視程障礙現(xiàn)象儀的使用及故障排查處理

朱旭敏 陳蓓瑩 李 爽

（河北省信息工程學(xué)校，保定 071000）

視程障礙現(xiàn)象指影響能見度且其強度與能見度直接相關(guān)的天氣現(xiàn)象，主要包括霧、輕霧、霾、揚沙、浮塵和沙塵暴等。空氣中存在水汽凝結(jié)物、干質(zhì)懸浮物，會降低能見度，影響人們的生產(chǎn)生活，尤其對交通運輸和出行安全帶來極大影響，因此研究視程障礙現(xiàn)象具有重要意義[1]。視程障礙現(xiàn)象儀的出現(xiàn)，進一步提升了自動判別視程障礙現(xiàn)象的精準度。

為提升視程障礙現(xiàn)象判識準確度，根據(jù)相關(guān)標準文件劃分視程障礙現(xiàn)象的判定依據(jù)，除霧、輕霧外，霾、揚沙、浮塵和沙塵暴這4 種視程障礙現(xiàn)象均須借助在線PM10和PM2.5質(zhì)量濃度觀測結(jié)果進行判定。2022年起，視程障礙現(xiàn)象儀逐漸投入基層氣象臺站。臺站通過臺站地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件（Integrated Surface Observing System，ISOS）融合采集的PM10、PM2.5質(zhì)量濃度測量結(jié)果，結(jié)合自動站降水量、能見度、風(fēng)速、相對濕度等氣象要素綜合判識視程障礙現(xiàn)象。通過多源數(shù)據(jù)的采集和融合，提升氣象觀測數(shù)據(jù)的準確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

視程障礙現(xiàn)象儀由進氣單元、測量與控制單元、輔助測量單元、流量控制單元、數(shù)據(jù)處理與傳輸單元、供電單元、底座及支架組成。

第一，進氣單元由防雨帽、切割器、進氣管路、除濕裝置等組成。DXC1 型視程障礙現(xiàn)象儀切割器采用旋風(fēng)切割器，其由圓筒形料斗和錐形腔體組成。氣流帶動粒子在腔體內(nèi)做螺旋運動，在離心力的作用下較大粒子沉降下來，較小粒子隨氣流被收集到濾膜上，從而達到分離的效果。該模塊的主要作用是通過切割器和過濾網(wǎng)去除較大的顆粒物，采集需要測量的顆粒物。除濕裝置采用動態(tài)加熱系統(tǒng)控制，避免多余的水分影響測量數(shù)據(jù)。

第二，測量與控制單元由顆粒物傳感器、信號處理模塊、控制模塊等組成。該單元模塊為儀器的核心模塊，顆粒物傳感器主要完成氣體中顆粒物濃度的測量。

第三，輔助測量單元由溫度、相對濕度和氣壓傳感器等組成。

第四，流量控制單元由抽氣泵、流量計、流量控制器等組成。采樣流量的穩(wěn)定性是保證數(shù)據(jù)監(jiān)測準確的關(guān)鍵。DXC1 型視程障礙現(xiàn)象儀中的電子流量計通過閉環(huán)控制，對采集到管路內(nèi)氣體實施流量控制。經(jīng)過比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）負反饋算法控制實時動態(tài)調(diào)節(jié)泵的功率，使流量穩(wěn)定在設(shè)定值，誤差不大于10%，保證氣路流量的穩(wěn)定性。

第五，數(shù)據(jù)處理與傳輸單元由數(shù)據(jù)采集模塊、處理模塊、存儲模塊、傳輸模塊等組成。該模塊單元主要處理和存儲采集的顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，并與ISOS 軟件進行傳輸通信。ISOS 軟件根據(jù)視程障礙現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)，結(jié)合能見度、濕度、氣壓、風(fēng)速等氣象要素綜合判別視程障礙現(xiàn)象。

第六，供電單元提供設(shè)備運行所需的電源，由交直流轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓模塊等組成。供電單元將接入的工頻交流電轉(zhuǎn)換為儀器工作所需的直流電壓。

