淺析DSG4型降水現(xiàn)象儀故障檢修處理方法

崔 倩，賈世杰，傅 超，王國(guó)坤

滄州市氣象局，河北滄州 061001

目前，DSG4型降水現(xiàn)象儀已經(jīng)正式在滄州市氣象部門(mén)運(yùn)營(yíng)，其工作情況較為平穩(wěn)。由于儀器使用時(shí)間相對(duì)較少，在DSG4型降水現(xiàn)象儀的運(yùn)行維護(hù)工作中，也普遍存在人員對(duì)該型儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)造缺乏認(rèn)識(shí)，甚至沒(méi)有故障排查與修復(fù)的能力。因此，本研究針對(duì)DSG4型降水現(xiàn)象儀原理、檢修注意事項(xiàng)、降水現(xiàn)象儀故障處理、修復(fù)后的測(cè)試與檢定，并對(duì)檢修問(wèn)題實(shí)際舉例，以期為臺(tái)站人員提供技術(shù)支持和參考。

1 DSG4型降水現(xiàn)象儀原理及檢修注意事項(xiàng)

1.1 原理分析

DSG4降水現(xiàn)象儀是由傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模組等部分構(gòu)成。傳感器采用了現(xiàn)代激光技術(shù)的電子光學(xué)傳感遙測(cè)技術(shù)，可以直接測(cè)量降雨顆粒的大小和速率，并由此推出雨量、降水的類(lèi)型等信息。而采集器則是由華創(chuàng)維想有限公司獨(dú)立研制，是通過(guò)采集板上的微控制器對(duì)傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇和處理，接入串口服務(wù)器后傳送至全國(guó)陸地監(jiān)控信息系統(tǒng)。其中，采集系統(tǒng)、感應(yīng)器及其與串口服務(wù)器的通信設(shè)備之間均采用了串口隔離器，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)防雷分離。供電機(jī)箱的主要功能是將220 V的市電轉(zhuǎn)化為24 V直流，然后通過(guò)電源控制器為雙蓄電池供電、充電，再利用雙蓄電池分別為感應(yīng)器和采集器供電，以達(dá)到電源隔離的目的，從而最大限度地降低雷擊對(duì)元器件的傷害[1]。

1.2 注意事項(xiàng)

（1）故障排查時(shí)，電壓測(cè)量（電源電壓、交流電平）設(shè)備可以帶電檢查，但當(dāng)電網(wǎng)通斷檢測(cè)時(shí)，仍需要切斷電氣設(shè)備，尤其考慮電池提供時(shí)也要求切斷。在消除短路故障前，切勿對(duì)已更換配件進(jìn)行檢查，以免因重復(fù)事故而導(dǎo)致更新配件燒毀。

（2）降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)信息和手動(dòng)氣象站同時(shí)要通過(guò)串口服務(wù)器（綜合硬件控制器）傳送至臺(tái)站的服務(wù)電腦。通常自動(dòng)站都能正常顯示串口服務(wù)器是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，但也不排斥串口服務(wù)器的降水現(xiàn)象儀的PORT接口出現(xiàn)問(wèn)題。在數(shù)據(jù)通信測(cè)試中，要注意串口服務(wù)器能否順利運(yùn)行。

（3）用熱風(fēng)槍拆卸采集板上的晶片時(shí)，為了溫度不會(huì)超過(guò)時(shí)速350℃，可以在晶片接口處涂上一點(diǎn)助接劑來(lái)迅速地融錫，這樣方便拆卸下晶片[2]。在部分改芯時(shí)，應(yīng)注意電芯上正確的管腳擺放部位與方式，并保證與原芯相同。

2 DSG4型降水現(xiàn)象儀故障處理

在臺(tái)站的觀測(cè)工作中，降水現(xiàn)象儀在ISOS系統(tǒng)中缺乏降水情況數(shù)據(jù)，可以從以下3個(gè)層面討論DSG4型降水現(xiàn)象儀故障處理：一是降水現(xiàn)象儀的系統(tǒng)自身功能存在問(wèn)題；二是降水現(xiàn)象儀在系統(tǒng)內(nèi)部集中的控制器和通信等方面都出現(xiàn)了問(wèn)題；三是綜合集成硬件控制器的故障。由于綜合集成硬件控制器是一種完全自主的裝置，有專(zhuān)門(mén)的故障診斷和解決，因此本研究從上述第一、第二這2個(gè)方面詳盡闡述DSG4型降水現(xiàn)象儀的故障診斷與解決。

