DZZ4型自动气象站观测中常见故障诊断方法

2015-03-20唐燕，潘来，陈蕴，张锦

中低纬山地气象 2015年6期

关键词：采集器气压湿度

唐燕，潘来，陈蕴，张锦

(1.贵州省水城县气象局，贵州水城 553001；2.贵州省六枝特区气象局，贵州六枝 553400)

DZZ4型自动气象站观测中常见故障诊断方法

唐燕1，潘来2，陈蕴1，张锦1

(1.贵州省水城县气象局，贵州水城 553001；2.贵州省六枝特区气象局，贵州六枝 553400)

通过对DZZ4型自动气象站(以下简称DZZ4)结构的分析，介绍了DZZ4中常规要素(包括温度、湿度、气压、风向、风速、降水和地温)的常见故障的排除方法，正确判断分析出现异常情况的原因，掌握各种要素故障时的应急处理措施，保证数据采集的准确性、完整性和可用性。

要素；分析；诊断

1 引言

地面气象观测业务是综合气象观测业务的重要组成部分，是我国各级气象观测站承担的主要任务之一。随着传感器技术和计算机及网络等信息技术的发展，推动了地面气象观测自动化的进程。全国2 400多个国家级地面气象观测站全部实现了7要素(气压、温度、湿度、雨量、风向、风速及地温)等基本气象要素的观测自动化，观测精度达到了WMO的观测要求。DZZ4采用当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术设计，是运用现代总线技术路线、严格按照中国气象局《新型自动气象(气候)站功能规格书(修订版)》规定研制的新一代自动气象站产品。

随着DZZ4的普遍使用，自动气象站能否正常运行及数据采集是否准确、完整、可用就显得尤为重要。自动观测的数据客观连续，很大程度上避免了人为误差，使气象资料的代表性、准确性、比较性更强。然而由于DZZ4使用时间短，对仪器的性能和维护保养还比较欠缺，为了保证DZZ4的正常运行，仪器的维护是关键。保障DZZ4的正常运行，对气象而言尤为重要。通过台站在实际工作中遇到的问题进行分析，介绍了DZZ4常规要素的常见故障的排除方法。

2 DZZ4的组成结构

DZZ4基于现代CAN总线技术和嵌入式系统技术构建，它由硬件和软件两大部分组成。硬件包括采集器(1个主采集器和若干个分采集器)、外部总线、传感器、外围设备4部分；软件包括嵌入式软件、业务软件两部分，其总体结构(见图1)所示。

3 DZZ4常用的故障判断方法

3.1 替代法

根据逻辑分析，确定故障部位。用好的组件替代坏的组件，故障现象消失，则说明分析判断正确。工作中经常用到替代方法的气象要素主要是地温。如5 cm地温超差或明显不正常，其余地温均正常，就近原则，我们常用0 cm或者10 cm的地温来替代5 cm地温，若数据显示正常，则可判断地温分采没有问题，有可能是5 cm地温传感器或线路故障。

3.2 测量法

DZZ4由多种传感器组成，传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，由于电信号便于测量、传输、存储和处理，因此气象传感器一般为电信号输出。输出的电信号通常有：电压、电阻、电容、电流及频率等。如温度传感器输出信号为电阻，电阻范围为80～120 Ω；湿度传感器输出信号为电压，电压范围为0-1 V；风向传感器输出信号为7位格雷码；风速传感器输出信号为频率等等。这些输出信号都可以通过使用万用表，只要正确选择档位，就可以测量传感器输出信号值。

万用表是自动站故障判断中不可缺少的测量工具。根据万用表测量关键测试点电信号参数，很多时候就可能分析出故障出现部位。如前面提到的，地温分采没有问题，可能是5 cm地温传感器或线路故障，这时我们就可能用测量的方法，测量传感器是否有输出信号，输出信号是否在正常的范围内，以此就可判断是故障是传感器或者是线路。

图1 DZZ4的结构图

3.3 直连法

在之前使用过的CAWS600系列或ZQZ系列的自动站中，气压传感器属于模拟传感器，输出信号为电压，电压范围为0～2.5 V，对应的气压值为500～1 100 hPa，可以通过万用表测出输出信号值，从而计算出当时的气压值。而DZZ4中的气压传感器属于智能传感器，所谓的智能传感器，是一种带有微处理器的传感器，具有一定的采集和处理功能，能直接输出被测要素的采样值或观测值。在电源10～35V供电正常的情况下，用微机通过串口连接到气压传感器的输出端口。发送测试指令“.p”，根据返回的值可以判断传感器是否正常。

