DFC3型光電式數(shù)字日照計(jì)結(jié)構(gòu)及維護(hù)維修建議

岳國海 戴紅梅 袁東

摘 要：在自動(dòng)化改革以前，各氣象臺站主要使用暗筒式日照計(jì)，觀測誤差較大。目前各臺站已換上DFC3型光電式數(shù)字日照計(jì)等自動(dòng)化觀測設(shè)備，該設(shè)備可以實(shí)時(shí)觀測和記錄日照時(shí)數(shù)，性能完全滿足中國氣象局發(fā)布的《光電式數(shù)字日照計(jì)功能規(guī)格需求書》的要求。該文從臺站人員的角度出發(fā)，闡述了周、月日常維護(hù)保養(yǎng)的主要內(nèi)容，提出了設(shè)備狀態(tài)異常、無數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)缺測處理等故障排查維修建議，以便及時(shí)解決問題，確保設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：光電式;日照計(jì);維修

中圖分類號 P414.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）23-0155-02

1 引言

開展日照觀測對于監(jiān)測氣象和環(huán)境變化、了解太陽直射輻射狀況、農(nóng)業(yè)畜牧生產(chǎn)、太陽能利用、建筑設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計(jì)等都有重要意義[1-3]。在自動(dòng)化改革以前，各氣象臺站主要使用暗筒式日照計(jì)、聚焦式日照計(jì)、太陽直接輻射表等，觀測誤差較大。目前各臺站已換上如DFC3型光電式數(shù)字日照計(jì)等自動(dòng)化觀測設(shè)備，該型設(shè)備可以實(shí)時(shí)觀測和記錄日照時(shí)數(shù)，光譜范圍400～1100nm，觀測閾值最大允許誤差為±24W/m2，閾值年穩(wěn)定性為±5%，性能完全滿足中國氣象局發(fā)布的《光電式數(shù)字日照計(jì)功能規(guī)格需求書》的要求，設(shè)備無需外掛采集器，采用一體化設(shè)計(jì)思路，能夠直接輸出日照時(shí)數(shù)，具有觀測精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，改善了傳統(tǒng)觀測方式的一些弊端[4-5]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 光電式數(shù)字日照傳感器 光電式數(shù)字日照傳感器由光電感應(yīng)器件、數(shù)據(jù)處理模塊、加熱模塊、通信接口、電源接口等組成。光電式數(shù)字日照傳感器共有3個(gè)光電感應(yīng)器件，3個(gè)光電感應(yīng)器件以同軸方式放置于光筒內(nèi)，其中最上面1個(gè)感應(yīng)器件用于測量太陽總輻射，下面2個(gè)感應(yīng)器件采用分別遮擋了東半邊天和西半邊天的全分天空方式，不同時(shí)暴露于陽光下，能夠測量散射輻射，3個(gè)光電感應(yīng)器件均輸出電壓信號，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理模塊由相應(yīng)的硬件和嵌入式軟件組成，其中硬件包括微處理器、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、存儲單元、晶振時(shí)鐘和監(jiān)控電路等，通過嵌入式軟件完成對光電感應(yīng)器件輸出電壓信號的采集、處理、存儲和傳輸。

2.2 嵌入式軟件 嵌入式軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、處理和通訊3個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要按規(guī)定的采樣頻率采集光電感應(yīng)器件測量到的太陽輻射電信號;數(shù)據(jù)處理模塊主要完成采樣算法計(jì)算、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和存儲;數(shù)據(jù)通訊模塊主要向業(yè)務(wù)終端軟件上傳數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)補(bǔ)傳功能，執(zhí)行相應(yīng)操作指令并返回結(jié)果。

