DSC3型稱重式降水傳感器維修維護(hù)方法

盧 舟，劉鐘中，王 凡，王 舜

(1.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410118；2.臨澧縣氣象局，臨澧 415200；3.常德市氣象局，常德 415000)

0 引言

降水量作為一種重要的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，對做好強(qiáng)降水監(jiān)測預(yù)警、冬季低溫雨雪冰凍、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)保等氣象服務(wù)工作至關(guān)重要。DSC3型稱重式降水傳感器是一種自動(dòng)采集降水?dāng)?shù)據(jù)的智能化雨量傳感器，可全天候持續(xù)觀測液態(tài)、固態(tài)以及混合降水。他既可以輸出開關(guān)信號(hào)，又可輸出RS-232/485數(shù)字信號(hào)[1]，在現(xiàn)有的幾種新型自動(dòng)氣象站上實(shí)現(xiàn)國家站兩種雨量傳感器的同步數(shù)據(jù)采集。DSC3型稱重式降水傳感器的全面部署大大減少了基層臺(tái)站人工觀測工作量，進(jìn)一步提高了降水過程的觀測效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

稱重式降水傳感器與傳統(tǒng)翻斗式雨量傳感器在工作原理、組成結(jié)構(gòu)、維護(hù)方法等方面完全不同，基層臺(tái)站業(yè)務(wù)人員在維護(hù)維修該傳感器時(shí)需要按照規(guī)范中的新方法。目前，一些業(yè)務(wù)人員對DSC3型稱重式降水傳感器進(jìn)行了研究，李艷琴[2]等根據(jù)觀測資料對稱重式降水傳感器數(shù)據(jù)誤差和故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，周旭輝、陳杰[3，4]等研究了DSC3型稱重式降水傳感器的日常維護(hù)及故障處理方法，但還存在典型故障數(shù)量少、維修方法不夠全面等問題。因此，文章簡要介紹了該傳感器的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了從傳感器端到主采集器，再到業(yè)務(wù)軟件端的詳細(xì)維修方法。

1 稱重式降水傳感器

1.1 傳感器基本結(jié)構(gòu)

DSC3型稱重式降水傳感器主要由數(shù)據(jù)采集處理單元、紅外降水發(fā)生探測器(OPD)、稱重單元、收集容器以及相關(guān)外圍組件構(gòu)成。

1.2 傳感器工作原理

目前，國家自動(dòng)氣象站使用的稱重式降水傳感器有壓力應(yīng)變式和振弦式兩種類型。DSC3型稱重式降水傳感器采用壓力應(yīng)變式測量原理，基于一種具有電阻應(yīng)變技術(shù)的稱重元件，通過對其承載重量變化的快速響應(yīng)進(jìn)行測量并計(jì)算出降水量[5]。數(shù)據(jù)采集處理單元通過OPD判斷是否有降水發(fā)生，只有OPD判定有降水出現(xiàn)時(shí)，才會(huì)對該降水發(fā)生時(shí)稱重元件測量的重量信號(hào)進(jìn)行輸出，同時(shí)過濾和修正由于溫度、風(fēng)等環(huán)境因素造成的干擾，獲取準(zhǔn)確的降水量，其工作原理如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理圖

1.2.1 數(shù)據(jù)采集處理單元

數(shù)據(jù)采集處理單元的主要功能是將稱重單元測得的收集容器中降水重量的信號(hào)轉(zhuǎn)化成以mm為單位的降水量，再調(diào)用存儲(chǔ)器中的校準(zhǔn)常數(shù)、溫度系數(shù)等參數(shù)對雨量值進(jìn)行修正。然后進(jìn)行質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)與主采之間的數(shù)據(jù)通信和傳輸。該處理單元同時(shí)具備開關(guān)信號(hào)輸出接口和RS-232/RS-485串行接口，兼容性較強(qiáng)，1個(gè)開關(guān)信號(hào)相當(dāng)于0.1 mm降水。通過降水重量轉(zhuǎn)換成降水總量的計(jì)算公式為：

P=M/(ρ×S)

(1)

式中,P為降水總量；M為降水總重量；ρ為水的密度；S為承水口面積(固定值)。

1.2.2 稱重單元

稱重單元通過對收集容器中降水重量變化的快速響應(yīng)測量降水。該單元基于電阻應(yīng)變技術(shù)，敏感梁在盛水桶壓力作用下產(chǎn)生彈性形變，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片也發(fā)生變形，電阻應(yīng)變片的阻值隨之發(fā)生變化，再經(jīng)過相應(yīng)的測量電路對信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得收集容器中降水重量的變化。

1.2.3 降水發(fā)生探測器

降水發(fā)生探測器(OPD)基于紅外線光束進(jìn)行探測，OPD圈上相對兩端分別為發(fā)射端和接收端，其中一側(cè)的兩個(gè)遮陽管中間有1個(gè)發(fā)光二極管為發(fā)射端。發(fā)射端持續(xù)發(fā)射紅外線光束，當(dāng)有降水粒子(雨、雪、雨夾雪或冰雹)連續(xù)通過紅外線光束并被智能算法判識(shí)后，OPD判斷有無降水發(fā)生，當(dāng)OPD判定有降水過程發(fā)生時(shí)，傳感器將測得的重量進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出降水量。

