王果立
摘 要：随着水文信息化技术的快速发展，水文自动测报系统使用的翻斗式雨量计应用也愈加广泛。然而翻斗式雨量计在使用中存在雨量传感器测量误差偏大的问题，在分析误差产生原因的基础上，提出相应的改进措施，从理论上解决了一些翻斗式雨量计误差偏大的问题，可以在实践中起到参考意义。
关键词：水文自动测报系统；翻斗式雨量计；误差分析；改进方法
中图分类号：P335 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0078-02
1 概述
大气中的液态或固态水，在重力作用下，克服空气阻力，从空中降落到地面的现象称为降水。大气降水测量是地球水循环监测的重要环节。随着水文信息化技术的快速发展，传统的雨量观测手段越来越难以满足信息精确性、时效性的需要，遥测型翻斗式雨量计是一个可以进行实时观测和实时传输的雨量数据数字化的降雨量观测仪器，具备时间准确、自动记录传输数据、便于数据采集整编等优势。然而，翻斗式雨量计在水文站、气象站等部门实际应用中，常常会出现测量误差较大的问题。本文以遥测型翻斗式雨量计为研究对象，介绍翻斗式雨量计的工作原理，分析造成误差的原因，为降水测验工作提供参考和帮助。
2 翻斗式雨量计工作原理
翻斗式雨量计分为传感器和固态存储器两部分。传感器由承雨器、上漏斗、计量翻斗、节流管、计数翻斗、干簧管、脉冲产生电路、底座、外壳和支架等组成，是一个翻斗式机械双稳态称重结构。翻斗雨量计的工作原理为：在降雨过程中，雨水由最上面的承水口进入承雨器，雨水落入接水漏斗，经漏斗口流入上翻斗，经漏斗和节流管进入计量翻斗，当积水量达到一定高度（根据灵敏度不同而定，如0.5mm）时，计量翻斗失去平衡翻倒，将积水倒入计数漏斗，计量漏斗每翻倒一次，下面的计数漏斗跟着也同步翻转一次，而每一次翻斗倾倒，通过安装在计数漏斗上的磁钢对固定在支架上的干簧管扫描一次，使其触点闭合一次，从而向存储器输送一次一个单位降雨量的脉冲信号，固态存储器则将传感器传来的脉冲信号记录下来。如此往复，即可将一次降雨过程完整的测量下来。
3 误差分析
翻斗式雨量计在使用过程中，由于其自身结构、原理方面的局限，表现出许多缺陷，如雨量测量精度较差，测量误差大小随雨强变化较大等，这些缺陷直接影响了降雨观测资料的质量，但作为测量雨量的一种仪器，出现误差是难免的，而我们要做的就是把误差控制在可接受的范围内。下面我们详细分析一下翻斗式雨量计产生误差的各种原因。
3.1 仪器的最大起始误差
翻斗式雨量计通常安装在野外，在初始干燥的情况下，在降雨开始的时候，雨水会先在进水口汇集，之后通过管道，进水漏斗，最终进入翻斗。在翻斗翻转之前，翻斗内的降雨，以及进水漏斗、管道、仪器集水面等处残留的水珠，这些降水都无法再仪器中得到计量。翻斗翻转之后，翻斗内的降水虽然参加了计量，但进水漏斗、管道、仪器集水面等处残留的水量无法得到反映。翻斗最后一次翻转到降雨停止的这段时间内，残留在翻斗内的水量也无法得到反映，这就造成了系统误差，即测量值总是小于真值。这就是翻斗式雨量计的最大起始误差，可分为以下两部分：
（1）湿润误差。也就是进水漏斗、管道、仪器集水面等处残留的水珠，导致降水并不立即进入翻斗计量，产生误差。湿润误差与降水量和雨强大小无关，但在降水过程中所占的比重与降水量大小有关。湿润误差在每次发生降水时且进水漏斗、管道、仪器集水面等处比较干燥时才会明显，且是一个定值，一般通过实验即可测出。
（2）分辨率误差。分辨率误差就是残留在翻斗内未计量的降水所导致的误差，由于降水量的不确定性，所以在降水过程中小于仪器分辨率的计量误差无法克服，而且在分辨率范围内呈现随机分布的状态，所以将残留在翻斗内没有计量的降水所导致的误差直接取为仪器分辨率的最大值，也是一个定值。
由于湿润误差和分辨率误差都是定值，所以儀器的最大起始误差也是定值。只要测得了最大起始误差，就可以了解到降雨小多大仪器才开始记录，这也是仪器的起始鉴别阀。从而了解到最大起始误差在某场降雨中所占的比重大小，进而评定本次降水量的计量过程和精度的优劣。
