自动气象站DFC3 型日照计故障分析及维护

张仕清，许晓雪，黄高平

（1.安徽省池州市气象局，安徽 池州 247000；2.安徽省肥东县气象局，安徽 合肥 231600）

日照观测是气象台站地面气象观测的主要内容之一。常规的日照观测大多是使用暗筒式日照计，它是利用太阳光通过仪器上的小孔射入筒内，使涂有感光剂的日照纸上留下感光痕迹来计算日照时数[1]。由于日照纸记录需要在纸上人工涂药，药剂的配比难以把控，涂药质量千差万别，所以难以客观、准确地反映日照时数[2]。根据地面气象观测自动化改革的要求，安徽省气象局于2018 年底在全省所有气象台站安装了DFC3 光电式数字日照计，避免了以往日照纸人工涂药的主观性，改善了传统人工观测方式的一些弊端，增强了日照时数观测资料及时性和准确性，降低了观测人员工作强度。鉴于DFC3 光电式数字日照计尚处在人工与自动平行观测阶段，设备运行难免会暴露出一些问题，因此，有必要了解其工作原理，分析其在使用过程中出现的常见故障，从而针对性地找出解决方法和进行日常维护，以满足地面气象观测业务自动化发展及台站无人值守的需求，提高日照自动观测的准确率及稳定性。

1 DFC3 光电式数字日照计简介与工作原理

DFC3 光电式数字日照计是一种以光电二极管作为探测原件的光电型日照计，以测量日照，并实时记录日照时间的自动化日照时数观测仪器[3]。该设备主要由硬件与软件两部分组成，硬件包括光电式数字日照传感器、供电机箱、立柱及调整座、线缆及附件，软件是指嵌入式软件。它采用一体化设计思路，无需外挂采集器，直接输出日照时数[4]，具有观测精度高、性能稳定、维护方便等优点。

1.1 仪器简介

光电式数字日照传感器由带有余弦校正器光电感应器件、数据处理模块、通信接口等组成，如图1 所示。光电式数字日照传感器共有3个光电感应器件，3个光电感应器D1、D2、D3 分别安置在同一轴线上放置于光筒内，并通过遮光罩及其入射窗W1、W2 对入射到D2、D3 上的辐射进行约束。数据处理模块由硬件和嵌入式软件组成，其中硬件包括微处理器、A/D 转换电路、存储器、时钟和监控电路等，通过嵌入式软件完成对光电感应器件输出信号的采集、处理、存储和传输工作。

图1 光电式数字日照传感器结构图

1.2 工作原理

光电式数字日照传感器采用置于光学镜筒中的三个同轴光电感应器D1、D2、D3 对太阳总辐射和散射辐射进行自动连续观测。光电感应器D1 用于测量太阳总辐射（直接辐射和散射辐射），另外两个由于遮光罩特殊的全分天空方式，总有一个被遮蔽，分别用于测量上午下午的太阳散射辐射，输出电压信号。

午前，D2 接收太阳直接辐射和散射辐射，D3 被遮蔽接收散射辐射，由于D2 输出电压信号比D3 出电压信号小，被输出端有双开关二极管过滤掉，则午前的散射辐射由D3承担，同理，午后的散射辐射由D2 来完成。根据各时间点总辐射与散射辐射的差值，暨直接辐照度的电压值大于等于120 mv 时，阀值开关电路导通，微处理器开始进行光照时间计时，数据经过微处理器处理后[5]，直接通过RS-232 或者485 传输到上位机。

2 DFC3 光电式数字日照计常见故障及处理方法

DFC3 光电式数字日照计的常见故障主要表现为数据缺测、日照数据误差偏大和日照时数为0 等。根据出现故障的具体现象，观测人员可进行分类排查，分析发生故障的原因，采取相应的处理措施进行维护。

2.1 数据缺测及处理方法

日照数据缺测的原因有硬件原因和软件原因，主要表现在供电故障、通讯故障、设备故障和参数设置错误、集成控制器与传感器故障等。

2.1.1 硬件故障及处理方法

2.1.1.1 供电故障

DFC3 光电式数字日照计的正常电压值一般稳定在13.6 V。如果供电模块电压值与正常值有偏差，首先应检查供电机箱市电接入是否正常；其次应检查导轨电源的输出直流电压是否正常，同时还应检查直流电是否经过导轨保险和导轨刀闸接到接线端子供日照传感器使用。具体方法是：用万用表逐级测量电压是否正常，判断故障发生位置。如果保险丝断，可更换新保险丝；如果接线松动，应重新接线并紧固螺丝。

2.1.1.2 通讯故障

应检查日照计的航空插头是否松动、接触不良，如果松动，可将航空插头重新插接并紧固；其次应检查连接硬件集成器通讯线路是否存在短路、断路现象，如果出现此类现象，可重新连接或更换通讯线路。

2.1.1.3 设备故障

此类故障现象表现为DFC3光电式数字日照计连接状态不通，数据缺测。应判断日照计是否存在质量缺陷或损坏，如果确认是仪器本身问题所致，应及时更换新设备。

2.1.2 软件故障及处理方法

2.1.2.1 参数设置错误

判断并确认业务软件参数设置是否正确。首先应检查ISOS 软件日照的串口号及串口参数（9 600，8，N，1）是否正确；其次，在确认SMOPORT 串口信息是否与ISOS 软件通讯参数设置是否一致后，重点检查串口的工作方式是否为485 通讯方式[6]。

