（水文学及水资源专业论文）翻斗雨量计误差试验研究及改正措施.pdf

摘要 大气降水测量是地球水循环监测的重要环节，是水资源利用的重要组成部 分。随着水文信息化技术的快速发展，传统雨量观测手段已难以满足雨量自动采 集、固态存储和雨量遥测的要求，翻斗雨量计是一个可以将实时观测的雨量数据 数字化豹重要雨量观测仪器。 然而，翻斗雨量计在水文、气象站推广使用过程中，由于其自身结构、原理 方面的局限性，表现出许多缺陷：如雨量测量精度差，测量误差的大小随雨强变 化剧烈，受外界随机因素影响大等。这些缺陷直接影响了降雨观测资料的质量， 因此，在很多情况下，难以将雨量观测资料入库整编。 本文主要以翻斗雨量计为研究对象。首先对翻斗雨量传感器的结构、工作原 理进行分析，建立翻斗雨量传感器的漏斗数学模型，确定合理的汇水漏斗下半径 尺寸大小；然后在分析翻斗雨量传感器误差来源的基础上，针对误差的影响因素 进行试验分析，得出了随机因素、雨强及翻斗感量与误差的关系。最后，在吸收 翻斗雨量计和虹吸雨量计优点的基础上，结合现代电子技术，提出翻斗雨量计误 ， 。 差的改正措施。通过应用该措施对随机降雨进行测量，得出误差改正措施能大幅 度得提高雨量的测量精度，具有广阔的应用发展前景。 关键词：翻斗、雨量计、误差、改正措施 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to f r a i n f a l lp r e c i p i t a t i o ni sa ni m p o r t a n tl i n ko f w a t e rc i r c u l a t i o n m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n to ne a r t h a n di sa n i m p o r t a n tp a r to fw a t e rr e s o u r o g u t i l i z a t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh y d r o l o g i c a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t r a d i t i o n a lm e a n so fr a i n f a l lm e a s u r e m e n th a sn o tm e tt h er e q u i r e m e n to fa u t o m a t i c c o l l e c t i o n s o l i dm e m o r ya n dr e m o t em e a s u r e m e n to fr a i n f a l li n f o r m a t i o n , o t h e r w i s e , t i p p i n gb u c k e tr a i ng a u g ec a nm a k ed i g i t a l i z a t i o no fr a i n f a l li n f o r m a t i o ni nr e a lt i m e h o w e v e r , t i p p i n g b u c k e tr a i ng a l i g es h o w sm a n yd r a w b a c k si nt h ea p p l i c a t i o ni n h y d r o l o g i c a la n dm e t e o r o l o g i c a ls t a t i o nd u et oi t sf l a w si ni t ss t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l e s f o re x a m p l e ：t h er a t i oo fm e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni sc o m p a r a t i v e l yb a d ，t h e m e a s m e m e n te r r o ri ss u b j e c tt or a i ni n t e n s i t ya n ds t o c h a s t i cf a c t o r s t h e s ed r a w b a c k s h a v ea ni n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo fr a i nd a t a t h e r e f o r e ，t h er a i nd a t ac a n tb e p e r m i t t e dt oh a v ea c c e s st or a i nd a t a b a s e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rf