區(qū)域自動氣象站雨量傳感器校準(zhǔn)誤差的來源與處理方法

杜衍君

(山東省菏澤市氣象局，山東菏澤 274000)

區(qū)域自動氣象站雨量傳感器校準(zhǔn)誤差的來源與處理方法

杜衍君

(山東省菏澤市氣象局，山東菏澤 274000)

從雨量傳感器的結(jié)構(gòu)和原理入手，結(jié)合現(xiàn)場校準(zhǔn)的實(shí)際情況，通過對其測量結(jié)果的誤差分析，找出了誤差來源，并找到對其進(jìn)行正確處理的方法。

雨量傳感器;誤差來源;處理方法

目前區(qū)域自動氣象站(以下簡稱區(qū)域站)降水的測量大多使用雙翻斗式雨量傳感器，該儀器翻斗部件支承系統(tǒng)制造精良，摩阻力矩小，因而翻斗部件翻轉(zhuǎn)靈敏，性能穩(wěn)定，工作可靠。降水觀測項目對預(yù)報精細(xì)化的準(zhǔn)確與否有著量的定性作用，對抗旱、防澇服務(wù)起直觀的指導(dǎo)作用，因此雨量傳感器能否準(zhǔn)確地反映降水量，是各氣象臺站特別重視的問題。筆者結(jié)合現(xiàn)場標(biāo)校的實(shí)際情況，從雨量傳感器的結(jié)構(gòu)和原理入手，根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，對誤差產(chǎn)生的原因和解決的方法進(jìn)行了總結(jié)。

1 雨量傳感器及校準(zhǔn)設(shè)備

1.1 雨量傳感器簡介 雙翻斗式雨量傳感器是用來連續(xù)采集液體降水量的測量儀器，采用翻斗式雙穩(wěn)態(tài)稱重結(jié)構(gòu)，該傳感器主要由承水器(口徑為20 cm)、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、計數(shù)翻斗和干簧管等組成［1］。計量翻斗部件左、右2個斗室輪流處于上方的漏斗出水口處，承接雨水，進(jìn)行稱重、計量。當(dāng)雨水流入一定的數(shù)量，計量翻斗就翻轉(zhuǎn)一次，雨水流入計數(shù)翻斗，計數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)，同時計數(shù)翻斗上面鑲嵌的磁鋼對干簧管掃描一次，干簧管閉合一次，產(chǎn)生一個開關(guān)信號，送入采集器中的計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，從而測量出降水量和降水強(qiáng)度。

1.2 現(xiàn)場校準(zhǔn)設(shè)備和主要技術(shù)指標(biāo)

1.2.1 校準(zhǔn)設(shè)備。主要采用JJS1型雨量傳感器校準(zhǔn)儀，該儀器由計數(shù)器、雨強(qiáng)漏斗(小雨強(qiáng)1 mm和大雨強(qiáng)4 mm)、連接線、支撐架、雨量杯等組成，校準(zhǔn)時由雨強(qiáng)漏斗模擬降雨，顯示器進(jìn)行計數(shù)顯示，通過顯示值計算出差值，可以方便地對傳感器進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié)，保證測量準(zhǔn)確。

1.2.2 主要技術(shù)指標(biāo)。依據(jù)JJG(氣象)005-2011自動氣站雨量傳感器檢定規(guī)程要求［2］，雨量傳感器的校準(zhǔn)需模擬1和4 mm/min 2種降水強(qiáng)度。每種降水強(qiáng)度分別校準(zhǔn)3次，以被檢雨量傳感器3次測量值的平均值減去標(biāo)準(zhǔn)值，得出該雨強(qiáng)下的測量誤差，最大允差分別為±0.3 mm(降雨量≤10 mm時)、±4%(降雨量＞10 mm時)。

2 雨量傳感器誤差及處理方法

2.1 誤差產(chǎn)生的原因 根據(jù)雨量傳感器的結(jié)構(gòu)原理可以看出，造成設(shè)備超差的原因一般主要有干簧管和機(jī)械原因造成的。

2.1.1 干簧管故障。區(qū)域站雨量測量是由鑲嵌在計數(shù)翻斗中磁鋼掃描其下面的干簧管產(chǎn)生開關(guān)信號。計數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次，為0.1 mm的降水量。如果干簧管出現(xiàn)異常，則會出現(xiàn)開關(guān)信號偏多、偏少甚至沒有。表現(xiàn)在雨量方面就是測量出來的雨量偏大、偏小甚至沒有雨量。

2.1.2 機(jī)械原因。由于雨量傳感器長期使用會有傳感器基點(diǎn)偏移現(xiàn)象，致使測量誤差超過最大誤差要求;計量翻斗和計數(shù)翻斗的翻轉(zhuǎn)失靈會引起區(qū)域站雨量誤差，造成雨量偏小。根本原因是由于翻斗軸承間距過大、過小和翻動阻滯感過大造成的。

2.1.3 維護(hù)保養(yǎng)不及時。雨量傳感器長期置于野外，沙塵、昆蟲會造成雨水通道堵塞，水流不暢，蟲網(wǎng)造成翻斗翻動失靈，均會造成測量誤差［3］，且雨量值偏小。

