DNQ1型前向散射式能見度觀測儀的故障與校準分析

李永順 馬季芳 張 仙 羅延年

（海西州氣象局，青海 海西 817099）

0 引言

隨著地面氣象觀測自動化技術的發(fā)展，觀測人員的工作重心已轉移到地面氣象觀測自動化系統(tǒng)的維護維修中。新型自動化氣象站的功能更加完善，逐步實現對雨量稱重、日照、雪深、降水天氣現象、凍土、能見度等的自動觀測。能見度作為氣象觀測的一項重要因素，對日常生活和社會生產有著很大的影響。廣泛應用能見度觀測儀為氣象預報預警服務提供豐富的數據資料和科學依據。為了保證能見度觀測儀獲取到的數據資料及時、準確、完整，維修工作就顯得十分重要。目前，臺站人員對能見度觀測儀的工作原理和維修方法的了解很少，主要原因有以下三個方面。一是地面氣象觀測自動化系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定，出現故障的概率比較低。二是能見度觀測儀的維修不容易，需要一定時間的積累。三是在能見度觀測儀故障維修方面的研究很少［1-6］。因此，本研究對DNQ1型前向散射式能見度觀測儀的故障分析和校準方法進行分析，為保障技術人員在進行維修能見度觀測儀時提供參考，確保能見度觀測儀能穩(wěn)定運行。

1 能見度觀測儀工作原理

DNQ1型前向散射式能見度觀測儀是由能見度傳感器、橫臂、供電機箱、立柱等部件組成。PWD50型能見度傳感器由發(fā)射機、控制接收機、Pt100溫度傳感器、護罩加熱器等部件組成，如圖1 所示。能見度傳感器采用立柱安裝的方式，采樣區(qū)的中心距地高度為2.8 m，接收單元朝北、發(fā)射單元朝南，能見度傳感器橫臂保持水平方向。發(fā)射單元的紅外發(fā)光管發(fā)射出近似平行的紅外光束，接收單元將采樣區(qū)內的大氣前向散射光匯集到接收單元中的光電傳感器的接收面上，并將其轉換成與大氣能見度成反比關系的電信號，將處理后的電信號上傳到控制器數據處理單元中，CPU 對其進行采樣、計算散射光強，由此計算出大氣能見度數值。主采集器通過RS485 通信線進行能見度傳感器的數據采集、質控和存儲，光纖轉換器用于實現RS232 電信號與光信號的相互轉換，串口服務器可實現對各觀測設備觀測數據的串口傳輸模式到以太網傳輸模式的轉換。光纖交換機分布在光纖的兩端，用于網絡協(xié)議和光通信協(xié)議的轉換。最終用終端業(yè)務機ISOS 業(yè)務觀測軟件來顯示能見度等氣象數據，通過ISOS業(yè)務觀測軟件來監(jiān)控各設備氣象數據。DNQ1型前向散射式能力度觀測儀系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 PWD50型能見度傳感器實物圖

2 能見度觀測儀的故障分析

根據圖2 所示的系統(tǒng)框架圖，遵循先室內后室外、先軟件后硬件、先簡單后復雜的原則，對能見度觀測儀進行快速、準確的故障處理分析。

圖2 DNQ1型前向散射式能見度觀測儀系統(tǒng)框圖

2.1 檢查ISOS業(yè)務觀測軟件

ISOS 業(yè)務觀測軟件主要用于對地面氣象觀測自動化系統(tǒng)的數據監(jiān)控、數據處理、數據傳輸等。要注意以下五個事項。①安裝ISOS 業(yè)務觀測軟件的計算機，其操作系統(tǒng)應使用Windows 7 專業(yè)版、旗艦版或以上操作系統(tǒng)，32 位、64 位均可，安裝正版殺毒軟件。②做好備份機ISOS 業(yè)務觀測軟件安裝、數據采集、數據傳輸等的測試，若現用業(yè)務機出現故障，要及時切換到備份業(yè)務機進行數據觀測?，F用業(yè)務機和備份業(yè)務機要同時對ISOS 業(yè)務觀測軟件進行升級，做好ISOS 安裝軟件、升級軟件、數據及參數的備份工作。③若ISOS 業(yè)務觀測軟件中新型自動氣象站、降水現象觀測儀、日照觀測儀等觀測設備的數據全部缺測，則說明是硬件綜合集成控制器出現故障；若新型自動氣象站的數據出現缺測，而其他觀測設備的數據正常，則說明是新型自動氣象站出現故障；若新型自動氣象站掛接的能見度數據出現缺測，而其他數據正常，則說明是能見度觀測儀出現故障。④檢查ISOS 業(yè)務觀測軟件中新型自動氣象站等觀測設備的串口參數配置是否正確，在設置串口號時要與Nport 驅動軟件中分配給新型自動氣象站的串口號應保持一致。⑤若ISOS業(yè)務觀測軟件能見度數據缺測，先進入設備管理下的終端維護，依次發(fā)送DEVMODE FD12P 2、SERIAL 1 OPEN、SERIAL 1 STA 調試命令來檢查能見度傳感器，并根據錯誤或警告提示信息對能見度傳感器進行維護維修。

