DSG1型降水现象仪的故障诊断及期间核查方法

解帅 江新安 周翔

摘 要：降水现象仪是地面自动化观测的重要组成部分，保证其稳定运行和数据的准确性至关重要。结合实际对DSG1型降水现象仪业务运行常见故障、期间核查进行了分析与总结，并提出了易操作的故障诊断和数据质量核查方法，供台站业务人员参考。

关键词：降水现象仪；故障诊断；期间核查

中图分类号：P414.9 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）02–0-03

0 引言

降水现象是指从天空降下固态、液态、混合态降水的天气现象。在气象观测业务中，对降水类型和时间的观测一般以降水现象仪自动观测为主、人工观测订正为辅。降水现象仪可实现对毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹5种降水现象的全天候自动观测与识别，避免了以往人工观测的主观性，提升了降水观测资料的及时性和准确性[1]。在降水现象仪业务运行过程中，部分台站出现了因故障造成数据中断、偏差等现象。以新疆伊犁本地10个气象台站布设的DSG1型降水现象仪为例，结合实际经验，分析与总结了对业务运行中常见故障的检修和期间核查方法，供台站参考。

1 结构与原理

DSG1型降水现象仪由雨滴谱传感器、数据采集器、供电和通信单元组成（图1）。供电单元负责提供设备运行12 V直流电源和传感器24 V加热电源。雨滴谱传感器基于激光衰减原理设计，通过采样区测量降水粒子的下落速度和尺寸，获取雨滴谱信息以识别降水现象。数据采集器监测雨滴谱传感器的工作状态，从传感器获取雨滴谱数据和降水类型，经过算法处理后存储数据，转换数据传输的格式。通信单元将数据信号进行光电转换，传输至串口服务器对应PORT口，与自动气象站、日照等设备数据汇总传输至終端计算机[2]。

2 故障诊断流程

造成降水现象仪的数据缺测或偏差等问题的因素有许多，当发现终端计算机ISOS软件降水现象仪的数据采集出现异常时，在出现降水天气过程时，应切换备份站降水现象仪，并进行人工观测订正，在无降水天气过程时检查、删除异常数据，并对设备进行检修、现场核查。

2.1 降水现象仪的数据缺测处理

2.1.1 故障现象及其成因

故障现象为ISOS软件首页数据采集时间停止更新、查询分钟数据显示降水现象类型为缺测。原因可能是设备故障、供电故障、软件参数错误或通信线缆断路、短路等。

2.1.2 检修步骤

第一，检查ISOS软件挂接的其他设备是否采集正常，若其他设备同步异常，考虑串口服务器至室内终端机通信故障。使用笔记本电脑在终端机网口、室内光纤盒端分别PING串口服务器IP，同步检查各通信设备供电和状态灯是否正常，确定故障点。

第二，若其他设备另有1个采集异常，考虑串口服务器通信堵塞故障，重启串口服务器、观测设备或取消挂接某一设备，观察数据是否恢复。

第三，若ISOS软件只有降水现象仪数据缺测，先检查设备是否正常挂接，对应串口通信参数是否为9600、8、N、1，COM口是否对应串口服务器NPORT中的PORT口。

第四，如果参数正常，则在ISOS软件维护终端发送TIME或READDATA命令，如果TIME或READDATA

命令有返回值，检查采集器返回值时间是否与ISOS软件时间一致，若不一致需采用TIME、DATE命令校正采集器时间。同时，检查READDATA命令状态返回值SA参数是否为污染（状态码6、7、8分别对应轻度、中度、重度污染），若为污染，需要清洁传感器激光保护镜片、清理影响光路的障碍物。如果状态返回参数量偏少且无SA等雨滴谱参数值，考虑雨滴谱传感器故障或RS485通信线断路短路。直接跳转至第七步继续排查。

第五，若在ISOS软件维护终端发送TIME或RE-

ADDATA命令无返回值，考虑故障点在降水现象仪采集器至串口服务器端。去现场进行供电和通信检查，使用万用表测量降水现象仪供电箱内交流输入电压是否为220 V，开关电源直流输出电压、蓄电池、采集器、降水现象仪供电箱内光电转换模块和综合硬件控制箱内光电转换模块供电电压是否高于12 V，状态指示灯是否正常闪烁，如果其中某个组件供电或状态灯异常，均会影响数据传输链路，造成数据缺测，需要检查供电线缆或更换备件测试。

