壓電式雨量計與翻鬥式雨量計誤(wu)差分析摘要
本文章介紹(shao)了壓電雨量計和翻鬥式雨量計的組(zu)成(cheng)、構造以及探測降雨的原理。分析了不(bu)同雨量傳感器產生誤(wu)差的原因(yin)。
分析發(fa)現(xian)測量誤(wu)差主要有兩個(ge)方麵：一方麵由儀器本身的性(xing)能差異和不(bu)可(ke)避免(mian)的故(gu)障導致測量誤(wu)差，另(ling)一方麵是降水強度變化和自然條件(jian)產生的影響造成(cheng)的誤(wu)差。文章闡(chan)述了不(bu)同雨量傳感器的測試方法，並(bing)為(wei)降水的準確(que)觀測提供(gong)技術參考。
關鍵字：降水量;RS485輸出;ASCLL協議;DT50采集器.
目前降雨量的監測方法有虹(hong)吸式、翻鬥式、光學式、壓電式等多種原理；本文章將對翻鬥式雨量傳感器與壓電式雨量傳感器從(cong)測量原理、數據分析、性(xing)能差異等多方麵進行對比分析；為(wei)用戶後(hou)期設備選型提供(gong)參考
2.1翻鬥雨量計的構成(cheng)及原理
图1 翻鬥式雨量計結構
翻鬥式雨量計是機械雙穩態稱重結構，在工作時，有雨量計上層(ceng)的承雨口(kou)接收降水，左右兩個(ge)翻鬥輪流位(wei)於漏鬥下方承接雨水。當雨水大(da)於蓄水量（0.1mm）時，則翻鬥翻轉，漏鬥位(wei)於另(ling)一個(ge)翻鬥下方承接降水，以此往複(fu)計量雨量。翻鬥式雨量計工作時，當翻鬥翻轉的時候(hou)，上翻鬥應該停止(zhi)進水，並(bing)快速降水清(qing)空，下翻鬥迅(xun)速地轉換為(wei)上翻鬥承接雨水。但(dan)實(shi)際(ji)翻轉過程中，漏鬥依(yi)然會進水，再(zai)翻轉過程中造成(cheng)測量誤(wu)差。
图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(ding)蓋(gai)、外殼和底座(zuo)航插(cha)組(zu)成(cheng)的，殼體內部(bu)有陶(tao)瓷壓電片和電路板組(zu)成(cheng)，安裝在外徑是50mm的立柱上。傳感器原理采用的是衝擊(ji)測量原理，先對單個(ge)的雨滴重量進行測算，進而計算持續(xu)降雨量。雨滴在降落的過程中受到(dao)雨滴重量和空氣阻力的作用，降落到(dao)達地麵時速度為(wei)恒(heng)定速度V，雨滴的動量為(wei)P=MV=M(Vr+Vw)。式中，M是雨滴質量 ，Vr是垂向雨滴終速 ，Vw 是垂向風速。根(gen)據衝量定理，雨滴的動量將被傳感器元件(jian)的衝擊(ji)力所代替(ti)。在衝擊(ji)力作用下，壓電式雨量計的殼體產生機械振動，陶(tao)瓷壓電片將振動信號轉換為(wei)電信號輸出。因(yin)此通過采集壓電片輸出信號的峰值電壓來計算相(xiang)應的雨滴尺寸和體積(ji)。
3. 壓電式雨量計與翻鬥式雨量計測試方法
3.1雨量筒傳感器的測試方法
图3 翻鬥式雨量計實(shi)物圖
SL-3翻鬥式雨量計的每次翻轉動作通過幹簧(huang)管(guan)轉換成(cheng)脈衝信號（1脈衝=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翻鬥式雨量計，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(zhi)算法係數，x是DT50采集器采集的脈衝信號。通過DT50采集器的無線傳輸功能將數據轉發(fa)到(dao)服務器平台。
3.2壓電式雨量計的測試方法
图4 壓電式雨量計實(shi)物圖
富奧通科技（北京）有限公司的PRS-02壓電式雨量計通過RS485輸出，兼容ASCLL協議和Modbus協議，可(ke)通過串口(kou)直觀的查(cha)看(kan)降水量數據。為(wei)了方便雨天實(shi)時觀察降雨量變化，使用DT50采集器將PRS-02壓電式雨量測試的降水量數據傳到(dao)服務器平台。
3.3室外測試數據對比
图5 7月11-12日降水量
图6 7月27日降水量
图7 8月24日降水量
图8 8月28日降水量
（1）翻鬥式雨量計誤(wu)差分析
