翻斗式雨量傳感器的改進方法

魏邦憲，楊云蕓，苗 婷，蘇軍鋒

(1.隴南市氣象局，隴南 746000；2.湖南省氣象臺，長沙 410118；3.靖遠縣氣象局，靖遠 730600)

0 引言

目前，在全球氣候變暖的大背景下，中國極端天氣氣候事件頻頻出現，特別是暴雨、干旱、臺風和冰雹等惡劣天氣更顯現出了災害性天氣的突發性、局地性和重災性，對人民的經濟生活和生命安全造成了極大的損失[1]。對于地處半干旱地區的甘肅省隴南山區，由暴雨和短時強降水引發的泥石流、山洪、滑坡等地質災害尤為嚴重，為全市經濟建設和精準扶貧工作造成巨大損失。為進一步減輕因暴雨和短時強降水造成的損失，隴南市氣象部門在全市布設了409個自動氣象觀測站，為雨量監測提供了準確及時的數據。但是隨著近幾年區域氣象站、國家天氣站的建成，市級裝備保障人員的工作量日益繁重，且由于各類站點主要建在各鄉鎮，交通不便對維修維護工作造成了極大的困難和較高的維修成本?，F階段，中國氣象部門大部分使用翻斗式雨量傳感器進行液態降水地面觀測業務，但是翻斗式雨量傳感器的故障率相較于其他氣象觀測儀器比較高，其中“有降水實況，而降水記錄異常”的現象偏多[2]。目前，氣象學者們對雨量傳感器的維修和改進方法做了大量的研究，黨選發[3]等對自動氣象站現場校準和傳感器調整方法進行了探討，指出為了將傳感器誤差降到最低值可以在雨量傳感器超差時進行微凋；陳武框[4]等研究了消除雨量傳感器故障的方法；周憶和[5]等對雨量傳感器的故障診斷與維護提出了一些初步的處理方式和資料補充方法；劉偉龍[6]等探索了將疏水性材料作為原材料加入雨量傳感器的生產過程中的可行性。從以上研究可以看出，對于雨量傳感器的故障診斷與維護都是基于經驗或數據分析，并且都沒有考慮在現場進行改進和維護時外部條件的限制。文章通過對甘肅省隴南市氣象局409個自動氣象站2017-2019年維修記錄以及2018-10-01-2019-09-30的故障記錄統計分析發現上述情況95%以上是由于雨量傳感器的漏斗(或翻斗)被異物堵塞或翻斗被蜘蛛結網掛住無法翻動或干簧管損壞所致。文章綜合考慮現場維護雨量傳感器外部條件的限制因素，提出了翻斗式雨量傳感器的改進方法，從而極大地減少了上述現象的發生，提升了全市自動氣象站雨量數據質量。

1 改進方法說明

為進一步加強自動氣象觀測站雨量觀測數據的可靠性，文章通過甘肅省隴南市氣象局裝備保障人員對全市自動氣象觀測站維護時發現的問題以及相應的處理方式和實際效果，提出翻斗式雨量傳感器基于外部條件的改進方法。

2 雨量筒的改進

雨量傳感器均安裝在戶外，會發生蜘蛛等昆蟲鉆入雨量傳感器，導致雨量傳感器漏斗、翻斗堵塞或蜘蛛結網將翻斗掛住后無法翻轉。針對這種情況，維護人員需現場清洗雨量傳感器才可使傳感器恢復正常。區域自動氣象站經常出現此類現象，保障人員必須到現場進行清洗工作，因此維護成本很高。經過2017-2019年的長期維護改進實踐，發現在承水器的內壁使用熱熔膠固定6根6～30 cm長的塑料管，將其頂部密封，同時在管內塞入樟腦丸及干果栗子和樟木等，管的下部用紗布堵住就可以長期有效地防止蜘蛛等昆蟲進入雨量筒，極大地減少了因昆蟲堵塞翻斗現象的發生，降低維護成本的同時不會對雨量傳感器產生影響，提高了雨量觀測數據的可用率。

3 干簧管的改進

傳感器故障使觀測數據失真，發生故障的主要原因是雨量傳感器的核心元件——干簧管發生物理損壞并失效。隴南氣象局裝備保障人員經過實踐，對SL3-1和SL2-1翻斗式雨量傳感器的干簧管做了進一步的改進。改進工作所需的成本低，且易操作、維護簡單。

3.1 改進原因

區域氣象站一般安裝在野外，不具備交流供電的條件，在這種情況下對干簧管進行焊接更換很困難。SL3-1雙翻斗式雨量傳感器采用雙管工作模式，雙干簧管焊接難度大，若出現錯位，雨量就會翻倍。維修人員在焊接時必須嚴格把握雙管簧片的水平位置及垂直位置，該操作對焊接技術水平要求較高。SL3-1的干簧管部件是通過金屬材料與裝置進行連接，由于金屬材料受溫度變化影響會出現熱脹冷縮現象，對干簧管玻璃封裝管產生較大的拉力，造成干簧管的玻璃體破裂受損，從而導致干簧管漏氣(氮氣或真空)，外部空氣進入后，干簧管的觸點容易氧化并損壞。原干簧管的安裝結構對由溫度變化引起的張力及干簧管的受力強度沒有進行充分考慮，致使干簧管經常損壞。SL2-1單翻斗式雨量傳感器干簧管的焊接點，設計得小而脆弱，焊接孔很容易堵塞，若焊接時處理不好則焊盤很容易脫落，加大了更換干簧管的難度，致使雨量板的報廢率非常高，從而增加了維護成本。

3.2 改進后的應用優點

在改進方案中，選用環氧樹脂板與外圍的金屬裝置進行連接。環氧樹脂板物理性質穩定，受溫度影響小且不易造成拉伸變形，因此可以保證干簧管處于長期穩定的工作狀態。將干簧管固定在環氧樹脂板上，使得干簧管兩端引腳間距離盡可能縮短(實際運用中干簧管兩端引腳分別不超過5 mm)，從而將金屬部分因熱脹冷縮產生的張力減到最小，在保證干簧管運行穩定的前提下盡可能延長干簧管的使用壽命。采取上述方法改進后，干簧管的更換簡單易行，擺脫了對交流供電的依賴，更加適用于野外操作。

注意：不可使用鐵、鋼等材質對磁鐵有影響的螺絲，因為磁力會影響翻斗的翻動，從而影響雨量測量的精準性，建議使用銅質螺絲。

4 結束語

經過對隴南市409個自動氣象觀測站1 a的故障進行統計分析，改進后的雨量傳感器總故障率降低了43.26%，其中由于干簧管損壞導致的故障率降低了89.32%，因昆蟲堵塞導致的故障率降低了95.46%。改進后雨量傳感器的故障主要是由灰塵、樹葉堵塞雨量筒或翻斗造成，此類故障占總故障的96.74%。由此可看出對雨量傳感器進行改進后極大降低了維護成本，減輕了裝備保障人員的維護工作壓力。