2.1.4 上、下翻斗翻動不同步。雨量傳感器是通計數(shù)翻斗翻動使干簧管產(chǎn)生開關(guān)信號，隨著雨強(qiáng)的變化，上、下翻斗岔開的次數(shù)將發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為大雨強(qiáng)偏小、小雨強(qiáng)偏大或小雨強(qiáng)偏小、大雨強(qiáng)偏大，因而產(chǎn)生上、下翻斗同步翻轉(zhuǎn)的計量誤差。

2.2 處理方法

2.2.1 干簧管引起的誤差處理方法。無開關(guān)信號，表現(xiàn)為無雨量，這是由于干簧管損壞或磁鋼與干簧管間距過大造成的，磁鋼和干簧管間距0.8～1.5 mm為最佳;出現(xiàn)一側(cè)連擊情況，則因?yàn)楦苫晒芪恢脗?cè)偏，致使另一側(cè)磁鋼對側(cè)偏的一側(cè)連續(xù)動作，則調(diào)整干簧管位置，方法是計數(shù)翻斗位于水平位置時磁鋼應(yīng)位于干簧管中間;焊接干簧管時，干簧管接觸片應(yīng)處于水平。

2.2.2 械原因引起的誤差處理方法。機(jī)械原因引起的測量誤差的處理方法分2種情況:①對于基點(diǎn)偏移現(xiàn)象應(yīng)調(diào)整傳感器基點(diǎn)，使測量誤差在最大誤差范圍內(nèi)。調(diào)整計量翻斗的容量調(diào)節(jié)螺釘，使測量誤差(誤差=傳感器實(shí)際排水量－傳感器測得的降水量)控制在最大允許誤差范圍內(nèi)。測量雨量偏大時，應(yīng)增加計數(shù)翻斗的容量，應(yīng)將容量調(diào)節(jié)螺釘向外調(diào)節(jié);測量雨量偏小時，應(yīng)減少計數(shù)翻斗的容量，應(yīng)將容量調(diào)節(jié)螺釘向內(nèi)調(diào)節(jié);實(shí)踐證明，將2個定位螺釘中的一個旋轉(zhuǎn)一圈，其測量誤差變化3%左右，若同時將2個容量調(diào)節(jié)螺釘順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)一圈，其測量誤差變化6%左右。②如果翻斗是感覺阻滯過大，應(yīng)調(diào)整上、下翻斗以及計數(shù)翻斗的靈敏度，一般在上緊各機(jī)械部件時能左右晃動且不易從軸承孔脫落為宜，就能保證其靈敏度;如軸承有阻滯感，正確的做法是用清水清洗翻斗軸頸和寶石軸承孔(寶石軸承切勿加油)。如清洗不見效，則應(yīng)換新。此校準(zhǔn)誤差在處理后如果還有超出最大允差現(xiàn)象，則按第1種情況處理方法繼續(xù)調(diào)整。

2.2.3 維護(hù)保養(yǎng)不及時引起的測量誤差的處理方法。用干凈的毛刷徹底清理雨量傳感器上的灰塵、昆蟲及蟲網(wǎng)，然后加入清水試驗(yàn)，確認(rèn)各通道水流是否暢通、各部件是否轉(zhuǎn)動正常。若發(fā)現(xiàn)有堵塞則疏通和清理污物。

2.2.4 上、下翻斗同步異常引起的測量誤差翻斗。對于上、下翻斗同步異常引起的測量誤差應(yīng)先檢查上、下翻斗軸承的靈敏度，如果靈敏度較好，則可先用大雨強(qiáng)(4 mm/min)對傳感器進(jìn)行定量測試，在大雨強(qiáng)合格后再通過調(diào)整上翻斗調(diào)整保證在小雨強(qiáng)(1 mm/min)時上翻斗與計量翻斗能同步翻轉(zhuǎn)［4］，不出現(xiàn)岔開翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，達(dá)到上、下翻斗同步頻次的一致性。

3 小結(jié)

雨量傳感器的誤差問題直接影響降水資料的質(zhì)量，高質(zhì)量的降水資料可以為水文預(yù)報、計算、分析提供可靠依據(jù)，因此分析雨量傳感器測量誤差產(chǎn)生的原因，并找出適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，最大限度地提高降水測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性意義重大。

［1］上海氣象儀器廠.SL3—1型雨量傳感器技術(shù)及使用說明書［Z］.上海:上海氣象儀器廠有限公司，2007.

［2］朱樂坤，沙奕卓，賀曉雷，等.JJG(氣象)005－2011_自動氣象站降水傳感器檢定規(guī)程［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［3］朱樂坤.SL3型翻斗雨量傳感器的維護(hù)與調(diào)校方法［J］.氣象科技，2004(4):300－302.

［4］王展宏.翻斗式雨量計的誤差分析與改進(jìn)［J］.水利信息化，2012(4):53－55.

The Sources and Effective Solutions to the Calibration Error of Rain Sensors in Regional Autom atic Meteorological Observation Stations

DU Yan-jun (Heze Meteorology Bureau，Heze，Shandong 274000)

Based on the structure and principle of the rain sensor，the paper analyzes the errorsof the calibration results in the field calibration process，and finds error sources and their effective solutions.

Rain sensor;Error sources;Effective solutions

S 163;P412.13

A

0517－6611(2014)15－04580－01

杜衍君(1969－)，男，山東滕州人，工程師，從事氣象設(shè)備的維護(hù)、維修工作。

2014-05-09