环境试验设备参数测量──淋雨试验设备

伍伟雄

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

引言

1 概述

淋雨试验设备（以下简称设备）是一种模拟自然环境中降雨的环境条件，供样品进行淋雨试验的综合试验设备，包含有温度、风速、降雨强度、雨滴直径等参数。淋雨试验设备通常设计成降雨强度、风速连续可调，充当滴雨孔的滴嘴可更换的形式。设备通过调整储水箱的不同水位高度获得不同的降雨强度，以水位的额定高度代表降雨强度；设备通过调整风机的转速来获得不同的风速，以额定的风机转速代表风速；设备滴嘴的孔径一般在0.4～0.6mm之间，由固定孔径的滴嘴产生额定直径范围的雨滴，无雨滴直径指示仪表或装置。

淋雨试验的主要标准有国家标准GB/T 2423.38—2008 《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验R：水试验方法和导则》（等同采用IEC 60068—2—18：2000）、国军标GJB 150.8A—2009《军用装备实验室环境试验 第8部分：淋雨试验》。国标和国军标的试验要求有所不同，对试验设备提出的要求也有所不同。温度、风速、降雨强度的测量比较简单，测量方法也十分成熟。因此，本文不讨论温度、风速、降雨强度的测量，主要讨论雨滴直径的测量问题。

2 雨滴直径测量

2.1 测量方法

雨滴处在运动状态中，准确测量其直径不是一件简单容易的事情。一般的尺寸测量，是在静态中进行的，而雨滴是处在运动状态中。因此，对雨滴尺寸的测量，一种办法是在动态中，如采用雷达观测法和光学雨量计法等实时测量；另一种办法是把雨滴由动态测量变为静态测量，如采用浸入法等。在国外文献中，常见的测量方法有雷达观测法、光学雨量计法、摄影法、浸入法、面粉球法、滤纸色斑法等。

雷达观测法和光学雨量计法可实时、大面积地观测包括雨滴粒径及其分布在内的降雨基本特性，一般只应用于天然降雨的观测。摄影法是用高速摄影机拍摄出正在下落中的雨滴的照片，然后在显微镜下量测出该雨滴的粒径。摄影法适用于在实验室内测量模拟降雨，但高速摄影仪造价太高，且操作繁琐复杂，需要诸如电子闪光灯、闪光测频仪、菲涅耳透镜等辅助装置，在雨滴直径测量的实际工作中，并未得到普及使用。近年，有研究者利用压力传感器测量雨滴落下时的动能，然后反算出雨滴的直径，但该类仪器价格同样昂贵，一般的雨滴直径测量很难普及使用。

浸入法是用盛有油料的容器接盛雨滴，通过测量油中水珠直径来确定雨滴的大小，油比水轻且与水不相容，雨滴在油中因表面张力的作用而变成球形水珠，这样就可直接测量出雨滴的直径。浸入法适用于测量直径较小的雾滴或雨滴。面粉球法是将雨滴收集在盛有面粉的容器中，当雨滴与面粉接触后，就产生一个小小的湿面球，将容器连同雨滴形成的湿面球，一起置于烘箱内烘干，它们就凝固成一个个硬面球。面粉团法只适合测量较大的雨滴。浸入法和面粉团法操作也不方便，很难普及使用，在淋雨试验设备的雨滴直径测量中也没有得到实际应用。

色斑法又称作滤纸法，是历史悠久、应用最广泛的一种雨滴直径测量方法。雨滴在同一材料上形成的色斑大小与雨滴直径大小有关，确定好雨滴直径与色斑直径之间的关系后，通过量测雨滴在相同材料上形成的色斑大小求得相应的雨滴直径。色斑法适合于各种人工降雨试验与野外天然降雨研究，可以测量到直径极小的雨滴，国内多采用此方法测量雨滴直径。色斑法由于操作简单，成本低廉而在国内外应用最为广泛。色斑法测量所使用的、带有着色涂料的滤纸，没有作为测量仪器在市面上销售，在实验室条件下，完全可以自行制作。笔者依据前人的研究成果，结合自己的实际操作经验，介绍色斑法测量雨滴直径所用滤纸的制作和测量方法。

2.2 色斑法测量

雨滴直径是建立在雨滴为球体状的基础上进行其直径测量的，科学研究表明，当雨滴直径在不大于5mm时，其形状为球体状。色斑法测量雨滴直径是基于“雨滴在同一材料上形成的色斑大小与雨滴的直径大小有关”的原理，预先确定好雨滴直径与色斑直径之间的关系，然后通过测量雨滴在相同材料上形成的色斑大小推知相应的雨滴直径。科学研究表明，雨滴直径与色斑直径之间存在幂函数关系，如下式（1）。

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式中：d—雨滴直径；k－系数；D－色斑直径；n－指数。系数k和指数n的大小与滤纸、染料的种类及所涂的染料粉末的多少有关。

2.2.1 色斑滤纸制作方法

色斑是指在滤纸上涂上着色涂料，当雨滴落在滤纸上时，即留下永久性的近似圆形色斑。色斑滤纸一般选用定性中速滤纸，涂料采用曙红水溶性染料和滑石粉的混合粉末。曙红水溶性染料和滑石粉按质量比1：10混合并研磨。实际上，可购买到的曙红水溶性染料和滑石粉的粒径已足够小，使用一般的机械搅拌器进行充分的搅拌混合即可。用毛刷把混合粉末均匀涂在滤纸上，轻弹滤纸弹去多余的粉末。

