雨量計(jì)加熱裝置研制

李旭東 王熠熙 陳 嵩 王云泉 胡 嵩 張雋威

（中國(guó)天津 300201 天津市地震局）

0 引言

氣象三要素觀測(cè)是地震前兆觀測(cè)的輔助測(cè)項(xiàng)（周振安，2006），借助于氣溫、氣壓、降雨量的相關(guān)分析，可排除外界環(huán)境變化對(duì)地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，其中有效測(cè)定降水量，可在地震前兆數(shù)據(jù)分析時(shí)，剔除載荷、含水層滲透、地電阻率減小等因素對(duì)數(shù)據(jù)造成的影響，使數(shù)據(jù)能更加真實(shí)地反映地下介質(zhì)的微觀變化，從而提取準(zhǔn)確的地震前異常信息（全建軍等，2015）。

我國(guó)地震系統(tǒng)現(xiàn)運(yùn)行氣象監(jiān)測(cè)儀器500 余套，分布在各地震臺(tái)站、臺(tái)點(diǎn)，在用雨量計(jì)均無(wú)融雪功能。然而北方地區(qū)冬季氣溫低，降雪天氣時(shí)雨量計(jì)不能記錄當(dāng)時(shí)的降水量，只有溫度升高到冰點(diǎn)以上積雪融化才能記錄，造成雪后多天均有降水記錄的假象，且由于長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)，所記錄的降水量與實(shí)際有較大偏差。

在氣象系統(tǒng)，針對(duì)雨量計(jì)的融雪功能改造也在進(jìn)行，如：阮士松（2012）采用了雙艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了融雪型雨雪計(jì)智能化和尾水結(jié)冰問(wèn)題，但其為成品設(shè)計(jì)，不適合現(xiàn)有非加熱雨量計(jì)的改造；馮超（2016）對(duì)雨量計(jì)加熱部分進(jìn)行了改造，解決了恒溫加熱問(wèn)題，但未實(shí)現(xiàn)降雪量的智能識(shí)別。目前，市場(chǎng)上的不凍液和電加熱式雨量桶均可實(shí)現(xiàn)固態(tài)降水的有效記錄，且均有成品出售，使用方便，但價(jià)格相對(duì)昂貴。地震系統(tǒng)的雨量計(jì)大多為翻斗式和虹吸式，均無(wú)融雪功能。2018 年，青光地震臺(tái)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種雨量計(jì)加熱裝置，在北方寒冷季節(jié)，可實(shí)現(xiàn)固態(tài)降水的自動(dòng)識(shí)別和隨降隨融，記錄真實(shí)降水量。

1 加熱裝置設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)觀測(cè)區(qū)的固態(tài)降水，提出雨量計(jì)加熱裝置，其設(shè)計(jì)思想是，基于臺(tái)站現(xiàn)有非加熱雨量計(jì)，實(shí)現(xiàn)固態(tài)降水（降雪）的自動(dòng)識(shí)別和控溫加熱，且不因溫度過(guò)高產(chǎn)生蒸發(fā)，也不會(huì)造成融雪后的二次結(jié)冰，亦不會(huì)對(duì)儀器自身部件造成損傷，力求記錄到準(zhǔn)確降水量。

1.1 裝置設(shè)計(jì)

雨量計(jì)加熱裝置主控部分采用可編程開(kāi)發(fā)板，利用C 語(yǔ)言編程，通過(guò)安裝在雨量計(jì)筒外和筒內(nèi)的熱敏原件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的識(shí)別，采用可加熱的雨雪傳感器識(shí)別降雪，將多個(gè)單獨(dú)加熱片粘貼于雨量計(jì)筒內(nèi)不同位置，以求達(dá)到最佳應(yīng)用效果。該裝置工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 裝置工作原理Fig.1 The working principle

