翻斗式雨量计的误差分析与改进

王展宏

（浙能萧山发电厂，浙江 杭州 311202）

0 引言

目前雨量观测仪器中翻斗式雨量计已逐渐取代传统的雨量器和虹吸式雨量计，广泛应用于水文自动测报与雨量资料收集固态存贮系统中。翻斗式雨量计分为翻斗式雨量传感器和数据采集仪 2 部分。随着电子信息技术的发展，数据采集仪己经能够达到很高的精度标准，完全能满足雨量观测的要求。翻斗式雨量计存在的主要问题来自翻斗式雨量传感器，主要表现在翻斗式雨量传感器的计量误差较大。随着雨强的变化，计量误差随之变化，同期雨量观测资料对比表明：雨强变化越大，降雨量的测量误差也越大。因此，翻斗式雨量计在使用过程中存在的问题之一是雨强与测量误差之间的矛盾。

1 翻斗式雨量计工作原理

目前，较多使用的是单翻斗雨量传感器。降水由筒身上部承雨口，进入翻斗。翻斗一般由金属材料制成，支承在轴承上。当翻斗内水量达到规定量时，翻斗会因为自身重力自行翻转。翻斗下方左右各有 1 个定位螺钉，调节高度，可改变翻斗倾斜角度，即可改变翻斗每一次的翻转量。翻斗上部有磁钢，在雨量计固定支架上安装有高灵敏度的干簧管。在翻斗翻转过程中，磁钢接近干簧管，随即离开，使干簧管内触点产生 1 次接触断开过程，达到1 次翻转产生 1 个信号的目的[1]。将翻斗翻转水量调节成要求值，如 0.1，0.2，0.5 mm 雨量（在承雨口径为 200 mm 时，分别为 3.14，6.28，15.7 mL 水量），则每个信号代表0.1，0.2，0.5 mm 降雨，实现降水遥测的目的。

2 翻斗式雨量计误差产生的原因

翻斗式雨量计的误差是通过实际降水量和仪器实际排水量比较后得出的，但在使用中，实际降水量因为受到许多环境因素（比如风、地形、高度等）的影响无法准确认定，故以进入承雨口的雨量为雨量真值。

2.1 仪器的最大起始误差 [2]

仪器安装在野外，在初始干燥的情况下，降雨后雨水先由进水口汇集，通过管道，进水漏斗，最终进入翻斗。在翻斗翻转之前，翻斗内的降水，以及进水漏斗、管道、仪器集水面等处残留的水珠和水膜无法在仪器中得到计量；翻斗翻转以后，翻斗内的降水虽然参加了计量，但残留的水珠、水膜仍然无法得到反映。翻斗最后一次翻转到降雨停止的这段时间内，残留在翻斗内的水量也无法得到反映，造成仪器系统误差，即测量值可能总是小于真值。最大起始误差可由以下部分组成：

1）湿润误差。即残留的水珠和水膜，导致降水并不立即进入翻斗计量 ，产生误差。湿润误差值在每次发生降水时管道、进水漏斗、仪器集水面等处都干燥的情况下才会比较明显，且是定值；与雨强和降水量大小无关，但湿润误差在每次降水过程中所占比重与降水量的大小有关。湿润误差值可以通过实验的方法测得。

2）分辨力误差。由于降水量的不确定性，所以在实际使用过程中小于仪器分辨力的计量误差没有办法克服，并且在分辨力范围内呈随机分布状态，因此一般简化处理方法是将残留在翻斗内未计量的降水导致的误差直接取为分辨力的最大值，也是一定值。

由于湿润和分辨力误差均为定值，故仪器的最大起始误差也为定值，因此可根据该误差在某次降雨中所占的比重大小评定本次降水量的计量过程和精度是否合乎标准。

2.2 仪器的翻斗计量误差

单翻斗雨量计比较简单，但存在比较明显的翻转误差。在翻转的前半部分，即翻斗从开始翻转到翻斗中间隔板越过中心线的 △t 时间内，进水漏斗仍向翻斗内注水，多计量的水重量为 △W。降水强度越大，注入的水量也越大，反之越小。这部分在翻转过程中注入但实际并未得到计量的水量，产生随降雨强度不同而变化的计量误差，也即动态计量相对误差，为 △W 与雨量计感量相应重量 G 之比。

对翻斗的计量误差，可用雨强—精度关系图表示，如图 1 所示。

仪器调整时，可设置在雨强为 2 mm/min 左右，测量精度最高，误差接近于零。从图 2 可见，当雨强较大时（大于 2 mm/min），翻斗翻转期间注入水量较多，导致仪器自身排水量大于仪器记录值，测量精度偏负；反之当雨强很小时，翻斗翻转期间几乎无降水注入，导致仪器记录值大于自身排水量，测量精度偏正。

2.3 仪器的器口尺寸误差

翻斗式雨量计的器口直接控制仪器承受雨量的面积，是决定仪器精度的因素之一。根据 JB/T 9458—1999《雨量器技术条件》[3]规定，雨量器承水口的直径为 200 mm。然而，在仪器制造过程中，存在制造误差，仪器承受雨量的面积与理论面积有差异，造成仪器的器口尺寸误差。