o c u s e do nt i p p i n gb u c k e tg a u g e a tf i r s t ，t h es t r u c t u r e a n dw o r k i n gp r i n c i p l e so ft i p p i n gb u c k e tg a u g ew e r ea n a l y z e da n dt h et i p p i n gb u c k e t m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sm a d et od e c i d et h es i z eo fd o w n - r a d i u so ft i p p i n gb u c k e t t h e n ，b a s e do na n a l y s i so fe r r o rs o u r c e so ft i p p i n gb u c k e tg a u g e ，t h ee x p e r i m e n to n e r r o ra n a l y s i sw a sd e s i g n e d ，b yw h i c ht h er e l a t i o nb e t w e e ne r r o ra n ds t o c h a s t i cf a c t o r s ， r a i ni n t e n s i t ya n ds l o p ea n g l eo ft i p p i n gb u c k e t f i n a l l y , b a s e do nc o m b i n a t i o no f a d v a n t a g eo ft i p p i n gb u c k e tg a u g ea n ds i p h o ng a u g ea n dm o d e me l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h em e a s u r eo fe r r o ra m e n d m e n to ft i p p i n gb u c k e tg a u g ew a sp u tf o r w a r d t h er a t i oo fm e a s u r e m e n tp r e c i s i o nw a sr a i s e db yl a r g em a r g i nb ya p p l i c a t i o no ft h i s m e a s u r ci nm e a s u r i n gs t o c h a s t i cr a i n f a l l t h i se r r o ra m e n d m e n tm e a s u r eh a sab r o a d r e s p e c t i v ei nr a i n f a l lm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：t i p p i n gb u c k e t ；r a i ng a u g e ：e r r o r ：a m e n d m e n tm e a s u r e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月1 6 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月1 6 日 第一幸绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 自然降水是人类生存所需水分的最主要来源，降水既能造福人类，也能给人 类带来灾难。在一定时段内，从云中降落到水平地面上的液态或固态( 经融化后) 降水，在无渗透、蒸发、流失情况下积聚的水层深度，称为该地该时段内的降水 量。降水量是水资源评价的重要输入量，也是水循环和水平衡的重要输入参数【“。 降水分为固态降水和液态降水，本文以下所指的降水都指的是液态的降水，即降 雨量。雨量是基本的水文、气象要素之一，其特征值的观测对工农业生产及水文 h 情报预报、旱情监测、防汛减灾工作具有十分重要的意义【2 】。因此，准确测量降 水量是水文工作中一项非常重要的环节，也是一项基础性工作。 传统的雨量观测方式大多是以人工雨量筒和虹吸式自记雨量计为主要观测 仪器。随着水文信息化技术的发展，社会对雨量信息的实效性和时效性要求日益 增高，传统雨量观测手段已难以满足以微电脑芯片自动处理为依托的雨量自动采 集、固态存储和雨量遥测的时代要求【3 】，翻斗式雨量计是一个可以将实时观测雨 量数据数字化的重要雨量观测仪器，茵而在雨量观测新技术推广方面得到广泛 应用。迄今为止，国内外已投入使用的固态存储雨量计均是由翻斗式传感器与固 态数据采集记录装置一固态存储记录仪连接组成。