SL3-1型雙翻斗雨量傳感器常見故障處理及誤差調節

周繼先,聶 云,孫啶棚,袁 慶,何 博

(1.貴州省銅仁市氣象局 貴州 銅仁 554300;2.貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563000；3.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100)

0 引言

近年來，由降水誘發的氣象災害給人民生命財產造成了嚴重損失，因此準確有效地監測降水情況具有重要意義[1]。根據中國氣象局統一部署，2020年4月1日起全國所有國家級地面氣象觀測站雨量監測進入自動化。當前，SL3-1型雙翻斗雨量傳感器是應用最廣泛的雨量監測儀[2]，為保證雨量觀測數據具有代表性和準確性，對SL3-1型雙翻斗式雨量傳感器的常見故障處理和日常維護顯得很重要[3-8]。本文結合實際工作，總結SL3-1型雙翻斗雨量傳感器在日常業務中常見故障處理、校準過程中注意事項和誤差調節等方法，供同行借鑒和參考。

1 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器結構和工作原理

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器內部結構為：承水器(內含過濾網和防堵罩)，其下依次為進水漏斗、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、計數翻斗，干簧管位于安裝板上靠近計數翻斗一側，調整螺釘用于調節翻斗容量。其工作原理為：雨水經承水口匯集流入上翻斗，不同強度的自然降水匯聚到上翻斗形成近似固定量，可使得流入計量翻斗降水流速基本保持為大降水強度的水流速度，這樣傳感器對不同強度降水都具有一致的靈敏度[9-11]。降水流經匯集漏斗后，進入計量翻斗，當計量翻斗降水量達到0.1 mm，降水傾倒入計數翻斗，計數翻斗中部有一塊磁鋼，磁鋼上部裝有干簧管開關，計數翻斗翻動1次，磁鋼對干簧管掃描1次，干簧管開關閉合1次，0.1 mm降水記錄計入相應采集計數系統。

2 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器常見故障處理

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器因常年置于野外，即使定期開展維護，傳感器水流通道堵塞、感應元件敏感度下降及內部部件損壞等現象時有發生。現結合工作實際，將雨量傳感器常見故障分為以下3類。

2.1 有降水現象無降水記錄類故障

此類故障表現為有降水現象且降水量達到一定量，但采集器未采集到降水記錄。出現此類故障，首先對雨量傳感器水道進行檢查，承水器的過濾網、匯集漏斗的節流管和各漏斗出水孔等是否被昆蟲、鳥糞、沙塵、樹葉等雜物堵塞，致使降水無法正常流入計量翻斗或計數翻斗。其次檢查各翻斗的翻轉靈活性，不能有任何阻滯。然后檢查干簧管、磁鋼磁性是否正常，撥動計數翻斗，觀察干簧管是否導通且產生脈沖信號，干簧管由有機玻璃外殼包裹，在使用過程中極易老化造成干簧管玻璃體斷裂無法計數；最后檢查雨量信號線，雨量輸出信號線是二芯電纜信號線，電纜一端通過雨量傳感器底座孔內穿出打結后與傳感器接線柱相連，用螺帽鎖緊，另一端經防雷板后接入主采集器。檢查雨量電纜信號線是否斷路，可將二芯電纜信號線兩頭接到一個接線柱上，萬用表通斷檔測量主采集器雨量端口，如萬用表不能發出蜂鳴聲音，表明雨量線斷路。按照以上步驟，如不能將故障排除，則只能更換主采集器。具體流程見圖1。

圖1 有降水現象無降水記錄故障排除方法Fig.1 The troubleshooting method of precipitation phenomenon without precipitation record

2.2 無降水天氣現象但有降水記錄類故障

此類故障表現為實際未產生降水，但采集器采集到降水記錄。分析表明雨量傳感器產生了導通脈沖，先檢查是否有昆蟲等異物活動觸動計數翻斗、干簧管是否因損壞、雨量傳感器二芯電纜信號線是否因短路這3種原因而產生導通脈沖信號，最后檢查主采集器通道是否正常。