2.1 供電系統(tǒng)故障

電源系統(tǒng)的部分，檢測(cè)點(diǎn)上通常有城市供電220 V交流輸入、24 V直流輸出供給感應(yīng)器、24 V直流輸出供給測(cè)量模塊。由兩組直流輸出變壓模塊所組成，按額定的重量進(jìn)入、出口分別為110～240 V交流、24 V直流輸出；但由于感應(yīng)器還配有加熱模塊，因此與實(shí)際的額定電流值可能存在一定偏差。而供電系統(tǒng)故障一般表現(xiàn)為整體機(jī)子供電系統(tǒng)異常、供水電壓過(guò)低、傳感器供電系統(tǒng)狀態(tài)不良，一般是因?yàn)楣╇婋娫唇泳€(xiàn)不正確、電源模塊破壞、電源輸出功率不夠。

在檢查供電系統(tǒng)的問(wèn)題中，必須檢查從電源單元供電到儀器整體流程中的用電環(huán)節(jié)的連接，并通過(guò)儀表檢查負(fù)載能否正常工作，如供電系統(tǒng)的交流電進(jìn)入端壓力、直流輸出端壓力、空載時(shí)的供電出口壓力、采集板上電源壓力等，并在確定電源損壞情況后，立即更換電源設(shè)備。而為了延長(zhǎng)動(dòng)力電池的壽命，還要檢測(cè)電源電壓、線(xiàn)纜等設(shè)備是否出現(xiàn)破損狀況，以及對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電等操作。如果開(kāi)關(guān)電源適配器的交流輸出有異常，則查看電源裝置中有無(wú)斷路器跳閘，防直擊雷器中有無(wú)照明裝置損壞[3]。但一旦開(kāi)關(guān)的電源適配器輸出電流小于24 V，就應(yīng)切斷與電瓶間的連接以確定直流變壓器是非故障。但在這種狀態(tài)下，在直流變壓器失效時(shí)僅靠充電線(xiàn)路和設(shè)備供電系統(tǒng)還可以在24 h內(nèi)保持正常運(yùn)行狀態(tài)，這就導(dǎo)致電氣設(shè)備維修部門(mén)并未有所察覺(jué)，從而在充電容量不夠時(shí)，電氣設(shè)備裝置的某些電氣元器件間歇性而永久地停止運(yùn)行，并造成電氣設(shè)備裝置異常。因?yàn)樵撗b置的總功率遠(yuǎn)不足72 W，但如果裝置檢測(cè)存在一個(gè)副邊系統(tǒng)的損壞現(xiàn)象后，則應(yīng)將2臺(tái)24 V直流電源分別送到另一裝置的直流變壓模塊的端進(jìn)行事故處理，并替換備件。

2.2 采集系統(tǒng)故障

參照所采用的光伏發(fā)電器件手冊(cè)料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)電路描繪出收集板中電源模塊部分的主要功能原理圖設(shè)計(jì)組成，以及有關(guān)電力元器件的主要型號(hào)和參數(shù)值（圖1）。電源芯片單元部分的基本原理，是先利用由開(kāi)關(guān)在電源機(jī)箱內(nèi)提供的24 V直流電壓，然后再經(jīng)由晶片LT3695-5和外圍高壓電極片所形成的開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生+5 V的電壓，最后經(jīng)由LDO器件產(chǎn)生+3.3 V的電壓（為MCU用電）。而測(cè)試完這個(gè)電路后，必須檢測(cè)24、5和3.3 V這3類(lèi)的電壓值。在發(fā)生故障時(shí)可能是因?yàn)閱纹瑱C(jī)LT3695-5的LDO損壞，必須及時(shí)替換；另外還應(yīng)檢查外圍電容器，尤其是肖特基二極管D1、電解線(xiàn)路C有無(wú)被擊穿。在進(jìn)行替換收集板的單元數(shù)據(jù)前，必須要替換圖1中標(biāo)明的電容器參數(shù)，否則電流有可能會(huì)出現(xiàn)變化。一般替換電容器應(yīng)盡可能選用耐壓值高的產(chǎn)品，確保線(xiàn)路平穩(wěn)工作。

