陈 宁 鲍 清 刘洪涛 戴 江 罗鸿宇
湖北省气象信息与技术保障中心 湖北武汉 430074
1 概述
日照是指太阳在一地实际照射的时数[1]。在气象方面,日照一直采用的是暗筒式日照计进行人工观测,这种观测方式需要在观测日照纸上涂抹感光药水,费时费力,同时准确性受人为因素影响较大。由于我国各种气象自动化装备陆续被研制成功,气象观测方面的人工观测项目也被自动观测替代,气象观测也逐渐完成了自动化推进。目前湖北省气象观测中的日照观测项目已经全部由DFC2光电式数字日照计(以下简称数字日照计)的自动观测代替传统的人工观测进行日照的自动观测。
数字日照计是根据辐射测量原理研制出的日照自动观测设备。用自动设备观测日照,不但减少了人力消耗,还减少了观测过程中的人为因素影响,对观测数据的准确性有很大帮助,为气象及其他行业提供了更加精准的数据服务。
2 数字日照计的结构
DFC2型数字日照计由以下几个部分组成:HYSD-1数字日照传感器(以下简称传感器)、含电源模块、蓄电池及防雷模块的机箱部分和设备支架三个部分组成,如图1所示。数字日照计由串口数据线连接到综合集成硬件控制器,再通过光纤连接到电脑中的地面综合观测业务软件(ISOS),进行数据的显示、传输并保存。
图1 DFC2型数字日照计结构组成
日照传感器如图2所示,使用光电感应器观测太阳的各种辐射的量值,计算出日照时数,无须外接采集器,设备用串口线输出数据。日照传感器无机械转动装置,采用光电式感应元件,高准确度数据测量,性能稳定、可长时间独立运行。供电部分则采用直流12V、38AH的蓄电池对整个仪器进行供电,220V交流电对蓄电池进行充电。仪器安装在支架上,其中固定传感器的支架带有纬度、南北子午线和水平调节装置[2-3]。
图2 日照传感器实物图
3 数字日照计的安装与调试
3.1 数字日照计的安装
数字日照计应按照《地面气象观测规范》中设备的安装位置要求进行安装,将数字日照计安装在原有暗筒式日照计的位置上[4-6]。日照传感器安装高度应距地面150±5cm,日照传感器的光筒顶端朝北,底座应保持水平。日照传感器安装完成后,将串口数据线连接到综合集成硬件控制器的串口接口上。
3.2 数字日照计的调试
ISOS是数字日照计的接入软件,将数字日照计接入ISOS软件中且通信正常后,要对日照传感器的区站号、经纬度等基本参数进行设置。日照传感器相关参数如下:QZ,12345修改台站号,将后面的12345修改成真实的台站号;LONG,111.11.11修改经度,度、分、秒之间以“.”隔开;LAT,11.11.11修改纬度,度、分、秒之间以“.”隔开。
参数设置完成后,可以通过读取分钟数据命令“READDATA”来获得传感器中的数据。如果通过命令读取的日照传感器的数据为“BG,57494,01,YSDR,001,20191210134600,001,004,01,AJT,201912101331,AKA,1,AKB,20,AKC,004,0000,z,0,5023,ED”,其中57494是武汉站点的区站号,01表示此站点是国家级基本气象站,20230221124500表示当前是北京时间2023年2月21日12点45分00秒,202302211223表示当前的地方时是2023年2月21日12点23分。AKA,1表示当前分钟有日照,AKB,20表示小时内累计有20分钟日照,AKC,004表示日累计有0.4小时日照。
4 数字日照计的故障诊断与维修
通常情况下,数字日照计的大部分故障为无数据,小部分故障为数据异常,可以按照下面的方法从软件到硬件对故障进行诊断排查与维修。
4.1 从接入软件ISOS对日照传感器进行检查
打开日照计的接入软件ISOS中的维护终端窗口,将断电重启数字日照计,查看启动信息是否在维护终端窗口显示,如果有显示,说明数字日照计与业务电脑数据通信正常。若没显示,则需要继续进行查找故障点。在ISOS软件中,查看日照传感器对应的参数是否正确,其中传感器的波特率是:9600、N、8、1,查看是否设置正确,若波特率设置错误,也会使得通信不正常而导致无数据显示。若通信正常,则检查日照传感器的时间是不是当前时间,若不是当前时间,会导致数据异常,则需重新设置正确的当前时间。
4.2 对数字日照计的供电电源部分进行检查
