单翻斗雨量传感器误差来源分析及解决思路_李常春.pdf

河南科技Henan Science and Technology机械与动力工程总第806期第12期2023年6月单翻斗雨量传感器误差来源分析及解决思路李常春（江西省气象探测中心，江西南昌330001）摘要：【目的目的】系统梳理造成雨量误差不确定性的主要来源，有效改善雨量传感器的误差状况。【方法方法】通过在不同环境条件下，分别用JJS2型雨量校准仪、JJS1型翻斗雨量校准仪，对随机抽取的两台翻斗式雨量传感器开展检定试验，运用丰富的第一手检测数据，逐一分析了温度、湿度、隔板反爬与雨量值之间的关系。【结果结果】基本确定了误差的主要来源是隔板反爬，并且通过对隔板的改造与调整，两台试验用翻斗式雨量传感器合格率达到了100。【结论结论】通过该方案能有效调整翻斗式雨量传感器的误差，对提高气象雨量观测的准确性有极大的提升。关键词：单翻斗；雨量传感器；测量误差；校准中图分类号：TN6；TB9文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）12-0055-07DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.12.010Error Source Analysis and Solution of Single Tipper Rain SensorLI Changchun(Jiangxi Province Meteorological Detection,Nanchang 330001,China)Abstract:Purposes In order to effectively judge the main source of uncertainty of rainfall error,and effectively improve the error condition of rainfall sensor.Methods Under different environmental conditions,the JJS2 rainfall calibrator and JJS1 tipping rainfall calibrator were used respectively to carry outverification experiments on two randomly selected tipping bucket rain sensors,and the relationship between temperature,humidity,diaphragm anti climbing and rainfall value was analyzed one by one usingabundant first-hand detection data.Findings It was basically determined that the main source of errorwas the diaphragm reverse climbing,and through the transformation and adjustment of the diaphragm,the qualification rate of the two experimental tipping bucket rain sensors reached 100%.ConclusionsThe scheme can effectively adjust the error of the tipping bucket rain sensor and greatly improve the accuracy of meteorological rainfall observation.Keywords:single tip bucket;rain sensor;measurement error;calibration0引言雨量是指一段时间内，降落在水平地面上的雨水深度。目前气象上常用翻斗式雨量传感器（以下简称雨量传感器）对雨量进行监测，为了确保其监测的准确性，通常须对其进行检定。