關于翻斗式雨量計誤差產生的分析和改進

王果立

摘 要：隨著水文信息化技術的快速發(fā)展，水文自動測報系統使用的翻斗式雨量計應用也愈加廣泛。然而翻斗式雨量計在使用中存在雨量傳感器測量誤差偏大的問題，在分析誤差產生原因的基礎上，提出相應的改進措施，從理論上解決了一些翻斗式雨量計誤差偏大的問題，可以在實踐中起到參考意義。

關鍵詞：水文自動測報系統；翻斗式雨量計；誤差分析；改進方法

中圖分類號：P335 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0078-02

1 概述

大氣中的液態(tài)或固態(tài)水，在重力作用下，克服空氣阻力，從空中降落到地面的現象稱為降水。大氣降水測量是地球水循環(huán)監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。隨著水文信息化技術的快速發(fā)展，傳統的雨量觀測手段越來越難以滿足信息精確性、時效性的需要，遙測型翻斗式雨量計是一個可以進行實時觀測和實時傳輸的雨量數據數字化的降雨量觀測儀器，具備時間準確、自動記錄傳輸數據、便于數據采集整編等優(yōu)勢。然而，翻斗式雨量計在水文站、氣象站等部門實際應用中，常常會出現測量誤差較大的問題。本文以遙測型翻斗式雨量計為研究對象，介紹翻斗式雨量計的工作原理，分析造成誤差的原因，為降水測驗工作提供參考和幫助。

2 翻斗式雨量計工作原理

翻斗式雨量計分為傳感器和固態(tài)存儲器兩部分。傳感器由承雨器、上漏斗、計量翻斗、節(jié)流管、計數翻斗、干簧管、脈沖產生電路、底座、外殼和支架等組成，是一個翻斗式機械雙穩(wěn)態(tài)稱重結構。翻斗雨量計的工作原理為：在降雨過程中，雨水由最上面的承水口進入承雨器，雨水落入接水漏斗，經漏斗口流入上翻斗，經漏斗和節(jié)流管進入計量翻斗，當積水量達到一定高度（根據靈敏度不同而定，如0.5mm）時，計量翻斗失去平衡翻倒，將積水倒入計數漏斗，計量漏斗每翻倒一次，下面的計數漏斗跟著也同步翻轉一次，而每一次翻斗傾倒，通過安裝在計數漏斗上的磁鋼對固定在支架上的干簧管掃描一次，使其觸點閉合一次，從而向存儲器輸送一次一個單位降雨量的脈沖信號，固態(tài)存儲器則將傳感器傳來的脈沖信號記錄下來。如此往復，即可將一次降雨過程完整的測量下來。

3 誤差分析

翻斗式雨量計在使用過程中，由于其自身結構、原理方面的局限，表現出許多缺陷，如雨量測量精度較差，測量誤差大小隨雨強變化較大等，這些缺陷直接影響了降雨觀測資料的質量，但作為測量雨量的一種儀器，出現誤差是難免的，而我們要做的就是把誤差控制在可接受的范圍內。下面我們詳細分析一下翻斗式雨量計產生誤差的各種原因。

3.1 儀器的最大起始誤差

翻斗式雨量計通常安裝在野外，在初始干燥的情況下，在降雨開始的時候，雨水會先在進水口匯集，之后通過管道，進水漏斗，最終進入翻斗。在翻斗翻轉之前，翻斗內的降雨，以及進水漏斗、管道、儀器集水面等處殘留的水珠，這些降水都無法再儀器中得到計量。翻斗翻轉之后，翻斗內的降水雖然參加了計量，但進水漏斗、管道、儀器集水面等處殘留的水量無法得到反映。翻斗最后一次翻轉到降雨停止的這段時間內，殘留在翻斗內的水量也無法得到反映，這就造成了系統誤差，即測量值總是小于真值。這就是翻斗式雨量計的最大起始誤差，可分為以下兩部分：

（1）濕潤誤差。也就是進水漏斗、管道、儀器集水面等處殘留的水珠，導致降水并不立即進入翻斗計量，產生誤差。濕潤誤差與降水量和雨強大小無關，但在降水過程中所占的比重與降水量大小有關。濕潤誤差在每次發(fā)生降水時且進水漏斗、管道、儀器集水面等處比較干燥時才會明顯，且是一個定值，一般通過實驗即可測出。

（2）分辨率誤差。分辨率誤差就是殘留在翻斗內未計量的降水所導致的誤差，由于降水量的不確定性，所以在降水過程中小于儀器分辨率的計量誤差無法克服，而且在分辨率范圍內呈現隨機分布的狀態(tài)，所以將殘留在翻斗內沒有計量的降水所導致的誤差直接取為儀器分辨率的最大值，也是一個定值。

由于濕潤誤差和分辨率誤差都是定值，所以儀器的最大起始誤差也是定值。只要測得了最大起始誤差，就可以了解到降雨小多大儀器才開始記錄，這也是儀器的起始鑒別閥。從而了解到最大起始誤差在某場降雨中所占的比重大小，進而評定本次降水量的計量過程和精度的優(yōu)劣。

