自動(dòng)氣象站DNQ2型能見(jiàn)度儀故障分析及維護(hù)

張仕清，黃高平

（池州市氣象局，安徽 池州 247000）

自動(dòng)氣象站DNQ2型能見(jiàn)度儀故障分析及維護(hù)

張仕清，黃高平

（池州市氣象局，安徽 池州 247000）

從自動(dòng)氣象臺(tái)站目前普遍使用的DNQ2型前向散射能見(jiàn)度儀工作原理入手，對(duì)其使用過(guò)程中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出數(shù)據(jù)出現(xiàn)的故障及其原因，給出解決方法和處理對(duì)策，提出運(yùn)行和維護(hù)措施，以達(dá)到在正常狀態(tài)下最大限度地減少故障，為確保DNQ2能見(jiàn)度儀的正常運(yùn)行，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性方面提供技術(shù)參考。

能見(jiàn)度儀；工作原理；數(shù)據(jù)處理；故障分析

隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，全國(guó)各地氣象臺(tái)站的氣象數(shù)據(jù)采集已進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代。2014-09，安徽省氣象臺(tái)站DNQ2型能見(jiàn)度觀測(cè)儀開(kāi)始投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，提高了能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)的密度和精準(zhǔn)度，改變了以往能見(jiàn)度人工目測(cè)的主觀性，把人工目測(cè)能見(jiàn)度的個(gè)體差異統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)化尺度層面上，觀測(cè)數(shù)據(jù)更加真實(shí)、合理。

目前，氣象臺(tái)站能見(jiàn)度儀主要用于自動(dòng)觀測(cè)能見(jiàn)度和視程障礙類天氣現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的業(yè)務(wù)運(yùn)行，減輕了基層臺(tái)站業(yè)務(wù)人員的工作量，但也存在一些問(wèn)題，作為業(yè)務(wù)人員有必要對(duì)其工作原理、數(shù)據(jù)處理、日常維護(hù)和技術(shù)保障等方面進(jìn)行了解和掌握，鑒于此，本文擬從上述幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析，為確保DNQ2型能見(jiàn)度儀的正常運(yùn)行和維護(hù)保障提供技術(shù)參考。

1 儀器構(gòu)造及工作原理

DNQ2型能見(jiàn)度儀是基于氣溶膠前向散射原理設(shè)計(jì)，繼投射式能見(jiàn)度儀發(fā)展起來(lái)的新一代氣象能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)設(shè)備。它通過(guò)測(cè)量小體積空氣對(duì)光的散射系數(shù)，得到采樣氣體的消光系數(shù)，從而計(jì)算出氣象光學(xué)能見(jiàn)度。該能見(jiàn)度儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、功耗低，使用維護(hù)方便，由硬件和軟件組成，硬件由發(fā)射接收端、采集器和外圍設(shè)備3部分組成，軟件包括采集軟件和業(yè)務(wù)軟件。

DNQ2型能見(jiàn)度儀由一個(gè)微處理器控制的前向散射式測(cè)量設(shè)備作為光學(xué)傳感器，它可對(duì)10～50 000 m大氣能見(jiàn)度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。發(fā)射器以紅外LED作為光源，經(jīng)脈沖調(diào)制后照射到采樣空間（約0.1 dm3），采樣空間內(nèi)的大氣粒子對(duì)光產(chǎn)生散射，位于發(fā)射器和接收器同平面上固定的散射角θ（33°）的散射光束照射到光電探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，由CPU通過(guò)專門算法轉(zhuǎn)化為光學(xué)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)[1]，工作原理如圖1所示。

圖1 DNQ2能見(jiàn)度儀測(cè)量原理圖

2 常見(jiàn)故障統(tǒng)計(jì)分析

2.1 資料來(lái)源

以安徽省81個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站2016年1月至2016年12月能見(jiàn)度觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以數(shù)據(jù)缺測(cè)、錯(cuò)誤、無(wú)法采集、失真等情況作為異常情況進(jìn)行分析。

2.2 異常情況統(tǒng)計(jì)

表1 能見(jiàn)度儀異常情況統(tǒng)計(jì)表

總的說(shuō)來(lái)，DNQ2能見(jiàn)度儀運(yùn)行較為穩(wěn)定，可靠性高，但也存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在硬件故障出現(xiàn)頻次較高，占總故障數(shù)的70%左右，其次是線纜故障和安裝不當(dāng)及線路問(wèn)題，見(jiàn)表1.