圖1 采集板供電單元原理示意圖

2.3 傳感器故障

2.3.1 傳感器無(wú)數(shù)據(jù)假設(shè)電源箱、數(shù)字采集系統(tǒng)正常，且使用SMO業(yè)務(wù)程序串口測(cè)試客戶(hù)端所選定的降水現(xiàn)象儀端口，并且用戶(hù)進(jìn)入“TIME”可回到當(dāng)前時(shí)刻，用戶(hù)進(jìn)入“UB”則無(wú)降雨情況分鐘數(shù)字的輸入輸出，用戶(hù)進(jìn)入“READDATA”則沒(méi)有回復(fù)的降水現(xiàn)象儀的設(shè)備狀態(tài)或消息。一旦發(fā)生這種情況，則必須確保感應(yīng)器能夠正常工作。USB轉(zhuǎn)串口與感應(yīng)器之間連接時(shí)，在串口調(diào)試助手中的CS/C/R＜CR〉中檢查串口的通訊速度設(shè)置是否為9 600 bit/s，若沒(méi)有則必須將其設(shè)置為9 600 bit/s；在通常狀況下，感應(yīng)器中每分鐘都可以產(chǎn)生一串32個(gè)或16進(jìn)制單元的數(shù)據(jù)幀[4]。用手掌遮住感應(yīng)器的檢測(cè)范圍，而手指則向發(fā)射端（貼有英文圖標(biāo)）的方位產(chǎn)生一根不可逾越的紅線(xiàn)，說(shuō)明了在一般情況下激光傳感器工作正常，因此基本可以確定感應(yīng)器正確無(wú)誤，且內(nèi)部信號(hào)處理的回路也基本沒(méi)有損壞。

2.3.2 傳感器數(shù)據(jù)異常DSG4降水現(xiàn)象儀的觀測(cè)數(shù)值和現(xiàn)場(chǎng)狀況出入較大，包括無(wú)雨時(shí)預(yù)報(bào)降水、大雨預(yù)報(bào)冰雹等。鏡頭污染后導(dǎo)致其讀數(shù)的失常。因此，儀表維護(hù)人員每隔一段時(shí)間就應(yīng)檢查降水現(xiàn)象儀的感應(yīng)器周?chē)欠裼姓趽跷?、感?yīng)器的發(fā)送端和接收端周?chē)欠裼兄┲刖W(wǎng)或紙屑等物體遮蔽。此外，由于氣候和場(chǎng)地等方面的影響，空氣污染還可能會(huì)損傷激光的防護(hù)鏡，從而導(dǎo)致感應(yīng)器的正常運(yùn)作能力下降。

根據(jù)OTT電報(bào)給出的最新數(shù)據(jù)信息（感應(yīng)器狀況）為感應(yīng)器和激光等光學(xué)設(shè)備的正常工作運(yùn)行情況奠定了信息基礎(chǔ)，可以直接在儀器狀況信息欄內(nèi)查詢(xún)，其中的代碼及其具體的狀態(tài)信息如下：0表示儀器全部運(yùn)行情況是否正常工作；1表示激光保護(hù)鏡遭到了破壞，但仍可進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)；2表示激光保護(hù)鏡沒(méi)有遭到破壞，但部分功能被屏蔽，因此無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。但需要特別注意是，當(dāng)傳感器鏡頭不正確后，也可以是保護(hù)鏡頭被損壞并且出現(xiàn)標(biāo)識(shí)2，這類(lèi)故障一般出現(xiàn)在臺(tái)站搬遷后。傳感器在工作過(guò)程中發(fā)生了事故，造成鏡頭對(duì)焦出現(xiàn)錯(cuò)誤，一般可以將感應(yīng)器平置于平面上稍加按摩，調(diào)整探頭位置于同一水平面進(jìn)行還原。

2.4 無(wú)線(xiàn)模塊故障

無(wú)線(xiàn)模塊收發(fā)數(shù)據(jù)故障有以下5種可能：（1）多數(shù)情況都是由于手機(jī)卡欠費(fèi)造成的，可以先打電話(huà)給無(wú)線(xiàn)模塊內(nèi)的電話(huà)卡，確認(rèn)一下是否為欠費(fèi)情況。（2）檢查無(wú)線(xiàn)電模塊的外部天線(xiàn)是否損壞。（3）揭開(kāi)機(jī)箱，查看無(wú)線(xiàn)電模塊上的紅色指示燈是否為常亮的狀態(tài)，如紅色指示燈常亮說(shuō)明供電狀況良好；否則無(wú)線(xiàn)電模塊將永遠(yuǎn)不能使用。（4）無(wú)線(xiàn)模塊中藍(lán)色指示燈常亮，則說(shuō)明它已連接網(wǎng)絡(luò)[5]。而如果顯示器一直不啟動(dòng)，則說(shuō)明它未連接網(wǎng)絡(luò)。（5）關(guān)閉無(wú)線(xiàn)模塊10 s，然后再重新配置無(wú)線(xiàn)設(shè)備。若配置的問(wèn)題仍不解決問(wèn)題，則可換上最新的無(wú)線(xiàn)模塊。

