翻斗雨量计的误差分析

翻斗雨量计的误差分析

刘振东，舒大兴

河海大学水资源环境学院，南京（210043）

E-mail：lzhdong@

摘 要：本文介绍了翻斗雨量计的工作原理并说明了分辨率为0.1mm的翻斗雨量计在实际中应用的必要性。通过人工模拟降雨的方法分析了分辨率为0.1mm的翻斗雨量计的翻斗计量误差并且给出了雨强与翻斗计量误差关系图，最后得出误差分析的结论。

关键词：翻斗雨量计，误差，雨强

1.引言

在一定时段内，从云中降落到水平地面上的液态或固态（经融化后）降水，在无渗透、蒸发、流失情况下积聚的水层深度，称为该地该时段内的降水量。雨量计是用于测量一段时间内累积降水量的仪器。传统的雨量观测方式大多是以人工雨量筒和虹吸式自记雨量计为主要观测仪器。近年来随着科学技术的日新月异，社会对雨量信息的实效性和时效性要求日益增高，传统雨量观测手段已难以满足以微电脑芯片自动处理为依托的雨量自动采集、固态存储和雨量遥测的时代要求, 翻斗式雨量计是一个可以将实时观测雨量数据数字化的重要雨量观测仪器, 因而在雨量观测新技术推广方面得到广泛应用。雨量传感器的灵敏度（分辨率）和测量精度是翻斗雨量计固有的矛盾，即低分辨率的翻斗雨量计能较好的测得微雨，保证测量降雨的可靠性，但其精度往往较差，而高分辨率的翻斗雨量计虽然有比较高的测量精度，对微雨却往往感应不到其发生，导致降雨资料的不完整。降水量观测规范规定，需要控制雨日地区分布变化的基本雨量站和蒸发站必须记至0.1mm；不需要雨日资料的雨量站可记至0.2mm；多年平均降水量大于800mm的地区可记至0. 5mm。[1]但目前我国大部分水文站使用的翻斗雨量计的分辨率都是0.2mm或0.5mm，主要原因是由于分辨率为0.1mm的翻斗雨量计在雨量观测的精度上偏低。本文以分辨率是0.1mm的翻斗雨量计为研究对象，探讨其误差的来源，以期能为翻斗雨量计的实际应用提供理论性参考。

2.翻斗雨量计的工作原理

翻斗式雨量计，分传感器和固态存储器两部分。传感器是一个翻斗式机械双稳态称重机构。它采用中间隔板间开的两个完全对称的三角形容器，中隔板可绕水平轴转动，类似于跷跷板的原理。工作时两侧容器轮流接水，当一侧容器装满一定量雨水时(根据灵敏度不同而定) ，由于重心外移而翻转，将水倒出，随着降雨持续，将使翻斗不断的左右翻转。在翻斗的轴上固定有磁钢，在漏斗的偏下方有固定的干簧继电器或霍尔元件，如图1所示。在翻斗翻转过程中磁钢的位置在①②两个位置之间往复运动，当磁钢接近干簧继电器或霍尔元件时开关闭合，离开一定距离时，开关断开，于是就产生一个计数脉冲。固态存储器则负责将传感器传来的脉冲计数,然后以各种方式记录下来[2]。

图1 翻斗传感器示意图

3. 翻斗雨量计误差的室内试验

本文的试验对象是分辨率为0.1mm 的翻斗雨量计，采用人工模拟降雨方法进行翻斗计量误差试验。试验的设计为：将一个表面积约0.5mm2的大水箱中注满水作为恒压的进水设备，采用医用的静脉输液器作为模拟降水的自动控制设备。通过控制输液器的开关，模拟不同的雨强降雨，在翻斗传感器下面设置一虹吸装置，收集翻斗内的降水，当达到虹吸时，虹吸装置将在这段时间内的降水排出，下面用一个量杯收集并称重。翻斗的计量误差E 为：

E=P

P V −×100％ (1) 式中：V 为理论上翻斗的排水量，为仪器的感量与在达到一次虹吸中翻斗翻转次数的乘积，g ；P 为一次虹吸的实际排水量，g 。

试验中通过调整翻斗传感器的翻斗部件的安装角Φ，分别将每斗的感量设置为3.1g/斗和

2.2g/斗。在这两种情况下，分别处理试验数据，拟和数据系列，得出雨强～误差关系图。如图2、3所示。

图2 3.1g/斗时雨强与翻斗计量误差关系图

-25.00%

-20.00%

-15.00%

-10.00%

-5.00%

0.00% 翻斗计量误差

图3 2.2g/斗时雨强与翻斗计量误差关系图

4. 翻斗计量误差分析

本试验分别将每斗的感量设置为3.1g/斗和2.2g/斗具有代表性。由于仪器标定的分辨率是0.1mm ，每翻一斗代表降雨0.1mm ，仪器的承雨口直径是200mm ，所以翻斗每翻一斗代表降雨3.14g 。我国最大暴雨雨强约为4mm/min ，为了使翻斗计量误差正负均匀分配，选择最大雨强的中值作为调试零点的雨强，在这种情况下，将翻斗每翻一斗的水量设为2.2g/斗。

从图2、3可以得出：

（1）、翻斗的计量误差随雨强的增大而增大。从降雨输入的实际过程我们不难分析出原因。在实际工作中，翻斗的左右两斗室轮流处于上方的漏斗出水口出承接雨水，在t 1时刻，当上斗室计量的雨水重量达到仪器的设定感量G 时，翻斗部件的安装角为Φ，此时按理论上讲，上斗室应立即停止进水，并且迅速将计量的雨水倒干，与此同时，下翻斗转换成上翻斗，在t 3时刻开始承接雨水，进行第二斗的计量，如此反复进行[3]。而实际上，在t 1～t 3的时间间隔t △中，雨水仍然不断的向上斗室注入，而在t △时间内的水量就没有经过翻斗的计量而计入了实际降水量中，因而出现负误差，并且随着雨强的增大，这部分多计入的水量越大，因而误差越大。

（2）、翻斗感量大小的设定对翻斗计量误差也有直接的影响。从图2、3可以看出，在同样的雨强下，翻斗感量小的翻斗计量误差比仪器感量大的翻斗计量误差小。当将翻斗组件的翻转角调小时，翻斗的感量就变小，计量误差就减小。因此，翻斗的计量误差与翻斗的翻转角Φ成正比。

5. 结语

分辨率为0.1mm 的翻斗雨量计的翻斗计量误差较大，而在对雨日的地区分布要求较高的雨量站，研究和控制分辨率为0.1mm 翻斗雨量计的翻斗计量误差意义很大。如何从仪器结构和数学建模等角度将此误差减小到最小值得进一步探究。

-20% -15%

-10%

-5% 0% 5% 10% 翻斗计量误差