DFC3型光电式数字日照计结构及维护维修建议

岳国海 戴红梅 袁东

摘 要：在自动化改革以前，各气象台站主要使用暗筒式日照计，观测误差较大。目前各台站已换上DFC3型光电式数字日照计等自动化观测设备，该设备可以实时观测和记录日照时数，性能完全满足中国气象局发布的《光电式数字日照计功能规格需求书》的要求。该文从台站人员的角度出发，阐述了周、月日常维护保养的主要内容，提出了设备状态异常、无数据处理、数据缺测处理等故障排查维修建议，以便及时解决问题，确保设备的长期稳定运行数据准确。

关键词：光电式;日照计;维修

中图分类号 P414.52 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）23-0155-02

1 引言

开展日照观测对于监测气象和环境变化、了解太阳直射辐射状况、农业畜牧生产、太阳能利用、建筑设施规划与设计等都有重要意义[1-3]。在自动化改革以前，各气象台站主要使用暗筒式日照计、聚焦式日照计、太阳直接辐射表等，观测误差较大。目前各台站已换上如DFC3型光电式数字日照计等自动化观测设备，该型设备可以实时观测和记录日照时数，光谱范围400～1100nm，观测阈值最大允许误差为±24W/m2，阈值年稳定性为±5%，性能完全满足中国气象局发布的《光电式数字日照计功能规格需求书》的要求，设备无需外挂采集器，采用一体化设计思路，能够直接输出日照时数，具有观测精度高、性能稳定、维护方便等优点，改善了传统观测方式的一些弊端[4-5]。

2 系统结构组成

2.1 光电式数字日照传感器 光电式数字日照传感器由光电感应器件、数据处理模块、加热模块、通信接口、电源接口等组成。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方式放置于光筒内，其中最上面1个感应器件用于测量太阳总辐射，下面2个感应器件采用分别遮挡了东半边天和西半边天的全分天空方式，不同时暴露于阳光下，能够测量散射辐射，3个光电感应器件均输出电压信号，结构如图1所示。

数据处理模块由相应的硬件和嵌入式软件组成，其中硬件包括微处理器、A/D数模转换电路、存储单元、晶振时钟和监控电路等，通过嵌入式软件完成对光电感应器件输出电压信号的采集、处理、存储和传输。

2.2 嵌入式软件 嵌入式软件主要包括数据采集、处理和通讯3个模块。数据采集模块主要按规定的采样频率采集光电感应器件测量到的太阳辐射电信号;数据处理模块主要完成采样算法计算、数据质量控制和存储;数据通讯模块主要向业务终端软件上传数据，具有数据补传功能，执行相应操作指令并返回结果。

本设备每10s对光电感应器件进行1次采样，1min采集6次。对采样得到的电压信号进行判断，如果判断为有日照，则将这10s累计到日照时间，每分钟对日照时间四舍五入后进行取整输出，单位为min，小数部分保留，继续累积到下1分钟。对小时内分钟日照时数进行累加，得到日照时数小时累计，单位为min。对小时日照时数进行累加，得到日照时数日累计，单位为h。本设备的数据存储功能采用滚动循环存储方式，每分钟存储1条记录。存储的数据量至少6个月，数据存储器具备掉电保存功能。

2.3 供电系统 供电系统主要包括电源和防雷两部分[6]。

（1）电源部分采用交流供电方式，电源供电部件包括空气开关、直流电源和免维护蓄电池3个组件。交流市电接入电源机箱时先经过空气开关，防止交流电源线短路对系统造成损坏。直流电源采用12VDC的航空电源，实现交流220V市电到直流电转换，为日照传感器供电并给蓄电池充电。蓄电池采用12V/38Ah的铅酸免维护电池。

（2）防雷部分由交流防雷模块、防雷板组成，交流防雷模块与空气开关并联连接，防止电源线引雷对系统造成损坏。防雷板是日照传感器信号、供电的主要防雷部件。日照传感器信号线缆进入机箱后先经过防雷板，其中的电源线接入供电系统，通信线再次经过防雷板后由带有屏蔽层的通信线接入硬件综合集成控制器。

3 日常维护保养

3.1 周维护 每周挑选在日出前或日落后检查光筒玻璃罩是否清洁，如有灰尘、雨滴、积雪、小虫、水汽凝结物（露、霜、霧凇、雨凇）等杂物应及时用软布将光筒擦净;遇到沙尘、扬沙等视程障碍天气和强雨雪冰冻等特殊天气时，待天气过程结束后应增加维护频次。

