兩種翻斗式雨量測(cè)量?jī)x器原理及常見(jiàn)故障分析

袞 毅,毛 倩,施倩雯,羅忠旭,張 欣

(1.貴州省大方縣氣象局,貴州 大方 551600;2.貴州省黔東南苗族侗族自治州氣象局,貴州 凱里 566000;3.貴州省織金縣氣象局,貴州 織金 552100)

0 引言

短時(shí)強(qiáng)降水具有尺度小、發(fā)展快的特點(diǎn),容易引起滑坡、山洪、泥石流、洪澇等災(zāi)害,威脅著人民生命和財(cái)產(chǎn)安全[1],有效且準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)降雨實(shí)況對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。我國(guó)自2001年啟動(dòng)自動(dòng)氣象站建設(shè)布局以來(lái),氣象站已由地(縣)級(jí)細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn),使氣象資料具有更高的時(shí)空分辨率,大大提高了中小尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力[2]。SL3-1型雙翻斗雨量傳感器是目前地面自動(dòng)觀測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的雨量傳感器[3],但該傳感器在設(shè)計(jì)上存在一定缺陷。近年來(lái),氣象部門(mén)不斷完善地面觀測(cè)站網(wǎng)補(bǔ)短板工程建設(shè),CAWSmart型智能自動(dòng)氣象站投入補(bǔ)短板站網(wǎng)建設(shè)中,氣象站由自動(dòng)化逐漸向智能化轉(zhuǎn)變,DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x在補(bǔ)短板站網(wǎng)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)SL3-1型雙翻斗雨量傳感器在故障成因、誤差調(diào)節(jié)、改進(jìn)設(shè)計(jì)等方面做了大量研究,楊銀等[4]分析了SL3-1型雙翻斗雨量傳感器降水?dāng)?shù)據(jù)異常的3類故障,認(rèn)為因日常維護(hù)不到位造成的故障占所有故障的80%;李銳鋒等[5]研究上下翻斗協(xié)調(diào)性造成的誤差,認(rèn)為增加上翻斗可以縮小不同雨強(qiáng)誤差偏差;孟慶勇等[6]對(duì)SL3-1型雙翻斗雨量傳感器的各類故障和野外維護(hù)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié),并提出改進(jìn)措施和建議。DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x投入氣象業(yè)務(wù)使用時(shí)間不長(zhǎng),相關(guān)研究較少,因此,本文結(jié)合工作實(shí)際,對(duì)2種類型的雨量傳感器結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行比較分析,總結(jié)常見(jiàn)故障處理、誤差調(diào)節(jié)、日常維護(hù)方法及注意事項(xiàng),為從事雨量觀測(cè)儀器設(shè)計(jì)和氣象站保障工作的同行提供借鑒和參考。

1 傳感器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x(圖1)的傳感器型號(hào)為SL5-1型,與SL3-1型雙翻斗雨量傳感器(圖2)結(jié)構(gòu)相似。不同處在于SL3-1型雙翻斗雨量傳感承水器內(nèi)使用防堵網(wǎng),兩根干簧管水平平行安裝,切割的磁鋼位于計(jì)數(shù)翻斗上;而DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x承水口使用塑料罩,在進(jìn)水漏斗上增加了雨量模塊,模塊上有3個(gè)檢測(cè)點(diǎn),匯集漏斗內(nèi)增加了探測(cè)片,一根干簧管垂直安裝,切割的磁鋼位于計(jì)量翻斗上,計(jì)量的同時(shí)也能計(jì)數(shù)。

圖1 DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of DSDZ3 intelligent tipper rain sensor

圖2 SL3-1型雨量傳感器結(jié)構(gòu)及安裝示意圖Fig.2 Structure and installation diagram of SL3-1 rainfall sensor

1.2 原理

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器與DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x原理相同,降水經(jīng)過(guò)一個(gè)面積為314 cm2的承水器匯集,而后經(jīng)漏斗進(jìn)入上翻斗,上翻斗在降水重力作用下翻轉(zhuǎn),降水進(jìn)入?yún)R集漏斗后從匯集漏斗的節(jié)流管注入計(jì)量翻斗。當(dāng)計(jì)量翻斗承受的降水量為0.1 mm時(shí),計(jì)量翻斗把降水傾倒在計(jì)數(shù)翻斗,使計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)1次,與它相關(guān)的磁鋼對(duì)干簧管掃描1次(DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x磁鋼在計(jì)量翻斗上,計(jì)量計(jì)數(shù)一體),干簧管因磁化而瞬間閉合,從而產(chǎn)生1個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào),數(shù)據(jù)采集器就自動(dòng)采集存儲(chǔ)0.1 mm降水量[7]。

