張仕清 黃高平

摘 要：本文結(jié)合安徽省氣象臺站DSG5型降水現(xiàn)象儀觀測實際，闡述自動降水現(xiàn)象儀設(shè)備結(jié)構(gòu)與原理，例舉降水現(xiàn)象儀運行過程中的常見故障，給出針對性解決方法及日常維護措施，旨在為氣象臺站設(shè)備維護提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：DSG5降水現(xiàn)象儀；工作原理；故障分析；日常維護

降水現(xiàn)象觀測是氣象臺站天氣現(xiàn)象觀測的主要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的降水天氣現(xiàn)象觀測采用人工觀測方式，工作強度大，降水起止時間很難把控，隨意性強，易出現(xiàn)漏記，難以客觀、全面、真實的反映天氣現(xiàn)象變化。隨著自動氣象站的普及，安徽省氣象局于2016年底在全省所有氣象臺站安裝了DSG5型自動降水現(xiàn)象儀。DSG5型降水現(xiàn)象儀是一種采用現(xiàn)代激光技術(shù)的光學(xué)測量系統(tǒng)，它可以測量實現(xiàn)對包括毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等天氣現(xiàn)象的全天候自動觀測與識別，改變了以往降水現(xiàn)象人工觀測的主觀性，增強了降水觀測資料及時性和準確性，降低了觀測人員工作強度。由于DSG5 型降水現(xiàn)象儀尚處在與人工觀測平行觀測階段，設(shè)備運行難免暴露出一些問題，因此，有必要分析其在使用過程中出現(xiàn)的常見故障，找出解決方法及日常維護措施，以滿足氣象觀測業(yè)務(wù)自動化發(fā)展的需求，提高降水天氣現(xiàn)象自動觀測準確率。

1 DSG5型降水現(xiàn)象儀工作原理

DSG5型降水現(xiàn)象儀主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、供電控制單元、附件等部分組成。它通過激光散射原理檢測采樣區(qū)的降水粒子直徑和下落末速度，使激光衰減獲取雨滴譜信息，輸出降水現(xiàn)象類型。激光束里沒有降水粒子降落穿過采樣光束時，接收器輸出固定連續(xù)最大電壓值。當(dāng)降水粒子穿過水平采樣光束時，以其相應(yīng)的直徑遮擋部分光束，因而降低了輸出電壓，形成波谷，從而可以確定降水粒子的直徑大小。[1]降水粒子的下降速度是根據(jù)電子信號持續(xù)的時間推導(dǎo)出來的，電子信號的持續(xù)時間為降水粒子開始進入光束到完全離開光束所經(jīng)歷的時間。[2]由上述兩個關(guān)鍵量通過數(shù)據(jù)采集單元，可以推導(dǎo)出以下參數(shù)：降水滴譜、降水類型等。

2 DSG5型降水現(xiàn)象儀常見故障處理

DSG5型降水現(xiàn)象的常見故障主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)缺測和降水類型錯誤等。根據(jù)出現(xiàn)故障的具體現(xiàn)象進行分析排查，可以找出發(fā)生故障的原因，采取相應(yīng)的處理措施進行維護維修。

2.1 數(shù)據(jù)缺測及排查

2.1.1可能原因

參數(shù)設(shè)置錯誤；供電故障，電源控制器或蓄電池損壞；通訊故障，線纜接線插頭松動接觸不良，通訊線路短路、短路；設(shè)備故障。[3]

2.1.2排查步驟

（1）參數(shù)檢查：確認業(yè)務(wù)軟件參數(shù)設(shè)置是否正確。首先檢查ISOS軟件通訊參數(shù)中的通訊端口和波特率等參數(shù)的設(shè)置是否正確，其次在確認SMOPORT串口信息是否ISOS軟件通訊參數(shù)設(shè)置是否一致，重點檢查串口的工作方式是否為485通訊方式。

（2）供電模塊：先檢查市電接入是否正常，再檢查電源控制器的輸出電壓是否正常。用萬用表測量供電電源的電壓，正常電壓值一般穩(wěn)定在14V。如果供電電壓低于11V，而單獨的電源控制器輸出電壓穩(wěn)定在13.0-15.0V之間，則判斷為蓄電池故障，蓄電池的使用壽命一般2-3年左右。