2.1.2.2 集成控制器与传感器故障

首先查看DFC3光电式数字日照计接入综合集成硬件控制器设备Port 口R、T 数据收发状态指示是否正常，正常情况下在20 秒数据收发时灯闪烁1 次，如果不亮，接入其他Port 口测试；如果仍然不亮，可借助笔记本电脑，启用串口助手工具，用USB 转485 串口线通过黄、绿色信号线直接向日照传感器发送相关命令（如AUTOCHECK），查看日照传感器有无响应。如无，表明日照传感器故障，如显示：＜T，I000AUT，TJQR HW：1.0 SW：2.8，2019-03-12，10：26：16，9600，8，N，1，AD：OK，TIMER：OK，TF：OK，MV：13.6，MT：30.0，DI：YSDR，ID：000＞，左侧下划标记三路光电组件电压，右侧下划标记为为主板温度，则表示日照传感器正常。此时，可以推断为后端通讯故障，排查线路是否存在短路、断路及综合集成硬件控制器的软硬件参数设置是否改动；光电转换模块是否正常等。找出故障点，进行相应处理。

2.2 日照数据误差偏大及处理方法

2.2.1 可能原因

造成日照数据误差偏大的原因主要有以下两种：①环境因素。日照传感器暴露在观测场中，传感器玻璃罩有时被蛛丝、鸟粪、灰尘等污染，光路被遮挡，电信号发生异常变化，造成采集数据异常。②设备安装不正确。表现在日照传感器头部不指向正北，或仪器倾斜角度与当地纬度值一致。

2.2.2 处理方法

对于环境因素的影响，要及时清除洁净传感器周围的异物，避免采集数据异常。对于设备安装不正确，应按照《使用说明书》中有关规范重新进行调整，将传感器的头部对准正北或调整倾斜度与当地的维度保持一致。

2.3 日照时数为0 及处理方法

晴天有光照但日照时数为0，通常是由于日照计计算的时差与ISOS 软件计算的时差不一致所致。

2.3.1 排查步骤

打开ISOS 软件的设备管理→维护终端，在端口处，选择为日照串口处理，在指令输入框中输入指令READDATA，如回车后显示：BG，58427，00，YSDR，000，20190311155700，001，004，01，AIT，201903111547，AKA，1，AKB，47，AKC，080，0000，Z，0，5063，ED，左侧下划标记为北京时，右侧下划标记为日照计算的地方时，其差值是否与台站参数中地方时差一致。

2.3.2 处理方法

如果当地经度＜120°，应调小设置的经度，如115°24′00″，则适当调小为115°15′00″，此时计算的时差就为19 min，与ISOS 软件中一致；如果当地经度＞120°，应调大设置的经度，如125°21′00″，经计算时差为21.4 min，则适当调大为125°25′00″，此时计算的时差就为22 min，与ISOS 软件中一致。

3 日常维护

DFC3 光电式数字日照计一般安装在观测场内，传感器设备暴露于空气中，不良的工作环境，会导致传感器测量精度下降，从而影响到数据的采集质量。为了保证系统长期可靠运行，做好设备的日常维护尤为重要。具体维护工作应从以下几个方面进行。

3.1 掌握基本原理

加强基础知识学习，熟悉DFC3 光电式数字日照计数据算法、工作方式、供电方式及相关技术指标等。

3.2 加强仪器巡视

守班期间，应定时巡视仪器，恶劣天气还应增加观测次数。除基准站外的台站，早上最好在日出前巡视仪器，尤其是夏天。巡视时，应查看传感器石英玻璃罩及周围是否有蜘蛛网、鸟粪等影响辐射数据采集的异物，如有应及时清理。清理玻璃罩上污垢时，最好站在传感器的受光面后面，以软布擦拭。当污垢硬结不易清除时，可用酒精或者清水轻拭干净后，再用干软布擦干。值得注意的是，清洁污渍时勿用带腐蚀性的溶液及硬质布擦洗，以免造成玻璃外罩划痕，影响观测精度。

3.3 保证可靠供电

每月应查看蓄电池是否有液体流出或接线柱硫化，如果有应当立即更换新蓄电池。每季度应对蓄电池进行充放电一次。一般情况下，气象台站配备12 V12 AH 的蓄电池，加热时设备最大功率在15 W 左右，无加热时设备最大功率近2 W，新蓄电池最大供电时长分别为9 h、3 天。当蓄电池单独供电时，应把控好放电时间，可以用AUTOCHECK 命令查看光电组件电压，保证电压值不能低于12 V，避免过度放电造成数据缺测。

3.4 定期检查校准

每月应检查仪器安装情况，检查日照传感器水平、方位、纬度等是否正确，如固定底座是否水平，头部是否指向正北，倾斜角度是否与当地纬度值一致，当发现问题时，应及时校准纠正。

3.5 开展防雷检测

每年春季应对防雷设施、设备接地状况进行一次全面检查，复测接地电阻值，使其符合气象设施防雷技术要求，避免直击雷或感应雷损坏仪器设备。

4 结语

随着地面气象观测自动化改革进程的推进，气象台站日照的人工与自动平行观测即将结束，日照观测自动化水到渠成。尽管DFC3 光电式数字日照计在运行过程中性能较为稳定，但作为新仪器设备，也难以保证在实际运行中或多或少出现一些问题。因此，气象台站业务人员应具备必要的设备运维能力，一旦仪器出现故障，力争及时找到出现故障的症结并能迅速排除故障，确保日照观测数据的客观、准确、可靠，更好地服务于经济社会发展。