用雨滴滴在制作好的滤纸上，观察形成的色斑的边界是否清晰和连续。如果色斑边界不够清晰和连续，说明所涂的粉末不足，通过反复试验，很容易掌握涂出清晰和连续的色斑边界的滤纸。下图1是涂料不足导致色斑不清晰和边界不连续的情况，图2则是具有清晰和连续边界的色斑情况。

2.2.2 产生已知直径雨滴的方法

要确定雨滴直径与色斑直径之间的关系，首先要有已知直径的雨滴。如何产生已知直径的雨滴，也是问题之一。有研究者采用普通医用注射器和不同型号的针头充当雨滴发生器，通过测量注射器、针头、水在滴水前后的质量，求得雨滴的质量，然后用雨滴质量与雨滴体积的关系式求得雨滴直径，如下式（2）。

图1 涂料不足的色斑图

图2 合适涂料的色斑图

式中：d—雨滴直径；m－雨滴质量；π－圆周率；ρ－水密度。

这种方法产生的雨滴的大小，会受到压力、滴落快慢的影响。由于需要靠手动控制，产生雨滴的大小的重复性不佳，要产生直径2mm以下和直径5mm以上的雨滴，更是十分困难。笔者曾研制出压力、滴落快慢均可控的雨滴发生器，可稳定产生直径在1.5～6mm之间的雨滴。当然，制作雨滴发生器，也是颇为费劲的事，一种更为简便的方法是使用高准确度的微量移液器，利用移液器固定的容积产生各种大小的雨滴，由雨滴的体积换算出雨滴的直径。例如，用移液器汲取1μL的水，全部压出作为一个雨滴，则雨滴的体积为1μL，依据球体的体积计算公式，可求得雨滴的直径为1.24mm，如下式（3）。

式中：d—雨滴直径；V－雨滴体积；π－圆周率。

2.2.3 色斑直径的测量

色斑的图形不是理想的规则图形，所谓色斑直径，其实是指色斑面积的等效直径。所以，测量色斑直径，是通过对色斑面积的测量，然后换算成等效的色斑直径。雨滴在滤纸上产生的色斑，是一个近似圆形或近似椭圆形的图形，这使面积的测量带来了一定的难度。采用手工描绘的传统测量方法，不仅测量准确度低，而且繁琐复杂。而采用计算机测量色斑面积，既提高了测量准确度，又解决了繁琐复杂问题。用高分辨率扫描仪按1：1的比例把色斑扫描成图片，然后用图片处理软件（例如photoshop）对色斑的面积进行测量。具体方法是：在扫描仪中设置1：1的扫描比例，同时设置像素分辨率dpi值，例如设置1200dpi，则表示每英寸有1200像素；利用photoshop软件统计色斑图片的总像素，则可依据每英寸1200像素的关系求出色斑图片面积，再由色斑面积换算成等效的色斑直径。

2.2.4 色斑滤纸系数k和指数n的确定

通过使用电子天平、移液器等方法得到大小不同的已知直径的雨滴，分别滴在色斑滤纸上形成不同大小的色斑，得到的雨滴直径和色斑直径如下表1。

将表1中雨滴直径与色斑相应直径用EXCEL进行回归分析，绘出雨滴直径与色斑直径 关系图（见图3），得到雨滴直径d与色斑直径D关系式，如下式（4）。

雨滴直径与色斑直径幂函数关系中，系数k＝0.32，指数n＝0.7722。

把色斑直径幂函数关系式化为线性回归进行相关系数检验。给定显著水平α＝0.01，样本容量n＝12，相关系数ρ＝0.999远大于ρ（0.01，12）＝0.708，说明雨滴直径与色斑直径幂函数关系式可靠。

2.3 色斑法测量雨滴直径验证

使用同一批次制作的色斑滤纸，按上面确定的系数k＝0.32、指数n＝0.7722的滤纸测量其它直径的雨滴，结果如表2。

表1 色斑直径与雨滴直径对应表

图3 雨滴直径与色斑直径关系图

表2 色斑滤纸测量雨滴直径验证数据表

由实验验证数据可以看出，用色斑滤纸测量小雨滴直径的最大误差0.05mm，测量大雨滴直径的最大误差0.11mm。在淋雨试验方法中，对雨滴直径的技术要求不高，如GJB 150.8A－2009对雨滴直径的要求为0.5～4.5mm，色斑滤纸测量雨滴直径的扩展不确定度（k＝2）约为0.1mm，可满足测量要求。

3 结束语

制作色斑滤纸所需要的材料，只有滤纸、曙红水溶性染料和滑石粉，成本低廉。如使用移液器产生已知直径的雨滴，成本也很低；如使用电子天平，通过测量雨滴质量的方法得到已知直径的雨滴，一般的实验室也具备条件；测量色斑直径也只需要一台高分辨率的扫描仪和一台计算机，成本也很低。所以，使用色斑法测量淋雨试验设备的雨滴直径，是一种成本低廉而又能满足要求的实用方法，适合普及使用。

[1] GB/T 2423.38—2008，电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法试验R：水试验方法和导则[S].

[2] GJB 150.8A—2009，军用装备实验室环境试验 第8部分：淋雨试验[S].

[3] GB/T 5170.20—2005，电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法水试验设备[S].