2 傳感器性能及技術(shù)指標(biāo)

雨量傳感器具有精準(zhǔn)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn),不僅能滿足城市及郊區(qū)的觀測(cè)需求,還能適應(yīng)無(wú)人值守的野外環(huán)境。SL3-1型翻斗式雨量傳感器與DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x測(cè)量的雨強(qiáng)范圍為0～4 mm·min-1,分辨率均為0.1 mm,最大允許誤差為±0.4 mm(≤10 mm)或±4%(≥10 mm)。2種雨量傳感器與采集終端之間的信號(hào)傳輸方式不同,SL3-1型雨量傳感器與采集器之間使用2芯線連接,磁鋼掃描干簧管產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)2芯線直接傳輸至采集器;DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x與智能集成處理器之間增加了智能節(jié)點(diǎn)控制器,智能節(jié)點(diǎn)控制器與智能集成處理器之間采用RS485總線連接,磁鋼掃描干簧管產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)雨量模塊處理后,開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。智能節(jié)點(diǎn)控制器是將智能傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換傳輸設(shè)備,當(dāng)RS485總線中斷時(shí),智能節(jié)點(diǎn)控制器可以以無(wú)線信號(hào)的方式與智能集成處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,因此,DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x保障性更高。

SL3-1型翻斗式雨量傳感器承水口與DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x承水口使用的分別是防堵網(wǎng)和塑料罩。防堵網(wǎng)過(guò)濾通透性較強(qiáng),而塑料罩與桶壁縫隙較小,容易被泥沙、塵土及其他異物堵塞。DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x雨量模塊除了信號(hào)轉(zhuǎn)換功能外,還具有降水檢測(cè)功能(圖3左,檢測(cè)點(diǎn)1、檢測(cè)點(diǎn)2為存水檢測(cè)點(diǎn),檢測(cè)點(diǎn)3為出水檢測(cè)點(diǎn))。插入?yún)R集漏斗的探測(cè)片也是檢測(cè)點(diǎn)(圖3右),可以檢測(cè)匯集漏斗內(nèi)的存水量。所有檢測(cè)點(diǎn)均采用電阻式檢測(cè),當(dāng)存水或有水滴下落時(shí),檢測(cè)點(diǎn)的電阻發(fā)生改變,多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),互相結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自身各個(gè)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。工作人員可通過(guò)監(jiān)控運(yùn)維平臺(tái)查看雨量傳感器狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并處理,有效提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,而SL3-1不具備此功能。

圖3 DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x、雨量模塊(左)、探測(cè)片(右)Fig.3 Water socket of DSDZ3 rainfall , rain module (left), detection plate (right)

SL3-1型翻斗式雨量傳感器兩根干簧管水平安裝,且互相平行,磁鋼在其下部對(duì)干簧管進(jìn)行掃描;DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x只用一根垂直安裝的干簧管,磁鋼在側(cè)面對(duì)干簧管進(jìn)行掃描。SL3-1型翻斗式雨量傳感器干簧管下的磁鋼接觸面朝上,容易吸附掉落的金屬屑導(dǎo)致計(jì)數(shù)誤差[8],而磁鋼側(cè)面掃描可以避開(kāi)這一故障。SL3-1型雨量傳感器通過(guò)計(jì)量翻斗承水翻轉(zhuǎn)帶動(dòng)計(jì)數(shù)翻斗上磁鋼對(duì)干簧管進(jìn)行掃描,若計(jì)數(shù)翻斗堵塞,計(jì)量翻斗和計(jì)數(shù)翻斗將不能翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù),而計(jì)數(shù)與計(jì)量翻斗一體設(shè)計(jì)則不會(huì)出現(xiàn)此情況。DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x出水漏斗的沿口較高,若出水口堵塞承水,則不能計(jì)數(shù)。此外,DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x在安裝雨量外筒時(shí)如果操作不當(dāng),雨量模塊與傳感器之間的連接線可能會(huì)影響翻斗翻轉(zhuǎn),且雨水下落可能會(huì)滴在連接線上流走而不滴入漏斗中。由于雨量筒外筒不透明,維護(hù)人員不易發(fā)現(xiàn)。

3 常見(jiàn)故障處理

3.1 常見(jiàn)故障類型

自動(dòng)氣象站通常安裝在無(wú)人值守的野外,即使定期開(kāi)展維護(hù)也難以避免出現(xiàn)故障。雨量傳感器故障主要有堵塞、干擾、部件損壞、感應(yīng)靈敏度下降等4類,其中堵塞現(xiàn)象最為常見(jiàn)。當(dāng)雨量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,排除采集器、通訊等外部因素后,先中斷雨量傳感器與采集器之間的連接,再對(duì)雨量傳感器進(jìn)行檢查。

