4.3　自记雨量计观测

自记雨量计有翻斗式、称重式、轮盘斗式和虹吸式等类型,还包括近年开始应用的融雪式雨量计、光学雨量计和雷达雨量计等。

翻斗式、称重式和轮盘斗式雨量计适用于有人或无人值守测站观测降雨,融雪式雨量计可观测降雨、降雪和降雹,而虹吸式雨量计仅适用于有人值守的测站观测降雨。

雨量计自记方式分为记录纸方式和电子存储方式,下面分别介绍这两种方式的典型雨量计:虹吸式雨量计和翻斗式雨量计。

4.3.1　观测仪器

1.虹吸式雨量计

虹吸式雨量计是利用虹吸原理来测量降水量的仪器,可以连续测量液态降水量、降水强度和降水起讫时间。

(1)结构及工作原理。虹吸式雨量计主要由承雨器、浮子室、虹吸管、自记钟、记录笔、外壳等组成,如图4.2所示。

降水进入承雨器后,经下部的漏斗注入小漏斗流入浮子室。浮子室是一个圆筒,在浮子室的左下侧有一个斜形管状的壶口,上面可插入虹吸管,浮子室内装有浮子。降水进入浮子室而使浮子上升,在浮子杆上装有记录笔,记录笔随浮子上升而上升,从而在自记钟筒上作出记录。当浮子室内的降水达到10mm高度时,由于虹吸作用虹吸管将浮子室内的全部降水迅速排出存放在储水器内,此时笔杆跟着下落到“0”线。若仍有降水,则笔杆又重新开始上升。雨量计外壳是支持整个仪器的结构,并起保护内部结构作用的,外壳的门上装有观察窗便于观察记录情况。

浮子室内径为ϕ63mm,承雨器口径为ϕ200mm,由于承雨器内截面积是浮子室内截面积的10倍,因而记录笔在自记纸上的上升高度是实际降水深度的10倍,即每0.1mm的降水量在自记纸上的线距是1mm。

浮子式雨量计分辨力为0.1mm;传感器降水强度测量范围为0～4mm/min;当降水量累计达10mm时,雨量计虹吸排水一次,虹吸时间不大于14s;仪器计时误差,机械钟计时为5min/d,石英钟计时为1min/d;自记笔尖在自记纸上划线流利、不刮纸,其划线宽度不超过0.3mm,记录图形完整、清晰;记录笔的调零微调机构应方便、可靠,复零位误差不超过仪器分辨力的1/2。

(2)安装与调整。

1)仪器安装。虹吸式雨量计需要安装在平整的水泥底座上,承雨器口离地高度一般即以雨量计本身高度为准。承雨器口必须水平,安装好的雨量计用三根金属拉丝拉紧,并用拉丝固定钉牵牢。雨量计外壳安装后,再将储水器放在外壳内规定的位置上。

2)仪器调整。在雨量计安装完毕后,进行虹吸管位置的调正。先将自记纸卷在钟筒上,把钟筒套到钟主轴上,此时注意钟筒下的小齿轮与大齿轮的啮合,先顺时针后逆时针方向旋转自记钟筒,以消除齿轮间间隙。再将虹吸管插入浮子室旁的斜管内并稍旋紧紧固螺套,然后,进行调笔尖零位,调虹吸点,复测容量。

(3)维护。保持仪器的承雨器清洁,防止树叶及其他堵塞进水漏斗,防止承雨器口径变形。

仪器的虹吸管很容易脏污,脏污的虹吸管可能影响虹吸排水时间。虹吸管的清洗方法:取下虹吸管用肥皂水洗涤后再用清水漂洗,洗清后装上仪器进行虹吸试验,注意在排水过程中笔尖在自记纸上所划的线条是否垂直,如有偏斜必须找出原因并加以纠正。

浮子直杆与储水筒顶盖保持清洁,无锈蚀,以减少摩擦。

在雨季,每月要对仪器进行1～2次容量测试,如有较大误差应找出原因即时进行检修。在冬季初次结冰前,把储水筒内的水排尽,以防浮子冰裂,并在承雨器上加盖保护。

在规定的时间对雨量计自记纸进行更换。更换记录纸时应分别在记录纸上作终止和开始时间的时间记号,并记录时间。换纸时应注意自记纸两端的水平线应对齐,避免记录产生误差。如果24h内完全没有下雨,则可以不换自记纸,但应转动记录筒,重新对准记录的开始时间作记号并记上日期和时间,并向承雨器内注以1mm的清水,补充蒸发损耗。如继续无雨,则仍如前法处理。一张自记纸可以多次使用,若在规定换纸时间,适遇下大雨,自记纸尚有一部分可以继续记录,则可以等雨停后再更换或选择在小雨时进行更换。

