CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)性能及故障實(shí)例分析

王 璐，孟 磊，于永濤，趙 森，洪林峰

(北京市氣象探測(cè)中心，北京 100176)

0 引言

太陽(yáng)輻射是地球表層和大氣圈層的主要能量來(lái)源，是大氣圈、水圈和陸地上層中發(fā)生的物理過(guò)程和各種生命活動(dòng)的基本動(dòng)力。氣象輻射觀測(cè)的目的是獲得太陽(yáng)和地球輻射資料，對(duì)氣象、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、能源等領(lǐng)域具有重要的意義，對(duì)氣象輻射進(jìn)行準(zhǔn)確的觀測(cè)是研究地球-大氣系統(tǒng)能量收支的重要手段，也是進(jìn)行氣候變化研究的基礎(chǔ)[1，2]。北京市觀象臺(tái)54511站(以下簡(jiǎn)稱54511站)是一級(jí)氣象輻射觀測(cè)站，觀測(cè)項(xiàng)目包括總輻射、直接輻射、散射、反射和凈輻射。2019年，54511站的氣象輻射觀測(cè)系統(tǒng)由原模擬式輻射傳感器升級(jí)為數(shù)字式輻射傳感器。所用設(shè)備是由北京華創(chuàng)維想科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各類輻射數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期連續(xù)定位監(jiān)測(cè)、記錄與分析，實(shí)現(xiàn)氣象輻射要素的自動(dòng)觀測(cè)。

1 CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)由總輻射、長(zhǎng)波輻射、直接輻射數(shù)字式輻射傳感器、全自動(dòng)跟蹤器、輻射支架、加熱通風(fēng)器和輻射分采集器組成。各數(shù)字式輻射傳感器、全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器、加熱通風(fēng)器通過(guò)RS-232與輻射分采集器進(jìn)行連接，輻射分采集器通過(guò)RS-232連接到站內(nèi)現(xiàn)有的綜合集成硬件控制器，建立與地面觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件的連接。

1.2 工作原理

數(shù)字式輻射傳感器由硬件和嵌入式軟件兩部分組成。硬件即為各輻射表，包括濾光玻璃罩、輻射感應(yīng)元件、數(shù)據(jù)處理模塊以及其他硬件部件(例如防護(hù)罩、干燥劑、瞄準(zhǔn)光孔等)。其中數(shù)據(jù)處理模塊主要包括處理器(CPU)、模數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘、隨機(jī)存儲(chǔ) RAM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) ROM、電源和通信接口等。感應(yīng)元件是輻射傳感器的核心部分，它由快速響應(yīng)的繞線電鍍式熱電堆組成。感應(yīng)面涂有3M無(wú)光黑漆，感應(yīng)面為熱結(jié)點(diǎn)，當(dāng)有陽(yáng)光照射時(shí)溫度升高，它與另一面的冷結(jié)點(diǎn)形成溫差電動(dòng)勢(shì)，輸出模擬電壓信號(hào)。

2 CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)性能

2.1 數(shù)據(jù)采集完整性

表1是54511站在2020-01-01—2020-08-31時(shí)間段對(duì)各要素缺測(cè)率的統(tǒng)計(jì)。其數(shù)據(jù)采集完整性較好，除直接輻射外，總輻射、散射輻射缺測(cè)率均低于1 min/萬(wàn)次，反射輻射數(shù)據(jù)缺測(cè)率低于1 min/千次，凈輻射數(shù)據(jù)缺測(cè)率為0.00%。

表1 輻射觀測(cè)各要素缺測(cè)率統(tǒng)計(jì)

直接輻射缺測(cè)次數(shù)較多，診斷為輻射分采集器采集程序中直接輻射數(shù)據(jù)采樣時(shí)間存在沖突，導(dǎo)致每小時(shí)的02分出現(xiàn)缺測(cè)。3月13日采集器程序升級(jí)后直接輻射未出現(xiàn)缺測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)一致性

以相關(guān)系數(shù)、差值和相對(duì)差值為指標(biāo)，分析54511站CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)與CAWS3000觀測(cè)系統(tǒng)的差異。差異分析公式如下：

(1)

Zai=XiYi

(2)

(3)

式中，ρXY為CAWS3000觀測(cè)系統(tǒng)和CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)；Zai為第i次輻射觀測(cè)差值；Zbi為第i次輻射觀測(cè)的相對(duì)差值；Xi和Yi分別為原輻射觀測(cè)系統(tǒng)和CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)值。僅當(dāng)Xi不等于0時(shí)，計(jì)算Zbi。

2.2.1 小時(shí)曝輻量

對(duì)CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)與CAWS3000觀測(cè)系統(tǒng)的小時(shí)曝輻量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各要素相關(guān)系數(shù)、差值、相對(duì)差值(表2)。

表2 輻射觀測(cè)各要素小時(shí)曝輻量

從CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)與CAWS3000觀測(cè)系統(tǒng)的小時(shí)曝輻量相關(guān)系數(shù)可以看出，兩套設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)除凈輻射外其余要素均達(dá)到99%以上，相關(guān)性非常好，凈輻射相關(guān)系數(shù)也達(dá)到97%以上。

圖1是CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)與CAWS3000觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)凈輻射相對(duì)差值的頻率分布，觀測(cè)差異在±20%之內(nèi)的時(shí)次占總數(shù)據(jù)量的比例為64.58%，可見(jiàn)凈輻射小時(shí)曝輻量一致性較好。

圖1 凈輻射相對(duì)差值的頻率分布

2.2.2 日曝輻量

對(duì)CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)與CAWS3000觀測(cè)系統(tǒng)的日曝輻量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各要素相關(guān)系數(shù)、差值、相對(duì)差值(表3)。

