DNQ1型前向散射式能见度观测仪的故障与校准分析

李永顺 马季芳 张 仙 罗延年

（海西州气象局，青海 海西 817099）

0 引言

随着地面气象观测自动化技术的发展，观测人员的工作重心已转移到地面气象观测自动化系统的维护维修中。新型自动化气象站的功能更加完善，逐步实现对雨量称重、日照、雪深、降水天气现象、冻土、能见度等的自动观测。能见度作为气象观测的一项重要因素，对日常生活和社会生产有着很大的影响。广泛应用能见度观测仪为气象预报预警服务提供丰富的数据资料和科学依据。为了保证能见度观测仪获取到的数据资料及时、准确、完整，维修工作就显得十分重要。目前，台站人员对能见度观测仪的工作原理和维修方法的了解很少，主要原因有以下三个方面。一是地面气象观测自动化系统运行比较稳定，出现故障的概率比较低。二是能见度观测仪的维修不容易，需要一定时间的积累。三是在能见度观测仪故障维修方面的研究很少［1-6］。因此，本研究对DNQ1型前向散射式能见度观测仪的故障分析和校准方法进行分析，为保障技术人员在进行维修能见度观测仪时提供参考，确保能见度观测仪能稳定运行。

1 能见度观测仪工作原理

DNQ1型前向散射式能见度观测仪是由能见度传感器、横臂、供电机箱、立柱等部件组成。PWD50型能见度传感器由发射机、控制接收机、Pt100温度传感器、护罩加热器等部件组成，如图1 所示。能见度传感器采用立柱安装的方式，采样区的中心距地高度为2.8 m，接收单元朝北、发射单元朝南，能见度传感器横臂保持水平方向。发射单元的红外发光管发射出近似平行的红外光束，接收单元将采样区内的大气前向散射光汇集到接收单元中的光电传感器的接收面上，并将其转换成与大气能见度成反比关系的电信号，将处理后的电信号上传到控制器数据处理单元中，CPU 对其进行采样、计算散射光强，由此计算出大气能见度数值。主采集器通过RS485 通信线进行能见度传感器的数据采集、质控和存储，光纤转换器用于实现RS232 电信号与光信号的相互转换，串口服务器可实现对各观测设备观测数据的串口传输模式到以太网传输模式的转换。光纤交换机分布在光纤的两端，用于网络协议和光通信协议的转换。最终用终端业务机ISOS 业务观测软件来显示能见度等气象数据，通过ISOS业务观测软件来监控各设备气象数据。DNQ1型前向散射式能力度观测仪系统框图如图2所示。

图1 PWD50型能见度传感器实物图

2 能见度观测仪的故障分析

根据图2 所示的系统框架图，遵循先室内后室外、先软件后硬件、先简单后复杂的原则，对能见度观测仪进行快速、准确的故障处理分析。

图2 DNQ1型前向散射式能见度观测仪系统框图

2.1 检查ISOS业务观测软件

ISOS 业务观测软件主要用于对地面气象观测自动化系统的数据监控、数据处理、数据传输等。要注意以下五个事项。①安装ISOS 业务观测软件的计算机，其操作系统应使用Windows 7 专业版、旗舰版或以上操作系统，32 位、64 位均可，安装正版杀毒软件。②做好备份机ISOS 业务观测软件安装、数据采集、数据传输等的测试，若现用业务机出现故障，要及时切换到备份业务机进行数据观测。现用业务机和备份业务机要同时对ISOS 业务观测软件进行升级，做好ISOS 安装软件、升级软件、数据及参数的备份工作。③若ISOS 业务观测软件中新型自动气象站、降水现象观测仪、日照观测仪等观测设备的数据全部缺测，则说明是硬件综合集成控制器出现故障；若新型自动气象站的数据出现缺测，而其他观测设备的数据正常，则说明是新型自动气象站出现故障；若新型自动气象站挂接的能见度数据出现缺测，而其他数据正常，则说明是能见度观测仪出现故障。④检查ISOS 业务观测软件中新型自动气象站等观测设备的串口参数配置是否正确，在设置串口号时要与Nport 驱动软件中分配给新型自动气象站的串口号应保持一致。⑤若ISOS业务观测软件能见度数据缺测，先进入设备管理下的终端维护，依次发送DEVMODE FD12P 2、SERIAL 1 OPEN、SERIAL 1 STA 调试命令来检查能见度传感器，并根据错误或警告提示信息对能见度传感器进行维护维修。

