水文新技术，翻斗式雨量计

翻斗式雨量计大量用于雨量数据自动收集记录、远传、水文自动测报系统，应用广泛，正在逐步推广、替代虹吸式雨量计。

2.6.3.1　翻斗式雨量计的工作原理

翻斗雨量计由雨量传感器和相应的记录仪器组成。记录仪器可以是纸带记录方式，也可以是半导体固态存储方式。这里只介绍雨量传感器部分，即翻斗雨量传感器，也常被直接称为翻斗雨量计。

翻斗雨量计的雨量计量装置是雨量翻斗。由于雨量计量要求不同，在高分辨力、高准确度要求时，可以采用两层翻斗来计量。而通常情况下，只应用一个翻斗。由此可分为单翻斗雨量计和双翻斗雨量计。绝大部分翻斗雨量计都是单翻斗的，只有雨量分辨力为0.1mm时，因为要控制雨量计量误差，才采用双翻斗形式。用于水文系统很少要求使用0.1mm分辨力的雨量计，双翻斗雨量计也就很少使用。

图2.63　单翻斗雨量计工作原理示意图

1—承雨口；2—进水漏斗；3—翻斗；4—调节螺钉；5—雨量筒身

单翻斗雨量计工作原理如图2.63所示。在雨量筒身内有一组翻斗结构进行雨量计量。雨量筒身符合雨量计标准要求，主要是承雨口的直径为ϕ200mm，以及一定的高度要求。雨量翻斗是一种机械双稳态机构，由于机械平衡和定位作用，它只能处于两种倾斜状态，如图中实线和虚线位置。降雨由承雨口进入雨量计，通过进水漏斗流入翻斗的某一侧斗内。当流入雨水量到一要求值时，水的重量以及其重心位置使得整个翻斗失去原有平衡状态，向一侧翻转。翻斗翻转后，被调节螺钉挡住，停在虚线位置。这时一侧斗内雨水倒出翻斗，另一侧空斗位于进水漏斗下方，承接雨水，继续进行计量。当这一空斗中流入雨水量到一要求值时，翻斗又翻转，这一计量过程连续进行，完成了对连续降雨的计量过程。一般在翻斗上安装一永磁磁钢，在固定支架上安装一高灵敏度的干簧管。在翻斗翻转过程中，此磁钢随之运动，在运动过程的中间接近支架上的干簧管，随即离开。使干簧管内的触点产生一次接触断开过程，达到一次翻转产生一个信号的目的。将翻斗翻转水量调节成要求值，如0.2mm、0.5mm、1.0mm雨量（在承雨口径为200mm时，分别为6.28m L、15.7m L、31.4m L水量）。则每一信号代表0.2mm、0.5mm或1.0mm降雨。典型的翻斗式雨量计如图2.64所示（左图为0.5mm的翻斗雨量计的外形，右图为翻斗计量部分）。

图2.64　典型的翻斗式雨量计

翻斗雨量计的信号产生方式基本是利用干簧管和磁钢配合的方式，也常被称为磁敏开关。用干簧管作为信号接点的优点是接点密封、不易氧化、没有磨损、接触可靠、信号波形光滑，有利于信号接收处理。对于电子计数器尤为合适。但磁钢和干簧管的配合性能要求比较严格。磁钢的磁性能、稳定性、干簧管的疲劳、两者配合距离的变化都会影响到信号的可靠性。干簧管、磁钢产生信号的方式被广泛用于翻斗式雨量计。所采用的方式属A、B两种形式。对不同的翻斗雨量计，尽管都使用磁钢和干簧管产生翻斗翻转信号，但是它们的磁钢和干簧管的相对运动位置会有不同。

单翻斗雨量计比较简单，但它会有较明显的翻斗翻转误差。翻斗在翻转过程中，虽然时间是极其短促的，但总需要一定的时间。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Δt时间内，进水漏斗仍然向翻斗内注水。降雨强度越大，注入的水量也越大。降雨强度越小，注入水量越少。翻斗翻转时，进入水量已达到计量要求（如0.5mm雨量时为15.7m L）。这部分翻转过程中注入的雨量，就会产生随着降雨强度不同而不同的计量误差，翻斗翻转误差产生原因分析示意图如图2.65所示。