表3 輻射觀測(cè)各要素日曝輻量

除凈輻射外各要素相關(guān)系數(shù)均在98%以上，凈輻射為97.17%，此結(jié)果與小時(shí)曝輻量相關(guān)性基本一致。日曝輻量平均差值與小時(shí)曝輻量平均差值基本一致，CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)總輻射、反射輻射較CAWS3000觀測(cè)系統(tǒng)偏大，直接輻射、散射輻射、凈輻射數(shù)據(jù)偏小。從相對(duì)平均偏差看，反射輻射、凈輻射偏差較大，總輻射、直接輻射、散射輻射相差較小。

3 故障實(shí)例分析

54511站的CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行期間，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)缺測(cè)和系統(tǒng)停機(jī)現(xiàn)象。

輻射觀測(cè)系統(tǒng)常見(jiàn)故障檢修流程為：1)參數(shù)檢查；2)供電檢查；3)線纜檢查；4)傳感器檢查；5)輻射分采集器檢查[3]。

3.1 直接輻射數(shù)據(jù)缺測(cè)

直接輻射數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)缺測(cè)，缺測(cè)時(shí)間均在北京時(shí)每小時(shí)的16分。

故障判斷：經(jīng)檢查，參數(shù)、供電、線纜、傳感器、采集器均正常。采集器內(nèi)部時(shí)鐘與計(jì)算機(jī)時(shí)鐘一致，缺測(cè)時(shí)間固定，判斷為輻射分采對(duì)直接輻射傳感器進(jìn)行校時(shí)的命令出錯(cuò)。檢查采集程序發(fā)現(xiàn)輻射分采集器在每小時(shí)的15分43秒開(kāi)始對(duì)各傳感器進(jìn)行授時(shí)，直接輻射處于最后一個(gè)通道，其返回值未能及時(shí)輸出至分采集器，即分采集器沒(méi)有接受到校時(shí)期間的直接輻射數(shù)據(jù)，導(dǎo)致缺測(cè)。

故障處理：更改采集程序中傳感器校時(shí)命令，將校時(shí)延時(shí)至第45秒進(jìn)行，直接輻射數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

原因分析：CAMS620-SR輻射系統(tǒng)在各傳感器端新增了時(shí)鐘，輻射分采集器在每小時(shí)的15分20-25秒接受地面觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件的授時(shí)命令，將自身進(jìn)行校時(shí)后，于每小時(shí)的15分43秒向各傳感器及附件發(fā)送授時(shí)命令，并接收設(shè)置成功的信息。分采集器對(duì)各傳感器校時(shí)需要3～5 s，導(dǎo)致最后通道的直接輻射向分采集器返回信息時(shí)與分采集器其他命令沖突，未能將返回值輸出，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測(cè)[4]。

3.2 總輻射輻照度夜間為負(fù)值

總輻射輻照度夜間出現(xiàn)負(fù)值。1月21日日落時(shí)間為17：02(地方時(shí))，17：07開(kāi)始總輻射輻照度陸續(xù)出現(xiàn)負(fù)值。

故障判斷及處理：經(jīng)檢查，參數(shù)、供電、線纜、傳感器和采集器等均正常。此現(xiàn)象并非傳感器性能問(wèn)題，可通過(guò)增加數(shù)據(jù)質(zhì)量控制調(diào)試命令(SETLOW)控制總輻射出現(xiàn)負(fù)值的情況。

原因分析：輻射傳感器感應(yīng)面為熱結(jié)點(diǎn)，受陽(yáng)光照射時(shí)溫度升高，它與另一面的冷結(jié)點(diǎn)形成溫差電動(dòng)勢(shì)，輸出模擬電壓信號(hào)。日落后溫度降低，感應(yīng)面吸收不到熱量，與另一面冷結(jié)點(diǎn)沒(méi)有形成溫差電動(dòng)勢(shì)，故應(yīng)為零。如果感應(yīng)面溫度比冷結(jié)點(diǎn)還要低就會(huì)形成溫差電動(dòng)勢(shì)，且方向?yàn)榉捶较?，故為?fù)值。這種情況稱之為“零位漂移”[5]。

3.3 輻射觀測(cè)系統(tǒng)停機(jī)

輻射觀測(cè)系統(tǒng)停機(jī)后，全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器復(fù)位，全部數(shù)據(jù)缺測(cè)，重啟電源后仍未恢復(fù)。

故障判斷及處理：經(jīng)測(cè)量檢查，交流供電電源、電源控制器正常，電池與輻射分采集器電壓為零。判斷為直流輸入與電池之間故障?？稍诖谁h(huán)節(jié)增加一個(gè)充放電控制器用來(lái)保護(hù)電池，更換控制器后系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。

原因分析：CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)采用12 V蓄電池為數(shù)字式輻射傳感器、輻射加熱通風(fēng)器、太陽(yáng)跟蹤器和輻射分采集器等部件供電，并配備交直流轉(zhuǎn)換器和充放電控制器，通過(guò)交流電源為蓄電池浮充電。由于充放電控制器電阻較小，發(fā)生損壞后使輻射觀測(cè)系統(tǒng)停機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集完整性較好，各觀測(cè)要素缺測(cè)率均不超過(guò)0.015%。其觀測(cè)數(shù)據(jù)的小時(shí)曝輻量和日曝輻量與CAWS3000觀測(cè)系統(tǒng)一致性較好，符合現(xiàn)階段輻射觀測(cè)要求。

CAMS620-SR輻射觀測(cè)系統(tǒng)可能發(fā)生直接輻射數(shù)據(jù)缺測(cè)、總輻射夜間為負(fù)值、觀測(cè)系統(tǒng)停機(jī)等故障，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行故障判斷及處理。