DSG4型降水現(xiàn)象儀故障檢修方法

余博嵩，計(jì)博嚴(yán)，蘇 睿

(江西省大氣探測(cè)技術(shù)中心，南昌 330096)

江西省國家級(jí)氣象臺(tái)站中有40多個(gè)臺(tái)站安裝了DSG4型降水類天氣現(xiàn)象儀。目前，該型號(hào)設(shè)備已經(jīng)基本建成,并處于與人工觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)階段，試驗(yàn)完成后將逐步投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。近2年的試運(yùn)行情況表明，該型號(hào)降水現(xiàn)象儀運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。然而，當(dāng)出現(xiàn)一些不能通過設(shè)備掉電重啟解決的故障時(shí)，例如汛期被雷擊后數(shù)據(jù)缺測(cè)或設(shè)備通信異常等，設(shè)備往往無法盡快恢復(fù)正常運(yùn)行，維修保障時(shí)效較差。由于設(shè)備安裝時(shí)間較短，在DSG4型降水類天氣現(xiàn)象儀的技術(shù)保障工作中，普遍存在技術(shù)人員對(duì)該型號(hào)設(shè)備系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)不夠了解，缺乏故障排除和維修經(jīng)驗(yàn)；全國較多臺(tái)站也使用DSG4型降水現(xiàn)象儀。所以，研究適合技術(shù)保障人員，可操作性強(qiáng)的故障檢修方法十分必要。目前降水現(xiàn)象儀的相關(guān)文獻(xiàn)較少，少數(shù)幾篇也是對(duì)降水現(xiàn)象儀設(shè)備安裝和日常維護(hù)方面的敘述，缺少對(duì)設(shè)備故障檢測(cè)維修方法方面的內(nèi)容[1-3]。因此，本文根據(jù)DSG4降水現(xiàn)象儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并結(jié)合故障現(xiàn)象，分類說明DSG4降水現(xiàn)象儀的檢修方法。

1 DSG4降水現(xiàn)象儀的組成結(jié)構(gòu)

DSG4降水現(xiàn)象儀主要由激光雨滴譜傳感器、數(shù)據(jù)采集器和供電機(jī)箱三部分組成(圖1)。激光雨滴譜傳感器使用的是德國OTT公司生產(chǎn)的Pasivel激光雨滴譜傳感器，屬于新型智能傳感器，可通過數(shù)字信號(hào)接口進(jìn)行配置且直接輸出雨滴譜數(shù)據(jù)[4]。采集器則是由華創(chuàng)維想公司自主研發(fā)，利用采集板中的微控制器(micro controller unit，MCU)對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)配置并接收處理傳感器原始數(shù)據(jù)，得到符合國家氣象局制定的“地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)字典”格式要求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品[5]，通過連接串口服務(wù)器傳輸?shù)接^測(cè)網(wǎng)絡(luò)[6]。其中采集板、傳感器和串口服務(wù)器的通信數(shù)據(jù)通過串口隔離器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)防雷隔離。供電機(jī)箱主要功能是將220 V交流市電轉(zhuǎn)化為24 V直流，采用電源控制器(包括雙變壓器) 給雙蓄電池供電、充電，再通過雙蓄電池分別給傳感器和采集器供電，達(dá)到供電隔離的目的，由此最大限度的減小雷擊對(duì)設(shè)備的損壞。

2 故障檢修方法

DSG4降水現(xiàn)象儀故障檢測(cè)主要通過故障排查措施，明確發(fā)生故障原因。對(duì)于線路故障，查清故障點(diǎn)即可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速恢復(fù)；而對(duì)于損壞性故障的維修一般情況下只能是更換故障部件。在具備可操作性的情況下，盡可能明細(xì)故障檢測(cè)點(diǎn)和減小維修更換的故障部件范圍[7-8]。因此，DSG4降水現(xiàn)象儀故障檢修主要分為三個(gè)部分，分別是供電系統(tǒng)、傳感器和采集系統(tǒng)。

圖1 DSG4硬件組成結(jié)構(gòu)

