提高计量精度的截流式翻斗式雨量计设计
1.郑州大学 水利科学与工程学院，郑州 456000； 2.郑州大学 水利科学与工程学院，郑州 456000； 3.郑州大学 水利科学与工程学院，郑州 456000；
摘要：目前我国的翻斗式雨量计存在测量误差偏大的问题，对传统翻斗式雨量器进行误差分析，认为由于在翻转过程滴嘴仍处于滴水状态而造成的翻转误差是传统翻斗式雨量器的主要误差来源。于是设计了一种在滴嘴中加入截水挡板的翻斗式雨量器，解决了翻斗翻转过程中滴嘴仍处于滴水状态的问题，提高了翻斗式雨量器的计量精度。通过模拟降雨的实验得出结论：截流式翻斗式雨量计在精度方面都较传统翻斗式雨量计有了大幅度的提高，且降雨强度越大，精度提高越显著。
关键词：翻斗式雨量计；截水挡板；模拟降雨实验；误差分析
0 引言
降雨量的观测精度对于水文预报、防汛抗旱及经济建设具有十分重要作用。翻斗式雨量计因为结构简单、自动记录、使用周期长等特点，已成为国内外水文、气象部门最常用的自动化测雨设备【1】。目前国内对翻斗式雨量计的相关研究主要集中于对翻斗式雨量计进行误差分析和提高翻斗式雨量计的精度。翻斗式雨量计的精度直接关系到测量数据的准确性与可靠性，对于国内大多数翻斗式雨量计而言，雨强小于4mm/min，翻斗式雨量计的计量误差控制在4%内，且随着雨强的增大，误差也不断增大。为了提高翻斗式雨量计的计量精度，从翻斗式雨量计所产生的系统误差进行分析，设计了一种新型的截流式翻斗式雨量计。
1 翻斗式雨量计简介
翻斗式雨量计包括承水口、滴嘴、磁控开关、磁钢、翻斗、信号输出端子、底座、外壳等，其核心部位为翻斗部位【2】。降雨由承水口进入，通过滴嘴进入翻斗一侧，当翻斗一侧斗室为接水状态时，另一斗室则为等待状态。当集水容积达到一定体积时，翻斗内收集的降雨由于重力作用使翻斗发生翻转，斗室内所承接的降雨通过排水口排出，斗室变成空斗状态，而另一斗室上升至接水状态，如此反复交替形成接水、翻转、排水过程。随着翻斗的翻转，漏斗侧面的磁钢对其上部磁控开关进行扫描，磁控开关随之接通、断开，即磁控开关通断一次，输出一个脉冲信号，表示一定量的降水，通过信号电缆输出给二次仪表，实现降雨遥控测量的目的【3】。
2 截流式翻斗式雨量计的设计
2.1 问题提出
对于传统翻斗式雨量计而言，在翻转过程中存在较为明显的翻转误差。在翻转过程的前半部分，即翻斗的中间隔板越过滴嘴下端前，滴嘴处仍处于滴水状态，但是这部分输出的水量无法被观测，使得输出雨量小于实际雨量。并且在实际过程中，降雨强度越大，翻斗翻转过程损失的降雨量越大，造成的误差越大【4】。
2.2 设计思路
对于市面上常见的传统翻斗式雨量计在翻转过程中滴水造成的翻转误差问题而言，可以通过设计一个新型的滴嘴，在内部加入一个截水挡板以及外侧加入一个电磁铁解决。当翻斗任意一侧处于承水状态时，电磁铁处于短路或断路状态；而当翻斗在翻转过程时，电磁铁处于工作状态，吸附截水挡板与滴嘴形成一个半封闭空间起到截水作用。如此，有效提高雨量计的测量精度。
2.3 工作原理
截
流式翻斗式雨量计的工作原理如图1所示。
图一 截流式翻斗式雨量计工作原理示意
采用不锈钢的外壳并在其内部加入镀锌铁片作为截水挡板，在壳外的一侧（截水挡板的对侧）加入电磁铁装置，并在翻斗的底部与限位螺钉处分别接入导线连通电源形成闭合回路。接入电源为
直流电，保护电阻采用
的金属保护电阻，电磁铁采用型号为NX-P20/15电磁铁，由工作原理图可以得到，当翻斗任意一侧处于接水状态时，电磁铁处于短路状态，闭合回路中的电流最大，保护电阻的功率最大。由欧姆定律式（1）与电阻热功率式（2）：
（1）
（2）
式中：
为闭合回路电压值，；
为保护电阻的电阻值，；
为闭合回路电流，
；
为保护电阻的电功率，
。可得闭合回路电流为
,电阻的热功率为
，闭合回路为安全状态。翻斗任意一侧处于接水状态时，电磁铁处于短路状态；当翻斗开始翻转时，电磁铁处于工作状态，吸附滴嘴内部的截水挡板发生转动与金属外壳接触贴合，形成一个半封闭空间，对翻转过程中的降水起到一个截留作用。翻斗翻转结束，电磁铁重新回到短路状态，截水挡板失去电磁铁的吸力回到原位，滴嘴变成开放系统，截留的降雨通过滴嘴进入翻斗的斗室中，如此一来，交替形成一个承水、翻转、截流过程。
