DXC2 视程障碍现象仪原理及故障排查技术分析

户晓琴 ，饶智杰 ，段彭南 ，刘 爽

（1.四川省西充县气象局，四川 南充 637200；2.四川省仪陇县气象局，四川 南充 637600）

视程障碍现象是指影响能见度且其强度与能见度直接相关的天气现象，是天气现象观测中一类重要的天气现象[1-2]。随着气象业务现代化的不断发展，自2004 年以来，地面气象观测业务在观测时次、观测方法和观测仪器等方面先后进行了较大调整，并印发了一系列技术文件和业务补充规定。为加强地面气象观测技术规定的系统性和完整性，发挥其对地面观测业务的技术指导作用，中国气象局综合观测司归纳整编了《地面气象观测业务技术规定（2016 版）》。该技术规定保留了雾、轻雾、霾、沙尘暴、扬沙、浮尘6 种视程障碍现象，《雾的预报等级》（GB/T 27964—2011）、《霾的观测识别》（GB/T 36542—2018）及《沙尘暴、扬沙和浮尘的观测识别》（QX/T 477—2019）等标准文件明确了这6 种视程障碍现象的判定依据，除了雾和轻雾以外，其余4 种视程障碍现象均需要借助空气中实时颗粒物（PM10和PM2.5）质量浓度数据进行判识。自2014 年以来，视障现象判识逐渐由人工转为自动，自动判识则是安装不同监测要素的技术标准，判别当前视障现象[3-4]。传统的视程障碍现象观测要素，如雾、轻雾、扬沙、浮尘、霾等，已不能满足当前气象环境需要[5-9]。DXC2 型视程障碍现象仪是目前投入使用的一种最新观测仪器之一，西充国家基本气象站已于2023 年7 月1 日起正式接入使用，它可以在线实时测量空气中PM10、PM2.5和PM1颗粒物质量浓度数据，在ISOS 软件上进行综合判识，输出视程障碍类天气现象，弥补了气象部门在颗粒物质量浓度监测上的空白，大大提升了气象服务能力[10]。

1 DXC2型视程障碍现象仪工作原理

DXC2 型视程障碍现象仪是利用激光散射的原理，当采样空气以一定流速经过激光测量模块光学测量腔时，激光照射在气溶胶样本中的颗粒物上发生散射，散射光被某一特定角度的接收器接收，根据接收到散射光脉冲信号的频率和强度，测量颗粒物的个数和粒径大小，通过质量订正得到样品空气中PM10、PM2.5、PM1颗粒物的质量浓度[8]。

DXC2型视程障碍现象仪工作原理如图1所示。

图1 DXC2型视程障碍现象仪工作原理图

2 DXC2型视程障碍现象仪组成结构

DXC2 型视程障碍现象仪由硬件和软件两部分组成。硬件部分如图2 所示，包括FGP251 颗粒物传感器、WUSH-X 数据采集器、采样进气头、辅助测量单元、通信单元、供电单元和外围组件等；软件部分包括颗粒物传感器和数据采集器中的嵌入式软件以及业务计算机上的上位机软件。

图2 硬件组件

2.1 FGP251颗粒物传感器

FGP251 颗粒物传感器由主控单元、测量与控制模块、激光散射器、流量计、抽气泵和过滤器组成。主要功能是实现气体采样、颗粒物测量、流量监测与控制。

2.2 WUSH-X数据采集器

WUSH-X 数据采集器是基于航天新气象科技有限公司现有WUSH 数据采集平台，与WUSH-BH6 数据采集器共用主板和通道板，具有5 个模拟采样口、2 个频率接口、1 个格雷码风向接口、5 个数字（RS-232/485）接口和1 个CAN 总线接口。满足颗粒物传感器、辅助测量单元、流量计、加热温度、扩展要素等接入需求。