图2.65　翻斗翻转误差产生原因分析示意图

1—进水漏斗；2—计量翻斗

图2.66　单翻斗雨量计的雨强—精度关系

对翻斗的计量误差，可用某型号单翻斗雨量计的雨强—精度关系，如图2.66所示。根据定义：

式中：Eb为翻斗计量误差，%；Vt为翻斗理论上翻转水量，m L；Vp为翻斗实际上翻转水量，m L。

从图2.66可见，当雨强较大时，翻斗翻转期间注入水量较多，导致仪器自身排水量大于仪器记录值，测量精度偏负。反之，当雨强很小时，翻斗翻转期间几乎无降水注入，导致仪器记录值大于仪器自身排水量，测量精度偏正。调整合理的仪器，当雨强在2mm/min左右时，其测量精度最高，接近于零。

自然降雨的降雨强度变化很大，我国雨量计标准要求适用范围在4mm/min以内。从图2.66可看出，这种单翻斗雨量计的准确度会在±2.5%左右的范围内变化。如果分辨力要求高，这准确度范围还会大些。所以，对0.1mm分辨力的翻斗雨量计，单翻斗方式不能在0～4mm/min的降雨强度范围内达到±4%的准确度要求。我国雨量计标准规定了这准确度要求，要做到这一点，就需要采用双翻斗雨量计。

双翻斗雨量计的工作原理示意图如图2.67所示。

图2.67　双翻斗雨量计工作原理

1—进水漏斗；2—过渡翻斗；3—节流管；4—计量翻斗

双翻斗式雨量传感器分成上下两层，上层为过渡翻斗，下层为计量翻斗。计量翻斗上装有磁钢，用来吸合干簧管，输出通断信号。过渡翻斗翻转时所需的降雨量可以稍小于或稍大于计量翻斗翻转水量。而计量翻斗翻转水量应等于额定的仪器分辨力。当降雨开始后，先由过渡翻斗承接降雨，若以过渡翻斗翻转水量小于计量翻斗翻转水量为例进行讨论，则降水到一定量后，过渡翻斗发生翻转，降雨通过节流管全部流入计量翻斗。节流管的作用是控制一定的雨水通过速度（雨强），这是设置双翻斗的主要目的。此时计量翻斗并不翻转，降雨继续注入仪器，过渡翻斗发生第二次翻转，降雨再次通过节流管流入计量翻斗。在流入过程中，计量翻斗发生了翻转，从而输出接点通断信号。值得注意的是：在计量翻斗翻转过程中，仍然有降水从节流管注入计量翻斗，如此循环，计量翻斗在翻转期间始终有一个基本恒定的由节流管形状决定的“雨强”注入计量翻斗内。这个“雨强”一般控制在4mm/min。这样使计量翻斗翻转水量与外界实际雨强基本无关，从而消除了单翻斗雨量计的翻斗翻转误差来源。

从上述分析可以看出，双翻斗雨量计的计量翻斗翻转时的雨水注入强度是基本恒定的，可以在调整翻斗翻转水量时予加考虑。其结果是大大减少了因不同自然降雨强度引起的翻斗翻转误差，提高了整个雨量计的计量准确性。可以在计量翻斗上安装磁钢，吸合支架上的干簧管，产生翻斗翻转信号。双翻斗雨量计基本上都用于0.1mm的雨量分辨力，翻斗翻转力量很小。而磁钢和干簧管之间总有一些吸力，会影响0.1mm翻斗的翻转而影响雨量准确性。因此，可在计量翻斗下再装一层计数翻斗。计数翻斗的结构类似于翻斗。计量翻斗排出的水量进入计数翻斗的一侧承水斗时，它即向此侧翻转。

计数翻斗受计量翻斗某侧翻斗下流水量的冲击和水的重量而翻转，它的某侧承水斗在接受下流水量翻转的同时也很快将此承水斗中的雨水倒出排走。因此，虽然计数翻斗的计量准确度并不高，但它的翻转和计量翻斗的翻转是完全同步的。计数翻斗上装有磁钢，翻转时使支架上的干簧管导通，产生雨量信号。这样的结构使计量翻斗的准确度有所提高，也更为稳定。能有保证地使0.1mm翻斗雨量计的雨量准确度能达到±4%（0～4mm/min时）。

2.6.3.2　应用仪器介绍

1.仪器的结构与组成

翻斗雨量计由筒身、底座、内部翻斗结构三大部分组成。筒身由具有规定直径、高度的圆形外壳及承雨口组成。筒身和内部结构都安装在底座上，底座支承整个仪器，并可安装在地面基座上。我国使用较多的是雨量分辨力为0.2mm、0.5mm、1.0mm的单翻斗雨量传感器，雨量分辨力为0.1mm的双翻斗雨量计。水文自动测报系统应用较多的是DY1090A型遥测雨量传感器，DY1090A型遥测雨量传感器内部结构（双触点通断转换信号输出）如图2.68所示。