3 不同模拟雨强下仪器的测量结果与误差分析
3.1 实验方法
采用控制变量和对照的实验方法。调平后的截流式翻斗式雨量计有两种使用状态，其一为没有通电状态下工作的仪器，此状态下的翻斗式雨量计与传统翻斗式雨量计作用一样；另一种是通电状态下工作的仪器，在通电状态下的翻斗式雨量计能够很好的通过电磁铁来控制翻斗滴嘴中的隔水挡板进而减少仪器的翻转误差，起到提高测量精度的作用。在实验中，通过稳定水流来进行模拟降雨，通过降雨量与水量的转换关系：
（3）
式中
为翻斗单次翻转承接雨量容积，
; 
为翻斗单次翻转承接雨量， 
为承水口面积，
; 
为承水口半径。可得
，即
降雨等于
水量。
实验步骤：
①调节底座支承脚，将水准气泡移动至圆圈范围内。随后使用人工恒压注水方式将截流式翻斗式雨量计调平，用500mL标准量杯量取314mL清水注入恒压注水器，清水通过承水口流入翻斗，确定300秒钟流完。翻斗累计翻转（50±2）次，误差在4%内为合格，调平结束。若翻转次数小于48次，则向上调整限位螺钉；若翻转次数大于52次，则向下调整限位螺钉，反复调整至合格后紧固限位螺钉。
②调节稳定水流流量大小，在3个单位时间
内使用量筒分别测得承接水量为
。,由式（4）计算得到稳定水流流量将3次测量后的水量求平均值得到水管平均水量 ，经过计算得到接收到水流流量。
（4）
式中 分别为第1、2、3次单位时间 内所测得的承接水量， ; 为单位测量时长，
; 
为水流流量，
。
③将稳定水流导入调平后的翻斗式雨量计中，首先将截流式翻斗式雨量计置于没有通电的工作状态，待翻转稳定后，从某一次翻转过程恰好结束开始计数，记录下每一次翻转的时间和翻转次数，共记录50组翻转时间数据。
④待上一步完成后，将仪器进行通电，让仪器处于工作的状态，翻转稳定后，从某一次翻转过程恰好结束开始计数，记录下每次翻转的时刻与次数，记录50组翻转时间。在此种流量大小下，共记录100组翻转时间。
⑤改变稳定水流流量大小，重新进行步骤②、③、④，分别测得4种不同水流流量下的数据。
3.2 测量数据统计与误差整理
假设存在理想翻斗，即理想翻斗的每次翻转雨量为0.2mm（6.28mL），不存在各种误差。在已知实验流量的前提下，可以由实验流量计算出理想翻斗的每次翻转的承接时间，即6.28mL固定水量的输入时间。由公式：
（5）
式中 为水流流量， ；
为理想翻斗每次翻转所需承接时间， 。将实验中所得到的数据进行整理，因为翻转过程接近固定时间内翻转一次，所以通过线性趋势线进行拟合，得到趋势线函数，此函数的斜率代表每秒所输出的雨量值。将误差分为两类误差：斜率误差与计数误差。斜率误差计算式（6）与计数误差计算式（7）：
（6）
（7）
式中，
为对雨量计测量所得数据进行趋势线拟合后得到的斜率；
为理想翻斗的趋势线斜率，在数值上等于
；
为雨量计在稳定水流输出10mm（314mL）水量后所输出的次数。采用了两种误差计算，其中斜率误差忽略了降雨停止后，停留在翻斗内的雨量，固在一定时段内，斜率误差与实际输出误差相比较有出入。当测量降雨时段够大或者累计降雨量够大时，则最后停留翻斗内雨量所带来的误差可忽略不计，斜率误差接近于实际误差。而计数误差考虑了一定时段内，最后停留翻斗的雨量所带来的误差，适合较小时段或者累计降雨量较小时的测量。将实验数据与误差统计归纳结果见表1：
表1 实验数据分析表（Experimental data analysis table）
雨强 0.73mm/min | 趋势线函数 | 斜率误差 | 计数误差 |
模拟情况 | y = 0.0121x | ||
传统式雨量计 | y = 0.0121x | | |
截流式雨量计 | y = 0.0122x | | |
雨强 1.48mm/min | 趋势线函数 | 斜率误差 | 计数误差 |
模拟情况 | y = 0.0247x | ||
传统式雨量计 | y = 0.0244x | | |