台站现实监测中反映误差偏大的雨量传感器，检定结果往往都很正常，甚至出现结果完全相反的情况，即台站反映差值偏大的，检定结果却显示差值偏小。经查阅相关技术资料和咨询有关专家，未有准确答案。目前已有许多学者研究了翻斗式雨量传感器的测量值影响因素，如雨强、动量等，并将传感器观收稿日期：2023-01-05基金项目：江西省气象科技重点项目（JX2020Z01）。作者简介：李常春（1967），男，本科，高级工程师，江西省气象探测中心首席技术专家，研究方向：气象观测仪器的计量检定。56第12期测结果与人工观测结果进行对比，得出了一系列有重要价值的结论1-5。雨量测量误差是雨量传感器的一项重要指标。许嘉玲等6通过比对得出误差随雨强增加而增加。温晓辉等7从动量和雨水残留得出了误差随雨强增加而增加。钟湘福8从结构分析了误差原因，提出了改进意见。归纳起来，以上几种方法都是在同一种环境条件下做的分析研究，给出的基本是定性的结论，未考虑一年四季温度变化对雨量造成的影响，从实际情况看，尚有不足之处。温度不仅会改变翻斗的容积，也会改变水的密度和黏度。在分析研究雨量传感器的结构特点后，雨量传感器误差来源可能有如下几个部分：第一翻斗黏滞误差、隔板反爬和溅出误差、隔板切换损失误差、雨量泻流误差、最后一斗损失误差和其他误差。其他误差主要包括风、蒸发、环境和尘土沙粒等造成的影响。本研究将通过在不同环境条件下，用不同的标准器对不同的雨量传感器开展检定试验，获得真实的检测数据，分析以确定误差的主要来源和各部分的占比，并制定出相应的应对解决办法，旨在为雨量传感器检定提供可靠的技术支持。1研究方法概述面对诸多误差来源，一时难以区分主次，最有效的办法就是通过试验找出答案。结合其他学者的研究过程和结果，必须将温度、湿度、气压的变化考虑进去，才能较为真实地还原雨量传感器的实际测量过程，也才能较为准确地分析误差的产生过程。笔者按JJG（气象）005-2015 自动气象站雨量传感器 的要求，通过用标准器对雨量传感器进行校准的方式来确定误差的来源并进行分析。控制环境温湿度开展试验，相对容易实现，这虽然可以得到雨量传感器在不同温湿度环境下的测试数据，但由于自来水的温度基本保持不变，所以模拟的真实性不强，雨量随温度变化的特征没有被如实反映。只有将试验用水的温度控制到与设定的环境温度一致，才可以获得尽量真实的试验数据。因此，试验在模拟不同温度环境对最后误差影响的分析时，采用相应温度的自来水进行模拟。1.1雨量传感器以目前气象上常用的 SL2-1型单翻斗雨量传感器为例，其结构如图1所示，雨量通过承水口，经汇集漏斗汇集后，流经节流管流出，通过翻斗进行汇集，当翻斗汇集一定的雨量后会翻转，翻转时磁铁经过干簧管会产生脉冲信号，通过测量该脉冲信号即可观测出具体的降水量，由于314.16 mL容积的水量在SL2-1型雨量传感器上的标准显示值是157（即翻斗翻动 157 次刚好对应 10 mm 的降水量）。另外，当节流管雨水进入翻斗时，由于节流管离翻斗的距离不同，每次翻斗翻动过程中，会流失一部分的水量，该现象称为反爬现象。一般当隔板顶端离节流管的底部越近，则反爬的水量越小。从库房中随机拿取2台传感器，为了便于阐述，将其称为1号传感器和2号传感器。李常春.单翻斗雨量传感器误差来源分析及解决思路图1SL2-1型雨量传感器结构示意过滤网片承水口承水器汇集漏斗节流管干簧管磁铁翻斗翻斗底座出水口磁铁隔板翻斗平面第12期571.2雨量标准器试验用雨量标准器是整个试验过程的关键设备之一，为了较为完整地研究雨量误差原因，减少误差与标准器的相关性，分别采用了2个厂家的标准设备。其一是福建省大气探测技术中心监制，福建省风光物资技术开发公司生产的JJS2型雨量校准仪。该装置的标准器是标准玻璃量器，容量为314.16 mL，准确度高，量值传递误差1.5 mL。其二是辽宁省气象信息与技术保障中心监制，沈阳新力新信息技术有限公司生产的JJS1型翻斗雨量校准仪。该装置的标准器是台站专用的314.16 mL容量的专用量杯，最小刻度为1 mm。该装置结构简单，精度较低，但可作为对比试验用器具。为了便于阐述，笔者分别把JJS2型雨量校准仪和 JJS1 型翻斗雨量校准仪称为 A 标准器和 B 标准器。