1.2 工作原理

視程障礙現(xiàn)象儀利用氣溶膠光學(xué)散射特性，通過測量氣溶膠樣本的光學(xué)衰減自動完成大氣中PM10、PM2.5、PM1質(zhì)量濃度的測定，結(jié)合氣象觀測相關(guān)要素判識視程障礙現(xiàn)象。視程障礙現(xiàn)象儀工作流程如圖1所示。進氣單元將采集的空氣樣品進行顆粒物分離和除濕處理后，空氣以一定流速進入光學(xué)測量腔。光源照射在氣溶膠樣品中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時被某一特定角度的接收器接收。系統(tǒng)根據(jù)接收到的散射光脈沖信號頻率的強弱，測量顆粒物的數(shù)量和粒徑大小，經(jīng)修正后得到樣品空氣中PM10、PM2.5、PM1的質(zhì)量濃度[2]。

圖1 視程障礙現(xiàn)象儀工作流程

2 觀測要素數(shù)據(jù)

視程障礙現(xiàn)象儀采樣間隔為1 s，每分鐘采集樣本數(shù)不少于45 個。視程障礙現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)處理單元對秒級采樣數(shù)據(jù)和分鐘數(shù)據(jù)進行極限范圍、變化速率和異常值檢查，并剔除異常極端值和異常離散值。分鐘數(shù)據(jù)采用算術(shù)平均法進行計算，計算時有效數(shù)據(jù)量應(yīng)大于采樣樣本數(shù)的66%，否則該分鐘數(shù)據(jù)將被判定為缺測。

視程障礙現(xiàn)象儀的分鐘數(shù)據(jù)在3 s 內(nèi)生成，主要包含以下觀測要素，其名稱及編碼如表1 所示。

表1 觀測要素名稱及編碼表

3 設(shè)備操作使用

視程障礙現(xiàn)象儀組裝完成后，安裝在能見度立桿上。架設(shè)完成后，通過通信線采用RS-232 或RS-485方式與綜合集成硬件控制器相連。設(shè)備安裝完成后，進行通電運行，按照以下步驟調(diào)試軟硬件。

首先，檢查內(nèi)部面板電源、采樣指示燈是否點亮，其他指示燈是否為異常，具體判斷過程如下：電源正常時，電源指示燈常亮，異常時關(guān)閉；通信時，通信指示燈點亮，未進行通信時指示燈關(guān)閉；采樣正常時，采樣指示燈常亮，異常時關(guān)閉；設(shè)備數(shù)據(jù)超標時，超標指示燈常亮，數(shù)據(jù)不超標時關(guān)閉；加熱棒工作時，加熱指示燈點亮，加熱停止時關(guān)閉；設(shè)備故障時，故障指示燈常亮，設(shè)備正常運行時關(guān)閉。

其次，使用日期設(shè)置和時間設(shè)置功能對設(shè)備時間與觀測臺站業(yè)務(wù)計算機時間進行校準。

最后，使用發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令讀取設(shè)備數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)要素。通過Smoport 軟件設(shè)置綜合集成硬件控制器的串口參數(shù)，串口工作方式或類型根據(jù)實際接線情況修改為RS-232 或RS-485，串口參數(shù)默認為（9 600，8，n，1）。如果需要調(diào)整設(shè)備波特率，則需要根據(jù)實際波特率設(shè)置串口參數(shù)。與ISOS 軟件對接時，波特率設(shè)置不大于19 200 b·s-1。

串口設(shè)置完成后，需要設(shè)置設(shè)備參數(shù)，通過QZ（區(qū)站號設(shè)置）、ST（服務(wù)類型設(shè)置）、LAT（緯度）和LONG（經(jīng)度）命令設(shè)置臺站參數(shù)。使用數(shù)據(jù)讀取命令讀取數(shù)據(jù)并檢查數(shù)據(jù)，根據(jù)表1 查驗該命令讀取的數(shù)據(jù)是否正常。同時，檢查應(yīng)觀測次數(shù)與實際觀測次數(shù)是否一致。設(shè)置參數(shù)可以通過串口調(diào)試助手進行設(shè)置，也可以通過ISOS 軟件完成。使用ISOS 發(fā)送命令時，要避開每分鐘的第19 ～25 s。

