关于提升JDZ05-1型翻斗式雨量计测量精度的方法研究

高小娅，耿 楠，丁扬威，陆乙君，黄小彬，王恭涛

（杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

关于提升JDZ05-1型翻斗式雨量计测量精度的方法研究

高小娅，耿 楠，丁扬威，陆乙君，黄小彬，王恭涛

（杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

为进一步提高JDZ05 - 1型翻斗式雨量计的测量精度，在分析误差产生原因的基础上，采用减小翻斗倾角及斗室转换时间、承雨器滴嘴处安装微型阀门及双干簧管错位布置等改进方法，减小由于翻斗部件、发信部件等因素引起的测量误差，从而提升JDZ05 - 1型翻斗式雨量计的测量精度。

翻斗式雨量计；测量精度；误差分析；改进方法

随着水文信息化的发展，翻斗式雨量计因其可自动传输数据、无需人工驻守观测、汛期可快速显示雨量值和降雨时段等优点，已逐渐替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系统的降雨量观测中。

JDZ05 - 1型翻斗式雨量计是水利部南京水利水文自动化研究所生产的降雨量观测专用器具。因其结构简单，以脉冲信号形式呈现降雨量信息，便于远距离有线传输和无线遥测，满足降雨量观测要求等优点而被广泛应用[1]。随着水文信息化系统对降雨量观测精度要求的提高，进一步减小JDZ05 - 1型翻斗式雨量计的测量误差，提高测量精度，是提高降雨量观测精度的技术保证。

1 JDZ05 - 1型翻斗式雨量计工作原理

JDZ05 - 1型翻斗式雨量计由承雨器件、计量组件等组成（见图1）。承雨器件用于采集、承接降雨，包括承雨器、防虫网、漏嘴、筒身等。计量组件是一个翻斗式机械双稳态秤重机构，其功能是将以毫米计的降雨深度转换为以克（或毫升）计的相应单元重量（或体积），在降雨过程中，用开关量的形式将采集的信息量同步输出。

JDZ05 - 1型翻斗式雨量计工作时，承雨器环口承接的雨量经漏嘴汇集到漏斗内，再通过滴嘴滴落到处于上斗的翻斗里。当翻斗内的水量达到15.71 g（或mL）时，翻斗会因为自身重力自行翻转1次。在翻斗翻转过程中，翻斗部件的磁钢接近干簧管，其磁场激励干簧管中的簧片，2簧片分别被磁化为N、S极，异性相吸，开关闭合，电路瞬间导通，完成1个单元降雨量（0.5 mm）的转换和信号输出。同时，原先翻斗部件的下斗则上升，转换为上斗。重复上述动作，可不间断地循环计量降雨量。

图1 翻斗式雨量计结构图

2 测量误差原因分析

在以往的使用过程中，通过比较分析实际降水量和仪器排水量之间的误差发现，引起雨量计测量误差的原因包括外部环境和机械部件引起的误差，机械部件引起的误差为主要误差。

2.1 翻斗部件引起的误差

翻斗计量工作是一个动态的过程。当雨强很大时，进入翻斗的水连续不断，当达到设计规定的重量（容积）时，翻斗开始翻转（t1），但雨水仍不停地注入翻斗（见图2），直至翻斗中间隔板越过中心线，水流进入另一斗室（t2），在t1 ～ t2这一时段Δt内，翻斗内多计量ΔW水量。降水强度越大，多计量的ΔW水量越大。这部分在翻斗翻转过程中注入但实际并未得到计量的ΔW水量，即翻斗计量动态误差ΔE，与翻斗的安装倾角φ、雨强I等因素有关。

图2 翻斗部件引起的误差图

2.2 发信部件引起的误差

翻斗式雨量计现有的2组发信部件，其中一组为备用。翻斗侧壁上装有磁钢，当翻斗部件掠过干簧管时，磁钢从干簧管磁敏接近开关旁扫过，使干簧管磁敏接近开关通断状态发生变化。面对环境的磁干扰，若干簧管或磁钢元件性能失常，则会发生连击或漏击的情况，从而产生降雨量的计量误差[2]。

