兩種翻斗式雨量測量儀器原理及常見故障分析

袞 毅,毛 倩,施倩雯,羅忠旭,張 欣

(1.貴州省大方縣氣象局,貴州 大方 551600;2.貴州省黔東南苗族侗族自治州氣象局,貴州 凱里 566000;3.貴州省織金縣氣象局,貴州 織金 552100)

0 引言

短時強降水具有尺度小、發展快的特點,容易引起滑坡、山洪、泥石流、洪澇等災害,威脅著人民生命和財產安全[1],有效且準確地監測降雨實況對防災減災具有重要意義。我國自2001年啟動自動氣象站建設布局以來,氣象站已由地(縣)級細化到鄉鎮,使氣象資料具有更高的時空分辨率,大大提高了中小尺度災害性天氣的監測預警能力[2]。SL3-1型雙翻斗雨量傳感器是目前地面自動觀測中應用最為廣泛的雨量傳感器[3],但該傳感器在設計上存在一定缺陷。近年來,氣象部門不斷完善地面觀測站網補短板工程建設,CAWSmart型智能自動氣象站投入補短板站網建設中,氣象站由自動化逐漸向智能化轉變,DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀在補短板站網建設中得到廣泛應用。

國內學者對SL3-1型雙翻斗雨量傳感器在故障成因、誤差調節、改進設計等方面做了大量研究,楊銀等[4]分析了SL3-1型雙翻斗雨量傳感器降水數據異常的3類故障,認為因日常維護不到位造成的故障占所有故障的80%;李銳鋒等[5]研究上下翻斗協調性造成的誤差,認為增加上翻斗可以縮小不同雨強誤差偏差;孟慶勇等[6]對SL3-1型雙翻斗雨量傳感器的各類故障和野外維護存在的問題進行分析總結,并提出改進措施和建議。DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀投入氣象業務使用時間不長,相關研究較少,因此,本文結合工作實際,對2種類型的雨量傳感器結構及原理進行比較分析,總結常見故障處理、誤差調節、日常維護方法及注意事項,為從事雨量觀測儀器設計和氣象站保障工作的同行提供借鑒和參考。

1 傳感器結構及原理

1.1 傳感器結構

DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀(圖1)的傳感器型號為SL5-1型,與SL3-1型雙翻斗雨量傳感器(圖2)結構相似。不同處在于SL3-1型雙翻斗雨量傳感承水器內使用防堵網,兩根干簧管水平平行安裝,切割的磁鋼位于計數翻斗上;而DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀承水口使用塑料罩,在進水漏斗上增加了雨量模塊,模塊上有3個檢測點,匯集漏斗內增加了探測片,一根干簧管垂直安裝,切割的磁鋼位于計量翻斗上,計量的同時也能計數。

圖1 DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀結構圖Fig.1 Structure diagram of DSDZ3 intelligent tipper rain sensor

圖2 SL3-1型雨量傳感器結構及安裝示意圖Fig.2 Structure and installation diagram of SL3-1 rainfall sensor

1.2 原理

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器與DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀原理相同,降水經過一個面積為314 cm2的承水器匯集,而后經漏斗進入上翻斗,上翻斗在降水重力作用下翻轉,降水進入匯集漏斗后從匯集漏斗的節流管注入計量翻斗。當計量翻斗承受的降水量為0.1 mm時,計量翻斗把降水傾倒在計數翻斗,使計數翻斗翻轉1次,與它相關的磁鋼對干簧管掃描1次(DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀磁鋼在計量翻斗上,計量計數一體),干簧管因磁化而瞬間閉合,從而產生1個開關信號,數據采集器就自動采集存儲0.1 mm降水量[7]。

2 傳感器性能及技術指標

雨量傳感器具有精準度高、穩定性強的特點,不僅能滿足城市及郊區的觀測需求,還能適應無人值守的野外環境。SL3-1型翻斗式雨量傳感器與DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀測量的雨強范圍為0～4 mm·min-1,分辨率均為0.1 mm,最大允許誤差為±0.4 mm(≤10 mm)或±4%(≥10 mm)。2種雨量傳感器與采集終端之間的信號傳輸方式不同,SL3-1型雨量傳感器與采集器之間使用2芯線連接,磁鋼掃描干簧管產生的開關信號通過2芯線直接傳輸至采集器;DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀與智能集成處理器之間增加了智能節點控制器,智能節點控制器與智能集成處理器之間采用RS485總線連接,磁鋼掃描干簧管產生的開關信號經過雨量模塊處理后,開關信號轉換成數字信號輸出。智能節點控制器是將智能傳感器輸出的信號轉換為無線信號的雙向轉換傳輸設備,當RS485總線中斷時,智能節點控制器可以以無線信號的方式與智能集成處理器實現數據傳輸,因此,DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀保障性更高。

