PWD20前向散射式能见度仪的故障排查与数据取值

缪明榕，赵成诚，王辉，刘爱兵

（1.南通市气象局，江苏 南通 226001；2.启东市气象局，江苏 启东 226200）

0 引言

能见度是表示大气浑浊度的具体光学指标，是表示大气透明度的重要物量。最近几年来，全国经常出现大范围的雾霾现象，给农业生产和社会生活带来不利影响[1]。前向散射能见度仪在气象系统的应用，准确地量化了能见度的数值，杜绝了人工观测的主观性。

自2014年1月1日新型自动站在起正式投入业务运行以来，发现了能见度仪器一些共性的故障现象。本文以南通国家基本气象站PWD20前向散射式能见度为例，对常见的故障进行故障分析、排查，且对能见度的数据取值做出总结。

1 PWD20前向散射式能见度仪的结构及工作原理

PWD20前向散射式能见度仪，由硬件和软件组成。其可以作为独立观测设备与计算机相连，也可以作为能见度分采挂接到自动站采集系统中。PWD20前向散射式能见度仪由发射器、接收器、电源箱、支架等构成。

PWD20前向散射式能见度仪可以连续观测10-35000M范围内的大气能见度。通过测量45°角散射的红外光强度来评判大气光学视程。发射器发射频率为2KHZ的红外脉冲波，在大气中形成接近平行的红外光束。红外光束经过大气中悬浮微粒时发生散射，当悬浮微粒直径与红外光束波长在一个量级时会发生散射，散射的总量与红外光束的衰减成正比。接收器检测采样区域内的悬浮微粒散射且被镜头聚焦（前向散射光）的红外光束，将接收到的红外光束转换为电信号。电信号由与变送器同步的放大器进行过滤、检测，送至控制器单元[2-4]。经过处理器的运算得出能见度仪采样区内大气的前向散射光的数值，估算出散射总量，由此得到透过量，从而计算出大气能见度的数值[5]。能见度数据输出包括1分钟能见度、10分钟能见度。时间常数60S，更新间隔15S。

2 日常维护和故障排查

2.1 日常维护

为了确保能见度仪的正常运行，必须每日对能见度仪进行巡查。发现有明显蜘蛛网等异物应及时清理。维护能见度仪的主要工作是清洁擦拭发射器、接收器的透镜，清除遮光罩的蜘蛛网、灰尘等异物。

（1）一般为每周进行1次维护。检查能见度仪透镜镜面是否有水汽凝结物；清洁遮光罩上蜘蛛网、灰尘等；用湿脱脂棉蘸酒精，轻轻擦拭透镜镜面[6]，注意不要划伤透镜表面。镜面应该保持干燥，否则会自动进入镜面加热程序。

（2）每月月维护时检查供电设备，每三个月对蓄电池进行充放电一次，确保供蓄电池充放电性能。

（3）定期检查、维护的情况应记入当天的值班日志中。

（4）维护时间段和因维护影响的数据处理情况一并写入备注栏。

（5）巡查时应避免用手电筒等发光体照射发射器和接收器的镜面以及采样区域。切忌在能见度仪运行时，长时间直视发射端镜头。

2.2 PWD20前向散射式能见度仪故障排查

以下结合南通国家基本站采用的DZZ4新型自动站PWD20前向散射式能见度仪进行故障分析、排查。

2.2.1 地面综合观测业务软件接收不到能见度数据

出现能见度仪无数据一般可考虑这样几种故障：①能见度仪器死机；②能见度设备电源故障或电压偏低；③通讯设置错误；④连接线未连接好；⑤采集器端口故障；⑥防雷器被击穿；⑦能见度仪设备故障等。

排查流程：

（1）重启能见度仪和采集器，重启地面综合观测业务软件。

（2）查看其他观测要素是否同样缺测。若其他观测要素正常，进行下一步检查。

（3）检查设备的电源电压（12V）输出是否正常。

（4）检查能见度仪的通讯线缆是否存在破损，连接不牢靠或断路的现象。检查计算机上的能见度串口是挂接占用。

（5）利用sscom32测试软件与采集器串口连接，输入“SENST VI”，看返回值是不是“1”。若返回值是“1”，则说明通道是打开的，若返回值是“0”，则说明通道关闭。需要打开。

（6）PWD20前向散射能见度仪一般是用RS485通讯[7]，如果以上操作还不行，找出能见度仪电缆中的绿、黄、灰3根线，分别对应串口线的2、3、5引脚，用RS232通讯直连电脑，利用sscom32测试软件，通讯参数设置设为4800 N 8 1，①输入“OPEN”↙返回值：“PWD OPENED FOR OPERATOR COMMANDS”；②查看能见度状态，输入“STA”↙返回值，如表1：

表1 硬件检测正常Tab.1 Hardware check norma l

若HARDWARE：返回是，如表2：

表2 硬件检测故障Tab.2 Hardware detection failure

说明能见度仪故障，及时与厂家联系进行维修。③输入“MES”↙放回值：005418/////（说明能见度状态正常，能见度是5418米）。只要出现硬件报警，传感器端将不会输出任何能见度数据，直到故障恢复。若能见度有数据，说明能见度仪设备无故障，故障发生线缆等其他地方，并进行下一步排查。

（7）考虑采集器串口故障，正常情况下：DZZ4采集器上COM1口是接能见度，COM5口是接称重雨量，可以借助于同样是RS485通讯协议的称重雨量端口进行测试，利用超级用户命令super ADMIN更改端口和所有协议：comdev 5 fd12p↙；setcomex 5 4800 8 n 1↙；varch vi com.5 v,v10↙正常返回值是“T”， comdev 1 wush_wp↙；varch raw com.1 mp↙；setcomex 9600 8 n 1,这样就把能见度换到了COM5口，称重雨量换到了COM1口，把能见度都正常接到称重口上，利用sscom测试软件，“samples”命令读取数据，若有数据说明DZZ4采集器能见度口有故障，及时跟厂家联系更换采集器并恢复原来的设置：comdev 1 fd12p↙；setcomex 1 4800 8 n 1↙；varch vi com.1 v,v10↙；varch raw com.5 mp↙；comdev 5 wush-wp↙；setcomex 9600 8 n 1。若无数据，再进一步排查。