自1 9 9 8 年以来记录仪历经了 引进、国产化过程和一定时间的对比观测，实践表明固态存储记录仪与传统的自 记式仪器相比是一个划时代的进步，固态记录仪的普及应用提高了降水观测工作 效率和资料整编文档质量，加快了我国水文、气象事业现代化建设的进程【4 】【5 】【6 j 。 自翻斗雨量计研制成功投入生产单位使用后，由于其结构简单、无功耗、性 能较稳定，而在水文气象站得到广泛推广应用，目前我国水文气象站使用的翻斗 雨量计都是由翻斗传感器与数据采集仪连接在一起实现雨量信息的自动采集和 传输。然而，传感技术落后于信息处理技术，传感器发展落后于通信机和计算机 发展【5 1 ，这一现象在降水观测领域中尤为明显。现有的固态存储雨量计仍存在着 明显的缺陷和不足之处，这里所说的缺陷和不足主要是指负有完成雨量数据测量 和信号输出功能的传感器，而不是指记录仪。国家主管部门对推广固态存储雨量 翻斗雨量计误差试验研究厦改正措施河海大学硕士学位论文 计采取了积极、审慎的态度【1 8 l 。水利部水文局2 0 0 2 年1 1 月1 日水文澳j 2 0 0 2 1 1 4 号文明确规定：“为保证观测质量，做好降水量观测工作，对雨量观测现场已安 装固态存储雨量计的，应与原观测仪器同步观测一段时间，待固态存储仪器工作 稳定后，逐步替代原自记式仪器。”近几年，将翻斗固态存储雨量计观测的雨量 资料和与虹吸雨量计观测的同期资料相对比，发现翻斗雨量计的雨量观测误差比 虹吸式雨量计偏大，翻斗雨量计的分辨率越高，误差越大，而对于较低分辨率的 翻斗雨量计虽然测量雨量的精度有所提高，但其观测的年月降水次数明显比实际 偏小，即较低分辨的翻斗雨量计对微雨感应较小，这样很容易忽略微雨，导致降 雨资料的不完整【7 】【8 】【9 】【1 0 l 。广大水文工作者在实际工作中，将翻斗雨量计和虹吸 雨量计同期资料对比的同时，对翻斗雨量计的误差来源和计量精度有不少的探 讨，但往往仅局限在将测得的资料进行简单的对比，比较其误差大小。这些比较 仅仅是观测数据的简单比较，并没有就翻斗雨量计误差的来源及其误差规律进行 系统的深层次研究，在减小误差的措施方面，也是仅就实际工作中对仪器的具体 操作提出一些改进措施，这些都不足以从根本上改进翻斗雨量计的误差。探讨翻 斗雨量计的误差来源，分析不同雨强、倾角对翻斗雨量计测量误差的规律，在此 基础上吸收其他雨量计的优点，对翻斗雨量计进行改造，提出改正误差的措施， 最终从根本上提高其观测精度，是翻斗雨量计应用过程中提出的要求，对提供高 质量的降雨资料具有十分重要的意义。 1 2 雨量仪器的发展及其研究现状 1 2 1 发展历史简述 早在公元前四世纪，印度就有了直径约8 英寸的缸形承雨皿；公元十三世纪， 中国学者秦九韶提出雨雪应用器皿测量，并换算成平地水深；在明清年间，各地 按月报雨泽，已成为一项制度l ”。然而，直到解放前夕，除个别进口仪器外，用 于测量降雨的仪器仍为最简单的雨量器【4 1 。雨量器的观测方式是在雨量收集部分 下放置一个储水瓶用来收集雨水。测量时，将雨水倒入特制的雨量杯内读取降水 量毫米数。这种观测方式只能观测一个降水的总量，对于降水过程则不能体现， 因此直接影响了降雨资料的质量，但这种测降水量的方法由于其仪器结构简单， 第一幸堵论 使用方便，工作稳定性好，所以已有较长历史，目前在各海洋站的人工观测中还 是较常使用的方法【1 1 1 。 1 9 5 3 年，国内开始生产传统的虹吸式雨量计1 4 】。虹吸式雨量计是最早的自动 记录降雨量仪器，它可以测量降雨总量，降雨起讫时间，以及降雨随时间的分布 情况，从而换算成降雨强度。目前在很多基层水文站上，虹吸式自记雨量计仍应 用较广泛。但虹吸式雨量计难以实现雨量的自动采集和存储以及信息的远距离传 输，很难应用于实现水情传输的自动化和信息化【1 0 l 。 雨量器与虹吸式自记雨量计在很长一段历史时期内是我国水文气象站普遍 使用的降雨测量仪器。但仪器本身固有的局限性直接影响了降雨资料的观测、记 录、整编，进而影响了水文工作的其他方面。1 9 7 6 年，气象部门首先开始研制翻 斗式雨量计，并利用多翻斗式结构，初步改善了仪器测量分辨率与测量精度之间 的矛盾1 4 1 。1 9 8 3 年重庆水文仪器厂研制成功当时国内第一台长周期( 1 个月) 翻 斗式雨量计，并通过了部级技术鉴定 4 1 。翻斗式雨量计由于结构简单和便于电信 号输出，较之虹吸式雨量计有其独特的优点。国外先进国家己逐步淘汰使用虹吸 式雨量计，代之以翻斗式雨量计，以利于在各种自动观测系统中使用。在我国， 翻斗式雨量计使用的比例也在逐步加大，并将逐步取代虹吸式雨量计。近年来， 随着传感技术、通信技术、计算机网络的飞速发展，雨量仪器的研制与发展也日 ! 新月异。随着雨量传感器和固态存储器的不断发展，雨量仪器朝着自动化、数字 化、智能化方向发展。现在不少单位研制了以高灵敏度的传感器，以固态存贮为 记录形式，由计算机控制的智能型仪器。在仪器设计中，集传感器、微电脑、固 态存贮、机电技术于一身，以计算机为中心的降雨量测量系统，代替以往单一的 雨量站点测量【5 】【1 2 1 。雨量仪器的研制出现质的飞跃。 1 2 2 雨量仪器发展阶段及其特点 ( 1 ) 以雨量器和虹吸式雨量计为主要观测手段的初级阶段。