视程障碍现象仪的使用及故障排查处理

朱旭敏 陈蓓莹 李 爽

（河北省信息工程学校，保定 071000）

视程障碍现象指影响能见度且其强度与能见度直接相关的天气现象，主要包括雾、轻雾、霾、扬沙、浮尘和沙尘暴等。空气中存在水汽凝结物、干质悬浮物，会降低能见度，影响人们的生产生活，尤其对交通运输和出行安全带来极大影响，因此研究视程障碍现象具有重要意义[1]。视程障碍现象仪的出现，进一步提升了自动判别视程障碍现象的精准度。

为提升视程障碍现象判识准确度，根据相关标准文件划分视程障碍现象的判定依据，除雾、轻雾外，霾、扬沙、浮尘和沙尘暴这4 种视程障碍现象均须借助在线PM10和PM2.5质量浓度观测结果进行判定。2022年起，视程障碍现象仪逐渐投入基层气象台站。台站通过台站地面综合观测业务软件（Integrated Surface Observing System，ISOS）融合采集的PM10、PM2.5质量浓度测量结果，结合自动站降水量、能见度、风速、相对湿度等气象要素综合判识视程障碍现象。通过多源数据的采集和融合，提升气象观测数据的准确性。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构

视程障碍现象仪由进气单元、测量与控制单元、辅助测量单元、流量控制单元、数据处理与传输单元、供电单元、底座及支架组成。

第一，进气单元由防雨帽、切割器、进气管路、除湿装置等组成。DXC1 型视程障碍现象仪切割器采用旋风切割器，其由圆筒形料斗和锥形腔体组成。气流带动粒子在腔体内做螺旋运动，在离心力的作用下较大粒子沉降下来，较小粒子随气流被收集到滤膜上，从而达到分离的效果。该模块的主要作用是通过切割器和过滤网去除较大的颗粒物，采集需要测量的颗粒物。除湿装置采用动态加热系统控制，避免多余的水分影响测量数据。

第二，测量与控制单元由颗粒物传感器、信号处理模块、控制模块等组成。该单元模块为仪器的核心模块，颗粒物传感器主要完成气体中颗粒物浓度的测量。

第三，辅助测量单元由温度、相对湿度和气压传感器等组成。

第四，流量控制单元由抽气泵、流量计、流量控制器等组成。采样流量的稳定性是保证数据监测准确的关键。DXC1 型视程障碍现象仪中的电子流量计通过闭环控制，对采集到管路内气体实施流量控制。经过比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）负反馈算法控制实时动态调节泵的功率，使流量稳定在设定值，误差不大于10%，保证气路流量的稳定性。

第五，数据处理与传输单元由数据采集模块、处理模块、存储模块、传输模块等组成。该模块单元主要处理和存储采集的颗粒物质量浓度数据，并与ISOS 软件进行传输通信。ISOS 软件根据视程障碍现象仪数据，结合能见度、湿度、气压、风速等气象要素综合判别视程障碍现象。

第六，供电单元提供设备运行所需的电源，由交直流转换模块、稳压模块等组成。供电单元将接入的工频交流电转换为仪器工作所需的直流电压。

1.2 工作原理

视程障碍现象仪利用气溶胶光学散射特性，通过测量气溶胶样本的光学衰减自动完成大气中PM10、PM2.5、PM1质量浓度的测定，结合气象观测相关要素判识视程障碍现象。视程障碍现象仪工作流程如图1所示。进气单元将采集的空气样品进行颗粒物分离和除湿处理后，空气以一定流速进入光学测量腔。光源照射在气溶胶样品中的悬浮颗粒物上产生散射，同时被某一特定角度的接收器接收。系统根据接收到的散射光脉冲信号频率的强弱，测量颗粒物的数量和粒径大小，经修正后得到样品空气中PM10、PM2.5、PM1的质量浓度[2]。

图1 视程障碍现象仪工作流程

2 观测要素数据

视程障碍现象仪采样间隔为1 s，每分钟采集样本数不少于45 个。视程障碍现象仪数据处理单元对秒级采样数据和分钟数据进行极限范围、变化速率和异常值检查，并剔除异常极端值和异常离散值。分钟数据采用算术平均法进行计算，计算时有效数据量应大于采样样本数的66%，否则该分钟数据将被判定为缺测。

视程障碍现象仪的分钟数据在3 s 内生成，主要包含以下观测要素，其名称及编码如表1 所示。

表1 观测要素名称及编码表

3 设备操作使用

视程障碍现象仪组装完成后，安装在能见度立杆上。架设完成后，通过通信线采用RS-232 或RS-485方式与综合集成硬件控制器相连。设备安装完成后，进行通电运行，按照以下步骤调试软硬件。

