DSS1型雪深观测仪的故障检修及维护

陈国强

DSS1型雪深观测仪的故障检修及维护

陈国强

（青海省大气探测技术保障中心，青海 西宁 810000）

结合DSS1型雪深观测仪的应用实际，阐述了设备的结构组成、工作原理、设备运行过程中出现的典型问题及解决方法、日常维护措施等，旨在为气象台站雪深观测仪的维护维修提供技术参考。

雪深观测仪；工作原理；故障检修；维护工作

传统的雪深人工观测存在时空密度不足、时效性差、数据质量难以保证等弊端，不能连续、全面地反映积雪的变化过程。截至2019-12月底，青海省52个国家气象站中有46个台站安装了雪深自动观测仪实现了自动观测雪深。雪深自动观测仪利用超声波测距或激光测距开展雪深实时自动观测，能够极大提高雪深观测数据的时效性和准确性，为气象防灾减灾、公共气象服务和气候变化研究等提供重要的数据资料。本文分析了雪深观测仪运行过程中出现的常见问题，提出解决方法及设备维护的建议，以便于保障设备持续稳定运行。

1 DSS1型激光雪深观测仪设备组成及工作原理

鉴于超声波测距受周围环境影响较大，且存在设计上的缺陷[1]，因此，青海省全部列装基于激光测距原理的DSS1型雪深观测仪。

DSS1型雪深观测仪为全天候自动雪深观测仪器，结合激光测距、电气工程、信号处理、软件开发等方面的技术，是一种可靠的自动化观测仪器，适合在各种苛刻环境的条件下进行雪深测量，具有高可靠性、高准确性、易使用、易维护等特点，既可以挂接在自动气象站上作为一个观测项目，又可以作为单独的观测仪器独立使用。使用雪深观测仪使雪深观测结果更加客观、观测资料保持连续，有助于减少台站观测人员的工作量，进一步提高雪深观测数据质量和观测 效率[2]。

1.1 雪深观测仪设备组成

DSS1型雪深观测仪由硬件和软件两大部分组成。硬件包括数据采集器、传感器及外围设备三部分。数据采集器是雪深观测仪的核心，负责完成数据采样、状态监控、数据处理、数据存储、监测工作电源等功能。雪深传感器采用激光测距单元，其测量的雪深范围为0～200 cm，最大允许误差为±1 cm，分辨力为0.1 cm。雪深观测仪的外围设备包括供电电源、安装支架、测雪板及设备校准模块。

雪深采集系统的软件包括嵌入式软件、业务软件和标定软件三部分。嵌入式软件基于实时的uC/OS操作系统，主要功能包括将数据文件、参数文件、配置文件、日志文件等存储在内部存储器，实现基本的数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能。业务软件是安装在自动气象站微机中的应用软件，其主要功能包括设置采集器参数、采集数据、运行监控、监控报警，实时上传自动气象站数据，实现数据质量控制，生成基本加工分析产品等。标定软件用于标定雪深观测仪。

1.2 雪深观测仪工作原理

测距探头是雪深传感器的关键组成部分，是利用发射的波束（光波、声波或电磁波）遇到障碍物被反射回来的特性进行距离差测量。处理控制单元对测距探头进行激发控制、计算测量波速发送和接收的时差（或相位差），并对采样样本进行数据质量控制、数据运算处理、记录存储和传输。设备组成如图1所示。设备工作原理如图2所示。

图1 设备组成图

图2 设备工作原理图

DSS1型雪深观测仪激光探头由高稳定的激光发射器、接收器、前置控制器组成，采用相位法测距，用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光束往返所需的时间。激光探头倾斜安装在支撑杆上，倾斜角（）为10°～30°。在激光雪深传感器工作期间，应避免直视激光雪深传感器发射窗口和长时间直视测量面上的激光光点，以免对眼睛产生损害。

2 雪深观测仪的故障检修

2.1 电源故障

故障现象：电源系统直流输出异常。

原因分析：电源系统分为交流、直流两部分。引起直流电源系统输出异常的原因可能有市电输入异常，雪深观测仪空气开关故障或意外跳闸，电源转换模块故障，雪深观测仪蓄电池故障，因器件或连接线路引起的短路、断路故障。

解决方法：①首先检查雪深观测仪交流电输入是否正常。用万用表AC档测量空气开关的输入端电压是否为 （220 V±20%），若不是，依次检查输入市电的线路、UPS等。②检查空气开关是否跳闸。检查空气开关是否在ON位置，若不是，尝试做合闸处理。若合闸失败需检查交流防雷模块、电源转换模块及线路连接，排除短路引起的故障。 ③如果空气开关闭合后，输出电压不正常，则空气开关出现故障，需更换。如果空气开关输出电压正常，电源转换模块交流输入端无AC220 V电压，检查交流部分线路连接，找到断路点并修复。④检查电源转换模块是否正常。电源转换模块额定输出直流电压14.5 V，如果电源转换模块交流电压输入正常，而直流输出异常，首先检查排除直流线路的短路故障以免烧坏电源转换模块。如果确认无短路故障而电源转换模块直流输出异常，则电源转换模块出现故障，需更换。⑤供电单元的蓄电池达到使用寿命或者过度放电后性能下降，会导致失去后备电源的功能。在线路连接正常的情况下，若市电中断蓄电池供电时输出电压很快下降到12 V以下，应立即更换同规格蓄电池。