图2.68　DY1090A型遥测雨量传感器内部结构

1—进水漏斗；2—磁钢；3—支架；4—舌簧板；5—翻斗支部件；6—干簧管；7—翻斗；8—挡水墙；9—后轴套；10—后轴套螺母；11—调节螺钉；12—紧定螺母；13—挡水片；14—大漏斗；15—尼龙排水管；16—漏斗螺母；17—翻斗轴；18—前轴套；19—五芯插座；20—圆水泡；21—底板支部件

降水进入筒身上部承雨口，首先经过防虫网，过滤清除污物，然后进入翻斗。翻斗一般由金属或塑料制成，支承在刚玉轴承上。当斗内水量达到规定量时，翻斗即自行翻转。翻斗下方左右各有一个定位螺钉，调节其高度，可改变翻斗倾斜角度，从而改变翻斗每一次的翻转水量。翻斗上部装有磁钢。翻斗在翻转过程中，磁钢与干簧管发生相对运动，从而使干簧管接点状态改变，可作为电信号输出。仪器内部装有圆水泡，依靠三个底脚螺丝调平，可使圆水泡居中，表示仪器已呈水平状态，使翻斗处于正常工作位置。

双翻斗雨量传感器具有两层翻斗，每一层翻斗的结构与单翻斗类似，总的结构较为复杂。因为使用很少，不在此作详细说明。

翻斗雨量计的输出是干簧管簧片的机械接触通断状态，接出两根连接线形成开关量输出。一次干簧管通断信号代表一次翻斗翻转，就代表一个分辨力的雨量。相应的记录器和数据处理设备接收处理此开关信号。翻斗雨量计传感器本身是无源的，不需电源。但作为整体雨量计使用时要产生、处理、接收信号，记录或传输雨量信号，就必须要有电源。有的产品具有双信号输出，有两个干簧管。

翻斗雨量传感器配以相应的雨量显示记录器，组成自记雨量计或远传雨量计。(www.xing528.com)

2.技术性能

（1）一般技术要求。翻斗式雨量计国家标准对该类仪器的技术要求有明确的规定。

（2）典型产品技术指标。国内使用最普遍的翻斗雨量计是DY1090A型遥测雨量传感器和JDZ05（02）—1型翻斗式雨量传感器，广泛用于水文自动测报系统。JDZ05（02）—1型是几年前开始应用的产品，大量用于固态存储自记雨量，也用于水文自动测报系统。

DY1090A型遥测雨量传感器主要技术指标如下。承雨口：直径，刃口角40°～45°；雨量分辨力：1mm；雨量测量准确度：±3%（以仪器自身排水量为真值）；适用降雨强度范围：0.01～4mm/min，允许通过最大雨强8mm/min；工作环境：0～＋50℃，空气相对湿度不限（＋50℃时）；信号产生方式：干簧管触点通断；触点容量和寿命：12V、120m A，接触次数1×107次；触点通断信号输出方式：单触点通断信号输出和双触点通断转换信号输出。

当采用单触点通断信号输出时，只有一个干簧管安装在翻斗支架正中，磁钢与干簧管的相对位置如图2.69单触点通断信号输出磁钢与干簧管位置所示，当磁钢运动至中央时，干簧管瞬时接通，然后又返回常断状态。

图2.69　单触点通断信号输出磁钢与干簧管位置图

当采用双触点通断转换信号输出时，磁钢与干簧管的相对位置如图2.68所示。在支架的干簧管板上左右对称安装两个干簧管。有两种情况：一种是常态时一通一断，如图2.68所示，翻斗停下时，磁钢正对某一干簧管，使这一干簧管吸合导通，另一干簧管断开；另一种信号输出是常态时两个干簧管都断开，其结构和图2.68类似，只是翻斗停下时，磁钢位置已经过了某一干簧管，使这一干簧管吸合后又立即断开。翻转一次，磁钢经过两个干簧管，两个干簧管都吸合后又立即断开。