SL3-1型翻斗式雨量傳感器承水口與DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀承水口使用的分別是防堵網和塑料罩。防堵網過濾通透性較強,而塑料罩與桶壁縫隙較小,容易被泥沙、塵土及其他異物堵塞。DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀雨量模塊除了信號轉換功能外,還具有降水檢測功能(圖3左,檢測點1、檢測點2為存水檢測點,檢測點3為出水檢測點)。插入匯集漏斗的探測片也是檢測點(圖3右),可以檢測匯集漏斗內的存水量。所有檢測點均采用電阻式檢測,當存水或有水滴下落時,檢測點的電阻發生改變,多個檢測點動態監測,互相結合,從而實現對自身各個狀態實時監測。工作人員可通過監控運維平臺查看雨量傳感器狀態,及時發現故障并處理,有效提高觀測數據質量,而SL3-1不具備此功能。

圖3 DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀、雨量模塊(左)、探測片(右)Fig.3 Water socket of DSDZ3 rainfall , rain module (left), detection plate (right)

SL3-1型翻斗式雨量傳感器兩根干簧管水平安裝,且互相平行,磁鋼在其下部對干簧管進行掃描;DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀只用一根垂直安裝的干簧管,磁鋼在側面對干簧管進行掃描。SL3-1型翻斗式雨量傳感器干簧管下的磁鋼接觸面朝上,容易吸附掉落的金屬屑導致計數誤差[8],而磁鋼側面掃描可以避開這一故障。SL3-1型雨量傳感器通過計量翻斗承水翻轉帶動計數翻斗上磁鋼對干簧管進行掃描,若計數翻斗堵塞,計量翻斗和計數翻斗將不能翻轉計數,而計數與計量翻斗一體設計則不會出現此情況。DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀出水漏斗的沿口較高,若出水口堵塞承水,則不能計數。此外,DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀在安裝雨量外筒時如果操作不當,雨量模塊與傳感器之間的連接線可能會影響翻斗翻轉,且雨水下落可能會滴在連接線上流走而不滴入漏斗中。由于雨量筒外筒不透明,維護人員不易發現。

3 常見故障處理

3.1 常見故障類型

自動氣象站通常安裝在無人值守的野外,即使定期開展維護也難以避免出現故障。雨量傳感器故障主要有堵塞、干擾、部件損壞、感應靈敏度下降等4類,其中堵塞現象最為常見。當雨量數據出現異常,排除采集器、通訊等外部因素后,先中斷雨量傳感器與采集器之間的連接,再對雨量傳感器進行檢查。

3.2 故障排查及處理方法

3.2.1 SL3-1型雨量傳感器與DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀常見故障排查處理方法 首先檢查雨量筒清潔程度,承水器內過濾網及下方出水口是否被泥沙、樹葉、昆蟲等雜物堵塞,拿開外筒,檢查內部接線是否正常,水流通路是否堵塞,如有堵塞需疏通后用清水洗凈。

其次用螺絲刀或人為倒水檢查各個翻斗轉動的靈活性,檢查是否有卡滯,不能用手觸摸(翻斗通常會因銹蝕或小蜘蛛筑網而導致不能翻轉)。使用萬用表的導通檔,用紅黑筆分別接入信號線柱(DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀則接入翻斗脈沖輸出的紅、黑線端),撥動計數翻斗,查看導通次數與翻轉次數是否一致。

最后檢查干簧管玻璃體是否斷裂,鋼磁性是否正常。干簧管是雨量傳感器的核心原件,細小而脆弱,氧化現象十分常見[9]。磁鋼的磁性容易吸附金屬屑,附著的金屬屑可能會使干簧管開關產生誤動作,從而導致雨量數據偏大或不規律。同時干簧管與磁鋼間的相對距離應在2 mm左右[10](DSDZ3型間距<1 mm),相對位置不當也會導致計數誤差。

若以上檢查均無問題,則檢查傳感器與采集終端的連接是否正常。SL3-1型雨量傳感器可以直接利用萬用表導通檔檢查雨量線,若不能發出蜂鳴聲,則雨量線斷路,更換雨量線或找到斷接處將其接上即可。DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀可通過查看節點控制器指示燈進行判斷。

3.2.2 DSDZ3型雨量測量儀故障排查 DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀具有自檢功能,輸入自檢命令可直接查看設備電路狀態、翻斗狀態、干簧管狀態及雨量筒是否堵塞。自檢方法:用調試線和U轉串口線將電腦與智能集成處理器連接,打開串口調試工具軟件,設置通訊參數為:19200,N,8,1,點擊打開按鈕,當按鈕由紅色變為綠色,連接成功,發送AUTOCHECK,YTBR,000自檢命令,即可查看設備狀態,分析故障所在。若發送命令后查看不到狀態,可將調試線三芯端子取下,將紅、黃、藍線分別接入雨量傳感器后排3(TX)、4(RX)、5(GND)接線柱,接好后在電腦上打開串口調試工具軟件,在下方空白欄輸入READDATE,TYBR,000命令后,點擊發送,查看讀取到的狀態自檢信息是否正常,若讀取不到,檢查調試線自身和接線是否正常,若調試線和接線正常的話,問題則出在雨量模塊上。