4 DZZ4的故障分析

由于DZZ4由硬件和软件两部分组成，那们我们也将其故障分为软件故障和硬件故障。

4.1 软件故障分析

台站地面综合观测业务软件(简称ISOS)由采集软件(SMO)、业务软件(MOI)和通信软件(MOIFTP)组成，3个软件既相对独立，又相互关联。在实际业务工作中，常出现的软件故障往往表现为SMO和MOI软件数据缺测。

4.1.1 全部要素数据缺测从MOI软件的主界面上查看到所有要素缺测，首先、检查SMO是否关闭，若因意外关闭，直接打开SMO就可以了；其次、检查分钟数据软件是否关闭，入库设置是否正确，否则就要查看SMO的采集数据的采集情况，SMO有数据，直接在MOI中补调数据就可以，若SMO中无采集数据，则有可能是采集不及时，或者采集器故障。

4.1.2 个别要素缺测查看SMO是否有数据，若有，直接在MOI正点维护中补调数据；若无数据，则从SMO的超级终端中输入命令：SENST XX(XX是气象要素传感器标识符)，查看缺测的气象要素传感器是否关闭，返回值为0，则说明该传感器被关闭，重新输入命令：SENST XX 1，打开采集器，以上方法仍不行，那就有可能是传感器故障，或者是采集器通道故障。

4.2 硬件故障

DZZ4硬件包括采集器(1个主采集器和若干个分采集器)、外部总线、传感器、外围设备4部分；将硬件故障分为采集器故障、通信故障和传感器故障

4.2.1 采集器故障分析和诊断 ① WUSH-BH主采集器 WUSH-BH主采集器(见图2)，只要供电正常，RUN指示灯正常闪烁，通讯正常的情况下，SMO无数据，则很有可能就是采集器故障，重启采集器，同时关闭采集器的交流和电池供电，仍不能恢复，更换采集器。② 分采集器在实际业务工作中，常用的分采集器主要是温湿度分采集器和地温分采集器(见图3和图4)。如SMO显示温度和湿度均缺测，首先检查RUN指示灯是否亮，若不亮，用万用表检查CAN端接口，输入电压是否为+12VDC；再检查CANR指示灯是否正常闪烁(绿色常亮、CANE指示灯红色不亮)，若闪烁不正常，很有可能是CAN通信线路连接不正常，由于CAN通信线路上的电阻120Ω只能是成对使用，检查是否并接了多余的终端120Ω的电阻。CANE指示灯依然闪烁，重启温湿度分采仍未正常，更换温湿度分采集器。

图2 WUSH-BH主采集器接口图

图3 WUSH-BTH型温湿度分采集器接口图

图4 WUSH-BG地温分采集器接口图

4.2.2 通信故障分析和诊断 DZZ4和终端微机之间采用光纤通信进行数据传输。主采集器箱内和终端微机前各需配置一个RS-232/光纤转换器，它们之间实现一对一的数据传输。光纤转换器选用MOXA的工业级产品，具备转换串口(RS-232)及光纤(多模)信号的能力。DZZ4自动站采用光纤通信时，需要把光纤模块配置开关拨到“ON OFF OFF OFF”状态，光纤模块使用连接方式(见图5)。

图5 自动站光纤通信原理图

通信故障一般表现为计算机无法与现场的自动站完成实时通信。直观的方法是查看光纤模块上的收、发指示灯在收到数据或发送数据时，看指示灯是否闪烁，若不闪烁，则检查采集器到光纤模块、光纤模块到室内的光纤模块、光纤模块到计算机是否接线正确，再检查微机上业务软件通信串口配置是否正确，通信仍不正常，用光纤测试笔检查光纤通信线是否完好。此外，光纤通信线除了在用的一对外，还有两对备用，可将室外的光纤模块和室内的光纤模块更换为备用的，注意收发交叉接。

4.2.3 传感器故障分析和诊断业务中的常规要素主要是指七要素，分别为温度、湿度、气压、风向、风速、降水和地温。由于气温和地温均采用四线制的铂电阻传感器，原理相同，在此就不对地温传感器故障多作介绍。

① 温度传感器故障分析和诊断温度传感地对空测温是采用Pt-100铂电阻作为传感器测量元件，利用温度随电阻的变化而变化。Pt-100铂电阻的测量采用的是4线制测量原理(见图6)。其计算公式如下：

T=(Rt-100)/ 0.385

(1)