由于地区差异 及历史原因，这个阶段的发展过程是相当缓慢的。就全国范围而言，尚有相当多 的地区目前仍处于这个阶段，并将还要持续相当长的时间。雨量器是最低级的降 i 丽观测仪器，观测人员只要求会读取量杯数值，是委托站所采取的主要观测方法 【4 l 【“l 。该方法虽然简单可靠，但往往在记录过程中发生人为的观测错误，影响降 翻斗雨量计谖盖试验研究及改t 措施河海大学硕士学位论文 雨资料的可靠性，同时远远适应不了雨情自动化、信息化的要求。 虹吸式雨量计是在我国使用较普遍的雨量自记仪器。在小雨情况下，测量精 度较高，性能较稳定。由于使用历史悠久，多数水文站对仪器的维护、检修和数 据订正都取得了一定的经验【1 3 】，目前的降水量观测规范也对该仪器作了详尽的 说明与规定，使该仪器得以广泛使用，提高了观测质量，减轻了劳动强度，深受 广大测站人员的欢迎。 但是，该仪器由于结构原理上的局限性，不易将降雨量转换成可供处理的电 信号输出，因而不可能远距离传输，不可能进一步数据处理，仪器的局限性客观 上限制了它的发展。 ( 2 ) 翻斗式雨量计逐渐替代原有虹吸式雨量计与雨量器的过渡阶段。这个 阶段自七十年代末开始，目前很多水文站都已配备翻斗式雨量计，同时将翻斗式 雨量计的降雨观测资料和用虹吸式雨量计进行观测的降雨资料进行对比，在技术 操作上修正翻斗式雨量计在实际应用中出现的问题。 随着通信技术和计算机技术的迅速发展，目前的翻斗式雨量计的存储记录方 式完全由以前的模拟记录曲线方式转变为现在的固态存储方式，存贮的雨量数据 可直接送入计算机，进行原始资料打印，降雨量制表、存贮、检索服务等【1 4 【1 5 l 。 若与通讯系统联机，则还可实行远距离遥测，并实施预报作业【1 6 1 。显然，这种 存储方式实现了水文信息传输的信息化和自动化 翻斗式雨量计结构简单，无功耗。其突出优点是它能方便地将降雨量转换成 电脉冲输出，通过通信技术和计算机，能实时地将雨量信息进行远距离传输，实 现实时报讯，所以它能广泛应用于有线远传、无线遥测、数据存贮等场合，是目 前自动化仪器中较为理想的传感仪器。 ( 3 ) 以计算机为中心，组建各种用途的自动化系统的成熟阶段。翻斗式雨 量计的使用初步解决了传感器问题，而雨量数据的采集、传输、处理、存档、检 索和服务需要通信技术、计算机技术作强大的支撑。由于传感技术、通信技术、 计算机技术的迅速发展，雨量仪器已逐渐突破单一站点的框架，向遥测化、系统 化、网络化迈进【1 6 1 i 切。 4 第一章绪论 1 2 3 翻斗式雨量计的存在问题 本文研究的对象主要是翻斗式雨量计。目前，随着翻斗雨量计在水文、气象 站的推广使用，它正逐渐取代传统的雨量器和虹吸式雨量计。翻斗式雨量计分为 两部分：一是翻斗雨量传感器，二是数据采集仪。在实际使用中，随着电子信息 技术的发展，数据采集仪已能够达到很高的精度标准，完全符合降雨观测规范的 要求1 5 1 ，翻斗雨量计存在的主要问题来自翻斗雨量传感器。其中最主要的问题是 翻斗雨量传感器的计量误差很大，随着雨强的变化，计量误差剧烈变化，据同期 雨量观测资料对比表明：雨强越大，测量降雨量的误差越大。因此，目前翻斗雨 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。 据调查，在使用翻斗式雨量计时，使用者总感到与原虹吸式雨量计相比，其 测量精度不稳定，误差有时较大，从而对仪器缺乏信任感，对仪器使用积极性不 高，妨碍了推广1 1 8 j 。这种担心并非是多余的，由于翻斗雨量传感器自身固有的 局限性，使其计量降雨的误差是难以避免的，而当使用较高分辨率的雨量计= 时， 计量误差就更大了，翻斗雨量计的分辨率和精度之间的矛盾是固有的，据同期观 测资料对比表明：分辨率为0 1 m m 的翻斗雨量计，计量误差偏大，远远高于虹吸 式雨量计的观测结果，如果使用分辨率为0 5 m m 的雨量计，其年、月降雨的记录 次数明显少于虹吸式；需要控制雨日地区分布变化的基本雨量站和蒸发站必须记 至0 1 m m ；不需要雨日资料的雨量站可记至0 2 m m ；多年平均降水量大于8 0 0 m m 的地区可记至0 5 r a m 1 9 l 。因此在要求控制雨日地区分布变化的基本雨量站，必须 使用分辨率为0 1 m m 的翻斗雨量计。因此，目前翻斗雨量计在使用过程中存在着 分辨率与精度之间的固有矛盾。 雨量仪器发展的一个重要方面即是记录周期向长期方向发展【2 0 l 。长周期记录 方式的真正意义并不是在于减轻工作人员的劳动强度，而是为建立无人管理的雨 量站创造物质条件，从而弥补我国西部地区雨量站点稀少和资料不足的缺陷。长 期自记仪器的传感器要解决在野外条件恶劣，无人维护的情况下能长期可靠工作 的问题。目前，我国地方级的雨量检定站尚未建立，对于数量庞大、分布面广的 遥测雨量站来说，因为所处地区偏远，交通不便，维护能力差等因素，使相当比 例的传感器因得不到j 下常的检定而长期处于“带病”运行状态，导致了相当数量 的遥测站收集到的原始雨量数据的质量不高，并因此影响到水文、气象行政主管 翻斗雨量计误差试验研究及改正措施河海大学硕士学位论文 单位决策，一直未能全面允许遥测雨量数据入库整编【5 l f “。