第六，如果各组件供电和状态正常，则继续排查通信线路。检查采集器RUN指示灯是否正常秒闪，使用笔记本电脑、串口调试线连接采集器，打开SSCOM串口调试软件发送READDATA命令读取数据。如果数据正常，考虑光电转换模块或光纤、RS232通信线缆故障，检查采集器与光电转换模块的RS232连接线、降水现象仪供电箱至综合硬件控制箱的光电转换模块光纤通信线缆连接是否可靠、收发端是否交叉连接，使用替换法外接备件测试（图2）。若SSCOM串口调试软件采集器无返回值，可以确定是采集器故障，重启或更换采集器测试。

如果采集器状态返回参数量偏少且无SA等雨滴谱参数值，考虑是雨滴谱传感器故障或RS485通信线断路短路。断电使用万用表检查RS485通信线缆在接线端子、信号防雷器和航空头端是否存在断路、短路现象。若线缆连接均正常，上电打开传感器底部侧面主板机盖，在雨滴谱传感器收发端采样区使用螺丝刀上下摆动，模拟降水下落，观察主板状态指示灯运行情况是否正常。

如图2所示，A为RS485通信指示灯、B为USB通信指示灯、C为传感器故障指示灯、D为粒子通过采样光区指示灯。在正常情况下，A灯在与采集器通信的时刻亮起，其他时刻处于熄灭状态；B灯无USB连接为长灭状态；C灯为熄灭状态；当有粒子通过时，D灯为闪烁状态。在异常情况下，A灯为闪烁或长灭，C灯为闪烁状态，当有粒子通过时，D灯为熄灭状态。使用笔记本电脑、串口调试线和RS485转RS232模块连接雨滴谱传感器进行测试验证，检查通信参数19200、8、N、1能否正常连接传感器，检查上电信息是否包括“power test failed ”，模拟数据能否正常读取、有无乱码现象。若状态灯或参数值异常，需要返厂维修、更换备份站雨滴谱传感器。

2.2 降水类型错误

2.2.1 故障现象及其原因

故障现象为观测的降水类型与实际人工观测差异较大、降水起止时间与降水量观测数据矛盾，有错报/误报、漏报等情况，不能通过质量控制检验。可能原因为受周围环境因素影响、设备局限性和算法测量性能下降。

2.2.2 检修步骤

第一，周围环境因素的影响。在ISOS软件维护终端发送READDATA命令，检查SA参数返回值是否为污染，若为污染，则需要清洁雨滴谱传感器发射和接收端激光保护镜片；现场检查周围环境是否有干扰设备测量光路的污染源，清理影响光路的障碍物。

第二，设备局限性。检查镜头是否错位（北发南收，发射和接收应成一条直线）、防溅护罩是否堵塞（降水粒子在堵塞的防溅护罩上会反弹落入采样区，干扰测量计算）。同时，部分情况下，受小雨滴对光强的散射较弱、算法的影响，降水现象仪无法识别随风舞动的小雨造成漏报（风影响降落速度）；在强对流天气下，强风导致雨粒子受到外力影响，其下落速度发生改变，造成采集计算偏差，这些都与人工观测存在较大的差异。

第三，算法测量性能下降。雨滴谱传感器对降水粒子的速度、直径测量出现偏差，影响数据质量，需要通过雨滴谱校准仪进行期间核查进行判断。

3 期间核查

3.1 核查装置及原理

当前，使用北京华创维想科技开发有限公司生产的PCL32雨滴谱校准仪进行期间核查，该设备由雨滴谱模拟器、采集控制单元和标校软件组成。

雨滴谱模拟器透明亚克力转盘上放置了不同直径大小的粒子标记，电机带动转盘转动，使粒子标记具有可设定的运行速度，使得测试装置具有模拟降水粒子速度和直径的功能。模拟器出厂根据毛毛雨、雨、冰雹3种天气现象的临界点，设置选择直径4.3、9.5、

21 mm和速度2、7、12 m/s等3个测试点进行核查實验，与降水现象仪测得的粒子下落速度和直径进行对比，从而核查传感器的性能（图3）。

3.2 核查流程

3.2.1 标准器溯源

按照观测司关于印发《降水现象计量业务管理暂行规定》的函（气测函〔2019〕17号），为确保标准器粒子下降速度和粒子标记直径尺寸的准确度，标准器需要以2年为周期，送至国家气象计量站降水现象计量检测实验室（合肥）进行溯源。台站投入业务运行的降水现象仪在第一次使用45 d后、90 d内现场核查1次；之后每年现场核查1次；每次维修仪器之后都应做现场核查。