（3）通訊線路故障：檢查所有電纜連接及所有電纜接頭是否有都已正確連接并插牢。檢查連接設(shè)備，檢查連接通訊線路是否存在短路、斷路現(xiàn)象。

（4）設(shè)備故障：此類故障現(xiàn)象表現(xiàn)降水現(xiàn)象儀連接狀態(tài)不通，數(shù)據(jù)缺測。

2.1.3處理方法

首先查看降水現(xiàn)象儀接入綜合集成硬件控制器設(shè)備Port口R、T數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)指示是否正常，若當(dāng)每分鐘數(shù)據(jù)收發(fā)時燈不亮，接入其它Port口試試；倘若還是不亮，可用筆記本電腦，啟用串口助手工具，將其通過485轉(zhuǎn)232模塊與DSG5型降水現(xiàn)象儀直接連接，發(fā)送命令（如AUTOCHECK），查看串口助手能否收到相關(guān)數(shù)據(jù)，如傳感器無響應(yīng)，需聯(lián)系廠家更換；如傳感器正常輸出，則說明是后端通訊故障，排查線路及綜合集成硬件控制器的軟硬件參數(shù)設(shè)置是否正常；光電轉(zhuǎn)換模塊是否正常等。找出故障點，更換相應(yīng)設(shè)備。

2.2 降水類型錯誤及排查

2.2.1可能原因

造成降水類型錯誤的原因主要有三種，一是傳感器周圍環(huán)境因素影響，二是設(shè)備本身的算法和閾值設(shè)定不妥，三是儀器本身的局限性所造成。

2.2.2排查步驟

（1）環(huán)境因素：降水現(xiàn)象儀暴露在觀測場中，傳感器及遮擋罩易被蛛絲、樹枝及鳥糞污染，造成光路被干擾。蛛絲隨風(fēng)飄動，造成電信號的變化，導(dǎo)致晴天出現(xiàn)長時間短間隙毛毛雨現(xiàn)象；遮雨罩污染，濺水加大，造成雨水重疊，采集的數(shù)據(jù)受到干擾，造成降水類型的差異。

（2）降水類型判別方法：降水現(xiàn)象儀根據(jù)降水粒子直徑和速度反演出的降水天氣現(xiàn)象類型，人工觀測根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范的定義的外形特征、下降情況、降至云層及天氣條件來判斷。由于小雨滴譜對光強的散射較弱，以及在算法、閾值的選取等原因，降水現(xiàn)象儀難以捕捉到定義中的天氣現(xiàn)象毛毛雨，而且無法識別隨風(fēng)舞動的小雨造成漏報（風(fēng)影響降落速度），造成降水起止時間不一致；降水時段內(nèi)毛毛雨（人工觀測為雨）與雨頻繁反復(fù)交替出現(xiàn)，天氣現(xiàn)象記錄雜亂，這與人工觀測存在較大的差異。

（3）儀器局限性：采樣區(qū)域局限性，雨滴粒子過大，雨滴重疊，下降速度快，也會出現(xiàn)錯報或誤報，如降水強度大時誤報的冰雹等。漏報則可能是激光器故障，應(yīng)查看發(fā)射和吸收是否處于同一條直線，檢查前要斷開移動設(shè)備電源，防止激光模塊破損。采樣區(qū)域局限性也會漏報。

2.2.3處理方法

對于環(huán)境因素的影響，要及時清除潔凈傳感器周圍的異物，避免采集數(shù)據(jù)異常。對于設(shè)備本身的算法和閾值設(shè)定缺陷，需要改進算法，重新設(shè)定閾值，提高精度來完成。對于儀器本身的局限性，需要值班人員根據(jù)當(dāng)時的天氣狀況，進行人工更正。

3 日常維護

降水現(xiàn)象儀一般安裝在觀測場西北角，傳感器設(shè)備暴露空氣中，空氣污染等不良的工作環(huán)境，可能對降水現(xiàn)象儀正常工作造成干擾，從而導(dǎo)致傳感器的工作能力下降，影響到數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，使降水現(xiàn)象發(fā)生偏差。因此，做好設(shè)備的日常維護尤為重要。具體維護工作應(yīng)從以下幾個方面進行：

（1）應(yīng)掌握降水現(xiàn)象儀的工作原理、接入方式、工作方式、供電方式及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)等。

