SL3—1型翻斗式雨量感應(yīng)器漏斗疏堵裝置設(shè)計(jì)

鄧樹榮 鄧蘇花雨 范方福

摘要 為解決雨量傳感器漏斗出口通道易堵塞問題，設(shè)計(jì)出SL3-1型翻斗式雨量感應(yīng)器漏斗疏堵裝置，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定時(shí)清理漏斗出口通道，保障了雨量計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性和可用性，減少了維護(hù)的時(shí)間和支出成本。

關(guān)鍵詞 電氣機(jī)械裝置；剛體往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；自動(dòng)定時(shí)清理漏斗出口通道

中圖分類號(hào)：TP212；P414.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）04-050-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.04.020

Abstract In order to solve the problem that the outlet channel of rainfall sensor funnel was easy to be blocked， the funnel drcdging-blocking device of SL3-1 tipping-bucket rainfall sensor was designed. The drcdging-blocking device could automatically and regularly clean the funnel outlet channel， ensure the accuracy and availability of rainfall measurement， and reduce the maintenance time and cost.

Key words Electrical machinery； The rectilinear motion of a rigid body； Automatic cleaning funnel outlet channel

廣西氣象部門從2002年開始至今已建成并在線運(yùn)行的單要素到多要素區(qū)域自動(dòng)氣象站（以下簡(jiǎn)稱區(qū)域站）有2 860座，這些站點(diǎn)所取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在大區(qū)域天氣宏觀預(yù)報(bào)到局地小區(qū)域精細(xì)化預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣預(yù)警，以及各地國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃、小氣候資源開發(fā)利用、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面發(fā)揮著不可或缺的氣象科技基礎(chǔ)支撐作用。這些站點(diǎn)的雨量記錄大多采用上海氣象儀器廠有限公司生產(chǎn)的SL3-1型翻斗式雨量傳感器，也有少量其他型號(hào)，它們的雨量記錄原理都是根據(jù)固定流量采用翻斗動(dòng)作觸發(fā)計(jì)數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)數(shù)較為準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但也存在各級(jí)漏斗出口通道易堵塞、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件受力小易阻停等問題。由于各縣氣象局人少事多矛盾突出，大多數(shù)縣局往往采取發(fā)現(xiàn)雨量異常后方到現(xiàn)場(chǎng)處理排除故障，使得雨量記錄缺失成為影響區(qū)域站記錄準(zhǔn)確性和可用性的一個(gè)重要因素。為解決雨量傳感器漏斗出口通道易堵塞問題，設(shè)計(jì)出SL3-1型翻斗式雨量感應(yīng)器漏斗疏堵裝置，為氣象防災(zāi)減災(zāi)作出積極貢獻(xiàn)。

1 雨量傳感器漏斗堵塞原因分析

從2016—2017年恭城縣氣象局記錄的區(qū)域站各種故障分析，故障原因分布見表1。從表1可見，雨量傳感器漏斗出口通道被雜物堵塞的占比達(dá)到29.7%，是單因素中導(dǎo)致區(qū)域站故障的“元兇”。多年來維護(hù)區(qū)域站積累的經(jīng)驗(yàn)表明，影響雨量記錄的堵塞物成分基本是粉塵、植物孢子、植物碎屑、超小型昆蟲等動(dòng)物殘骸，這些異物堵塞在雨量筒內(nèi)部各個(gè)漏斗出水口，主要在初級(jí)漏斗和匯集漏斗的出口處，輕者計(jì)數(shù)明顯偏小、延遲，重者沒有出口流量，導(dǎo)致計(jì)數(shù)翻斗動(dòng)作延遲，直至無法動(dòng)作。廣西地理、大氣環(huán)境類似，因此，可以假設(shè)全廣西氣象部門的2 860座區(qū)域站故障分布和頻率與恭城縣氣象局所轄區(qū)域站相同，按每次出現(xiàn)場(chǎng)2人、每人50元下鄉(xiāng)費(fèi)和車輛平均往返距離40 km、每公里車輛綜合費(fèi)用1元計(jì)算，耗時(shí)按每次2人、往返加維護(hù)2 h計(jì)算，則2年內(nèi)廣西氣象部門因處理區(qū)域站疏堵問題就需支出費(fèi)用31.45萬元，耗時(shí)0.89萬h。