检查数字日照计的电池电压是否高于12V,正常情况下电压处于12～14V之间。仪器供电电压不达标,会导致仪器工作不正常而数据异常或者仪器彻底不工作[7]。若电压为0,则怀疑保险丝是否烧断、电源开关是否合拢、电源接线是否松动,这几项都需逐一排查。若电压低于10V,说明蓄电池有电但是电力不够,怀疑电池是否在充电,需检查对电池充电的交流电供电是否正常。若正常,说明电池使用时间过长需更换;若不正常,则需要对供电的交流电进行维护。
4.3 对通信线路进行检查
检查数字日照计能否正常通信到ISOS软件,各处的通信线路特别是串口232通信线的接头处是否都紧固。首先检查日照计到综合集成硬件控制器的串口通信线是否连接正常,串口线是否有短路或者断路情况。检查是否短路:首先将数字日照计整个系统断电,把日照传感器端的串口通信线中的黄色发送信号线(TXD)和蓝色接收信号线(RXD)断开不接触,在串口线的另一端找到对应的线头,使用万用表蜂鸣档测量这两根线,通过蜂鸣声来确认串口通信线有无短路故障,有蜂鸣声则有短路,无蜂鸣声则无短路。检查是否断路:同样是将数字日照计整个系统断电,把日照传感器端的串口通信线中的黄色发送信号线(TXD)和蓝色接收信号线(RXD)连接到一起,在串口线的另一端找到对应的线头,使用蜂鸣档测量这两根线,也是通过蜂鸣声来确认串口通信线有无断路故障,有蜂鸣声则无断路,无蜂鸣声则有断路。
在确定串口232通信线路无故障后,检查与日照传感器连接用于通信的综合集成硬件控制器的接口是否正常,如怀疑接口故障,可以试着用综合集成硬件控制器不同接口进行连接,检查通信是否正常。若换了接口后通信恢复正常,则是综合集成硬件控制器的其中一个串口接口故障。
4.4 对日照传感器外观及加热功能进行检查
检查传感器的外观情况,光筒玻璃罩是否有遮挡,若有异物遮挡,用布擦拭干净玻璃罩后检查数据是否正常。若光筒玻璃罩有雾或霜,则需检查日照传感器的加热功能是否已经启动并运行。日照传感器本身带有自动加热的除雾除霜功能,打开ISOS软件的维护终端窗口发送“HEATCTRL,1,6”命令,可以打开日照传感器的自动加热功能,也可以发送“HEATCTRL,0,3”命令强制启动日照传感器的加热功能。如果日照传感器已开启加热10～20分钟后,玻璃罩的霜或雾仍旧没有消散,就需要检查日照传感器的供电电压是否正常了,若电压低于工作范围,加热功能就不启动。以上都排除后,则要检查日照传感器的加热模块是否产生故障了。最后检查传感器内的干燥剂是否受潮变色,若受潮变色则要取出失效的干燥剂,放入新的干燥剂。
4.5 对数字日照计接地线的零地电压进行检查
一般地面气象观测设备都会有接地线连接到整个观测场的防雷地网中,既可以用作防雷保护,也可以用作供电电源中的地线使用。数字日照计用到了交流电给电池充电,那幺地线一定要接好,有时候交流电零线与地线间的电压过高,会使得数字日照计工作不正常,产生异常数据。因此,我们对数字日照计的零地电压也要进行测量,确保其在规定的范围内。
若以上检查都正常,则要怀疑是传感器内部零件产生了故障,需要更换新的日照传感器。更换新的日照传感器后,要对日照传感器的区站号、经纬度等基本参数进行重新设置。
5 数字日照计的维护
(1)每天应检查仪器是否正常工作,同时检查观测数据是否正确;每日必须填写值班日志,按照规范中的要求,对缺测数据和异常数据进行详细的记录。
(2)设备维护人员每月至少对仪器设备进行1～2次全面巡查,清理光筒附着的杂物。若发生雨、雪、雾、霾等天气,值班人员需及时将雪或其他凝结物等杂物从光筒上清理干净,并检查日照传感器的除雾除霜情况;检查光筒中的受潮情况,看干燥剂是否受潮变色,若变色就要更换干燥剂,更换后需扭紧盖顶,防止水汽进入导致受潮;检查仪器电源是否正常,电池是否有12V电压。
(3)若日照传感器进行了更换,安装新日照传感器时要注意恢复固定光筒与底座的夹角,新日照传感器的参数也要重新设置。
(4)仪器出现故障时,台站人员可以先自行维护一些小故障,并同时做好值班日志记录;碰上处理不了的故障时,可以及时联系省局技术保障人员,将故障信息详细地告知他们,要求他们电话指导维修,或到现场维修。
结语
本文对DFC2型光电式数字日照计进行了介绍,列出了日照计的几种常见故障并分析了故障原因和排除方法,这些故障具有一定的代表性。为获得更准确的数据,为气象、农林业、旅游业和其他行业提供准确的数据服务,就必须及时对观测设备进行日常维护维修。本文就是希望台站工作人员能在日照计出现故障后,及时准确地找出故障点,使设备尽快恢复正常。
