DSC3型稱重式降水傳感器維修維護方法

盧 舟，劉鐘中，王 凡，王 舜

(1.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118；2.臨澧縣氣象局，臨澧 415200；3.常德市氣象局，常德 415000)

0 引言

降水量作為一種重要的基礎氣象數據，對做好強降水監測預警、冬季低溫雨雪冰凍、農業生產和生態環保等氣象服務工作至關重要。DSC3型稱重式降水傳感器是一種自動采集降水數據的智能化雨量傳感器，可全天候持續觀測液態、固態以及混合降水。他既可以輸出開關信號，又可輸出RS-232/485數字信號[1]，在現有的幾種新型自動氣象站上實現國家站兩種雨量傳感器的同步數據采集。DSC3型稱重式降水傳感器的全面部署大大減少了基層臺站人工觀測工作量，進一步提高了降水過程的觀測效率和數據質量。

稱重式降水傳感器與傳統翻斗式雨量傳感器在工作原理、組成結構、維護方法等方面完全不同，基層臺站業務人員在維護維修該傳感器時需要按照規范中的新方法。目前，一些業務人員對DSC3型稱重式降水傳感器進行了研究，李艷琴[2]等根據觀測資料對稱重式降水傳感器數據誤差和故障現象進行了分析，周旭輝、陳杰[3，4]等研究了DSC3型稱重式降水傳感器的日常維護及故障處理方法，但還存在典型故障數量少、維修方法不夠全面等問題。因此，文章簡要介紹了該傳感器的硬件結構和工作原理，給出了從傳感器端到主采集器，再到業務軟件端的詳細維修方法。

1 稱重式降水傳感器

1.1 傳感器基本結構

DSC3型稱重式降水傳感器主要由數據采集處理單元、紅外降水發生探測器(OPD)、稱重單元、收集容器以及相關外圍組件構成。

1.2 傳感器工作原理

目前，國家自動氣象站使用的稱重式降水傳感器有壓力應變式和振弦式兩種類型。DSC3型稱重式降水傳感器采用壓力應變式測量原理，基于一種具有電阻應變技術的稱重元件，通過對其承載重量變化的快速響應進行測量并計算出降水量[5]。數據采集處理單元通過OPD判斷是否有降水發生，只有OPD判定有降水出現時，才會對該降水發生時稱重元件測量的重量信號進行輸出，同時過濾和修正由于溫度、風等環境因素造成的干擾，獲取準確的降水量，其工作原理如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理圖

1.2.1 數據采集處理單元

數據采集處理單元的主要功能是將稱重單元測得的收集容器中降水重量的信號轉化成以mm為單位的降水量，再調用存儲器中的校準常數、溫度系數等參數對雨量值進行修正。然后進行質量控制、數據存儲，最終實現與主采之間的數據通信和傳輸。該處理單元同時具備開關信號輸出接口和RS-232/RS-485串行接口，兼容性較強，1個開關信號相當于0.1 mm降水。通過降水重量轉換成降水總量的計算公式為：

P=M/(ρ×S)

(1)

式中,P為降水總量；M為降水總重量；ρ為水的密度；S為承水口面積(固定值)。

1.2.2 稱重單元

稱重單元通過對收集容器中降水重量變化的快速響應測量降水。該單元基于電阻應變技術，敏感梁在盛水桶壓力作用下產生彈性形變，使粘貼在他表面的電阻應變片也發生變形，電阻應變片的阻值隨之發生變化，再經過相應的測量電路對信號進行轉換，獲得收集容器中降水重量的變化。

1.2.3 降水發生探測器

降水發生探測器(OPD)基于紅外線光束進行探測，OPD圈上相對兩端分別為發射端和接收端，其中一側的兩個遮陽管中間有1個發光二極管為發射端。發射端持續發射紅外線光束，當有降水粒子(雨、雪、雨夾雪或冰雹)連續通過紅外線光束并被智能算法判識后，OPD判斷有無降水發生，當OPD判定有降水過程發生時，傳感器將測得的重量進行轉換并輸出降水量。

2 日常維護

稱重式降水傳感器要注意做好以下幾點維護：

1)每年需對傳感器至少進行 2 次維護，清空收集容器內的液體，時間分別在入夏和入冬之前。在汛期降水量較大或沙塵天氣頻繁出現的地區，應加大維護頻率。每次出現較大降水(雪)天氣過程后應及時檢查收集容器內液體水位，若達到桶身標注刻度400 mm時必須及時清理，防止收集容器溢水損壞其他部件；當某次降水過程降水量可能超過最大量程時，應在降水間歇期進行排水；出現大的降雪天氣過程后應及時清除承水口口沿外的積雪，承水口內壁上的積雪或雨凇應掃入收集容器內，出現的異常數據按業務規定進行處理[6]。若本地區未來將出現沙塵天氣但沒有降水，應提前將桶口加蓋，過程結束后及時取蓋恢復。

2)收集容器在夏天要放入水和抑制蒸發油，冬天要放入抑制蒸發油和防凍液[7]。抑制蒸發油要能完全覆蓋桶底薄薄一層(240 mL)，防凍液根據站點本地歷年最低極值溫度放入相應的量。

3)業務人員要每周打開保護外殼查看OPD遮光管上是否有蜘蛛網、污漬或者其他遮擋物，如OPD遮光管上有異物或大雨有迸濺則OPD傳感器需用干抹布或紙巾進行清理。

4)將筆記本與數據采集處理單元RS-232/RS-485接口連接，使用串口調試軟件或ISOS軟件維護終端對稱重式降水傳感器進行校準，輸入JZ+校準常數指令即可。

3 維修流程

根據DSC3型稱重式降水傳感器基本原理和硬件結構，當傳感器出現故障時，可依次從供電、數據采集處理單元、OPD、稱重單元、信號線、主采串行通信端口以及ISOS軟件等部分開始，采用分段式模塊化檢修方法逐步進行檢查。