2.1 供電系統(tǒng)故障

供電部分檢測(cè)點(diǎn)包括市電220 V交流輸入、24 V直流供給傳感器、24 V直流供給采集板。電源適配器作為供電交直轉(zhuǎn)換的核心是供電機(jī)箱的關(guān)鍵檢測(cè)部分，主要由兩個(gè)直流變壓模塊組成，額定輸入、輸出都是110～240 V交流、24 V直流；但因傳感器可加裝加熱功能所以最大輸出電流配置有所差異。實(shí)際測(cè)量中，額定最大輸出電流為4.5 A的直流變壓模塊的輸入為交流230 V左右，輸出為略高于直流24 V給雨滴譜傳感器供電。額定最大輸出電流為3.0 A的直流變壓模塊的輸入為交流230 V左右，輸出為直流26 V左右給主采集板供電。如果電源適配器交流輸入異常，檢查空氣開關(guān)是否跳閘，防雷模塊是否因雷擊損壞示意條由綠色變其他顏色。如果電源適配器輸出低于24 V，則斷開蓄電池連接確認(rèn)直流變壓器是否故障。因?yàn)橐话氵@種情況下，直流變壓器故障后僅靠蓄電池給設(shè)備供電只能維持24小時(shí)左右的時(shí)間，設(shè)備維護(hù)人員不易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池電量不足時(shí)會(huì)使設(shè)備部分部件間歇性或停止工作，導(dǎo)致設(shè)備異常。整個(gè)設(shè)備的功耗遠(yuǎn)小于72 W，當(dāng)檢測(cè)存在一個(gè)變壓模塊故障時(shí)，可將兩路24 V直流供電并接在另一個(gè)正常的直流變壓模塊輸出端作為應(yīng)急處理，等待備件更換。

2.2 采集系統(tǒng)故障

(1)采集板供電單元

廠家提供的設(shè)備文檔中并未提供采集板的原理圖，但為了檢修方便，參照所使用電源芯片手冊(cè)資料，根據(jù)實(shí)際電路繪制出采集板供電單元部分的原理圖(圖2)，并標(biāo)注了各元件的型號(hào)和參數(shù)值。供電單元部分的原理是供電機(jī)箱提供的24 V直流電壓，經(jīng)芯片LT3695-5及外圍元件組成的開關(guān)電路變換，產(chǎn)生+5 V的電壓(主要為美信232電平轉(zhuǎn)換芯片和SD卡供電)，再通過LDO芯片(low dropout regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器)產(chǎn)生+3.3 V的電壓(為MCU供電)。在檢測(cè)這部分電路時(shí)，首先測(cè)24 V、5 V和3.3 V這三個(gè)電壓。采集板上唯一的兩口端子就是24 V輸入，5 V和3.3 V及GND點(diǎn)也在板面絲印有明確的標(biāo)記。如果5 V或3.3 V沒有輸出，則分別檢查相應(yīng)的開關(guān)電路和線性穩(wěn)壓電路。出現(xiàn)這種情況大多是芯片LT3695-5或LDO損壞，需要進(jìn)行更換；同時(shí)還需檢測(cè)外圍元件，特別是肖特基二極管D1、電解電容C4是否被擊穿。在維修更換采集板供電單元元器件時(shí)，一定要按圖2中注明的元件參數(shù)進(jìn)行更換，否則輸出電壓很可能將發(fā)生改變。在更換電容是盡量選擇耐壓值高的型號(hào)，保證電路穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 采集板供電單元原理圖

(2)通信部分

采集系統(tǒng)的通信部分的檢測(cè)包括通信線路和通信模塊測(cè)試。通信線路按數(shù)據(jù)信號(hào)流向有傳感器至采集器的通訊線纜、串口隔離器、接線端子連線以及采集器數(shù)據(jù)輸出線纜，線路主要是驗(yàn)證短路和斷路。通信模塊則包含RS232-TTL通訊電平轉(zhuǎn)化模塊(Maxim232芯片)以及負(fù)責(zé)通訊數(shù)據(jù)處理的MCU，模塊的測(cè)量依據(jù)是RS232收發(fā)與地(RG、TG)之間的-5～-15 V的通訊電壓。通訊電壓異常則更換相應(yīng)端口上的電平轉(zhuǎn)換芯片，如果數(shù)據(jù)仍然不通，則更換MCU，型號(hào)為STM32C8T6。固件廠家已給出，將Boot引腳跳帽調(diào)至左端，進(jìn)入程序下載模式，即可在新更換的STM32芯片中加載最新固件程序。

