DXC2 視程障礙現象儀原理及故障排查技術分析

戶曉琴 ，饒智杰 ，段彭南 ，劉 爽

（1.四川省西充縣氣象局，四川 南充 637200；2.四川省儀隴縣氣象局，四川 南充 637600）

視程障礙現象是指影響能見度且其強度與能見度直接相關的天氣現象，是天氣現象觀測中一類重要的天氣現象[1-2]。隨著氣象業務現代化的不斷發展，自2004 年以來，地面氣象觀測業務在觀測時次、觀測方法和觀測儀器等方面先后進行了較大調整，并印發了一系列技術文件和業務補充規定。為加強地面氣象觀測技術規定的系統性和完整性，發揮其對地面觀測業務的技術指導作用，中國氣象局綜合觀測司歸納整編了《地面氣象觀測業務技術規定（2016 版）》。該技術規定保留了霧、輕霧、霾、沙塵暴、揚沙、浮塵6 種視程障礙現象，《霧的預報等級》（GB/T 27964—2011）、《霾的觀測識別》（GB/T 36542—2018）及《沙塵暴、揚沙和浮塵的觀測識別》（QX/T 477—2019）等標準文件明確了這6 種視程障礙現象的判定依據，除了霧和輕霧以外，其余4 種視程障礙現象均需要借助空氣中實時顆粒物（PM10和PM2.5）質量濃度數據進行判識。自2014 年以來，視障現象判識逐漸由人工轉為自動，自動判識則是安裝不同監測要素的技術標準，判別當前視障現象[3-4]。傳統的視程障礙現象觀測要素，如霧、輕霧、揚沙、浮塵、霾等，已不能滿足當前氣象環境需要[5-9]。DXC2 型視程障礙現象儀是目前投入使用的一種最新觀測儀器之一，西充國家基本氣象站已于2023 年7 月1 日起正式接入使用，它可以在線實時測量空氣中PM10、PM2.5和PM1顆粒物質量濃度數據，在ISOS 軟件上進行綜合判識，輸出視程障礙類天氣現象，彌補了氣象部門在顆粒物質量濃度監測上的空白，大大提升了氣象服務能力[10]。

1 DXC2型視程障礙現象儀工作原理

DXC2 型視程障礙現象儀是利用激光散射的原理，當采樣空氣以一定流速經過激光測量模塊光學測量腔時，激光照射在氣溶膠樣本中的顆粒物上發生散射，散射光被某一特定角度的接收器接收，根據接收到散射光脈沖信號的頻率和強度，測量顆粒物的個數和粒徑大小，通過質量訂正得到樣品空氣中PM10、PM2.5、PM1顆粒物的質量濃度[8]。

DXC2型視程障礙現象儀工作原理如圖1所示。

圖1 DXC2型視程障礙現象儀工作原理圖

2 DXC2型視程障礙現象儀組成結構

DXC2 型視程障礙現象儀由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分如圖2 所示，包括FGP251 顆粒物傳感器、WUSH-X 數據采集器、采樣進氣頭、輔助測量單元、通信單元、供電單元和外圍組件等；軟件部分包括顆粒物傳感器和數據采集器中的嵌入式軟件以及業務計算機上的上位機軟件。

圖2 硬件組件

2.1 FGP251顆粒物傳感器

FGP251 顆粒物傳感器由主控單元、測量與控制模塊、激光散射器、流量計、抽氣泵和過濾器組成。主要功能是實現氣體采樣、顆粒物測量、流量監測與控制。

2.2 WUSH-X數據采集器

WUSH-X 數據采集器是基于航天新氣象科技有限公司現有WUSH 數據采集平臺，與WUSH-BH6 數據采集器共用主板和通道板，具有5 個模擬采樣口、2 個頻率接口、1 個格雷碼風向接口、5 個數字（RS-232/485）接口和1 個CAN 總線接口。滿足顆粒物傳感器、輔助測量單元、流量計、加熱溫度、擴展要素等接入需求。