2 日常維護(hù)

稱重式降水傳感器要注意做好以下幾點(diǎn)維護(hù)：

1)每年需對傳感器至少進(jìn)行 2 次維護(hù)，清空收集容器內(nèi)的液體，時(shí)間分別在入夏和入冬之前。在汛期降水量較大或沙塵天氣頻繁出現(xiàn)的地區(qū)，應(yīng)加大維護(hù)頻率。每次出現(xiàn)較大降水(雪)天氣過程后應(yīng)及時(shí)檢查收集容器內(nèi)液體水位，若達(dá)到桶身標(biāo)注刻度400 mm時(shí)必須及時(shí)清理，防止收集容器溢水損壞其他部件；當(dāng)某次降水過程降水量可能超過最大量程時(shí)，應(yīng)在降水間歇期進(jìn)行排水；出現(xiàn)大的降雪天氣過程后應(yīng)及時(shí)清除承水口口沿外的積雪，承水口內(nèi)壁上的積雪或雨凇應(yīng)掃入收集容器內(nèi)，出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)按業(yè)務(wù)規(guī)定進(jìn)行處理[6]。若本地區(qū)未來將出現(xiàn)沙塵天氣但沒有降水，應(yīng)提前將桶口加蓋，過程結(jié)束后及時(shí)取蓋恢復(fù)。

2)收集容器在夏天要放入水和抑制蒸發(fā)油，冬天要放入抑制蒸發(fā)油和防凍液[7]。抑制蒸發(fā)油要能完全覆蓋桶底薄薄一層(240 mL)，防凍液根據(jù)站點(diǎn)本地歷年最低極值溫度放入相應(yīng)的量。

3)業(yè)務(wù)人員要每周打開保護(hù)外殼查看OPD遮光管上是否有蜘蛛網(wǎng)、污漬或者其他遮擋物，如OPD遮光管上有異物或大雨有迸濺則OPD傳感器需用干抹布或紙巾進(jìn)行清理。

4)將筆記本與數(shù)據(jù)采集處理單元RS-232/RS-485接口連接，使用串口調(diào)試軟件或ISOS軟件維護(hù)終端對稱重式降水傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，輸入JZ+校準(zhǔn)常數(shù)指令即可。

3 維修流程

根據(jù)DSC3型稱重式降水傳感器基本原理和硬件結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，可依次從供電、數(shù)據(jù)采集處理單元、OPD、稱重單元、信號(hào)線、主采串行通信端口以及ISOS軟件等部分開始，采用分段式模塊化檢修方法逐步進(jìn)行檢查。

4 典型故障處理

4.1 數(shù)據(jù)采集處理單元故障

打開數(shù)據(jù)采集處理單元上蓋，檢查單元12 V供電輸入輸出是否正常，用萬用表20 V直流電壓檔測量穩(wěn)壓模塊的輸入和輸出電壓，輸入電壓9～16 V、輸出電壓12 V即為正常；查看單元內(nèi)部狀態(tài)，采集主板上有3個(gè)連續(xù)發(fā)藍(lán)色光的燈，3個(gè)藍(lán)色LED燈交替閃爍代表主板工作正常，否則主板有故障。

當(dāng)DSC3型稱重式降水傳感器無數(shù)據(jù)時(shí)，可檢測單元開關(guān)信號(hào)輸出口的工作狀態(tài)。將筆記本與數(shù)據(jù)采集處理單元的調(diào)試串口連接，通過調(diào)試軟件發(fā)送命令FR 10000至硬件，在數(shù)據(jù)采集處理單元的開關(guān)信號(hào)口連接1個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器或與調(diào)至斷檔的萬用表連接，等待3～5 s后，計(jì)數(shù)器會(huì)顯示10個(gè)計(jì)數(shù)或萬用表發(fā)出10次通斷嗡鳴聲，并且每輸出1個(gè)計(jì)數(shù)就有1聲，即表示開關(guān)信號(hào)口能正常工作，如果有聲響，計(jì)數(shù)器和萬用表無反應(yīng)，要檢查信號(hào)線是否連接正確，如果沒有聲響，則設(shè)備的開關(guān)信號(hào)口存在故障，需要更換數(shù)據(jù)采集處理單元。

4.2 OPD單元故障

用工具在OPD圈的中心快速晃動(dòng)(模擬出現(xiàn)降水)，同時(shí)發(fā)送LS命令查看OPD記錄次數(shù)有無增長，OPD記錄次數(shù)增長說明OPD可以啟動(dòng)降水發(fā)生；然后停止晃動(dòng)，同時(shí)不停發(fā)送LS命令，此時(shí)OPD顯示的次數(shù)應(yīng)該停止在最后晃動(dòng)時(shí)記錄的次數(shù)，持續(xù)發(fā)送至OPD顯示的次數(shù)歸零后5 min無增長，說明OPD工作正常，否則OPD有故障，對降水量的輸出有影響或可能誤報(bào)降水量。