其中T为实际温度，Rt为铂电阻测量值。

图6 铂电阻温度传感器4线制接线示意图

出现温度值缺测或超差，湿度正常时，排查应根据温度测量信号流向图进行，首先万用表电阻200 Ω档测量1和2、3和4之间的电阻值是否在0～8 Ω，1、2任一端与3、4任一端之间的电阻值是否在80～120 Ω(测量时需断电)，否则更换温度传感器。确认温度传感器无故障后，因分采均是通过CAN总线传输数据，在湿度正常的情况下，不会是通信的原因即CAN线正常。在SMO超级终端中输入命令(SENST T0)查看温度传感器通道是否打开，通过以上方法，温度仍缺测或超差，更换温湿度分采集器。

② 湿度传感器故障分析和诊断 DZZ4湿度传感器选用DHC2型湿度传感器，湿敏元件采用新一代电容式湿敏元件HUMICAP180R，采用高分子薄膜电容作为湿敏电容。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度具有比例关系(见图7)。

当出现湿度值缺测或超差，温度正常时，首先我们先检测湿度传感器供电是否正常，是否为+12VDC左右，测量湿度有无输出信号，输出信号是否在0-1 VDC之间，对应湿度0～100%，检查湿敏电容是否已正确接入，超出范围时，则检查传感器与接线的接头处是否有接触不良的现象。否则，更换湿度传感器。确认湿度传感器和线路无故障后，因分采均是通过CAN总线传输数据，在温度正常的情况下，不会是通信的原因即CAN线正常。在SMO超级终端中输入命令(SENST U)查看温度传感器通道是否打开，通过以上方法湿度仍缺测或超差，更换温湿度分采集器。

图7 电容变化与相对湿度比例关系示意图

③ 气压传感器故障分析和诊断 DYC1气压传感器是一种智能传感器，气压传感器线缆连接是通过传感器底部附带的一个DB9型(孔)插头(见图8)。出现气压缺测或超差时，首先检查气压供电是否正确，接入采集器时，接线顺序是否正确，因气压传感器与采集相连时，DB9型孔中的“2”要与采集器上气压通道中的“R”相连接，“3”与“T”相连接，“5”与“G”相连接，“9”与“+12VDC”相连接，在SMO上超级终端用命令(SENST P)查看气压传感器是否开启，若以上检查都没有问题，气压数据仍不正常。给气压正常供电，将气压传感器接入计算机，利用串口调试助手，输入命令“.P”，若返回值正常，则说明主采集器的气压通道故障，反之，气压传感器故障。

图8 DB9型插头示意图(2：收，3：发，5：地，9：电源)

④ 雨量传感器故障分析和诊断雨量传感器故障在几个气象素中是最容易判断的，出现雨量缺测时，首先应检测计数翻斗翻动时有没有信号输出，如果没有就有可能是干簧管故障，应更换干簧管。若传感器无故障，则检查线缆到采集器之间连接是否可靠；最后确认线路连接无故障后，在SMO超级终端中用命令(SENST RAT)查看雨量传感器是否打开，以上检查均正常，而无数据时，则有可能是主采集器通道故障。

⑤ 风向传感器故障和诊断 DZZ4中主采集器上风向传感器的供电只有在采集数据瞬间，供电才为+5VDC，其它时间均是变化不固定的。风向缺测或者超差时，首先检查风向传感器与接线的接头处是否有接触不良的现象，所有连接正确和可靠的情况下，再给风向传感器固定的+5VDC的供电，将风向传感器固定一个方位，测量D0-D6的高低电平，转换成格雷码，再将格雷码换成二进制，计算出的对应角度，与真实值比较是否符合，若不相符，查看风向传感器安装是否正确，指北针是否准确指北，检查风向与采集器之间的数据线是否完好。若以上检测都没有问题，则需查看主采集器中该要素是否被关闭，否则就需要更换主采集器。

⑥ 风速传感器故障分析和诊断风速传感器的感应元件为三杯式回转架，信号变换电路为霍尔开关电路。在水平风力作用下，风杯组旋转，通过主轴带动磁棒盘旋转，其上的36只磁体形成18个小磁场，风杯组每旋转一圈，在霍尔开关电路中感应出18个脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加。

其校准方程为：

V= 0.1F

(2)

其中V为风速，F为脉冲频率

当出现风速缺测或者超差情况时，首先逐级检查主采集器到传感器的+5VDC供电是否正常、连接是否可靠，转动风速传感器，用万用表频率1K档检测是否有信号输出；并检查风速传感器到采集器间的数据线是否完好，若以上检查都没有问题，则需查看主采集器中该要素是否被关闭，否则更换主采集器。