本設(shè)備每10s對光電感應(yīng)器件進(jìn)行1次采樣，1min采集6次。對采樣得到的電壓信號進(jìn)行判斷，如果判斷為有日照，則將這10s累計(jì)到日照時(shí)間，每分鐘對日照時(shí)間四舍五入后進(jìn)行取整輸出，單位為min，小數(shù)部分保留，繼續(xù)累積到下1分鐘。對小時(shí)內(nèi)分鐘日照時(shí)數(shù)進(jìn)行累加，得到日照時(shí)數(shù)小時(shí)累計(jì)，單位為min。對小時(shí)日照時(shí)數(shù)進(jìn)行累加，得到日照時(shí)數(shù)日累計(jì)，單位為h。本設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲功能采用滾動(dòng)循環(huán)存儲方式，每分鐘存儲1條記錄。存儲的數(shù)據(jù)量至少6個(gè)月，數(shù)據(jù)存儲器具備掉電保存功能。

2.3 供電系統(tǒng) 供電系統(tǒng)主要包括電源和防雷兩部分[6]。

（1）電源部分采用交流供電方式，電源供電部件包括空氣開關(guān)、直流電源和免維護(hù)蓄電池3個(gè)組件。交流市電接入電源機(jī)箱時(shí)先經(jīng)過空氣開關(guān)，防止交流電源線短路對系統(tǒng)造成損壞。直流電源采用12VDC的航空電源，實(shí)現(xiàn)交流220V市電到直流電轉(zhuǎn)換，為日照傳感器供電并給蓄電池充電。蓄電池采用12V/38Ah的鉛酸免維護(hù)電池。

（2）防雷部分由交流防雷模塊、防雷板組成，交流防雷模塊與空氣開關(guān)并聯(lián)連接，防止電源線引雷對系統(tǒng)造成損壞。防雷板是日照傳感器信號、供電的主要防雷部件。日照傳感器信號線纜進(jìn)入機(jī)箱后先經(jīng)過防雷板，其中的電源線接入供電系統(tǒng)，通信線再次經(jīng)過防雷板后由帶有屏蔽層的通信線接入硬件綜合集成控制器。

3 日常維護(hù)保養(yǎng)

3.1 周維護(hù) 每周挑選在日出前或日落后檢查光筒玻璃罩是否清潔，如有灰塵、雨滴、積雪、小蟲、水汽凝結(jié)物（露、霜、霧凇、雨?。┑入s物應(yīng)及時(shí)用軟布將光筒擦凈;遇到沙塵、揚(yáng)沙等視程障礙天氣和強(qiáng)雨雪冰凍等特殊天氣時(shí)，待天氣過程結(jié)束后應(yīng)增加維護(hù)頻次。

3.2 月維護(hù) 每月檢查干燥劑、儀器安裝、障礙物情況，包括干燥劑是否已失效、儀器的水平泡是否在中間、方位是否正南正北、緯度是否與測站緯度一致、在日出和日落方向是否都能夠受到太陽照射、是否有反光物體等，發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)糾正。

4 常見問題及維修建議

4.1 設(shè)備狀態(tài)異常 打開ISOS軟件的“維護(hù)終端”功能，端口選擇“日照串口處理”，這時(shí)輸入相應(yīng)命令可以設(shè)置或讀取傳感器的各種狀態(tài)和參數(shù)，從而進(jìn)行校對和更正。

（1）通信參數(shù)。輸入SETCOM命令，正確的返回值<9600，8，N，1>。若通訊參數(shù)不正確，可以通過將設(shè)備恢復(fù)出廠設(shè)置來恢復(fù)通信參數(shù)，但請謹(jǐn)慎操作。

（2）時(shí)間。DFC3型光電式數(shù)字日照計(jì)的時(shí)鐘誤差≤2s/月，若時(shí)鐘誤差偏大，可使用DATETIME命令重新設(shè)置當(dāng)前時(shí)間。

（3）經(jīng)緯度。輸入LAT（緯度）、LONG（經(jīng)度）命令讀取設(shè)備的經(jīng)緯度，并校對是否與臺站經(jīng)緯度一致，不一致可能導(dǎo)致地方時(shí)錯(cuò)誤，進(jìn)而影響可照時(shí)數(shù)、日照百分比的計(jì)算。