2.2 数据野值

故障现象：未发生降雪过程，但采集软件采集到微量雪深数据。

原因分析：为保证测量区域水平及方便施工，雪深观测仪一般使用测雪板测量基准面。测雪板规格为400 mm× 400 mm×40 mm，为了安装测雪板，必然要破环原来的土层结构。下垫面被破坏，如果发生降水过程或冻土，必然引起测雪基准面发生抬升、沉降或变形位移，基准零点发生偏移，从而产生了数据野值。

解决方法：未发生降雪过程而雪深观测仪产生微量雪深数据的情况，如果能排除设备发生故障的可能，则可以判断为下垫面发生变形位移而引起的，可以通过重新校准雪深观测仪的方法解决。但要从根本上解决这个问题，就需要对雪深传感器测量的下垫面进行改造，改进测雪板安装方式或是采用更合适的下垫面材质[3]，减少由于下垫面变形对雪深观测造成的影响。另外，雪深观测仪工作期间，应禁止任何物体进入传感器观测区域，以避免影响设备的正常运行。

2.3 数据缺测

故障现象：台站在一定时间段内采集不到雪深数据。

原因分析：气象台站的雪深观测一般情况下在冬季进行。正常情况下，雪深观测仪出厂时被设置成受时间和温度参数控制，即在一定时间段并需要符合一定的温度条件才进行数据采集。然而，由于青海省部分台站特殊的地理气候条件，在夏、秋季节也时常发生降雪。降雪过程处于预置的采集时间段和温度条件之外，因此采集不到雪深数据。

解决方法：气象台站应根据自己的实际情况，结合历史数据，通过命令行的方式设置符合台站实际情况的雪深观测仪的时间控制参数和温度控制参数，以保证观测设备能正常进行数据采集。

3 雪深观测仪的维护

雪深观测仪安装在室外，特别是冬季处于严苛的自然条件下。因此，为保障设备的持续稳定运行，确保数据观测的质量，做好设备的维护很有必要。

具体维护工作应从以下方面进行：①每年启用雪深观测仪开展观测前，应清理测雪板上的杂物，平整测雪板。检查设备供电、防雷接地、线缆连接等情况，并进行现场标定以确保数据准确。②若发现传感器测量结果存疑，或出现部件故障，应按现场标定方法对传感器进行标定，或及时开展现场测试。③积雪期间，每日检查测雪基准面，及时清除测雪板上的异物。若测雪面因踩踏等造成破坏时，应及时将测雪面尽可能恢复至与周围雪面状况一致。④定期清洁传感器激光探头及波束通路，以免影响设备的正常运行。⑤停用雪深传感器后，应切断220 V交流电源供电，断开蓄电池连接，清洁测距探头，并加盖防护罩[4]。

4 结语

气象观测设备的自动化、智能化是气象现代化建设的主要内容。DSS1型雪深观测仪具有观测精度高、数据连续、维护方便等优点，它的推广使用，实现了雪深的自动、连续观测，减少了台站观测人员的工作量，进一步提高了观测质量和观测效率。随着地面观测自动化改革的逐步推进，地面观测设备逐渐实现了自动化，使得观测业务工作重心需向设备维护维修、核查标校或检测等方面转移[5]。因此，台站人员要加强业务技术学习，特别是新装备、新仪器的学习，提升装备保障技术水平，以适应新形势的需要，保证地面观测自动化改革工作稳步推进、有序开展。

［1］吴书成，邱杰，吴静，等.浙江省自动雪深观测数据质量分析［J］.气象科技，2017，45（4）：616-621.

［2］褚春燕，苏世兵，张宇，等.佳木斯站DSS1型雪深观测仪自动与人工观测对比分析［J］.气象水文海洋仪器，2019，36（4）：8-11.

［3］陈爱莲，丁妙增，赵杭锋.激光自动雪深仪基准面改进方案探析［J］.浙江气象，2017，38（1）：37-40.

［4］陈爱莲，丁妙增.降水现象仪的比对与分析［J］.气象水文海洋仪器，2017，34（1）：8-12.

［5］李进虎，韩辉福，徐泽东.青海省地面气象观测自动化改革工作思考［J］.青海气象，2020（2）：44-47，70.

2095－6835（2021）06－0151－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.062

陈国强（1980—），男，青海省大气探测技术保障中心工程师，现从事自动气象站等设备的技术保障工作。

〔编辑：严丽琴〕