2.5 設(shè)備連接狀態(tài)不佳

在監(jiān)測(cè)工作情況時(shí)，一旦遇到降水現(xiàn)象儀的狀態(tài)不通，則必須查看儀器通信參數(shù)的設(shè)定狀態(tài)，檢查是否存在儀器不能工作的現(xiàn)象；若儀器正常，必須查看光電轉(zhuǎn)換模塊是否能夠正常工作，最重點(diǎn)要查看儀器IP地址有無(wú)被搶占，若儀器沒(méi)有出現(xiàn)該現(xiàn)象，則必須查看儀器內(nèi)核版本的更新?tīng)顟B(tài)，若為非更新則必須升級(jí)儀器；若為最新版本，則必須檢查設(shè)備線(xiàn)纜的正常連通狀態(tài)，如有異常應(yīng)替換線(xiàn)纜；要是儀器的狀態(tài)不通是由于儀器阻塞而造成的，則應(yīng)再次啟用儀器；要是采集功能失效，則必須替換儀器。對(duì)于氣候干燥少雨的地區(qū)，應(yīng)定期檢查對(duì)降水現(xiàn)象儀傳感器的靈敏度要求，最具體的檢查辦法是拿隨儀器自帶的小工具在2個(gè)探測(cè)器中間左右搖晃幾下，然后看采集器是否顯示為降水天氣現(xiàn)象。

3 修復(fù)后的測(cè)試與檢定

降水現(xiàn)象儀經(jīng)過(guò)維修后，對(duì)感應(yīng)器采用最簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)測(cè)量的方式，即用建設(shè)隨儀器裝置時(shí)，包裝桶里自帶的小儀器在2個(gè)探測(cè)器中間左右搖晃幾下，再查看SMO業(yè)務(wù)軟件氣候表現(xiàn)要素的逐分鐘數(shù)據(jù)結(jié)果，如果有氣候表現(xiàn)產(chǎn)品直接輸出。高速搖晃出“冰雹”氣候表現(xiàn)，慢速晃動(dòng)出“雨”氣候表現(xiàn)，毛毛雨可以使用噴灑劑加以探測(cè)[6]。但由于感應(yīng)器里具有溫度檢測(cè)與校正，氣溫在0℃之上時(shí)無(wú)法出現(xiàn)降雪，所以難以探測(cè)。

4 檢修實(shí)際舉例

例1：故障情況為降水現(xiàn)象儀通信順利，但無(wú)數(shù)據(jù)信息。啟動(dòng)電源機(jī)箱，發(fā)現(xiàn)箱體漏水，經(jīng)檢測(cè)電力控制器的2只變壓器系統(tǒng)裝置均已損壞，裝置仍?xún)H靠電池提供，因采集板功率遠(yuǎn)低于感應(yīng)器，故感應(yīng)器先暫停工作。經(jīng)調(diào)換變壓器系統(tǒng)裝置后，裝置重新復(fù)位。

例2：故障現(xiàn)象主要由于降水現(xiàn)象儀通信不良。后經(jīng)通訊電平檢查，串口的PORT接口中在R、G與T、G之間出現(xiàn)了2個(gè)-5 V左右的電流，滿(mǎn)足了RS232通訊電平規(guī)定。在通訊線(xiàn)另一邊的主采錄板的接口上R、G與T、G卻只是1個(gè)-5 V電流。在斷電后進(jìn)行了通斷測(cè)試，測(cè)到黑色地絲斷路，然后使用同芯中多余的紫絲和黑條紋連接，通信恢復(fù)正常。

例3：故障問(wèn)題由于SMO的主界面天氣現(xiàn)象的觀測(cè)時(shí)間每天更改，但實(shí)際觀測(cè)時(shí)間一直顯示為0。打開(kāi)業(yè)務(wù)管理軟件，對(duì)調(diào)試終端使用“UB”的命令卻提示有數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。后發(fā)現(xiàn)，雷擊新替換的主采集板并沒(méi)有替換固件，但新版SMO應(yīng)用軟件雖對(duì)該信息不解釋但可接收，在使用自動(dòng)更新的主采集板固件后，將觀測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)原。

5 結(jié)束語(yǔ)

氣象觀測(cè)逐漸轉(zhuǎn)向全自動(dòng)氣象觀測(cè)，儀器故障排除和處理方法成為臺(tái)站工作人員和技能掌握的新課題。DSG4型降水現(xiàn)象儀與自動(dòng)氣象站相連，可以使觀測(cè)結(jié)果客觀、觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)，有利于提高降水觀測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，減少觀測(cè)人員的工作量，進(jìn)一步提高觀測(cè)質(zhì)量和效率。因此，臺(tái)站業(yè)務(wù)人員應(yīng)熟悉儀器性能，做好日常維護(hù)，掌握簡(jiǎn)單的維修方法，故障出現(xiàn)第一時(shí)間采取適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，以降低設(shè)備故障率，確保設(shè)備長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。