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壓電式雨量計與翻斗式雨量計誤差分析摘要

本文章介紹了壓電雨量計和翻斗式雨量計的組成、構造以及探測降雨的原理。分析了不同雨量傳感器產(chǎn)生誤差的原因。

分析發(fā)現測量誤差主要有兩個(gè)方面：一方面由儀器本身的性能差異和不可避免的故障導致測量誤差，另一方面是降水強度變化和自然條件產(chǎn)生的影響造成的誤差。文章闡述了不同雨量傳感器的測試方法，并為降水的準確觀(guān)測提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵字：降水量;RS485輸出;ASCLL協(xié)議;DT50采集器.

1. 壓電式雨量計與翻斗式雨量計誤差分析概述

目前降雨量的監測方法有虹吸式、翻斗式、光學(xué)式、壓電式等多種原理；本文章將對翻斗式雨量傳感器與壓電式雨量傳感器從測量原理、數據分析、性能差異等多方面進(jìn)行對比分析；為用戶(hù)后期設備選型提供參考

2. 壓電式雨量計與翻斗式雨量計的構造及探測降水原理

2.1翻斗雨量計的構成及原理

圖1 翻斗式雨量計結構

翻斗式雨量計是機械雙穩態(tài)稱(chēng)重結構，在工作時(shí)，有雨量計上層的承雨口接收降水，左右兩個(gè)翻斗輪流位于漏斗下方承接雨水。當雨水大于蓄水量（0.1mm）時(shí)，則翻斗翻轉，漏斗位于另一個(gè)翻斗下方承接降水，以此往復計量雨量。翻斗式雨量計工作時(shí)，當翻斗翻轉的時(shí)候，上翻斗應該停止進(jìn)水，并快速降水清空，下翻斗迅速地轉換為上翻斗承接雨水。但實(shí)際翻轉過(guò)程中，漏斗依然會(huì )進(jìn)水，再翻轉過(guò)程中造成測量誤差。

2.2壓電雨量傳感器的組成及原理

圖2 壓電式雨量計

富奧通科技（北京）有限公司的PRS-02壓電式雨量計是由傳感器頂蓋、外殼和底座航插組成的，殼體內部有陶瓷壓電片和電路板組成，安裝在外徑是50mm的立柱上。傳感器原理采用的是沖擊測量原理，先對單個(gè)的雨滴重量進(jìn)行測算，進(jìn)而計算持續降雨量。雨滴在降落的過(guò)程中受到雨滴重量和空氣阻力的作用，降落到達地面時(shí)速度為恒定速度V，雨滴的動(dòng)量為P=MV=M(Vr+Vw)。式中，M是雨滴質(zhì)量 ，Vr是垂向雨滴終速 ，Vw 是垂向風(fēng)速。根據沖量定理，雨滴的動(dòng)量將被傳感器元件的沖擊力所代替。在沖擊力作用下，壓電式雨量計的殼體產(chǎn)生機械振動(dòng)，陶瓷壓電片將振動(dòng)信號轉換為電信號輸出。因此通過(guò)采集壓電片輸出信號的峰值電壓來(lái)計算相應的雨滴尺寸和體積。

3. 壓電式雨量計與翻斗式雨量計測試方法

3.1雨量筒傳感器的測試方法

圖3 翻斗式雨量計實(shí)物圖

SL-3翻斗式雨量計的每次翻轉動(dòng)作通過(guò)干簧管轉換成脈沖信號（1脈沖=0.1mm雨量），本次測試使用了DT50采集器的PWM采集方法，采集SL-3翻斗式雨量計，累計降水量采用了R=0.01x算法。式中，R是降雨量，0.01是配置算法系數，x是DT50采集器采集的脈沖信號。通過(guò)DT50采集器的無(wú)線(xiàn)傳輸功能將數據轉發(fā)到服務(wù)器平臺。

3.2壓電式雨量計的測試方法

圖4 壓電式雨量計實(shí)物圖

富奧通科技（北京）有限公司的PRS-02壓電式雨量計通過(guò)RS485輸出，兼容ASCLL協(xié)議和Modbus協(xié)議，可通過(guò)串口直觀(guān)的查看降水量數據。為了方便雨天實(shí)時(shí)觀(guān)察降雨量變化，使用DT50采集器將PRS-02壓電式雨量測試的降水量數據傳到服務(wù)器平臺。

