多翻斗雨量傳感器融合系統結構及故障排查

閆 平

內蒙古自治區大氣探測技術保障中心，內蒙古呼和浩特 010051

我國幅員遼闊，以強降雨引發的山洪災害發生頻繁，且危害大，對人民生命財產造成重大損失。內蒙古地區全年降水量不多，主要集中在夏季，局部地區因短時暴雨或大暴雨造成不同范圍、不同程度的洪澇災害不乏其例。加強監測是一種重要的洪澇災害防治措施，通過監測降雨量，能夠為防旱抗澇提供科學的依據，預測洪澇災害發生的概率并及時采取措施，有效防治洪澇災害的發生，降低損失。因此，降水監測系統的穩定運行和數據的準確、可靠至關重要。2019年內蒙古氣象部門開展了以多傳感器溫度雨量融合系統建設為主要內容的山洪地質災害防治氣象保障工程建設任務，通過降水多傳感器融合系統，解決了以往因自動氣象站單一雨量傳感器出現故障而導致雨量數據異常或缺測的問題，確保了雨量數據的完整性和可用性。

1 多翻斗雨量傳感器融合系統結構與原理

1.1 系統結構

多翻斗雨量傳感器融合系統主要由3個雙翻斗式雨量傳感器、降水采集融合控制模塊、主采集器及綜合集成硬件控制器等組成（圖1）。

圖1 多翻斗雨量傳感器融合系統硬件結構示意圖

該系統中的多支翻斗式雨量傳感器選用同一型號和同一廠家生產的設備；降水多傳感器融合控制器實現了多個降水傳感器的融合算法，通過CAN總線端口與主采集器連接，向主采集器傳輸降水數據。降水融合控制器通過自動氣象站主采集器CAN總線供電。

1.2 工作原理

單個翻斗式雨量傳感器承水口收集到的雨水，經過漏斗注入翻斗，當積水量達到一定量時，翻斗因重力而失去平衡翻倒將水倒出，隨著降雨的持續，將使翻斗左右翻轉，接觸開關將翻斗翻轉次數變成電信號送至記錄器，將降雨過程測量下來。本系統所用到的SL3-1雙翻斗雨量傳感器，主要由盛水器（常用口徑為20 cm）、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、計數翻斗和干簧繼電器等組成（圖2）。它的工作原理是通過承水口收集到的雨水，順著漏斗，注入上翻斗，當上翻斗累積到一定量的雨量，就會發生翻轉，再通過匯集漏斗注入計量翻斗，同時還可以將不同強度的自然降水調節為比較均勻的中等強度的降水[1-2]。計量翻斗是采用工程塑料注射成型的用中間隔板分成2個等容積的三角斗室。它是一個機械雙穩態結構，當一個斗室接水時，另一個斗室就處于等待的狀態。當所接雨水容積達到預定值時，因重力作用翻倒后處于等待狀態，而另一個斗室進入接水工作狀態，當其接水量達到預定值時，自身翻倒后進入等待狀態，如此往復。該雙翻斗雨量傳感器的分辨率是0.1 mm，所以當計量翻斗每翻動1次，降水量即為0.1 mm。計量翻斗翻動1次，就有0.1 mm的降水量注入計數翻斗，在計數翻斗中間裝有1個干簧繼電器，干簧繼電器關鍵的元件是簧片開關。計數翻斗翻動時，干簧繼電器通斷，即翻斗每翻倒1次，干簧繼電器便接通1次，也會送出1個開關信號（脈沖信號），以此測量降雨量。

圖2 SL3-1雙翻斗式雨量傳感器

3個雙翻斗式雨量傳感器采集的降水觀測數據進入降水采集融合控制模塊，通過融合算法和監控算法實現多傳感器融合數據，采樣頻率為1次/min。數據采集的具體步驟為：對傳感器按預定的采樣頻率進行掃描，將獲得的電信號轉換成微控制器可讀信號，得到氣象變量測量值序列；對氣象變量測量值進行轉換，使傳感器輸出的電信號轉換成氣象單位量，得到采樣瞬時值；對采樣瞬時值，根據規定的算法，計算出瞬時氣象值，又稱氣象變量瞬時值；最終實現數據質量檢查。

降水多傳感器標準控制器選取翻斗雨量傳感器Ⅰ的測量結果作為業務主用數據源，雨量傳感器Ⅱ或Ⅲ號的測量結果作為熱備份數據源，在整點對比3個傳感器的小時累計降水量測量結果與標準值數據，若超出閾值±0.4 mm（≤10 mm）或±4%（＞10 mm），輸出相應狀態碼，觀測業務軟件端可實現自動報警，并提示需要檢查異常雨量傳感器。