3 異常數(shù)據(jù)處理

根據(jù)出現(xiàn)問(wèn)題的具體狀況進(jìn)行分析判斷，能見(jiàn)度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，既有硬件原因，也有軟件影響，但大多還是儀器故障所致，主要表現(xiàn)在元件質(zhì)量和外界環(huán)境影響方面，因此，針對(duì)出現(xiàn)的不同故障首先應(yīng)分析故障原因，對(duì)可能的誘發(fā)因素進(jìn)行排查，然后采取相應(yīng)的對(duì)策進(jìn)行處理。

3.1 數(shù)據(jù)缺測(cè)及排查

3.1.1 可能原因

參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤；供電故障，電源控制器或蓄電池?fù)p壞；采集器主板故障或采集器與主采集器之間通訊故障，線纜接線插頭松動(dòng)，導(dǎo)致接觸不良；主采集器故障。

3.1.2 排查步驟

排查步驟如下：①參數(shù)檢查。確認(rèn)業(yè)務(wù)軟件參數(shù)設(shè)置是否正確，確認(rèn)主采集器中是否啟用了能見(jiàn)度傳感器。輸入SENST_V1，若返回值為1，表示開(kāi)啟；0表示關(guān)閉。②供電。先檢查市電是否斷開(kāi)，控制處理器和采集器上電源指示燈是否點(diǎn)亮，其次檢查線性電源輸出是否達(dá)到12 V。③傳感器。先檢查控制板（主板）電源狀態(tài)指示燈（紅色）是否常亮，再檢查采集板狀態(tài)燈D3（綠色）是否常亮。D4測(cè)量狀態(tài)燈（黃色）亮2 s停3 s，D5（紅色）每秒閃爍1次。如若不然，復(fù)位控制板和采集板；斷電拔插收發(fā)線插，再通電看燈是否正常閃爍。④通訊。檢查所有電纜連接及所有電纜接頭是否都已正確連接并插牢。如果以上4點(diǎn)都正常，則為主采集器故障。

3.2 數(shù)據(jù)異常及處理

3.2.1 可能原因

3.2.1.1 數(shù)值總是太高

透鏡可能被灰層或凝水過(guò)度污染，清潔透鏡；光路被干擾，橫臂朝向不理想，尋找橫臂到合適的方向[3]；傳感器損壞或性能下降，更換傳感器；發(fā)射器或接收器供電故障，檢查供電。

3.2.1.2 數(shù)值總是太低

取樣量受到干擾，檢查鏡片附近是否有樹(shù)枝、蜘蛛網(wǎng)等增強(qiáng)反射光物體，若有，清除干凈；采樣區(qū)周圍是否受到煙塵、灰塵等污染物的干擾；傳感器損壞或性能下降，更換傳感器；發(fā)射器或接收器供電故障，檢查供電。

3.2.1.3 數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度大，出現(xiàn)跳變現(xiàn)象

鏡頭前是否有遮擋物，或采樣區(qū)周圍是否受到煙塵、灰塵等污染物的干擾；傳感器接線接頭是否松動(dòng)，接地線是否牢靠或傳感器連接線是否進(jìn)水。

3.2.1.4 數(shù)據(jù)不變

鏡頭被遮擋物完全堵死；接收鏡頭收到強(qiáng)光源直射；傳感器故障。

3.2.2 異常記錄處理

能見(jiàn)度數(shù)據(jù)小時(shí)內(nèi)連續(xù)60 min不變，小時(shí)常規(guī)氣象要素?cái)?shù)據(jù)文件（Z文件）極值出現(xiàn)時(shí)間缺測(cè)。這是由于能見(jiàn)度傳感器質(zhì)控參數(shù)中“最小應(yīng)該變化率”設(shè)置不當(dāng)造成的。最小應(yīng)該變化率設(shè)置為0.0，時(shí)間缺測(cè)現(xiàn)象就不會(huì)發(fā)生。

3.2.3 錯(cuò)誤數(shù)據(jù)處理

當(dāng)由視程障礙現(xiàn)象或其他原因（比如附近焚燒）影響到能見(jiàn)度數(shù)據(jù)異常，但能見(jiàn)度數(shù)據(jù)連續(xù)變化正常時(shí)，能見(jiàn)度數(shù)據(jù)仍以自動(dòng)觀測(cè)為準(zhǔn)，允許能見(jiàn)度記錄與該類天氣現(xiàn)象不匹配[2]。當(dāng)能見(jiàn)度設(shè)備出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)異常時(shí)，非定時(shí)觀測(cè)時(shí)次的正點(diǎn)數(shù)據(jù)中所有能見(jiàn)度數(shù)據(jù)均按缺測(cè)處理；定時(shí)觀測(cè)時(shí)次進(jìn)行人工補(bǔ)測(cè)，人工觀測(cè)值存入長(zhǎng)Z文件CW段能見(jiàn)度和VV段10 min平均能見(jiàn)度，其他VV段自動(dòng)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)按缺測(cè)處理；A文件中使用人工觀測(cè)值[2]。