2.翻斗式雨量计

翻斗式雨量计通过翻斗将测得的雨量转换为可以计量的物理量信号输出,然后利用数据终端对雨量数据进行收集、存储和处理。翻斗式雨量计大多用在雨量遥测站。

(1)组成与结构。翻斗式雨量计的传感器主要由承雨器、翻斗、发信部件、底座组成,如图4.3所示,内部结构如图4.4所示。

1)仪器结构。仪器由承雨器部件、计量组件等组成。

2)承雨器部件。承雨器部件为采集、承接降雨之用。承雨器口规格按国家标准为:ϕ200mm,面积314.16cm2。器口用于控制、收集进入该面积的降水量。进入器口的雨水,在承雨器的锥底汇集,经漏嘴进入计量组件的翻斗。

承雨器部件包括:承雨器、防虫网、漏嘴、筒身、M6固定螺钉和M8地脚螺栓等。

3)计量组件。计量组件是一个“翻斗式机械双稳态”称重机构。其功能是将mm的降水量转换为g(或m L)的相应单元质量(或体积),同时用开关量的形式将采集的信息量输出。

翻斗式雨量计承雨器口内径为;分辨力分为0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm 4种;降水强度测量范围为0～4mm/min;当降雨强度在0.1～4.0mm/min范围内变化时,测量误差不大于±4%。

(2)工作原理。承雨器采集降水,汇集流入翻斗计量组件,按预先设计的感量进行称量、计量,将以深度mm计的降水量转换为以质量g(或容积m L)计的单元水量,并用开关信息量方式实时输出,供数据终端利用。

翻斗计量组件是一个机械式双稳态称重机构,若左边翻斗计量后翻转,把水量排出器外,同时由于翻斗重心发生变化,右边翻斗随即转入计量,按此方式不断地循环计量、输出信号。

(3)仪器安装。

1)位置要求。同雨量器位置要求。

2)高度要求。雨量传感器安装高度以承雨器口至观测场地面计为0.7m。北方地区为1.2m。

3)固定和调平要求。安装前,检查确认仪器各部件完整无损,翻斗计量部件翻转灵敏,性能符合产品技术要求,才能进行安装。仪器固定安置于埋入土中的混凝土基柱上。基座入土深能保证仪器安置牢固,在暴风雨中不发生抖动或倾斜,基座顶部应平整,承雨器口必须保持水平。安置基座底脚螺栓、螺帽为M8,材料为不锈钢,以防锈蚀,保证仪器检修、维护的拆装。安装时地脚螺栓可预先固定在特制架上,一起埋入混凝土中,螺栓螺纹冒出混凝土约15mm。调整调平螺帽,使圆水泡居中,仪器调平后,用M4×6圆柱头螺钉将调平装置锁紧。基座有排水管道出口和电缆的通道。

4)信号检查。信号输出电缆为两芯屏蔽线。电缆从仪器底座的橡胶电缆护套穿进,在入口上方打结,以增加抗拉强度,避免接线拉脱。电缆两芯电线分别剥长20mm,折半、绞成股,塞进接线座中常用发信部件的两接线孔,用螺钉紧固。用手轻轻拨转翻斗部件,检查接受部分的信号是否正常。

5)检测。进行人工注水试验,检测翻斗计量误差,若误差不超过允许范围,则将承雨器部件筒身套在仪器基座上,借内六角扳手将3个M6滚花圆柱头内六角螺钉锁紧,仪器安装完毕。

4.3.2　翻斗式雨量计参数设置和误差检验

翻斗式雨量计在使用前应将仪器与数据终端(Remote Terminal Unit,RTU)相连,在数据终端设置仪器参数。主要内容包括站号、日期、时间、仪器分辨力、存储记录时间间隔、通信方式等,以及记录时间间隔。记录时间间隔一般设置为5min,需要时可设置1min。

在仪器参数设置时,进行仪器测量误差试验。注水试验前注入5～10mm清水湿润过水部件,并检查翻斗运转是否灵活、信号输出是否正常,清除翻斗存留水量后,采用注水法或排水量法进行试验。

(1)注水法:用便携式雨量计校准装置或其他带有标准量器的降雨强度模拟装置以1.5～2.5mm/min的模拟降雨强度向仪器注入清水,同时对翻斗翻转次数进行计数,翻斗翻转10/c次(c为仪器分辨力)后立即停止注水,记录注入水量、传感器输出值和历时。分辨力为0.1mm、0.2mm的仪器每次注入量不少于10mm,分辨力为0.5mm、1.0mm的仪器每次注入量分别不少于12.5mm和25mm。

