浅谈翻斗式雨量计的在站滴定

2023-08-28□徐佳

河北水利 2023年7期

关键词：雨量计斗式雨强

□徐佳

作为水文行业计量认证的一部分，翻斗式雨量计的滴定工作关系到观测仪器的校准，进而影响观测数据的准确性，对水文观测具有十分重要的作用。

翻斗式雨量计的滴定，从实施地点方面可分为检定中心滴定和在站滴定两种。前者的检定重心在于雨量计仪器本身的准确性和可靠性；后者的重心在于保证雨量计在设置稳定后一段时段内（大多为一年）最大限度反映本站实际的时段雨情信息。

两种检定方式侧重不同，缺一不可，考虑到在检定中心检定后返场和安装过程中，不可避免地发生设备晃动、磕碰等情况，在雨量站点安装完毕后（或经历较大降雨后），还要进行在站滴定。这在无形之中增加了在站滴定在雨量站管理中的权重。

1.滴定原理

翻斗式雨量计的滴定原理源自其设计原理，即利用翻斗量测降水雨，将降雨量转换成电脉冲输出，调整翻斗感量，使全年大、小雨强的误差得以部分抵消，一定程度上提高了总体综合观测精度。

滴定原理是人为模拟降雨，利用标准量杯、计数器和计时器（或者精密的流量调节控制设备即泵式滴定仪）等通过调节翻斗两侧螺丝对翻斗感量进行调整，通过极微小的、反复的调整—滴定—再调整—再滴定过程，尽量精确地调整到符合本地的感量。

感量即雨量平衡点，一般是通过在大、中、小雨强条件下进行模拟试验，测绘出“雨强/误差特性曲线”，找出其中的平衡点，使大雨/小雨时的误差分布对称。不同翻斗感量时雨强与翻斗计量误差关系图见图1。

图1 不同翻斗感量时雨强与翻斗计量误差关系

在繁琐的滴定操作过程中，滴定人员稍有不慎就有可能给翻斗雨量计带来人为误差，尤其人工进行注水试验检定时，翻斗调整难度较大，需要操作者有一定的经验和耐心，自动化或半自动化的滴定仪应运而生。

目前常用的滴定仪门类品牌众多，设计原理基本一致，即通过利用固定容积的标准瓶（箱），通过电路电压调节精准的微型水泵出水滴入雨量计承雨器中，模拟预设雨强，同步接入雨量计的翻斗转换成的电脉冲信号，对模拟（实际）雨量和信号（测量）雨量进行换算，反馈出不同雨强下翻斗雨量计的测量误差，从而为仪器调整提供数据支持。标准瓶（箱）的作用是校测水泵出水速度，即校核模拟雨量。

2.基本步骤

翻斗式雨量计的滴定步骤是滴定和调整两个步骤的循环，直至将雨量计大、中、小3 个雨强的误差分别调整至±4%间为合格。一般滴定仪的操作无论全自动还是半自动，基本分4 步进行，分别是标准瓶（箱）注水、信号线连接、雨强设定、记录。一次注水可进行全部3 个雨强滴定，且可进行误差统计输出的即为自动滴定仪。

3.常见问题

3.1 滴定显示出错

在正常连接操作下，开始滴定流程后，滴定仪报错或屏幕无显示。一般可通过两方面进行问题排除。

一是雨量计数据接口出错，解决方法为检查滴定仪两根数据线是否与雨量计数据接口基础良好，接口螺丝是否拧紧；或者接口是否锈蚀严重，需要更换。如无法判断雨量计接口是否正常，可通过流量测速仪或者普通电铃盒进行信号测试。

二是如果雨量计经测试信号正常，则判定滴定仪故障。操作者需查看滴定仪盛水器过滤网是否堵塞。如堵塞则需拆下过滤网清洗；如果仍无法解决则联系厂家进一步确定故障原因。

3.2 误差偏大（小)