3.2.3 DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀雨量模塊更換設置方法 常規檢查可以排除雨量傳感器的大多數故障,堵塞和干擾類故障通過疏通清洗排除干擾即可,若是部件損壞或靈敏度下降類故障,則需更換相應的部件。SL3-1型雨量傳感器的所有部件可以直接更換,而更換DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀的雨量模塊和節點控制器需要電腦進行設置。設置方法:將調試線連接電腦與智能集成處理器,打開串口測試工具,設置通訊參數,連接成功后,在工具欄點擊智能站設備更換,選擇更換翻斗雨量傳感器,并按照圖4步驟完成操作即可。

圖4 串口設置工具更換智能站設備界面Fig.4 Interface for replacing intelligent station equipment with serial port setting tool

綜合分析:以上方法為2類雨量傳感器較為常見的故障處理方法,可為日常維護維修提供參考。導致雨量數據異常的原因很多,需要按照排查程序進行依次排查,找出導致異常的部位進行處理。DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀實現了雨量監測的自動化轉為智能化,功能增加的同時,排查難度也增大。目前該儀器使用時間較短,遇到的故障較少,但隨著使用年限增加,儀器零件老化,故障的概率也隨之增加,維護維修方法還需不斷總結。

4 校準與誤差調節

4.1 校準

雨量傳感器長時間運行會使采集準確度下滑,為確保觀測數據準確可靠,需要定期對使用中的雨量傳感器進行校準[11],確定誤差后對其進行調節,使測量誤差控制在誤差范圍內。SL3-1型與DSDZ3型2種類型的雨量傳感器可采JJS2型雨量校準儀器校準,校準方法相同。校準前先檢查翻斗是否處于清潔無承水狀態,如果翻斗內承水或有異物將會使校準誤差增大。校準方法:將校準器與雨量傳感器紅、黑接線柱連接(DSDZ3型連接脈沖輸出接線柱),向雨量校準器注入標準雨量,通過調節校準器上的雨強按鈕,模擬大雨強4 mm·min-1和小雨強1 mm·min-1,每種雨強重復測定3次[12]。標定完成后計算每種雨強的誤差平均值,若誤差平均值超出最大允許誤差范圍,則需對雨量傳感器進行誤差調節。

4.2 誤差調節

雨量傳感器調節首先要考慮上翻斗與計數翻斗之間的協調性,2個翻斗翻轉不協調或上下翻斗承水量不一致也會導致雨量偏大或偏小。具體調試方法為:清除翻斗內沙塵或青苔,將定位螺釘調到適當位置,保證左右翻斗承水量相同。當誤差值為正值時,順時針(向內)旋轉定位螺釘;當誤差值為負值時,逆時針(向外)旋轉定位螺釘。SL3-1型翻斗式雨量傳感器與DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀調節圈數與誤差關系如表1所示。

表1 SL3-1與DSDZ3型雨量傳感器螺釘調節圈數與誤差關系Tab.1 Relation between Screw Adjustment Turns and Error of SL3-1 and DSDZ3 Rainfall Sensor

5 結論與討論

本文對比SL3-1型、DSDZ3型2種雨量測量儀器的原理及結構,結合日常故障情況,總結分析了2種雨量測量儀器設計上的優勢和存在的不足,得出以下結論:

SL3-1型雙翻斗雨量傳感器結構簡易,便于維護,但干簧管和計數翻斗的設計存在缺陷,容易出現故障,且不能及時發現堵塞、干簧管老化等問題。DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀的出水漏斗沿口高,出水漏斗堵塞承水會影響計數翻斗,且雨量模塊連接線容易造成干擾,導致數據誤差。DSDZ3型智能翻斗式雨量測量儀在SL3-1型雙翻斗雨量傳感器基礎上進行改進,增加了儀器自檢功能,有效提高觀測數據質量,但其結構復雜,維護及故障處理難度較大。

隨著氣象科技的發展,氣象觀測由人工觀測全面轉為自動觀測,觀測儀器正逐步由自動化向智能化發展,開展新觀測儀器的研究應用是氣象業務發展需求,也是提升觀測數據質量的重要手段。加強觀測儀器定期維護,能有效提高觀測數據質量,此外,還應該從觀測儀器上分析總結故障原因,改進觀測儀器設計,消除更多由于儀器設計不合理造成的故障,減小維護維修壓力。