2.3 采样进气头

采样进气头主要由防雨帽、防虫网、进气口、进气管路、加热除湿模块和温度传感器组成。主要功能是防止雨水及飞虫进入气路，同时对吸入的气体进行加热除湿处理。

2.4 辅助测量单元

辅助测量单元主要由防辐射罩、温湿度传感器、气压传感器和安装座组成。主要功能是对采样气体的温度、湿度和气压进行测量。

2.5 通信单元

通信单元由TCF-142-M-ST 串口光纤转换模块组成，主要功能是实现RS-232/光纤通信转换，如图3所示。

图3 通信单元组成

2.6 供电单元

供电单元由断路器、交流避雷器、开关电源和双层端子排组成。主要功能是实现220 V 交流到12 V直流的转换，如图4 所示。

图4 供电单位组成

3 DXC2型视程障碍现象仪主要技术指标

3.1 电气及环境适应性

DXC2 型视程障碍现象仪电气及环境适应性情况，如表1所示。

表1 电气及环境适应性情况

3.2 颗粒物测量性能

DXC2 型视程障碍现象仪颗粒物测量性能，如表2 所示。

表2 颗粒物测量性能

3.3 辅助测量要素技术指标

DXC2 型视程障碍现象仪辅助测量要素技术指标，如表3所示。

表3 辅助测量要素技术指标

4 日常维护及故障排查

4.1 安装要求

设备布局在现有国家级地面气象观测站内，布局原则参考《地面气象观测规范》和《气象仪器和观测方法指南》的基本要求，同时兼顾实际情况。所安装的视程障碍现象仪周围水平面应保证270°以上的捕集空间，如果监测设备一边靠近建筑物周围水平面，应有180°以上的自由空间。视程障碍现象仪采样口高度应距离地面2.8 m。推荐视程障碍现象仪可以和能见度设备安装在同一个立柱上。

4.2 防雷要求

采用电源、信号电涌保护器，防止或减少雷电波引入所产生的脉冲过电压和脉冲过电流，造成站点设备损坏或失效。

4.3 日常维护

检查采样进气头进气口滤网、排气口是否被蜘蛛网、飞虫、灰尘等堵塞，及时清理；定期查看观测数据是否存在异常，以便及时检查并排查故障；过滤器是易耗品，如检查发现过滤器中滤芯有明显的颗粒物沉积，需及时更换过滤器。

4.4 现场调试

视程障碍现象仪通过USB 转RS232 串口线与笔记本连接，连接方式如图5所示。

图5 串口连接图

常见的串口调试工具有串口调试助手V2.2/2.0、SSCOM3.2 等，本研究小组使用的是串口调试助手V2.2。通过串口调试工具对设备进行设置，命令设置台站号（QZ,8*****）、日期（DATE,YYYY-MM-DD）、时间（TIME,HH:MM:SS）、经度（LONG,DDD.MM.SS）、纬度（LAT,DD.MM.SS）、设备ID号（ID,000）等。

正式投入使用前，需要对设备样本数据和实时数据进行比对。首先发送SAMPLES 命令，读取样本数据，样本数据格式如表4所示。

表4 样本数据格式

再次发送READDATA 命令，读取实时数据，数据格式为：

4.5 常见故障排查

4.5.1 观测无数据

步骤一：检查断路器是否跳闸，若跳闸，则合上开关再查看是否有数据。

步骤二：观察开关电源指示灯是否长亮，若不亮则检查开关电源输出端电压是否为直流14.5 V 左右。若输出电压为0 V 左右，则测量交流电源输入端电压是否为220 V 左右。若交流电压正常，开关电源输出为0 V 左右，则更换开关电源；若交流电压为0 V，则检查交流电源输入并恢复供电。

步骤三：检查采集器指示灯闪烁是否正常，若闪烁不正常则需更换采集器。

4.5.2 通信异常

步骤一：观察通信模块POWER 灯是否长亮，若指示灯灭，测量模块供电电压是否为直流12 V～15 V之间。若直流电压正常，则更换通信模块；若直流电压异常，则判断为电源故障。

步骤二：观察通信模块POWER 灯是否长亮，若指示灯长亮，更换故障光纤通信模块或光纤。

4.5.3 数据异常

步骤一：检查采集器参数配置是否正常。

步骤二：通过万用表检查传感器供电电压，若传感器供电电压低于12 V，则判断为传感器供电有故障。

步骤三：若传感器供电电压在12 V～15 V 之间（正常），则判断为传感器故障，需更换传感器。

5 结论

DXC2 视程障碍现象仪能够很好地监测PM10、PM2.5、PM1颗粒物浓度，大大提升了气象部门在环保、农业、交通方面的气象服务能力，为气象高质量发展提供了保障。由于目前设备运行时间短，对数据的分析、运用还存在不足，对运行中出现的实际问题还需要进一步研究。下一步，将收集长期有效的数据样本、故障疑误分析，完善技术分析方法，为实际业务工作研究提供更准确的参考依据，更好地为农业部门服务。