自動雨量傳感器典型檢定故障案例分析

汪洋，曾子欣，易恒，侯陽笛，陳亮

（1.湖南省氣象技術裝備中心，湖南 長沙 410007；2.祁東縣氣象局，湖南 祁東 421001；3.湖南省氣象局機關服務中心，湖南 長沙 410007）

目前，根據中國氣象局綜合觀測網絡布局要求，湖南省內國家級自動站、區域站、骨干站等站點均采用了自動翻斗計數雨量觀測裝置，為保證雨量觀測真實有效，省級、市級裝備保障部門每年會根據工作計劃進行雨量筒現場標定，以便發現問題進行維修維護，以保證測量精度，提高測報系統的精準度。

1 自動氣象站雨量傳感器的運行原理

隨著全球氣象條件的不斷變化，多數地區的氣象災害頻發，對世界經濟帶來了極大地破壞。對此，各國紛紛對氣象監測技術投入大量的人力與物力，深入研究提高對氣象數據準確性與代表性的技術與方案，加強對極端天氣的預警。為了科學有效地監測氣象，及時采取措施進行防控，越來越多的自動氣象觀測站被建成并使用，成為氣象觀測站的重要組成內容。當前，我國自動氣象觀測站的設備觀測技術已逐漸成熟，獲得了不錯的監測效果。但自動氣象觀測站的運行離不開穩定的設備監測，一旦某個設備出現故障，將對整個氣象監測鏈條帶來破壞，最終無法保障數據的有效性。

現階段的雨量傳感器多采用翻斗式，組成器件為承水器、計數翻斗、上下翻斗、計量翻斗等，過濾網、上筒、聯接螺釘、磁鋼、干簧管、水準泡、調平螺釘等。雨水通過漏斗進入到上翻斗，逐漸匯集到預設模板，然后在雨水自身重力的影響下，上翻斗轉動，雨水進入到翻斗中，而后在計數翻斗中精確地記錄不同程度的降水量。直至計量翻斗中的雨量為0.1mm，計數翻斗將進行一次轉動和一次掃描。簡而言之，即翻斗中的雨量每到達一次0.1mm，就會由設備傳遞數據并記錄降雨量。

2 自動雨量傳感器相關要求和參數

目前湖南省內采用的雙翻斗式雨量傳感器主要包含了筒身、翻斗、底座、固定螺桿等幾個主要部件，根據JJG（氣象）自動氣象站翻斗式雨量傳感器檢定規程，合格的雨量傳感器必須±0.4mm（雨量≤10mm，雨強≤4mm/min），±4%（雨量＞10mm，雨強≤4mm/min），被測雨量筒承水口內徑為200mm或者是159.6mm，分辨率為0.1mm。

為了保證計量檢定的標準和有效，自動雨量筒的檢定分為外觀檢定、測量誤差檢定、數據處理三個步驟。外觀檢定作為計量標準的第一個步驟，具有十分重要的作用和意義。現在啟用的自動雨量觀測設備中全部設置在野外觀測環境中，雨量積水筒外部環境不可避免會接觸到自然環境中的種種生物或者影響要素，外觀檢定要求檢定工作人員對被檢傳感器的承水器、過濾網、漏斗、翻斗等零件清洗干凈，并對承水口內徑大小測量記錄，以保證雨量傳感器工作進程不受其他外界因素干擾。測量誤差是雨量傳感器檢定的第二個步驟，其要求標準化傳感器檢定步驟，充分濕潤標準器和管路，排除水路中的氣泡，確保加液器的正常工作。測量誤差步驟結束后，檢定工作人員需要對每個測量數據進行檢查，確定被檢儀器的相對測量誤差有效。

（1）式中，△r是被檢儀器的相對測量誤差，△R是被檢儀器的測量誤差，R是標準值。

3 雨量傳感器的常見故障及處理措施

翻斗是雨量傳感器的重要組成元件，對整個設備的正常運行起著關鍵影響。實際工作中，雨量傳感器的故障發生率也最高，是最需要定期養護和維修的傳感器。

3.1 雨量缺測

根據雷達監測顯示，某區域實際有降雨但傳感器未顯示監測數據，那么就要檢查傳感器。當雨量偏低而傳感器完全無記錄，原因為傳感器的計量精度降低或集水裝置出現誤差，一般先檢查采集器的接口有無松動現象，另外檢查傳感器的接線頭有無擰緊，兩個部位都未發現問題，就要分析干簧管是否出現故障。主要方法是：拆掉傳感器，將萬用表的針頭撥到電阻痛斷蜂鳴檔，然后使用紅黑筆分別接觸傳感器的線柱，翻動計數翻斗到中間位置，萬用表發出響聲說明正常，無聲音則是傳感器出現故障，需要更換干簧管。

