PWD20前向散射式能見度儀的故障排查與數(shù)據(jù)取值

繆明榕，趙成誠，王輝，劉愛兵

（1.南通市氣象局，江蘇 南通 226001；2.啟東市氣象局，江蘇 啟東 226200）

0 引言

能見度是表示大氣渾濁度的具體光學(xué)指標(biāo)，是表示大氣透明度的重要物量。最近幾年來，全國經(jīng)常出現(xiàn)大范圍的霧霾現(xiàn)象，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活帶來不利影響[1]。前向散射能見度儀在氣象系統(tǒng)的應(yīng)用，準(zhǔn)確地量化了能見度的數(shù)值，杜絕了人工觀測(cè)的主觀性。

自2014年1月1日新型自動(dòng)站在起正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，發(fā)現(xiàn)了能見度儀器一些共性的故障現(xiàn)象。本文以南通國家基本氣象站PWD20前向散射式能見度為例，對(duì)常見的故障進(jìn)行故障分析、排查，且對(duì)能見度的數(shù)據(jù)取值做出總結(jié)。

1 PWD20前向散射式能見度儀的結(jié)構(gòu)及工作原理

PWD20前向散射式能見度儀，由硬件和軟件組成。其可以作為獨(dú)立觀測(cè)設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連，也可以作為能見度分采掛接到自動(dòng)站采集系統(tǒng)中。PWD20前向散射式能見度儀由發(fā)射器、接收器、電源箱、支架等構(gòu)成。

PWD20前向散射式能見度儀可以連續(xù)觀測(cè)10-35000M范圍內(nèi)的大氣能見度。通過測(cè)量45°角散射的紅外光強(qiáng)度來評(píng)判大氣光學(xué)視程。發(fā)射器發(fā)射頻率為2KHZ的紅外脈沖波，在大氣中形成接近平行的紅外光束。紅外光束經(jīng)過大氣中懸浮微粒時(shí)發(fā)生散射，當(dāng)懸浮微粒直徑與紅外光束波長在一個(gè)量級(jí)時(shí)會(huì)發(fā)生散射，散射的總量與紅外光束的衰減成正比。接收器檢測(cè)采樣區(qū)域內(nèi)的懸浮微粒散射且被鏡頭聚焦（前向散射光）的紅外光束，將接收到的紅外光束轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)由與變送器同步的放大器進(jìn)行過濾、檢測(cè)，送至控制器單元[2-4]。經(jīng)過處理器的運(yùn)算得出能見度儀采樣區(qū)內(nèi)大氣的前向散射光的數(shù)值，估算出散射總量，由此得到透過量，從而計(jì)算出大氣能見度的數(shù)值[5]。能見度數(shù)據(jù)輸出包括1分鐘能見度、10分鐘能見度。時(shí)間常數(shù)60S，更新間隔15S。

2 日常維護(hù)和故障排查

2.1 日常維護(hù)

為了確保能見度儀的正常運(yùn)行，必須每日對(duì)能見度儀進(jìn)行巡查。發(fā)現(xiàn)有明顯蜘蛛網(wǎng)等異物應(yīng)及時(shí)清理。維護(hù)能見度儀的主要工作是清潔擦拭發(fā)射器、接收器的透鏡，清除遮光罩的蜘蛛網(wǎng)、灰塵等異物。

（1）一般為每周進(jìn)行1次維護(hù)。檢查能見度儀透鏡鏡面是否有水汽凝結(jié)物；清潔遮光罩上蜘蛛網(wǎng)、灰塵等；用濕脫脂棉蘸酒精，輕輕擦拭透鏡鏡面[6]，注意不要?jiǎng)潅哥R表面。鏡面應(yīng)該保持干燥，否則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入鏡面加熱程序。

（2）每月月維護(hù)時(shí)檢查供電設(shè)備，每三個(gè)月對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電一次，確保供蓄電池充放電性能。

