DSS1型雪深觀測儀的故障檢修及維護

陳國強

DSS1型雪深觀測儀的故障檢修及維護

陳國強

（青海省大氣探測技術(shù)保障中心，青海 西寧 810000）

結(jié)合DSS1型雪深觀測儀的應(yīng)用實際，闡述了設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的典型問題及解決方法、日常維護措施等，旨在為氣象臺站雪深觀測儀的維護維修提供技術(shù)參考。

雪深觀測儀；工作原理；故障檢修；維護工作

傳統(tǒng)的雪深人工觀測存在時空密度不足、時效性差、數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證等弊端，不能連續(xù)、全面地反映積雪的變化過程。截至2019-12月底，青海省52個國家氣象站中有46個臺站安裝了雪深自動觀測儀實現(xiàn)了自動觀測雪深。雪深自動觀測儀利用超聲波測距或激光測距開展雪深實時自動觀測，能夠極大提高雪深觀測數(shù)據(jù)的時效性和準(zhǔn)確性，為氣象防災(zāi)減災(zāi)、公共氣象服務(wù)和氣候變化研究等提供重要的數(shù)據(jù)資料。本文分析了雪深觀測儀運行過程中出現(xiàn)的常見問題，提出解決方法及設(shè)備維護的建議，以便于保障設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運行。

1 DSS1型激光雪深觀測儀設(shè)備組成及工作原理

鑒于超聲波測距受周圍環(huán)境影響較大，且存在設(shè)計上的缺陷[1]，因此，青海省全部列裝基于激光測距原理的DSS1型雪深觀測儀。

DSS1型雪深觀測儀為全天候自動雪深觀測儀器，結(jié)合激光測距、電氣工程、信號處理、軟件開發(fā)等方面的技術(shù)，是一種可靠的自動化觀測儀器，適合在各種苛刻環(huán)境的條件下進行雪深測量，具有高可靠性、高準(zhǔn)確性、易使用、易維護等特點，既可以掛接在自動氣象站上作為一個觀測項目，又可以作為單獨的觀測儀器獨立使用。使用雪深觀測儀使雪深觀測結(jié)果更加客觀、觀測資料保持連續(xù)，有助于減少臺站觀測人員的工作量，進一步提高雪深觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和觀測 效率[2]。

1.1 雪深觀測儀設(shè)備組成

DSS1型雪深觀測儀由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括數(shù)據(jù)采集器、傳感器及外圍設(shè)備三部分。數(shù)據(jù)采集器是雪深觀測儀的核心，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采樣、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)測工作電源等功能。雪深傳感器采用激光測距單元，其測量的雪深范圍為0～200 cm，最大允許誤差為±1 cm，分辨力為0.1 cm。雪深觀測儀的外圍設(shè)備包括供電電源、安裝支架、測雪板及設(shè)備校準(zhǔn)模塊。

雪深采集系統(tǒng)的軟件包括嵌入式軟件、業(yè)務(wù)軟件和標(biāo)定軟件三部分。嵌入式軟件基于實時的uC/OS操作系統(tǒng)，主要功能包括將數(shù)據(jù)文件、參數(shù)文件、配置文件、日志文件等存儲在內(nèi)部存儲器，實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸功能。業(yè)務(wù)軟件是安裝在自動氣象站微機中的應(yīng)用軟件，其主要功能包括設(shè)置采集器參數(shù)、采集數(shù)據(jù)、運行監(jiān)控、監(jiān)控報警，實時上傳自動氣象站數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，生成基本加工分析產(chǎn)品等。標(biāo)定軟件用于標(biāo)定雪深觀測儀。

1.2 雪深觀測儀工作原理

測距探頭是雪深傳感器的關(guān)鍵組成部分，是利用發(fā)射的波束（光波、聲波或電磁波）遇到障礙物被反射回來的特性進行距離差測量。處理控制單元對測距探頭進行激發(fā)控制、計算測量波速發(fā)送和接收的時差（或相位差），并對采樣樣本進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)運算處理、記錄存儲和傳輸。設(shè)備組成如圖1所示。設(shè)備工作原理如圖2所示。

