淺析DSG4型降水現象儀故障檢修處理方法

崔 倩，賈世杰，傅 超，王國坤

滄州市氣象局，河北滄州 061001

目前，DSG4型降水現象儀已經正式在滄州市氣象部門運營，其工作情況較為平穩。由于儀器使用時間相對較少，在DSG4型降水現象儀的運行維護工作中，也普遍存在人員對該型儀器系統的基本構造缺乏認識，甚至沒有故障排查與修復的能力。因此，本研究針對DSG4型降水現象儀原理、檢修注意事項、降水現象儀故障處理、修復后的測試與檢定，并對檢修問題實際舉例，以期為臺站人員提供技術支持和參考。

1 DSG4型降水現象儀原理及檢修注意事項

1.1 原理分析

DSG4降水現象儀是由傳感器、數據采集模塊、電源模組等部分構成。傳感器采用了現代激光技術的電子光學傳感遙測技術，可以直接測量降雨顆粒的大小和速率，并由此推出雨量、降水的類型等信息。而采集器則是由華創維想有限公司獨立研制，是通過采集板上的微控制器對傳感器的原始數據進行數據選擇和處理，接入串口服務器后傳送至全國陸地監控信息系統。其中，采集系統、感應器及其與串口服務器的通信設備之間均采用了串口隔離器，從而實現了信號防雷分離。供電機箱的主要功能是將220 V的市電轉化為24 V直流，然后通過電源控制器為雙蓄電池供電、充電，再利用雙蓄電池分別為感應器和采集器供電，以達到電源隔離的目的，從而最大限度地降低雷擊對元器件的傷害[1]。

1.2 注意事項

（1）故障排查時，電壓測量（電源電壓、交流電平）設備可以帶電檢查，但當電網通斷檢測時，仍需要切斷電氣設備，尤其考慮電池提供時也要求切斷。在消除短路故障前，切勿對已更換配件進行檢查，以免因重復事故而導致更新配件燒毀。

（2）降水現象儀數據信息和手動氣象站同時要通過串口服務器（綜合硬件控制器）傳送至臺站的服務電腦。通常自動站都能正常顯示串口服務器是否處于正常運行狀態，但也不排斥串口服務器的降水現象儀的PORT接口出現問題。在數據通信測試中，要注意串口服務器能否順利運行。

（3）用熱風槍拆卸采集板上的晶片時，為了溫度不會超過時速350℃，可以在晶片接口處涂上一點助接劑來迅速地融錫，這樣方便拆卸下晶片[2]。在部分改芯時，應注意電芯上正確的管腳擺放部位與方式，并保證與原芯相同。

2 DSG4型降水現象儀故障處理

在臺站的觀測工作中，降水現象儀在ISOS系統中缺乏降水情況數據，可以從以下3個層面討論DSG4型降水現象儀故障處理：一是降水現象儀的系統自身功能存在問題；二是降水現象儀在系統內部集中的控制器和通信等方面都出現了問題；三是綜合集成硬件控制器的故障。由于綜合集成硬件控制器是一種完全自主的裝置，有專門的故障診斷和解決，因此本研究從上述第一、第二這2個方面詳盡闡述DSG4型降水現象儀的故障診斷與解決。

2.1 供電系統故障

電源系統的部分，檢測點上通常有城市供電220 V交流輸入、24 V直流輸出供給感應器、24 V直流輸出供給測量模塊。由兩組直流輸出變壓模塊所組成，按額定的重量進入、出口分別為110～240 V交流、24 V直流輸出；但由于感應器還配有加熱模塊，因此與實際的額定電流值可能存在一定偏差。而供電系統故障一般表現為整體機子供電系統異常、供水電壓過低、傳感器供電系統狀態不良，一般是因為供電電源接線不正確、電源模塊破壞、電源輸出功率不夠。

