自動氣象站DFC3 型日照計故障分析及維護(hù)

張仕清，許曉雪，黃高平

（1.安徽省池州市氣象局，安徽 池州 247000；2.安徽省肥東縣氣象局，安徽 合肥 231600）

日照觀測是氣象臺站地面氣象觀測的主要內(nèi)容之一。常規(guī)的日照觀測大多是使用暗筒式日照計，它是利用太陽光通過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光劑的日照紙上留下感光痕跡來計算日照時數(shù)[1]。由于日照紙記錄需要在紙上人工涂藥，藥劑的配比難以把控，涂藥質(zhì)量千差萬別，所以難以客觀、準(zhǔn)確地反映日照時數(shù)[2]。根據(jù)地面氣象觀測自動化改革的要求，安徽省氣象局于2018 年底在全省所有氣象臺站安裝了DFC3 光電式數(shù)字日照計，避免了以往日照紙人工涂藥的主觀性，改善了傳統(tǒng)人工觀測方式的一些弊端，增強(qiáng)了日照時數(shù)觀測資料及時性和準(zhǔn)確性，降低了觀測人員工作強(qiáng)度。鑒于DFC3 光電式數(shù)字日照計尚處在人工與自動平行觀測階段，設(shè)備運(yùn)行難免會暴露出一些問題，因此，有必要了解其工作原理，分析其在使用過程中出現(xiàn)的常見故障，從而針對性地找出解決方法和進(jìn)行日常維護(hù)，以滿足地面氣象觀測業(yè)務(wù)自動化發(fā)展及臺站無人值守的需求，提高日照自動觀測的準(zhǔn)確率及穩(wěn)定性。

1 DFC3 光電式數(shù)字日照計簡介與工作原理

DFC3 光電式數(shù)字日照計是一種以光電二極管作為探測原件的光電型日照計，以測量日照，并實時記錄日照時間的自動化日照時數(shù)觀測儀器[3]。該設(shè)備主要由硬件與軟件兩部分組成，硬件包括光電式數(shù)字日照傳感器、供電機(jī)箱、立柱及調(diào)整座、線纜及附件，軟件是指嵌入式軟件。它采用一體化設(shè)計思路，無需外掛采集器，直接輸出日照時數(shù)[4]，具有觀測精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 儀器簡介

光電式數(shù)字日照傳感器由帶有余弦校正器光電感應(yīng)器件、數(shù)據(jù)處理模塊、通信接口等組成，如圖1 所示。光電式數(shù)字日照傳感器共有3個光電感應(yīng)器件，3個光電感應(yīng)器D1、D2、D3 分別安置在同一軸線上放置于光筒內(nèi)，并通過遮光罩及其入射窗W1、W2 對入射到D2、D3 上的輻射進(jìn)行約束。數(shù)據(jù)處理模塊由硬件和嵌入式軟件組成，其中硬件包括微處理器、A/D 轉(zhuǎn)換電路、存儲器、時鐘和監(jiān)控電路等，通過嵌入式軟件完成對光電感應(yīng)器件輸出信號的采集、處理、存儲和傳輸工作。

圖1 光電式數(shù)字日照傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

光電式數(shù)字日照傳感器采用置于光學(xué)鏡筒中的三個同軸光電感應(yīng)器D1、D2、D3 對太陽總輻射和散射輻射進(jìn)行自動連續(xù)觀測。光電感應(yīng)器D1 用于測量太陽總輻射（直接輻射和散射輻射），另外兩個由于遮光罩特殊的全分天空方式，總有一個被遮蔽，分別用于測量上午下午的太陽散射輻射，輸出電壓信號。

午前，D2 接收太陽直接輻射和散射輻射，D3 被遮蔽接收散射輻射，由于D2 輸出電壓信號比D3 出電壓信號小，被輸出端有雙開關(guān)二極管過濾掉，則午前的散射輻射由D3承擔(dān)，同理，午后的散射輻射由D2 來完成。根據(jù)各時間點(diǎn)總輻射與散射輻射的差值，暨直接輻照度的電壓值大于等于120 mv 時，閥值開關(guān)電路導(dǎo)通，微處理器開始進(jìn)行光照時間計時，數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后[5]，直接通過RS-232 或者485 傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2 DFC3 光電式數(shù)字日照計常見故障及處理方法

DFC3 光電式數(shù)字日照計的常見故障主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)缺測、日照數(shù)據(jù)誤差偏大和日照時數(shù)為0 等。根據(jù)出現(xiàn)故障的具體現(xiàn)象，觀測人員可進(jìn)行分類排查，分析發(fā)生故障的原因，采取相應(yīng)的處理措施進(jìn)行維護(hù)。