3.3室外測試數據對比

圖5  7月11-12日降水量

圖6  7月27日降水量

圖7  8月24日降水量

圖8  8月28日降水量

4.測量值誤差分析

4.1翻斗式雨量計誤差分析及改進(jìn)措施

（1）翻斗式雨量計誤差分析

理想情況下，翻斗翻動(dòng)是很靈活的，但實(shí)際上由于轉軸的摩擦加上漏斗沾水或泥沙、昆蟲(chóng)等都會(huì )影響翻斗的翻轉。

大雨時(shí)由于翻斗的慣性使得翻斗來(lái)不及翻轉將一部分雨量流失，也使測量的降水量有很大的誤差，甚至記錄失真。雖然翻斗的分辨率很高（0.1mm），翻轉一次誤差很小，但一次降水過(guò)程中因翻轉次數多而累積起來(lái)的誤差也很大。

當然在使用中，翻斗式雨量計離地近，容易被振動(dòng)而產(chǎn)生數值。

此外，傳感器上的部件受外界干擾而產(chǎn)生無(wú)降水也有信號的現象，或筒口有異物堵塞時(shí)產(chǎn)生有降水而無(wú)信號的現象都是翻斗式雨量計存在的問(wèn)題。

（2）翻斗式雨量計改進(jìn)措施

通過(guò)誤差分析，調整了翻斗感量，減小翻斗傾角，使翻斗動(dòng)態(tài)誤差減小。增加翻斗式雨量計承雨器器口面積，使儀器測量精度提高。配備采集器、顯示屏、記錄裝置等通過(guò)軟件修正。

4.2壓電式雨量計誤差分析及改進(jìn)措施

（1）壓電式雨量計誤差分析

壓電式雨量計較翻斗式雨量計有一定的優(yōu)勢，精確度能達到0.01mm；抗干擾能力也較翻斗式雨量計強。

理論上壓電式雨量傳感器只需要防止電磁干擾。但在實(shí)際使用中，降雨量受環(huán)境（風(fēng)、環(huán)境、雜物）等因素的影響產(chǎn)生誤差。

壓電式雨量計在實(shí)際測量中，由于邊界效應，在大雨強情況下，雨強可以定性但在定量方面測量精度產(chǎn)生偏差。對于極小雨強在信號噪聲干擾下，也易出現測量精度偏差。

（2）壓電式雨量計改進(jìn)措施

通過(guò)誤差分析，采用了適度增加傳感器受力面積，優(yōu)化壓電感片貼合技術(shù)，增加補償，減小邊界效應對單個(gè)雨滴的測量影響。根據雨強采用不同放大倍數，經(jīng)濾波電路處理，去除高頻噪聲信號及低頻紋波的信號干擾。

5.雨量傳感器優(yōu)缺點(diǎn)

5.1翻斗式雨量計的優(yōu)缺點(diǎn)

翻斗式雨量計自動(dòng)化程度高，獲取降水量的及時(shí)性強，降水量信號數字化易于保存和傳輸，數據準確可靠，抗干擾能力強。有明確的技術(shù)規范要求，每年進(jìn)行雨量標定。

缺點(diǎn)是野外安裝對觀(guān)測環(huán)境要求高，雨量數據有延時(shí)，要加強日常維護，防止雨量桶堵塞。

5.2壓電式雨量計優(yōu)缺點(diǎn)

壓電式雨量計將所有元件集成于外殼之中，無(wú)任何外露部件，杜絕了樹(shù)葉、塵土、蟲(chóng)子等雜物對數據準確性的影響。靈敏度高、信噪比高、結構簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等，長(cháng)

時(shí)間使用無(wú)需人工現場(chǎng)清理。缺點(diǎn)是對安裝環(huán)境要求較高，模擬信號易受電磁信號干擾。

6.結語(yǔ)

綜上所述，精確的降水測量對于水資源利用、災害預警和環(huán)境評估等方面都有著(zhù)重要意義，高質(zhì)量的降水資料可以為氣象、水文、國土等部門(mén)計算、分析、使用提供可靠依據，不同雨量計的誤差問(wèn)題會(huì )直接影響降水資料的可用性。

在使用中應根據不同區域、不同使用要求、不同使用環(huán)境進(jìn)行對雨量計的選擇。當然，隨著(zhù)探測技術(shù)的發(fā)展，不同的雨量計可靠性還會(huì )進(jìn)行改進(jìn)。

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