在檢查供電系統的問題中，必須檢查從電源單元供電到儀器整體流程中的用電環節的連接，并通過儀表檢查負載能否正常工作，如供電系統的交流電進入端壓力、直流輸出端壓力、空載時的供電出口壓力、采集板上電源壓力等，并在確定電源損壞情況后，立即更換電源設備。而為了延長動力電池的壽命，還要檢測電源電壓、線纜等設備是否出現破損狀況，以及對蓄電池進行充放電等操作。如果開關電源適配器的交流輸出有異常，則查看電源裝置中有無斷路器跳閘，防直擊雷器中有無照明裝置損壞[3]。但一旦開關的電源適配器輸出電流小于24 V，就應切斷與電瓶間的連接以確定直流變壓器是非故障。但在這種狀態下，在直流變壓器失效時僅靠充電線路和設備供電系統還可以在24 h內保持正常運行狀態，這就導致電氣設備維修部門并未有所察覺，從而在充電容量不夠時，電氣設備裝置的某些電氣元器件間歇性而永久地停止運行，并造成電氣設備裝置異常。因為該裝置的總功率遠不足72 W，但如果裝置檢測存在一個副邊系統的損壞現象后，則應將2臺24 V直流電源分別送到另一裝置的直流變壓模塊的端進行事故處理，并替換備件。

2.2 采集系統故障

參照所采用的光伏發電器件手冊料，通過實驗電路描繪出收集板中電源模塊部分的主要功能原理圖設計組成，以及有關電力元器件的主要型號和參數值（圖1）。電源芯片單元部分的基本原理，是先利用由開關在電源機箱內提供的24 V直流電壓，然后再經由晶片LT3695-5和外圍高壓電極片所形成的開關電路轉換，產生+5 V的電壓，最后經由LDO器件產生+3.3 V的電壓（為MCU用電）。而測試完這個電路后，必須檢測24、5和3.3 V這3類的電壓值。在發生故障時可能是因為單片機LT3695-5的LDO損壞，必須及時替換；另外還應檢查外圍電容器，尤其是肖特基二極管D1、電解線路C有無被擊穿。在進行替換收集板的單元數據前，必須要替換圖1中標明的電容器參數，否則電流有可能會出現變化。一般替換電容器應盡可能選用耐壓值高的產品，確保線路平穩工作。

圖1 采集板供電單元原理示意圖

2.3 傳感器故障

2.3.1 傳感器無數據假設電源箱、數字采集系統正常，且使用SMO業務程序串口測試客戶端所選定的降水現象儀端口，并且用戶進入“TIME”可回到當前時刻，用戶進入“UB”則無降雨情況分鐘數字的輸入輸出，用戶進入“READDATA”則沒有回復的降水現象儀的設備狀態或消息。一旦發生這種情況，則必須確保感應器能夠正常工作。USB轉串口與感應器之間連接時，在串口調試助手中的CS/C/R＜CR〉中檢查串口的通訊速度設置是否為9 600 bit/s，若沒有則必須將其設置為9 600 bit/s；在通常狀況下，感應器中每分鐘都可以產生一串32個或16進制單元的數據幀[4]。用手掌遮住感應器的檢測范圍，而手指則向發射端（貼有英文圖標）的方位產生一根不可逾越的紅線，說明了在一般情況下激光傳感器工作正常，因此基本可以確定感應器正確無誤，且內部信號處理的回路也基本沒有損壞。

2.3.2 傳感器數據異常DSG4降水現象儀的觀測數值和現場狀況出入較大，包括無雨時預報降水、大雨預報冰雹等。鏡頭污染后導致其讀數的失常。因此，儀表維護人員每隔一段時間就應檢查降水現象儀的感應器周圍是否有遮擋物、感應器的發送端和接收端周圍是否有蜘蛛網或紙屑等物體遮蔽。此外，由于氣候和場地等方面的影響，空氣污染還可能會損傷激光的防護鏡，從而導致感應器的正常運作能力下降。

根據OTT電報給出的最新數據信息（感應器狀況）為感應器和激光等光學設備的正常工作運行情況奠定了信息基礎，可以直接在儀器狀況信息欄內查詢，其中的代碼及其具體的狀態信息如下：0表示儀器全部運行情況是否正常工作；1表示激光保護鏡遭到了破壞，但仍可進行常規檢測；2表示激光保護鏡沒有遭到破壞，但部分功能被屏蔽，因此無法繼續進行檢測。但需要特別注意是，當傳感器鏡頭不正確后，也可以是保護鏡頭被損壞并且出現標識2，這類故障一般出現在臺站搬遷后。傳感器在工作過程中發生了事故，造成鏡頭對焦出現錯誤，一般可以將感應器平置于平面上稍加按摩，調整探頭位置于同一水平面進行還原。