降水多傳感器工作時，若現用雨量數據源異常，標準控制器可自動切換至下一個狀態正常的雨量數據源，切換順序為翻斗式雨量傳感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ依次切換，根據翻斗雨量數據源形成翻斗雨量傳輸值序列，切換后下1 min起即啟用新的數據源作為傳輸值；若標準值缺測，或3個雨量傳感器均超出閾值，則傳輸值記為缺測，并輸出相應狀態碼。

2 多翻斗雨量傳感器融合系統故障排查與日常維護

根據多翻斗雨量傳感器融合系統結構，主要分3大部分排查系統的故障，即線路故障排查、傳感器故障排查和降水多傳感器融合控制器故障排查。

2.1 線路故障排查

線路排查是故障排查的第一步，多翻斗雨量傳感器融合系統線路排查包含傳感器到控制器線路排查、控制器到主采集器線路排查。將雨量傳感器Ⅰ的紅黑線短接，用萬用表測試控制器對應雨量接口點位，若有蜂鳴聲則線路完好，依照此方法依次檢測雨量傳感器Ⅱ、雨量傳感器Ⅲ線路，即可排查所有傳感器到控制器之間的線路故障。控制器到主采集器線路故障即CAN總線線路故障可采用發送指令、測量電壓或測通斷等方式實現排查。

2.2 雨量傳感器故障排查

若信號線纜正常，開始排查是否為雨量傳感器故障。首先確定雨量傳感器輸出數值是否存在偏差或缺測。傳感器輸出值的檢測可通過發送命令實現。即獲取降水多傳感器融合標準控制器實時數據命令，可發送命令：OBSAMPLE RAIN（回車換行），返回值：<18:13:42RAT1:0.1RAT2:0.1RAT3:0.1 MBTEMP:21.9POWER:13.7>。對照表1降水多傳感器融合標準控制器實時數據格式即可初步判定。如果是數值偏差，就要檢查漏斗是否阻塞，翻斗是否卡滯，并通過現場校準解除上述故障；如果是數值缺測，就需要檢查傳感器輸出是否正常，可用萬用表檢測傳感器輸出端（萬用表正極接紅色旋鈕，萬用表負極接黑色旋鈕），同時撥動翻斗（切勿直接用手觸摸），如果傳感器輸出正常，萬用表會隨著每次撥動發出短促導通響聲，否則為傳感器故障，更換相應元器件（一般更換干簧繼電器）即可[3-4]。

表1 降水多傳感器融合標準控制器實時數據格式

2.3 降水多傳感器融合控制器故障排查

若信號線纜正常、傳感器輸出正常，排查降水多傳感器融合控制器故障。降水多傳感器融合控制器內部電路板見圖3。

圖3 降水多傳感器融合控制器電路板

若模擬翻斗輸出、串口輸出、CAN總線輸出數據全部缺測，結合電源顯示指示燈異常，可初步判斷電源故障（圖3紅框部分）；若串口輸出、CAN總線輸出正常，僅模擬翻斗輸出無數據，則初步判定可能是繼電器故障，因為該端口輸出數據的原理是：每一次翻斗傾倒，都使干簧繼電器的開關接通電路，向記錄器輸送一個脈沖信號，降水多傳感器融合控制器電路板上的脈沖繼電器每接收一個脈沖，繼電器的觸點改變一次狀態，如此即可采集并輸出降雨量數據。在檢查降水多傳感器融合控制器內部電路板時，還要同時觀察一下電路板后面一排陶瓷氣體放電管是否損壞。該器件是一種能防雷擊的放電管，它用陶瓷密閉封裝，內部有2個及2個以上帶間隙的金屬電極，中間充滿惰性氣體，主要是氬氣或氖氣。每當2個電極端的電壓達到可以使氣體放電管內的氣體擊穿時，氣體放電管便開始放電。此時高阻抗變成低阻抗，使得浪涌電壓迅速短路至接近零電壓，同時將過電流釋放入地，以對后續電路起到保護作用。當浪涌電壓消失后，陶瓷放電管恢復到高阻抗狀態，等待下一次動作，陶瓷放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級。陶瓷氣體放電管損壞后雖然不影響降水多傳感器融合控制器工作，但會使得控制器處于一種不在保護的狀態，因此檢查電路板后面一排陶瓷氣體放電管也很重要。