2.3 降水記錄偏多(或偏少)類故障

此類故障可分為有規則偏多(或偏少)計數類和無規則偏多(或偏少)計數類故障。該故障表現為有降水現象發生且采集到降水記錄，但接收到的降水記錄偏大(或偏小)，多與雨量傳感器各部件受野外環境影響部件老化或者異物影響導致準確率下降有關。

2.3.1 有規則偏多(或偏少)記數類故障 此類故障表現為有降水現象但降水記錄記數有規則偏多(或偏少)。如在2019年思南縣張家寨六要素自動站雨量傳感器年度校準過程中，維護人員現場倒入標準雨量10 mm，多次采集記數均為14.2 mm左右，均遠超過允許誤差±0.4 mm范圍。

分析原因：主采集器、二芯電纜信號線、防雷板及雨量傳感器自身故障都有可能造成數據異常。在檢查過程中，更換新雨量傳感器進行測試，雨量數據恢復正常，可確定此故障由雨量傳感器本身造成。對計量翻斗調整螺釘進行檢查時，發現計量翻斗容積已經調整為最大(調整計量翻斗調節螺釘可小范圍改變雨量記錄)，因此可判斷此故障并非為計量翻斗調整不當引起。正常情況下計數翻斗翻轉1次，產生1個導通脈沖信號，采集記錄0.1 mm雨量。而在多次反復測試中觀察到，雨量校準儀出現計數翻斗翻轉1次記錄0.2 mm雨量記錄的現象，故可判斷此現象是造成雨量記錄偏大的原因，認真觀察計數翻斗、干簧管和磁鋼之間的相對位置，發現干簧管與磁鋼相對距離太近，正常距離為2 mm左右[12]。磁鋼和干簧管開關距離偏小時，計數翻斗翻轉時慣性反彈，導致多發出1個脈沖信號。

故障排除：松開干簧管鎖定螺母，調整干簧管和磁鋼的相對距離為2 mm左右，采集器不再出現計數翻斗翻轉1次記錄0.2 mm雨量的現象，故障排除。

2.3.2 無規則偏多(或偏少)記數類故障 此類故障表現為有降水現象但降水記錄記數無規則偏多(或偏少)。如在2018年思南縣大壩場六要素自動站年度校準過程中，維護人員觀察到雨量校準儀多次記錄雨量值不一樣且記錄均偏大，10 mm雨量誤差記錄(1～3 mm之間)，超出允許誤差±0.4 mm范圍，通常情況誤差偏大值在一定小范圍內波動，出現校準誤差忽大忽小的情況少有遇到。

分析原因：按照檢查程序，排除了采集器、二芯電纜信號線、防雷板等原因，確定為雨量傳感器故障；檢查傳感器干簧管開關，性能正常；微調雨量傳感器容量調節螺釘，故障未消失；反復觀察雨量校準儀計數，發現計數翻斗翻轉1次，出現0.2 mm雨量記錄現象時有發生，且無規律可尋。為了查找具體原因，維護人員趴在地上認真觀察磁鋼掃描干簧管動作過程，發現一尖狀金屬異物附在磁鋼上，長度大約為2～3 mm，由此推斷此金屬屑可能為造成誤差的原因。

故障處理：清理磁鋼表面尖狀金屬異物后測試，雨量校準儀計數恢復正常，故障排除。計數翻斗翻轉時，磁鋼上吸附的金屬異物位置和狀態不斷發生改變，有時在計數翻斗慣性反彈時導致干簧管與磁鋼距離拉近使得干簧管開關閉合，出現計數翻斗翻轉一次干簧管產生兩個導通脈沖信號，從而使得雨量記錄偏大且不規律。

綜合分析：以上兩個例子僅作為參考，導致有降水記錄但采集降水記錄偏大(或偏小)類故障的原因很多。出現此類故障，首先按照檢查程序，依次檢查采集器、二芯傳輸電纜、防雷板和雨量傳感器，確定故障部件，找出故障部位進行處理。