（8）检查防雷模块是否正常，短接防雷模块，测试能见度仪有无数据。

经过以上的排查基本能判断出PWD20前向散射式能见度仪无数据的具体部位出现的故障。

2.2.2 测出的能见度数值比实际值明显偏大

主要可能出现的原因：①是由于能见度仪发射端、接收端或取样区域受到蜘蛛网或其他异物阻挡，造成类似于高能见度时的假象；②能见度仪接收器镜头受到强光直射或红外光干扰；③能见度仪内部程序紊乱；④能见度仪控制电路出现故障。

排查流程：

（1）用脱脂棉蘸酒精清洁能见度仪接收器和发射器镜头。

（2）冬季冰雪天气时，清除附着在发射器和接收器镜面的凝结物。

（3）重启能见度仪和采集器。

（4）若经过排查能见度值任然明显高于实际值，联系厂家维修仪器。

2.2.3 测出的能见度数值明显比实际值小

主要可能出现的原因：①采样空间内存在蜘蛛结网或接收器镜头污染，引起低能见度强散射光的一种假象；②能见度仪内部程序紊乱；③能见度仪控制电路出现故障。

排查流程：

（1）检查是否有蜘蛛网或其他附着物，用脱脂棉蘸酒精清洁能见度接收器和发射器镜头。

（2）冬季冰雪天气时，清除附着在发射器和接收器镜面的凝结物。

（3）重启能见度仪和采集器。

（4）若经过排查能见度数值任然明显低于实际值，联系厂家维修仪器。

2.2.4 能见度数值明显跳变现象

在一段时间内数据忽大忽小、存在明显跳变，出现这样现象的原因一般为：①发射器或接收器镜头有蜘蛛网或其他附着物；②周围有污染物排放；③能见度仪内部程序紊乱；④接地不符合规范；⑤能见度仪元器件损坏等。

排查流程：

（1）先排除该时间段内附近有无污染物排放情况。

（2）检查是否有蜘蛛网或其他附着物，用脱脂棉蘸酒精清洁能见度接收器和发射器镜头。

（3）重启能见度仪和采集器。

（4）检查防雷接地是否正常，有无明显断裂的现象。能见度仪对防雷接地电阻的阻值要求较高，接地电阻阻值大小对能见度数值影响较大，应进行单独接地，并检测接地电阻必须小于4Ω以下。

（5）经过上述排查后能见度值任然存在明显跳变现象，就怀疑是能见度仪程序紊乱或元器件故障，并与厂家联系。

2.2.5 能见度数值长时间维持不变

能见度数值连续 5个时次维持不变，则可认定为：①能见度仪死机；②发射器或接收器镜头有蜘蛛网或其他附着物；③采集器故障导致内置程序紊乱；④元器件故障。

排查流程：

（1）检查是否有蜘蛛网或其他附着物，用脱脂棉蘸酒精清洁能见度接收器和发射器镜头。

（2）检查地面综合观测业务软件是否异常，重启业务软件。

（3）重启采集器和能见度仪，并观察能见度数值是否变化。

（4）参照前面的处理的方法，按照RS232通讯，利用测试线把能见度仪直接连接电脑，用sscom32测试软件读取能见度数据，观察能见度数值。若能见度数值还是长时间维持不变，就怀疑是能见度仪程序紊乱或设备故障。

（5）更换采集器，测试。若以上都不行，跟厂家联系更换能见度仪。

3 能见度数据取值

1分钟能见度（也称瞬时值）：能见度仪每分钟会形成一个数据，此数据是能见度仪在1分钟内采样数据的进行算术平均，得出的一个值。

10分钟能见度：是1分钟能见度值（瞬时值）的基础上进行的10分钟平均，得出的值。每分钟滑动更新一次。

最小能见度：是10分钟平均能见度的最小值。

在长Z文件中VV段的1分钟能见度为正点1分钟能见度，10分钟能见度为正点10分钟平均值，最小能见度为1小时内最小10分钟平均值，以米（m）为单位，去整数。CW段能见度为正点前15分钟内最小的10分钟平均值，以千米（km）为单位，取一位小数。

10分钟滑动平均能见度（又称10分钟水平能见度）；是指当前分钟前10分钟内的10分钟平均能见度的滑动平均值。

视程障碍现象综合判识是以10分钟滑动能见度作为判识依据，天气现象最小能见度是从现象时段内10分钟滑动平均能见度中挑取的最小值[8-10]。重要天气报告中的能见度以“过去10分钟平均值”的10分钟滑动平均值为准。以10m为单位编报，不足10m时，米数直接舍去，高位不足补“0”。

一般情况下天气现象最小能见度、日最小能见度数值不相同的。

4 结论

新型自动站投入业务运行以来，能见度仪的应用实现了能见度的连续自动观测，且有效地避免了人工观测带来的主观性。但是能见度仪的取样空间局限，采样区域的环境的好坏，直接影响能见度的数值。这就使得日常的巡查、维护尤为必要。当能见度仪出现故障时，台站人员要在第一时间进行抢修，所以台站业务人员得了解能见度的工作原理及维修方法，及时排除故障。根据业务需要台站业务人员也必须熟悉能见度每个取值的含义，且能根据实际天气情况对自动判别的天气现象和能见度数据做出正确处理。