2.2 电源系统故障分析

硬件综合集成控制器、新型自动气象站、能见度观测仪的电源系统组成部分和工作原理完全一致。能见度观测仪电源系统的工作原理如下。AC220 V 经过空气开关和交流防雷模块，开关电源会将AC220 V 转换成DC14.5 V，DC14.5 V 经过充电保护模块后，对能见度传感器进行供电，同时对蓄电池进行充电。若AC220 V 出现掉电的情况，蓄电池将直接对能见度传感器进行供电。能见度观测仪的电源系统由空气开关、交流防雷模块、开关电源、充电保护模块、接线端子、信号防雷模块和蓄电池组成。电源系统故障的处理方法详见表1。

表1 DNQ1型前向散射式能见度观测仪的电源系统故障处理方法

2.3 ZQZ-PT1硬件综合集成控制器故障分析

ZQZ-PT1 硬件综合集成控制器是一种新型的网络通信转换设备，能将新型自动气象站和其他串口设备进行集中管理，并通过网络来完成新型自动气象站等设备的数据传输。ZQZ-PT1 硬件综合集成控制器是由电源系统和通信系统组成，电源系统故障的处理方法与能见度观测仪电源系统故障的处理方法完全一致。通信系统由光纤转换器、串口服务器和光纤交换机组成，根据设备运行灯的闪烁情况进行故障处理。故障处理方法见表2。

表2 ZQZ-PT1硬件综合集成控制器通信系统的故障处理方法

2.4 主采集器故障分析

新型自动气象站的主采集器用于对能见度等气象数据的采集、质控、存储和传输。WUSHBH 型主采集器的故障处理方法如下。①观察主采集器红色RUN 指示灯是否秒闪，若指示灯不亮或闪烁异常，则说明主采集器存在故障。对主采集器进行重启，重启后检查RUN 指示灯是否恢复到秒闪状态。②测量主采集器的供电电压是否在DC13.8 V 左右，若供电电压不正常，则对供电系统进行维修。③主采集器的CF 数据卡出现故障，会导致主采集器运行异常，应更换或去掉CF 数据卡，并重启主采集器，重启后检查运行是否正常。④当主采集器的传感器通道、CAN 通道、通信通道出现损坏时，要更换主采集器。⑤将主采集器与笔记本电脑的USB 转串口线连接在一起，运行SSCOM32串口助手调试软件，通信参数设置为“9 600，8，1，N”，勾选发送新行，打开串口，发送samples 调试命令。若读取主采集器实时数据失败，则重启主采集器，重启后读取数据依旧失败，需要更换主采集器。⑥通过主采集器来检查能见度传感器是否正常。发送“DEVMODE FD12P 2”命令，回显“T”，进入能见度传感器调试模式；发送“SERIAL 1 OPEN”命令来调试“COM1”上的能见度传感器；发送“SERIAL 1 MES”命令，能显示1 min和10 min的能见度数据；发送“SERIAL 1 STA”命令，来检查能见度传感器的运行状态信息，若最后显示“HARDWARE:OK”，则说明能见度传感器运行正常；若最后显示硬件错误或警告信息，能见度数据会显示缺测，根据提示信息来解决能见度传感器的故障，直到显示“HARDWARE:OK”为止；发送“DEVMODE FD12P 0”命令，退出能见度传感器的调试模式。⑦检查主采集器的能见度通道是否正常。发送“SENST VI 1”命令，开启能见度的观测要素。显示“T”，发送“COMDEV 1 FD12P”命令，设置主采集器COM1 为能见度传感器；显示“T”，发送“SETCOMEX 1 4800 8 N 1”命令，设置能见度传感器的通信参数；显示“T”，依次发送“SUPER ADMIN”“VARCH VI COM.1 V”“V10”和“VIASC 12”命令，从而设置完成能见度的计算方法。

2.5 RS485通信线故障分析

WUSH-BH 型主采集器与PWD50 型能见度传感器是通过RS485 线进行通信的，能见度传感器电缆线含红黑2 根电源线、白棕2 根信号线、绿黄灰3根调试线。将能见度传感器的电缆线接入到供电机箱信号防雷模块中，再将接线端子接到主采集器RS485 口。RS485 通信线的故障处理方法如下。①检查能见度传感器接收器底部的电缆插头是否旋紧，检查信号防雷模块、接线端子、主采集器上的RS485接线头是否出现松动或脱落的情况。②测量信号防雷模块、接线端子、主采集器之间的RS485通信线是否导通。若万用表发出声响，说明RS485 通信线是正常的。③检查信号防雷模块是否被雷击击穿，测量接线端子两侧是否导通。