2.3 傳感器故障

(1)傳感器無數(shù)據(jù)

如果供電箱、采集系統(tǒng)正常工作，SMO業(yè)務(wù)軟件串口調(diào)試終端選擇降水現(xiàn)象儀端口，輸入“TIME”可返回當(dāng)前時(shí)間，輸入“UB”則無降水現(xiàn)象分鐘數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)輸入“READDATA”無法返回的降水現(xiàn)象儀的設(shè)備狀態(tài)信息。如果遇到此類狀況，則需要確認(rèn)傳感器是否正常工作。用USB轉(zhuǎn)串口與傳感器直接連接，在串口調(diào)試助手中發(fā)送CS/C/R查看串口通訊傳輸速率配置是否為9 600 bit/s，若不是需要將其設(shè)置為9 600 bit/s；正常狀態(tài)下傳感器每分鐘自動(dòng)輸出一組 32個(gè)16進(jìn)制組成的數(shù)據(jù)幀。用手掌擋住傳感器探測(cè)區(qū)域，手掌朝發(fā)射端(貼有英文圖標(biāo))的方向出現(xiàn)一道紅線，說明一般情況下激光探頭正常工作，基本可以確定傳感器正常，其內(nèi)部信號(hào)處理電路未燒毀。

(2)傳感器數(shù)據(jù)異常

DSG4降水現(xiàn)象儀的探測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，例如無降水報(bào)有降水、雨報(bào)冰雹等。鏡頭污染，可能導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)異常。所以，設(shè)備維護(hù)人員每隔一段時(shí)間需要檢查降水現(xiàn)象儀的傳感器周圍是否有障礙物遮擋，并查看傳感器的發(fā)射端與接收端是否有蜘蛛網(wǎng)或者紙屑之類的東西擋住鏡頭。由于時(shí)間和位置的原因，空氣可能對(duì)激光的保護(hù)鏡造成污染，其結(jié)果可能使傳感器的工作能力大幅度下降。OTT電報(bào)提供的最新數(shù)值(傳感器狀態(tài))為傳感器中激光光學(xué)裝置的狀態(tài)提供了數(shù)值上的參考，也可在設(shè)備狀態(tài)信息欄中查閱，其中的代碼與相應(yīng)意義報(bào)告如下：0表示一切正常；1表示激光保護(hù)鏡被污染，但仍可用于測(cè)量；2表示激光保護(hù)鏡受到污染，部分被遮蔽，無法繼續(xù)用于測(cè)量。需要特別注意，當(dāng)傳感器鏡頭未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，也會(huì)顯示保護(hù)鏡受污染并且為標(biāo)識(shí)2，此類情況通常發(fā)生在臺(tái)站搬遷時(shí)。傳感器在運(yùn)輸過程中發(fā)生磕碰，導(dǎo)致鏡頭對(duì)焦產(chǎn)生偏差，一般將傳感器平放至平面上稍加按壓，微調(diào)探頭方向至同一水平面即可恢復(fù)。

3 故障檢修注意事項(xiàng)

(1)故障排查時(shí)，電壓測(cè)量(電源電壓、通訊電平)可帶電測(cè)量，而線路通斷測(cè)試時(shí)設(shè)備必須斷電，特別注意電池供電也需要斷開。在排除短路故障前，切勿隨意替換部件進(jìn)行測(cè)試，以免重復(fù)故障導(dǎo)致新部件燒毀。

(2)降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)和自動(dòng)氣象站一樣要經(jīng)過串口服務(wù)器(綜合硬件控制器)傳輸至臺(tái)站業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)上。一般自動(dòng)站數(shù)據(jù)正常表示串口服務(wù)器正常工作，但也不排除串口服務(wù)器連接降水現(xiàn)象儀的PORT端口發(fā)生故障。在數(shù)據(jù)通信檢測(cè)時(shí)，要注意串口服務(wù)器是否正常工作。

