DSC3型称重式降水传感器维修维护方法

卢 舟，刘钟中，王 凡，王 舜

(1.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；2.临澧县气象局，临澧 415200；3.常德市气象局，常德 415000)

0 引言

降水量作为一种重要的基础气象数据，对做好强降水监测预警、冬季低温雨雪冰冻、农业生产和生态环保等气象服务工作至关重要。DSC3型称重式降水传感器是一种自动采集降水数据的智能化雨量传感器，可全天候持续观测液态、固态以及混合降水。他既可以输出开关信号，又可输出RS-232/485数字信号[1]，在现有的几种新型自动气象站上实现国家站两种雨量传感器的同步数据采集。DSC3型称重式降水传感器的全面部署大大减少了基层台站人工观测工作量，进一步提高了降水过程的观测效率和数据质量。

称重式降水传感器与传统翻斗式雨量传感器在工作原理、组成结构、维护方法等方面完全不同，基层台站业务人员在维护维修该传感器时需要按照规范中的新方法。目前，一些业务人员对DSC3型称重式降水传感器进行了研究，李艳琴[2]等根据观测资料对称重式降水传感器数据误差和故障现象进行了分析，周旭辉、陈杰[3，4]等研究了DSC3型称重式降水传感器的日常维护及故障处理方法，但还存在典型故障数量少、维修方法不够全面等问题。因此，文章简要介绍了该传感器的硬件结构和工作原理，给出了从传感器端到主采集器，再到业务软件端的详细维修方法。

1 称重式降水传感器

1.1 传感器基本结构

DSC3型称重式降水传感器主要由数据采集处理单元、红外降水发生探测器(OPD)、称重单元、收集容器以及相关外围组件构成。

1.2 传感器工作原理

目前，国家自动气象站使用的称重式降水传感器有压力应变式和振弦式两种类型。DSC3型称重式降水传感器采用压力应变式测量原理，基于一种具有电阻应变技术的称重元件，通过对其承载重量变化的快速响应进行测量并计算出降水量[5]。数据采集处理单元通过OPD判断是否有降水发生，只有OPD判定有降水出现时，才会对该降水发生时称重元件测量的重量信号进行输出，同时过滤和修正由于温度、风等环境因素造成的干扰，获取准确的降水量，其工作原理如图1所示。

图1 传感器工作原理图

1.2.1 数据采集处理单元

数据采集处理单元的主要功能是将称重单元测得的收集容器中降水重量的信号转化成以mm为单位的降水量，再调用存储器中的校准常数、温度系数等参数对雨量值进行修正。然后进行质量控制、数据存储，最终实现与主采之间的数据通信和传输。该处理单元同时具备开关信号输出接口和RS-232/RS-485串行接口，兼容性较强，1个开关信号相当于0.1 mm降水。通过降水重量转换成降水总量的计算公式为：

P=M/(ρ×S)

(1)

式中,P为降水总量；M为降水总重量；ρ为水的密度；S为承水口面积(固定值)。

1.2.2 称重单元

称重单元通过对收集容器中降水重量变化的快速响应测量降水。该单元基于电阻应变技术，敏感梁在盛水桶压力作用下产生弹性形变，使粘贴在他表面的电阻应变片也发生变形，电阻应变片的阻值随之发生变化，再经过相应的测量电路对信号进行转换，获得收集容器中降水重量的变化。

1.2.3 降水发生探测器

降水发生探测器(OPD)基于红外线光束进行探测，OPD圈上相对两端分别为发射端和接收端，其中一侧的两个遮阳管中间有1个发光二极管为发射端。发射端持续发射红外线光束，当有降水粒子(雨、雪、雨夹雪或冰雹)连续通过红外线光束并被智能算法判识后，OPD判断有无降水发生，当OPD判定有降水过程发生时，传感器将测得的重量进行转换并输出降水量。

2 日常维护

称重式降水传感器要注意做好以下几点维护：

1)每年需对传感器至少进行 2 次维护，清空收集容器内的液体，时间分别在入夏和入冬之前。在汛期降水量较大或沙尘天气频繁出现的地区，应加大维护频率。每次出现较大降水(雪)天气过程后应及时检查收集容器内液体水位，若达到桶身标注刻度400 mm时必须及时清理，防止收集容器溢水损坏其他部件；当某次降水过程降水量可能超过最大量程时，应在降水间歇期进行排水；出现大的降雪天气过程后应及时清除承水口口沿外的积雪，承水口内壁上的积雪或雨凇应扫入收集容器内，出现的异常数据按业务规定进行处理[6]。若本地区未来将出现沙尘天气但没有降水，应提前将桶口加盖，过程结束后及时取盖恢复。

2)收集容器在夏天要放入水和抑制蒸发油，冬天要放入抑制蒸发油和防冻液[7]。抑制蒸发油要能完全覆盖桶底薄薄一层(240 mL)，防冻液根据站点本地历年最低极值温度放入相应的量。

3)业务人员要每周打开保护外壳查看OPD遮光管上是否有蜘蛛网、污渍或者其他遮挡物，如OPD遮光管上有异物或大雨有迸溅则OPD传感器需用干抹布或纸巾进行清理。

4)将笔记本与数据采集处理单元RS-232/RS-485接口连接，使用串口调试软件或ISOS软件维护终端对称重式降水传感器进行校准，输入JZ+校准常数指令即可。

3 维修流程

根据DSC3型称重式降水传感器基本原理和硬件结构，当传感器出现故障时，可依次从供电、数据采集处理单元、OPD、称重单元、信号线、主采串行通信端口以及ISOS软件等部分开始，采用分段式模块化检修方法逐步进行检查。