3.2 雨量觀測值不準確

這是雨量監測工作的常見問題，當發現觀測值與實際數值偏差較小時，需要檢查傳感器的承水口、內部漏洞以及翻斗的流通情況，判斷是否因異物堆積導致的堵塞，做好清理工作。當發現觀測值偏大，已經超過實際降雨量的4%，則可判定為儀器故障，主要是因為翻斗元件受過多的摩擦出現不靈敏的問題，可以通過重新調整螺絲來進行值的校準。具體措施為：調整計量翻斗兩側的定位螺釘，同時旋轉螺釘一圈，測量值偏大需要向外旋轉，測量值偏小則向內旋轉，然后使用量杯裝入10mm的水量，依次慢速和快速倒入翻斗檢驗，直至符合計量誤差在4%之內。

3.3 連接線中斷

如果雨量傳感器監測為正常而所得數據與實際不符，需要分析是否通訊通道出現故障，一般檢查傳感器的接線頭到采集器端口的通道是否受到阻礙，則要采取相應措施進行處理。除了常見故障的處理外，做好日常管養也是十分有必要的。要實現雨量傳感器的有序運行，使得測量數據真實有效，必須每個月對資料加以匯總、整理和分析，增強人工干預，對缺測數據及時補測等。

4 自動雨量傳感器典型故障案例

對于一般的被檢儀器，工作人員一般采用福建X雨量標準器進行檢定，該標準器可以根據被檢設備調整雨強大小檢定參考值，從而完成相對應雨強標準值的對比檢定。

由于雙翻斗式雨量傳感器的構造，其一般性的故障表現通常為大雨強和小雨強同步偏大或者同步偏小，其故障的偏差與翻斗對應的杠桿螺絲具有一致性，大雨強和小雨強的被測值會隨著杠桿螺絲的調整同步變大或者變小，最終達到額定值。本文需要分析的典型故障同一般性故障不同，其具體表現為大雨強和小雨強被測值隨著杠桿螺絲的調整會往兩個極端偏差，大雨強被測值數值變大，小雨強數值變小。

根據自動雨量傳感器故障維修維護排查步驟，工作人員首先檢查了被檢傳感器的外觀裝置，手動清除了掛壁和翻斗的明顯污漬并用定額流水進行檢測，確保水流通順。完成該步驟后，工作人員對被檢傳感器進行了再一次的大雨強小雨強標定，最終顯示結果仍然是被檢大雨強和小雨強偏差過大。接下來，工作人員對上下翻斗對應螺桿進行調整，分別按照同步偏大和同步偏小的步驟對被檢傳感器進行調整并重新檢定，結果顯示仍然偏差過大并且偏差持續加大，大雨強通過調整可以接近額定標準值但小雨強越發偏小。

通過對檢定過程的反復測試和觀察，工作人員發現造成故障的原因是標準器的送水管道損壞，檢定給水過程中原定送給被檢儀器的水會隨著破損處流出從而造成檢定結果偏差。由于大雨強檢定過程中速率較快，時間較短，所以被檢儀器可以根據對應杠桿的調整反映出結果從而向標準值貼近，而小雨強檢定過程速率較慢，時間較長，平均12分鐘的檢定過程會損失差不多15%的標準值水量注入，最終導致結果就是檢定過程調整后的大雨強隨著杠桿調整貼近額定值，小雨強仍保留15%左右的誤差，兩者相對誤差持續增加。

5 結語

目前我國的各類氣象觀測設備數量繁多，種類各異，計量檢定任務也隨之加重，遇到的各種問題也是層出不窮，本文討論的自動雨量傳感器檢定故障只是一種典型的情況，工作人員在現實中的檢定過程必須要通盤考慮，仔細觀察標準器和被檢儀器的工作狀態，才能更好的完成檢定工作。