2.4 日常維護

多翻斗雨量傳感器融合系統的日常維護分為設備調試和設備維護。

2.4.1 設備調試翻斗式雨量傳感器出廠時已經調試檢驗合格，一般情況下可以直接安裝使用；對于內蒙古地區冬季翻斗式雨量傳感器停用的臺站，在第2年重新啟用時，必須重新調試傳感器。尤其在翻斗式雨量傳感器測量誤差超出誤差范圍時，必須認真查找原因并進行調整，調試步驟如下：

（1）調整上翻斗。當上翻斗出現向下滴流但不翻轉現象時，應將對應的上翻斗定位螺釘向內旋進，減小上翻斗傾角。

（2）調整計量翻斗。調整計量翻斗的容量調節螺釘，使測量誤差在誤差范圍內。誤差=（實際排水量-測得的降水量）/實際排水量，當誤差為“+”時，表示測得的降水量小于實際排水量，應減小計量翻斗的容量，此時應將容量調節螺釘向內旋進；反之，當誤差為“—”時，就應加大計量翻斗的容量，將容量調節螺釘向外旋出[5]。容量調節螺釘每向內或向外旋轉一圈，測量誤差就會減少或增加3%左右。

2.4.2 設備維護多翻斗雨量傳感器融合系統日常維護內容和方法主要有：維護期間首先應將信號線從傳感器上拆下，避免翻斗誤翻產生多余的雨量數據；定期檢查雨量傳感器的安裝高度，檢查傳感器底盤上的水平泡，檢測器口是否水平、有無變形，發現不符合要求時及時糾正；維護中應避免碰撞盛水器的器口，防止器口變形而影響測量準確性；定期檢查盛水器，清除內部進入的雜物，檢查過濾網罩，防止異物堵塞進水口；定期檢查和清除漏斗、翻斗和出水口沉積的泥沙，保證流水暢通，計量準確，可用干凈的脫脂毛筆刷洗；翻斗內壁切勿用手觸摸，以免沾上油污影響翻斗計量準確性；定期檢查翻斗翻轉的靈活性，發現有阻滯感，應檢查翻斗軸向工作游隙是否正常，軸承如有微小的塵沙，可用清水進行清洗；翻斗軸如有變形或磨損，應更換軸承；切勿給軸承加油，以免沾上塵土使軸承磨損；定期檢查融合控制器工作狀態；每年春季全面檢查防雷設施，復測接地電阻；當設備故障時應及時維護或維修。

特別注意雨量傳感器的清潔步驟如下：

（1）將電纜插頭拔下，松開外殼螺釘，將外殼取下。

（2）觀察外殼是否有泥沙，如有，則將長過濾網拿掉，用清水沖洗干凈，并將刷洗干凈的過濾網放回原處。

（3）觀察漏斗處是否有泥沙，如有，則將漏斗輕輕取出，再將小過濾網拿出，用清水沖洗干凈。并將小過濾網刷洗干凈后放入漏斗中，注意放正。

（4）將翻斗用清水刷洗干凈（勿用酒精和汽油清洗），并將清洗后的翻斗背面用干凈的布或面巾紙擦干凈（注意不要用手觸摸翻斗內側），再將翻斗放回原處輕輕撥動螺釘使其能正常翻轉。

（5）上述工作完畢，將翻斗擺向一側，安裝外殼并檢查、調整水平，與底盤固定。

（6）用清水輕輕倒入筒殼中，聽內部有無翻斗聲，也可通過萬用表測量通斷進行檢查，如聽不到聲音或者萬用表測試無通斷信號，則需重復上述步驟。

（7）將電纜插頭插好。

3 結束語

氣象觀測是氣象工作的基礎，地面氣象觀測是其重要組成部分。近年來，各級氣象部門對標“監測精密”要求，綜合氣象觀測現代化進程加快，各類新型化觀測儀器設備的自動化程度和科技含量越來越高，但無論監測儀器設備多么先進，人始終有監測設備無法替代的優勢，只有人與設備的有機配合才能織密氣象監測安全網。各基層氣象臺站工作人員應掌握多翻斗雨量傳感融合系統結構和工作原理、故障排查及日常維護等，在雨量傳感融合系統出現異常數據時，及時分析異常原因，找出并排除故障，使傳感器處于正常運行狀態，確保觀測數據的準確、可靠。