2.3 采樣進氣頭

采樣進氣頭主要由防雨帽、防蟲網、進氣口、進氣管路、加熱除濕模塊和溫度傳感器組成。主要功能是防止雨水及飛蟲進入氣路，同時對吸入的氣體進行加熱除濕處理。

2.4 輔助測量單元

輔助測量單元主要由防輻射罩、溫濕度傳感器、氣壓傳感器和安裝座組成。主要功能是對采樣氣體的溫度、濕度和氣壓進行測量。

2.5 通信單元

通信單元由TCF-142-M-ST 串口光纖轉換模塊組成，主要功能是實現RS-232/光纖通信轉換，如圖3所示。

圖3 通信單元組成

2.6 供電單元

供電單元由斷路器、交流避雷器、開關電源和雙層端子排組成。主要功能是實現220 V 交流到12 V直流的轉換，如圖4 所示。

圖4 供電單位組成

3 DXC2型視程障礙現象儀主要技術指標

3.1 電氣及環境適應性

DXC2 型視程障礙現象儀電氣及環境適應性情況，如表1所示。

表1 電氣及環境適應性情況

3.2 顆粒物測量性能

DXC2 型視程障礙現象儀顆粒物測量性能，如表2 所示。

表2 顆粒物測量性能

3.3 輔助測量要素技術指標

DXC2 型視程障礙現象儀輔助測量要素技術指標，如表3所示。

表3 輔助測量要素技術指標

4 日常維護及故障排查

4.1 安裝要求

設備布局在現有國家級地面氣象觀測站內，布局原則參考《地面氣象觀測規范》和《氣象儀器和觀測方法指南》的基本要求，同時兼顧實際情況。所安裝的視程障礙現象儀周圍水平面應保證270°以上的捕集空間，如果監測設備一邊靠近建筑物周圍水平面，應有180°以上的自由空間。視程障礙現象儀采樣口高度應距離地面2.8 m。推薦視程障礙現象儀可以和能見度設備安裝在同一個立柱上。

4.2 防雷要求

采用電源、信號電涌保護器，防止或減少雷電波引入所產生的脈沖過電壓和脈沖過電流，造成站點設備損壞或失效。

4.3 日常維護

檢查采樣進氣頭進氣口濾網、排氣口是否被蜘蛛網、飛蟲、灰塵等堵塞，及時清理；定期查看觀測數據是否存在異常，以便及時檢查并排查故障；過濾器是易耗品，如檢查發現過濾器中濾芯有明顯的顆粒物沉積，需及時更換過濾器。

4.4 現場調試

視程障礙現象儀通過USB 轉RS232 串口線與筆記本連接，連接方式如圖5所示。

圖5 串口連接圖

常見的串口調試工具有串口調試助手V2.2/2.0、SSCOM3.2 等，本研究小組使用的是串口調試助手V2.2。通過串口調試工具對設備進行設置，命令設置臺站號（QZ,8*****）、日期（DATE,YYYY-MM-DD）、時間（TIME,HH:MM:SS）、經度（LONG,DDD.MM.SS）、緯度（LAT,DD.MM.SS）、設備ID號（ID,000）等。

正式投入使用前，需要對設備樣本數據和實時數據進行比對。首先發送SAMPLES 命令，讀取樣本數據，樣本數據格式如表4所示。

表4 樣本數據格式

再次發送READDATA 命令，讀取實時數據，數據格式為：

4.5 常見故障排查

4.5.1 觀測無數據

步驟一：檢查斷路器是否跳閘，若跳閘，則合上開關再查看是否有數據。

步驟二：觀察開關電源指示燈是否長亮，若不亮則檢查開關電源輸出端電壓是否為直流14.5 V 左右。若輸出電壓為0 V 左右，則測量交流電源輸入端電壓是否為220 V 左右。若交流電壓正常，開關電源輸出為0 V 左右，則更換開關電源；若交流電壓為0 V，則檢查交流電源輸入并恢復供電。

步驟三：檢查采集器指示燈閃爍是否正常，若閃爍不正常則需更換采集器。

4.5.2 通信異常

步驟一：觀察通信模塊POWER 燈是否長亮，若指示燈滅，測量模塊供電電壓是否為直流12 V～15 V之間。若直流電壓正常，則更換通信模塊；若直流電壓異常，則判斷為電源故障。

步驟二：觀察通信模塊POWER 燈是否長亮，若指示燈長亮，更換故障光纖通信模塊或光纖。

4.5.3 數據異常

步驟一：檢查采集器參數配置是否正常。

步驟二：通過萬用表檢查傳感器供電電壓，若傳感器供電電壓低于12 V，則判斷為傳感器供電有故障。

步驟三：若傳感器供電電壓在12 V～15 V 之間（正常），則判斷為傳感器故障，需更換傳感器。

5 結論

DXC2 視程障礙現象儀能夠很好地監測PM10、PM2.5、PM1顆粒物濃度，大大提升了氣象部門在環保、農業、交通方面的氣象服務能力，為氣象高質量發展提供了保障。由于目前設備運行時間短，對數據的分析、運用還存在不足，對運行中出現的實際問題還需要進一步研究。下一步，將收集長期有效的數據樣本、故障疑誤分析，完善技術分析方法，為實際業務工作研究提供更準確的參考依據，更好地為農業部門服務。