4 日常維護(hù)

能見(jiàn)度儀運(yùn)行良好、數(shù)據(jù)質(zhì)量高及可靠性高建立在日常維護(hù)基礎(chǔ)之上，沒(méi)有良好的日常維護(hù)，就會(huì)降低設(shè)備的穩(wěn)定性，給數(shù)據(jù)質(zhì)量及安全帶來(lái)隱患。因此，做好能見(jiàn)度儀日常維護(hù)工作尤為重要，具體工作應(yīng)從以下幾個(gè)方面開(kāi)展：①掌握能見(jiàn)度儀的工作原理、工作方式、相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)，比如接入方式、測(cè)量范圍、供電方式等。②守班期間，每個(gè)正點(diǎn)前10 min查看質(zhì)控及報(bào)警信息，掌握其所表示的含義、產(chǎn)生的原因及應(yīng)對(duì)策略。③每日巡視儀器不少于2次，儀器的鏡頭和光路區(qū)域的蜘蛛網(wǎng)是數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常的主要原因，應(yīng)及時(shí)清理。預(yù)防蜘蛛的措施有在基座、支架管內(nèi)放硫磺（效果不好）或殺蟲(chóng)劑（效果明顯），前提是做好鏡頭的保護(hù)工作，不能讓噴劑沾染鏡頭。④每月應(yīng)檢查供電設(shè)施，每3個(gè)月要對(duì)蓄電池進(jìn)行一次充放電[4]。⑤雨季或汛期前應(yīng)對(duì)設(shè)備防雷設(shè)施進(jìn)行一次全面檢查，特別是儀器的接地電阻，要符合氣象設(shè)施防雷技術(shù)要求。⑥通常每2個(gè)月要定期清潔發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的鏡頭和外罩，可根據(jù)儀器工作的具體環(huán)境情況，合理安排清潔鏡頭時(shí)間周期。清理透鏡時(shí)，要用專用的清理工具，比如吹氣球、鏡頭紙、鏡頭水。清理鏡頭整個(gè)過(guò)程要仔細(xì)，以免對(duì)鏡頭造成損傷。⑦定期對(duì)能見(jiàn)度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，一般每年至少要校準(zhǔn)2次，防止儀器長(zhǎng)期工作發(fā)生性能漂移而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性現(xiàn)象發(fā)生。⑧維護(hù)過(guò)程中，切忌長(zhǎng)時(shí)間直視發(fā)射鏡頭，避免損傷眼睛；盡量避免用手電筒等人工光源信照射儀器收發(fā)端。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著氣象現(xiàn)代化的發(fā)展和氣象監(jiān)測(cè)水平的不斷提高，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的整體性、連續(xù)性、準(zhǔn)確性要求也越來(lái)越高。DNQ2型能見(jiàn)度儀作為自動(dòng)氣象站的觀測(cè)儀器的重要組成部分，雖在運(yùn)行過(guò)程中性能較為穩(wěn)定，準(zhǔn)確率高，使用方便，但作為自動(dòng)儀器，總會(huì)出現(xiàn)一些故障。因此，要保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，就要加強(qiáng)日常監(jiān)控，定期進(jìn)行維護(hù)，力爭(zhēng)做到一旦出現(xiàn)故障，能夠快速判斷原因并及時(shí)排除，從而為精細(xì)化氣象服務(wù)提供有力支撐。

［1］張世松，張?jiān)铝?前向散射能見(jiàn)度儀研制［J］.銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（3）：70-72.

［2］中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：氣象出版社，2016.

［3］侯莉，王冰欣，張春霞.HW-N1型能見(jiàn)度儀的有關(guān)問(wèn)題探討［J］.黑龍江環(huán)境通報(bào)，2013，1（37）：30-32．

［4］中國(guó)氣象局.新型自動(dòng)氣象站實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：氣象出版社，2016.

Χ851

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.024

2095－6835（2017）21－0024－03

張仕清（1967—），男，工程師，主要從事氣象探測(cè)和應(yīng)用氣象服務(wù)研究工作。

〔編輯：劉曉芳〕