JDZ05（02）—1型翻斗式雨量传感器主要技术指标如下。承雨口：直径mm，刃口角45°；雨量分辨力：0.5mm（JDZ05—1型），0.2mm（JDZ02—1型）；雨量测量准确度：±4%（以仪器自身排水量为真值）；适用降雨强度范围：0.01～4mm/min；工作环境：0～＋50℃，95%RH；信号产生方式：干簧管触点通断；触点容量和寿命：12V、120m A，接触次数1×107次；触点通断信号输出方式：单触点通断信号输出。

两种雨量传感器都符合国家标准的要求。因为都是单翻斗雨量计，而DY1090A型的分辨力是1mm，所以它的雨量准确度优于JDZ05（02）—1型，适用降雨强度范围也能大一些。

DY1090A型有多种信号输出方式，但现在的翻斗雨量计都只用单触点通断信号输出。

2.6.3.3　翻斗式雨量计的安装和应用

翻斗式雨量计的安装地点位置要求和一般雨量器（计）相同。安装时特别要注意，利用内部翻斗支架的调平螺丝将圆水泡调平，保证翻斗部件处于水平正常工作状态。

为了保证仪器的运输安全，翻斗可能是单独包装的，或者人为固定住翻斗，以避免翻斗在运输中受损。开箱后，用户需自行安装翻斗，应详细阅读产品说明书后进行安装。安装好的翻斗应翻转灵活，轴向间隙符合要求，翻斗翻转时，应有相应接点通断输出，可用万用表欧姆挡进行检查。

翻斗是直接决定仪器计量精度的关键零件，严禁被油污沾染。

一般仪器在出厂前均进行了人工模拟降水调试，并填写调试记录一份随仪器给用户。为防止仪器在运输过程中定位螺钉的松动，用户可对仪器用人工模拟降水方法进行复核。以4mm/min雨强向仪器注水，接取仪器自身排水量，用式（2-25）计算误差。若结果不超过仪器测量精度范围的下限，则该仪器可判为合格。否则，需重新进行人工滴定。

翻斗式雨量计有两根信号线（单信号输出时）接入遥测终端机。为了避免雷电和干扰影响，也为了安全，除非所需信号线非常短，都应该穿入金属管埋地铺设，不能在空中架设。

翻斗式雨量计可以长期自动工作，按照上述方法安装好后，就可自动工作。输出的是机械接触信号，用两根导线接出。如果不是接入专用记录器，所应用的记录显示或数传仪器应保证通过雨量计信号触点（干簧管）的电压、电流符合要求。如上述两典型产品为12V、120m A。干簧管触点上不能有电感性负载。

2.6.3.4　翻斗式雨量计的特点和准确性分析

翻斗雨量传感器是雨量自动测量的首选仪器。它具有如下优点：

（1）结构简单，易于使用。翻斗式雨量计是一全机械结构产品，工作原理简单直观，很容易理解掌握，方便了使用，也便于推广。

（2）性能稳定，满足规范要求。我国的遥测雨量计要求是根据翻斗雨量计的性能来确定的。而翻斗雨量计的设计是根据雨量观测要求进行的，所以它的技术性能能满足雨量观测规范和水情自动测报系统对遥测雨量计的要求，只需一些简单的维护，翻斗雨量计就能较稳定地长期工作。

（3）信号输出简单，适合自动化、数字化处理。它输出的是触点开关状态，很容易被各种自动化设备接收处理。只需两根简单的信号接出线，并能较远距离传输。这个优点是被水情自动测报系统使用的主要原因。

（4）价格低廉，易于维护。

基于上述特点，翻斗式雨量计可以应用于绝大多数场合。因结构上的原因，这类传感器的可动部件翻斗必须和雨水接触，整个仪器更是暴露在风雨之中，夹带尘土的雨水，或是沙尘影响，将会影响翻斗雨量计的正常工作，或是降低其雨量测量准确性。另外，在需要应用0.1mm分辨力测量雨量时，单翻斗雨量计往往在准确度和降雨强度上难以满足要求。如采用双翻斗雨量计又增加了仪器复杂性，降低了可靠性。在这些环境条件和要求下应用翻斗雨量计必须仔细地加强维护，并考虑准确度要求。

翻斗雨量计的可靠性较高，如排除风沙、昆虫、尘污的堵塞问题，它们的平均无故障工作时间应能超过两年。

翻斗雨量计的雨量计量误差是通过和仪器实际排水量比较后得出的。而实际使用时，要求的是将测得值和真正降水量进行比较而得到的误差。因为实际降雨量肯定是不均匀的，又受风、地形、高度、环境等影响，进入雨量计承雨口的雨量对实际降雨量的代表性究竟如何也不是很清楚。先认为进入承雨口的雨量为雨量真值，和翻斗雨量计的计量值进行比较，分析其误差组成。