4 典型故障處理

4.1 數據采集處理單元故障

打開數據采集處理單元上蓋，檢查單元12 V供電輸入輸出是否正常，用萬用表20 V直流電壓檔測量穩壓模塊的輸入和輸出電壓，輸入電壓9～16 V、輸出電壓12 V即為正常；查看單元內部狀態，采集主板上有3個連續發藍色光的燈，3個藍色LED燈交替閃爍代表主板工作正常，否則主板有故障。

當DSC3型稱重式降水傳感器無數據時，可檢測單元開關信號輸出口的工作狀態。將筆記本與數據采集處理單元的調試串口連接，通過調試軟件發送命令FR 10000至硬件，在數據采集處理單元的開關信號口連接1個脈沖計數器或與調至斷檔的萬用表連接，等待3～5 s后，計數器會顯示10個計數或萬用表發出10次通斷嗡鳴聲，并且每輸出1個計數就有1聲，即表示開關信號口能正常工作，如果有聲響，計數器和萬用表無反應，要檢查信號線是否連接正確，如果沒有聲響，則設備的開關信號口存在故障，需要更換數據采集處理單元。

4.2 OPD單元故障

用工具在OPD圈的中心快速晃動(模擬出現降水)，同時發送LS命令查看OPD記錄次數有無增長，OPD記錄次數增長說明OPD可以啟動降水發生；然后停止晃動，同時不停發送LS命令，此時OPD顯示的次數應該停止在最后晃動時記錄的次數，持續發送至OPD顯示的次數歸零后5 min無增長，說明OPD工作正常，否則OPD有故障，對降水量的輸出有影響或可能誤報降水量。

在使用傳感器的實際環境中，各臺站地網可能存在異常電波，若無法改變當前使用環境，可將OPD接地線取下，重復上一步OPD檢測操作。 如OPD檢測工作正常，業務軟件(ISOS)仍在非降水時段出現異常值可進一步通過發送DMPR命令調取異常值前后時段的歷史數據分析OPD工作狀態，如發現OPD無故自啟，則OPD存在故障，需要更換。同時，發送DMPR命令還能獲取設備狀態信息，狀態標識為0000表示正常，數據質量控制標識為0表示正常，分析設備的溫度傳感器數值是否接近周圍環境溫度，實時重量是否和當前收集容器內的液體重量一致，以此排查問題。

4.3 傳感器信號線纜故障

在DZZ4型主采集器機箱端拔下稱重式降水傳感器信號線，將3芯信號線兩兩進行短接，然后將萬用表打到蜂鳴檔，在傳感器一端檢測信號線通斷，若有蜂鳴聲說明信號線導通，否則說明某根信號線存在斷路。還需反復測量整個信號線的阻值，通過阻值判斷信號線是否有虛接或接觸不良的情況，正常情況下信號線阻值應該是穩定不變的，當出現虛接或接觸不良時降水量測量不準。

4.4 主采RS-485通道故障

4.4.1 通道未開啟

在業務主機ISOS軟件維護終端或串口調試軟件中，首先輸入super ADMIN進入管理模式，然后使用SENST RAW指令查看主采集器稱重式降水傳感器通道是否打開，返回1表示已打開，返回0表示未打開，若未打開則輸入SENST RAW 1指令打開通道，連接稱重式降水傳感器；同時使用COMDEV 5 WUSH_WP和SETCOMEX 5 9600 8 N 1指令配置端口及其相應通信參數，完成DZZ4型主采集器稱重式降水傳感器的通道設置。這種故障會導致業務軟件端降水數據始終為0，一般在更換主采集器后會出現。

4.4.2 通道硬件故障

為判斷主采集器稱重降水通道硬件是否正常，可使用通道替換法進行檢查。通過串口調試助手或ISOS軟件維護終端，將WUSH-BH6型主采集器的稱重降水RS-485通信端口(數字備用口2)改用為能見度端口并將能見度信號線端子插入，若能見度數據能正常采回，說明主采集器稱重降水RS-485通道能正常工作，否則該通道不正常，需要更換主采集器。

4.5 接地故障

當降水觀測數據出現無規律異常值時，檢查OPD和基座接地線是否出現接觸不良、松動的情況，傳感器接地電阻應該小于4 Ω。

5 結束語

根據日常維護工作中的實際情況，DSC3型稱重式降水傳感器還存在需要改進的地方：1)數據采集時效相對滯后。與翻斗式雨量傳感器相比，數據延時達3～5 min[8]，造成及時性不夠高，不利于冬季冰凍雨雪天氣過程氣象服務。2)維護的便利性還需要進一步提高，可增加自動排水設計，盡量實現免維護?？商岣叻Q重單元的負載量，減少維護次數。特別是雨雪天氣，口沿會堆積雪或者雨凇，需要人工干預才能確保數據準確，建議冬季為儀器增加加熱功能。3)優化數據采集處理單元識別算法，增強電路電磁屏蔽性能，減少電磁干擾，提高采樣數據準確性。

DSC3型稱重式降水傳感器的廣泛應用實現了自動氣象站降水觀測全自動化，避免了冬季人工觀測時效性差、觀測頻次少等問題，能全面、連續的反應冬季降水情況。做好稱重式降水傳感器的日常維護維修有利于降水觀測數據的準確獲取、及時傳輸，提高了地面氣象觀測數據質量，為精細化氣象服務提供了基礎支撐。