3.2 故障排查及處理方法

3.2.1 SL3-1型雨量傳感器與DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x常見(jiàn)故障排查處理方法 首先檢查雨量筒清潔程度,承水器內(nèi)過(guò)濾網(wǎng)及下方出水口是否被泥沙、樹(shù)葉、昆蟲(chóng)等雜物堵塞,拿開(kāi)外筒,檢查內(nèi)部接線是否正常,水流通路是否堵塞,如有堵塞需疏通后用清水洗凈。

其次用螺絲刀或人為倒水檢查各個(gè)翻斗轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性,檢查是否有卡滯,不能用手觸摸(翻斗通常會(huì)因銹蝕或小蜘蛛筑網(wǎng)而導(dǎo)致不能翻轉(zhuǎn))。使用萬(wàn)用表的導(dǎo)通檔,用紅黑筆分別接入信號(hào)線柱(DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x則接入翻斗脈沖輸出的紅、黑線端),撥動(dòng)計(jì)數(shù)翻斗,查看導(dǎo)通次數(shù)與翻轉(zhuǎn)次數(shù)是否一致。

最后檢查干簧管玻璃體是否斷裂,鋼磁性是否正常。干簧管是雨量傳感器的核心原件,細(xì)小而脆弱,氧化現(xiàn)象十分常見(jiàn)[9]。磁鋼的磁性容易吸附金屬屑,附著的金屬屑可能會(huì)使干簧管開(kāi)關(guān)產(chǎn)生誤動(dòng)作,從而導(dǎo)致雨量數(shù)據(jù)偏大或不規(guī)律。同時(shí)干簧管與磁鋼間的相對(duì)距離應(yīng)在2 mm左右[10](DSDZ3型間距<1 mm),相對(duì)位置不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)誤差。

若以上檢查均無(wú)問(wèn)題,則檢查傳感器與采集終端的連接是否正常。SL3-1型雨量傳感器可以直接利用萬(wàn)用表導(dǎo)通檔檢查雨量線,若不能發(fā)出蜂鳴聲,則雨量線斷路,更換雨量線或找到斷接處將其接上即可。DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x可通過(guò)查看節(jié)點(diǎn)控制器指示燈進(jìn)行判斷。

3.2.2 DSDZ3型雨量測(cè)量?jī)x故障排查 DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x具有自檢功能,輸入自檢命令可直接查看設(shè)備電路狀態(tài)、翻斗狀態(tài)、干簧管狀態(tài)及雨量筒是否堵塞。自檢方法:用調(diào)試線和U轉(zhuǎn)串口線將電腦與智能集成處理器連接,打開(kāi)串口調(diào)試工具軟件,設(shè)置通訊參數(shù)為:19200,N,8,1,點(diǎn)擊打開(kāi)按鈕,當(dāng)按鈕由紅色變?yōu)榫G色,連接成功,發(fā)送AUTOCHECK,YTBR,000自檢命令,即可查看設(shè)備狀態(tài),分析故障所在。若發(fā)送命令后查看不到狀態(tài),可將調(diào)試線三芯端子取下,將紅、黃、藍(lán)線分別接入雨量傳感器后排3(TX)、4(RX)、5(GND)接線柱,接好后在電腦上打開(kāi)串口調(diào)試工具軟件,在下方空白欄輸入READDATE,TYBR,000命令后,點(diǎn)擊發(fā)送,查看讀取到的狀態(tài)自檢信息是否正常,若讀取不到,檢查調(diào)試線自身和接線是否正常,若調(diào)試線和接線正常的話,問(wèn)題則出在雨量模塊上。

3.2.3 DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x雨量模塊更換設(shè)置方法 常規(guī)檢查可以排除雨量傳感器的大多數(shù)故障,堵塞和干擾類故障通過(guò)疏通清洗排除干擾即可,若是部件損壞或靈敏度下降類故障,則需更換相應(yīng)的部件。SL3-1型雨量傳感器的所有部件可以直接更換,而更換DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x的雨量模塊和節(jié)點(diǎn)控制器需要電腦進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置方法:將調(diào)試線連接電腦與智能集成處理器,打開(kāi)串口測(cè)試工具,設(shè)置通訊參數(shù),連接成功后,在工具欄點(diǎn)擊智能站設(shè)備更換,選擇更換翻斗雨量傳感器,并按照?qǐng)D4步驟完成操作即可。

圖4 串口設(shè)置工具更換智能站設(shè)備界面Fig.4 Interface for replacing intelligent station equipment with serial port setting tool