（3）定期檢查、維護(hù)的情況應(yīng)記入當(dāng)天的值班日志中。

（4）維護(hù)時(shí)間段和因維護(hù)影響的數(shù)據(jù)處理情況一并寫入備注欄。

（5）巡查時(shí)應(yīng)避免用手電筒等發(fā)光體照射發(fā)射器和接收器的鏡面以及采樣區(qū)域。切忌在能見度儀運(yùn)行時(shí)，長時(shí)間直視發(fā)射端鏡頭。

2.2 PWD20前向散射式能見度儀故障排查

以下結(jié)合南通國家基本站采用的DZZ4新型自動(dòng)站PWD20前向散射式能見度儀進(jìn)行故障分析、排查。

2.2.1 地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件接收不到能見度數(shù)據(jù)

出現(xiàn)能見度儀無數(shù)據(jù)一般可考慮這樣幾種故障：①能見度儀器死機(jī)；②能見度設(shè)備電源故障或電壓偏低；③通訊設(shè)置錯(cuò)誤；④連接線未連接好；⑤采集器端口故障；⑥防雷器被擊穿；⑦能見度儀設(shè)備故障等。

排查流程：

（1）重啟能見度儀和采集器，重啟地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件。

（2）查看其他觀測(cè)要素是否同樣缺測(cè)。若其他觀測(cè)要素正常，進(jìn)行下一步檢查。

（3）檢查設(shè)備的電源電壓（12V）輸出是否正常。

（4）檢查能見度儀的通訊線纜是否存在破損，連接不牢靠或斷路的現(xiàn)象。檢查計(jì)算機(jī)上的能見度串口是掛接占用。

（5）利用sscom32測(cè)試軟件與采集器串口連接，輸入“SENST VI”，看返回值是不是“1”。若返回值是“1”，則說明通道是打開的，若返回值是“0”，則說明通道關(guān)閉。需要打開。

（6）PWD20前向散射能見度儀一般是用RS485通訊[7]，如果以上操作還不行，找出能見度儀電纜中的綠、黃、灰3根線，分別對(duì)應(yīng)串口線的2、3、5引腳，用RS232通訊直連電腦，利用sscom32測(cè)試軟件，通訊參數(shù)設(shè)置設(shè)為4800 N 8 1，①輸入“OPEN”↙返回值：“PWD OPENED FOR OPERATOR COMMANDS”；②查看能見度狀態(tài)，輸入“STA”↙返回值，如表1：

表1 硬件檢測(cè)正常Tab.1 Hardware check norma l

若HARDWARE：返回是，如表2：

表2 硬件檢測(cè)故障Tab.2 Hardware detection failure

說明能見度儀故障，及時(shí)與廠家聯(lián)系進(jìn)行維修。③輸入“MES”↙放回值：005418/////（說明能見度狀態(tài)正常，能見度是5418米）。只要出現(xiàn)硬件報(bào)警，傳感器端將不會(huì)輸出任何能見度數(shù)據(jù)，直到故障恢復(fù)。若能見度有數(shù)據(jù)，說明能見度儀設(shè)備無故障，故障發(fā)生線纜等其他地方，并進(jìn)行下一步排查。

（7）考慮采集器串口故障，正常情況下：DZZ4采集器上COM1口是接能見度，COM5口是接稱重雨量，可以借助于同樣是RS485通訊協(xié)議的稱重雨量端口進(jìn)行測(cè)試，利用超級(jí)用戶命令super ADMIN更改端口和所有協(xié)議：comdev 5 fd12p↙；setcomex 5 4800 8 n 1↙；varch vi com.5 v,v10↙正常返回值是“T”， comdev 1 wush_wp↙；varch raw com.1 mp↙；setcomex 9600 8 n 1,這樣就把能見度換到了COM5口，稱重雨量換到了COM1口，把能見度都正常接到稱重口上，利用sscom測(cè)試軟件，“samples”命令讀取數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)說明DZZ4采集器能見度口有故障，及時(shí)跟廠家聯(lián)系更換采集器并恢復(fù)原來的設(shè)置：comdev 1 fd12p↙；setcomex 1 4800 8 n 1↙；varch vi com.1 v,v10↙；varch raw com.5 mp↙；comdev 5 wush-wp↙；setcomex 9600 8 n 1。若無數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步排查。

