DSG1型降水現象儀的故障診斷及期間核查方法

摘 要：降水現象儀是地面自動化觀測的重要組成部分，保證其穩定運行和數據的準確性至關重要。結合實際對DSG1型降水現象儀業務運行常見故障、期間核查進行了分析與總結，并提出了易操作的故障診斷和數據質量核查方法，供臺站業務人員參考。

關鍵詞：降水現象儀；故障診斷；期間核查

中圖分類號：P414.9 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）02–0-03

0 引言

降水現象是指從天空降下固態、液態、混合態降水的天氣現象。在氣象觀測業務中，對降水類型和時間的觀測一般以降水現象儀自動觀測為主、人工觀測訂正為輔。降水現象儀可實現對毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹5種降水現象的全天候自動觀測與識別，避免了以往人工觀測的主觀性，提升了降水觀測資料的及時性和準確性[1]。在降水現象儀業務運行過程中，部分臺站出現了因故障造成數據中斷、偏差等現象。以新疆伊犁本地10個氣象臺站布設的DSG1型降水現象儀為例，結合實際經驗，分析與總結了對業務運行中常見故障的檢修和期間核查方法，供臺站參考。

1 結構與原理

DSG1型降水現象儀由雨滴譜傳感器、數據采集器、供電和通信單元組成（圖1）。供電單元負責提供設備運行12 V直流電源和傳感器24 V加熱電源。雨滴譜傳感器基于激光衰減原理設計，通過采樣區測量降水粒子的下落速度和尺寸，獲取雨滴譜信息以識別降水現象。數據采集器監測雨滴譜傳感器的工作狀態，從傳感器獲取雨滴譜數據和降水類型，經過算法處理后存儲數據，轉換數據傳輸的格式。通信單元將數據信號進行光電轉換，傳輸至串口服務器對應PORT口，與自動氣象站、日照等設備數據匯總傳輸至終端計算機[2]。

2 故障診斷流程

造成降水現象儀的數據缺測或偏差等問題的因素有許多，當發現終端計算機ISOS軟件降水現象儀的數據采集出現異常時，在出現降水天氣過程時，應切換備份站降水現象儀，并進行人工觀測訂正，在無降水天氣過程時檢查、刪除異常數據，并對設備進行檢修、現場核查。

2.1 降水現象儀的數據缺測處理

2.1.1 故障現象及其成因

故障現象為ISOS軟件首頁數據采集時間停止更新、查詢分鐘數據顯示降水現象類型為缺測。原因可能是設備故障、供電故障、軟件參數錯誤或通信線纜斷路、短路等。

2.1.2 檢修步驟

第一，檢查ISOS軟件掛接的其他設備是否采集正常，若其他設備同步異常，考慮串口服務器至室內終端機通信故障。使用筆記本電腦在終端機網口、室內光纖盒端分別PING串口服務器IP，同步檢查各通信設備供電和狀態燈是否正常，確定故障點。

第二，若其他設備另有1個采集異常，考慮串口服務器通信堵塞故障，重啟串口服務器、觀測設備或取消掛接某一設備，觀察數據是否恢復。

第三，若ISOS軟件只有降水現象儀數據缺測，先檢查設備是否正常掛接，對應串口通信參數是否為9600、8、N、1，COM口是否對應串口服務器NPORT中的PORT口。

第四，如果參數正常，則在ISOS軟件維護終端發送TIME或READDATA命令，如果TIME或READDATA

命令有返回值，檢查采集器返回值時間是否與ISOS軟件時間一致，若不一致需采用TIME、DATE命令校正采集器時間。同時，檢查READDATA命令狀態返回值SA參數是否為污染（狀態碼6、7、8分別對應輕度、中度、重度污染），若為污染，需要清潔傳感器激光保護鏡片、清理影響光路的障礙物。如果狀態返回參數量偏少且無SA等雨滴譜參數值，考慮雨滴譜傳感器故障或RS485通信線斷路短路。直接跳轉至第七步繼續排查。

第五，若在ISOS軟件維護終端發送TIME或RE-

ADDATA命令無返回值，考慮故障點在降水現象儀采集器至串口服務器端。去現場進行供電和通信檢查，使用萬用表測量降水現象儀供電箱內交流輸入電壓是否為220 V，開關電源直流輸出電壓、蓄電池、采集器、降水現象儀供電箱內光電轉換模塊和綜合硬件控制箱內光電轉換模塊供電電壓是否高于12 V，狀態指示燈是否正常閃爍，如果其中某個組件供電或狀態燈異常，均會影響數據傳輸鏈路，造成數據缺測，需要檢查供電線纜或更換備件測試。

