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

岳國海 戴紅梅 袁東

摘 要：在自動化改革以前，各氣象臺站主要使用暗筒式日照計，觀測誤差較大。目前各臺站已換上DFC3型光電式數(shù)字日照計等自動化觀測設(shè)備，該設(shè)備可以實時觀測和記錄日照時數(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，以便及時解決問題，確保設(shè)備的長期穩(wěn)定運行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：光電式;日照計;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)計等都有重要意義[1-3]。在自動化改革以前，各氣象臺站主要使用暗筒式日照計、聚焦式日照計、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)字日照計等自動化觀測設(shè)備，該型設(shè)備可以實時觀測和記錄日照時數(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)計思路，能夠直接輸出日照時數(shù)，具有觀測精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點，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個光電感應(yīng)器件，3個光電感應(yīng)器件以同軸方式放置于光筒內(nèi)，其中最上面1個感應(yīng)器件用于測量太陽總輻射，下面2個感應(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，不同時暴露于陽光下，能夠測量散射輻射，3個光電感應(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累計到日照時間，每分鐘對日照時間四舍五入后進(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。對小時內(nèi)分鐘日照時數(shù)進(jìn)行累加，得到日照時數(shù)小時累計，單位為min。對小時日照時數(shù)進(jìn)行累加，得到日照時數(shù)日累計，單位為h。本設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲功能采用滾動循環(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個組件。交流市電接入電源機(jī)箱時先經(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、雨凇）等雜物應(yīng)及時用軟布將光筒擦凈;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，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）時間。DFC3型光電式數(shù)字日照計的時鐘誤差≤2s/月，若時鐘誤差偏大，可使用DATETIME命令重新設(shè)置當(dāng)前時間。

（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)致地方時錯誤，進(jìn)而影響可照時數(shù)、日照百分比的計算。

4.2 無數(shù)據(jù)處理 當(dāng)設(shè)備不輸出數(shù)據(jù)時，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)某個小時數(shù)據(jù)不完全正確但基本可用時，按正常記錄處理;有明顯錯誤且無使用價值時，采用一定的查詢或統(tǒng)計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)備輸出的小時數(shù)據(jù)缺測時，應(yīng)首先使用備份自動設(shè)備記錄代替;若無備份自動記錄代替，按缺測處理。需要特別注意的是，因為日照數(shù)據(jù)具有不連續(xù)性，所以不能使用前后2個小時的數(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化業(yè)務(wù)運行技術(shù)規(guī)定》（氣測函〔2020〕5號）的文件規(guī)定，當(dāng)自動觀測數(shù)據(jù)缺測時，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期需要開展人工補(bǔ)測。

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

5 結(jié)語

DFC3型光電式數(shù)字日照計是一款集數(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)備的各個部分是否運行良好，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。堅持規(guī)范的日常維護(hù)保養(yǎng)是確保日照計正常工作的基礎(chǔ)，但自動化觀測設(shè)備的長期運行難免會出現(xiàn)故障和錯誤，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，以便及時解決問題，確保設(shè)備的長期穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

[1]陸忠濤，于淑靜，候士波.高緯度聚焦式與暗筒式日照計測量誤差探討[J].黑龍江氣象，2012，29（2）：31-32.

[2]趙世軍，劉西川，高太長.日照計發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].氣象水文海洋儀器，2011，28（2）：96-99.

[3]李繼輝.光電式數(shù)字日照計在氣象中的應(yīng)用[J].農(nóng)村科技，2019，06：59-60.

[4]呼群.暗筒式日照計與光電式數(shù)字日照計觀測數(shù)據(jù)對比分析[J].氣象水文海洋儀器，2020，03：91-93.

[5]王立柱，馬尚昌，張素娟.基于光電原理的日照傳感器初步研究[J].氣象水文海洋儀器，2012，01：11-14.

[6]張鑫，王柏林，張素娟.自動日照傳感器的設(shè)計和應(yīng)用對比分析[J].氣象水文海洋儀器，2016，03：32-35.

（責(zé)編：王慧晴）