3.2.2 现场操作

对降水现象仪的核查工作应选择在晴朗天气、能见度大于10 km、气温10～30 ℃、风速不超过5 m/s、相对湿度不超过80%的环境下进行。具体流程如下：

第一，在ISOS软件填写维护单，将降水现象仪设置为维护状态。

第二，现场用水平仪测量传感器是否水平，检查降水现象仪的外观，用专用清洁布擦拭传感器的收发镜头，保证采样区光路畅通。

第三，断开雨滴谱传感器与采集器的RS485通信线连接，使用笔记本电脑、USB转RS232串口线、RS232转RS485模块直连传感器，通过SSCOM串口调试软件，设置通信参数为19200、8、N、1，勾选发送新行，发送CS/C/R/9600命令，将传感器波特率改为9600，设置成功后返回“OK”。

第四，断开雨滴谱传感器在降水现象仪供电箱内的供电线缆，使用核查装置中的专用线缆连接雨滴谱传感器，另一端插入雨滴谱校准仪采集控制单元的“便携DSG4 Parsivel输入”端口，笔记本电脑的USB转RS232串口线插入采集控制单元的“便携DSG4 RS232输出”端口。采集控制单元引入220 V交流供电，上电后，将SSCOM串口调试软件波特率改为9600连接传感器，发送PARSIVELSET命令，完成雨滴谱传感器参数复位，设置成功后返回3个“OK”、1个“T”。

第五，关闭串口调试软件，拔下插入采集控制单元“便携DSG4 Parsivel输入”端口的线缆，插入“Parsivel传感器输入”端口，拔下USB转RS232串口线，插入“校准仪RS232输出”端口。

第六，将雨滴谱模拟器安装至降水现象仪上，雨滴谱模拟器石英转盘端朝向发射端（北侧），雨滴谱模拟器转盘电机端对准接收端（南侧）。雨滴谱模拟器数据线缆航空头插入采集控制单元的“滴谱模拟器输入”端口，用转速表控制显示器拨至RUN端。

第七，打开PCL校准软件，点击“配置”按钮，“标校信息配置”中波特率设置为“9600”，模式选择“标校模式”；在“静态信息配置”中输入当前温、压、湿核查环境和标准器、被核查设备信息，“保存配置”并返回首页。

第八，当设备连接正常，软件首页显示设备在线时，即可开始核查实验。点击首页“开始”按钮，雨滴谱模拟器开始按照软件设置的直径和速度组合模拟降水现象，采集控制单元实时读取雨滴谱传感器测量的降水模拟数据，10 min左右完成核查实验，并输出规范要求的降水现象仪核查报告。

第九，笔记本电脑通过USB转RS232串口线、RS232转RS485模块直连雨滴谱传感器，串口调试软件波特率设置为9600，发送CS/F/1命令，将雨滴谱传感器恢复至原有模式，设置成功后返回“OK”。恢复雨滴谱传感器至采集器接线，ISOS软件停止降水现象仪维护状态，核查结束。

3.3 核查结论

降水粒子直径稳定性测量误差计算公式为?=-，其中，?为降水粒子直径输出通道稳定性误差；为被测降水现象仪本次测试输出的通道号；为被测降水现象仪第一次测试输出的通道号。若|?|≤2，则判定被核查降水现象仪合格，否则应维修或送国家气象计量站降水现象计量检测实验室进行校准。

降水粒子速度稳定性测量误差计算公式为?=-，其中，?为降水粒子直径输出通道稳定性误差；为被测降水现象仪本次测试输出的通道号；为被测降水现象仪第一次测试输出的通道号。若|?|≤2，则判定被核查降水现象仪合格，否则应维修或送国家气象计量站降水现象计量检测实验室进行校准。

4 结束语

随着气象观测由人工向自动化全面推进，仪器运行质量控制和故障诊断成为台站业务人员面临的新挑战。根据DSG1型降水现象仪业务运行情况和实际维修、核查经验进行总结分析，旨在创新台站业务人员对自动化气象观测设备故障诊断思维，提高装备保障业务能力，确保观测数据的长期稳定性和准确性。

参考文献

[1] 中国气象局.地面气象自动观测规范[M].第一版.北京：气象出版社，2019.

[2] 高清泉，纪诗璇，沈芳，等.DSG4型降水现象仪现场核查方法与应用实例[J].科学技术创新，2022（1）：53-56.