段雨情信息。

兩種檢定方式側(cè)重不同，缺一不可，考慮到在檢定中心檢定后返場和安裝過程中，不可避免地發(fā)生設(shè)備晃動(dòng)、磕碰等情況，在雨量站點(diǎn)安裝完畢后（或經(jīng)歷較大降雨后），還要進(jìn)行在站滴定。這在無形之中增加了在站滴定在雨量站管理中的權(quán)重。

1.滴定原理

翻斗式雨量計(jì)的滴定原理源自其設(shè)計(jì)原理，即利用翻斗量測降水雨，將降雨量轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，調(diào)整翻斗感量，使全年大、小雨強(qiáng)的誤差得以部分抵消，一定程度上提高了總體綜合觀測精度。

滴定原理是人為模擬降雨，利用標(biāo)準(zhǔn)量杯、計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器（或者精密的流量調(diào)節(jié)控制設(shè)備即泵式滴定儀）等通過調(diào)節(jié)翻斗兩側(cè)螺絲對翻斗感量進(jìn)行調(diào)整，通過極微小的、反復(fù)的調(diào)整—滴定—再調(diào)整—再滴定過程，盡量精確地調(diào)整到符合本地的感量。

感量即雨量平衡點(diǎn)，一般是通過在大、中、小雨強(qiáng)條件下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，測繪出“雨強(qiáng)/誤差特性曲線”，找出其中的平衡點(diǎn)，使大雨/小雨時(shí)的誤差分布對稱。不同翻斗感量時(shí)雨強(qiáng)與翻斗計(jì)量誤差關(guān)系圖見圖1。

圖1 不同翻斗感量時(shí)雨強(qiáng)與翻斗計(jì)量誤差關(guān)系

在繁瑣的滴定操作過程中，滴定人員稍有不慎就有可能給翻斗雨量計(jì)帶來人為誤差，尤其人工進(jìn)行注水試驗(yàn)檢定時(shí)，翻斗調(diào)整難度較大，需要操作者有一定的經(jīng)驗(yàn)和耐心，自動(dòng)化或半自動(dòng)化的滴定儀應(yīng)運(yùn)而生。

目前常用的滴定儀門類品牌眾多，設(shè)計(jì)原理基本一致，即通過利用固定容積的標(biāo)準(zhǔn)瓶（箱），通過電路電壓調(diào)節(jié)精準(zhǔn)的微型水泵出水滴入雨量計(jì)承雨器中，模擬預(yù)設(shè)雨強(qiáng)，同步接入雨量計(jì)的翻斗轉(zhuǎn)換成的電脈沖信號(hào)，對模擬（實(shí)際）雨量和信號(hào)（測量）雨量進(jìn)行換算，反饋出不同雨強(qiáng)下翻斗雨量計(jì)的測量誤差，從而為儀器調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。標(biāo)準(zhǔn)瓶（箱）的作用是校測水泵出水速度，即校核模擬雨量。

2.基本步驟

翻斗式雨量計(jì)的滴定步驟是滴定和調(diào)整兩個(gè)步驟的循環(huán)，直至將雨量計(jì)大、中、小3 個(gè)雨強(qiáng)的誤差分別調(diào)整至±4%間為合格。一般滴定儀的操作無論全自動(dòng)還是半自動(dòng)，基本分4 步進(jìn)行，分別是標(biāo)準(zhǔn)瓶（箱）注水、信號(hào)線連接、雨強(qiáng)設(shè)定、記錄。一次注水可進(jìn)行全部3 個(gè)雨強(qiáng)滴定，且可進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)輸出的即為自動(dòng)滴定儀。

3.常見問題

3.1 滴定顯示出錯(cuò)

