環境試驗設備參數測量──淋雨試驗設備

伍偉雄

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

1 概述

淋雨試驗設備（以下簡稱設備）是一種模擬自然環境中降雨的環境條件，供樣品進行淋雨試驗的綜合試驗設備，包含有溫度、風速、降雨強度、雨滴直徑等參數。淋雨試驗設備通常設計成降雨強度、風速連續可調，充當滴雨孔的滴嘴可更換的形式。設備通過調整儲水箱的不同水位高度獲得不同的降雨強度，以水位的額定高度代表降雨強度；設備通過調整風機的轉速來獲得不同的風速，以額定的風機轉速代表風速；設備滴嘴的孔徑一般在0.4～0.6mm之間，由固定孔徑的滴嘴產生額定直徑范圍的雨滴，無雨滴直徑指示儀表或裝置。

淋雨試驗的主要標準有國家標準GB/T 2423.38—2008 《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗R：水試驗方法和導則》（等同采用IEC 60068—2—18：2000）、國軍標GJB 150.8A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗 第8部分：淋雨試驗》。國標和國軍標的試驗要求有所不同，對試驗設備提出的要求也有所不同。溫度、風速、降雨強度的測量比較簡單，測量方法也十分成熟。因此，本文不討論溫度、風速、降雨強度的測量，主要討論雨滴直徑的測量問題。

2 雨滴直徑測量

2.1 測量方法

雨滴處在運動狀態中，準確測量其直徑不是一件簡單容易的事情。一般的尺寸測量，是在靜態中進行的，而雨滴是處在運動狀態中。因此，對雨滴尺寸的測量，一種辦法是在動態中，如采用雷達觀測法和光學雨量計法等實時測量；另一種辦法是把雨滴由動態測量變為靜態測量，如采用浸入法等。在國外文獻中，常見的測量方法有雷達觀測法、光學雨量計法、攝影法、浸入法、面粉球法、濾紙色斑法等。

雷達觀測法和光學雨量計法可實時、大面積地觀測包括雨滴粒徑及其分布在內的降雨基本特性，一般只應用于天然降雨的觀測。攝影法是用高速攝影機拍攝出正在下落中的雨滴的照片，然后在顯微鏡下量測出該雨滴的粒徑。攝影法適用于在實驗室內測量模擬降雨，但高速攝影儀造價太高，且操作繁瑣復雜，需要諸如電子閃光燈、閃光測頻儀、菲涅耳透鏡等輔助裝置，在雨滴直徑測量的實際工作中，并未得到普及使用。近年，有研究者利用壓力傳感器測量雨滴落下時的動能，然后反算出雨滴的直徑，但該類儀器價格同樣昂貴，一般的雨滴直徑測量很難普及使用。

浸入法是用盛有油料的容器接盛雨滴，通過測量油中水珠直徑來確定雨滴的大小，油比水輕且與水不相容，雨滴在油中因表面張力的作用而變成球形水珠，這樣就可直接測量出雨滴的直徑。浸入法適用于測量直徑較小的霧滴或雨滴。面粉球法是將雨滴收集在盛有面粉的容器中，當雨滴與面粉接觸后，就產生一個小小的濕面球，將容器連同雨滴形成的濕面球，一起置于烘箱內烘干，它們就凝固成一個個硬面球。面粉團法只適合測量較大的雨滴。浸入法和面粉團法操作也不方便，很難普及使用，在淋雨試驗設備的雨滴直徑測量中也沒有得到實際應用。

色斑法又稱作濾紙法，是歷史悠久、應用最廣泛的一種雨滴直徑測量方法。雨滴在同一材料上形成的色斑大小與雨滴直徑大小有關，確定好雨滴直徑與色斑直徑之間的關系后，通過量測雨滴在相同材料上形成的色斑大小求得相應的雨滴直徑。色斑法適合于各種人工降雨試驗與野外天然降雨研究，可以測量到直徑極小的雨滴，國內多采用此方法測量雨滴直徑。色斑法由于操作簡單，成本低廉而在國內外應用最為廣泛。色斑法測量所使用的、帶有著色涂料的濾紙，沒有作為測量儀器在市面上銷售，在實驗室條件下，完全可以自行制作。筆者依據前人的研究成果，結合自己的實際操作經驗，介紹色斑法測量雨滴直徑所用濾紙的制作和測量方法。

2.2 色斑法測量

雨滴直徑是建立在雨滴為球體狀的基礎上進行其直徑測量的，科學研究表明，當雨滴直徑在不大于5mm時，其形狀為球體狀。色斑法測量雨滴直徑是基于“雨滴在同一材料上形成的色斑大小與雨滴的直徑大小有關”的原理，預先確定好雨滴直徑與色斑直徑之間的關系，然后通過測量雨滴在相同材料上形成的色斑大小推知相應的雨滴直徑。科學研究表明，雨滴直徑與色斑直徑之間存在冪函數關系，如下式（1）。

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式中：d—雨滴直徑；k－系數；D－色斑直徑；n－指數。系數k和指數n的大小與濾紙、染料的種類及所涂的染料粉末的多少有關。

2.2.1 色斑濾紙制作方法

色斑是指在濾紙上涂上著色涂料，當雨滴落在濾紙上時，即留下永久性的近似圓形色斑。色斑濾紙一般選用定性中速濾紙，涂料采用曙紅水溶性染料和滑石粉的混合粉末。曙紅水溶性染料和滑石粉按質量比1：10混合并研磨。實際上，可購買到的曙紅水溶性染料和滑石粉的粒徑已足夠小，使用一般的機械攪拌器進行充分的攪拌混合即可。用毛刷把混合粉末均勻涂在濾紙上，輕彈濾紙彈去多余的粉末。