3.2 仪器的翻斗计量误差
翻斗在翻转的过程中，需要一定的时间，在翻转的前半部分，即翻斗从开始翻转到翻斗中间隔板越过中心线的时间内，进水漏斗仍然向翻斗内注水，如果降雨强度越大，进入的水量也越大，降雨强度越小，进入的水量也越小，这部分在翻转过程中注入但实际上并没有得到计量的水量，产生了随降雨强度不同而变化的计量误差。
笔者经过对翻斗式雨量计的注水实验，得出当雨强较大时，翻斗翻转的瞬间注入水量较多，导致仪器自身排水量大小仪器记录值，测量精度偏负。当雨强较小时，翻斗翻转瞬间几乎无降水注入，导致仪器记录值大于仪器自身排水量，测量精度偏正。当仪器调整时，设置雨强在2mm/min左右时，测量精度最高，误差接近于零。
3.3 仪器器口尺寸误差
翻斗式雨量计的器口直接控制仪器承受雨量的面积，是决定仪器精度的因素之一。根据JB/T9458-1999《雨量器技术条件》规定，雨量器承水口直径为200mm。然而，在仪器制造的过程中存在一定的制造误差，承受雨量的面积与理论上的面积存在一定差异，造成仪器的器口尺寸误差。另外在仪器使用过程中，需要注意承雨口变形，以免人为造成不必要的误差。
3.4 仪器的记录误差
翻斗式雨量计的记录仪器一般是固态存储器，性能比较稳定可靠，需要注意的是安装操作正确，注意使用环境等。一般来说，记录误差小于传感器测量的误差。
4 改进方法
通过以上所述，分析出了翻斗式雨量计产生误差的各种原因。为了提高仪器精度，更好的为雨量观测服务，可以有针对性的采用一些方法来尽可能的减小翻斗式雨量计的误差。
4.1 翻斗感量的调整
翻斗式雨量计的计量误差与翻斗感量以及降雨强度都存在一定的函数关系，不同的雨强条件下，不同的翻斗感量对计量误差有不同的影响。在实际工作中，可以根据不同的降雨情况，调整翻斗感量，使翻斗感量在经常出现的雨强范围内，能够尽量减小计量误差。但这种改正措施在实际操作中比较复杂，只能经常调整，掌握一定经验和规律，才能使调整后的翻斗感量达到既定标准。
4.2 减小翻斗倾角
翻斗倾角就是翻斗部件的安装角度，减小翻斗倾角实际就是缩短了翻斗室计量转换的路程，从而缩短了翻斗翻转的时间，减少了翻斗翻转过程中进水漏斗仍然向翻斗内注水的增量，使翻斗动态计量相对误差减小。这种方法是可行的，但翻斗倾角不能太小，否则会造成仪器的不稳定。
4.3 增加翻斗式雨量计承雨器器口面积
为了抵消仪器的湿润误差，从而使仪器整体测量精度获得提高，在仪器制作时一般会故意将仪器承雨器器口尺寸制作偏大。除了抵消湿润误差外，增加雨量计承雨器器口面积还会增加每次进入翻斗的水的重量，从而减小翻斗动态计量相对误差，这也是提高仪器测量精度最便捷的方法之一。
4.4 通过软件进行修正
翻斗式雨量计传感器配备有显示屏、记录装置、传输装置、存储装置，是一个单片机系统。由于翻斗计量误差随雨强不同而发生变化，两者具备一定的相关关系，所以可以利用测量翻斗翻转的时间间隔，来推算出当时的降雨强度，从而对翻斗的计量精度进行修正。而对产品质量有充分保障的传感器，可以通过实验得出仪器计量误差与雨强具体的相关关系，制定为某種线性关系，作为一种公式植入到系统软件内，对翻斗计量误差进行改正。通过软件改正，可以有效的提高翻斗雨量计传感器的测量精度。
5 结语
大气降水测量是地球水循环监测的重要环节，精准的降水测量是水资源利用开发、旱涝灾害预警和环境评估等各方面的重要组成部分，高质量的降水资料可以为防汛抗旱、水资源开发利用、水文预报统计等提供可靠依据。所以作为能够直接影响到降水资料质量的翻斗式雨量计的误差问题也显得尤为重要。在使用中，应根据不同地区降水的不同，来因地制宜，分析误差产生的原因，并有针对性的进行改进，不断提高翻斗式雨量计的测量精度。本文在翻斗式雨量计结构和原理方面分析了一些误差产生的原因，并提供了一些减小误差的观点，希望能够对以后仪器的设计调试和检定实验有所帮助。