理想情況下，翻鬥翻動是很(hen)靈活(huo)的，但(dan)實(shi)際(ji)上由於轉軸的摩(mo)擦加上漏鬥沾水或泥沙、昆蟲(chong)等都(du)會影響翻鬥的翻轉。
大(da)雨時由於翻鬥的慣性(xing)使得翻鬥來不(bu)及翻轉將一部(bu)分雨量流失，也(ye)使測量的降水量有很(hen)大(da)的誤(wu)差，甚至記(ji)錄(lu)失真(zhen)。雖(sui)然翻鬥的分辨率很(hen)高（0.1mm），翻轉一次誤(wu)差很(hen)小，但(dan)一次降水過程中因(yin)翻轉次數多而累積(ji)起(qi)來的誤(wu)差也(ye)很(hen)大(da)。
當然在使用中，翻鬥式雨量計離地近，容易被振動而產生數值。
此外，傳感器上的部(bu)件(jian)受外界幹擾而產生無降水也(ye)有信號的現(xian)象，或筒口(kou)有異物堵塞時產生有降水而無信號的現(xian)象都(du)是翻鬥式雨量計存在的問題。
（2）翻鬥式雨量計改(gai)進措施
通過誤(wu)差分析，調整(zheng)了翻鬥感量，減小翻鬥傾(qing)角，使翻鬥動態誤(wu)差減小。增加翻鬥式雨量計承雨器器口(kou)麵積(ji)，使儀器測量精(jing)度提高。配備采集器、顯示屏、記(ji)錄(lu)裝置(zhi)等通過軟件(jian)修正。
4.2壓電式雨量計誤(wu)差分析及改(gai)進措施
（1）壓電式雨量計誤(wu)差分析
壓電式雨量計較(jiao)翻鬥式雨量計有一定的優(you)勢，精(jing)確(que)度能達到(dao)0.01mm；抗(kang)幹擾能力也(ye)較(jiao)翻鬥式雨量計強。
理論上壓電式雨量傳感器隻(zhi)需要防止(zhi)電磁幹擾。但(dan)在實(shi)際(ji)使用中，降雨量受環境（風、環境、雜物）等因(yin)素的影響產生誤(wu)差。
壓電式雨量計在實(shi)際(ji)測量中，由於邊界效應，在大(da)雨強情況下，雨強可(ke)以定性(xing)但(dan)在定量方麵測量精(jing)度產生偏差。對於極小雨強在信號噪聲幹擾下，也(ye)易出現(xian)測量精(jing)度偏差。
（2）壓電式雨量計改(gai)進措施
通過誤(wu)差分析，采用了適度增加傳感器受力麵積(ji)，優(you)化壓電感片貼(tie)合技術，增加補償，減小邊界效應對單個(ge)雨滴的測量影響。根(gen)據雨強采用不(bu)同放大(da)倍(bei)數，經濾波(bo)電路處理，去除高頻噪聲信號及低頻紋(wen)波(bo)的信號幹擾。
翻鬥式雨量計自動化程度高，獲取(qu)降水量的及時性(xing)強，降水量信號數字化易於保存和傳輸，數據準確(que)可(ke)靠，抗(kang)幹擾能力強。有明(ming)確(que)的技術規範要求，每年進行雨量標定。
缺點是野外安裝對觀測環境要求高，雨量數據有延時，要加強日常维護，防止(zhi)雨量桶堵塞。
5.2壓電式雨量計優(you)缺點
壓電式雨量計將所有元件(jian)集成(cheng)於外殼之中，無任何(he)外露部(bu)件(jian)，杜絕了樹葉、塵土、蟲(chong)子等雜物對數據準確(que)性(xing)的影響。靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可(ke)靠和重量輕等，長
時間使用無需人工現(xian)場(chang)清(qing)理。缺點是對安裝環境要求較(jiao)高，模擬信號易受電磁信號幹擾。
綜上所述，精(jing)確(que)的降水測量對於水資源利用、災害(hai)預警和環境評(ping)估等方麵都(du)有著重要意義(yi)，高質量的降水資料可(ke)以為(wei)氣象、水文、國(guo)土等部(bu)門計算、分析、使用提供(gong)可(ke)靠依(yi)據，不(bu)同雨量計的誤(wu)差問題會直接影響降水資料的可(ke)用性(xing)。
在使用中應根(gen)據不(bu)同區域、不(bu)同使用要求、不(bu)同使用環境進行對雨量計的選擇。當然，隨(sui)著探測技術的發(fa)展，不(bu)同的雨量計可(ke)靠性(xing)還會進行改(gai)進。
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