摘要 为解决雨量传感器漏斗出口通道易堵塞问题，设计出SL3-1型翻斗式雨量感应器漏斗疏堵装置，实现了自动定时清理漏斗出口通道，保障了雨量计数准确性和可用性，减少了维护的时间和支出成本。
关键词 电气机械装置；刚体往复直线运动；自动定时清理漏斗出口通道
中图分类号：TP212；P414.9 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2018）04-050-02
DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.04.020
Abstract In order to solve the problem that the outlet channel of rainfall sensor funnel was easy to be blocked， the funnel drcdging-blocking device of SL3-1 tipping-bucket rainfall sensor was designed. The drcdging-blocking device could automatically and regularly clean the funnel outlet channel， ensure the accuracy and availability of rainfall measurement， and reduce the maintenance time and cost.
Key words Electrical machinery； The rectilinear motion of a rigid body； Automatic cleaning funnel outlet channel
广西气象部门从2002年开始至今已建成并在线运行的单要素到多要素区域自动气象站（以下简称区域站）有2 860座，这些站点所取得的观测数据，在大区域天气宏观预报到局地小区域精细化预报、灾害性天气预警，以及各地国民经济和社会发展规划、小气候资源开发利用、农业产业结构调整等方面发挥着不可或缺的气象科技基础支撑作用。这些站点的雨量记录大多采用上海气象仪器厂有限公司生产的SL3-1型翻斗式雨量传感器，也有少量其他型号，它们的雨量记录原理都是根据固定流量采用翻斗动作触发计数，优点是计数较为准确、结构较为简单，但也存在各级漏斗出口通道易堵塞、转动机件受力小易阻停等问题。由于各县气象局人少事多矛盾突出，大多数县局往往采取发现雨量异常后方到现场处理排除故障，使得雨量记录缺失成为影响区域站记录准确性和可用性的一个重要因素。为解决雨量传感器漏斗出口通道易堵塞问题，设计出SL3-1型翻斗式雨量感应器漏斗疏堵装置，为气象防灾减灾作出积极贡献。
1 雨量传感器漏斗堵塞原因分析
从2016—2017年恭城县气象局记录的区域站各种故障分析，故障原因分布见表1。从表1可见，雨量传感器漏斗出口通道被杂物堵塞的占比达到29.7%，是单因素中導致区域站故障的“元凶”。多年来维护区域站积累的经验表明，影响雨量记录的堵塞物成分基本是粉尘、植物孢子、植物碎屑、超小型昆虫等动物残骸，这些异物堵塞在雨量筒内部各个漏斗出水口，主要在初级漏斗和汇集漏斗的出口处，轻者计数明显偏小、延迟，重者没有出口流量，导致计数翻斗动作延迟，直至无法动作。广西地理、大气环境类似，因此，可以假设全广西气象部门的2 860座区域站故障分布和频率与恭城县气象局所辖区域站相同，按每次出现场2人、每人50元下乡费和车辆平均往返距离40 km、每公里车辆综合费用1元计算，耗时按每次2人、往返加维护2 h计算，则2年内广西气象部门因处理区域站疏堵问题就需支出费用31.45万元，耗时0.89万h。
2 疏堵装置设计
解决因雨量传感器漏斗出口通道堵塞造成的雨量异常问题，现在都是采取发现堵塞问题后前往维修的方式，这种方式最大的缺陷是被动发现，已经造成了雨量记录偏小，还增加了维护的时间和资金成本。如果设计安装一套雨量传感器漏斗出口通道自动清理装置，则可大幅减少维护成本。
2.1 疏堵构思
按照雨量传感器漏斗出口圆形通道直径，利用稍小于该直径的同形捅杆在通道内的往复运动，击碎并推出通道的堵塞杂物。计数漏斗出口通道去掉出口的长通道，安装一个固定捅杆对准出口，利用翻斗自身往复运动推动堵塞杂物。
2.2 需要解决的问题和解决思路