2.4 無線模塊故障

無線模塊收發數據故障有以下5種可能：（1）多數情況都是由于手機卡欠費造成的，可以先打電話給無線模塊內的電話卡，確認一下是否為欠費情況。（2）檢查無線電模塊的外部天線是否損壞。（3）揭開機箱，查看無線電模塊上的紅色指示燈是否為常亮的狀態，如紅色指示燈常亮說明供電狀況良好；否則無線電模塊將永遠不能使用。（4）無線模塊中藍色指示燈常亮，則說明它已連接網絡[5]。而如果顯示器一直不啟動，則說明它未連接網絡。（5）關閉無線模塊10 s，然后再重新配置無線設備。若配置的問題仍不解決問題，則可換上最新的無線模塊。

2.5 設備連接狀態不佳

在監測工作情況時，一旦遇到降水現象儀的狀態不通，則必須查看儀器通信參數的設定狀態，檢查是否存在儀器不能工作的現象；若儀器正常，必須查看光電轉換模塊是否能夠正常工作，最重點要查看儀器IP地址有無被搶占，若儀器沒有出現該現象，則必須查看儀器內核版本的更新狀態，若為非更新則必須升級儀器；若為最新版本，則必須檢查設備線纜的正常連通狀態，如有異常應替換線纜；要是儀器的狀態不通是由于儀器阻塞而造成的，則應再次啟用儀器；要是采集功能失效，則必須替換儀器。對于氣候干燥少雨的地區，應定期檢查對降水現象儀傳感器的靈敏度要求，最具體的檢查辦法是拿隨儀器自帶的小工具在2個探測器中間左右搖晃幾下，然后看采集器是否顯示為降水天氣現象。

3 修復后的測試與檢定

降水現象儀經過維修后，對感應器采用最簡易數據測量的方式，即用建設隨儀器裝置時，包裝桶里自帶的小儀器在2個探測器中間左右搖晃幾下，再查看SMO業務軟件氣候表現要素的逐分鐘數據結果，如果有氣候表現產品直接輸出。高速搖晃出“冰雹”氣候表現，慢速晃動出“雨”氣候表現，毛毛雨可以使用噴灑劑加以探測[6]。但由于感應器里具有溫度檢測與校正，氣溫在0℃之上時無法出現降雪，所以難以探測。

4 檢修實際舉例

例1：故障情況為降水現象儀通信順利，但無數據信息。啟動電源機箱，發現箱體漏水，經檢測電力控制器的2只變壓器系統裝置均已損壞，裝置仍僅靠電池提供，因采集板功率遠低于感應器，故感應器先暫停工作。經調換變壓器系統裝置后，裝置重新復位。

例2：故障現象主要由于降水現象儀通信不良。后經通訊電平檢查，串口的PORT接口中在R、G與T、G之間出現了2個-5 V左右的電流，滿足了RS232通訊電平規定。在通訊線另一邊的主采錄板的接口上R、G與T、G卻只是1個-5 V電流。在斷電后進行了通斷測試，測到黑色地絲斷路，然后使用同芯中多余的紫絲和黑條紋連接，通信恢復正常。

例3：故障問題由于SMO的主界面天氣現象的觀測時間每天更改，但實際觀測時間一直顯示為0。打開業務管理軟件，對調試終端使用“UB”的命令卻提示有數據錯誤。后發現，雷擊新替換的主采集板并沒有替換固件，但新版SMO應用軟件雖對該信息不解釋但可接收，在使用自動更新的主采集板固件后，將觀測數據復原。

5 結束語

氣象觀測逐漸轉向全自動氣象觀測，儀器故障排除和處理方法成為臺站工作人員和技能掌握的新課題。DSG4型降水現象儀與自動氣象站相連，可以使觀測結果客觀、觀測數據連續，有利于提高降水觀測的準確性和效率，減少觀測人員的工作量，進一步提高觀測質量和效率。因此，臺站業務人員應熟悉儀器性能，做好日常維護，掌握簡單的維修方法，故障出現第一時間采取適當的處理方法，以降低設備故障率，確保設備長期、穩定運行。