光电式自动日照计常见问题分析及处理方法研究

赵国强 魏雅鹏 李砾

摘 要 本文以DFC3光电式自动日照计为例详细介绍了光电式自动日照计的结构和原理，并结合实际安装、调试及运行过程发现的一些问题。通过对相关问题的分析提出了相应的解决方法。为日照实现自动化观测打下了坚实的基础。

关键词 光电式自动日照计;相关问题分析;解决方法

引言

日照时数是气象学和气候学研究的重要参数，是地面气象台站最基本，也是最重要的观测项目之一。日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120瓦/平方米（W/㎡）的各段时间总和，以小时（h）为单位，取一位小数[1]。日照时数资料的主要用途是表征当地的气候和描述过去的天气状况。

目前，测量日照的方法有直接辐射测量法、总辐射测量法、烧痕测量法、对比测量法、扫描测量法等。常用的测量仪器有直接辐射表、总辐射表、散射辐射表、聚焦式日照计、双金属片式日照计、暗桶式日照计、光电式自动日照计等[2-4]。近年来，各种气象仪器厂商相继开发研制了不同型号的自动日照计，袁春生[5]对光电型数字日照计进行了详细的研究，奠定了自动日照计投入运行的基础。代中华等人[6]对光热型电测日照计测量方式进行了仿真研究。吕文华等人[7]对三种不同型号的日照计存在的误差等进行详细的研究，证实了国产自动日照计可以满足目前日照观测的自动化和准确性的要求。上述文献主要研究了暗筒式日照计的性能误差，对光热型电测日照计做了初步研究试验，分析了日照计的发展趋势，研究指出，未来日照时间观测仪器将朝着观测自动、精度高、维护方便的方向发展。目前，我国大部分气象台站都已经开始陆续安装光电式自动日照计，但是对于试运行阶段出现的一些问题，并没有系统的解决方法，因此本文在前人研究成果的基础上，并结合实际运行时所发现的问题，提出了相应的解决方法。本文以中环天仪生产的DFC3光电式自动日照计为例，详细介绍了几个常见问题的处理方法。

1光电式自动日照计结构与原理

DFC3型光电式数字日照计由硬件与软件两大部分组成，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。

1.1 自动日照时数观测系统

光电式数字日照传感器由光电感应器件、数据处理模块、通信接口、外置电源接口、加热模块等组成。自动日照计既可以与微机终端连接组成日照时数观测系统，也可以作为日照时数传感器挂接在其他采集系统上，原理如图1所示，其软件可完成日照数据采集、处理、存储和发送等。

1.2 光电式自动日照传感器

光电式数字日照传感器共有3个光电感应器件，3个光电感应器件以同轴形式放置于光筒内，如图2所示，其中一个用于测量总辐射，另外两个由于遮光罩特殊的全分天空方式，不同时暴露于阳光下，用于测量散射辐射，输出电压信号。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。

2常见问题及解决方法

2.1 地面终端ISOS软件接收不到数据的处理方法

DFC3型光电式数字日照计在安装完成后，经常会出现地面终端ISOS软件接收不到数据的现象，为解决这一问题，经过研究总结出以下几种解决方法：①检查ISOS软件日照的串口号及串口参数是否正确。②检查日照计的数据传输握手机制方式、日期、时间是否设置正确。若不正确，请设置为被动读取方式和正确的北京时间③检查日照计的航空插头是否松动、接触不良。若松动，请将航空插头重新插接紧固。④检查供电机箱是否供电正常。机箱内部的空气开关接外部220V交流电，交流电通过开关电源转换为12V直流电，直流电再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。用万用表逐级测量电压是否正常，判断故障发生位置。若保险丝断，请更换新保险丝，若接线松动，请重新接线并紧固。⑤检查从日照传感器到业务电脑的信号线、通讯线是否连接正常。若不正常，请重新接线并紧固（通讯线的接线顺序为三上黄线，三下路还有黑线GND;信号线的接线顺序为一上红棕，四上为灰，五上为蓝一下为黄最后屏蔽入接地;以上顺序均为从左至右）。⑥若上述均没有问题，利用串口调试助手，通过黄色信号线的RS232直接向日照传感器发送相关命令，查看日照传感器有无响应。若有，说明日照传感器正常;如无，说明日照传感器故障。

