雨水自動遙測站常見故障分析及排除方法的探討

靳 君，王寶童，董禮瑋

（1.西安水文水資源勘測中心,陜西 西安 710100；2.延安水文水資源勘測中心,陜西 延安 716000）

1 柳林水文站雨量、水位一體化自動遙測站的組成

柳林水文站雨量、水位一體化自動遙測站主要由水位塔、檢修平臺及橫臂、遙測終端機、翻斗雨量計、水位計、通信模塊、4G 流量卡、太陽能光伏板、光伏板充電控制器、蓄電池、機箱、線纜、天線等組成。

2 柳林水文站雨量、水位一體化自動遙測站傳感器工作原理

2.1 翻斗雨量傳感器工作原理

用標準器口（內徑Φ200 mm）采集自然界降雨量,降雨從雨量筒上端的承雨器口進入雨量筒匯集后,通過雨量筒漏斗,流入下方翻斗計量組件,按預先設計的感量（柳林水文站雨量翻斗計量組件為一斗0.2 mm）進行稱重、計量,將mm的降雨量轉換為重量g（或容積mL）的單元水量,使翻斗計量組件失去平衡翻轉,并把水量排出器外。而每一次翻斗翻轉,都會對干簧管磁場切斷一次,每次切斷會以開關量方式實時輸出,供遙測終端機采集利用。

翻斗計量組件是一個機械式雙穩態稱重機構,若左邊翻斗計量后翻轉,把水量排出器外,同時由于翻斗重心發生變化,右邊翻斗隨即轉入計量,按此方式不斷地循環計量、輸出信號,連續采集自然界降雨量,實現自然降雨量的連續、實時監測。

2.2 雷達水位傳感器工作原理

雷達水位計的主要測量原理是雷達水位傳感天線發射電磁波脈沖,其在空氣介質中傳播,遇到水面,在界面處將產生反射,部分電磁能被反射至發射源。經測定,電磁波在水位計和水面之間往返傳播的時間為T,由于電磁波的傳播速度C是個常數,因此可以測出水位計與水面之間的距離H。

雷達水位計記錄脈沖波經歷的時間T,而電磁波的傳輸速度為常數C,則可計算出雷達天線到水面的距離D=C×T/2；水底到雷達天線的距離是L,計算可得出水位高度H=L-D。

水位值需要在參數設置里增加基準高程,若不設置測到的是相對高程。

3 柳林水文站雨量、水位一體化自動遙測站的主要故障分類及其排除方法

在實踐中,柳林水文站雨量、水位一體化自動遙測站在使用過程中出現很多不同原因、這樣那樣的問題,經過反復維修和多年養護經驗,總結歸納出存在故障主要有以下五類,故障表現為數據時通時斷、數據不通、暢通無量、數據精度不高、水位值固定不變、水位報大值（跳大值）。

3.1 電源故障

柳林水文站雨水自動遙測站供電系統由太陽能光伏板、光伏充電控制器、蓄電池組成,太陽能光伏板為蓄電池充電。如果出現蓄電池更換頻繁,白天正常而陰天不正常,白天正常而晚上不正常。分析故障：一是太陽板供電不足；二是蓄電池蓄電能力不足；三是供電連接線問題。

排除方法：第一種情況,排除太陽板破損；排除太陽能板接線柱焊點是否氧化脫落；排除太陽能板是否遮檔,用干凈軟布或者軟餐巾紙清除太陽板硅晶表面雜物,保證表面清潔；再用萬用表檢查太陽板與光伏充電控制器連接線的太陽板供電電壓是否正常,確保蓄電池的有效充電；第二種情況,斷開太陽能充電板,用萬用表檢查蓄電池電壓值,若低于11V,說明蓄電池電量虧損,需及時更換蓄電池；特別是電池使用時間過長已不能存儲大量電能源,和白天充電電壓過大。或者連陰雨期充電不足導致虧損,只能更換蓄電池。這種問題最常見；第三種情況,檢查連接線是否氧化、生銹、斷路,排除線路松動、斷開或線路短路問題；如有問題及時重新整理接線或更換電線。

3.2 通信網絡信號故障

柳林水文站自動遙測數據傳輸流程為,現場遙測終端機采集數據后,通過4G/GPRS/CDMA 網絡傳輸到中心平臺,中心平臺部署為艾力泰爾遙測平臺。故雨水自動遙測站和中心艾力泰爾遙測平臺的穩定、及時通信是監測數據傳輸的重要保障,既是各站點監測數據能否上傳的重點,也是考核雨水自動遙測站正常運行的重要指標。在例行維修養護時,需要提前查看中心艾力泰爾遙測平臺上各站點的實時數據和歷史監測數據,提前判斷自動遙測站問題,如果某個站點無數據,而該站點基本信息供電正常,那么可以判斷該站點通信問題；在現場可通過觀察通信模塊的工作指示燈顏色和閃爍頻次來判斷通信問題。通信網絡信號故障變存在問題為,一是測試數據艾力泰爾遙測平臺接收不到；二是遙測終端機屏幕顯示網絡連接時通時斷,網絡信號質量值偏小,艾力泰爾遙測平臺測試報文時有時無,測試雨量數據偏小,接收數據時斷時續。