1.3计量性能要求根据JJG（气象）005-2015 自动气象站雨量传感器 的计量性能要求。其最大允差为0.4 mm（雨量10 mm，雨强4 mm/min）；4（雨量 10 mm，雨强4 mm/min），通常将1 mm/min称为小雨强，将4mm/min称为大雨强。0.4 mm水量在传感器上显示值可根据公式得出X0.4（1570.4/10）6.28，其对应的翻斗翻动次数的区间为6.28，即12.56次翻斗翻动次数。1.4试验环境模拟为了有效地模拟不同环境对雨量测量结果的影响，将整套雨量试验装置（含标准器和被检雨量传感器）放入调温调湿箱内进行试验，采用德国伟思富奇环境试验仪器(太仓)有限公司生产的环境实验箱作为试验环境模拟用设备。该设备能实现温度范围为-540，湿度范围为10%95%RH的环境调节，温度和性能均满足检定规程关于试验性能的要求。2试验2.1方案一（小雨强、未调隔板、室温环境）使调温调湿箱的温湿度与外界试验环境温湿度保持一致，在室温条件下，用自来水进行试验，试验采用A标准器对1号传感器进行了为期1周的连续测量，共测量91次，最大值159，最小值149，测量值读数最大差11，小于最大允许误差12.56，全部合格，总的误差值在0.35 mm以内，其中92.5%的测量值在0.2 mm 的误差范围内，统计情况见表 1。通过在测量过程中对环境温湿度监测，得出雨量测量结果与气温、湿度相关性曲线如图2所示。2.2方案二（方案一基础上改变水温）使调温调湿箱的温湿度与外界试验环境温湿度保持一致，在室温下，以不同温度的水，用A标准器对1号雨量传感器进行了16次连续测量，其雨量测量结果的概率分布见表2，最大值为155，最小值为151，平均值为152.9，测量值读数最大差为4，小于最大允许误差12.56次，全部合格，换算成降水量其最大误差0.13 mm，100合格。通过在测量过程中对环境温湿度监测，得出雨量测量结果与气温、水温相关性曲线如图3所示。图2雨量测量结果与气温、湿度相关性曲线18016014012010080604020013579 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91测量次数/次雨量（翻动次数）湿度/（%RH）气温/李常春.单翻斗雨量传感器误差来源分析及解决思路表1雨量测量结果的概率分布翻斗翻动次数/次149151152153154155156157158159出现频次/次1115183101217104占比/%1.101.1016.4819.783.3010.9913.1818.6810.994.4058第12期2.3方案三（小雨强、未调隔板、不同气温环境）将调温调湿箱内温度分别设定为5、15，用与箱内同温度的水开展对1号雨量传感器的试验（使用A标准器）。其测量结果的概率分布见表3，共测量51次，其测量结果的次数在157至179之间，测量结果的平均值为165.75 mm，以出现频次集中的164为中点，12.56为波动范围，允许误差则介于158至170之间，因此其对应的合格率为72.5%。2.4方案四（小雨强、加隔板、不同气温环境）加高雨量传感器翻斗中间的隔板，将圆弧形缺口拉平，如图4所示在温湿箱内将温度设定为15，待调温调湿箱温度稳定，并确保水温与箱内温度一致时对1号雨量传感器进行测量（使用B标准器），共进行31次测量，其测量结果的概率分布见表4，其测量结果的次数在150至166之间，测量结果的平均值为157.4 mm，合格率为94.2%。在方案三的试验过程中发现还有反爬现象后，又加高隔板约6 mm，方案四仅在第31次试验过程中看到反爬，其他时间内未见反爬现象，反爬现象较之前明显减少。