2.2 電源系統(tǒng)故障分析

硬件綜合集成控制器、新型自動氣象站、能見度觀測儀的電源系統(tǒng)組成部分和工作原理完全一致。能見度觀測儀電源系統(tǒng)的工作原理如下。AC220 V 經過空氣開關和交流防雷模塊，開關電源會將AC220 V 轉換成DC14.5 V，DC14.5 V 經過充電保護模塊后，對能見度傳感器進行供電，同時對蓄電池進行充電。若AC220 V 出現掉電的情況，蓄電池將直接對能見度傳感器進行供電。能見度觀測儀的電源系統(tǒng)由空氣開關、交流防雷模塊、開關電源、充電保護模塊、接線端子、信號防雷模塊和蓄電池組成。電源系統(tǒng)故障的處理方法詳見表1。

表1 DNQ1型前向散射式能見度觀測儀的電源系統(tǒng)故障處理方法

2.3 ZQZ-PT1硬件綜合集成控制器故障分析

ZQZ-PT1 硬件綜合集成控制器是一種新型的網絡通信轉換設備，能將新型自動氣象站和其他串口設備進行集中管理，并通過網絡來完成新型自動氣象站等設備的數據傳輸。ZQZ-PT1 硬件綜合集成控制器是由電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，電源系統(tǒng)故障的處理方法與能見度觀測儀電源系統(tǒng)故障的處理方法完全一致。通信系統(tǒng)由光纖轉換器、串口服務器和光纖交換機組成，根據設備運行燈的閃爍情況進行故障處理。故障處理方法見表2。

表2 ZQZ-PT1硬件綜合集成控制器通信系統(tǒng)的故障處理方法

2.4 主采集器故障分析

新型自動氣象站的主采集器用于對能見度等氣象數據的采集、質控、存儲和傳輸。WUSHBH 型主采集器的故障處理方法如下。①觀察主采集器紅色RUN 指示燈是否秒閃，若指示燈不亮或閃爍異常，則說明主采集器存在故障。對主采集器進行重啟，重啟后檢查RUN 指示燈是否恢復到秒閃狀態(tài)。②測量主采集器的供電電壓是否在DC13.8 V 左右，若供電電壓不正常，則對供電系統(tǒng)進行維修。③主采集器的CF 數據卡出現故障，會導致主采集器運行異常，應更換或去掉CF 數據卡，并重啟主采集器，重啟后檢查運行是否正常。④當主采集器的傳感器通道、CAN 通道、通信通道出現損壞時，要更換主采集器。⑤將主采集器與筆記本電腦的USB 轉串口線連接在一起，運行SSCOM32串口助手調試軟件，通信參數設置為“9 600，8，1，N”，勾選發(fā)送新行，打開串口，發(fā)送samples 調試命令。若讀取主采集器實時數據失敗，則重啟主采集器，重啟后讀取數據依舊失敗，需要更換主采集器。⑥通過主采集器來檢查能見度傳感器是否正常。發(fā)送“DEVMODE FD12P 2”命令，回顯“T”，進入能見度傳感器調試模式；發(fā)送“SERIAL 1 OPEN”命令來調試“COM1”上的能見度傳感器；發(fā)送“SERIAL 1 MES”命令，能顯示1 min和10 min的能見度數據；發(fā)送“SERIAL 1 STA”命令，來檢查能見度傳感器的運行狀態(tài)信息，若最后顯示“HARDWARE:OK”，則說明能見度傳感器運行正常；若最后顯示硬件錯誤或警告信息，能見度數據會顯示缺測，根據提示信息來解決能見度傳感器的故障，直到顯示“HARDWARE:OK”為止；發(fā)送“DEVMODE FD12P 0”命令，退出能見度傳感器的調試模式。⑦檢查主采集器的能見度通道是否正常。發(fā)送“SENST VI 1”命令，開啟能見度的觀測要素。顯示“T”，發(fā)送“COMDEV 1 FD12P”命令，設置主采集器COM1 為能見度傳感器；顯示“T”，發(fā)送“SETCOMEX 1 4800 8 N 1”命令，設置能見度傳感器的通信參數；顯示“T”，依次發(fā)送“SUPER ADMIN”“VARCH VI COM.1 V”“V10”和“VIASC 12”命令，從而設置完成能見度的計算方法。