3 改进方法

通过对引起雨量计测量误差的主要原因分析，有针对性地采取改进方法，尽可能减小测量误差。

3.1 减小翻斗倾角及斗室转换时间

式中：M为斗室雨水的翻转动力矩（N · m）；J为翻斗部件转动惯量（kg · ㎡）；ω为翻斗部件翻转角速度（rad/s）；t为翻斗部件翻转时间（s）。

当减小翻斗部件的倾角φ时，即减小2斗室计量转换的路程，缩短翻斗翻转时间Δt，若翻斗部件转动惯量J和翻斗部件翻转角速度ω一定时，角加速度Δω/Δt越大，斗室的翻转力矩越大，在翻转过程中多计量的水量ΔW越少，计量误差越小。

通过对JDZ05 - 1型雨量计安装调试过程进行实验，在雨强4 mm/min时，得到测量误差与翻斗倾角的数据见表1。

翻斗部件的运动方程式为[3]：

表1 雨强一定时测量误差与翻斗倾角的实验数据表

实验表明，减小翻斗部件倾角，缩短翻斗翻转时间，减小测量误差是可行的。但翻斗部件倾角不宜小于10°，否则仪器计量稳定性差。

3.2 承雨器滴嘴处安装微型阀门

在翻斗上方的承雨器滴嘴处安装1个微型阀门[4]，利用翻斗本身的机械力控制阀门启闭。当翻斗开始翻转至翻转完成的Δt时间内，阀门被关闭，雨水暂存于承雨器内；当翻斗翻转完成，滴嘴下方的翻斗为空时，阀门被打开，雨水注入斗室。避免翻斗翻转过程中多计量ΔW水量，尽可能减小计量误差。

图3 安装微型阀门后的结构图

3.3 双干簧管错位布置

采用2支错位布置的单干簧管构成翻斗左右斗室的双干簧管装置。当翻斗翻转时，检测到一支单干簧管吸合、再检测到另一支单干簧管吸合，才认为信号有效，否则视为故障工况。可有效解决单干簧管易受环境磁干扰产生误动作的缺陷，提升雨量计测量的可靠性。

4 结 语

通过分析引起JDZ05 - 1型翻斗式雨量计测量误差的主要原因，提出改进测量精度的方法,理论上减少了雨量计的测量误差，具有一定的可行性。但在实际使用中，这些方法还需根据具体情况进一步验证，从而采取可行的措施提升测量精度。

[1] 黄亮.JDZO5 - 1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] 杨云霞.翻斗式雨量传感器误差探析[J].西北水力发电，2005(21)：131 - 133.

[3] 王展宏.翻斗式雨量计的误差分析与改进[J].水利信息化，2012(4)：53 - 55.

[4] 梁朝阳，李清，刘浏，等.翻斗式雨量计的误差分析[J].气象水文海洋仪器，2016(1)：68 - 71.

（责任编辑 郎忘忧）

About Improving JDZ05-1Type Tilting Rain Gauge Measurement Precision of the Method Research

Gao Xiao - ya，Geng Nan，Ding Yang - wei，Lu Yi - jun，Huang Xiao - bin，Wang Gong - tao
( Hangzhou Ding Chuan Information Technology CO., LTD，Hangzhou 310020，Zhejiang，China )

In order to further improve JDZ05 - 1 type tilting rain gauge measurement accuracy in using process，based on the analysis of the cause of the error，reduce the tilt Angle and transformation of a small time，bearing the rain drops of mouth micro valve installation and improvement methods，such as double reed tube dislocation arrangement. By the improved method can decrease due to skip parts，measuring error caused by the factors such as transmitting parts，thereby improving JDZ05 - 1 type tilting rain gauge measuring precision, has certain feasibility in the practical application.

tipping bucket rain gauge；measurement accuracy；error analysis；improved method

TP202

A

1008 - 701X(2017)03 - 0005 - 02

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.002

2016-10-20

高小娅(1983 - )，女，工程师，硕士，主要从事水利信息化技术研究。