自動氣象站DSG5型降水現象儀故障分析及維護

張仕清 黃高平

摘 要：本文結合安徽省氣象臺站DSG5型降水現象儀觀測實際，闡述自動降水現象儀設備結構與原理，例舉降水現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，旨在為氣象臺站設備維護提供技術參考。

關鍵詞：DSG5降水現象儀；工作原理；故障分析；日常維護

降水現象觀測是氣象臺站天氣現象觀測的主要內容之一。傳統的降水天氣現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，易出現漏記，難以客觀、全面、真實的反映天氣現象變化。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型自動降水現象儀。DSG5型降水現象儀是一種采用現代激光技術的光學測量系統，它可以測量實現對包括毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等天氣現象的全天候自動觀測與識別，改變了以往降水現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 型降水現象儀尚處在與人工觀測平行觀測階段，設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，以滿足氣象觀測業務自動化發展的需求，提高降水天氣現象自動觀測準確率。

1 DSG5型降水現象儀工作原理

DSG5型降水現象儀主要由傳感器、數據采集單元、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最大電壓值。當降水粒子穿過水平采樣光束時，以其相應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電子信號持續的時間推導出來的，電子信號的持續時間為降水粒子開始進入光束到完全離開光束所經歷的時間。[2]由上述兩個關鍵量通過數據采集單元，可以推導出以下參數：降水滴譜、降水類型等。

2 DSG5型降水現象儀常見故障處理

DSG5型降水現象的常見故障主要表現為數據缺測和降水類型錯誤等。根據出現故障的具體現象進行分析排查，可以找出發生故障的原因，采取相應的處理措施進行維護維修。

2.1 數據缺測及排查

2.1.1可能原因

參數設置錯誤；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；設備故障。[3]

2.1.2排查步驟

（1）參數檢查：確認業務軟件參數設置是否正確。首先檢查ISOS軟件通訊參數中的通訊端口和波特率等參數的設置是否正確，其次在確認SMOPORT串口信息是否ISOS軟件通訊參數設置是否一致，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。檢查連接設備，檢查連接通訊線路是否存在短路、斷路現象。

（4）設備故障：此類故障現象表現降水現象儀連接狀態不通，數據缺測。

2.1.3處理方法

首先查看降水現象儀接入綜合集成硬件控制器設備Port口R、T數據收發狀態指示是否正常，若當每分鐘數據收發時燈不亮，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232模塊與DSG5型降水現象儀直接連接，發送命令（如AUTOCHECK），查看串口助手能否收到相關數據，如傳感器無響應，需聯系廠家更換；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設置是否正常；光電轉換模塊是否正常等。找出故障點，更換相應設備。

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，一是傳感器周圍環境因素影響，二是設備本身的算法和閾值設定不妥，三是儀器本身的局限性所造成。

2.2.2排查步驟

（1）環境因素：降水現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。蛛絲隨風飄動，造成電信號的變化，導致晴天出現長時間短間隙毛毛雨現象；遮雨罩污染，濺水加大，造成雨水重疊，采集的數據受到干擾，造成降水類型的差異。

（2）降水類型判別方法：降水現象儀根據降水粒子直徑和速度反演出的降水天氣現象類型，人工觀測根據地面氣象觀測規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，降水現象儀難以捕捉到定義中的天氣現象毛毛雨，而且無法識別隨風舞動的小雨造成漏報（風影響降落速度），造成降水起止時間不一致；降水時段內毛毛雨（人工觀測為雨）與雨頻繁反復交替出現，天氣現象記錄雜亂，這與人工觀測存在較大的差異。

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

2.2.3處理方法

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

3 日常維護

降水現象儀一般安裝在觀測場西北角，傳感器設備暴露空氣中，空氣污染等不良的工作環境，可能對降水現象儀正常工作造成干擾，從而導致傳感器的工作能力下降，影響到數據的采集質量，使降水現象發生偏差。因此，做好設備的日常維護尤為重要。具體維護工作應從以下幾個方面進行：

（1）應掌握降水現象儀的工作原理、接入方式、工作方式、供電方式及相關技術指標等。

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

（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，查看降水現象儀的傳感器視窗和光路區域是否有蜘蛛網、鳥糞、灰塵、枝葉等影響數據采集的異物，如有應及時清理。預防蜘蛛最為有效的方法是在基座、支架管內噴灑殺蟲劑，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，應打開ISOS軟件中天氣現象要素每日逐分鐘狀態表，注意觀察蓄電池電壓變化，避免過度放電造成數據缺測。當電壓值低于12伏，應立即停止放電，為給蓄電池重新接入市電留有余地。

（5）每年3月應對防雷設施、設備接地狀況進行一次全面檢查，復測接地電阻值，使其符合氣象設施防雷技術要求。

（6）每3個月清潔激光收發的視窗和防濺護罩。根據儀器工作的周圍環境和天氣狀況，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，損壞設備。

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

（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端。

4 結語

隨著氣象現代化的發展和氣象自動監測能力的不斷提升，氣象觀測自動化是氣象觀測發展的必然趨勢。降水現象儀的普及，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狀。DSG5型降水現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定，降水現象捕獲能力強及識別準確率高，但作為電子設備，難免在運行過程中不出現故障。因此，要保證觀測數據的客觀性、連續性和準確性，應加強設備的日常維護，一旦設備出現故障，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據的真實可靠。

參考文獻：

[1]李炳昆，張鵬，喬延艷，等.DSG5降水現象儀安裝技術[J].農業災害研究，2017，7（1）：24-25，35.

[2]杜波，馬舒慶，梁明珠，等.雨滴譜降水現象儀對比觀測試驗技術應用分析[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用氣象服務研究工作。