3 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器誤差調節

對SL3-1型雙翻斗雨量傳感器進行誤差調節，首先要對雨量傳感器進行校準，確定誤差數值后，根據誤差結果進行誤差調節。

3.1 校準

在對SL3-1型雙翻斗雨量傳感器校準前需進行檢查，保證水道通暢，翻斗翻轉靈活，干簧管能正常輸出脈沖信號及雨量傳感器處于水平狀態。SL3-1型雙翻斗雨量傳感器的校準可采用JJS2型雨量校準儀器，降水強度調節可通過旋轉JJS2型雨量校準儀雨強控制按鈕，大雨強降水強度設置為4 mm·min-1，小雨強降水強度設置為1 mm·min-1[13]。常用的校準方法是向雨量校準儀倒入10 mm標準雨量，經校準儀流入雨量傳感器后，觀察雨量校準儀雨量計數，計算誤差(排水量一般默認為10 mm)，再根據誤差進行調節。

3.2 SL3-1誤差調節

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器的誤差調節根據誤差結果來確定處理方式。如果誤差超出允許范圍且不屬于系統誤差，傳感器出現故障需維護；在校準雨量傳感器大、小雨強時，如降水誤差明顯且不在允許范圍內，首先可考慮調節上翻斗與計量翻斗協調性，其次可通過調整計量翻斗兩側的調節螺釘減小誤差。根據《新型自動氣象站實用手冊》[3]，當降水量≤10 mm時，SL3-1型雙翻斗雨量傳感器的最大允許誤差為±0.4 mm，當誤差值不在最大允許誤差范圍內，雨量傳感器校準不合格。根據誤差結果將不合格雨量傳感器分為以下3類：①大雨強下合格，小雨強下不合格；②大雨強下不合格，小雨強下合格；③大雨強下和小雨強下均不合格。

3.2.1 上翻斗與計量翻斗協調性調節 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器由于上翻斗的增加，會帶來上翻斗與計量翻斗之間翻動協調性問題，影響降水的精確度[11]。如上翻斗最大盛水量不合理、計量翻斗最大盛水量合理時，因兩個翻斗翻轉的不協調導致降水損失增加使得實測雨量記錄偏小；當上翻斗最大盛水量合理、計量翻斗最大盛水量不合理時，計量翻斗的最大盛水量對降水記錄影響較大。上翻斗的增加不能完全解決單翻斗雨量傳感器因降水強度不同而引起測量誤差這一問題，只能縮小不同雨強條件下的降水誤差，據研究表明將SL3-1型雙翻斗雨量傳感器上翻斗的左右的最大承水量都調節到3.1 ml可使得降水記錄損失最小[14]。

3.2.2 大雨強或小雨強檢定不合格的誤差調節 首先檢查計量翻斗調節螺釘位置，確保計量翻斗左右調節螺釘里端的位置距計量翻斗的中心擋板的距離是相等的(計量翻斗水平時)，使得計量翻斗往左右傾倒的水量相同。調整定位螺釘時應保證左右螺釘同時對稱向外或向內移動，移動距離相同。定位螺釘調節圈數與雨量誤差成比例的改變，如表1所示。具體操作如下：面對雨量傳感器站在看不見接線柱的一側，旋動計量翻斗的兩個定位螺釘。將一個定位螺釘旋動一圈，其差值改變量為3%左右；如兩個定位螺釘都往外或往里旋動一圈，其差值改變量為6%左右，如差值是負2%時，可將兩個定位螺釘分別往外旋動1/3圈。為使調節位置準確，在松開定位螺帽前，需在定位螺釘上作位置記號，調節好后，需擰緊定位螺帽。

表1 SL3-1型雙翻斗雨量傳感器螺釘調節圈數與誤差改變情況關系Tab.1 The change relation between screw adjusting coil number and error of SL3-1 Dual Dump Rain Sensor

3.2.3 大雨強下和小雨強下均不合格的誤差調節 按照規定先調整大雨強條件下的降水誤差，合格后再調整小雨強條件下的降水誤差，直至大小雨強條件下的降雨量均合格為止。

4 小結

①SL3-1型雙翻斗雨量傳感器故障發生時，首先確定故障類型，然后按照步驟依次排查各部件，確定故障部件，找出故障部位。

②SL3-1型雙翻斗雨量傳感器進行誤差調節時，首先確定是否為系統誤差，然后考慮是否調節上翻斗與計量翻斗協調性，最后按照定位螺釘調節圈數與雨量誤差比例關系進行調節。