1.2 工作流程

雨量計(jì)加熱裝置為全自動(dòng)化設(shè)置，有大氣固態(tài)降水時(shí)，雨量計(jì)筒內(nèi)加熱片自動(dòng)加熱，將降落在雨量計(jì)漏斗內(nèi)的固態(tài)水融化，在溫控范圍內(nèi)最大限度地減小降水蒸發(fā)，且保持雨量計(jì)筒內(nèi)不結(jié)冰。當(dāng)降水過(guò)程停止后，通過(guò)延時(shí)加熱，蒸發(fā)雨量計(jì)內(nèi)部殘存水分，以免儀器部件冰凍損壞。加熱裝置工作流程見(jiàn)圖2，具體如下：①環(huán)境溫度＞4 ℃，控制器處于待機(jī)狀態(tài)；環(huán)境溫度≤4 ℃，裝置準(zhǔn)備啟動(dòng)（給雨雪感應(yīng)器加電）；②雨雪感應(yīng)器感應(yīng)到降水后，雨量計(jì)內(nèi)加熱板工作；③雨量桶內(nèi)加熱溫度控制在10 ℃—40 ℃范圍內(nèi)；④固態(tài)降水停止后，加熱片延時(shí)加熱1 小時(shí)，以烘干雨量計(jì)內(nèi)尾水，避免結(jié)冰。

圖2 裝置工作流程Fig.2 The workflow

1.3 性能指標(biāo)及特點(diǎn)

雨量計(jì)加熱裝置滿足“GB/T 21978.6—2008 降水量觀測(cè)儀器（第6 部分）：融雪型雨雪量計(jì)”規(guī)定的性能指標(biāo)，適合高寒地區(qū)工作環(huán)境。性能指標(biāo)如下：整機(jī)功率：≤40 W；工作電壓：12 V直流；加熱片最高溫度：＜100 ℃；工作環(huán)境溫度：-40 ℃—80 ℃。加熱裝置實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖3 裝置實(shí)物Fig.3 Image of the device

加熱裝置具有以下特性：①本裝置可以安裝在有人或無(wú)人值守臺(tái)站，通過(guò)簡(jiǎn)單安裝即可實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)雨量計(jì)的智能融雪功能改造；②供電要求低，接入12 V 直流電源即可工作，功耗低，加裝雨量計(jì)保溫層，可減少加熱板數(shù)量以降低功耗。

圖4 加熱片及感溫探頭安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of the heating plate and temperature probe

2 裝置安裝

加熱裝置安裝示意圖見(jiàn)4，具體安裝流程如下：①雨量計(jì)接入12 V 直流電源，外加保溫棉，將加熱片用導(dǎo)熱膠粘貼于雨量計(jì)內(nèi)壁適當(dāng)位置，在雨量計(jì)底部1/3 處為宜，以保證筒內(nèi)溫度處于較高水平，在環(huán)境溫度較低的地區(qū)可在漏斗位置粘貼加熱板，可加快融雪速度；②感溫探頭安裝固定在筒內(nèi)上部，環(huán)境溫度探頭可置于雨量計(jì)保溫層外部；③雨量感應(yīng)器正面朝上放置在雨量桶基座旁邊，距離大于30 cm；④控制主機(jī)盒可置于室內(nèi)或經(jīng)防水處理置于雨量計(jì)旁邊。

3 測(cè)試效果

本裝置成型后，于2019 年2 月在青光地震臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試。在無(wú)降雪天氣條件下，加熱片處于常閉狀態(tài)，測(cè)試連續(xù)5 天的環(huán)境溫度，與雨量計(jì)內(nèi)部溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5，圖中虛線為室外環(huán)境溫度，實(shí)線為雨量計(jì)內(nèi)部溫度，可見(jiàn)環(huán)境溫度在5 ℃— -10 ℃時(shí)，雨量計(jì)內(nèi)部溫度為26 ℃—40 ℃，同步最大溫差約50 ℃，同步性較好，滿足預(yù)期要求。

圖5 雨量計(jì)內(nèi)溫度與環(huán)境溫度對(duì)比曲線Fig.5 Contrast curves between temperature in the rain gauge and ambient temperature

4 結(jié)束語(yǔ)

雨量計(jì)加熱裝置可根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)識(shí)別是否有固態(tài)降水，從而實(shí)現(xiàn)智能消融。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該裝置已達(dá)到預(yù)期效果，可安裝在有人或無(wú)人值守測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)北方地區(qū)現(xiàn)有雨量計(jì)的改造升級(jí)，并實(shí)現(xiàn)冬季固態(tài)降水的準(zhǔn)確測(cè)量。該裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉，安裝簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)管理，值得在高寒地區(qū)進(jìn)行推廣。