區(qū)域自動氣象站雨量傳感器故障成因分析

袁靖凱 蘇慧君 鄭禮燦

(福建省龍巖市永定區(qū)氣象局，福建 龍巖 364100)

隨著氣象現(xiàn)代化進程的推進，龍巖市永定區(qū)區(qū)域自動氣象站已經(jīng)覆蓋了轄區(qū)內(nèi)的各個街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)域自動氣象站的建設(shè)對永定區(qū)的短臨預(yù)警能力和防災(zāi)減災(zāi)能力的提高發(fā)揮了重要作用。如何確保區(qū)域自動氣象站的穩(wěn)定運行就顯得尤為重要。截至2021年6月底，永定區(qū)共計區(qū)域自動氣象站46個，其中2個為溫度、氣壓、濕度、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速六要素站，22個為溫度、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速四要素站，1個為溫度、雨量兩要素、21個為單雨量站，由此可見，轄區(qū)內(nèi)所有區(qū)域自動站均有雨量要素，本地的區(qū)域自動氣象站保障維護工作也主要圍繞雨量維護展開[1]。為此，本文通過對永定區(qū)區(qū)域自動氣象站雨量故障的日常維護、維修保障工作中遇到的常見問題進行歸納、分析，從中總結(jié)經(jīng)驗，為日后更好地對雨量要素開展維護和保障工作提供借鑒。

1 雙翻斗雨量傳感器的工作原理

永定區(qū)轄區(qū)內(nèi)區(qū)域自動站雨量傳感器均為SL-1型雙翻斗雨量傳感器[2](上海氣象儀器廠有限公司)。其測量范圍為0～4mm/min， 分辨率為0.1mm，準(zhǔn)確度為0.4mm(≤10mm)、4%(>10mm)，在自動氣象站中采樣速率為1次/min，SL-1 型雙翻斗雨量傳感器組成結(jié)構(gòu)(圖2)，它由外筒、承水器(截面積為200cm2)、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、計數(shù)翻斗和干簧管等組成。

圖1 雙翻斗雨量傳感器外觀圖

圖2 SL-1 型雙翻斗雨量傳感器組成結(jié)構(gòu)圖

其工作原理為承水器收集的降水通過漏斗進入上翻斗，當(dāng)雨水累積到一定量時，由于水本身的重力作用，使上翻斗翻轉(zhuǎn)，水進入?yún)R集漏斗。降水從匯集漏斗的節(jié)流管注入計量翻斗時，就把不同強度的自然降水調(diào)節(jié)為比較均勻的降水強度，以減少由于降水強度不同所造成的測量誤差。當(dāng)計量翻斗承受的降水量為0.1 mm時，計量翻斗把降水傾倒入計數(shù)翻斗，使計數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)1次。計數(shù)翻斗在翻轉(zhuǎn)時，與它相關(guān)的磁鋼對干簧管掃描1次。干簧管因磁化而瞬間閉合1次。由此降水量每次達到0.1 mm時，就送出一個開關(guān)信號，采集器就自動采集存儲0.1 mm降水量。

2 雙翻斗雨量傳感器常見故障分析

2.1 通訊中斷

通訊中斷的原因主要有：一個是電池電壓低，導(dǎo)致整個采集器無法正常運行；另一個是采集器故障，此故障多為雷暴過頂后區(qū)域站遭受雷擊造成采集器受損，從而無法工作，導(dǎo)致通訊中斷。當(dāng)有區(qū)域站通訊中斷時，首先應(yīng)通過區(qū)域站監(jiān)控平臺查看中斷前電池狀態(tài)，排除電池電壓低的原因，其次應(yīng)考慮采集器故障，前往維護維修時應(yīng)做好充足準(zhǔn)備，帶齊主采集器、通訊模塊、電源模塊、天線等備件。

2.2 有雨無量

2.2.1 人為因素故障

按照業(yè)務(wù)規(guī)定，福建省每年汛期開始前各臺站需完成一次對轄區(qū)內(nèi)所有區(qū)域站的巡檢工作，通過對各區(qū)域站的巡檢，確保其保持良好的運行狀態(tài)。但是因保障人員巡檢失誤造成的故障也不少，本文總結(jié)了歷年來出現(xiàn)較多的三種人為因素故障，用于提醒保障人員。

一是信號線未接回，雨量的大小是通過對開關(guān)信號的計數(shù)統(tǒng)計而得出的，保障人員巡檢維護結(jié)束時，應(yīng)仔細檢查過信號線接線情況，避免信號線未接在接線柱上，造成不必要的返修(圖3)。

圖3 信號線未接回

二是信號線和屏蔽線位置接反，雨量通訊線是三芯線，其中兩根為信號線，一根為屏蔽線。因為有時信號線和屏蔽線只能通過裸露出的一小部分區(qū)分，保障人員容易誤把信號線與屏蔽線位置接反。

三是屏蔽線位置接錯，屏蔽線的接地應(yīng)該避開計數(shù)翻斗翻動的范圍，不影響計數(shù)翻斗的正常運轉(zhuǎn)。例如：2021年 3月 5日，F(xiàn)7536基安村站點有雨無量，其原因為屏蔽線接線不當(dāng)，造成計數(shù)翻斗卡滯，導(dǎo)致有雨無量(圖4)。