2.1 數(shù)據(jù)缺測及處理方法

日照數(shù)據(jù)缺測的原因有硬件原因和軟件原因，主要表現(xiàn)在供電故障、通訊故障、設(shè)備故障和參數(shù)設(shè)置錯誤、集成控制器與傳感器故障等。

2.1.1 硬件故障及處理方法

2.1.1.1 供電故障

DFC3 光電式數(shù)字日照計的正常電壓值一般穩(wěn)定在13.6 V。如果供電模塊電壓值與正常值有偏差，首先應(yīng)檢查供電機(jī)箱市電接入是否正常；其次應(yīng)檢查導(dǎo)軌電源的輸出直流電壓是否正常，同時還應(yīng)檢查直流電是否經(jīng)過導(dǎo)軌保險和導(dǎo)軌刀閘接到接線端子供日照傳感器使用。具體方法是：用萬用表逐級測量電壓是否正常，判斷故障發(fā)生位置。如果保險絲斷，可更換新保險絲；如果接線松動，應(yīng)重新接線并緊固螺絲。

2.1.1.2 通訊故障

應(yīng)檢查日照計的航空插頭是否松動、接觸不良，如果松動，可將航空插頭重新插接并緊固；其次應(yīng)檢查連接硬件集成器通訊線路是否存在短路、斷路現(xiàn)象，如果出現(xiàn)此類現(xiàn)象，可重新連接或更換通訊線路。

2.1.1.3 設(shè)備故障

此類故障現(xiàn)象表現(xiàn)為DFC3光電式數(shù)字日照計連接狀態(tài)不通，數(shù)據(jù)缺測。應(yīng)判斷日照計是否存在質(zhì)量缺陷或損壞，如果確認(rèn)是儀器本身問題所致，應(yīng)及時更換新設(shè)備。

2.1.2 軟件故障及處理方法

2.1.2.1 參數(shù)設(shè)置錯誤

判斷并確認(rèn)業(yè)務(wù)軟件參數(shù)設(shè)置是否正確。首先應(yīng)檢查ISOS 軟件日照的串口號及串口參數(shù)（9 600，8，N，1）是否正確；其次，在確認(rèn)SMOPORT 串口信息是否與ISOS 軟件通訊參數(shù)設(shè)置是否一致后，重點(diǎn)檢查串口的工作方式是否為485 通訊方式[6]。

2.1.2.2 集成控制器與傳感器故障

首先查看DFC3光電式數(shù)字日照計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，正常情況下在20 秒數(shù)據(jù)收發(fā)時燈閃爍1 次，如果不亮，接入其他Port 口測試；如果仍然不亮，可借助筆記本電腦，啟用串口助手工具，用USB 轉(zhuǎn)485 串口線通過黃、綠色信號線直接向日照傳感器發(fā)送相關(guān)命令（如AUTOCHECK），查看日照傳感器有無響應(yīng)。如無，表明日照傳感器故障，如顯示：＜T，I000AUT，TJQR HW：1.0 SW：2.8，2019-03-12，10：26：16，9600，8，N，1，AD：OK，TIMER：OK，TF：OK，MV：13.6，MT：30.0，DI：YSDR，ID：000＞，左側(cè)下劃標(biāo)記三路光電組件電壓，右側(cè)下劃標(biāo)記為為主板溫度，則表示日照傳感器正常。此時，可以推斷為后端通訊故障，排查線路是否存在短路、斷路及綜合集成硬件控制器的軟硬件參數(shù)設(shè)置是否改動；光電轉(zhuǎn)換模塊是否正常等。找出故障點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.2 日照數(shù)據(jù)誤差偏大及處理方法

2.2.1 可能原因

造成日照數(shù)據(jù)誤差偏大的原因主要有以下兩種：①環(huán)境因素。日照傳感器暴露在觀測場中，傳感器玻璃罩有時被蛛絲、鳥糞、灰塵等污染，光路被遮擋，電信號發(fā)生異常變化，造成采集數(shù)據(jù)異常。②設(shè)備安裝不正確。表現(xiàn)在日照傳感器頭部不指向正北，或儀器傾斜角度與當(dāng)?shù)鼐暥戎狄恢隆?/p>

2.2.2 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)備安裝不正確，應(yīng)按照《使用說明書》中有關(guān)規(guī)范重新進(jìn)行調(diào)整，將傳感器的頭部對準(zhǔn)正北或調(diào)整傾斜度與當(dāng)?shù)氐木S度保持一致。