（8）檢查防雷模塊是否正常，短接防雷模塊，測(cè)試能見度儀有無數(shù)據(jù)。

經(jīng)過以上的排查基本能判斷出PWD20前向散射式能見度儀無數(shù)據(jù)的具體部位出現(xiàn)的故障。

2.2.2 測(cè)出的能見度數(shù)值比實(shí)際值明顯偏大

主要可能出現(xiàn)的原因：①是由于能見度儀發(fā)射端、接收端或取樣區(qū)域受到蜘蛛網(wǎng)或其他異物阻擋，造成類似于高能見度時(shí)的假象；②能見度儀接收器鏡頭受到強(qiáng)光直射或紅外光干擾；③能見度儀內(nèi)部程序紊亂；④能見度儀控制電路出現(xiàn)故障。

排查流程：

（1）用脫脂棉蘸酒精清潔能見度儀接收器和發(fā)射器鏡頭。

（2）冬季冰雪天氣時(shí)，清除附著在發(fā)射器和接收器鏡面的凝結(jié)物。

（3）重啟能見度儀和采集器。

（4）若經(jīng)過排查能見度值任然明顯高于實(shí)際值，聯(lián)系廠家維修儀器。

2.2.3 測(cè)出的能見度數(shù)值明顯比實(shí)際值小

主要可能出現(xiàn)的原因：①采樣空間內(nèi)存在蜘蛛結(jié)網(wǎng)或接收器鏡頭污染，引起低能見度強(qiáng)散射光的一種假象；②能見度儀內(nèi)部程序紊亂；③能見度儀控制電路出現(xiàn)故障。

排查流程：

（1）檢查是否有蜘蛛網(wǎng)或其他附著物，用脫脂棉蘸酒精清潔能見度接收器和發(fā)射器鏡頭。

（2）冬季冰雪天氣時(shí)，清除附著在發(fā)射器和接收器鏡面的凝結(jié)物。

（3）重啟能見度儀和采集器。

（4）若經(jīng)過排查能見度數(shù)值任然明顯低于實(shí)際值，聯(lián)系廠家維修儀器。

2.2.4 能見度數(shù)值明顯跳變現(xiàn)象

在一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)忽大忽小、存在明顯跳變，出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因一般為：①發(fā)射器或接收器鏡頭有蜘蛛網(wǎng)或其他附著物；②周圍有污染物排放；③能見度儀內(nèi)部程序紊亂；④接地不符合規(guī)范；⑤能見度儀元器件損壞等。

排查流程：

（1）先排除該時(shí)間段內(nèi)附近有無污染物排放情況。

（2）檢查是否有蜘蛛網(wǎng)或其他附著物，用脫脂棉蘸酒精清潔能見度接收器和發(fā)射器鏡頭。

（3）重啟能見度儀和采集器。

（4）檢查防雷接地是否正常，有無明顯斷裂的現(xiàn)象。能見度儀對(duì)防雷接地電阻的阻值要求較高，接地電阻阻值大小對(duì)能見度數(shù)值影響較大，應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)接地，并檢測(cè)接地電阻必須小于4Ω以下。

（5）經(jīng)過上述排查后能見度值任然存在明顯跳變現(xiàn)象，就懷疑是能見度儀程序紊亂或元器件故障，并與廠家聯(lián)系。

2.2.5 能見度數(shù)值長時(shí)間維持不變

能見度數(shù)值連續(xù) 5個(gè)時(shí)次維持不變，則可認(rèn)定為：①能見度儀死機(jī)；②發(fā)射器或接收器鏡頭有蜘蛛網(wǎng)或其他附著物；③采集器故障導(dǎo)致內(nèi)置程序紊亂；④元器件故障。