在正常连接操作下，开始滴定流程后，滴定仪显示正常，但显示误差明显偏离预期（正常）数值是雨量滴定工作中较为常见的情况。此问题往往通过调节螺丝就可以解决，经验指标是每旋转360°，误差变动7%~8%，不同品牌、型号的翻斗雨量计的经验指标会有微小变化，需在实地工作中进行总结。

例如，大、中、小雨强预期误差分别为4%，0，-4%，实际滴定结果误差为：10.2%，7.1%，4.5%，说明设备误差偏大，解决方法为将翻斗两侧螺丝向下（顺时针）调节360°左右，即可大概得到中雨强在0 左右的误差要求，则可以进行下一次滴定。关注螺丝帽上的红黑点可以较好地保证角度旋转的准确性。

3.3 误差“两头大”

“两头大”误差的情况极少出现。例如，大、中、小雨强预期误差分别为4%，0，-4%，实际分别误差为11.4%，-0.3%，-10.2%。

初步分析，主要是承雨口、翻斗、连接轴等部位粘有顽固性材质的杂质，使用普通清洁刷无法完全刷洗干净，解决方法为卸下承雨口、翻斗反复刷洗，使用软布加清洁剂除锈擦洗干净连接轴，重新安装后进一步滴定，基本都能达到误差要求，更换配件也可解决此类问题。

3.4 容积问题

在多台雨量计滴定后，误差值均无法达到要求，如对标准瓶（箱）容积有疑问时，应及时对标准瓶（箱）的容积进行率定校准。一般需要精确计量注入水量，即准备一台精度0.1 g 的电子天平和一个容积约700 mL 的容器，将容器“去皮”用来计量泵出水流。

最后，对量瓶容积记入到参数设置中进行更正。

3.5 水泵问题

在调整多台雨量计后，误差值均无法达到要求，如果对模拟雨强大小是否能达到预设值有疑问时，需要对水泵能否正常使用进行判断，此时可以进行泵率曲线的率定校准。

泵率曲线指水泵的占空比与水泵流量关系曲线。泵率，顾名思义，是水泵的效率，泵率实际值与设定值相符是滴定实验成功实施的设备前提。

水泵的泵率直接影响模拟雨强的准确度。虽然出厂时厂家已经对泵率曲线进行了率定，但是在使用一定时间（其是设定模拟雨强与实际雨强差异超过0.5 mm/min 时）后，水中杂质附着泵腔、泵体元器件氧化等情况，可能引起水泵泵率偏离正常设定值。因此，应当定期对泵率曲线进行率定，部分型号滴定仪可通过内部程序进行自动率定。

4.结论

通过总结多年雨量计的滴定工作经验，笔者对滴定流程的时间掌控和操作手法积累了以下结论。

4.1 滴定时间计算公式

为摸索滴定仪在不同雨强下的滴定时间，可以设滴定仪密封瓶体积为V（mL），滴定时间为T（min），滴定过程总翻斗数为n（斗），翻斗容积（分辨率）为vf（ml/斗），雨强为Q（mm/min），因翻斗式雨量计直径L=20 cm，则底面积S=100 πcm2。

则得到公式：

4.2 滴定时间经验值

根据以上公式，假设翻斗分辨率为每斗0.2 mm，密封瓶体积为314 mL，可算出总翻斗数为50 斗，0.5 mm/min、2 mm/min、4 mm/min 雨强的滴定时间分别为20 min、5 min、2.5 min，因此可以更好地掌握滴定时间，从而对被滴定设备误差进行预判。

4.3 以中雨强实验进行初步滴定

为了节约滴定时间，更快捷地调节翻斗式雨量计大中小雨强的误差，初次只滴定4 mm/min 的雨强强度，5 min 内获得误差系数，并将其调节为+2 ～+3.99 之间，进而进行0.5 mm/min、2 mm/min、4 mm/min 雨强的滴定，基本可以一次成功获得全部雨强符合±4%间误差的滴定结果。