因此，翻斗雨量计在 使用过程中反映出的可靠性、稳定性亟待加强。 在实际使用过程中，翻斗雨量计的观测精度受随机因素影响较大【4 胴。如： 翻斗室水体残留、翻斗室残留泥沙和油污的影响、翻斗轴承付游隙变化及沙尘阻 滞使摩擦力变化的影响等等，使得传感器量测误差可能超过规范规定的测量误差 4 以内【2 l 】【硐。在风沙严重、降雨量少的黄河流域和北方地区，沙尘的影响特 别突出，量测误差甚至大大超过4 1 1 4 1 。因此，随机因素对于测量误差的影响 也是个不可忽略的因素， 翻斗雨量计的安装、调整和检定的操作过程也十分繁琐。翻斗雨量传感器现 场安装时需精确的调整仪器的基座、器口水平、调整轴承付的游隙和翻斗倾角， 其中倾角的调整是最困难的，翻斗倾角的微小变化都会造成翻斗感量的变化。翻 斗的结构虽然简单，但是其感量与倾角中的关系是一个极为复杂的函数关系，很 难用一个准确的数学模型来表述【4 】嘲。只有通过极细心的反复的调整测验一再 调整一再测验这一繁琐过程，才能精确的调整到规定的感量。调整感量工作还必 须具备精良的设备，如：精密的流量调节控制设备、计时器、计数器和标准量杯 等【州。产品检定时需在各种雨强条件下做降水试验，测绘出误差雨强特性曲线， 然后，找出平衡点，使大雨小雨时的误差分布对称【2 5 1 。因此，在繁琐的操作过 程中，稍有不慎就有可能给翻斗雨量计造成操作上的误差。 1 3 论文研究的主要内容 针对当前雨量仪器的特点及存在的问题，特别是翻斗雨量计的误差研究一直 没有从根本上得以解决这个问题，本论文以分辨率为0 1 r a m 的翻斗雨量计为试 验对象，分析其误差来源，按照g b l l 8 3 2 - - 8 9 翻斗式雨量计规定，采用实验 室模拟降雨检定设备进行翻斗雨量计的误差检定，研究在不同翻斗感量下，随机 因素、雨强因素、翻斗安装倾角等因素对雨量计测雨误差的影响规律，并从物理 层面建立数学模型，对误差的形成机理做定量分析。此外，分析了虹吸雨量计的 误差来源，并对其进行了实验室模拟降雨的误差检定，研究雨强因素对虹吸雨量 计计量雨量的误差规律。基于对翻斗雨量计和虹吸雨量计的误差规律的分析，吸 收二者的优点，结合现代电子技术，提出改正翻斗雨量计误差的措施。使用改进 第一章绪论 的翻斗雨量计对不同场次的随机降雨进行观测，应用新的误差校正方法，讨论翻 斗雨量计的测量精度，最后对误差改正措施给予评价。 7 翻斗雨量计误差试验研究及改正措施 河海大学硕士学位论文 第二章翻斗雨量传感器 2 1 翻斗雨量传感器分类 降水观测包括真水量和降水强度。降水量是指某一时段内的未经蒸发、渗透、 流失的降水，在水平面上积累的深度，以毫米( m m ) 为单位，取一位小数。降水 强度是指单位时间的降水量，通常测定】分钟、5 分钟内的最大降水量【矧。 翻斗雨量计按翻斗的类型可分为单翻斗雨量计和双翻斗雨量计；按分辨率 分，一般有分辨率为0 1 m m ，0 2 m m ，0 5 m m ，1 o m m 。所谓分辨率即为雨量观 测仪器观测记载的最小量。按照降雨量观测规范规定，根据当地的具体情况，选 用适当分辨率的翻斗雨量计。 2 2 单翻斗雨量传感器 2 2 1 单翻斗雨量传感器结构 目前，我国水文测站一般都使用单翻斗雨量传感器。单翻斗雨量传感器【2 7 1 结构示意图如图2 1 所示。 翻斗式遥测雨量传感器承水口( q b 2 0 0 m m ) 收集的雨水，经过上筒( 漏斗) 过滤网，注入计量翻斗，当所接雨水容积达到预定值( 如3 1 4 m 1 ) 时，由于重力 作用使自己翻倒，处于等待状态，另一斗室处于接水工作状态。当其接水量达到 预定值时，又自己翻倒，处于等待状态。在翻斗侧壁上装有磁钢，它随翻斗翻动 时从干簧管旁扫过，使干簧管通断状态发生变化。即翻斗每翻倒一次，干簧管便 接通一次，送出一个开关信号( 脉冲信号) ，每产生一个脉冲信号，便代表0 1 m m 降水，实现降水遥测的目的。 第二幸翻斗雨量传毫嚣 图2 1单翻斗雨量传感器示意图 2 2 2 翻斗传感原理 翻斗式雨量计，分传感器和固态存储器两部分。传感器是一个翻斗式机械双 稳态称重机构。它采用中间隔板问开的两个完全对称的三角形容器，中隔板可绕 水平轴转动，类似于跷跷板的原理。工作时两侧容器轮流接水，当一侧容器装满 一定量雨水时( 根据灵敏度不同而定) ，由于重心外移而翻转，将水倒出，随着 降雨持续，将使翻斗不断的左右翻转。在翻斗的轴上固定有磁钢，在漏斗的偏下 方有固定的干簧继电器或霍尔源件，如图2 - - 2 所示。在翻斗翻转过程中磁钢的位 置在两个位置之间往复运动，当磁钢接近干簧继电器或霍尔元件时开关闭 合，离开一定距离时，开关断开，于是就产生一个计数脉冲。固态存储器则负责 将传感器传来的脉冲计数，然后以各种方式记录下来。 千簧继电器 ：= = = = = i 谤 ： 1 1 j 磁幸同 辔缬 图2 2传感示意图 9 翻斗雨量计误差试验研究及改正措施 河海大学硕士学位论文 图2 3传感转换电路 由于雨量计给出的信号是开关量，因此还需经过转换为计算机可以处理的脉 冲量。转换电路【冽如图2 3 所示。 当干簧继电器打开时，三极管截止，不能形成对地回路，因此脉冲输出端为 高电平。