2 疏堵裝置設(shè)計(jì)

解決因雨量傳感器漏斗出口通道堵塞造成的雨量異常問題，現(xiàn)在都是采取發(fā)現(xiàn)堵塞問題后前往維修的方式，這種方式最大的缺陷是被動(dòng)發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)造成了雨量記錄偏小，還增加了維護(hù)的時(shí)間和資金成本。如果設(shè)計(jì)安裝一套雨量傳感器漏斗出口通道自動(dòng)清理裝置，則可大幅減少維護(hù)成本。

2.1 疏堵構(gòu)思

按照雨量傳感器漏斗出口圓形通道直徑，利用稍小于該直徑的同形捅桿在通道內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，擊碎并推出通道的堵塞雜物。計(jì)數(shù)漏斗出口通道去掉出口的長(zhǎng)通道，安裝一個(gè)固定捅桿對(duì)準(zhǔn)出口，利用翻斗自身往復(fù)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)堵塞雜物。

2.2 需要解決的問題和解決思路

根據(jù)疏堵構(gòu)思，疏堵裝置的設(shè)計(jì)、制造、安裝需要解決的問題和解決的思路是：①雨量傳感器內(nèi)部機(jī)件之間的空間較小，不宜將疏堵裝置直接置入；設(shè)計(jì)時(shí)將動(dòng)力裝置安裝在雨量筒的筒壁和傳感裝置之間的空間內(nèi)，通過剛體延伸到達(dá)出口圓形通道。②疏堵捅桿的安裝存在偏心問題；設(shè)計(jì)時(shí)疏堵捅桿要對(duì)出口圓形通道留有足夠裕度，這里使用有一定曲折度的膠棒。③直接在區(qū)域站供電系統(tǒng)取電，可能造成電池電量消耗過大，影響區(qū)域站正常工作；建議單獨(dú)設(shè)置一套太陽能儲(chǔ)電裝置保證用電需要。④疏堵裝置未工作和工作結(jié)束時(shí)，疏堵捅桿應(yīng)處于脫離通道的狀態(tài)，考慮脫離的距離為4mm；筆者考慮過用直線執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，由于還要增加一個(gè)計(jì)數(shù)裝置傳導(dǎo)到供電控制，既增加了成本又增加了故障率，而電磁鐵具有通電吸合、斷電復(fù)位的特性，所以最后決定采用自復(fù)位電磁鐵作為動(dòng)力。⑤電磁鐵需要直流通斷供電，通過串接脈沖方波發(fā)生器解決。⑥電磁鐵通過短路電流工作，升溫快，不能長(zhǎng)時(shí)間工作，通過串接時(shí)控開關(guān)定時(shí)短時(shí)通電啟用、長(zhǎng)時(shí)斷電停用解決。⑦解決金屬構(gòu)件生銹問題，建議使用304型號(hào)以上的不銹鋼制造。

2.3 疏堵裝置的設(shè)計(jì)

經(jīng)測(cè)量，SL3-1型雨量傳感器漏斗出口通道均為圓柱形，初級(jí)漏斗、匯集漏斗出口圓形通道直徑均為3 mm，初級(jí)漏斗、匯集漏斗出口通道長(zhǎng)度分別為30、20 mm；最大流量均為4 mm/min；疏堵裝置在初級(jí)漏斗、匯集漏斗的可利用空間高度分別為53、60 mm；承臺(tái)到承水器可利用空間高度為180 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)思和上述數(shù)據(jù)，疏堵裝置的參數(shù)及構(gòu)成如下。

2.3.1 骨架 ①基礎(chǔ)底板，立桿底板：1 mm厚度的304型號(hào)不銹鋼板制造，為方便對(duì)準(zhǔn)精度調(diào)整，安裝緊固螺絲的螺孔為開口式，開口比螺桿直徑大3 mm。②立桿：5 mm×5 mm×11 mm正方形截面的304型號(hào)不銹鋼棒，氬弧焊可靠連接在承臺(tái)上。③滑塊：正方形截面的304型號(hào)不銹鋼中空方管，中空截面規(guī)格略大于立桿截面。

