翻斗式、壓電式雨量計(jì)測(cè)量原理及誤差分析

陳 凱 方海濤 沈玉亮

（安徽省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，安徽 合肥230031）

由于我國(guó)幅員遼闊，地形多變，降水主要對(duì)流雨、地形雨、鋒面雨、臺(tái)風(fēng)雨幾種類型。

對(duì)于不同測(cè)量精度和應(yīng)用場(chǎng)景選擇不同測(cè)量原理的雨量計(jì)，就具有十分重要的意義。文章從測(cè)量原理、性能差異、降水強(qiáng)度、測(cè)量環(huán)境等因素進(jìn)行誤差分析，進(jìn)而為設(shè)備選型提供基礎(chǔ)性參考。

1 雨量計(jì)的技術(shù)原理

1.1 翻斗式雨量計(jì)

翻斗式雨量計(jì)由測(cè)量部件和雨軸承部件組成。計(jì)量部件由恒磁鋼、排水漏斗、信號(hào)輸出端子、控制線路板組成；承雨器部件由承雨口、飲水漏斗、翻斗、角調(diào)節(jié)裝置、水平調(diào)節(jié)裝置、干簧管等構(gòu)成。

工作原理為：其工作原理是:雨水從上承座進(jìn)入貯水器，落入水漏斗，再通過漏斗口流入翻斗桶。

當(dāng)蓄水量達(dá)到一定高度（如0.01mm）時(shí)，翻斗會(huì)失去平衡而翻倒。每次鏟斗被翻倒時(shí)，開關(guān)就連接到電路上，向記錄器發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)。記錄器控制記錄器來記錄降雨，因此降雨過程可以持續(xù)測(cè)量。

1.2 壓電式雨量計(jì)

壓電式雨量計(jì)主要由所述感測(cè)元件測(cè)量降雨，所述感測(cè)元件由殼體和粘貼在殼體內(nèi)的壓電陶瓷片組成。

工作原理：雨滴落在傳感器上，作用在傳感器表面。在雨滴的沖擊激勵(lì)下，殼體會(huì)產(chǎn)生微小的機(jī)械振動(dòng)。壓電陶瓷板在振動(dòng)的機(jī)械應(yīng)力作用下，電極之間產(chǎn)生電壓差，并將電信號(hào)輸出到外界。雨滴沖擊的沖擊力越大，振動(dòng)幅值越大，傳感器元件輸出電壓幅值越大。

該傳感器是通過采集壓電元件的輸出信號(hào)得到的，由高斯模型可用于在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下得到雨滴的垂直最終速度。雨滴下落的垂直動(dòng)量為Mv=mVv=m（Vt+Vwv）

式中，m 是雨滴質(zhì)量，Vt 是垂向雨滴終速，Vwv 是垂向風(fēng)速。對(duì)于等效直徑為D 的雨滴，雨滴質(zhì)量為m=πρD/6

ρ=1g/mm3為雨水的密度，忽略通常情況很小的垂向風(fēng)速，垂直動(dòng)量只與雨滴的質(zhì)量和下落終速有關(guān)Mv-mVt

根據(jù)沖量定理，雨滴的動(dòng)量將被傳感器元件的沖擊力所代替。

在沖擊力作用下，傳感器殼體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，壓電傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

每個(gè)雨滴對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)為振幅呈指數(shù)衰減的正弦信號(hào)，輸出電壓在沖擊時(shí)刻達(dá)到最大值，峰值電壓為Um=cMv=cmVt=πρcD/6

式中c 是壓電傳感器的靈敏度，由壓電材料的壓電系數(shù)決定。雨滴終速Vt 是雨滴粒徑D 的正相關(guān)函數(shù)，因此通過采集各壓電材料輸出信號(hào)的峰值電壓來計(jì)算相應(yīng)的雨滴尺寸和體積，得到峰值電壓與雨滴尺寸的關(guān)系：Um=5.05ρc [1-exp(-0.53D)]D3（ρ、c 為常量）。