截流式雨量计 | y = 0.0246x | | |
雨强 2.69mm/min | 趋势线函数 | 斜率误差 | 计数误差 |
模拟情况 | y = 0.0455x | ||
传统式雨量计 | y = 0.0442x | | |
截流式雨量计 | y = 0.0448x | | |
雨强 3.61mm/min | 趋势线函数 | 斜率误差 | 计数误差 |
模拟情况 | y = 0.0612x | ||
传统式雨量计 | y = 0.0592x | | |
截流式雨量计 | y = 0.0599x | | |
3.3 误差分析
实验数据分析表中可以明显看到第一组雨强大小为0.73mm/min的数据中，传统式雨量计的误差是小于截流式雨量计的，而从实验数据分析表中可以明显看到，改进后雨量计的输出是超出了理想输出的，通过分析计算推导，将这个误差归属于调平误差。根据仪器使用说明进行仪器调平，仪器翻转一次输出的降雨量为0.02mm,在雨强为2mm/min的条件下对仪器调平，当仪器在300秒内恒压注水314mL,翻斗共计翻转48—52次，则仪器调平完成。以翻转50次为例，由于仪器存在翻转误差，故在2mm/min的雨强下，5min总计输出10mm降雨量，理想情况为翻转50次，但是由于仪器存在翻转误差，最主要误差存在于仪器翻转过程中由于滴嘴仍处于滴水状态，则有部分的降雨无法进行观测，所以在此种雨强的情况下5min内仪器的翻转次数必定小于50次。但将仪器调平至翻转次数50次，则说明每次翻转所承接的雨量必定小于0.2mm。同理可知，调平时若将翻转次数调至50次以下，则可减小调平误差。在2mm/min的雨强下，翻转过程可由式（8）进行表达：
（8）
式中：
为每次翻转的翻转误差， >0；
为每次翻转的实际雨量。得到结果表达式（9）：
（9）
则
。在雨强小于2mm/min的雨强条件下，每次的翻转误差为
（ < ），得到结果式（10）与式（11）：
（10）
（11）
式中： 为翻转次数，且当 ∈（
,
]， 为正整数时， = 。在实际模拟降雨实验过程中，调平次数为49次，减小了调平误差，使之更接近于0.02mm,第一组数据和第二组数据模拟雨强均小于2mm/min，但只有第一组出现实际输出降雨量大于理想输出降雨量的情况，分别用表达式（12）、（13）、（14）表示其翻转过程：
（12）
（13）
（14）
式1、2、3分别表示调平过程、1.48mm/min降雨强度过程、0.73mm/mm降雨强度过程，其中
。根据简单不等式关系判断上述关系式成立,且调平误差不随降雨强度的变化而变化，只与翻斗调平程度有关。
4 结论
通过理论分析与实际降雨模拟实验发现：截流式翻斗式雨量计很好地解决了传统翻斗式雨量计在翻转过程中存在翻转误差的问题。不论是从斜率误差还是计数误差分析，改进后的翻斗式雨量计在精度方面都较传统单翻斗雨量计有了大幅度的提高，且降雨强度越大，精度提高越显著（精度提高约0.5%~1.5%）。这一结论为提高暴雨预警决策的科学性、实时性、准确性将带来强有力的支撑。
参考文献（references）
【1】廖敏涵，刘九夫，廖爱民等.三种JDZ型翻斗式雨量计性能对比实验研究【J】.水文，2020，40（1）:29-33
【2】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.
【3】齐天松，杨立夫.增大适应雨强范围的新型翻斗式雨量计设计【J】.人民黄河，2016，38（7）:14-16
【4】王展宏.翻斗式雨量计的误差分析与改进【J】.水利信息化，2012，29（4）:53-55.
古东霖，生于1999年6月，男，四川隆昌人，郑州大学本科在读，水文与水资源工程方向 陈雪，生于1999年2月，女，汉族，河南洛阳人，郑州大学本科在读，水文与水资源工程方向 骈凯杰，生于1999年7月，女，汉族，河南安阳人，郑州大学本科在读，水利水电工程方向
【基金项目】本文系郑州大学2019年度大学生创新创业训练计划项目，项目编号：201910459048