首先，检查内部面板电源、采样指示灯是否点亮，其他指示灯是否为异常，具体判断过程如下：电源正常时，电源指示灯常亮，异常时关闭；通信时，通信指示灯点亮，未进行通信时指示灯关闭；采样正常时，采样指示灯常亮，异常时关闭；设备数据超标时，超标指示灯常亮，数据不超标时关闭；加热棒工作时，加热指示灯点亮，加热停止时关闭；设备故障时，故障指示灯常亮，设备正常运行时关闭。

其次，使用日期设置和时间设置功能对设备时间与观测台站业务计算机时间进行校准。

最后，使用发送数据读取命令读取设备数据，检查数据要素。通过Smoport 软件设置综合集成硬件控制器的串口参数，串口工作方式或类型根据实际接线情况修改为RS-232 或RS-485，串口参数默认为（9 600，8，n，1）。如果需要调整设备波特率，则需要根据实际波特率设置串口参数。与ISOS 软件对接时，波特率设置不大于19 200 b·s-1。

串口设置完成后，需要设置设备参数，通过QZ（区站号设置）、ST（服务类型设置）、LAT（纬度）和LONG（经度）命令设置台站参数。使用数据读取命令读取数据并检查数据，根据表1 查验该命令读取的数据是否正常。同时，检查应观测次数与实际观测次数是否一致。设置参数可以通过串口调试助手进行设置，也可以通过ISOS 软件完成。使用ISOS 发送命令时，要避开每分钟的第19 ～25 s。

设置完成后，运行ISOS 软件，将“参数设置”中的自动项目挂接设置为“选择视程障碍现象仪”。右键点击视程障碍现象仪，选择“通信参数”进行设置。根据视程障碍现象仪与综合集成硬件控制器，选择正确通信端口号和串口参数。最后，通过ISOS 软件“参数设置”模块中的“台站参数设置”选择视程障碍现象数据来源。

4 常见故障分析及排查方法

DXC1 型视程障碍现象仪常见故障现象包括数据显示为0、数据显示过大等两类[3]。

4.1 数据显示为0 故障排查方法

造成视程障碍现象仪输出的数据显示为0 的原因可能为传感器故障、气路不通或无流量。针对这3 类可能产生故障的原因，依次进行排查。

第一，排查传感器故障，更换传感器。更换传感器注意首先关闭设备电源，然后依次拔掉传感器上的通信线和传感器两侧的气路连接管，卸下固定传感器的4 个螺丝，更换新传感器。更换完毕后，依次安装固定螺丝，安装气路连接管，插入通信线和设备电源，通过串口查看传感器状态。如果传感器数据恢复正常，则判定为传感器故障。

第二，排查气路不通故障。检查管路是否正确连接，按照下列顺序依次进行气路检查：采样头到电磁阀间的气路检查；电磁阀左侧接口到滤芯的气路检查；电磁阀右侧到传感器的气路检查；传感器到流量控制模块的气路检查；流量控制模块到出气口的气路检查。

第三，排查无流量故障，检查采样泵是否工作。拆卸采样泵时，首先应拆除下挡板，漏出流量控制模块，松掉4 颗固定螺丝后，依次拔掉上下连接硅胶软管以及连接通信线。取出流量控制模块后可拆卸尘路泵，清扫管路。检查设备的流量是否正确，流量应为2 L·min-1。若流量数据不正确，可在标校后通过命令调整流量系数[4]。

4.2 数据显示过大故障排查

造成视程障碍现象仪输出的数据显示过大的原因可能为切割器或管路积灰以及泵失控、转速过高这2 类常见故障。

第一，切割器或管路积灰。清理切割器或采样管路，清理采样帽、切割器、采样管连接处堆积残留的灰尘。清理时应注意切割器内的O 形圈，防止丢失。采样管与切割器可以使用吹风机清理管路内的灰尘。日常维护应每3 个月进行一次清理，防止灰尘积累造成数据异常。

第二，泵失控、转速过高。造成泵失控、转速过高的原因可能为气路堵塞和缓冲瓶堵塞，分别检查气路、缓冲瓶进气口是否存在堵塞并疏通。需注意，缓冲瓶位于流量控制单元[5]。

5 结语

气象观测是气象业务工作的基础，地面气象观测是其重要组成部分。随着气象观测的现代化建设和改革的不断推进，地面气象观测进入全面自动化时代。目前，视程障碍现象仪逐渐投入基层气象台站进行业务使用，进一步增强观测视程障碍现象的能力。各基层气象台站工作人员应掌握视程障碍现象仪的结构和工作原理、故障排查及日常维护方法等，在视程障碍现象仪出现数据缺测或异常时，能够及时分析异常原因，找出并排除故障，使仪器处于正常运行状态，确保观测数据的准确可靠。