2.5 RS485通信線故障分析

WUSH-BH 型主采集器與PWD50 型能見度傳感器是通過RS485 線進行通信的，能見度傳感器電纜線含紅黑2 根電源線、白棕2 根信號線、綠黃灰3根調試線。將能見度傳感器的電纜線接入到供電機箱信號防雷模塊中，再將接線端子接到主采集器RS485 口。RS485 通信線的故障處理方法如下。①檢查能見度傳感器接收器底部的電纜插頭是否旋緊，檢查信號防雷模塊、接線端子、主采集器上的RS485接線頭是否出現松動或脫落的情況。②測量信號防雷模塊、接線端子、主采集器之間的RS485通信線是否導通。若萬用表發(fā)出聲響，說明RS485 通信線是正常的。③檢查信號防雷模塊是否被雷擊擊穿，測量接線端子兩側是否導通。

2.6 能見度傳感器故障分析

檢查能見度傳感器是否正常。筆記本電腦通過調試線與能見度傳感器進行連接，發(fā)送調試命令進行故障分析。PWD50 型能見度傳感器的故障處理方法如下。①將DB9母頭2、3、5引腳上的3根線纜分別與能見度傳感器的綠、黃、灰電纜連接在一起，再將DB9母頭與筆記本電腦的USB轉串口線進行對接。②將能見度傳感器斷電，運行SSCOM32串口調試軟件，通信參數設置為“4 800,8,1,N”，勾選“發(fā)送新行”，打開串口，給能見度傳感器通電，響應窗口顯示版本信息，若版本信息不顯示，檢查波特率的設置是否正確，重新上電進行嘗試。③在調試軟件命令框中輸入OPEN 命令，按回車鍵顯示信息為“PWD OPENED FOR OPERATOR COMMANDS”，則說明成功打開能見度傳感器接口。④發(fā)送STA 調試命令，檢查能見度傳感器的硬件狀態(tài)。若顯示“HARDWARE:OK”，則說明能見度傳感器的硬件狀態(tài)正常；若顯示硬件錯誤或警告信息（見表3），要對能見度傳感器進行故障維修。繼續(xù)發(fā)送STA 命令，直到顯示“HARDWARE:OK”為止。⑤發(fā)送MES 調試命令，檢查能見度傳感器的狀態(tài)和能見度實時數據是否正常。

表3 DNQ1型前向散射式能見度傳感器的硬件錯誤和警告信息

3 能見度觀測儀的校準方法

為了保證能見度觀測儀測量的準確性，使用PWA11 校準套件對能見度傳感器每隔半年進行一次校準。校準前必須要注意以下兩個事項。一是在能見度大于500 m 的條件下對能見度傳感器進行校準。二是在標定前要清潔能見度傳感器的鏡頭和標定用的遮光板和散光板。

能見度觀測儀的校準維護步驟如下。①將能見度傳感器綠、黃、灰三色線纜與筆記本電腦上的RS-232 通信線轉接USB 串口線連接在一起。②運行SSCOM32 串口調試軟件，將波特率設置為“4 800,1,8,N”，并發(fā)送“OPEN”命令，打開能見度傳感器。③將遮光板放在接收器的護罩上，用于阻止光路，等待30 s 后，輸入MES 調試命令來讀取能見度儀標稱量值的上限值，若未達到標稱量值的上限值（35 000），則要對其進行維修。④在完成標稱量值上限讀取后，發(fā)送ZERO命令，顯示“ZERO SIGNAL:OK”。⑤取走遮光板，將散光板裝到鏡頭護罩上，注意要使散光板與鏡頭平行，否則會引起示值誤差。⑥移出光路，確保收發(fā)光路上沒有任何障礙物，并等待60 s。⑦發(fā)送CHEC 命令，1 min 后讀取顯示的信號值，將該信號值與印在散光板上的值進行對比，若誤差小于5%，則校準正確。⑧將鼠標放在響應窗口上，按ESE 鍵來終止CHEC 命令。⑨若校準結果誤差超過5%，發(fā)送“CAL”命令，對能見度傳感器進行校準調整，如發(fā)送“CAL 472”命令，則“472”為印在散光板上的校準儀信號值。⑩繼續(xù)執(zhí)行第⑦步，檢查能見度傳感器的信號值與印在散光板值的誤差是否小于5%。若誤差大于5%，則重新進行校準；若誤差超過20%，檢查能見度傳感器是否存在硬件或機械錯誤。

4 結語

本研究從電源系統(tǒng)、RS485通信線、能見度傳感器、主采集器、ZQZ-PT1通信轉換器、ISOS業(yè)務觀測軟件等方面出發(fā)，對DNQ1 型前向散射式能見度觀測儀的故障進行分析，從而形成一套完整的維修流程，幫助保障技術人員及時解決能見度觀測儀出現的各種故障，保證能見度觀測儀能正常運行，提高地面氣象觀測自動化系統(tǒng)數據資料的連續(xù)性、準確性和及時性。由于能見度觀測儀的維修工作比較繁重，氣象站業(yè)務人員應熟練掌握工作原理，不斷積累維修經驗，確保能見度觀測儀能穩(wěn)定運行。另外，要建立標準化的儀器庫房和規(guī)范化的管理制度，保證氣象儀器設備備件充足，如果出現因設備缺少備件而導致長時段缺測，會影響業(yè)務質量。