根据疏堵构思，疏堵装置的设计、制造、安装需要解决的问题和解决的思路是：①雨量传感器内部机件之间的空间较小，不宜将疏堵装置直接置入；设计时将动力装置安装在雨量筒的筒壁和传感装置之间的空间内，通过刚体延伸到达出口圆形通道。②疏堵捅杆的安装存在偏心问题；设计时疏堵捅杆要对出口圆形通道留有足够裕度，这里使用有一定曲折度的胶棒。③直接在区域站供电系统取电，可能造成电池电量消耗过大，影响区域站正常工作；建议单独设置一套太阳能储电装置保证用电需要。④疏堵装置未工作和工作结束时，疏堵捅杆应处于脱离通道的状态，考虑脱离的距离为4mm；笔者考虑过用直线执行器实现往复直线运动，由于还要增加一个计数装置传导到供电控制，既增加了成本又增加了故障率，而电磁铁具有通电吸合、断电复位的特性，所以最后决定采用自复位电磁铁作为动力。⑤电磁铁需要直流通断供电，通过串接脉冲方波发生器解决。⑥电磁铁通过短路电流工作，升温快，不能长时间工作，通过串接时控开关定时短时通电启用、长时断电停用解决。⑦解决金属构件生锈问题，建议使用304型号以上的不锈钢制造。
2.3 疏堵装置的设计
经测量，SL3-1型雨量传感器漏斗出口通道均为圆柱形，初级漏斗、汇集漏斗出口圆形通道直径均为3 mm，初级漏斗、汇集漏斗出口通道长度分别为30、20 mm；最大流量均为4 mm/min；疏堵装置在初级漏斗、汇集漏斗的可利用空间高度分别为53、60 mm；承台到承水器可利用空间高度为180 mm。根据设计构思和上述数据，疏堵装置的参数及构成如下。
2.3.1 骨架 ①基础底板，立杆底板：1 mm厚度的304型号不锈钢板制造，为方便对准精度调整，安装紧固螺丝的螺孔为开口式，开口比螺杆直径大3 mm。②立杆：5 mm×5 mm×11 mm正方形截面的304型号不锈钢棒，氩弧焊可靠连接在承台上。③滑块：正方形截面的304型号不锈钢中空方管，中空截面规格略大于立杆截面。
2.3.2 动力 ①能源：太阳能电池储能；通过2芯同轴电缆与用电器连接。②电磁铁：选用行程35 mm/DC12 V推拉式自动复位电磁铁，初始推力宜大于200 g。③脉冲方波发生器：向电磁铁输出间隔方波，要求占空比可调。
2.3.3 行程传导 动力行程传导臂：直径2 mm 304型号不锈钢棒制造，按照漏斗内侧形状制造，氩弧焊可靠连接在滑块上；圆形胶棒疏堵捅杆直径2 mm、长度30 mm、最大直线行程34 mm，安装在传导臂末端。
2.3.4 供电控制 时控开关：选用DC12 V时控开关控制供电启停。
整个疏堵装置安装在承台上。立杆和滑块横截面为正方形，避免疏堵装置的臂杆发生横向摆动。电磁铁、脉冲方波发生器、时控开关为市场采购，网上很容易找到符合参数的器件。疏堵装置设计图见图1，疏堵装置与雨量筒的立面见图2。
2.4 疏堵装置的组装、调试
疏堵装置立杆安装于正面中轴线上，利用汇集漏斗的承台安装基础底板，然后进行左右、前后微調，确保疏堵胶棒对准漏斗出口通道；调整疏堵臂杆纵向位置后拧紧螺帽固定。太阳能板安装在区域站独立杆上，电池和脉冲发生器、时控器置于采集箱内，通过暗敷管道敷设2芯同轴电缆向电磁铁供电。
脉冲方波发生器调为0.25～0.5 Hz；时控开关调为每天9：30、16：30定时供电1次，每次1 min。
2.5 存在问题
所设计的雨量感应器漏斗疏堵装置可能存在以下问题：由于漏斗出口通道直径较小，安装时必须精心反复对正；电磁铁、脉冲方波发生器、时控开关耐用性存疑；电源、电磁铁、脉冲方波发生器、时控开关相互之间的阻抗、功率匹配需要计算并反复试验选型；电磁铁动作产生的震动是否会影响翻斗误动作，需要实物验证；需求量不是很大，机件开模成本较大，单位成本不能用日常消耗品价格计算，导致造价较高；为避免对区域站整体运行的干扰，采用独立太阳能电池储能供电，推高了造价；SL3-1型翻斗式雨量传感器由厂家定型生产，所设计的雨量感应器漏斗疏堵装置需要厂家核验，不可自行安装。
3 结语
广西气象部门建在各地的区域站是防灾减灾和积累小气候数据的重要基础设施，区域站降雨计量准确是气象部门装备保障的重要任务。通过自动化雨量感应器漏斗疏堵装置，可大幅降低维护的时间和资金成本，提高降雨观测数据的准确性和可用性。另外，如果把漏斗出口通道改为向下的喇叭形，在通道上口堆积的杂物与通道壁的摩擦力将大为减少，在降雨的水压下，通道被堵的几率会大幅下降。
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责任编辑：郑丹丹