翻斗式雨量传感器的改进方法

魏邦宪，杨云芸，苗 婷，苏军锋

(1.陇南市气象局，陇南 746000；2.湖南省气象台，长沙 410118；3.靖远县气象局，靖远 730600)

0 引言

目前，在全球气候变暖的大背景下，中国极端天气气候事件频频出现，特别是暴雨、干旱、台风和冰雹等恶劣天气更显现出了灾害性天气的突发性、局地性和重灾性，对人民的经济生活和生命安全造成了极大的损失[1]。对于地处半干旱地区的甘肃省陇南山区，由暴雨和短时强降水引发的泥石流、山洪、滑坡等地质灾害尤为严重，为全市经济建设和精准扶贫工作造成巨大损失。为进一步减轻因暴雨和短时强降水造成的损失，陇南市气象部门在全市布设了409个自动气象观测站，为雨量监测提供了准确及时的数据。但是随着近几年区域气象站、国家天气站的建成，市级装备保障人员的工作量日益繁重，且由于各类站点主要建在各乡镇，交通不便对维修维护工作造成了极大的困难和较高的维修成本。现阶段，中国气象部门大部分使用翻斗式雨量传感器进行液态降水地面观测业务，但是翻斗式雨量传感器的故障率相较于其他气象观测仪器比较高，其中“有降水实况，而降水记录异常”的现象偏多[2]。目前，气象学者们对雨量传感器的维修和改进方法做了大量的研究，党选发[3]等对自动气象站现场校准和传感器调整方法进行了探讨，指出为了将传感器误差降到最低值可以在雨量传感器超差时进行微凋；陈武框[4]等研究了消除雨量传感器故障的方法；周忆和[5]等对雨量传感器的故障诊断与维护提出了一些初步的处理方式和资料补充方法；刘伟龙[6]等探索了将疏水性材料作为原材料加入雨量传感器的生产过程中的可行性。从以上研究可以看出，对于雨量传感器的故障诊断与维护都是基于经验或数据分析，并且都没有考虑在现场进行改进和维护时外部条件的限制。文章通过对甘肃省陇南市气象局409个自动气象站2017-2019年维修记录以及2018-10-01-2019-09-30的故障记录统计分析发现上述情况95%以上是由于雨量传感器的漏斗(或翻斗)被异物堵塞或翻斗被蜘蛛结网挂住无法翻动或干簧管损坏所致。文章综合考虑现场维护雨量传感器外部条件的限制因素，提出了翻斗式雨量传感器的改进方法，从而极大地减少了上述现象的发生，提升了全市自动气象站雨量数据质量。

1 改进方法说明

为进一步加强自动气象观测站雨量观测数据的可靠性，文章通过甘肃省陇南市气象局装备保障人员对全市自动气象观测站维护时发现的问题以及相应的处理方式和实际效果，提出翻斗式雨量传感器基于外部条件的改进方法。

2 雨量筒的改进

雨量传感器均安装在户外，会发生蜘蛛等昆虫钻入雨量传感器，导致雨量传感器漏斗、翻斗堵塞或蜘蛛结网将翻斗挂住后无法翻转。针对这种情况，维护人员需现场清洗雨量传感器才可使传感器恢复正常。区域自动气象站经常出现此类现象，保障人员必须到现场进行清洗工作，因此维护成本很高。经过2017-2019年的长期维护改进实践，发现在承水器的内壁使用热熔胶固定6根6～30 cm长的塑料管，将其顶部密封，同时在管内塞入樟脑丸及干果栗子和樟木等，管的下部用纱布堵住就可以长期有效地防止蜘蛛等昆虫进入雨量筒，极大地减少了因昆虫堵塞翻斗现象的发生，降低维护成本的同时不会对雨量传感器产生影响，提高了雨量观测数据的可用率。

3 干簧管的改进

传感器故障使观测数据失真，发生故障的主要原因是雨量传感器的核心元件——干簧管发生物理损坏并失效。陇南气象局装备保障人员经过实践，对SL3-1和SL2-1翻斗式雨量传感器的干簧管做了进一步的改进。改进工作所需的成本低，且易操作、维护简单。

3.1 改进原因

区域气象站一般安装在野外，不具备交流供电的条件，在这种情况下对干簧管进行焊接更换很困难。SL3-1双翻斗式雨量传感器采用双管工作模式，双干簧管焊接难度大，若出现错位，雨量就会翻倍。维修人员在焊接时必须严格把握双管簧片的水平位置及垂直位置，该操作对焊接技术水平要求较高。SL3-1的干簧管部件是通过金属材料与装置进行连接，由于金属材料受温度变化影响会出现热胀冷缩现象，对干簧管玻璃封装管产生较大的拉力，造成干簧管的玻璃体破裂受损，从而导致干簧管漏气(氮气或真空)，外部空气进入后，干簧管的触点容易氧化并损坏。原干簧管的安装结构对由温度变化引起的张力及干簧管的受力强度没有进行充分考虑，致使干簧管经常损坏。SL2-1单翻斗式雨量传感器干簧管的焊接点，设计得小而脆弱，焊接孔很容易堵塞，若焊接时处理不好则焊盘很容易脱落，加大了更换干簧管的难度，致使雨量板的报废率非常高，从而增加了维护成本。

3.2 改进后的应用优点

在改进方案中，选用环氧树脂板与外围的金属装置进行连接。环氧树脂板物理性质稳定，受温度影响小且不易造成拉伸变形，因此可以保证干簧管处于长期稳定的工作状态。将干簧管固定在环氧树脂板上，使得干簧管两端引脚间距离尽可能缩短(实际运用中干簧管两端引脚分别不超过5 mm)，从而将金属部分因热胀冷缩产生的张力减到最小，在保证干簧管运行稳定的前提下尽可能延长干簧管的使用寿命。采取上述方法改进后，干簧管的更换简单易行，摆脱了对交流供电的依赖，更加适用于野外操作。

注意：不可使用铁、钢等材质对磁铁有影响的螺丝，因为磁力会影响翻斗的翻动，从而影响雨量测量的精准性，建议使用铜质螺丝。

4 结束语

经过对陇南市409个自动气象观测站1 a的故障进行统计分析，改进后的雨量传感器总故障率降低了43.26%，其中由于干簧管损坏导致的故障率降低了89.32%，因昆虫堵塞导致的故障率降低了95.46%。改进后雨量传感器的故障主要是由灰尘、树叶堵塞雨量筒或翻斗造成，此类故障占总故障的96.74%。由此可看出对雨量传感器进行改进后极大降低了维护成本，减轻了装备保障人员的维护工作压力。