2.3 日照時數(shù)為0 及處理方法

晴天有光照但日照時數(shù)為0，通常是由于日照計計算的時差與ISOS 軟件計算的時差不一致所致。

2.3.1 排查步驟

打開ISOS 軟件的設(shè)備管理→維護(hù)終端，在端口處，選擇為日照串口處理，在指令輸入框中輸入指令READDATA，如回車后顯示：BG，58427，00，YSDR，000，20190311155700，001，004，01，AIT，201903111547，AKA，1，AKB，47，AKC，080，0000，Z，0，5063，ED，左側(cè)下劃標(biāo)記為北京時，右側(cè)下劃標(biāo)記為日照計算的地方時，其差值是否與臺站參數(shù)中地方時差一致。

2.3.2 處理方法

如果當(dāng)?shù)亟?jīng)度＜120°，應(yīng)調(diào)小設(shè)置的經(jīng)度，如115°24′00″，則適當(dāng)調(diào)小為115°15′00″，此時計算的時差就為19 min，與ISOS 軟件中一致；如果當(dāng)?shù)亟?jīng)度＞120°，應(yīng)調(diào)大設(shè)置的經(jīng)度，如125°21′00″，經(jīng)計算時差為21.4 min，則適當(dāng)調(diào)大為125°25′00″，此時計算的時差就為22 min，與ISOS 軟件中一致。

3 日常維護(hù)

DFC3 光電式數(shù)字日照計一般安裝在觀測場內(nèi)，傳感器設(shè)備暴露于空氣中，不良的工作環(huán)境，會導(dǎo)致傳感器測量精度下降，從而影響到數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。為了保證系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行，做好設(shè)備的日常維護(hù)尤為重要。具體維護(hù)工作應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行。

3.1 掌握基本原理

加強(qiáng)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，熟悉DFC3 光電式數(shù)字日照計數(shù)據(jù)算法、工作方式、供電方式及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)等。

3.2 加強(qiáng)儀器巡視

守班期間，應(yīng)定時巡視儀器，惡劣天氣還應(yīng)增加觀測次數(shù)。除基準(zhǔn)站外的臺站，早上最好在日出前巡視儀器，尤其是夏天。巡視時，應(yīng)查看傳感器石英玻璃罩及周圍是否有蜘蛛網(wǎng)、鳥糞等影響輻射數(shù)據(jù)采集的異物，如有應(yīng)及時清理。清理玻璃罩上污垢時，最好站在傳感器的受光面后面，以軟布擦拭。當(dāng)污垢硬結(jié)不易清除時，可用酒精或者清水輕拭干凈后，再用干軟布擦干。值得注意的是，清潔污漬時勿用帶腐蝕性的溶液及硬質(zhì)布擦洗，以免造成玻璃外罩劃痕，影響觀測精度。

3.3 保證可靠供電

每月應(yīng)查看蓄電池是否有液體流出或接線柱硫化，如果有應(yīng)當(dāng)立即更換新蓄電池。每季度應(yīng)對蓄電池進(jìn)行充放電一次。一般情況下，氣象臺站配備12 V12 AH 的蓄電池，加熱時設(shè)備最大功率在15 W 左右，無加熱時設(shè)備最大功率近2 W，新蓄電池最大供電時長分別為9 h、3 天。當(dāng)蓄電池單獨(dú)供電時，應(yīng)把控好放電時間，可以用AUTOCHECK 命令查看光電組件電壓，保證電壓值不能低于12 V，避免過度放電造成數(shù)據(jù)缺測。

3.4 定期檢查校準(zhǔn)

每月應(yīng)檢查儀器安裝情況，檢查日照傳感器水平、方位、緯度等是否正確，如固定底座是否水平，頭部是否指向正北，傾斜角度是否與當(dāng)?shù)鼐暥戎狄恢拢?dāng)發(fā)現(xiàn)問題時，應(yīng)及時校準(zhǔn)糾正。

3.5 開展防雷檢測

每年春季應(yīng)對防雷設(shè)施、設(shè)備接地狀況進(jìn)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，避免直擊雷或感應(yīng)雷損壞儀器設(shè)備。

4 結(jié)語

隨著地面氣象觀測自動化改革進(jìn)程的推進(jìn)，氣象臺站日照的人工與自動平行觀測即將結(jié)束，日照觀測自動化水到渠成。盡管DFC3 光電式數(shù)字日照計在運(yùn)行過程中性能較為穩(wěn)定，但作為新儀器設(shè)備，也難以保證在實際運(yùn)行中或多或少出現(xiàn)一些問題。因此，氣象臺站業(yè)務(wù)人員應(yīng)具備必要的設(shè)備運(yùn)維能力，一旦儀器出現(xiàn)故障，力爭及時找到出現(xiàn)故障的癥結(jié)并能迅速排除故障，確保日照觀測數(shù)據(jù)的客觀、準(zhǔn)確、可靠，更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。