4 典型故障处理

4.1 数据采集处理单元故障

打开数据采集处理单元上盖，检查单元12 V供电输入输出是否正常，用万用表20 V直流电压档测量稳压模块的输入和输出电压，输入电压9～16 V、输出电压12 V即为正常；查看单元内部状态，采集主板上有3个连续发蓝色光的灯，3个蓝色LED灯交替闪烁代表主板工作正常，否则主板有故障。

当DSC3型称重式降水传感器无数据时，可检测单元开关信号输出口的工作状态。将笔记本与数据采集处理单元的调试串口连接，通过调试软件发送命令FR 10000至硬件，在数据采集处理单元的开关信号口连接1个脉冲计数器或与调至断档的万用表连接，等待3～5 s后，计数器会显示10个计数或万用表发出10次通断嗡鸣声，并且每输出1个计数就有1声，即表示开关信号口能正常工作，如果有声响，计数器和万用表无反应，要检查信号线是否连接正确，如果没有声响，则设备的开关信号口存在故障，需要更换数据采集处理单元。

4.2 OPD单元故障

用工具在OPD圈的中心快速晃动(模拟出现降水)，同时发送LS命令查看OPD记录次数有无增长，OPD记录次数增长说明OPD可以启动降水发生；然后停止晃动，同时不停发送LS命令，此时OPD显示的次数应该停止在最后晃动时记录的次数，持续发送至OPD显示的次数归零后5 min无增长，说明OPD工作正常，否则OPD有故障，对降水量的输出有影响或可能误报降水量。

在使用传感器的实际环境中，各台站地网可能存在异常电波，若无法改变当前使用环境，可将OPD接地线取下，重复上一步OPD检测操作。 如OPD检测工作正常，业务软件(ISOS)仍在非降水时段出现异常值可进一步通过发送DMPR命令调取异常值前后时段的历史数据分析OPD工作状态，如发现OPD无故自启，则OPD存在故障，需要更换。同时，发送DMPR命令还能获取设备状态信息，状态标识为0000表示正常，数据质量控制标识为0表示正常，分析设备的温度传感器数值是否接近周围环境温度，实时重量是否和当前收集容器内的液体重量一致，以此排查问题。

4.3 传感器信号线缆故障

在DZZ4型主采集器机箱端拔下称重式降水传感器信号线，将3芯信号线两两进行短接，然后将万用表打到蜂鸣档，在传感器一端检测信号线通断，若有蜂鸣声说明信号线导通，否则说明某根信号线存在断路。还需反复测量整个信号线的阻值，通过阻值判断信号线是否有虚接或接触不良的情况，正常情况下信号线阻值应该是稳定不变的，当出现虚接或接触不良时降水量测量不准。

4.4 主采RS-485通道故障

4.4.1 通道未开启

在业务主机ISOS软件维护终端或串口调试软件中，首先输入super ADMIN进入管理模式，然后使用SENST RAW指令查看主采集器称重式降水传感器通道是否打开，返回1表示已打开，返回0表示未打开，若未打开则输入SENST RAW 1指令打开通道，连接称重式降水传感器；同时使用COMDEV 5 WUSH_WP和SETCOMEX 5 9600 8 N 1指令配置端口及其相应通信参数，完成DZZ4型主采集器称重式降水传感器的通道设置。这种故障会导致业务软件端降水数据始终为0，一般在更换主采集器后会出现。

4.4.2 通道硬件故障

为判断主采集器称重降水通道硬件是否正常，可使用通道替换法进行检查。通过串口调试助手或ISOS软件维护终端，将WUSH-BH6型主采集器的称重降水RS-485通信端口(数字备用口2)改用为能见度端口并将能见度信号线端子插入，若能见度数据能正常采回，说明主采集器称重降水RS-485通道能正常工作，否则该通道不正常，需要更换主采集器。

4.5 接地故障

当降水观测数据出现无规律异常值时，检查OPD和基座接地线是否出现接触不良、松动的情况，传感器接地电阻应该小于4 Ω。

5 结束语

根据日常维护工作中的实际情况，DSC3型称重式降水传感器还存在需要改进的地方：1)数据采集时效相对滞后。与翻斗式雨量传感器相比，数据延时达3～5 min[8]，造成及时性不够高，不利于冬季冰冻雨雪天气过程气象服务。2)维护的便利性还需要进一步提高，可增加自动排水设计，尽量实现免维护。可提高称重单元的负载量，减少维护次数。特别是雨雪天气，口沿会堆积雪或者雨凇，需要人工干预才能确保数据准确，建议冬季为仪器增加加热功能。3)优化数据采集处理单元识别算法，增强电路电磁屏蔽性能，减少电磁干扰，提高采样数据准确性。

DSC3型称重式降水传感器的广泛应用实现了自动气象站降水观测全自动化，避免了冬季人工观测时效性差、观测频次少等问题，能全面、连续的反应冬季降水情况。做好称重式降水传感器的日常维护维修有利于降水观测数据的准确获取、及时传输，提高了地面气象观测数据质量，为精细化气象服务提供了基础支撑。