綜合分析:以上方法為2類雨量傳感器較為常見(jiàn)的故障處理方法,可為日常維護(hù)維修提供參考。導(dǎo)致雨量數(shù)據(jù)異常的原因很多,需要按照排查程序進(jìn)行依次排查,找出導(dǎo)致異常的部位進(jìn)行處理。DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)了雨量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化轉(zhuǎn)為智能化,功能增加的同時(shí),排查難度也增大。目前該儀器使用時(shí)間較短,遇到的故障較少,但隨著使用年限增加,儀器零件老化,故障的概率也隨之增加,維護(hù)維修方法還需不斷總結(jié)。

4 校準(zhǔn)與誤差調(diào)節(jié)

4.1 校準(zhǔn)

雨量傳感器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)使采集準(zhǔn)確度下滑,為確保觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,需要定期對(duì)使用中的雨量傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)[11],確定誤差后對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié),使測(cè)量誤差控制在誤差范圍內(nèi)。SL3-1型與DSDZ3型2種類型的雨量傳感器可采JJS2型雨量校準(zhǔn)儀器校準(zhǔn),校準(zhǔn)方法相同。校準(zhǔn)前先檢查翻斗是否處于清潔無(wú)承水狀態(tài),如果翻斗內(nèi)承水或有異物將會(huì)使校準(zhǔn)誤差增大。校準(zhǔn)方法:將校準(zhǔn)器與雨量傳感器紅、黑接線柱連接(DSDZ3型連接脈沖輸出接線柱),向雨量校準(zhǔn)器注入標(biāo)準(zhǔn)雨量,通過(guò)調(diào)節(jié)校準(zhǔn)器上的雨強(qiáng)按鈕,模擬大雨強(qiáng)4 mm·min-1和小雨強(qiáng)1 mm·min-1,每種雨強(qiáng)重復(fù)測(cè)定3次[12]。標(biāo)定完成后計(jì)算每種雨強(qiáng)的誤差平均值,若誤差平均值超出最大允許誤差范圍,則需對(duì)雨量傳感器進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)。

4.2 誤差調(diào)節(jié)

雨量傳感器調(diào)節(jié)首先要考慮上翻斗與計(jì)數(shù)翻斗之間的協(xié)調(diào)性,2個(gè)翻斗翻轉(zhuǎn)不協(xié)調(diào)或上下翻斗承水量不一致也會(huì)導(dǎo)致雨量偏大或偏小。具體調(diào)試方法為:清除翻斗內(nèi)沙塵或青苔,將定位螺釘調(diào)到適當(dāng)位置,保證左右翻斗承水量相同。當(dāng)誤差值為正值時(shí),順時(shí)針(向內(nèi))旋轉(zhuǎn)定位螺釘;當(dāng)誤差值為負(fù)值時(shí),逆時(shí)針(向外)旋轉(zhuǎn)定位螺釘。SL3-1型翻斗式雨量傳感器與DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x調(diào)節(jié)圈數(shù)與誤差關(guān)系如表1所示。

表1 SL3-1與DSDZ3型雨量傳感器螺釘調(diào)節(jié)圈數(shù)與誤差關(guān)系Tab.1 Relation between Screw Adjustment Turns and Error of SL3-1 and DSDZ3 Rainfall Sensor

5 結(jié)論與討論

本文對(duì)比SL3-1型、DSDZ3型2種雨量測(cè)量?jī)x器的原理及結(jié)構(gòu),結(jié)合日常故障情況,總結(jié)分析了2種雨量測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)和存在的不足,得出以下結(jié)論:

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,便于維護(hù),但干簧管和計(jì)數(shù)翻斗的設(shè)計(jì)存在缺陷,容易出現(xiàn)故障,且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)堵塞、干簧管老化等問(wèn)題。DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x的出水漏斗沿口高,出水漏斗堵塞承水會(huì)影響計(jì)數(shù)翻斗,且雨量模塊連接線容易造成干擾,導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差。DSDZ3型智能翻斗式雨量測(cè)量?jī)x在SL3-1型雙翻斗雨量傳感器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),增加了儀器自檢功能,有效提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維護(hù)及故障處理難度較大。

隨著氣象科技的發(fā)展,氣象觀測(cè)由人工觀測(cè)全面轉(zhuǎn)為自動(dòng)觀測(cè),觀測(cè)儀器正逐步由自動(dòng)化向智能化發(fā)展,開(kāi)展新觀測(cè)儀器的研究應(yīng)用是氣象業(yè)務(wù)發(fā)展需求,也是提升觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要手段。加強(qiáng)觀測(cè)儀器定期維護(hù),能有效提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,此外,還應(yīng)該從觀測(cè)儀器上分析總結(jié)故障原因,改進(jìn)觀測(cè)儀器設(shè)計(jì),消除更多由于儀器設(shè)計(jì)不合理造成的故障,減小維護(hù)維修壓力。