当干簧继电器闭合时，三极管导通，形成对地回路，脉冲输出为低电平。 当干簧继电器为理想时，输出的脉冲信号可以保证翻斗传感信号被计算机全部接 收，防止遗漏信号。 2 2 3 误差来源 本文试验研究的是高分辨率单翻斗雨量计的误差，试验使用的翻斗雨量计感 量为0 1 m m ，所谓感量为0 1 m m 即翻斗翻转一次表示降雨o 1 m m ，翻斗雨量计 的承雨口为半径r = 1 0 0 m m 的圆形，因此，转换成质量表示为翻斗每翻转一次 计量的降水质量为3 1 4 9 。 误差的分类方法分为系统误差、随机误差和粗大误差。 ( 1 ) 、系统误差 根据j j f l 0 0 1 1 9 9 8 的定义，系统误差为在重复性条件下，对同一被测量进行 无限次测量所得结果的平均值与被测量值的真值之差【2 9 l 。据此定义，系统误差 是定值的( 有一定的不确定度) ，即负的修正值。 按系统误差的变化规律，它可以分为定值系统误差，线性变化的系统误差， 周期性变化的系统误差。 ( 2 ) 、随机误差 随机误差系指测量结果与在重复条件下对同一被测量进行无限多次测量所 1 0 第二章翻斗雨量传意嚣 得结果的平均值之型2 9 1 。随机误差是观测者无法控制的各种因素共同影响的、 其大小和符号都不固定的误差。因此，随机误差是不可避免的误差。 ( 3 ) 、粗大误差 粗大误差简称为粗差，是指明显超出规定条件下预期的误差【冽。粗大误差的 主要特征是明显歪曲测量结果。其成因可归结为测量条件的突变和人为因素所 致，如测量人员技术低下、设计测量方法错误、责任心差而造成的误操作、错误 读数、错记录、错计算等导致的测量误差均属粗大误差例。粗大误差属非正常 测量的误差，对含有粗大误差的测量值，在进行误差分析时必须予以剔除。 根据误差的分类，翻斗雨量传感器的误差也分为随机误差、系统误差、粗大 误差。 ( 1 ) 、随机误差 翻斗雨量计的随机误差主要由一些不确定因素造成的。降水是一个随机的自 然事件，一场降水的降水量、降水历时和降水强度均具有随机特征，翻斗雨量计 在对降雨量进行测量时，由于仪器的安装、调整可导致随机误差；翻斗室水体残 留、翻斗室残留泥沙和油污的影响、翻斗轴承付游隙变化及沙尘阻滞使摩擦力变 化的影响等等可导致随机误差；另外受外部环境的影响，如温度、风等影响，对 翻斗雨量传感器工作过程产生随机影响，也可导致随机误差【2 1 1 1 2 2 1 。总之，造成 翻斗雨量计的随机误差因素本身就具有随机性，这种随机性只有从大量的统计规 律中表现出来。 ( 2 ) 、系统误差 引起翻斗雨量计产生系统误差的因素很多，分为风力误差、湿润误差、蒸发 误差、溅水误差、积雪漂移误差、仪器误差、沉沙误差等。 风力误差( 又称空气动力损失) ：在观测场环境符合降水量观测要求的条件 下，风力误差主要是因高出地面安装的雨量计在有风时阻碍空气流动，引起风速 场变形，在仪器口形成涡流和上升气流使仪器口上方风速增大，降水迹线偏离， 导致仪器承接的降水量系统偏小。根据研究风力误差的大小与风速、仪器口安装 高度成正比例函数关系，与雨滴大小成反比例函数关系，与降水的性质有关，降 雪的值大于降雨。风力误差是系统误差，如不加控制一般可使年降雨量偏小 2 一1 0 ，降雪量偏小1 0 一5 0 1 1 9 1 1 3 1 i 。 湿润误差( 又称湿润损失) ：在干燥情况下，降水开始时，雨量计有关构件 翻斗雨量计误差试验研究及改正措施河海大学硕士学位论文 要沾带一些降水，使观测的降水量系统偏小。此项误差大小与仪器结构、观测操 作方法、风速、空气湿度和气温有关。每次降水量的湿润损失，一般为0 0 5 0 0 3 m m ，一年累积湿润损失量，可使年降水量偏小2 左右；降小雨次数多的干 旱地区，年降水量偏小值可达1 0 左右【1 9 1 。 蒸发误差( 又称蒸发损失) ：在降水停后截留在翻斗内和汇集入储水器的降 雨量，会因蒸发作用而损失。蒸发误差值与风速、气温、空气温度以及仪器封闭 性能有关。蒸发误差导致降水量观测系统偏小，属系统误差。如不加控制蒸发损 失量可占年降水量的1 4 ，采取有效措施可将蒸发误差控制在1 2 以内 1 1 9 1 1 矧。向雨量计的储水器或浮子室注入防蒸发油防止雨水蒸发；每次降水停止 后，尽量提高仪器各部件的密封性能等是减少蒸发误差的有效措施。 溅水误差：较大雨滴降落到地面上，可溅起0 3 加4 m 高，并形成一层雨雾 随风流动，部分雨雾可降入地面雨量器，正好落在器口边缘的雨滴及降落在防风 圈上的雨滴，也可能溅入器口。溅水误差与雨滴和风力大小成正比例函数关系。 溅水误差导致降水量偏大，防风圈的溅水误差可使年降水量偏大1 左右；地面 雨量器的溅水误差可使年降水量偏大o 5 1 o 【1 9 1 1 3 0 j 。 积雪漂移误差：有积雪地区，风常常将积雪吹起漂入承雪器口，造成伪降雪， 致使降雪量观测偏大。根据雨量站所在地区的积雪深度和风力大小，将器口安装 高度提高至2 3 m 1 1 9 1 。可基本避免该项误差的影响。 沉沙误差：在有风沙天气的地区，由于泥沙在仪器的沉淀会导致降水量偏大， 在西北风沙严重，降水偏少的在地区，沉沙误差可使观测的降水量偏大 1 5 3 0 1 19 1 。 