2.6 能见度传感器故障分析

检查能见度传感器是否正常。笔记本电脑通过调试线与能见度传感器进行连接，发送调试命令进行故障分析。PWD50 型能见度传感器的故障处理方法如下。①将DB9母头2、3、5引脚上的3根线缆分别与能见度传感器的绿、黄、灰电缆连接在一起，再将DB9母头与笔记本电脑的USB转串口线进行对接。②将能见度传感器断电，运行SSCOM32串口调试软件，通信参数设置为“4 800,8,1,N”，勾选“发送新行”，打开串口，给能见度传感器通电，响应窗口显示版本信息，若版本信息不显示，检查波特率的设置是否正确，重新上电进行尝试。③在调试软件命令框中输入OPEN 命令，按回车键显示信息为“PWD OPENED FOR OPERATOR COMMANDS”，则说明成功打开能见度传感器接口。④发送STA 调试命令，检查能见度传感器的硬件状态。若显示“HARDWARE:OK”，则说明能见度传感器的硬件状态正常；若显示硬件错误或警告信息（见表3），要对能见度传感器进行故障维修。继续发送STA 命令，直到显示“HARDWARE:OK”为止。⑤发送MES 调试命令，检查能见度传感器的状态和能见度实时数据是否正常。

表3 DNQ1型前向散射式能见度传感器的硬件错误和警告信息

3 能见度观测仪的校准方法

为了保证能见度观测仪测量的准确性，使用PWA11 校准套件对能见度传感器每隔半年进行一次校准。校准前必须要注意以下两个事项。一是在能见度大于500 m 的条件下对能见度传感器进行校准。二是在标定前要清洁能见度传感器的镜头和标定用的遮光板和散光板。

能见度观测仪的校准维护步骤如下。①将能见度传感器绿、黄、灰三色线缆与笔记本电脑上的RS-232 通信线转接USB 串口线连接在一起。②运行SSCOM32 串口调试软件，将波特率设置为“4 800,1,8,N”，并发送“OPEN”命令，打开能见度传感器。③将遮光板放在接收器的护罩上，用于阻止光路，等待30 s 后，输入MES 调试命令来读取能见度仪标称量值的上限值，若未达到标称量值的上限值（35 000），则要对其进行维修。④在完成标称量值上限读取后，发送ZERO命令，显示“ZERO SIGNAL:OK”。⑤取走遮光板，将散光板装到镜头护罩上，注意要使散光板与镜头平行，否则会引起示值误差。⑥移出光路，确保收发光路上没有任何障碍物，并等待60 s。⑦发送CHEC 命令，1 min 后读取显示的信号值，将该信号值与印在散光板上的值进行对比，若误差小于5%，则校准正确。⑧将鼠标放在响应窗口上，按ESE 键来终止CHEC 命令。⑨若校准结果误差超过5%，发送“CAL”命令，对能见度传感器进行校准调整，如发送“CAL 472”命令，则“472”为印在散光板上的校准仪信号值。⑩继续执行第⑦步，检查能见度传感器的信号值与印在散光板值的误差是否小于5%。若误差大于5%，则重新进行校准；若误差超过20%，检查能见度传感器是否存在硬件或机械错误。

4 结语

本研究从电源系统、RS485通信线、能见度传感器、主采集器、ZQZ-PT1通信转换器、ISOS业务观测软件等方面出发，对DNQ1 型前向散射式能见度观测仪的故障进行分析，从而形成一套完整的维修流程，帮助保障技术人员及时解决能见度观测仪出现的各种故障，保证能见度观测仪能正常运行，提高地面气象观测自动化系统数据资料的连续性、准确性和及时性。由于能见度观测仪的维修工作比较繁重，气象站业务人员应熟练掌握工作原理，不断积累维修经验，确保能见度观测仪能稳定运行。另外，要建立标准化的仪器库房和规范化的管理制度，保证气象仪器设备备件充足，如果出现因设备缺少备件而导致长时段缺测，会影响业务质量。