2.3.2 動(dòng)力 ①能源：太陽能電池儲(chǔ)能；通過2芯同軸電纜與用電器連接。②電磁鐵：選用行程35 mm/DC12 V推拉式自動(dòng)復(fù)位電磁鐵，初始推力宜大于200 g。③脈沖方波發(fā)生器：向電磁鐵輸出間隔方波，要求占空比可調(diào)。

2.3.3 行程傳導(dǎo) 動(dòng)力行程傳導(dǎo)臂：直徑2 mm 304型號(hào)不銹鋼棒制造，按照漏斗內(nèi)側(cè)形狀制造，氬弧焊可靠連接在滑塊上；圓形膠棒疏堵捅桿直徑2 mm、長(zhǎng)度30 mm、最大直線行程34 mm，安裝在傳導(dǎo)臂末端。

2.3.4 供電控制 時(shí)控開關(guān)：選用DC12 V時(shí)控開關(guān)控制供電啟停。

整個(gè)疏堵裝置安裝在承臺(tái)上。立桿和滑塊橫截面為正方形，避免疏堵裝置的臂桿發(fā)生橫向擺動(dòng)。電磁鐵、脈沖方波發(fā)生器、時(shí)控開關(guān)為市場(chǎng)采購，網(wǎng)上很容易找到符合參數(shù)的器件。疏堵裝置設(shè)計(jì)圖見圖1，疏堵裝置與雨量筒的立面見圖2。

2.4 疏堵裝置的組裝、調(diào)試

疏堵裝置立桿安裝于正面中軸線上，利用匯集漏斗的承臺(tái)安裝基礎(chǔ)底板，然后進(jìn)行左右、前后微調(diào)，確保疏堵膠棒對(duì)準(zhǔn)漏斗出口通道；調(diào)整疏堵臂桿縱向位置后擰緊螺帽固定。太陽能板安裝在區(qū)域站獨(dú)立桿上，電池和脈沖發(fā)生器、時(shí)控器置于采集箱內(nèi)，通過暗敷管道敷設(shè)2芯同軸電纜向電磁鐵供電。

脈沖方波發(fā)生器調(diào)為0.25～0.5 Hz；時(shí)控開關(guān)調(diào)為每天9：30、16：30定時(shí)供電1次，每次1 min。

2.5 存在問題

所設(shè)計(jì)的雨量感應(yīng)器漏斗疏堵裝置可能存在以下問題：由于漏斗出口通道直徑較小，安裝時(shí)必須精心反復(fù)對(duì)正；電磁鐵、脈沖方波發(fā)生器、時(shí)控開關(guān)耐用性存疑；電源、電磁鐵、脈沖方波發(fā)生器、時(shí)控開關(guān)相互之間的阻抗、功率匹配需要計(jì)算并反復(fù)試驗(yàn)選型；電磁鐵動(dòng)作產(chǎn)生的震動(dòng)是否會(huì)影響翻斗誤動(dòng)作，需要實(shí)物驗(yàn)證；需求量不是很大，機(jī)件開模成本較大，單位成本不能用日常消耗品價(jià)格計(jì)算，導(dǎo)致造價(jià)較高；為避免對(duì)區(qū)域站整體運(yùn)行的干擾，采用獨(dú)立太陽能電池儲(chǔ)能供電，推高了造價(jià)；SL3-1型翻斗式雨量傳感器由廠家定型生產(chǎn)，所設(shè)計(jì)的雨量感應(yīng)器漏斗疏堵裝置需要廠家核驗(yàn)，不可自行安裝。

3 結(jié)語

廣西氣象部門建在各地的區(qū)域站是防災(zāi)減災(zāi)和積累小氣候數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，區(qū)域站降雨計(jì)量準(zhǔn)確是氣象部門裝備保障的重要任務(wù)。通過自動(dòng)化雨量感應(yīng)器漏斗疏堵裝置，可大幅降低維護(hù)的時(shí)間和資金成本，提高降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性。另外，如果把漏斗出口通道改為向下的喇叭形，在通道上口堆積的雜物與通道壁的摩擦力將大為減少，在降雨的水壓下，通道被堵的幾率會(huì)大幅下降。

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責(zé)任編輯：鄭丹丹