仪器误差：仪器误差又分为仪器在安装、调整过程中的系统误差和仪器在进 行降雨计量过程中的动作过程误差。具体细分为以下几种： 、承水口的公差 在加工承水口时，由于工艺原因，使承水口不圆或变形引起截面积的变化。 z b y l 5 8 8 3 雨量器技术条件规定，雨量器承水口的直径为2 0 0 ( 0 6 ) m m 。 当承水口直径为2 0 0 6 m m 时，承水口截面积要比内径2 0 0 m m 时增大1 8 9 c m 2 ，相 应受水量增大0 6 。 、使用中变形所引起的误差 雨量筒在运输和使用中，承水口变形影响承水口的截面积，使实际截面积减 第二幸翻斗雨量传毒器 小，进而使收集到的降水也会减小，以椭圆口为例计算受水量的变化。设正常的 承水口截面积为s = r 2 ，周长l = 2 r ，当承水口变形为椭圆，长轴半径a = r + c ， 短径b = r d ，椭圆面积： s i = n 陋+ c ) ( r d ) 】一万+ k 2 + 只( c d ) 一( c t d ) j r 。( c - d ) c ds 1 0 0 时，c o s q 1 则：s s 由此可见，当仪器倾斜时，承水口实际的截面积比仪器在水平状态时要小。 、动作过程误差 翻斗雨量计动作过程的误差表现得非常明显。翻斗雨量计是一个翻斗机械双 稳态称重机构。在其工作过程中，翻斗部件的左右两个斗室轮流处于上方的漏斗 出水口处承接雨水，进行计量。其工作过程如图2 4 所示。在t 1 时刻，上斗室承 接的雨水重量达设定的翻斗感量g 时，翻斗部件的倾角为0 ，此时，翻斗失稳， 开始迅速转动，在t 2 时刻，上、下翻斗处于水平。当翻斗转过水平位置n t 3 时刻， 上翻斗转为下翻斗，下翻斗转为上翻斗，继续接水，直至斗室里承接的雨水重量 达到设定感量g ，再翻转。如此循环往复，两斗室轮换接水进行计量。在t 1 t 2 的间隔时间t 时间内，上方的漏斗出水口仍然不停地往上斗室注水，假设雨强i ， 在a t 时间内，注入上斗室的里的水量为w ，这部份水量是翻斗计量过程中多 计入的，即为翻斗动作的误差。增量w 是绝对误差，增量w 与翻斗的感量g 之比( w g ) 为翻斗动态计量的相对误差，记为e 。其大小与雨强i ，翻斗倾角 0 ，支承摩阻力矩m ，翻斗部件的转动惯量j 有关。 翻斗雨量计误差试验研究茂改正措施河海太学硕士学位论文 (1)(2)( 3 ) 图2 4翻斗部件工作示意图 、翻斗倾角误差 对于分辨率是0 1 r a m 的翻斗雨量计，其翻斗感量是3 1 4 9 ，但由于在实际操作 时，很难将翻斗倾角精确地调整到使翻斗感量为3 1 4 9 。翻斗倾角微小的变化都 会使斗室里的水体所占空间重新分配，从而导致翻斗每斗水质量发生变化。另外， 翻斗倾角的大小使翻斗翻转时间a t 发生变化，从而在大雨强情况下，增大翻斗 计量误差。因此，翻斗倾角的大小对误差影响的作用是双重的，即影响每斗感量 和翻斗的翻转时间。 针对以上分析的几种误差来源，各误差对降水量观测系统误差组成如下式： ， = 绣+ 硝+ 嘭+ 噶+ + 晖+ 磁( 2 - - 1 ) 式中：m p 、m 。、m 。、m e 、m s 、m b 、m g 、m e 分别表示降水量观测系统误差、 风力误差、湿润误差、蒸发误差、溅水误差、积雪漂移误差、仪器误差、沉沙误 差。在误差来源中，风力误差、湿润误差、蒸发误差、溅水误差、积雪漂移误差、 沉沙误差受地域影响较大，不能一概而论，而是要根据当地气候状况，进行分析。 对于仪器误差，如承水口的公差、使用中变形所引起的误差、安装误差等都可以 经过对仪器的仔细校正而消除。但对于翻斗动作过程中的误差及翻斗倾角引起的 误差，要进行试验分析，最后给出结论。 ( 3 ) 、粗大误差 雨量观测的粗大误差主要由于观测人员的视差，错读错记、操作不当和其他 事故造成的使观测值异常。一般通过训练，提高观测人员的操作水平和责任心来 消除粗大误差。 1 4 第= 章翻斗雨量传惠嚣 2 3 双翻斗雨量传感器 2 3 1 双翻斗雨量传感器结构 由于双翻斗计量精度相对较高，目前，我国气象站测量降雨量一般使用双翻 斗雨量传感器。双翻斗雨量传感器【2 7 1 结构示意图如图2 5 所示。 图2 5双翻斗雨量传痘器示意图 双翻斗雨量传感器主要由承水器( 巾2 0 0 玎a m ) 、上翻斗、汇集漏斗、计量翻斗、 计数翻斗和干簧管等组成。承雨器收集的降水通过漏斗进入上翻斗，当雨水积到 一定量时，由于水本身重力作用使上翻斗翻转，水进入汇集漏斗。降水从汇集漏 斗的节流管注入计量翻斗，当计量翻斗承受的降水量达到翻斗感量时，如0 1 m m 降雨量时，计量翻斗把降水倾倒到计数翻斗，使计数翻斗翻转一次。计数翻斗在 翻转时，与它相关的磁钢对干簧管扫描一次。干簧管因磁化而瞬间闭合一次。这 样，降水量每次达到0 1 m m 时，就送出去一个开关信号，采集器就自动采集存 储0 1 m m 降水量。 翻牛雨量计误差试验研究厦改正措施河海大学硕士学值论文 2 3 2 漏斗数学模型的建立 在双翻斗雨量传感器实际使用中，漏斗的下i = 1 径尺寸的大小的确定对翻斗计 量精度有决定性影响，此外，如果下口径尺寸的大小不合适还会发生通水管堵塞。 