2.5方案五（小雨强、调整隔板高度及水滴位置）采用B标准器对1号雨量传感器进行测量，在前加高隔板的基础上再加高约 mm，调整节流管流出的水滴扫过隔板位置，让节流管流出孔径的直径最小部分经过隔板的最高处，使得翻斗翻动过程中，反爬的雨水尽量减少，在温湿箱内将温度设定为3、15、38，共进行33次测量，其测量结果的概率分布见表5，其测量结果的次数在149至158之间，测量结果的平均值为153.2 mm，雨量最大值表2雨量测量结果的概率分布翻斗翻动次数/次151152153154155出现频次/次26233占比/%12.5037.5012.5018.7518.75表3不同温度环境下1号雨量传感器测量结果的概率分布翻斗翻动次数/次157158159160161162163164165166167168169170171172173174175179出现频次/次24144244402242123231占比/%3.9227.8431.9617.8437.8433.9227.8437.8437.8430.0003.9223.9227.8437.8431.9613.9225.8813.9225.8811.961李常春.单翻斗雨量传感器误差来源分析及解决思路图3雨量测量结果与气温、水温相关性曲线18016014012010080604020012345678910111213141516测量结果雨量（翻动次数）水温/气温/第12期59与最小值之差为9，小于最大允许误差12.56，换算成毫米降水量的误差值为0.27 mm，合格率为100%，且64.7的情况下小于0.13 mm。持续观察水滴落入翻斗情况，未发现反爬现象。通过在测量过程中对环境温湿度监测，得出雨调整隔板后雨量测量结果与气温、水温相关性曲线如图5所示。采用A标准器对2号雨量传感器进行测量，在前加高隔板的基础上再加高约 mm，调整节流管流出的水滴扫过隔板位置，让节流管流出孔径的直径最小部分经过隔板的最高处，在温湿箱内将温度设定为15、30，共进行21次测量，其测量结果的概率分布见表6，其测量结果的次数在152至163图4加高隔板前后对比表4加高隔板后雨量测量结果的概率分布翻斗翻动次数/次150154155156157158159160161162出现频次/次1772312152占比/%3.2322.5822.586.459.683.236.453.2316.126.45翻斗翻动次数/次149150151152153154155157158出现频次/次684235113占比/%18.1824.2412.126.069.0915.163.033.039.09表5雨量测量结果的概率分布李常春.单翻斗雨量传感器误差来源分析及解决思路原状加高隔板后图5调整隔板后雨量水温18016014012010080604020013579 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55加高隔板时雨量（翻动次数）未加隔板时雨量（翻动次数）加高隔板且调整水滴时雨量（翻动次数）未加隔板水温/加高隔板水温/加隔板且调整水滴时水温/60第12期之间，测量结果的平均值为156.9 mm，雨量最大值与最小值之差为11，小于最大允许误差12.56，换算成毫米降水量的误差值为0.35 mm，合格率为100%，其中71.10%误差小于等于0.2 mm，且未发现反爬现象。通过在测量过程中对环境温湿度监测，得出雨调整隔板前后雨量测量结果与气温、水温相关性曲线如图6所示。2.6方案六（大雨强、调整隔板高度及水滴位置）采用B标准器对1号雨量传感器进行测量，调整节流管流出的水滴扫过隔板位置，让节流管流出孔径的直径最小部分经过隔板的最高处，做大雨强试验。箱内温度分别设定为4、6、15、40 等，用与箱内同温度的水开展试验。共进行43次测量（分别为4 时4次，6 时6次，15 时14次，40 时13次），其测量结果的概率分布见表7，其测量结果的次数在145至153之间，测量结果的平均值为 148.3 mm，雨量最大值与最小值之差为 8，小于最大允许误差12.56，换算成毫米降水量的误差值为0.26 mm，合格率为100%。通过在测量过程中对环境温度监测，得出雨量测量结果与环境温度相关性曲线如图7所示。3结果分析经过检定试验，发现误差的最大贡献者主要来源于隔板反爬，而且隔板反爬的出现没有固定的规律，随机性很大。另外，雨量标准器也存在较大的不确定性，使雨量传感器的误差分析复杂性大大增18016014012010080604020013579111315171921232527293133未调整隔板高度时雨量（翻动次数）调整高度后雨量（翻动次数）未调整隔板高度时水温/调整隔板高度后水温/图6调整隔板前后雨量水温李常春.