2.2 日照数据误差偏大的解决方法

地面终端ISOS软件在接收到日照数据后，可能会发现自动日照计采集的日照时数和人工观测到的日照时数存在着很大原因，在排除传感器硬件故障的情况，通常可能是由于以下某一方面的原因造成的：①玻璃罩有污垢。若有，请用软布及时清理。②日照计安装位置周圍是否有障碍物、反射面或者明显的污染源。若有，请将日照计远离上述干扰。③日照传感器头部是否指向北，倾斜角度是否与当地纬度值一致。若不一致，可以轻微扭动纬度调节旋钮，让其所指示的纬度保持和当地的纬度值想一致。④日照计经纬度参数是否与安装地经纬度一致。若不一致，请用LAT和LONG命令对日照计经纬度参数进行重新设置。

3对于时差问题的解决方法

3.1 由时差原因所引起的问题

由于目前现行的地面综合观测软件（ISOS）和日照计内部的采集器再算法的设置存在着一定的差异，从而导致两端的时差存在着一定的误差（误差值或正或负）。因为这一误差的存在，部分气象台站在安装自动日照计以后，会出现采集不到数据，或者在晚上编发日照报文时，没有自动日照日合计值的情况。但是经过调试测试显示，如果保证ISOS端和日照计采集器端的时差一致，这种情况就会得以解决。

3.2 时差一致性的解决方法

两个地区地方时之间的差别称作为时差。以甘肃陇南文县国家气象观测站为例（该地的经度东经104°4000”）在实际地面气象观测中，会发现地面综合观测软件ISOS相对北京时的时差为-62分钟，而自动日照计采集器相对于北京时的时差为-61分钟。所以自动日照计相对于地面综合观测软件ISOS存在着1分钟的时差。由此造成该站在安装了自动日照计之后，在晚上编发日照报文时，没有自动日照日合计值的情况。为了解决这一问题，对日照计采集器内部的经度做了一个微调，即调整为104°3700”，此时自动日照计采集器相对于北京时的时差为-62分钟，保持了与地面综合观测软件ISOS时差相一致。在当日晚上编发日照报文时，自动日照日合计值显示合适正常。

由此可见，当出现由于时差问题所引起的上述情况时，只需要对日照计采集器内部的经度设置做一微调即可解决。具体调整方法是遵循“正小负大”的原则，即日照计时差减去地面综合观测软件ISOS为正值时，经度适当比原值调小，反之亦然。

4结论与分析

本文通过对自动日照计原理的介绍以及一些常规、常见问题的梳理与分析，对所提及的问题做了比较完善的解决。着重完成了一下两个方面的内容：

（1）对地面气象观测台站新安装的日照计日常维护及常见问题提出了可行的解决方案;

（2）针对地面综合观测软件ISOS与日照计采集器时差不一致、不匹配的问题，指出了原因之所在，并且给出了合适合理的处理方法。

参考文献

[1] GUIDEW.Guide to meteorological instruments and methods of observation[Z].Book Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation.Genf，Schweiz：Secretariat of the WMO，2006.

[2] 吕文华，贺晓雷，于贺军，等.全自动太阳跟踪器的研制和应用[J].光学精密工程，2008，16（12）：2544-2550.

[3] 赵世军，刘西川，高太长.日照计发展现状及前景分析[J].气象水文海洋仪器，2011，28（02）：96-99.

[4] 赵世军，刘西川，高太长，等.直接辐射式日照计业务应用关键技术分析[J].大气与环境光学学报，2011，6（06）：457-462.

[5] 袁春生.光电型数字日照计技术的研究[D].长春：长春理工大学，2016.

[6] 代中华，赵世军，高太长，等.光热型电测日照计测量仿真研究[J].传感技术学报，2015，28（06）：803-808.

[7] 吕文华，崇伟，丁蕾.光电式自动日照计性能比对试验与分析[J].电子测量与仪器学报，2015，29（06）：928-933.