设漏斗上半径为r ，下半径为r ，高为h ，在不考虑摩擦力的情况下，当水面 下降距离为x 时，水在出口流速为：v 一0 虿丽。此时在漏斗中的圆形液面 的半径为堡二掣+ r 。由于单位时间里漏斗减少的水量等于流出的水量， 。h 存在如下关系【档l ： 万( r - r h h - x ) + r 出i v 万2 疵 ( 2 2 ) 对式( 2 - - 2 ) 两边积分得： ( r - r ) ：( = h - x 一) 2 + 2 r ( r - r x h - x ) + ，z 扣f 卫_ 了孺露争一出 = 肌( r ：- 2 9 j 0 r ) zf ”，+ 等妒z ，+ 帮寿 二堑堡= 生巫三! q 鱼堡：! 巫! ! 巫：。(2-3) 1 5 r z _ g 式( 2 - - 3 ) 为漏斗下口半径r 与流出时间t 的函数关系。模型中参数为下口 半径r 、流出时间t 、漏斗高度h 。 2 3 3 漏斗数学模型参数的确定 漏斗上半径r 为l o o m m ，设漏斗倾角为a ，高度为h = 旦生! 。 留口 设置r 的初值为0 0 0 1 m ，终值为0 0 0 9 m ，计算步长为0 0 0 0 1 m ，设置a 值分 别为3 ，4 ，6 ，9 ，1 8 。编写程序用m a t l a b 软件运行计算得到如 图2 6 的r 与t 的关系图。从关系图可以得出：漏斗倾角越小，雨水流出时间 越长，而且在半径r 为2 m m 处时对雨水流出的影响非常明显。考虑到漏斗外形和 雨水收集容易汇集的因素，取a 为4 。 1 6 第= 章翻斗雨量待患器 图2 - - 6 不同倾角时f 半径r 与时同t 的关系图 删4 r a m r a i n 时，1 秒钟降雨的体积为；凳磊槐3 ，在此体积雨水注入漏 斗中，若能以。1 秒钟流出，设此时下半径为r ，此时h 2 = r 。一r 。根据体积关系得 出：；石( r 2 - r x r + r 2 + r 2 r ) 一等舞，由此得出：r = 撕历丽鬲五。由式 ( 2 3 ) 得出： t ：型! 坠二型墨二：! ! 型! 鱼：尘型墨二：! 篁妲墨：尘 (24)2= = 一 、 ， 1 5 r 2 0 9 式( 2 4 ) 是关于t 。与r 的函数关系式，由m a t l a b 求其数值解得：当t z = 1 s 时，r = 0 0 0 1 4 m ，r 2 = o 0 1 2 6 。 由计算结果可以得出漏斗的下半径不能小于1 4 咖，否则会造成雨水流通不 畅，考虑到水的粘滞性、静电、灰尘等各种综合因素，本文建议漏斗下半径为 4 m m 。 2 4 单、双翻斗雨量传感器的比较 单、双翻斗在降雨量计量的原理上基本相似，都是通过翻斗传感装置传输降 1 7 翻斗雨量计误差试验研究及改正措施河海大擘硕士擘位论文 雨信号，计量降雨量。二者最大的区别在于装置的结构设计上。双翻斗雨量传感 器比单翻斗雨量传感器多增加了一个汇集漏斗和计量翻斗部件。汇集漏斗的作用 是将不同强度的降雨汇集起来，通过节流管，将降雨调节为雨强一定的均匀降水 强度，流入下方的计量漏斗，以减小由于降雨强度不同而造成的测量误差。而由 于单翻斗没有采用这种装置，其降雨量测量误差受降雨强度的影响非常剧烈。目 前，一股水文站使用单翻斗雨量传感器，出于测量精度的考虑，气象站一般使用 双翻斗雨量传感器。虽然双翻斗雨量传感器精度较单翻斗提高，但其也存在很多 缺陷，这些缺陷影响了其在水文测站上的应用。双翻斗雨量传感器的缺陷有； ( 1 ) 、进行滴水检定时，翻斗基点调整难度很大，既要保证雨强准确，又要求上、 下斗翻转频率比例正确。工作者需要有一定的经验和相当的耐心。在野外缺少正 规的人工模拟降雨滴定设备的情况下，不熟练的工作者自行调试，其难度极大； ( 2 ) 、随着雨强的变化，上、下翻斗岔开的次数将发生变化，并产生上、下翻斗 同步翻转的计量误差； ( 3 ) 、翻斗计量误差与雨强之间的关系无规律，误差方向不明确，给比测资料分 析带来困难，也不能用计算机订正； ( 4 ) 、双层翻斗中残留水量造成较大的误差； 虽然双翻斗雨量传感器精度较高，但其仪器装置结构复杂、在水文降雨量观 测的实际工作中可靠性较差【3 2 1 ，因此本文研究的对象是目前在水文站上广泛使 用的单翻斗雨量传感器。 1 8 第三章虹吸雨量计的误差试验 第三章虹吸雨量计的误差试验 3 1 虹吸雨量计的误差研究 3 1 1 虹吸雨量计误差研究的意义 虹吸雨量计是利用虹吸原理进行工作，连续记录以毫米为单位的液态降水 量，并可测定雨强和降雨迄止时间的计量装置。随着水文信息自动化的发展，由 于仪器工作原理上的限制，它不易将降雨量转换成可供处理的信号输出，因而不 可能远距离传输水文信息，也不可能进一步数据处理，这一致命的局限性客观上 限制了虹吸雨量计的发展。 虹吸雨量计不再适应水文信息自动化的要求，将被新的雨量观测设备所取代 是必然的趋势。然而，目前在我国水文气象观测站仍普遍使用该雨量计。主要原 因是虹吸雨量计在小雨强时，测量精度高，性能稳定性较好。由于其使用历史悠 久，多数测站对仪器的维护、检修和数据订正都取得了一定的经验【1 3 】。目