第六，如果各組件供電和狀態正常，則繼續排查通信線路。檢查采集器RUN指示燈是否正常秒閃，使用筆記本電腦、串口調試線連接采集器，打開SSCOM串口調試軟件發送READDATA命令讀取數據。如果數據正常，考慮光電轉換模塊或光纖、RS232通信線纜故障，檢查采集器與光電轉換模塊的RS232連接線、降水現象儀供電箱至綜合硬件控制箱的光電轉換模塊光纖通信線纜連接是否可靠、收發端是否交叉連接，使用替換法外接備件測試（圖2）。若SSCOM串口調試軟件采集器無返回值，可以確定是采集器故障，重啟或更換采集器測試。

如果采集器狀態返回參數量偏少且無SA等雨滴譜參數值，考慮是雨滴譜傳感器故障或RS485通信線斷路短路。斷電使用萬用表檢查RS485通信線纜在接線端子、信號防雷器和航空頭端是否存在斷路、短路現象。若線纜連接均正常，上電打開傳感器底部側面主板機蓋，在雨滴譜傳感器收發端采樣區使用螺絲刀上下擺動，模擬降水下落，觀察主板狀態指示燈運行情況是否正常。

如圖2所示，A為RS485通信指示燈、B為USB通信指示燈、C為傳感器故障指示燈、D為粒子通過采樣光區指示燈。在正常情況下，A燈在與采集器通信的時刻亮起，其他時刻處于熄滅狀態；B燈無USB連接為長滅狀態；C燈為熄滅狀態；當有粒子通過時，D燈為閃爍狀態。在異常情況下，A燈為閃爍或長滅，C燈為閃爍狀態，當有粒子通過時，D燈為熄滅狀態。使用筆記本電腦、串口調試線和RS485轉RS232模塊連接雨滴譜傳感器進行測試驗證，檢查通信參數19200、8、N、1能否正常連接傳感器，檢查上電信息是否包括“power test failed ”，模擬數據能否正常讀取、有無亂碼現象。若狀態燈或參數值異常，需要返廠維修、更換備份站雨滴譜傳感器。

2.2 降水類型錯誤

2.2.1 故障現象及其原因

故障現象為觀測的降水類型與實際人工觀測差異較大、降水起止時間與降水量觀測數據矛盾，有錯報/誤報、漏報等情況，不能通過質量控制檢驗。可能原因為受周圍環境因素影響、設備局限性和算法測量性能下降。

2.2.2 檢修步驟

第一，周圍環境因素的影響。在ISOS軟件維護終端發送READDATA命令，檢查SA參數返回值是否為污染，若為污染，則需要清潔雨滴譜傳感器發射和接收端激光保護鏡片；現場檢查周圍環境是否有干擾設備測量光路的污染源，清理影響光路的障礙物。

第二，設備局限性。檢查鏡頭是否錯位（北發南收，發射和接收應成一條直線）、防濺護罩是否堵塞（降水粒子在堵塞的防濺護罩上會反彈落入采樣區，干擾測量計算）。同時，部分情況下，受小雨滴對光強的散射較弱、算法的影響，降水現象儀無法識別隨風舞動的小雨造成漏報（風影響降落速度）；在強對流天氣下，強風導致雨粒子受到外力影響，其下落速度發生改變，造成采集計算偏差，這些都與人工觀測存在較大的差異。

第三，算法測量性能下降。雨滴譜傳感器對降水粒子的速度、直徑測量出現偏差，影響數據質量，需要通過雨滴譜校準儀進行期間核查進行判斷。

3 期間核查

3.1 核查裝置及原理

當前，使用北京華創維想科技開發有限公司生產的PCL32雨滴譜校準儀進行期間核查，該設備由雨滴譜模擬器、采集控制單元和標校軟件組成。

雨滴譜模擬器透明亞克力轉盤上放置了不同直徑大小的粒子標記，電機帶動轉盤轉動，使粒子標記具有可設定的運行速度，使得測試裝置具有模擬降水粒子速度和直徑的功能。模擬器出廠根據毛毛雨、雨、冰雹3種天氣現象的臨界點，設置選擇直徑4.3、9.5、

21 mm和速度2、7、12 m/s等3個測試點進行核查實驗，與降水現象儀測得的粒子下落速度和直徑進行對比，從而核查傳感器的性能（圖3）。

3.2 核查流程

3.2.1 標準器溯源

按照觀測司關于印發《降水現象計量業務管理暫行規定》的函（氣測函〔2019〕17號），為確保標準器粒子下降速度和粒子標記直徑尺寸的準確度，標準器需要以2年為周期，送至國家氣象計量站降水現象計量檢測實驗室（合肥）進行溯源。臺站投入業務運行的降水現象儀在第一次使用45 d后、90 d內現場核查1次；之后每年現場核查1次；每次維修儀器之后都應做現場核查。