(3)用熱風(fēng)槍拆卸采集板上的芯片時(shí)，溫度不要超過350 ℃，并在芯片管腳處涂抹一些助焊劑快速融錫，方便拆下芯片。在分換芯片時(shí)，注意芯片正確管腳擺放位置和朝向，保證和原芯片一致。

4 修復(fù)后的測(cè)試與檢定

降水現(xiàn)象儀修復(fù)后，對(duì)傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)測(cè)試的方法，是用隨設(shè)備安裝建設(shè)時(shí)包裝箱內(nèi)自帶的小工具在兩個(gè)探頭之間上下晃幾下，然后看SMO業(yè)務(wù)軟件天氣現(xiàn)象要素逐分鐘數(shù)據(jù)是否有天氣現(xiàn)象產(chǎn)品輸出?？焖倩蝿?dòng)出“冰雹”天氣現(xiàn)象，慢速晃動(dòng)出“雨”天氣現(xiàn)象，毛毛雨可用噴霧劑進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)部存在溫度檢測(cè)修正，氣溫在0 ℃以上不會(huì)顯示降雪，因此不便測(cè)試。

5 維修實(shí)例

例1 故障現(xiàn)象是降水現(xiàn)象儀通訊正常但無數(shù)據(jù)。打開供電機(jī)箱，發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)滲水，經(jīng)檢測(cè)電源控制器的兩個(gè)變壓器都已損壞，設(shè)備僅靠電池供電，采集板功耗小于傳感器，所以傳感器先停止工作。更換變壓器后，設(shè)備恢復(fù)正常。

例2 故障現(xiàn)象是降水現(xiàn)象儀通訊異常。經(jīng)通訊電平測(cè)試，串口服務(wù)器PORT口出R、G和T、G之間存在兩個(gè)-5V左右的電壓，符合RS232通訊電平要求。而通信線另一邊的主采集板輸出端口處R、G和T、G卻只有一個(gè)-5V電壓。斷電后通過通斷測(cè)試，測(cè)得黑色地線斷路，利用同芯中多余的紫線代替黑線接地，通訊恢復(fù)。

例3 故障現(xiàn)象是降水現(xiàn)象儀通訊異常。經(jīng)測(cè)試傳感器直連有數(shù)據(jù)輸出而主采集板無輸出，采集板板間供電單元電壓5 V、3.3 V正常，傳感器數(shù)據(jù)接入端RS232通訊電平正常，而采集板輸出端通訊電平異常。更換Maxim232電平轉(zhuǎn)化芯片后，設(shè)備數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

例4 故障現(xiàn)象是SMO軟件主界面天氣現(xiàn)象應(yīng)觀測(cè)次數(shù)每分鐘更新，而實(shí)際觀測(cè)次數(shù)顯示一直為0。打開業(yè)務(wù)軟件中調(diào)試終端輸入“UB”等指令卻顯示有數(shù)據(jù)。之后發(fā)現(xiàn)雷擊后更換的主采集板未更新固件，新版SMO軟件對(duì)其數(shù)據(jù)不解析但可以接受，下載更新主采集板固件后，觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)。

6 結(jié)語與討論

DSG4降水現(xiàn)象儀維修保障能力，一方面取決于技術(shù)保障人員的故障排查能力，另一方面還受限于備件狀況和應(yīng)急準(zhǔn)備情況。對(duì)于損壞性故障的維修大多只能通過更換部件的方式進(jìn)行恢復(fù)。針對(duì)采集板故障維修，將更換部件的范圍縮小到芯片級(jí)，將大大減少設(shè)備維修的成本，節(jié)約返廠維修的時(shí)間，緩解采集器這類維護(hù)成本較高備件應(yīng)急庫存不足的狀況。其他型號(hào)降水現(xiàn)象儀如同樣采用OTT的雨滴譜傳感器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和DSG4基本類似，文介紹的故障檢修方法依然具備一定的參考價(jià)值。