圖4 屏蔽線位置接錯

2.2.2 通訊線故障

永定區(qū)區(qū)域自動站多建于2013年以前，至今已近10年，且常年在戶外環(huán)境下運行。連接雨量傳感器和采集器的通訊線幾乎均裸露在外，惡劣的環(huán)境和蟲蟻的撕咬對通訊線造成了很大破壞，近幾年經(jīng)常出現(xiàn)因通訊線老化或蟲蟻撕咬造成的斷路故障。為減少此類故障的發(fā)生，在巡檢和維護時，應(yīng)統(tǒng)一在通訊線外套上PVC管，并埋入土下，做好密封，最大程度地保護通訊線不受外界干擾。

2.2.3 傳感器故障

傳感器故障排除步驟為：首先拆下承水桶，使用萬用表撥至電阻通斷蜂鳴擋，紅、黑表筆分別接觸雨量傳感器紅、黑接線柱的金屬部分，模擬降水翻動計數(shù)翻斗(注意手勿直接觸摸內(nèi)壁)，每翻到中間位置萬用表有導(dǎo)通響聲為正常；若無，說明傳感器故障，需更換傳感器內(nèi)的干簧管[3]。

2.2.4 雨量筒堵塞

雨量傳感器故障最多的就是雨量筒的堵塞，降水從承水器開始進入雨量筒到從底盤流出，經(jīng)過了承水器、網(wǎng)罩、漏斗、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、計數(shù)翻斗等部件，其中任何一處的堵塞都會造成有雨無量的情況發(fā)生。為便于快速判斷堵塞位置，維護時應(yīng)隨身攜帶小半瓶干凈自來水，打開外筒后，模擬降水，均勻把水倒至漏斗，觀察水流在雨量傳感器內(nèi)的走向，判斷堵塞位置，從而迅速對堵塞位置進行清理。例如：2021年 4月 15 日，F(xiàn)7509高陂鎮(zhèn)站點有雨無量，其原因為匯集漏斗堵塞，降水無法流入計量翻斗，導(dǎo)致有雨無量(圖5)；2021年6月 22日，F(xiàn)7516西溪鄉(xiāng)站點有雨無量，其原因是蜘蛛在傳感器內(nèi)織網(wǎng)產(chǎn)卵，粘住了計量翻斗，使降水無法流入計數(shù)翻斗，導(dǎo)致有雨無量(圖6)。

圖5 匯集漏斗堵塞

圖6 匯集漏斗堵塞

2.3 雨量異常

2.3.1 雨量偏小

永定區(qū)境內(nèi)雨量偏小的原因主要有兩種，一是由于雨量筒某個部位的堵塞，使雨量筒無法正常的運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了雨量的偏小，這個堵塞不一定位于雨量筒內(nèi)部，也可能來自雨量筒外部。例如：2021年 6月 22日，F(xiàn)7521堂堡鄉(xiāng)站點雨量偏小，保障人員前往查看后發(fā)現(xiàn)，馬蜂在雨量筒底盤下筑巢，使桶內(nèi)雨水無法排出，影響計數(shù)翻斗正常工作，從而導(dǎo)致測得雨量偏小(圖7)。

圖7 雨量傳感器底盤外堵塞

二是雨量筒計量翻斗一邊所能承載的雨量大于0.1mm，導(dǎo)致采集到的降水量小于實際降水量，此時應(yīng)對雨量傳感器進行校準(zhǔn)[4]。

2.3.2 雨量偏大

雨量筒計量翻斗一邊所能承載的雨量小于0.1mm，導(dǎo)致采集到的降水量大于實際降水量，此時應(yīng)對雨量傳感器進行校準(zhǔn)。

3 雨量傳感器的校準(zhǔn)

隨著區(qū)域站在野外的長時間運行，雨量傳感器的采集準(zhǔn)確度也會有所下滑，造成采集雨量的偏大或偏小，此時應(yīng)對超出誤差范圍的雨量傳感器進行校準(zhǔn)，通過調(diào)整計量翻斗的容量調(diào)節(jié)螺釘，使測量誤差在誤差范圍之內(nèi)[5]。

調(diào)節(jié)的方法歸納為“內(nèi)正外負(fù)”，當(dāng)誤差為正時，將容量調(diào)節(jié)螺釘向內(nèi)旋進，反之向外旋出；容量調(diào)節(jié)螺釘每向內(nèi)或者向外旋轉(zhuǎn)一圈，測量誤差減少或增加3%。例如：某雨量傳感器校準(zhǔn)時，實際降水量為10.0mm，而測得降水量為9.4mm，此時應(yīng)將兩個容量調(diào)節(jié)螺釘同時向內(nèi)旋轉(zhuǎn)一圈或一個容量調(diào)節(jié)螺釘向內(nèi)旋轉(zhuǎn)兩圈。

4 結(jié)束語

雨量傳感器是區(qū)域站的重要傳感器之一，它出現(xiàn)故障相對較多。為保證雨量傳感器處于良好的運行狀態(tài)，日常維護非常重要，特別是汛期前的巡檢，應(yīng)按要求認(rèn)真檢查維護，不能敷衍了事。維護人員首先應(yīng)加強責(zé)任心，避免出現(xiàn)因人為失誤而導(dǎo)致的故障；其次需加強業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)，掌握正確的維修技能和維護方法，定期總結(jié)經(jīng)驗，不斷提高保障水平。

本文歸納總結(jié)了永定區(qū)內(nèi)區(qū)域站雨量維護中常見的一些故障，分模塊分析了故障原因，有針對性地提出了解決辦法，以期快速找準(zhǔn)故障點，及時排除故障，盡量避免返修，提高維護維修的質(zhì)量，從而確保數(shù)據(jù)采集的及時性和有效性，為各類氣象服務(wù)提供有效數(shù)據(jù)支撐。