3.2.2 現場操作

對降水現象儀的核查工作應選擇在晴朗天氣、能見度大于10 km、氣溫10～30 ℃、風速不超過5 m/s、相對濕度不超過80%的環境下進行。具體流程如下：

第一，在ISOS軟件填寫維護單，將降水現象儀設置為維護狀態。

第二，現場用水平儀測量傳感器是否水平，檢查降水現象儀的外觀，用專用清潔布擦拭傳感器的收發鏡頭，保證采樣區光路暢通。

第三，斷開雨滴譜傳感器與采集器的RS485通信線連接，使用筆記本電腦、USB轉RS232串口線、RS232轉RS485模塊直連傳感器，通過SSCOM串口調試軟件，設置通信參數為19200、8、N、1，勾選發送新行，發送CS/C/R/9600命令，將傳感器波特率改為9600，設置成功后返回“OK”。

第四，斷開雨滴譜傳感器在降水現象儀供電箱內的供電線纜，使用核查裝置中的專用線纜連接雨滴譜傳感器，另一端插入雨滴譜校準儀采集控制單元的“便攜DSG4 Parsivel輸入”端口，筆記本電腦的USB轉RS232串口線插入采集控制單元的“便攜DSG4 RS232輸出”端口。采集控制單元引入220 V交流供電，上電后，將SSCOM串口調試軟件波特率改為9600連接傳感器，發送PARSIVELSET命令，完成雨滴譜傳感器參數復位，設置成功后返回3個“OK”、1個“T”。

第五，關閉串口調試軟件，拔下插入采集控制單元“便攜DSG4 Parsivel輸入”端口的線纜，插入“Parsivel傳感器輸入”端口，拔下USB轉RS232串口線，插入“校準儀RS232輸出”端口。

第六，將雨滴譜模擬器安裝至降水現象儀上，雨滴譜模擬器石英轉盤端朝向發射端（北側），雨滴譜模擬器轉盤電機端對準接收端（南側）。雨滴譜模擬器數據線纜航空頭插入采集控制單元的“滴譜模擬器輸入”端口，用轉速表控制顯示器撥至RUN端。

第七，打開PCL校準軟件，點擊“配置”按鈕，“標校信息配置”中波特率設置為“9600”，模式選擇“標校模式”；在“靜態信息配置”中輸入當前溫、壓、濕核查環境和標準器、被核查設備信息，“保存配置”并返回首頁。

第八，當設備連接正常，軟件首頁顯示設備在線時，即可開始核查實驗。點擊首頁“開始”按鈕，雨滴譜模擬器開始按照軟件設置的直徑和速度組合模擬降水現象，采集控制單元實時讀取雨滴譜傳感器測量的降水模擬數據，10 min左右完成核查實驗，并輸出規范要求的降水現象儀核查報告。

第九，筆記本電腦通過USB轉RS232串口線、RS232轉RS485模塊直連雨滴譜傳感器，串口調試軟件波特率設置為9600，發送CS/F/1命令，將雨滴譜傳感器恢復至原有模式，設置成功后返回“OK”。恢復雨滴譜傳感器至采集器接線，ISOS軟件停止降水現象儀維護狀態，核查結束。

3.3 核查結論

降水粒子直徑穩定性測量誤差計算公式為?=’-，其中，?為降水粒子直徑輸出通道穩定性誤差；’為被測降水現象儀本次測試輸出的通道號；為被測降水現象儀第一次測試輸出的通道號。若|?|≤2，則判定被核查降水現象儀合格，否則應維修或送國家氣象計量站降水現象計量檢測實驗室進行校準。

降水粒子速度穩定性測量誤差計算公式為?=’-，其中，?為降水粒子直徑輸出通道穩定性誤差；’為被測降水現象儀本次測試輸出的通道號；為被測降水現象儀第一次測試輸出的通道號。若|?|≤2，則判定被核查降水現象儀合格，否則應維修或送國家氣象計量站降水現象計量檢測實驗室進行校準。

4 結束語

隨著氣象觀測由人工向自動化全面推進，儀器運行質量控制和故障診斷成為臺站業務人員面臨的新挑戰。根據DSG1型降水現象儀業務運行情況和實際維修、核查經驗進行總結分析，旨在創新臺站業務人員對自動化氣象觀測設備故障診斷思維，提高裝備保障業務能力，確保觀測數據的長期穩定性和準確性。

參考文獻

[1] 中國氣象局.地面氣象自動觀測規范[M].第一版.北京：氣象出版社，2019.

[2] 高清泉，紀詩璇，沈芳，等.DSG4型降水現象儀現場核查方法與應用實例[J].科學技術創新，2022（1）：53-56.