(2)排水量法:操作要求同注水法,只是记录采用标准量器测量仪器自身排水量。至少进行3次试验,取其注入水量或自身排出水量的平均值。对仪器输出值与注入水量或自身排水量进行比较,按式(4.2)计算仪器测量误差

在注水试验后,清除仪器内部存留水量,清除试验数据,复核仪器参数设置是否正确,即可使用仪器观测降水量。

4.3.3　虹吸式自记雨量计观测方法

(1)观测时间。每日8时观测,有降水之日在20时巡查仪器,并划注20时记录笔尖所在位置的时间记号。遇暴雨时适当增加巡查次数,以便及时发现和排除故障,防止漏记降水过程。

(2)观测程序。在记录纸正面填写观测日期和月份,背面印上虹吸式雨量计观测记录统计表,见表4.2。

每日8时整时,应立即对着记录笔尖所在位置,在记录纸零线上划一短垂线,作为检查自记钟快慢的时间记号。用笔档将自记笔拨离纸面,给机械钟上发条或检查电子钟电池。

在更换记录纸时,给笔尖加墨水,对准记录笔开始记录时间,划时间记号。每次对准北京时间开始记录时,先顺时针后逆时针方向旋转自记钟筒,以避免钟筒的输出齿轮和钟筒支撑杆上的固定齿轮的配合产生间隙,给计时带来误差。经常用酒精洗涤自记笔尖,使墨水流畅。换纸时无雨或仅降小雨;在换纸前,慢慢注入一定量清水,使其发生人工虹吸,检查注入量与记录量之差是否在±0.05mm以内、虹吸历时是否小于14s、虹吸作用是否正常,检查或调整合格后才能换纸。

观测自然虹吸量的方法:若有自然虹吸量,更换储水器,然后用量雨杯测量储水器内的水量,并记载在该日观测记录统计表中;暴雨时,估计降水量有可能溢出储水器时,及时用备用储水器更换测记。观测后稍停片刻,观察仪器记录划线、自记钟等运转情况,仪器运转正常方可离开。

在巡查过程中,如发现虹吸不正常,在10mm处出现平头或波动线,将笔尖拨离纸面,用手握住笔架部件向下压,迫使仪器发生虹吸,虹吸终止后,使笔尖对准时间继续记录,雨停后及时对仪器进行检查和调整。量雨杯和备用储水器保持干燥清洁。

(3)更换记录纸的要求。更换在钟筒上的记录纸,其底边与钟筒下缘对齐,纸面平整,纸头纸尾的纵横坐标衔接。

当8时降小雨或无雨,且记录纸前期划线记录不超过5mm刻度时,可不换纸,向承雨器注入清水,使笔尖升高至整毫米处开始记录;但每张记录纸连续使用日数不超过5日,并在各日记录线的末端注明日期;每月第一日换纸,以便按月装订。降水量记录发生虹吸之日或划线超过5mm刻度换纸。

在8时换纸时,若遇大雨,可等到雨小或雨停时换纸;若记录笔尖已到达记录纸末端,雨强还是很大,则拨开笔挡,转动钟筒,转动笔尖越过压纸条,将笔尖对准纵坐标线继续记录,待雨强小时才换纸。特殊情况8时未正点观测换纸,换纸后将笔尖对准与换纸时间对应的时间坐标线上。

自记纸平放在干燥清洁的橱柜中,不使用潮湿、脏污、破损的记录纸。

(4)雨量记录。正常的虹吸式雨量计的雨量记录线,为累积记录到10mm时即发生虹吸,允许误差为±0.05mm,虹吸终止点恰好落到记录纸的零线上,虹吸线与纵坐标线平行,记录线粗细适当、清晰、连续光滑无跳动现象,无雨时呈水平线。每日时间误差不超过±5min。

(5)注水检查调试方法。

1)示值检定。将虹吸管安装在虹吸点略高于10.2mm的降水量标线,向承雨器注入清水,直至虹吸排水为止,排水结束后,将自记笔调整到零点位置上,再次注水,通过虹吸使笔位回零,记录零点的示值。用量雨杯分别注水5mm、10mm,得到5mm和10mm降水量的示值,其与零点示值之差,在(5±0.05)mm和(10±0.05)mm范围内。

2)虹吸管位置的调整。当示值检定合格后,慢慢降低虹吸管高度,直至虹吸,此时即为虹吸管最佳安装位置,再重新注水,进行复核。

3)零点和虹吸点稳定性检查。用量雨杯以4.0mm/min左右的模拟降水强度向承雨器注入10mm清水,当水流停止后,仪器应虹吸1次,读取零点和虹吸点示值,重复进行3次,相互间读数之差不超过0.1mm。