排查流程：

（1）檢查是否有蜘蛛網(wǎng)或其他附著物，用脫脂棉蘸酒精清潔能見度接收器和發(fā)射器鏡頭。

（2）檢查地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件是否異常，重啟業(yè)務(wù)軟件。

（3）重啟采集器和能見度儀，并觀察能見度數(shù)值是否變化。

（4）參照前面的處理的方法，按照RS232通訊，利用測(cè)試線把能見度儀直接連接電腦，用sscom32測(cè)試軟件讀取能見度數(shù)據(jù)，觀察能見度數(shù)值。若能見度數(shù)值還是長時(shí)間維持不變，就懷疑是能見度儀程序紊亂或設(shè)備故障。

（5）更換采集器，測(cè)試。若以上都不行，跟廠家聯(lián)系更換能見度儀。

3 能見度數(shù)據(jù)取值

1分鐘能見度（也稱瞬時(shí)值）：能見度儀每分鐘會(huì)形成一個(gè)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)是能見度儀在1分鐘內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的進(jìn)行算術(shù)平均，得出的一個(gè)值。

10分鐘能見度：是1分鐘能見度值（瞬時(shí)值）的基礎(chǔ)上進(jìn)行的10分鐘平均，得出的值。每分鐘滑動(dòng)更新一次。

最小能見度：是10分鐘平均能見度的最小值。

在長Z文件中VV段的1分鐘能見度為正點(diǎn)1分鐘能見度，10分鐘能見度為正點(diǎn)10分鐘平均值，最小能見度為1小時(shí)內(nèi)最小10分鐘平均值，以米（m）為單位，去整數(shù)。CW段能見度為正點(diǎn)前15分鐘內(nèi)最小的10分鐘平均值，以千米（km）為單位，取一位小數(shù)。

10分鐘滑動(dòng)平均能見度（又稱10分鐘水平能見度）；是指當(dāng)前分鐘前10分鐘內(nèi)的10分鐘平均能見度的滑動(dòng)平均值。

視程障礙現(xiàn)象綜合判識(shí)是以10分鐘滑動(dòng)能見度作為判識(shí)依據(jù)，天氣現(xiàn)象最小能見度是從現(xiàn)象時(shí)段內(nèi)10分鐘滑動(dòng)平均能見度中挑取的最小值[8-10]。重要天氣報(bào)告中的能見度以“過去10分鐘平均值”的10分鐘滑動(dòng)平均值為準(zhǔn)。以10m為單位編報(bào)，不足10m時(shí)，米數(shù)直接舍去，高位不足補(bǔ)“0”。

一般情況下天氣現(xiàn)象最小能見度、日最小能見度數(shù)值不相同的。

4 結(jié)論

新型自動(dòng)站投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，能見度儀的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了能見度的連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)，且有效地避免了人工觀測(cè)帶來的主觀性。但是能見度儀的取樣空間局限，采樣區(qū)域的環(huán)境的好壞，直接影響能見度的數(shù)值。這就使得日常的巡查、維護(hù)尤為必要。當(dāng)能見度儀出現(xiàn)故障時(shí)，臺(tái)站人員要在第一時(shí)間進(jìn)行搶修，所以臺(tái)站業(yè)務(wù)人員得了解能見度的工作原理及維修方法，及時(shí)排除故障。根據(jù)業(yè)務(wù)需要臺(tái)站業(yè)務(wù)人員也必須熟悉能見度每個(gè)取值的含義，且能根據(jù)實(shí)際天氣情況對(duì)自動(dòng)判別的天氣現(xiàn)象和能見度數(shù)據(jù)做出正確處理。