2 測(cè)量值誤差分析及改進(jìn)措施

2.1 翻斗式雨量計(jì)誤差分析及改進(jìn)措施

（1）翻斗式雨量計(jì)誤差分析

翻斗式雨量計(jì)測(cè)量雨量，由于結(jié)構(gòu)本身的缺陷，誤差主要由翻斗傾角偏大和翻斗轉(zhuǎn)動(dòng)頻率引起的。

當(dāng)然，在實(shí)際使用中，降水量受到環(huán)境（例如風(fēng)、地形、蒸發(fā)等）因素的影響產(chǎn)生誤差。

翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，固定誤差（分辨力誤差和濕潤(rùn)誤差）濕潤(rùn)誤差是殘留的水珠和水膜沒有及時(shí)進(jìn)入翻斗計(jì)量產(chǎn)生誤差，分辨力誤差是由于雨量較小，未能夠達(dá)到翻斗翻動(dòng)最小值，產(chǎn)生有雨，但是雨量計(jì)無數(shù)值。翻斗式雨量計(jì)承水口口徑的面積，是影響儀器精度的因素之一。

（2）翻斗式雨量計(jì)的改進(jìn)措施

通過誤差分析，可采用調(diào)整翻斗感量、減小翻斗傾角，縮短翻斗轉(zhuǎn)換時(shí)間、增大翻斗式雨量計(jì)的承雨口面積、表面涂抹特殊材質(zhì)等方法減小固有誤差，通過技術(shù)標(biāo)定，提高翻斗式雨量計(jì)的傳感器測(cè)量精度。

2.2 壓電式雨量計(jì)誤差分析及改進(jìn)措施

（1）壓電式雨量計(jì)誤差分析

壓電式雨量計(jì)測(cè)量雨量，由于結(jié)構(gòu)本身的缺陷，誤差主要由雨滴重疊跌落和信號(hào)噪聲干擾引起的。

當(dāng)然，在實(shí)際使用中，降水量受到環(huán)境（例如風(fēng)、地形、雜物等）因素的影響產(chǎn)生誤差。

壓電式雨量計(jì)在實(shí)際測(cè)量中，由于重疊邊界效應(yīng)，在大雨強(qiáng)情況下，雨強(qiáng)可以定性但在定量方面測(cè)量精度產(chǎn)生偏差偏差，對(duì)于極小雨強(qiáng)在信號(hào)噪聲干擾下，也易出現(xiàn)測(cè)量精度偏差。

（2）壓電式雨量計(jì)改進(jìn)措施

通過誤差分析，可采用適度增加傳感器受力面積，優(yōu)化壓電感片貼合技術(shù)減小邊界效應(yīng)對(duì)單個(gè)雨滴的測(cè)量影響，設(shè)計(jì)兩路采集電路，采用不同放大倍數(shù)，經(jīng)濾波電路處理，去除高頻噪聲信號(hào)及低頻紋波的信號(hào)干擾。

3 翻斗式雨量計(jì)和壓電式雨量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 翻斗式雨量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

翻斗式雨量計(jì)自動(dòng)化程度高，獲取降雨量的及時(shí)性強(qiáng)，降水量信號(hào)數(shù)字化，降水量資料準(zhǔn)確可靠，有明確的技術(shù)規(guī)范要求，每年進(jìn)行雨量標(biāo)定。

缺點(diǎn)是野外安裝對(duì)觀測(cè)環(huán)境要求高，雨量數(shù)據(jù)有延時(shí)，要加強(qiáng)日常維護(hù)，防止雨量桶堵塞。

3.2 壓電式雨量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

壓電式雨量計(jì)集成度高，量程大，最大可測(cè)量8mm/min 降水雨強(qiáng)，比翻斗式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)量程大，能完成精確到秒的降水時(shí)長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，一體化封裝，野外安裝占地面積小，基本無需維護(hù)，缺點(diǎn)是信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)損耗，無明確的技術(shù)規(guī)范要求，不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，長(zhǎng)期使用，無法確實(shí)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。雨量數(shù)據(jù)定性監(jiān)測(cè)較好，定量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不可靠。

綜上所述，精確的降水測(cè)量對(duì)于水資源利用、災(zāi)害預(yù)警和環(huán)境評(píng)估等方面有重要意義，高質(zhì)量的降水資料可以為氣象、水文、國(guó)土等部門計(jì)算、分析、使用提供可靠依據(jù)，不同雨量計(jì)的誤差問題會(huì)直接影響降水資料的可用性。

在使用中應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域、不同使用要求、不同使用環(huán)境來選擇雨量計(jì)，當(dāng)然，隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，不同雨量計(jì)的數(shù)據(jù)可靠性還會(huì)進(jìn)行改進(jìn)。