从原理上分析翻斗式雨量计，误差由仪器的最大起始误差δ0、仪器的翻斗计量误差δT和仪器的器口尺寸误差δG等几部分组成。

（1）仪器的最大起始误差δ0。最大起始误差δ0可由湿润误差δe和分辨力误差δd两部分组成：①湿润误差δe。即管道、进水漏斗、仪器集水面等处残留水珠、水膜，导致降水并不立即进入翻斗计量，湿润误差与降雨量、雨强基本无关，一般是一个定值，可由实验测得。②分辨力误差δd。即残留在翻斗内未计量的降水导致的误差，其最大值为仪器的分辨力，是一个定值。由于δe、δd均为定值，故δ0也为定值。只要测得了δ0，即可了解到多大的降雨，仪器才能开始有记录，这也是仪器的起始鉴别阈。从中可以了解到δ0在某次降雨中所占的比重，从而估计本次测量精度的优劣。

（2）仪器的翻斗计量误差δT。此误差的形成见“单翻斗雨量计工作原理”部分。

（3）仪器的器口尺寸误差δG。器口尺寸在雨量计中比较重要，器口直接控制了仪器承受雨量的面积，同样是决定仪器精度的因素之一。可参阅虹吸雨量计相关部分。

另外，将雨量仪器的器口尺寸扩大，使得同一降雨量时，进入雨量计承雨口的雨水量增加，有利于提高雨水量计量准确性。气象部门已有承雨器口径为ϕ220mm的翻斗雨量计。

2.6.3.5　翻斗式雨量计的维护、校准

最重要的维护是防尘和防堵。要定期检查雨量计所有雨水通道是否通畅，看各处有无堵塞和尘污。要定期清洁仪器，尤其是翻斗，更要注意清洗尘土和油污。要定期检查翻斗的翻转灵敏度和信号的正常产生，包括信号是否从信号线正常传输到遥测终端机。

如果在野外不受干扰地正常使用，翻斗的计量精度不会有变化。但事实上不可能永远稳定。因此要求定期用人工注水方法检查翻斗计量精度。如果有明显偏差，要按说明书要求调整翻斗翻转位置。如果发现翻斗计量精度略有超差，也可以不作调整。

使用中需要定期检查翻斗的计量精度，现介绍较易掌握的人工注水检查法。

雨量计检定工作的原理是使用雨量检定设备，将大、中、小三种不同降雨强度（0.5mm/min、2mm/min、4mm/min）的降雨量，模拟成相对稳定的水流量，用导管注入翻斗部分的漏斗，水流入翻斗使翻斗翻转。按规定的翻斗翻转数，计量翻斗翻转排出的总水量，再用前述式（2.24）计算翻斗计量误差。一般来讲，一次测试可以计测10mm雨量。也就是说对雨量分辨力为0.2mm、0.5mm、1mm的雨量计，分别计量50斗、20斗、10斗的翻斗排出水量。排出水量要计量到0.5g（或0.5m L）。翻斗计量误差的计算结果应该都在－4%～＋4%之间。

实际操作时，可以用水桶、水盆置于雨量计上方，用医用输液器尼龙管（ϕ3.2×ϕ2.4mm）经虹吸将水吸入下方承雨漏斗，用其上的调节阀控制流量。在集水器下方用乳胶管将翻斗排出水量导入接水瓶。接到一定次数翻斗翻转的排出水量后进行计量。需要的计量设备是：自动计时记数器、天平（感量0.5g）或10mm的雨量量筒（JJG524）。

人工给水检定法更简单，对于运用中的雨量计的定期检查较为合适。用10mm的雨量量筒盛相当于10mm降雨量的清水，模拟降雨强度为2mm/min的降雨，缓慢、均匀地注入翻斗上部的漏斗（2mm/min的降雨强度相当于5min内倒完10mm雨量筒内的水量）。注入总水量应能使被测雨量计的翻斗翻转100次，相应于0.2mm、0.5mm、1.0mm分辨力的雨量计，注入0.2×100mm、0.5×100mm、1.0×100mm的雨量，即相当于20mm、50mm、100mm降雨量的水量。如果翻斗翻转总数为100±4次，即为合格。此方法较易推广应用。如果倒水时快时慢，尤其是超出4mm/min时，就会形成较大计量误差。如果需要，也可用此方法进行不同降雨强度的测试。