在正常連接操作下，開始滴定流程后，滴定儀報(bào)錯(cuò)或屏幕無顯示。一般可通過兩方面進(jìn)行問題排除。

一是雨量計(jì)數(shù)據(jù)接口出錯(cuò)，解決方法為檢查滴定儀兩根數(shù)據(jù)線是否與雨量計(jì)數(shù)據(jù)接口基礎(chǔ)良好，接口螺絲是否擰緊；或者接口是否銹蝕嚴(yán)重，需要更換。如無法判斷雨量計(jì)接口是否正常，可通過流量測速儀或者普通電鈴盒進(jìn)行信號(hào)測試。

二是如果雨量計(jì)經(jīng)測試信號(hào)正常，則判定滴定儀故障。操作者需查看滴定儀盛水器過濾網(wǎng)是否堵塞。如堵塞則需拆下過濾網(wǎng)清洗；如果仍無法解決則聯(lián)系廠家進(jìn)一步確定故障原因。

3.2 誤差偏大（小)

在正常連接操作下，開始滴定流程后，滴定儀顯示正常，但顯示誤差明顯偏離預(yù)期（正常）數(shù)值是雨量滴定工作中較為常見的情況。此問題往往通過調(diào)節(jié)螺絲就可以解決，經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)是每旋轉(zhuǎn)360°，誤差變動(dòng)7%~8%，不同品牌、型號(hào)的翻斗雨量計(jì)的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)會(huì)有微小變化，需在實(shí)地工作中進(jìn)行總結(jié)。

例如，大、中、小雨強(qiáng)預(yù)期誤差分別為4%，0，-4%，實(shí)際滴定結(jié)果誤差為：10.2%，7.1%，4.5%，說明設(shè)備誤差偏大，解決方法為將翻斗兩側(cè)螺絲向下（順時(shí)針）調(diào)節(jié)360°左右，即可大概得到中雨強(qiáng)在0 左右的誤差要求，則可以進(jìn)行下一次滴定。關(guān)注螺絲帽上的紅黑點(diǎn)可以較好地保證角度旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性。

3.3 誤差“兩頭大”

“兩頭大”誤差的情況極少出現(xiàn)。例如，大、中、小雨強(qiáng)預(yù)期誤差分別為4%，0，-4%，實(shí)際分別誤差為11.4%，-0.3%，-10.2%。

初步分析，主要是承雨口、翻斗、連接軸等部位粘有頑固性材質(zhì)的雜質(zhì)，使用普通清潔刷無法完全刷洗干凈，解決方法為卸下承雨口、翻斗反復(fù)刷洗，使用軟布加清潔劑除銹擦洗干凈連接軸，重新安裝后進(jìn)一步滴定，基本都能達(dá)到誤差要求，更換配件也可解決此類問題。

3.4 容積問題

在多臺(tái)雨量計(jì)滴定后，誤差值均無法達(dá)到要求，如對標(biāo)準(zhǔn)瓶（箱）容積有疑問時(shí)，應(yīng)及時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)瓶（箱）的容積進(jìn)行率定校準(zhǔn)。一般需要精確計(jì)量注入水量，即準(zhǔn)備一臺(tái)精度0.1 g 的電子天平和一個(gè)容積約700 mL 的容器，將容器“去皮”用來計(jì)量泵出水流。

最后，對量瓶容積記入到參數(shù)設(shè)置中進(jìn)行更正。

3.5 水泵問題

在調(diào)整多臺(tái)雨量計(jì)后，誤差值均無法達(dá)到要求，如果對模擬雨強(qiáng)大小是否能達(dá)到預(yù)設(shè)值有疑問時(shí)，需要對水泵能否正常使用進(jìn)行判斷，此時(shí)可以進(jìn)行泵率曲線的率定校準(zhǔn)。

泵率曲線指水泵的占空比與水泵流量關(guān)系曲線。泵率，顧名思義，是水泵的效率，泵率實(shí)際值與設(shè)定值相符是滴定實(shí)驗(yàn)成功實(shí)施的設(shè)備前提。