在使用傳感器的實(shí)際環(huán)境中，各臺(tái)站地網(wǎng)可能存在異常電波，若無法改變當(dāng)前使用環(huán)境，可將OPD接地線取下，重復(fù)上一步OPD檢測操作。 如OPD檢測工作正常，業(yè)務(wù)軟件(ISOS)仍在非降水時(shí)段出現(xiàn)異常值可進(jìn)一步通過發(fā)送DMPR命令調(diào)取異常值前后時(shí)段的歷史數(shù)據(jù)分析OPD工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)OPD無故自啟，則OPD存在故障，需要更換。同時(shí)，發(fā)送DMPR命令還能獲取設(shè)備狀態(tài)信息，狀態(tài)標(biāo)識(shí)為0000表示正常，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)為0表示正常，分析設(shè)備的溫度傳感器數(shù)值是否接近周圍環(huán)境溫度，實(shí)時(shí)重量是否和當(dāng)前收集容器內(nèi)的液體重量一致，以此排查問題。

4.3 傳感器信號(hào)線纜故障

在DZZ4型主采集器機(jī)箱端拔下稱重式降水傳感器信號(hào)線，將3芯信號(hào)線兩兩進(jìn)行短接，然后將萬用表打到蜂鳴檔，在傳感器一端檢測信號(hào)線通斷，若有蜂鳴聲說明信號(hào)線導(dǎo)通，否則說明某根信號(hào)線存在斷路。還需反復(fù)測量整個(gè)信號(hào)線的阻值，通過阻值判斷信號(hào)線是否有虛接或接觸不良的情況，正常情況下信號(hào)線阻值應(yīng)該是穩(wěn)定不變的，當(dāng)出現(xiàn)虛接或接觸不良時(shí)降水量測量不準(zhǔn)。

4.4 主采RS-485通道故障

4.4.1 通道未開啟

在業(yè)務(wù)主機(jī)ISOS軟件維護(hù)終端或串口調(diào)試軟件中，首先輸入super ADMIN進(jìn)入管理模式，然后使用SENST RAW指令查看主采集器稱重式降水傳感器通道是否打開，返回1表示已打開，返回0表示未打開，若未打開則輸入SENST RAW 1指令打開通道，連接稱重式降水傳感器；同時(shí)使用COMDEV 5 WUSH_WP和SETCOMEX 5 9600 8 N 1指令配置端口及其相應(yīng)通信參數(shù)，完成DZZ4型主采集器稱重式降水傳感器的通道設(shè)置。這種故障會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)軟件端降水?dāng)?shù)據(jù)始終為0，一般在更換主采集器后會(huì)出現(xiàn)。

4.4.2 通道硬件故障

為判斷主采集器稱重降水通道硬件是否正常，可使用通道替換法進(jìn)行檢查。通過串口調(diào)試助手或ISOS軟件維護(hù)終端，將WUSH-BH6型主采集器的稱重降水RS-485通信端口(數(shù)字備用口2)改用為能見度端口并將能見度信號(hào)線端子插入，若能見度數(shù)據(jù)能正常采回，說明主采集器稱重降水RS-485通道能正常工作，否則該通道不正常，需要更換主采集器。

4.5 接地故障

當(dāng)降水觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)無規(guī)律異常值時(shí)，檢查OPD和基座接地線是否出現(xiàn)接觸不良、松動(dòng)的情況，傳感器接地電阻應(yīng)該小于4 Ω。

5 結(jié)束語

根據(jù)日常維護(hù)工作中的實(shí)際情況，DSC3型稱重式降水傳感器還存在需要改進(jìn)的地方：1)數(shù)據(jù)采集時(shí)效相對滯后。與翻斗式雨量傳感器相比，數(shù)據(jù)延時(shí)達(dá)3～5 min[8]，造成及時(shí)性不夠高，不利于冬季冰凍雨雪天氣過程氣象服務(wù)。2)維護(hù)的便利性還需要進(jìn)一步提高，可增加自動(dòng)排水設(shè)計(jì)，盡量實(shí)現(xiàn)免維護(hù)?？商岣叻Q重單元的負(fù)載量，減少維護(hù)次數(shù)。特別是雨雪天氣，口沿會(huì)堆積雪或者雨凇，需要人工干預(yù)才能確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，建議冬季為儀器增加加熱功能。3)優(yōu)化數(shù)據(jù)采集處理單元識(shí)別算法，增強(qiáng)電路電磁屏蔽性能，減少電磁干擾，提高采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

DSC3型稱重式降水傳感器的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)氣象站降水觀測全自動(dòng)化，避免了冬季人工觀測時(shí)效性差、觀測頻次少等問題，能全面、連續(xù)的反應(yīng)冬季降水情況。做好稱重式降水傳感器的日常維護(hù)維修有利于降水觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取、及時(shí)傳輸，提高了地面氣象觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，為精細(xì)化氣象服務(wù)提供了基礎(chǔ)支撐。