3.2 月维护 每月检查干燥剂、仪器安装、障碍物情况，包括干燥剂是否已失效、仪器的水平泡是否在中间、方位是否正南正北、纬度是否与测站纬度一致、在日出和日落方向是否都能够受到太阳照射、是否有反光物体等，发现问题，应及时纠正。

4 常见问题及维修建议

4.1 设备状态异常 打开ISOS软件的“维护终端”功能，端口选择“日照串口处理”，这时输入相应命令可以设置或读取传感器的各种状态和参数，从而进行校对和更正。

（1）通信参数。输入SETCOM命令，正确的返回值<9600，8，N，1>。若通讯参数不正确，可以通过将设备恢复出厂设置来恢复通信参数，但请谨慎操作。

（2）时间。DFC3型光电式数字日照计的时钟误差≤2s/月，若时钟误差偏大，可使用DATETIME命令重新设置当前时间。

（3）经纬度。输入LAT（纬度）、LONG（经度）命令读取设备的经纬度，并校对是否与台站经纬度一致，不一致可能导致地方时错误，进而影响可照时数、日照百分比的计算。

4.2 无数据处理 当设备不输出数据时，首先通过ISOS软件输入READDATA等命令，检查通信线路是否连通、是否有返回值，并根据返回值查阅日照计使用说明书确定问题原因。若无返回值，应重启电脑、ISOS软件和日照传感器，防止出现死机的情况，并可参照供电电压、通信线路的顺序进行仔细排查。

（1）供电电压。使用万用表测量供电电压是否在9-15V DC之间，若电压较低，则为蓄电池电量不足或损坏，若电压为0V，则可能是保险丝熔断、空气开关跳闸、市电断电等情况。

（2）通信线路。检查传感器的航空插头、传感器RS-232通信线（白、黑、绿）到防雷接线板、通信转换模块、防雷接线板到综合硬件集成控制器等线路连接处是否有松动和接触不良等现象。当供电电压和通信线路均无问题，输入命令仍无返回值，则应及时更换设备进行进一步故障分析。

4.3 数据缺测处理 （1）当某个小时数据不完全正确但基本可用时，按正常记录处理;有明显错误且无使用价值时，采用一定的查询或统计方法获取可用以代替的数据，否则按缺测处理。

（2）当设备输出的小时数据缺测时，应首先使用备份自动设备记录代替;若无备份自动记录代替，按缺测处理。需要特别注意的是，因为日照数据具有不连续性，所以不能使用前后2个小时的数据进行内插处理。根据《安徽省地面气象观测自动化业务运行技术规定》（气测函〔2020〕5号）的文件规定，当自动观测数据缺测时，原则上不进行人工补测，除非台站收到应急观测指令或特殊时期需要开展人工补测。

（3）当日照时值有1h及以上缺测时，日总量均按缺测处理。日照时数全天缺测时，若全日为阴雨天气，则该日日出日落时段内日照时值及日合计值均按“0.0”处理;否则，该日日照时数按缺测处理。

5 结语

DFC3型光电式数字日照计是一款集数据采集、处理、存储、传输为一体的智能化数字化日照传感系统，台站人员应加强维护定期查看设备的各个部分是否运行良好，尤其是在自然条件较为恶劣的站址应加强周、月的设备巡视频次。

本文从台站人员的角度出发，阐述了周、月日常维护保养的主要内容。坚持规范的日常维护保养是确保日照计正常工作的基础，但自动化观测设备的长期运行难免会出现故障和错误，需要台站人员熟悉常见问题的判断和维修方法，为此，本文提出了设备状态异常、无数据处理、数据缺测处理等故障排查维修建议，以便及时解决问题，确保设备的长期稳定运行和数据准确。

参考文献

[1]陆忠涛，于淑静，候士波.高纬度聚焦式与暗筒式日照计测量误差探讨[J].黑龙江气象，2012，29（2）：31-32.

[2]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（2）：96-99.

[3]李继辉.光电式数字日照计在气象中的应用[J].农村科技，2019，06：59-60.

[4]呼群.暗筒式日照计与光电式数字日照计观测数据对比分析[J].气象水文海洋仪器，2020，03：91-93.

[5]王立柱，馬尚昌，张素娟.基于光电原理的日照传感器初步研究[J].气象水文海洋仪器，2012，01：11-14.

[6]张鑫，王柏林，张素娟.自动日照传感器的设计和应用对比分析[J].气象水文海洋仪器，2016，03：32-35.

（责编：王慧晴）