水泵的泵率直接影響模擬雨強(qiáng)的準(zhǔn)確度。雖然出廠時(shí)廠家已經(jīng)對泵率曲線進(jìn)行了率定，但是在使用一定時(shí)間（其是設(shè)定模擬雨強(qiáng)與實(shí)際雨強(qiáng)差異超過0.5 mm/min 時(shí)）后，水中雜質(zhì)附著泵腔、泵體元器件氧化等情況，可能引起水泵泵率偏離正常設(shè)定值。因此，應(yīng)當(dāng)定期對泵率曲線進(jìn)行率定，部分型號(hào)滴定儀可通過內(nèi)部程序進(jìn)行自動(dòng)率定。

4.結(jié)論

通過總結(jié)多年雨量計(jì)的滴定工作經(jīng)驗(yàn)，筆者對滴定流程的時(shí)間掌控和操作手法積累了以下結(jié)論。

4.1 滴定時(shí)間計(jì)算公式

為摸索滴定儀在不同雨強(qiáng)下的滴定時(shí)間，可以設(shè)滴定儀密封瓶體積為V（mL），滴定時(shí)間為T（min），滴定過程總翻斗數(shù)為n（斗），翻斗容積（分辨率）為vf（ml/斗），雨強(qiáng)為Q（mm/min），因翻斗式雨量計(jì)直徑L=20 cm，則底面積S=100 πcm2。

則得到公式：

4.2 滴定時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值

根據(jù)以上公式，假設(shè)翻斗分辨率為每斗0.2 mm，密封瓶體積為314 mL，可算出總翻斗數(shù)為50 斗，0.5 mm/min、2 mm/min、4 mm/min 雨強(qiáng)的滴定時(shí)間分別為20 min、5 min、2.5 min，因此可以更好地掌握滴定時(shí)間，從而對被滴定設(shè)備誤差進(jìn)行預(yù)判。

4.3 以中雨強(qiáng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步滴定

為了節(jié)約滴定時(shí)間，更快捷地調(diào)節(jié)翻斗式雨量計(jì)大中小雨強(qiáng)的誤差，初次只滴定4 mm/min 的雨強(qiáng)強(qiáng)度，5 min 內(nèi)獲得誤差系數(shù)，并將其調(diào)節(jié)為+2 ～+3.99 之間，進(jìn)而進(jìn)行0.5 mm/min、2 mm/min、4 mm/min 雨強(qiáng)的滴定，基本可以一次成功獲得全部雨強(qiáng)符合±4%間誤差的滴定結(jié)果。

4.4 角度與誤差的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

翻斗式雨量計(jì)的翻斗下螺絲的調(diào)節(jié)角度/誤差約為360°/7%。

5.建議

5.1 攜帶配件滴定

為了提高滴定效率，減少不必要的設(shè)備更換時(shí)間，在實(shí)施多站次雨量計(jì)滴定前可以隨車攜帶一套或多套全新（或滴定完全正常）的雨量計(jì)及翻斗、接雨杯等配件，在出現(xiàn)異常的誤差參數(shù)且反復(fù)調(diào)整無效的情況下，可隨時(shí)更換配件甚至整機(jī)，實(shí)現(xiàn)滴定效率的最大化。

5.2 摸索本地代表雨強(qiáng)

翻斗式雨量計(jì)的起始，僅是將雨強(qiáng)2 mm/min 作為平均代表雨強(qiáng)，全國各地雨量均值各不相同，各使用單位在調(diào)節(jié)設(shè)備時(shí)選用的當(dāng)?shù)卮碛陱?qiáng)，理論上應(yīng)與雨強(qiáng)單值偏大的山區(qū)、或者全年雨強(qiáng)均值偏大的南方濕潤地區(qū)等不盡相同，因此應(yīng)積極摸索本地的代表雨強(qiáng)。

例如，衡水市作為華北地區(qū)中南部平原區(qū)的城市，代表性較強(qiáng)，屬于半濕潤半干旱地帶，年平均雨量遠(yuǎn)低于2 mm/min，經(jīng)摸索，衡水市自然雨強(qiáng)在0.5 mm/min～4 mm/min 變化時(shí)，測量誤差在±4%間。□