排除方法：第一種情況,主要為SIM卡和遙測終端機問題,需要更換物聯卡重新發送測試報；SIM 卡安裝不正確,導致SIM 卡芯片接觸不良,應重新安裝SIM 卡；由于通信設備安裝在狹小的空間里。高溫容易導致SIM 卡槽變形,使得SIM卡芯片接觸不良,這是最常遇到的現象,處理方法：卡槽適當位置墊紙片；遙測終端機設置不正確或IP 地址或端口號設置不正確,要按照艾力泰爾遙測平臺正確的IP 地址和端口號設置遙測終端機；如是通信模塊發生問題,及時更換通信模塊。第二種情況,主要為信號問題,可以用不同移動信號的手機測試站點所在地運營商信號,選擇信號質量值最大的運營商網絡；也可在規范允許范圍內移動站點或加裝室外天線,條件允許情況下可改建為衛星站。

3.3 雨量計故障

目前水文系統所用雨量計主要是翻斗式，分辦率為0.2 mm 的雨量計,用以測量降雨量,雨量計翻斗切斷干簧管磁場產生開關信息量計數傳輸,以滿足信息記錄、傳輸、顯示的需求：以翻斗式雨量計為例。出現雨量數據明顯偏小或者降雨后沒有雨量數據,反之雨量計數據明顯偏大或者錯誤的雨量數據特大值。還有一種常見現象,在小雨時總是出現連續不斷的長歷時最小量的數據,看起來一切正常。一般都是外雨量桶漏斗被泥土和枯葉堵塞,漏水很慢。

其問題有：一是雨量筒的集水器漏斗堵塞或即將堵塞；二是翻斗內有泥沙或其它雜物,落灰塵土板結,小蟲結網；三是翻斗軸卡死；四是翻斗承雨不標準；五是干簧管消磁或損壞；六是雨量計接線柱連接斷開或生銹脫落。

排除方法：第一二種問題,對雨量筒的集水器、濾網、漏斗、翻斗先取出,用小毛筆或小毛刷洗,噴壺大量噴水沖洗,用干凈的軟布擦干,翻斗背面擦干,再將翻斗安裝恢復原位,用手輕撥查看是否正常翻轉,避免由于操作或恢復不到位導致翻斗運行不正常。清洗防堵罩和濾網時,先將其取出,用清水洗凈外筒,將防堵罩和濾網刷洗干凈再放回外筒。第三種問題,可通過對翻斗軸螺絲調試,查看軸是否放在原位,通過撥動翻斗靈敏度可知；第四種問題,當雨量計數據偏小或偏大,在保證雨量筒水平的基礎上,調整翻斗高低來糾正數據大小,翻斗下方有微調螺母,螺母升降來調節翻斗雨量多少,調節后必須進行最少三次注水測試檢驗,確保誤差在±0.4 mm 范圍內；第五種問題,用萬用表蜂鳴檔檢查磁鋼傳輸情況,撥動翻斗,萬用表沒有蜂鳴聲說明干簧管問題,可以更換干簧管或者用雨量計另一邊的備用干簧管；第六種問題,對雨量計接線柱重新接線；如果線纜老換更換新線纜,如果接線端子生銹嚴重直接更換接線端子。

3.4 水位計故障

柳林水文站,采用北京古大GDRD56 型高頻雷達水位計,該水位計傳感器由雷達微波解調系統和雷達微波脈沖發射天線兩部分組成,在監測過程中,發生過水位數據接收不到、水位數據顯示一個數值不變。最后歸納總結其原因有：一是水位計連接線纜松動或連接線斷路；二是水位計傳感器死機；三是水位計安裝位置不垂直；四是蜜蜂搭窩飛蟲織網堵塞。

排除方法：第一種問題,檢查線路,重新接線,排除連接線斷開、接口松動或者更換新線纜重新接線,保證連接線連接可靠；第二種問題,通過重新啟動水位傳感器或者重新啟動遙測終端機來恢復正常運行；第三種問題,需要重新安裝,并固定牢靠；第四種問題,當其他方法檢查后依然無信號或者一直是一個恒定值。則檢查橫臂的水位計探頭,查看喇叭口里是否有蜜蜂搭窩飛蟲結網,清理干凈。

還要檢查水位計探頭發射波束角是否太小,探頭離水邊是否太近,探頭是否偏斜,水流是否脫流等。

3.5 遙測終端機故障

遙測終端機是雨水自動遙測站的運行大腦,連接各種傳感器,對傳感器監測到的數據有記錄、存儲、發送功能。每一個自動遙測站都必不可少。在電源、 通信信號、線纜連接正常的情況下,查看遙測終端機顯示屏,不計數,不顯示,時間停止或者黑屏,首先按重啟鍵或斷電來解決,如還不能排除,說明終端機有故障,需要用便攜式電腦對終端機配置查看或從新配置,如重新配置后還不能解決問題那就需要更換終端機。

4 結語

近十年來,陜西省水文系統相繼建成了一大批雨水自動遙測站,這些站點的投入運行,對雨量水位的監測進行了加密,特別是對局部小流域降雨天氣可有效進行監測,彌補了我們常規監測網點的不足,同時也解放了人工觀測的勞動強度,對雨水自動遙測站的常規故障及解決辦法,我們要從先軟件后硬件,先中心后終端,由近及遠的方法,通過仔細觀察設備的當前工作狀態,初步判定故障部位和原因,為下一步排除問題制造條件,結果可供大家參考。