单翻斗雨量传感器误差来源分析及解决思路180160140120100806040200135791113151719212325272931333537雨量（范东次数）温度/图7大雨强雨量测量结果与环境温度关系翻斗翻动次数/次152153154155156157158159160161162163出现频次/次123312303111占比/%4.769.5214.2914.294.769.5214.290.0014.294.764.764.76表6雨量测量结果的概率分布第12期61加。不同环境条件下雨量误差情况如下。在小雨强，未调隔板前，在室温25 的环境下的试验（方案一和方案二），对雨量传感器的测量结果显示，无论是否采用不同温度的水进行试验，其合格率均为100%，通过雨量测量结果与气温、水温相关性曲线图（图 2、图 3）可知，当气温较稳定时，水温对于最终测量结果的影响较小。在小雨强，未调隔板前，通过改变试验环境温度为5 和15 （方案三），对雨量传感器的测量结果显示，其合格率分别为 72.5%，通过将与方案一进行对比，发现当气温环境发生变化时，对最终的测量结果存在一定的影响。在小雨强，当试验环境与方案三环境温度相同时（均为15），当调整隔板后（方案四），对雨量传感器的测量结果显示，其合格率分别为 94.2%，通过与方案三进行对比，发现当调整隔板后，反爬现象较之前明显减少，合格率明显上升。在小雨强，当调整隔板高度到最高处，并整节流管流出的水滴扫过隔板位置，让节流管流出孔径的直径最小部分经过隔板的最高处（方案五），通过不同环境的气温和水温的两组试验，其测量结果显示，其合格率为100%，未发现反爬现象。通过调整隔板后雨量测量结果与气温、水温相关性曲线图（图5、图6）可知，当调整隔板到一定高度，并且让节流管流出孔径的直径最小部分经过隔板的最高处时，环境温度及水温对测量结果影响很小。将方案五的小雨强调整为大雨强（方案六），通过不同环境的气温和水温的试验，测量结果显示，合格率为100%，通过与方案五进行对比，当调整隔板到一定高度，并且让节流管流出孔径的直径最小部分经过隔板的最高处时，无论是大雨强还是小雨强对测量结果影响均很小。4结论试验结果表明，翻斗式雨量传感器的误差值会随着环境温度的改变而改变。在自动站雨量检定过程中，其检定值只能代表当前温度环境下的该雨量传感器的误差情况。这从一定程度上解释了为什么台站反映误差偏大的雨量传感器，检定时往往很正常，甚至出现结果完全相反的情况。通过对单翻斗雨量传感器的误差来源进行分析，基本确定隔板反爬是造成雨量误差不确定性的主要来源，通过改变隔板形状和位置的调整，可以有效改善雨量传感器的误差状况，对提高整个气象雨量观测的准确性有极大的提升。参考文献：1 温晓辉，马修才，刘海珍，等.翻斗式雨量传感器现场核查方法研究 J.内蒙古气象，2021（4）：35-38.2 周桃成，李毅聪，魏明明.SL2-1型翻斗式雨量传感器误差分析与调节方法探讨 J.气象水文海洋仪器，2018，35（2）：10-13.3 樊军武，樊嵘，许海军.自动气象站翻斗式雨量传感器的现场校准 J.绿色科技，2020（20）：205-206，222.4 胡苍龙，李晓红.自动气象站雨量传感器现场校准方法探讨 J.气象水文海洋仪器，2019，36（3）：19-21.5 胡苍龙，李晓红.自动气象站雨量传感器现场校准方法计量性能要求合理性探讨 J.计量与测试技术，2019，46（5）：79-80.6 许嘉玲，陈美蓉，余燕.3SL2-1型单翻斗雨量传感器感应误差的分析 J.气象研究与应用，2008（3）：93-94.7 温晓辉，马修才，张晨亮，等.压电式降水传感器与翻斗式雨量传感器比对研究 J.自动化应用，2021（11）：38-40，45.8 钟湘福.转子式流速仪的旋转支撑结构与密封 J.气象水文海洋仪器，2002（2）：45-51.李常春.单翻斗雨量传感器误差来源分析及解决思路表7雨量测量结果的概率分布翻斗翻动次数/次145146147148149150151153出现频次/次24998722占比/%4.659.3020.9320.9318.6116.284.654.65