4.2 無數(shù)據(jù)處理 當(dāng)設(shè)備不輸出數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過ISOS軟件輸入READDATA等命令，檢查通信線路是否連通、是否有返回值，并根據(jù)返回值查閱日照計(jì)使用說明書確定問題原因。若無返回值，應(yīng)重啟電腦、ISOS軟件和日照傳感器，防止出現(xiàn)死機(jī)的情況，并可參照供電電壓、通信線路的順序進(jìn)行仔細(xì)排查。

（1）供電電壓。使用萬用表測量供電電壓是否在9-15V DC之間，若電壓較低，則為蓄電池電量不足或損壞，若電壓為0V，則可能是保險(xiǎn)絲熔斷、空氣開關(guān)跳閘、市電斷電等情況。

（2）通信線路。檢查傳感器的航空插頭、傳感器RS-232通信線（白、黑、綠）到防雷接線板、通信轉(zhuǎn)換模塊、防雷接線板到綜合硬件集成控制器等線路連接處是否有松動(dòng)和接觸不良等現(xiàn)象。當(dāng)供電電壓和通信線路均無問題，輸入命令仍無返回值，則應(yīng)及時(shí)更換設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步故障分析。

4.3 數(shù)據(jù)缺測處理 （1）當(dāng)某個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)不完全正確但基本可用時(shí)，按正常記錄處理;有明顯錯(cuò)誤且無使用價(jià)值時(shí)，采用一定的查詢或統(tǒng)計(jì)方法獲取可用以代替的數(shù)據(jù)，否則按缺測處理。

（2）當(dāng)設(shè)備輸出的小時(shí)數(shù)據(jù)缺測時(shí)，應(yīng)首先使用備份自動(dòng)設(shè)備記錄代替;若無備份自動(dòng)記錄代替，按缺測處理。需要特別注意的是，因?yàn)槿照諗?shù)據(jù)具有不連續(xù)性，所以不能使用前后2個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插處理。根據(jù)《安徽省地面氣象觀測自動(dòng)化業(yè)務(wù)運(yùn)行技術(shù)規(guī)定》（氣測函〔2020〕5號）的文件規(guī)定，當(dāng)自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)缺測時(shí)，原則上不進(jìn)行人工補(bǔ)測，除非臺站收到應(yīng)急觀測指令或特殊時(shí)期需要開展人工補(bǔ)測。

（3）當(dāng)日照時(shí)值有1h及以上缺測時(shí)，日總量均按缺測處理。日照時(shí)數(shù)全天缺測時(shí)，若全日為陰雨天氣，則該日日出日落時(shí)段內(nèi)日照時(shí)值及日合計(jì)值均按“0.0”處理;否則，該日日照時(shí)數(shù)按缺測處理。

5 結(jié)語

DFC3型光電式數(shù)字日照計(jì)是一款集數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、傳輸為一體的智能化數(shù)字化日照傳感系統(tǒng)，臺站人員應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)定期查看設(shè)備的各個(gè)部分是否運(yùn)行良好，尤其是在自然條件較為惡劣的站址應(yīng)加強(qiáng)周、月的設(shè)備巡視頻次。

本文從臺站人員的角度出發(fā)，闡述了周、月日常維護(hù)保養(yǎng)的主要內(nèi)容。堅(jiān)持規(guī)范的日常維護(hù)保養(yǎng)是確保日照計(jì)正常工作的基礎(chǔ)，但自動(dòng)化觀測設(shè)備的長期運(yùn)行難免會(huì)出現(xiàn)故障和錯(cuò)誤，需要臺站人員熟悉常見問題的判斷和維修方法，為此，本文提出了設(shè)備狀態(tài)異常、無數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)缺測處理等故障排查維修建議，以便及時(shí)解決問題，確保設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

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（責(zé)編：王慧晴）