3.2 儀器的翻斗計量誤差

翻斗在翻轉的過程中，需要一定的時間，在翻轉的前半部分，即翻斗從開始翻轉到翻斗中間隔板越過中心線的時間內，進水漏斗仍然向翻斗內注水，如果降雨強度越大，進入的水量也越大，降雨強度越小，進入的水量也越小，這部分在翻轉過程中注入但實際上并沒有得到計量的水量，產生了隨降雨強度不同而變化的計量誤差。

筆者經過對翻斗式雨量計的注水實驗，得出當雨強較大時，翻斗翻轉的瞬間注入水量較多，導致儀器自身排水量大小儀器記錄值，測量精度偏負。當雨強較小時，翻斗翻轉瞬間幾乎無降水注入，導致儀器記錄值大于儀器自身排水量，測量精度偏正。當儀器調整時，設置雨強在2mm/min左右時，測量精度最高，誤差接近于零。

3.3 儀器器口尺寸誤差

翻斗式雨量計的器口直接控制儀器承受雨量的面積，是決定儀器精度的因素之一。根據JB/T9458-1999《雨量器技術條件》規(guī)定，雨量器承水口直徑為200mm。然而，在儀器制造的過程中存在一定的制造誤差，承受雨量的面積與理論上的面積存在一定差異，造成儀器的器口尺寸誤差。另外在儀器使用過程中，需要注意承雨口變形，以免人為造成不必要的誤差。

3.4 儀器的記錄誤差

翻斗式雨量計的記錄儀器一般是固態(tài)存儲器，性能比較穩(wěn)定可靠，需要注意的是安裝操作正確，注意使用環(huán)境等。一般來說，記錄誤差小于傳感器測量的誤差。

4 改進方法

通過以上所述，分析出了翻斗式雨量計產生誤差的各種原因。為了提高儀器精度，更好的為雨量觀測服務，可以有針對性的采用一些方法來盡可能的減小翻斗式雨量計的誤差。

4.1 翻斗感量的調整

翻斗式雨量計的計量誤差與翻斗感量以及降雨強度都存在一定的函數關系，不同的雨強條件下，不同的翻斗感量對計量誤差有不同的影響。在實際工作中，可以根據不同的降雨情況，調整翻斗感量，使翻斗感量在經常出現的雨強范圍內，能夠盡量減小計量誤差。但這種改正措施在實際操作中比較復雜，只能經常調整，掌握一定經驗和規(guī)律，才能使調整后的翻斗感量達到既定標準。

4.2 減小翻斗傾角

翻斗傾角就是翻斗部件的安裝角度，減小翻斗傾角實際就是縮短了翻斗室計量轉換的路程，從而縮短了翻斗翻轉的時間，減少了翻斗翻轉過程中進水漏斗仍然向翻斗內注水的增量，使翻斗動態(tài)計量相對誤差減小。這種方法是可行的，但翻斗傾角不能太小，否則會造成儀器的不穩(wěn)定。

4.3 增加翻斗式雨量計承雨器器口面積

為了抵消儀器的濕潤誤差，從而使儀器整體測量精度獲得提高，在儀器制作時一般會故意將儀器承雨器器口尺寸制作偏大。除了抵消濕潤誤差外，增加雨量計承雨器器口面積還會增加每次進入翻斗的水的重量，從而減小翻斗動態(tài)計量相對誤差，這也是提高儀器測量精度最便捷的方法之一。

4.4 通過軟件進行修正

翻斗式雨量計傳感器配備有顯示屏、記錄裝置、傳輸裝置、存儲裝置，是一個單片機系統。由于翻斗計量誤差隨雨強不同而發(fā)生變化，兩者具備一定的相關關系，所以可以利用測量翻斗翻轉的時間間隔，來推算出當時的降雨強度，從而對翻斗的計量精度進行修正。而對產品質量有充分保障的傳感器，可以通過實驗得出儀器計量誤差與雨強具體的相關關系，制定為某種線性關系，作為一種公式植入到系統軟件內，對翻斗計量誤差進行改正。通過軟件改正，可以有效的提高翻斗雨量計傳感器的測量精度。

5 結語

大氣降水測量是地球水循環(huán)監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，精準的降水測量是水資源利用開發(fā)、旱澇災害預警和環(huán)境評估等各方面的重要組成部分，高質量的降水資料可以為防汛抗旱、水資源開發(fā)利用、水文預報統計等提供可靠依據。所以作為能夠直接影響到降水資料質量的翻斗式雨量計的誤差問題也顯得尤為重要。在使用中，應根據不同地區(qū)降水的不同，來因地制宜，分析誤差產生的原因，并有針對性的進行改進，不斷提高翻斗式雨量計的測量精度。本文在翻斗式雨量計結構和原理方面分析了一些誤差產生的原因，并提供了一些減小誤差的觀點，希望能夠對以后儀器的設計調試和檢定實驗有所幫助。