圖1 設(shè)備組成圖

圖2 設(shè)備工作原理圖

DSS1型雪深觀測儀激光探頭由高穩(wěn)定的激光發(fā)射器、接收器、前置控制器組成，采用相位法測距，用無線電波段的頻率對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離，即用間接方法測定出光束往返所需的時間。激光探頭傾斜安裝在支撐桿上，傾斜角（）為10°～30°。在激光雪深傳感器工作期間，應(yīng)避免直視激光雪深傳感器發(fā)射窗口和長時間直視測量面上的激光光點，以免對眼睛產(chǎn)生損害。

2 雪深觀測儀的故障檢修

2.1 電源故障

故障現(xiàn)象：電源系統(tǒng)直流輸出異常。

原因分析：電源系統(tǒng)分為交流、直流兩部分。引起直流電源系統(tǒng)輸出異常的原因可能有市電輸入異常，雪深觀測儀空氣開關(guān)故障或意外跳閘，電源轉(zhuǎn)換模塊故障，雪深觀測儀蓄電池故障，因器件或連接線路引起的短路、斷路故障。

解決方法：①首先檢查雪深觀測儀交流電輸入是否正常。用萬用表AC檔測量空氣開關(guān)的輸入端電壓是否為 （220 V±20%），若不是，依次檢查輸入市電的線路、UPS等。②檢查空氣開關(guān)是否跳閘。檢查空氣開關(guān)是否在ON位置，若不是，嘗試做合閘處理。若合閘失敗需檢查交流防雷模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊及線路連接，排除短路引起的故障。 ③如果空氣開關(guān)閉合后，輸出電壓不正常，則空氣開關(guān)出現(xiàn)故障，需更換。如果空氣開關(guān)輸出電壓正常，電源轉(zhuǎn)換模塊交流輸入端無AC220 V電壓，檢查交流部分線路連接，找到斷路點并修復(fù)。④檢查電源轉(zhuǎn)換模塊是否正常。電源轉(zhuǎn)換模塊額定輸出直流電壓14.5 V，如果電源轉(zhuǎn)換模塊交流電壓輸入正常，而直流輸出異常，首先檢查排除直流線路的短路故障以免燒壞電源轉(zhuǎn)換模塊。如果確認(rèn)無短路故障而電源轉(zhuǎn)換模塊直流輸出異常，則電源轉(zhuǎn)換模塊出現(xiàn)故障，需更換。⑤供電單元的蓄電池達(dá)到使用壽命或者過度放電后性能下降，會導(dǎo)致失去后備電源的功能。在線路連接正常的情況下，若市電中斷蓄電池供電時輸出電壓很快下降到12 V以下，應(yīng)立即更換同規(guī)格蓄電池。

2.2 數(shù)據(jù)野值

故障現(xiàn)象：未發(fā)生降雪過程，但采集軟件采集到微量雪深數(shù)據(jù)。

原因分析：為保證測量區(qū)域水平及方便施工，雪深觀測儀一般使用測雪板測量基準(zhǔn)面。測雪板規(guī)格為400 mm× 400 mm×40 mm，為了安裝測雪板，必然要破環(huán)原來的土層結(jié)構(gòu)。下墊面被破壞，如果發(fā)生降水過程或凍土，必然引起測雪基準(zhǔn)面發(fā)生抬升、沉降或變形位移，基準(zhǔn)零點發(fā)生偏移，從而產(chǎn)生了數(shù)據(jù)野值。

解決方法：未發(fā)生降雪過程而雪深觀測儀產(chǎn)生微量雪深數(shù)據(jù)的情況，如果能排除設(shè)備發(fā)生故障的可能，則可以判斷為下墊面發(fā)生變形位移而引起的，可以通過重新校準(zhǔn)雪深觀測儀的方法解決。但要從根本上解決這個問題，就需要對雪深傳感器測量的下墊面進行改造，改進測雪板安裝方式或是采用更合適的下墊面材質(zhì)[3]，減少由于下墊面變形對雪深觀測造成的影響。另外，雪深觀測儀工作期間，應(yīng)禁止任何物體進入傳感器觀測區(qū)域，以避免影響設(shè)備的正常運行。