用雨滴滴在制作好的濾紙上，觀察形成的色斑的邊界是否清晰和連續。如果色斑邊界不夠清晰和連續，說明所涂的粉末不足，通過反復試驗，很容易掌握涂出清晰和連續的色斑邊界的濾紙。下圖1是涂料不足導致色斑不清晰和邊界不連續的情況，圖2則是具有清晰和連續邊界的色斑情況。

2.2.2 產生已知直徑雨滴的方法

要確定雨滴直徑與色斑直徑之間的關系，首先要有已知直徑的雨滴。如何產生已知直徑的雨滴，也是問題之一。有研究者采用普通醫用注射器和不同型號的針頭充當雨滴發生器，通過測量注射器、針頭、水在滴水前后的質量，求得雨滴的質量，然后用雨滴質量與雨滴體積的關系式求得雨滴直徑，如下式（2）。

圖1 涂料不足的色斑圖

圖2 合適涂料的色斑圖

式中：d—雨滴直徑；m－雨滴質量；π－圓周率；ρ－水密度。

這種方法產生的雨滴的大小，會受到壓力、滴落快慢的影響。由于需要靠手動控制，產生雨滴的大小的重復性不佳，要產生直徑2mm以下和直徑5mm以上的雨滴，更是十分困難。筆者曾研制出壓力、滴落快慢均可控的雨滴發生器，可穩定產生直徑在1.5～6mm之間的雨滴。當然，制作雨滴發生器，也是頗為費勁的事，一種更為簡便的方法是使用高準確度的微量移液器，利用移液器固定的容積產生各種大小的雨滴，由雨滴的體積換算出雨滴的直徑。例如，用移液器汲取1μL的水，全部壓出作為一個雨滴，則雨滴的體積為1μL，依據球體的體積計算公式，可求得雨滴的直徑為1.24mm，如下式（3）。

式中：d—雨滴直徑；V－雨滴體積；π－圓周率。

2.2.3 色斑直徑的測量

色斑的圖形不是理想的規則圖形，所謂色斑直徑，其實是指色斑面積的等效直徑。所以，測量色斑直徑，是通過對色斑面積的測量，然后換算成等效的色斑直徑。雨滴在濾紙上產生的色斑，是一個近似圓形或近似橢圓形的圖形，這使面積的測量帶來了一定的難度。采用手工描繪的傳統測量方法，不僅測量準確度低，而且繁瑣復雜。而采用計算機測量色斑面積，既提高了測量準確度，又解決了繁瑣復雜問題。用高分辨率掃描儀按1：1的比例把色斑掃描成圖片，然后用圖片處理軟件（例如photoshop）對色斑的面積進行測量。具體方法是：在掃描儀中設置1：1的掃描比例，同時設置像素分辨率dpi值，例如設置1200dpi，則表示每英寸有1200像素；利用photoshop軟件統計色斑圖片的總像素，則可依據每英寸1200像素的關系求出色斑圖片面積，再由色斑面積換算成等效的色斑直徑。

2.2.4 色斑濾紙系數k和指數n的確定

通過使用電子天平、移液器等方法得到大小不同的已知直徑的雨滴，分別滴在色斑濾紙上形成不同大小的色斑，得到的雨滴直徑和色斑直徑如下表1。

將表1中雨滴直徑與色斑相應直徑用EXCEL進行回歸分析，繪出雨滴直徑與色斑直徑 關系圖（見圖3），得到雨滴直徑d與色斑直徑D關系式，如下式（4）。

雨滴直徑與色斑直徑冪函數關系中，系數k＝0.32，指數n＝0.7722。

把色斑直徑冪函數關系式化為線性回歸進行相關系數檢驗。給定顯著水平α＝0.01，樣本容量n＝12，相關系數ρ＝0.999遠大于ρ（0.01，12）＝0.708，說明雨滴直徑與色斑直徑冪函數關系式可靠。

2.3 色斑法測量雨滴直徑驗證

使用同一批次制作的色斑濾紙，按上面確定的系數k＝0.32、指數n＝0.7722的濾紙測量其它直徑的雨滴，結果如表2。

表1 色斑直徑與雨滴直徑對應表

圖3 雨滴直徑與色斑直徑關系圖

表2 色斑濾紙測量雨滴直徑驗證數據表

由實驗驗證數據可以看出，用色斑濾紙測量小雨滴直徑的最大誤差0.05mm，測量大雨滴直徑的最大誤差0.11mm。在淋雨試驗方法中，對雨滴直徑的技術要求不高，如GJB 150.8A－2009對雨滴直徑的要求為0.5～4.5mm，色斑濾紙測量雨滴直徑的擴展不確定度（k＝2）約為0.1mm，可滿足測量要求。

3 結束語

制作色斑濾紙所需要的材料，只有濾紙、曙紅水溶性染料和滑石粉，成本低廉。如使用移液器產生已知直徑的雨滴，成本也很低；如使用電子天平，通過測量雨滴質量的方法得到已知直徑的雨滴，一般的實驗室也具備條件；測量色斑直徑也只需要一臺高分辨率的掃描儀和一臺計算機，成本也很低。所以，使用色斑法測量淋雨試驗設備的雨滴直徑，是一種成本低廉而又能滿足要求的實用方法，適合普及使用。

[1] GB/T 2423.38—2008，電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法試驗R：水試驗方法和導則[S].

[2] GJB 150.8A—2009，軍用裝備實驗室環境試驗 第8部分：淋雨試驗[S].

[3] GB/T 5170.20—2005，電工電子產品環境試驗設備基本參數檢定方法水試驗設備[S].