（2）DSG5降水現(xiàn)象儀定義了傳感器狀態(tài)（正常、污染、嚴重污染），值班人員要掌握其所表示的含義，產(chǎn)生的原因及應(yīng)對策略。因此，在守班期間，每個正點前15分鐘查看質(zhì)控及報警信息，出現(xiàn)狀態(tài)“污染”時，就應(yīng)該對采樣區(qū)域進行清潔。

（3）每日不少于兩次巡視儀器。在每日的8時正點觀測前和更換日照紙時，查看降水現(xiàn)象儀的傳感器視窗和光路區(qū)域是否有蜘蛛網(wǎng)、鳥糞、灰塵、枝葉等影響數(shù)據(jù)采集的異物，如有應(yīng)及時清理。預(yù)防蜘蛛最為有效的方法是在基座、支架管內(nèi)噴灑殺蟲劑，噴灑時用一塊干凈的軟布堵住鏡頭，以免造成鏡頭污染。

（4）每月檢查供電設(shè)施，一般2-3月給對蓄電池進行充放電一次。蓄電池單獨供電時，應(yīng)打開ISOS軟件中天氣現(xiàn)象要素每日逐分鐘狀態(tài)表，注意觀察蓄電池電壓變化，避免過度放電造成數(shù)據(jù)缺測。當(dāng)電壓值低于12伏，應(yīng)立即停止放電，為給蓄電池重新接入市電留有余地。

（5）每年3月應(yīng)對防雷設(shè)施、設(shè)備接地狀況進行一次全面檢查，復(fù)測接地電阻值，使其符合氣象設(shè)施防雷技術(shù)要求。

（6）每3個月清潔激光收發(fā)的視窗和防濺護罩。根據(jù)儀器工作的周圍環(huán)境和天氣狀況，可縮短、延長清潔鏡頭的時間周期。清理傳感器視窗時，用一塊柔軟不起毛的棉布或脫籽棉沾無水乙醇擦試傳感器兩頭視窗的激光保護鏡片，從視窗中間向兩邊輕輕擦拭，以免造成鏡片劃傷。防濺護罩清潔，用刷子和日常家用清潔劑在自來水下對防濺護罩的兩面進行清洗，清洗時注意力度，避免造成防濺護罩彎曲，損壞設(shè)備。

（7）定期對降水傳感器進行校準，首次使用1個半月后應(yīng)現(xiàn)場校準一次，之后每年現(xiàn)場校準一次，每次維修儀器之后都應(yīng)做校準檢查，防止儀器長期工作發(fā)生性能漂移從而影響測量的準確性現(xiàn)象發(fā)生。

（8）維護傳感器過程中，請勿直接用眼睛直視激光器，可能存在眼睛受傷的危險，盡量避免用手電筒等人工光源信照射儀器收發(fā)端。

4 結(jié)語

隨著氣象現(xiàn)代化的發(fā)展和氣象自動監(jiān)測能力的不斷提升，氣象觀測自動化是氣象觀測發(fā)展的必然趨勢。降水現(xiàn)象儀的普及，加速了氣象臺站氣象觀測無人值守的進程，有效地改善基層臺站人手不足的現(xiàn)狀。DSG5型降水現(xiàn)象儀作為氣象站的自動觀測儀器，雖在運行過程中性能較為穩(wěn)定，降水現(xiàn)象捕獲能力強及識別準確率高，但作為電子設(shè)備，難免在運行過程中不出現(xiàn)故障。因此，要保證觀測數(shù)據(jù)的客觀性、連續(xù)性和準確性，應(yīng)加強設(shè)備的日常維護，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，力爭做到能夠快速準確的判斷出原因并及時解決問題，從而保證氣象觀測數(shù)據(jù)的真實可靠。

參考文獻：

[1]李炳昆，張鵬，喬延艷，等.DSG5降水現(xiàn)象儀安裝技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2017，7（1）：24-25，35.

[2]杜波，馬舒慶，梁明珠，等.雨滴譜降水現(xiàn)象儀對比觀測試驗技術(shù)應(yīng)用分析[J].氣象科技，2017，45（6）：995-1000.

[3]張仕清，黃高平.自動氣象站DNQ2型能見度儀故障分析及維護[J].科技與創(chuàng)新，2017，（21）：24-26.

作者簡介：張仕清（1967-），男，工程師，主要從事氣象探測和應(yīng)用氣象服務(wù)研究工作。