2.3 數(shù)據(jù)缺測

故障現(xiàn)象：臺站在一定時間段內(nèi)采集不到雪深數(shù)據(jù)。

原因分析：氣象臺站的雪深觀測一般情況下在冬季進行。正常情況下，雪深觀測儀出廠時被設(shè)置成受時間和溫度參數(shù)控制，即在一定時間段并需要符合一定的溫度條件才進行數(shù)據(jù)采集。然而，由于青海省部分臺站特殊的地理氣候條件，在夏、秋季節(jié)也時常發(fā)生降雪。降雪過程處于預(yù)置的采集時間段和溫度條件之外，因此采集不到雪深數(shù)據(jù)。

解決方法：氣象臺站應(yīng)根據(jù)自己的實際情況，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，通過命令行的方式設(shè)置符合臺站實際情況的雪深觀測儀的時間控制參數(shù)和溫度控制參數(shù)，以保證觀測設(shè)備能正常進行數(shù)據(jù)采集。

3 雪深觀測儀的維護

雪深觀測儀安裝在室外，特別是冬季處于嚴(yán)苛的自然條件下。因此，為保障設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運行，確保數(shù)據(jù)觀測的質(zhì)量，做好設(shè)備的維護很有必要。

具體維護工作應(yīng)從以下方面進行：①每年啟用雪深觀測儀開展觀測前，應(yīng)清理測雪板上的雜物，平整測雪板。檢查設(shè)備供電、防雷接地、線纜連接等情況，并進行現(xiàn)場標(biāo)定以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。②若發(fā)現(xiàn)傳感器測量結(jié)果存疑，或出現(xiàn)部件故障，應(yīng)按現(xiàn)場標(biāo)定方法對傳感器進行標(biāo)定，或及時開展現(xiàn)場測試。③積雪期間，每日檢查測雪基準(zhǔn)面，及時清除測雪板上的異物。若測雪面因踩踏等造成破壞時，應(yīng)及時將測雪面盡可能恢復(fù)至與周圍雪面狀況一致。④定期清潔傳感器激光探頭及波束通路，以免影響設(shè)備的正常運行。⑤停用雪深傳感器后，應(yīng)切斷220 V交流電源供電，斷開蓄電池連接，清潔測距探頭，并加蓋防護罩[4]。

4 結(jié)語

氣象觀測設(shè)備的自動化、智能化是氣象現(xiàn)代化建設(shè)的主要內(nèi)容。DSS1型雪深觀測儀具有觀測精度高、數(shù)據(jù)連續(xù)、維護方便等優(yōu)點，它的推廣使用，實現(xiàn)了雪深的自動、連續(xù)觀測，減少了臺站觀測人員的工作量，進一步提高了觀測質(zhì)量和觀測效率。隨著地面觀測自動化改革的逐步推進，地面觀測設(shè)備逐漸實現(xiàn)了自動化，使得觀測業(yè)務(wù)工作重心需向設(shè)備維護維修、核查標(biāo)校或檢測等方面轉(zhuǎn)移[5]。因此，臺站人員要加強業(yè)務(wù)技術(shù)學(xué)習(xí)，特別是新裝備、新儀器的學(xué)習(xí)，提升裝備保障技術(shù)水平，以適應(yīng)新形勢的需要，保證地面觀測自動化改革工作穩(wěn)步推進、有序開展。

［1］吳書成，邱杰，吳靜，等.浙江省自動雪深觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析［J］.氣象科技，2017，45（4）：616-621.

［2］褚春燕，蘇世兵，張宇，等.佳木斯站DSS1型雪深觀測儀自動與人工觀測對比分析［J］.氣象水文海洋儀器，2019，36（4）：8-11.

［3］陳愛蓮，丁妙增，趙杭鋒.激光自動雪深儀基準(zhǔn)面改進方案探析［J］.浙江氣象，2017，38（1）：37-40.

［4］陳愛蓮，丁妙增.降水現(xiàn)象儀的比對與分析［J］.氣象水文海洋儀器，2017，34（1）：8-12.

［5］李進虎，韓輝福，徐澤東.青海省地面氣象觀測自動化改革工作思考［J］.青海氣象，2020（2）：44-47，70.

2095－6835（2021）06－0151－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.062

陳國強（1980—），男，青海省大氣探測技術(shù)保障中心工程師，現(xiàn)從事自動氣象站等設(shè)備的技術(shù)保障工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