設(shè)置完成后，運行ISOS 軟件，將“參數(shù)設(shè)置”中的自動項目掛接設(shè)置為“選擇視程障礙現(xiàn)象儀”。右鍵點擊視程障礙現(xiàn)象儀，選擇“通信參數(shù)”進行設(shè)置。根據(jù)視程障礙現(xiàn)象儀與綜合集成硬件控制器，選擇正確通信端口號和串口參數(shù)。最后，通過ISOS 軟件“參數(shù)設(shè)置”模塊中的“臺站參數(shù)設(shè)置”選擇視程障礙現(xiàn)象數(shù)據(jù)來源。

4 常見故障分析及排查方法

DXC1 型視程障礙現(xiàn)象儀常見故障現(xiàn)象包括數(shù)據(jù)顯示為0、數(shù)據(jù)顯示過大等兩類[3]。

4.1 數(shù)據(jù)顯示為0 故障排查方法

造成視程障礙現(xiàn)象儀輸出的數(shù)據(jù)顯示為0 的原因可能為傳感器故障、氣路不通或無流量。針對這3 類可能產(chǎn)生故障的原因，依次進行排查。

第一，排查傳感器故障，更換傳感器。更換傳感器注意首先關(guān)閉設(shè)備電源，然后依次拔掉傳感器上的通信線和傳感器兩側(cè)的氣路連接管，卸下固定傳感器的4 個螺絲，更換新傳感器。更換完畢后，依次安裝固定螺絲，安裝氣路連接管，插入通信線和設(shè)備電源，通過串口查看傳感器狀態(tài)。如果傳感器數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，則判定為傳感器故障。

第二，排查氣路不通故障。檢查管路是否正確連接，按照下列順序依次進行氣路檢查：采樣頭到電磁閥間的氣路檢查；電磁閥左側(cè)接口到濾芯的氣路檢查；電磁閥右側(cè)到傳感器的氣路檢查；傳感器到流量控制模塊的氣路檢查；流量控制模塊到出氣口的氣路檢查。

第三，排查無流量故障，檢查采樣泵是否工作。拆卸采樣泵時，首先應(yīng)拆除下?lián)醢澹┏隽髁靠刂颇K，松掉4 顆固定螺絲后，依次拔掉上下連接硅膠軟管以及連接通信線。取出流量控制模塊后可拆卸塵路泵，清掃管路。檢查設(shè)備的流量是否正確，流量應(yīng)為2 L·min-1。若流量數(shù)據(jù)不正確，可在標校后通過命令調(diào)整流量系數(shù)[4]。

4.2 數(shù)據(jù)顯示過大故障排查

造成視程障礙現(xiàn)象儀輸出的數(shù)據(jù)顯示過大的原因可能為切割器或管路積灰以及泵失控、轉(zhuǎn)速過高這2 類常見故障。

第一，切割器或管路積灰。清理切割器或采樣管路，清理采樣帽、切割器、采樣管連接處堆積殘留的灰塵。清理時應(yīng)注意切割器內(nèi)的O 形圈，防止丟失。采樣管與切割器可以使用吹風(fēng)機清理管路內(nèi)的灰塵。日常維護應(yīng)每3 個月進行一次清理，防止灰塵積累造成數(shù)據(jù)異常。

第二，泵失控、轉(zhuǎn)速過高。造成泵失控、轉(zhuǎn)速過高的原因可能為氣路堵塞和緩沖瓶堵塞，分別檢查氣路、緩沖瓶進氣口是否存在堵塞并疏通。需注意，緩沖瓶位于流量控制單元[5]。

5 結(jié)語

氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)工作的基礎(chǔ)，地面氣象觀測是其重要組成部分。隨著氣象觀測的現(xiàn)代化建設(shè)和改革的不斷推進，地面氣象觀測進入全面自動化時代。目前，視程障礙現(xiàn)象儀逐漸投入基層氣象臺站進行業(yè)務(wù)使用，進一步增強觀測視程障礙現(xiàn)象的能力。各基層氣象臺站工作人員應(yīng)掌握視程障礙現(xiàn)象儀的結(jié)構(gòu)和工作原理、故障排查及日常維護方法等，在視程障礙現(xiàn)象儀出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺測或異常時，能夠及時分析異常原因，找出并排除故障，使儀器處于正常運行狀態(tài)，確保觀測數(shù)據(jù)的準確可靠。