图1 单翻斗雨量计雨强—精度关系

3 翻斗式雨量计的改进措施

通过分析误差产生的原因，可有针对性地采用相应措施尽可能减小翻斗式雨量计的计量误差。

3.1 调整翻斗感量

通过对翻斗雨量计的误差试验研究，可以得到翻斗式雨量计的误差与翻斗感量及雨强都存在特定的函数关系。如对于分辨力为 0.1 mm 的翻斗式雨量计，每翻 1 斗代表降水量 0.1 mm，转换成质量表示为3.14 g，在试验中，把翻斗感量调整到每斗 2.65 g，可使雨强在 2 mm/min 时，计量误差为零。在实际工作中，可根据当地降雨情况，调整翻斗感量，使其在经常出现的雨强范围内，计量误差尽可能小。但这种改正措施在实际操作时是很困难的，翻斗感量与对应的倾角关系非常复杂，只有不断地调整，使翻斗感量达到既定标准，如果调整不好，翻斗感量出现误差，还是不能达到较小计量误差的目的。

3.2 减小翻斗倾角

减小翻斗部件安装角也即减小 2 斗室计量转换的路程，从而缩短翻斗翻转时间 △t，减小计量中的增量 △W，使翻斗动态计量相对误差减小。实验表明，这种方法是可行的。但倾斜角不宜过小，否则仪器将不稳定。

3.3 缩短 2 斗室转换时间 △t [4]

翻斗部件的运动方程式可以表示为

式中：M 为上斗室雨水的翻转动力矩；J 为翻斗部件转动惯量；ω 为翻斗部件翻转角速度；t 为翻斗部件翻转时间。

由式 (1) 可见，对某一感量仪器，当 M 为一定时，J 越小，角加速度 △ω/△t 越大，则可缩短 2 斗室计量转换时间 △t，达到减少动态计量相对误差的目的。

镁铝合金是用镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成的，在同样强度下，镁铝合金的部件能做得比塑料的部件薄而且轻。镁铝合金机械加工性能好，切削阻力小。所以，若是将镁铝合金作为翻斗材料，则翻斗转动惯量会大大减小，△t 将会大大缩短。

3.4 增大翻斗式雨量计的承雨口面积

为了减小仪器的湿润误差，在仪器制作时一般会故意使仪器承雨口尺寸略微偏大，从而提高仪器整体测量精度。除了减小湿润误差以外，增大承雨口面积，可增大每斗水的重量，从而减小翻斗动态计量相对误差，这也是提高仪器测量精度最简捷的方法。目前许多国家除采用标准承雨口（直径为 20.00 cm）外，承雨口直径还有 20.30，28.73 和 30.48 cm。

3.5 安装阀门消减器差装置

在进水漏斗处安装 1 个灵巧的微型阀门，用翻斗本身机械力控制阀门，只有当翻斗部件中 1 个空斗室处于漏斗嘴下方时，阀门才被打开，使雨水注入斗室。而在 2 个斗室轮换计量的 △t 间隙时间内，阀门是被关闭的，因而这部分的雨水将流入另一斗室，这样可解决单翻斗计量中由于雨强不同而产生的器差问题。经过改进后的翻转翻斗结构示意图如图 2 所示。

图2 经过改进后的翻转翻斗结构示意图

3.6 表面喷涂特氟龙

特氟龙即聚四氟乙烯，一般称作“不粘涂层”或“易洁镬物料”。这种材料具有抗酸抗碱、各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂；同时，具有耐高温、摩擦系数极低等特点，所以作润滑作用之余，亦成为易洁镬和水管内层的理想涂料。因为特氟龙有不粘性、低摩擦系数、不湿性、耐高温、耐化学性、低温稳定性等特性，所以，翻斗式雨量计的管道、进水漏斗、仪器集水面、计量翻斗的表面经过喷涂特氟龙处理后，能在最大程度上消除湿润误差。

3.7 通过软件改正

翻斗式雨量传感器一般均配置有显示、记录、传输、存贮装置，该装置是 1 个单片机系统。由于翻斗计量误差与降雨强度间具有一定的相关关系，故可利用测量翻斗翻转的时间间隔，推算出当时的降雨强度，从而对翻斗的计量精度进行修正。对成批生产、工艺生产质量具有充分保证的传感器，计量误差与雨强间的关系，可固定为某条曲线，植入系统软件内，对翻斗计量误差进行改正。实践证明，通过软件改正，能较有效地提高单翻斗雨量传感器的测量精度。

4 结语

精确的降水测量是水资源利用、灾害预警和环境评估等多方面的重要组成部分，高质量的降水资料可以为水文预报、计算、分析提供可靠依据，所以雨量传感器存在的误差问题直接影响降水资料的质量。因此在使用中，应根据不同地域降水的不同，分析误差产生的原因，提出可行的改进措施，不断提高翻斗式雨量计的测量精度。但是实际使用过程中雨量计的使用环境、仪器的调校和维护，以及数据采集仪的可靠性等方面的问题还需要进一步探讨。

[1]黄亮. JDZ05 型翻斗式雨量传感器的实际应用[J]. 水利水文自动化，2004 (4): 40-42.

[2]姚永熙. 水文仪器及水利水文自动化[M]. 南京：河海大学出版社，2001: 53-54.

[3]长春气象仪器研究所，上海气象仪器厂. JB/T9458-1999雨量器技术条件. 北京：机械工业出版社，1999: 3.

[4]杨汉塘. 翻斗雨量计动态计量系统误差来源及其改善措施[J]. 水利水文自动化，2001 (4): 20-25.